Быстродействующий выключатель (БВ) служит для защиты силовой цепи тяговых двигателей от токов короткого замыкания и перегрузок. Основное требование, предъявляемое к выключателю, — как можно быстрее прекратить нарастание тока короткого замыкания (к.з.) и отключить защищаемую цепь, не допуская повреждения ее элементов.
При отключении цепи обычными контакторами ток к.з. успевает достичь максимального значения. Разрыв контактов БВ и гашение дуги происходят намного быстрее, и токи к.з. не достигают своего максимума. Собственное время срабатывания аппарата составляет приблизительно 0,002 с, время гашения дуги — 0,003 с, поэтому полное время отключения равно 0,005…0,01 с.
Высокие защитные свойства выключателя определяются его конструкцией: оригинальная магнитная система, отсутствие промежуточных защелок, легкая система рычагов из алюминиевых сплавов, мощные отключающие пружины обеспечивают немедленное движение подвижных частей выключателя и малое время полного разрыва контактов при срабатывании аппарата.
Процесс выключения начинается в момент достижения тока силовой цепи уставки (600±50) А. Выключатель является поляризованным аппаратом, т.е. он срабатывает при прохождении тока по его размагничивающей катушке (виткам) в определенном направлении. Поэтому он используется на электропоездах только в тяговом режиме. На поездах с электрическим торможением для защиты силовых цепей в тормозных режимах служит быстродействующий контактор защиты КЗ.
Контактор КЗ и быстродействующий выключатель БВ электрически связаны между собой: при нажатии и отпускании кнопки «Возврат защиты» они одновременно восстанавливаются и, как правило, вместе срабатывают в аварийных случаях.
Быстродействующий выключатель (рис. 3.8) состоит из рамы, магнитопровода, главных контактов, дугогасительного устройства, пневматического привода и низковольтного блокировочного устройства. Между верхним и нижним основаниями рамы имеются четыре вертикальные стойки, две из которых являются изолированными. На изолированных стойках укреплена магнитная система, контактные рычаги и пневматический привод. В магнитную систему входят: магнитопровод 1, удерживающая катушка 16, размагничивающие витки 14, находящиеся внутри магнитопровода. Неподвижные контакты 4 закреплены болтами на специальном держателе. Подвижные контакты 5 закреплены на концах контактных рычагов 12 и соединены между собой гибким медным шунтом.
Рис. 3.8. Быстродействующий выключатель БВП-105А: 1 — магнитопровод; 2 — полюс; 3 — дугогасительная катушка; 4— неподвижный контакт; 5 — подвижной контакт; 6 — якорь; 7 — отключающая пружина; 8 — пневматический привод; 9 — воздухопровод; 10 — вентиль; 11 — шунт; 12 — рычаг подвижного контакта; 13 — рычаг; 14 — размагничивающие витки; 15 — блокировочное устройство; 16 — удерживающая катушка
При выключении аппарата контакты 4 и 5 размыкаются под действием двух отключающих пружин 7. Во включенном положении подвижная система выключателя удерживается электромагнитом 1, к полюсам которого притягивается якорь 6. Нажатие контактов при этом обеспечивают пружины 7, точка приложения усилий смещена влево по отношению к шарниру, соединяющему контактный рычаг и рычаг якоря. Натяжение пружин можно регулировать болтами.
Ток силовой цепи проходит через размагничивающие витки удерживающего электромагнита (рис. 3.9). БВ срабатывает или при размыкании цепи удерживающей катушки, или при повышении тока в силовой цепи, а значит, и в размагничивающих витках до значения уставки. В обоих случаях аппарат отключается вследствие того, что магнитный поток удерживающего электромагнита становится меньше определенной величины, при которой усилие пружин превышает усилие притягивания. В этот момент якорь под действием пружин отрывается от полюсов электромагнита, его рычаги вместе с рычагами подвижных контактов отбрасываются вниз в выключенное положение.
Рис. 3.9. Упрощенная схема намагничивания магнитопровода БВ
Одни и те же пружины воздействуют на главные контакты, обеспечивая нужное контактное нажатие во включенном положении, когда якорь удерживается электромагнитом, и отбрасывают подвижные детали вниз, размыкая контакты, когда якорь перестает удерживаться электромагнитом.
