ВОПРОСЫ для зачета по ЭНЭС
1. Понятие электрических аппаратов, их роль в электрических цепях напряжением до и выше 1000 В.
2. Классификация низковольтных электрических аппаратов.
3. Основные требования, предъявляемые к электрическим аппаратам.
4. Электродинамические силы в электрических аппаратах, их проверка на электродинамическую устойчивость.
5. Нагрев электрических аппаратов, их проверка на термическую устойчивость.
6. Понятие электрического контакта. Переходное сопротивление контакта, его зависимость от различных факторов.
7. Классификация коммутирующих контактов, их конструктивные особенности.
8. Электрическая дуга, условия возникновение разряда.
9. Способы гашения электрической дуги, конструктивные особенности дугогасительных устройств.
10. Электромагнитные системы в электрических аппаратах: понятие, назначение применения.
11. Аппараты распределительных устройств: понятие, функциональное назначение.
12. Рубильники и переключатели (выключатели нагрузки): назначение, конструктивные особенности.
13. Предохранители: назначение, конструктивные особенности, защитная характеристика.
14. Автоматические выключатели: назначение, конструктивные особенности, защитная характеристика.
15. Контакторы: понятие и функциональное назначение, конструкция.
16. Магнитные пускатели: назначение, схемы, защитные функции.
17. Контактные реле: понятие, характеристика, конструкция электромагнитных реле.
18. Тепловые реле: принцип действия, конструктивные исполнения, защитная характеристика.
1. Понятие электрических аппаратов, их роль в электрических цепях напряжением до и выше 1000 В.
Электрические аппараты – это электротехнические устройства, которые обслуживают (управляют, защищают, контролируют, регулируют и т.д.) электроустановки на всех этапах производства, распределения и потребления электроэнергии в народном хозяйстве. Все необходимые включения, переключения, выключения на электрических станциях, повышающих и понизительных подстанциях, отходящих и приходящих линиях электропередачи (ЛЭП) и распределительных устройствах производятся выключателями. Они также осуществляют защиту всех электрических установок от действия токов короткого замыкания (к.з.), перегрузок и других ненормальных режимов работы. Команды на соответствующие переключения и выключения подаются автоматически разнообразными реле и датчиками, которые контролируют заданные параметры и при их отклонении от установленных величин подают соответствующие команды на восстановление параметра или отключение поврежденного элемента (генератора, трансформатора, участка ЛЭП и т.д.).
Высоковольтные аппараты (ВВА) предназначены для работы в электроустановках напряжением 3 – 750 кВ и выше.
Низковольтные аппараты (НВА) предназначены для работы в электроустановках с напряжением ниже 1000 В.
2. Классификация низковольтных электрических аппаратов.
Классификация электрических аппаратов может быть проведена по целому ряду признаков: назначению (основной функции, выполняемой аппаратом); области применения; принципу, используемому в аппарате; роду тока; исполнению защиты от воздействия окружающей среды; конструктивным особенностям и др. Основной является классификация по назначению:
1) коммутирующие – предназначены для замыкания и размыкания электрических цепей (рубильники, переключатели, пакетные выключатели и т.д.);
2) защитные – осуществляют защиту и отключение электрических цепей и машин от перегрузок, токов к.з. и других ненормальных режимов работы (автоматические выключатели, плавкие предохранители и т.д.);
3) пускорегулирующие – предназначены для осуществления пуска, регулирования скорости вращения, напряжения и тока электрических машин (контакторы, пускатели, пусковые и пускорегулирующие реостаты и др.);
4) токоограничивающие – предназначены для ограничения тока при к.з. (реактивные и активные сопротивления);
5) контролирующие – реле, основной функцией которых является контроль заданных параметров электрической цепи и при отклонении этих параметров подача того или иного сигнала или команды в соответствии с заранее установленной функциональной зависимостью (на отключение, на исправление параметра и т.д.);
6) регулирующие – предназначены для автоматической непрерывной стабилизации или регулирования заданного параметра электрической цепи или схемы.
По принципу работы НВА могут быть подразделены на контактные и бесконтактные. Первые имеют подвижные контактные части, вторые осуществляют управление путем изменения своих электрических параметров (индуктивности, сопротивления и т.д.).
Контактные аппараты могут быть автоматические и неавтоматические. Автоматические – это аппараты, приходящие в действие от заданного режима работы электрической цепи или машины. Неавтоматические – это аппараты, действие которых зависит только от воли оператора. Они могут управляться дистанционно или непосредственно.
В пределах одной группы или типа аппараты различают:
● по роду тока (постоянного тока, переменного тока различной частоты);
● по роду защиты от окружающей среды (исполнения открытые, защищенные, брызгозащищенные, герметические, взрывобезопасные и т.д.);
● по способу действия (электромагнитные, магнитоэлектрические, индукционные, тепловые и т.п.);
● по ряду других факторов (быстродействие, способы гашения дуги и т.п.).
3. Основные требования, предъявляемые к электрическим аппаратам.
1) Термическая устойчивость – способность электрического аппарата противостоять тепловому воздействию наибольших электрических токов. Допустимая температура нагрева аппарата определяется обычно термической стойкостью изоляционных материалов. Температура нагрева зависит от условий охлаждения. Поэтому в необходимых случаях предусматривают искусственное охлаждение с помощью принудительной циркуляции воздуха или охлаждающих жидкостей.
2) Электродинамическая устойчивость – способность аппарата противостоять действию электродинамических сил. Из физики известно, что между двумя проводниками с током возникают электродинамические силы взаимодействия, которые пропорциональны произведению токов и с их ростом быстро увеличиваются.
3) Износостойкость – различают механическую и электрическую износостойкость. Механическая износостойкость – способность электрического аппарата выполнить определенное число операций без тока в цепи его контактов. Электрическая износостойкость – способность аппарата выдержать определенное число операций при коммутации электрического тока. Механическая износостойкость электрического аппарата, как правило, существенно выше, чем его электрическая износостойкость.