Пневматический привод выключателя состоит из цилиндра 8, внутри которого закреплены резиновая диафрагма и диск со штоком, системы рычагов и электропневматического вентиля 10. Резиновая диафрагма разделяет цилиндр на две полости. Через возбужденный вентиль под диафрагму поступает сжатый воздух, прогибает ее и через шток с роликом заставляет подвижные рычаги перемещаться вверх, подводя якорь к электромагниту.
Для включения быстродействующего выключателя сначала нужно подать питание на удерживающую катушку (рис. 3.10, а). После возбуждения катушки подвижная система рычагов не перемещается, потому что из-за большого воздушного зазора между якорем и полюсами электромагнита притягивающее усилие мало. Затем, нажимая на кнопку «Возврат защиты», подают питание на электропневматический вентиль. Под диафрагму пневматического привода поступает сжатый воздух, начинает подниматься шток с роликом, который, воздействуя на рычаги, растягивает отключающие пружины 8 (рис. 3.10, б) и подводит якорь к электромагниту. На рис. 3.9 видно, что теперь магнитный поток (тонкая линия) замыкается не через воздушный зазор, а через плотно прижатый якорь. Магнитный поток значительно увеличивается и удерживает подвижную систему выключателя. В это время (пока нажата кнопка «Возврат защиты») главные контакты еще не замкнулись, между ними имеется зазор около 7 мм, но блокировочные контакты разомкнули цепь сигнальной лампы. Свидетельствующей о включенном положении аппарата.
Рис. 3.10. Кинематическая схема БВ в выключенном (а), промежуточном (б) и включенном (в) состояниях: 1 — пневматический цилиндр; 2 — рычаг якоря; 3 — регулировочные винты; 4 — неподвижный контакт; 5 — подвижной контакт; 6 — буфер; 7 — размагничивающие витки; 8 — отключающая пружина; 9 — якорь; Фу — магнитный поток удерживающей катушки; Фр — магнитный поток размагничивающих витков
На следующем этапе отпускают кнопку «Возврат защиты», сжатый воздух выходит из цилиндра привода БВ, шток с роликом отходит от контактного рычага вниз, между рычагом и роликом образуется зазор. За счет плеча, образовавшегося между точками приложения отключающих пружин и осью шарнира, соединяющего контактный рычаг с рычагом якоря, главные пружины начнут поворачивать контактный рычаг против часовой стрелки, пока подвижный контакт не упрется в неподвижный.
Теперь аппарат включен (рис. 3.10, в), силовые контакты замкнулись после отключения пневматического привода (после отпускания кнопки «Возврат защиты»). Это сделано для того, чтобы при включении БВ на имеющееся в схеме короткое замыкание аппарат немедленно сработал и разорвал цепь.
Быстродействующий выключатель срабатывает при размыкании низковольтной цепи удерживающей катушки контактами соответствующих аппаратов. Обесточить катушку можно вручную, отключив выключатель управления ВУ (отключение всех БВ в поезде) или нажав кнопку в шкафу моторного вагона (отключение одного БВ).
В случае превышения тока уставки выключатель срабатывает автоматически под действием магнитного потока размагничивающих витков, расположенных на магнитном мостике магнитопровода БВ. Этот дополнительный сердечник иногда называют магнитным шунтом. Через него частично ответвляется магнитный поток удерживающей катушки.
Пока ток в силовой цепи тяговых двигателей не превышает тока уставки БВ, магнитный поток размагничивающих витков (жирная линия на рис. 3.9) хоть и направлен встречно потоку удерживающей катушки, срабатывания аппарата не вызывает. При перегрузке или коротком замыкании ток в силовой цепи резко возрастает. Магнитный поток размагничивающих витков увеличивается и нейтрализует поток катушки. Под действием отключающих пружин якорь отрывается от полюсов электромагнита, и его рычаги вместе с рычагами подвижных контактов немедленно отбрасываются вниз в отключенное положение.
При быстром возрастании магнитного потока размагничивающих витков в удерживающей катушке наводится эдс, направленная встречно току. Ток в катушке уменьшается, что приводит к уменьшению результирующего магнитного потока и снижению уставки аппарата. Таким образом, БВ обладает свойством ускоренного действия при тяжелых коротких замыканиях.
Главные контакты разошлись, однако процесс отключения не закончен. Цепь остается замкнутой через электрическую дугу между разошедшимися контактами. Гашение мощной дуги представляет собой серьезную проблему. Для этого на выключателе предусмотрен двойной разрыв цепи и две двухщелевые дугогасительные камеры с выхлопом в горизонтальном направлении.
С одной стороны, дугу выгодно погасить как можно быстрее, но при чрезмерно интенсивном дугогашении значительно возрастают перенапряжения, возникающие вслед за обрывом дуги (БВ разрывает цепь с большой индуктивной нагрузкой).
Магнитный поток в зоне контактов создают дугогасительные катушки 3 (см. рис. 3.8), имеющие по девять витков. Через них постоянно протекает ток силовой цепи, поэтому катушки вместе с полюсами 2 создают достаточно интенсивное магнитное поле, которое пересекает дугу. В результате взаимодействия тока дуги с сильным магнитным полем дугогасительных катушек дуга выбрасывается на рога в лабиринтные щели дугогасительных камер.
Двукратная дугогасительная камера разделена асбоцементной перегородкой на две щели. Два дугогасительных рога, укрепленных на стенках камеры, связанные с неподвижными контактами, соединены с внешней силовой цепью вагона контактными ножами. Два других рога, соединенные с подвижными контактами и расположенные с обеих сторон перегородки, соединены между собой. Двойной разрыв цепи облегчает дугогашение, двукратные дугогасительные камеры с горизонтальным выхлопом позволили уменьшить размеры выключателя и разместить его под кузовом вагона.
С наружной торцевой стороны в камере (рис. 3.11) установлена деионная решетка, набранная из отдельных металлических пластин. Ее назначение — деионизировать дугу и предотвратить выхлоп. (Если решетку не поставить, БВ не сможет отключать большие токи.) Электрическая дуга не достигает решетки и при нормальной эксплуатации БВ она не оплавляется. Если деионная решетка подгорает, это говорит о неисправной работе аппарата или его дугогасительной системы. Конструкция камеры обеспечивает охлаждение дуги, ее растягивание до критической величины и гашение.
Рис. 3.11. Дугогасительная камера БВ: 1 — контактный нож дугогасительного рога; 2 — дугогасительные рога; 3 — деревянный брус; 4 — деионная решетка; 5 — асбоцементная перегородка; 6— асбоцементная стенка камеры
При ТО-3 быстродействующий выключатель снимают с вагона и доставляют в цех. После ремонта производят регулирование: нужное нажатие контакторов (90… 100Н) устанавливают, меняя натяжение отключающих пружин, ток уставки аппарата регулируют, поворачивая винты 3 (см. рис. 3.10, а) в корпусе магнитопровода.
Если выключение происходит при слишком малом токе, винты ввертывают в магнитопровод, если аппарат выключается при большем токе, винты вывертывают. После регулирования их пломбируют.