4) Коммутационная способность – это свойство аппарата обеспечивать надежное управление заданным уровнем электрической энергии (электрического тока) в течение всего срока службы аппарата.
5) Время действия аппарата – оно колеблется в широких пределах (от 0,001 с и менее до нескольких часов и даже суток). Следует отметить, что к точности аппаратов, предназначенных для создания выдержек времени, предъявляются высокие требования.
6) Надежность – свойство аппарата, заключающееся в его способности выполнять определенные задачи в определенных условиях эксплуатации. К надежности электрических аппаратов предъявляются весьма высокие требования, поскольку они по своему назначению составляют основу систем и устройств, от надежного функционирования которых зависит не только работа производственных объектов, но нередко и жизнь людей.
4. Электродинамические силы в электрических аппаратах, их проверка на электродинамическую устойчивость.
При протекании электрического тока по какому-либо контуру или по нескольким контурам отдельные участки этих контуров и контуры в целом испытывают воздействие механических усилий. В соответствии с этим в контуре, образованном, например, контактом аппарата, возникает сила, направленная в сторону размыкания контакта.
Известно, что обтекаемый током i прямолинейный проводник длиной l, расположенный в магнитном поле с индукцией B, испытывает механическую силу F = i · l · B · sinβ, где β – угол между направлением вектора B и направлением тока в проводнике (рис. 2.1).
В системе из нескольких обтекаемых током проводников можно всегда представить, что любой из этих проводников расположен в магнитном поле, созданном токами других проводников, и соответствующим образом взаимодействует с этим полем, т.е. между проводниками, охваченными общим магнитным потоком, всегда возникают механические силы. Эти силы называются электродинамическими усилиями.
При нормальных эксплуатационных условиях электродинамические усилия, как правило, малы и не вызывают каких-либо деформаций, а тем более поломок деталей в аппаратах. Однако при к.з. эти силы достигают весьма больших величин и могут вызвать деформацию или разрушение не только отдельных деталей, но и всего аппарата. Поэтому необходимо выполнять расчет аппарата на электродинамическую устойчивость.
Для одного контура (рис. 2.2)
Электродинамические силы, возникающие в токоведущих частях аппаратов, стремятся деформировать как сами проводники, так и изоляторы, с помощью которых эти проводники закреплены на заземленных частях аппарата.
Электродинамическая устойчивость аппарата характеризуется наибольшим пиком тока, который тот может выдержать во включенном состоянии, не повреждаясь ни механически, ни электрически и не отключаясь самопроизвольно. Как указано выше, электродинамические усилия, возникающие между проводниками, пропорциональны квадрату тока и увеличиваются с уменьшением расстояния между ними. В установках до 1000 В расстояние между токоведущими частями невелико, а токи к.з. могут достигать больших величин (сотен килоампер). Поэтому э.д.у. в аппаратах до 1000 В достигают очень больших значений.
Аппарат, устойчивый в электродинамическом отношении, должен выдерживать эти усилия. У него не должно быть самопроизвольного отключения, сваривания контактов или механического разрушения деталей.
Эта устойчивость (как паспортная величина) может выражаться либо непосредственно амплитудным значением тока динамической устойчивости i дин, либо сквозным или предельным током отключения, при которых механические напряжения в деталях аппарата не выходят за пределы допустимых величин, либо кратностью тока динамической устойчивости относительно амплитуды номинального тока
Для проверки аппарата на динамическую устойчивость необходимо рассчитать ударные токи к.з. (или соответствующие значения) в электрической цепи, где установлен или будет устанавливаться этот аппарат, и сравнить их с паспортными величинами. Если расчетное значение тока меньше паспортного, то аппарат будет динамически устойчив к действию токов к.з. Если это условие не выполняется, то аппарат не устойчив.
5. Нагрев электрических аппаратов, их проверка на термическую устойчивость.
При работе аппарата в его токоведущей цепи, изоляции и деталях конструкции возникают потери электрической энергии, которые превращаются в тепло (потери на активном сопротивлении, потери на вихревые токи – токи Фуко, потери на гистерезис – потери на перемагничивание ферромагнитного материала). Тепловая энергия частично расходуется на повышение температуры аппарата и частично отдается в окружающую среду.
Нагрев токоведущих частей и изоляции аппарата в значительной степени определяет его надежность. Поэтому во всех возможных режимах работы температура частей аппарата не должна превосходить таких значений, при которых обеспечивается его длительная надежная работа.
На практике различают следующие нормальные режимы работы аппаратов: длительный, кратковременный, повторно-кратковременный, а также режим короткого замыкания.
Длительный режим работы. Характеризуется тем, что за время работы аппарата достигается установившееся значение температуры (разумеется, при соблюдении постоянства условий отдачи тепла в окружающее пространство).
При включении аппарата температура его элементов не сразу достигает установившегося значения (рис. 2.3).
Величина Т называется постоянной времени нагрева – это время нагрева аппарата от холодного состояния до установившейся температуры при отсутствии теплоотдачи в окружающее пространство.
Допустимый ток нагрузки при длительном режиме работы рассчитывается из условия, чтобы допустимые температуры для различных элементов аппарата не выходили за пределы, установленные ГОСТ.
Кратковременный режим работы. При включении температура аппарата не достигает установившегося значения (рис. 2.4).
После кратковременного нагрева аппарат отключается, и его температура падает до тех пор, пока не сравняется с температурой окружающей среды.
Для характеристики кратковременного режима вводится понятие коэффициента перегрузки
который показывает, во сколько раз может вырасти допустимая нагрузка по току при кратковременном режиме работы по сравнению с длительным.
Повторно-кратковременный режим является наиболее общим, когда после кратковременного нагрева аппарата за время включения t р (рис. 2.5) его температура не снижается до температуры окружающей среды за время паузы t п. Если время паузы велико, когда температура перегрева приближается к нулю, то режим приближается (по смыслу) к кратковременному. А если время паузы мало, то режим приближается к установившемуся.
Для характеристики повторно-кратковременного режима вводится понятие продолжительности включения ПВ или ПВ%.
Из рис. 2.5 видно, что чем больше ПВ, тем меньше рабочим током можно нагрузить один и тот же аппарат из условия его допустимого перегрева.
Режим короткого замыкания. Короткое замыкание характеризуется большим током и малой длительностью (от нескольких тысячных секунды до нескольких секунд).
В реальных установках токи к.з. в 10 – 20 раз могут превысить токи длительного режима. Учитывая малую длительность режима к.з., допустимая температура при к.з. берется значительно выше, чем в длительном режиме.
Нагрев аппарата при к.з. происходит практически по закону, показанному прямой BC на рис. 2.6. Охлаждение аппарата после отключения к.з. происходит по тем же законам, что и при нормальных режимах.
Аппарат, устанавливаемый в электрической цепи, должен быть проверен на термическую устойчивость к токам к.з., т.е. на способность выдерживать без повреждений и перегрева свыше норм термическое действие токов к.з. определенной длительности.
Так как выделяемая в аппарате тепловая энергия пропорциональна квадрату тока, то термическая устойчивость определяется величиной 
, где 
не может превосходить некоторого предельного значения для данного аппарата (ток термической устойчивости аппарата есть паспортная величина, отнесенная к соответствующему времени действия).
Определив для электрической цепи, в которой устанавливается аппарат, установившееся значение тока к.з. 
и оценив время действия тока к.з. 
(время отключения тока к.з.), можно проверить термическую устойчивость аппарата по условию 
, где – паспортная величина. Если это условие выполняется, то аппарат устойчив к термическому действию токов короткого замыкания.
6. Понятие электрического контакта. Переходное сопротивление контакта, его зависимость от различных факторов.
Электрическим контактом называется место соединения двух или нескольких проводников, предназначенное для создания цепи тока. Состояние контактного соединения играет большую роль в обеспечении надежной работы цепи в целом.
Как бы тщательно ни были отшлифованы контактные поверхности, они все же будут иметь микроскопические бугорки и шероховатости (рис. 2.7).
Сопротивление в области точек касания, обусловленное явлением стягивания тока, называется переходным сопротивлением контакта.
По форме контактирования различают три типа контактов:
1) точечный – условное контактирование происходит в точке;
2) линейный – условное контактирование происходит по линии;
3) поверхностный – условное контактирование происходит по поверхности.
В зоне перехода тока из одной части контакта в другую имеет место относительно большое электрическое сопротивление, называемое переходным сопротивлением контакта. По своей природе переходное сопротивление контакта есть обычное сопротивление металлического проводника, только этот проводник – микроскопический бугорок, в котором и происходит физическое контактирование двух частей контакта.
Величина переходного сопротивления приближенно может быть представлена
где 
- некоторая величина, зависящая от материала и формы контакта, способа обработки и состояния контактной поверхности;
– сила, прижимающая контакты;
– характеризует число точек соприкосновения.
Зависимость 
от контактного нажатия. Эта зависимость в соответствии с (2.2) показана на рис. 2.8,а. Различный ход кривых объясняется наличием остаточных деформаций отдельных бугорков, по которым происходило соприкосновение. Следует отметить, что при одном и том же нажатии переходное сопротивление одного и того же контакта при каждом замыкании может быть разным и отличаться в достаточно широких пределах. Это следствие деформации бугорков. Значение переходного сопротивления в зависимости от нажатия практически выражается не какой-то кривой, а областью, ограниченной двумя кривыми.
Зависимость от температуры. Как указывалось выше, переходное сопротивление контакта есть сопротивление металла, поэтому оно должно в той или иной степени зависеть от температуры. Эта зависимость показана на рис. 2.8,б. Участки кривой I и III характеризуют увеличение сопротивления металла с ростом его температуры. Участок II объясняется тем, что при определенной температуре происходит резкое падение механических свойств металла и при том же нажатии увеличивается площадка контактирования. При температуре плавления металла контактные части свариваются и переходное сопротивление резко падает (участок IV).
Зависимость от состояния контактной поверхности. Переходное сопротивление сильно зависит от состояния контактной поверхности, особенно от степени ее окисления. Шлифовка поверхностей не уменьшает, а наоборот, увеличивает переходное сопротивление по сравнению с обработкой напильником. При шлифовке бугорки на поверхности становятся более пологими и смятие их затрудняется.
Зависимость от свойств материала контакта. Как указывалось выше, переходное сопротивление чрезвычайно чувствительно к окислению поверхности ввиду того, что окислы многих металлов (в частности, меди) являются плохими проводниками.
7. Классификация коммутирующих контактов, их конструктивные особенности.
Из определения «электрический контакт» следует, что контакт, по крайней мере, состоит из двух частей. По возможному перемещению этих частей относительно друг друга (при заданном действии устройства) контакты могут быть разделены на три группы: неразмыкаемые, коммутирующие, скользящие.
Неразмыкаемые – в процессе работы части контакта не перемещаются относительно друг друга (болтовое соединение шин, присоединение проводников к клеммам и т.п.).
Коммутирующие – в процессе работы замыкают, размыкают или переключают цепь, в которой течет или может протекать ток (контакты выключателей, рубильников, контакторов и т.д.).
Скользящие – разновидность коммутирующих контактов, у которых одна из частей перемещается (скользит) относительно другой, но электрический контакт при этом не нарушается (контакты реостатов, щеточный контакт электрических коллекторных машин и т.п.).
По форме контактирования различают три типа контактов:
1) точечный – условное контактирование происходит в точке;
2) линейный – условное контактирование происходит по линии;
3) поверхностный – условное контактирование происходит по поверхности.
Контактор постоянного тока
Контакторы постоянного тока выполняются, как правило, однополюсными, но на токи до 40 А, а в отдельных сериях на токи до 100 – 150 А выполняются и многополюсными.
Электромагнитная система наиболее широко применяется клапанного типа с вращением якоря на призме, обеспечивающим самоустановку якоря и существенно более высокую износостойкость системы по сравнению с вращением на оси.