Таблица 7. Перечень неисправностей БВ и способы их устранения
| Неисправность | Причина | Способ устранения |
| Включается, но не удерживается во включенном положении | На шлифованных поверхностях якоря и магнитопровода имеется грязь, пыль, влага; притянулся посторонний металлический предмет Неисправны цепи включения. Чрезмерно натянуты отключающие пружины |
Удалить грязь, влагу, протереть зеркало салфеткой. Проверить и устранить неисправность. Проверить нажатие главных контактов и отрегулировать натяжение пружин |
| Не включается | Контакт задевает за стенку камеры | Передвинуть камеру |
| Остается в промежуточном положении | Постороннее питание провода 7, вентиль все время под питанием | Снять питание с провода 7 |
Технические данные выключателя БВП-105А
Электропоезд ЭР2Т, ЭР2Р, ЭД2Т ЭР2 Номинальное напряжение, В........................... 3000 3000 Максимальное напряжение, В.......................... 4000 4000 Номинальный длительный ток, А....................... 250 250 Номинальное напряжение цепи управления, В........... 110 50 Предельный отключаемый ток, кА...................... 20 20 Число пар главных контактов......................... 2 2 Раствор главных контактов, мм....................... 30±5 30±5 Ширина силовых контактов, мм........................ 11 11 Нажатие контактов, Н: главных............................................. 90...100 90...100 вспомогательных..................................... 20... 40 20... 40 Ток уставки, А...................................... 600±50 575±25 Номинальное давление воздуха, ат.................... 5 5 Число витков катушек: дугогасительных..................................... 9 9 удерживающей........................................ 4305 3500 размагничивающей.................................... 3 3 Сопротивление удерживающей катушки, Ом.............. 32,5 161 Время срабатывания, с............................... 0,005...0,01 0,005...0,01
Быстродействующий контактор защиты КЗ. Данный аппарат защищает силовые цепи электропоездов ЭР2Т и ЭД2Т от перегрузок, коротких замыканий, круговых огней, возможных перебросов на «землю» в режимах электрического торможения. Контактор включен в силовую схему со стороны «земли» на участке, по которому замыкаются токи якорей и обмоток возбуждения. Поэтому при срабатывании одновременно отключаются оба контура.
Контактор установлен в подвагонном ящике моторного вагона. Основные узлы аппарата (рис. 3.12) смонтированы на изоляционных стойках 1. Силовые подвижные контакты размещены на дюралюминиевых рычагах 6 на концах общей оси. На литых латунных кронштейнах, выполняющих роль дугогасительных рогов, закреплены съемные неподвижные силовые контакты 3. Система магнитного дугогашения состоит из дугогасительной катушки и камеры. Плоскощелевые камеры 2 контакторов КМБ-3А и КМБ-3 изготавливают из асбоцемента, лабиринтно-щелевые — прессуют из прессмассы. Между стенками камер вмонтирован литой латунный дугогасительиый рог подвижного контакта. Два полюса аппарата разделены перегородкой из асбоцемента, предотвращающей переброс дуги между подвижными контактами. На приводе аппарата размещены блокировочные контакты 9.
Рис. 3.12. Быстродействующие контакторы защиты (КЗ) КМБ-3 (а) и КМБ-3Д (б): 1 — изоляционные стойки; 2 — дугогасительные камеры; 3 — неподвижные контакты; 4 — изоляционный стержень (толкатель); 5 — отключающая пружина; 6 — подвижный контакт; 7 — включающие катушки; 8 — электромагнитный привод; 9 — блокировочные контакты
Магнитопровод контактора имеет две магнитные цепи, которые расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях. Вертикальную магнитную цепь (рис. 3.13) составляет сварное ярмо 7, рычаг якоря 5 с шихтованным ярмом 8, два рабочих воздушных зазора, два сердечника 1 с включающими катушками 2. В горизонтальную цепь входит якорь 6, те же сердечники 1 с катушками 2, ярмо и магнитный шунт 3 с размагничивающей катушкой 4. Некоторые элементы являются общими для горизонтальной и вертикальной магнитных цепей. Дугогасительные катушки постоянно введены в силовую цепь тяговых двигателей.
Рис. 3.13. Магнитопровод контактора КМБ-3: 1 — сердечник; 2 — включающие катушки; 3 — магнитный шунт; 4 — отключающая катушка; 5 — рычаг якоря; 6 — якорь; 7 — ярмо; 8 — шихтованное ярмо
Для включения контактора требуется подать напряжение на включающие катушки 2. Это осуществляет блок защиты БЗ после воздействия на него специального реле, которое включается от кнопки «Возврат защиты». Чтобы увеличить усилие электромагнита в момент включения, катушки 2 через блок защиты соединяются параллельно и согласованно. Их магнитные потоки замыкаются через рабочие воздушные зазоры вертикальной магнитной цепи. Возникшие электромагнитные силы притягивают якорь 6 привода (см. рис. 3.13) к сердечникам 1.