При включении электромагнит преодолевает действие сил возвратной и контактной пружин. Тяговая характеристика электромагнита должна во всех точках идти выше характеристики противодействующих сил при минимальном допустимом напряжении на катушке (0,85 Uном).
Для уменьшения намагничивающей силы катушки, а следовательно, и потребляемой ею мощности, рабочий ход якоря выбирается небольшим (порядка 3 – 8 мм), хотя раствор контактов должен составлять 8 – 20 мм.
а б
Рис. 2. Крепление подвижного контакта (а) и магнитное дутье (б) в контакторах постоянного тока
Контактная система. Главные контакты в большинстве случав – рычажного типа. Вращение контакта выполняется на призме, реже – на оси (рис. 2,а). Характерным для контакторов постоянного тока является расположение контактов на плече, большем, чем плечо якоря магнитной системы.
На большие токи главные контакты во многих сериях выполняются двухступенчатыми и состоят из основных и дугогасительных контактов.
Дугогасительная система построена на принципе гашения электрической дуги с магнитным дутьем в дугогасительных камерах. Магнитное поле гашения в подавляющем большинстве конструкций возбуждается последовательной дугогасительной катушкой 1 (рис. 2,б), с обеих сторон которой закреплены полюсные наконечники 2. Большее распространение получают камеры с узкими щелями и дугогасительные устройства, ограничивающие размеры дуги объемом камеры.
Контакторы переменного тока
Контакторы переменного тока выпускаются с числом главных контактов от одного до пяти. Это отражается на конструкции всего аппарата в целом. Наиболее широко распространены контакторы трехполюсного исполнения. Наличие большого числа контактов приводит к увеличению усилия и соответственно момента, необходимых для включения аппарата.
Электромагнитная система выполняется шихтованной, т.е. набирается из отдельных изолированных друг от друга пластин толщиной 0,35; 0,5; 1 мм. Катушки низкоомные с малым числом витков. Основную часть сопротивления катушки составляет ее индуктивное сопротивление, зависящее от величины зазора. Ввиду этого ток в катушке при разомкнутой магнитной системе (пусковой ток) в 5 – 10 раз превышает ток при замкнутой магнитной системе (рабочий ток). Применяются магнитные системы как поворотного (Е-образные, П-образные, клапанные), так и прямоходного (Ш-образные, Т-образные) типа, первые – в контакторах тяжелого режима работы, вторые – в контакторах нормального режима работы.
Электромагнитная система независимо от типа состоит из сердечника, якоря, катушки и короткозамкнутого витка. Короткозамкнутый виток (рис. 3) необходим для устранения вибрации в притянутом положении, так как при прохождении магнитного потока через нуль якорь стремится оторваться от сердечника. Благодаря наличию короткозамкнутого витка поток Ф2 отстает по фазе относительно Ф1 на определенный угол. Каждый из потоков под своей частью полюса создает свою силу F1 и F2. Результирующая сила, действующая на якорь, равна сумме сил F1 и F2. Можно выполнить короткозамкнутый виток так, что минимальное значение результирующей силы проходит выше силы отрыва якоря Fотр.
Рис. 3. Принцип работы короткозамкнутого витка
При жестком креплении магнитной системы кинетическая энергия подвижных частей гасится при ударе якоря о сердечник, что приводит к расклепыванию и износу как якоря, так и сердечника. Для повышения механической износостойкости магнитную систему амортизируют. Амортизируется либо неподвижная часть, либо подвижная. При этом кинетическая энергия расходуется на перемещение сердечника или якоря и гасится амортизирующими пружинами.
Контактная система. При поворотных магнитных системах применяются рычажные контакты, при прямоходовых – мостиковые. Таким образом, первые находят более широкое применение в контакторах тяжелого режима работы, вторые – в контакторах нормального режима работы.
Дугогасительная система. Довольно широкое распространение получила система с дугогасительной решеткой из стальных пластин (гашение дуги в поперечных щелях). Дуга втягивается в решетку и разбивается на ряд последовательных дуг, поэтому в цепи дуги появляется дополнительное падение напряжения на каждой паре электродов.
Мостиковые контакты осуществляют двойной разрыв на полюс, что уменьшает ток дуги и облегчает условия ее гашения.
Принцип работы контактора
Внешне контактор представляет собой катушку проводов, внутри которой расположен сердечник, или цилиндр, подсоединенный механическим образом к электрическим контактам замыкания и размыкания. Контакты замыкания замыкают цепь, по которой течет ток, а контакты размыкания, наоборот, размыкают ее, останавливая ток. Тонкостенный каркас из меди или стали обеспечивает механическую прочность катушке и оптимальные условия для охлаждения элементов прибора.
Работа контактора основана на двух противоположных действиях. На электромагнитную катушку подается напряжение, после чего сердечник, под действием магнитного поля, начинает двигаться вверх, и цепь замыкается, что приводит к появлению в цепи тока и включению электродвигателя или другого подключенного оборудования. После отключения подачи электроэнергии благодаря системе пружин сердечник принимает свое первоначальное положение, основная цепь размыкается, и электрооборудование отключается.
Включение и отключение контактора производится посредством кнопочного устройства с двумя кнопками – «Пуск» черного цвета и «Стоп» красного. При нажатии на кнопку «Пуск» контакты, присоединенные к кнопке, замыкаются, а при нажатии на кнопку «Стоп» – размыкаются. Замыкание контактов приводит к подаче напряжения на катушку контактора и замыканию в ней силовых контактов, которые остаются во включенном состоянии, даже после того как кнопка возвращается в исходное положение – благодаря вспомогательным блок-контактам.
Существует принципиальное отличие в названиях цепей, участвующих в работе системы. Катушка получает питание от цепи управления, напряжение в которой может быть самым разным – чаще всего 230 В. В свою очередь цепь, в которой замыкается контакт, называют силовой цепью, так как она пропускает ток большей силы, чем ток в цепи управления.
Назначение теплового реле
Тепловые реле используются только для защиты от перегрузок. Для защиты от токов короткого замыкания тепловые реле использовать нельзя, так как время срабатывания их при к.з. больше, чем время термической устойчивости объекта и самого реле.
ВОПРОСЫ для зачета по ЭНЭС
1. Понятие электрических аппаратов, их роль в электрических цепях напряжением до и выше 1000 В.
2. Классификация низковольтных электрических аппаратов.
3. Основные требования, предъявляемые к электрическим аппаратам.
4. Электродинамические силы в электрических аппаратах, их проверка на электродинамическую устойчивость.
5. Нагрев электрических аппаратов, их проверка на термическую устойчивость.
6. Понятие электрического контакта. Переходное сопротивление контакта, его зависимость от различных факторов.
7. Классификация коммутирующих контактов, их конструктивные особенности.
8. Электрическая дуга, условия возникновение разряда.
9. Способы гашения электрической дуги, конструктивные особенности дугогасительных устройств.
10. Электромагнитные системы в электрических аппаратах: понятие, назначение применения.
11. Аппараты распределительных устройств: понятие, функциональное назначение.
12. Рубильники и переключатели (выключатели нагрузки): назначение, конструктивные особенности.
13. Предохранители: назначение, конструктивные особенности, защитная характеристика.
14. Автоматические выключатели: назначение, конструктивные особенности, защитная характеристика.
15. Контакторы: понятие и функциональное назначение, конструкция.
16. Магнитные пускатели: назначение, схемы, защитные функции.
17. Контактные реле: понятие, характеристика, конструкция электромагнитных реле.
18. Тепловые реле: принцип действия, конструктивные исполнения, защитная характеристика.
1. Понятие электрических аппаратов, их роль в электрических цепях напряжением до и выше 1000 В.
Электрические аппараты – это электротехнические устройства, которые обслуживают (управляют, защищают, контролируют, регулируют и т.д.) электроустановки на всех этапах производства, распределения и потребления электроэнергии в народном хозяйстве. Все необходимые включения, переключения, выключения на электрических станциях, повышающих и понизительных подстанциях, отходящих и приходящих линиях электропередачи (ЛЭП) и распределительных устройствах производятся выключателями. Они также осуществляют защиту всех электрических установок от действия токов короткого замыкания (к.з.), перегрузок и других ненормальных режимов работы. Команды на соответствующие переключения и выключения подаются автоматически разнообразными реле и датчиками, которые контролируют заданные параметры и при их отклонении от установленных величин подают соответствующие команды на восстановление параметра или отключение поврежденного элемента (генератора, трансформатора, участка ЛЭП и т.д.).
Высоковольтные аппараты (ВВА) предназначены для работы в электроустановках напряжением 3 – 750 кВ и выше.
Низковольтные аппараты (НВА) предназначены для работы в электроустановках с напряжением ниже 1000 В.
2. Классификация низковольтных электрических аппаратов.
Классификация электрических аппаратов может быть проведена по целому ряду признаков: назначению (основной функции, выполняемой аппаратом); области применения; принципу, используемому в аппарате; роду тока; исполнению защиты от воздействия окружающей среды; конструктивным особенностям и др. Основной является классификация по назначению:
1) коммутирующие – предназначены для замыкания и размыкания электрических цепей (рубильники, переключатели, пакетные выключатели и т.д.);
2) защитные – осуществляют защиту и отключение электрических цепей и машин от перегрузок, токов к.з. и других ненормальных режимов работы (автоматические выключатели, плавкие предохранители и т.д.);
3) пускорегулирующие – предназначены для осуществления пуска, регулирования скорости вращения, напряжения и тока электрических машин (контакторы, пускатели, пусковые и пускорегулирующие реостаты и др.);
4) токоограничивающие – предназначены для ограничения тока при к.з. (реактивные и активные сопротивления);
5) контролирующие – реле, основной функцией которых является контроль заданных параметров электрической цепи и при отклонении этих параметров подача того или иного сигнала или команды в соответствии с заранее установленной функциональной зависимостью (на отключение, на исправление параметра и т.д.);
6) регулирующие – предназначены для автоматической непрерывной стабилизации или регулирования заданного параметра электрической цепи или схемы.
По принципу работы НВА могут быть подразделены на контактные и бесконтактные. Первые имеют подвижные контактные части, вторые осуществляют управление путем изменения своих электрических параметров (индуктивности, сопротивления и т.д.).
Контактные аппараты могут быть автоматические и неавтоматические. Автоматические – это аппараты, приходящие в действие от заданного режима работы электрической цепи или машины. Неавтоматические – это аппараты, действие которых зависит только от воли оператора. Они могут управляться дистанционно или непосредственно.
В пределах одной группы или типа аппараты различают:
● по роду тока (постоянного тока, переменного тока различной частоты);
● по роду защиты от окружающей среды (исполнения открытые, защищенные, брызгозащищенные, герметические, взрывобезопасные и т.д.);
● по способу действия (электромагнитные, магнитоэлектрические, индукционные, тепловые и т.п.);
● по ряду других факторов (быстродействие, способы гашения дуги и т.п.).
3. Основные требования, предъявляемые к электрическим аппаратам.
1) Термическая устойчивость – способность электрического аппарата противостоять тепловому воздействию наибольших электрических токов. Допустимая температура нагрева аппарата определяется обычно термической стойкостью изоляционных материалов. Температура нагрева зависит от условий охлаждения. Поэтому в необходимых случаях предусматривают искусственное охлаждение с помощью принудительной циркуляции воздуха или охлаждающих жидкостей.
2) Электродинамическая устойчивость – способность аппарата противостоять действию электродинамических сил. Из физики известно, что между двумя проводниками с током возникают электродинамические силы взаимодействия, которые пропорциональны произведению токов и с их ростом быстро увеличиваются.