Рычаг 5 якоря, поворачиваясь вокруг своей оси, нажимает на изоляционный стержень (толкатель). При этом подвижные контакты движутся вверх, растягивая отключающие пружины и прижимаясь к неподвижным контактам. Контактор включается, магнитный зазор между якорем и сердечниками значительно уменьшается, поэтому усилие электромагнита возрастает.
Как только якорь притянется к сердечникам и замкнутся силовые контакты, включающие катушки 2 посредством блока защиты переключаются с параллельного на последовательное соединение. Теперь их ослабленный магнитный поток замыкается в горизонтальной магнитной цепи, но его величины достаточно, чтобы удерживать якорь в притянутом положении и обеспечивать нормальное нажатие главных контактов. В цепь последовательно соединенных включающих катушек введен дополнительный резистор для уменьшения длительного тока.
Отключение контактора защиты происходит после срабатывания дифференцирующего трансформатора ТрД, дифференциального реле ДР или появления аварийного сигнала датчика тока, поступающего на блок защиты. При коротком замыкании в главной цепи блок защиты кратковременно подает отключающий импульс на размагничивающую катушку 4 (в некоторых схемах размагничивающая катушка кратковременно запитывается помимо блока непосредственно от цепи 220 В через повторитель дифференциального реле). В магнитном шунте 3 увеличивается магнитный поток и резко уменьшается поток, замыкающийся через якорь. Две мощные отключающие пружины отрывают якорь от магнитопровода и размыкают силовые контакты.
В это время нарастающий ток короткого замыкания создает в системе магнитного дутья контактора сильное магнитное поле. Электрическая дуга, возникшая между контактами, выдувается в дугогасительную камеру, растягивается, деионизируется и гаснет.
Чтобы увеличить скорость расхождения контактов, точку крепления отключающих пружин 5 на рычаге 2 (рис. 3.14) максимально приблизили к оси 1.
Рис. 3.14. Рычажная система контактора КМБ-3: 1 — ось шарнирного соединения рычагов; 2, 4 — рычаги; 3 — ось; 5 — отключающая пружина
При включении контактора под действием привода (толкателя) рычаги 2 и 4 с подвижными контактами поворачиваются вокруг оси 3. После соприкосновения подвижных контактов с неподвижными рычаг 2 начинает вращаться вокруг оси 1, а рычаг 4 — вокруг оси 3: рычажная система, создавая необходимую силу нажатия, обеспечивает притирание и свободное размыкание контактов. При отключении контактора подвижные контакты отрываются от неподвижных без предварительного перекатывания.
Основные неисправности контактора защиты приведены в табл. 8.
Таблица 8. Неисправности контактора защиты и способы их устранения
| Неисправность | Причины | Способ устранения |
| Контактор не включается | Велик воздушный зазор между якорем и сердечниками электромагнитного привода. Неисправна схема включения. Неисправен блок защиты |
Установить раствор силовых контактов 8…12 мм. Проверить схему, устранить неисправность Заменить блок |
| Контактор включается, но не удерживается во включенном положении | На шлифованных поверхностях якоря и сердечников скопилась грязь Под якорь притянулся посторонний стальной предмет. Неисправны цепи включения. Сильно натянуты отключающие пружины |
Удалить грязь и протереть ветошью. Удалить посторонний предмет и протереть ветошью. Проверить цепи и устранить неисправность Проверить нажатие силовых контактов, ослабить натяжение пружин |
Технические данные контакторов защиты
Контакторы КМБ-3 КМБ-ЗД Напряжение главной цепи, В номинальное..................................... 3000 3000 максимальное.................................... 4000 4000 Номинальный ток, А.............................. 160 220 Раствор контактов, мм главных......................................... 10 10 вспомогательных................................. 7,5 7,5 Напряжение цепи управления, В................... 110 110 Число витков катушки включающей...................................... 1140 2220 размагничивающей................................ 3 30 Сопротивление включающей катушки, Ом............ 6 18 Номинальный ток вспомогательных контактов, А.... 10 10 Время срабатывания, с, не более................. 0,008 0,004 Дугогасительная камера.......................... Лабиринтно-щелевая Плоскощелевая