3) Износостойкость – различают механическую и электрическую износостойкость. Механическая износостойкость – способность электрического аппарата выполнить определенное число операций без тока в цепи его контактов. Электрическая износостойкость – способность аппарата выдержать определенное число операций при коммутации электрического тока. Механическая износостойкость электрического аппарата, как правило, существенно выше, чем его электрическая износостойкость.
4) Коммутационная способность – это свойство аппарата обеспечивать надежное управление заданным уровнем электрической энергии (электрического тока) в течение всего срока службы аппарата.
5) Время действия аппарата – оно колеблется в широких пределах (от 0,001 с и менее до нескольких часов и даже суток). Следует отметить, что к точности аппаратов, предназначенных для создания выдержек времени, предъявляются высокие требования.
6) Надежность – свойство аппарата, заключающееся в его способности выполнять определенные задачи в определенных условиях эксплуатации. К надежности электрических аппаратов предъявляются весьма высокие требования, поскольку они по своему назначению составляют основу систем и устройств, от надежного функционирования которых зависит не только работа производственных объектов, но нередко и жизнь людей.
4. Электродинамические силы в электрических аппаратах, их проверка на электродинамическую устойчивость.
При протекании электрического тока по какому-либо контуру или по нескольким контурам отдельные участки этих контуров и контуры в целом испытывают воздействие механических усилий. В соответствии с этим в контуре, образованном, например, контактом аппарата, возникает сила, направленная в сторону размыкания контакта.
Известно, что обтекаемый током i прямолинейный проводник длиной l, расположенный в магнитном поле с индукцией B, испытывает механическую силу F = i · l · B · sinβ, где β – угол между направлением вектора B и направлением тока в проводнике (рис. 2.1).
В системе из нескольких обтекаемых током проводников можно всегда представить, что любой из этих проводников расположен в магнитном поле, созданном токами других проводников, и соответствующим образом взаимодействует с этим полем, т.е. между проводниками, охваченными общим магнитным потоком, всегда возникают механические силы. Эти силы называются электродинамическими усилиями.
При нормальных эксплуатационных условиях электродинамические усилия, как правило, малы и не вызывают каких-либо деформаций, а тем более поломок деталей в аппаратах. Однако при к.з. эти силы достигают весьма больших величин и могут вызвать деформацию или разрушение не только отдельных деталей, но и всего аппарата. Поэтому необходимо выполнять расчет аппарата на электродинамическую устойчивость.
Для одного контура (рис. 2.2)
Электродинамические силы, возникающие в токоведущих частях аппаратов, стремятся деформировать как сами проводники, так и изоляторы, с помощью которых эти проводники закреплены на заземленных частях аппарата.
Электродинамическая устойчивость аппарата характеризуется наибольшим пиком тока, который тот может выдержать во включенном состоянии, не повреждаясь ни механически, ни электрически и не отключаясь самопроизвольно. Как указано выше, электродинамические усилия, возникающие между проводниками, пропорциональны квадрату тока и увеличиваются с уменьшением расстояния между ними. В установках до 1000 В расстояние между токоведущими частями невелико, а токи к.з. могут достигать больших величин (сотен килоампер). Поэтому э.д.у. в аппаратах до 1000 В достигают очень больших значений.
Аппарат, устойчивый в электродинамическом отношении, должен выдерживать эти усилия. У него не должно быть самопроизвольного отключения, сваривания контактов или механического разрушения деталей.
Эта устойчивость (как паспортная величина) может выражаться либо непосредственно амплитудным значением тока динамической устойчивости i дин, либо сквозным или предельным током отключения, при которых механические напряжения в деталях аппарата не выходят за пределы допустимых величин, либо кратностью тока динамической устойчивости относительно амплитуды номинального тока
Для проверки аппарата на динамическую устойчивость необходимо рассчитать ударные токи к.з. (или соответствующие значения) в электрической цепи, где установлен или будет устанавливаться этот аппарат, и сравнить их с паспортными величинами. Если расчетное значение тока меньше паспортного, то аппарат будет динамически устойчив к действию токов к.з. Если это условие не выполняется, то аппарат не устойчив.
5. Нагрев электрических аппаратов, их проверка на термическую устойчивость.
При работе аппарата в его токоведущей цепи, изоляции и деталях конструкции возникают потери электрической энергии, которые превращаются в тепло (потери на активном сопротивлении, потери на вихревые токи – токи Фуко, потери на гистерезис – потери на перемагничивание ферромагнитного материала). Тепловая энергия частично расходуется на повышение температуры аппарата и частично отдается в окружающую среду.
Нагрев токоведущих частей и изоляции аппарата в значительной степени определяет его надежность. Поэтому во всех возможных режимах работы температура частей аппарата не должна превосходить таких значений, при которых обеспечивается его длительная надежная работа.
На практике различают следующие нормальные режимы работы аппаратов: длительный, кратковременный, повторно-кратковременный, а также режим короткого замыкания.
Длительный режим работы. Характеризуется тем, что за время работы аппарата достигается установившееся значение температуры (разумеется, при соблюдении постоянства условий отдачи тепла в окружающее пространство).
При включении аппарата температура его элементов не сразу достигает установившегося значения (рис. 2.3).
Величина Т называется постоянной времени нагрева – это время нагрева аппарата от холодного состояния до установившейся температуры при отсутствии теплоотдачи в окружающее пространство.
Допустимый ток нагрузки при длительном режиме работы рассчитывается из условия, чтобы допустимые температуры для различных элементов аппарата не выходили за пределы, установленные ГОСТ.
Кратковременный режим работы. При включении температура аппарата не достигает установившегося значения (рис. 2.4).
После кратковременного нагрева аппарат отключается, и его температура падает до тех пор, пока не сравняется с температурой окружающей среды.
Для характеристики кратковременного режима вводится понятие коэффициента перегрузки
который показывает, во сколько раз может вырасти допустимая нагрузка по току при кратковременном режиме работы по сравнению с длительным.
Повторно-кратковременный режим является наиболее общим, когда после кратковременного нагрева аппарата за время включения t р (рис. 2.5) его температура не снижается до температуры окружающей среды за время паузы t п. Если время паузы велико, когда температура перегрева приближается к нулю, то режим приближается (по смыслу) к кратковременному. А если время паузы мало, то режим приближается к установившемуся.
Для характеристики повторно-кратковременного режима вводится понятие продолжительности включения ПВ или ПВ%.
Из рис. 2.5 видно, что чем больше ПВ, тем меньше рабочим током можно нагрузить один и тот же аппарат из условия его допустимого перегрева.
Режим короткого замыкания. Короткое замыкание характеризуется большим током и малой длительностью (от нескольких тысячных секунды до нескольких секунд).
В реальных установках токи к.з. в 10 – 20 раз могут превысить токи длительного режима. Учитывая малую длительность режима к.з., допустимая температура при к.з. берется значительно выше, чем в длительном режиме.
Нагрев аппарата при к.з. происходит практически по закону, показанному прямой BC на рис. 2.6. Охлаждение аппарата после отключения к.з. происходит по тем же законам, что и при нормальных режимах.
Аппарат, устанавливаемый в электрической цепи, должен быть проверен на термическую устойчивость к токам к.з., т.е. на способность выдерживать без повреждений и перегрева свыше норм термическое действие токов к.з. определенной длительности.
Так как выделяемая в аппарате тепловая энергия пропорциональна квадрату тока, то термическая устойчивость определяется величиной , где не может превосходить некоторого предельного значения для данного аппарата (ток термической устойчивости аппарата есть паспортная величина, отнесенная к соответствующему времени действия).
Определив для электрической цепи, в которой устанавливается аппарат, установившееся значение тока к.з. и оценив время действия тока к.з. (время отключения тока к.з.), можно проверить термическую устойчивость аппарата по условию , где – паспортная величина. Если это условие выполняется, то аппарат устойчив к термическому действию токов короткого замыкания.
6. Понятие электрического контакта. Переходное сопротивление контакта, его зависимость от различных факторов.
Электрическим контактом называется место соединения двух или нескольких проводников, предназначенное для создания цепи тока. Состояние контактного соединения играет большую роль в обеспечении надежной работы цепи в целом.
Как бы тщательно ни были отшлифованы контактные поверхности, они все же будут иметь микроскопические бугорки и шероховатости (рис. 2.7).
Сопротивление в области точек касания, обусловленное явлением стягивания тока, называется переходным сопротивлением контакта.
По форме контактирования различают три типа контактов:
1) точечный – условное контактирование происходит в точке;
2) линейный – условное контактирование происходит по линии;
3) поверхностный – условное контактирование происходит по поверхности.
В зоне перехода тока из одной части контакта в другую имеет место относительно большое электрическое сопротивление, называемое переходным сопротивлением контакта. По своей природе переходное сопротивление контакта есть обычное сопротивление металлического проводника, только этот проводник – микроскопический бугорок, в котором и происходит физическое контактирование двух частей контакта.
Величина переходного сопротивления приближенно может быть представлена
где - некоторая величина, зависящая от материала и формы контакта, способа обработки и состояния контактной поверхности;
– сила, прижимающая контакты;
– характеризует число точек соприкосновения.
Зависимость от контактного нажатия. Эта зависимость в соответствии с (2.2) показана на рис. 2.8,а. Различный ход кривых объясняется наличием остаточных деформаций отдельных бугорков, по которым происходило соприкосновение. Следует отметить, что при одном и том же нажатии переходное сопротивление одного и того же контакта при каждом замыкании может быть разным и отличаться в достаточно широких пределах. Это следствие деформации бугорков. Значение переходного сопротивления в зависимости от нажатия практически выражается не какой-то кривой, а областью, ограниченной двумя кривыми.
Зависимость от температуры. Как указывалось выше, переходное сопротивление контакта есть сопротивление металла, поэтому оно должно в той или иной степени зависеть от температуры. Эта зависимость показана на рис. 2.8,б. Участки кривой I и III характеризуют увеличение сопротивления металла с ростом его температуры. Участок II объясняется тем, что при определенной температуре происходит резкое падение механических свойств металла и при том же нажатии увеличивается площадка контактирования. При температуре плавления металла контактные части свариваются и переходное сопротивление резко падает (участок IV).
Зависимость от состояния контактной поверхности. Переходное сопротивление сильно зависит от состояния контактной поверхности, особенно от степени ее окисления. Шлифовка поверхностей не уменьшает, а наоборот, увеличивает переходное сопротивление по сравнению с обработкой напильником. При шлифовке бугорки на поверхности становятся более пологими и смятие их затрудняется.
Зависимость от свойств материала контакта. Как указывалось выше, переходное сопротивление чрезвычайно чувствительно к окислению поверхности ввиду того, что окислы многих металлов (в частности, меди) являются плохими проводниками.
7. Классификация коммутирующих контактов, их конструктивные особенности.
Из определения «электрический контакт» следует, что контакт, по крайней мере, состоит из двух частей. По возможному перемещению этих частей относительно друг друга (при заданном действии устройства) контакты могут быть разделены на три группы: неразмыкаемые, коммутирующие, скользящие.
Неразмыкаемые – в процессе работы части контакта не перемещаются относительно друг друга (болтовое соединение шин, присоединение проводников к клеммам и т.п.).
Коммутирующие – в процессе работы замыкают, размыкают или переключают цепь, в которой течет или может протекать ток (контакты выключателей, рубильников, контакторов и т.д.).
Скользящие – разновидность коммутирующих контактов, у которых одна из частей перемещается (скользит) относительно другой, но электрический контакт при этом не нарушается (контакты реостатов, щеточный контакт электрических коллекторных машин и т.п.).
По форме контактирования различают три типа контактов:
1) точечный – условное контактирование происходит в точке;
2) линейный – условное контактирование происходит по линии;
3) поверхностный – условное контактирование происходит по поверхности.
Основные конструкции контактов
Неразмыкаемые контакты. Применяются для жесткого соединения между собой отдельных токоведущих частей. Конструкция должна обеспечивать надежное, не ослабевающее при эксплуатации прижатие контактных поверхностей и минимальное переходное сопротивление. Характерные виды соединения плоских проводников (шин) показаны на рис. 2.9.
Круглые проводники соединяются между собой и с плоскими проводниками с помощью специальных наконечников.
При эксплуатации таких контактов необходима дополнительная затяжка болтового соединения при ревизии или после протекания тока короткого замыкания, приводящего к его расслаблению.
Коммутирующие контакты. Являются основным элементом коммутационных аппаратов. В контактах на малые токи (до нескольких ампер) стремятся независимо от конструктивного исполнения иметь одноточечное контактирование, чтобы при малых нажатиях получить относительно высокое удельное давление в контактной точке.
Контактные узлы на средние и большие токи имеют, как правило, рабочие (главные) и дугогасительные контакты. Главные контакты имеют малое переходное сопротивление, а дугогасительные – большое, благодаря чему во включенном положении ток течет главным образом через рабочие контакты.
По конструкции коммутирующие контакты делятся на: рычажные, мостиковые, врубные, розеточные, роликовые, торцовые.
1) Рычажные (рис. 2.10,а) применяются в аппаратах с поворотной подвижной системой. Так как контактные части касаются раньше, чем подвижная система достигает конечного положения, то происходит перекатывание и проскальзывание контакта, что приводит к его самоочистке (к стиранию окисной пленки и грязи), но вызывает повышенный износ. В связи с этим материалом для контактов служит медь.
2) Мостиковые (рис. 2.10,б) применяются главным образом в аппаратах с прямоходовой подвижной системой. У мостиковых контактов теоретически перекатывание и проскальзывание отсутствуют, поэтому медь (как материал для контактов) здесь применяться не может, а применяется серебро и металлокерамика на базе серебра.
3) Врубные (рис. 2.10,в). Нажатие осуществляется за счет упругих свойств материала стоек (твердотянутая медь, специальная бронза), которым придается специальная форма. При перегреве, а также при частых включениях пружинящие свойства стоек ослабляются, и контакт нарушается, поэтому в контактах на большие токи применяют стальные пружины. Эти контакты находят широкое применение в рубильниках, переключателях, плавких предохранителях.
4) Розеточные (рис. 2.10,г) применяются преимущественно в качестве главных. Врубные и розеточные контакты не могут отключать сколько-нибудь значительные токи. Возникающая при этом дуга нарушает контактные поверхности. Для отключения сколько-нибудь значительных токов применяют параллельное включение дугогасительных контактов.
5) Роликовые (рис. 2.10,д). Между двумя неподвижными частями контакта 1 закатывается подвижной ролик 2, который перемыкает неподвижные части. Их применяют в качестве главных.
6) Торцовые (рис. 2.10,е) выполняются в виде сплошных металлических стержней или полых труб. Контакты имеют большое переходное сопротивление, поэтому они используются преимущественно как дугогасительные.
Скользящие контакты. Эти конструкции осуществляют передачу тока без обрыва цепи с неподвижной части контакта на подвижную. Они могут выполняться с рычажными, мостиковыми, роликовыми и другими контактами. В аппаратах низкого напряжения скользящие контакты широко применяются в реостатах и контроллерах.
8. Электрическая дуга, условия возникновение разряда.
При размыкании электрических цепей с током I в воздушном промежутке коммутирующего контакта возникает напряжение U. При этом в контактном промежутке может возникать дуговой разряд, если величина тока и напряжения превосходит некоторые критические значения I о и U о. В общем случае возможны три варианта:
Если I > I о и U > U о, то возникает дуга;
Если I < I о и U > U о, то возникает искра;
Если I < I о и U < U о, то отключение происходит без разряда.
Эти критические значения I о и U о зависят от ряда факторов: материала контактов, параметров цепи, свойств среды и т.д.
Падение напряжение на стационарной дуге распределяется неравномерно вдоль дуги. Изменение падения напряжения U д и продольного градиента напряжения E д вдоль дуги показано на рис. 2.11. Под градиентом напряжения понимают падение напряжения на единице длины дуги. У электродов на промежутке длины порядка 10-4 см имеет место резкое падение напряжения, называемое околоэлектродным. Значение этого падения напряжения зависит от материала контактов и окружающего газа.
В остальной части дуги, называемой стволом дуги, падение напряжения U д практически прямопропорционально длине дуги.
Околоэлектродное падение напряжения U З не зависит от длины дуги, падение напряжения в стволе пропорционально длине дуги. Таким образом, падение напряжения на дуговом промежутке равно U д = U З + E д l д .
9. Способы гашения электрической дуги, конструктивные особенности дугогасительных устройств.
В аппаратах, отключающих цепи со значительными величинами токов и напряжений, для ускорения гашения дуги применяют специальные дугогасительные устройства (камеры).
Для гашения дуги постоянного тока обычно стремятся повысить напряжение на дуге (повысить сопротивление дуги) или путем растяжения дуги, или путем повышения напряженности электрического поля в дуговом столбе. Это достигается применением специальных дугогасительных камер в выключающих аппаратах, задача которых состоит в том, чтобы обеспечить быстрое растяжение дуги и повышение напряжения в ней, с одной стороны, а с другой – ограничить распространение порождаемого ею пламени и раскаленных газов в приемлемом объеме пространства.
Дуга переменного тока обычно гасится легче, чем дуга постоянного тока. Чтобы погасить дугу постоянного тока, надо насильственно свести к нулю ток в цепи путем непрерывного увеличения сопротивления дугового столба. При переменном токе этого делать не требуется, так как здесь через каждый полупериод ток естественным путем проходит через нулевое значение, и надо лишь воспользоваться этим обстоятельством и создать вблизи перехода тока через нуль такие условия в межконтактном промежутке, чтобы протекание тока в цепи вслед за этим переходом не возобновлялось.
Дата: 2019-05-29, просмотров: 381.
