Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра  электроснабжения промышленных предприятий

 

 

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ

УСТРОЙСТВ ДО И  ВЫШЕ 1000 ВОЛЬТ

 Конспект лекций

для студентов всех форм обучения специальности 5В081200 -   Энергообеспечение сельского хозяйства

 

 

Алматы 2012 

СОСТАВИТЕЛЬ: В.Б. Фадеев Электрооборудование распределительных устройств до и выше 1000 вольт. Конспект лекций для студентов всех форм  обучения специальности  5В081200 -  Энергообеспечение сельского хозяйства - Алматы: АУЭС, 2012. – 55 с.  

 

Конспект лекций по дисциплине «Электрооборудование распределительных устройств до и выше 1000 вольт» содержит  краткие сведения из общей теории электрических аппаратов, необходимые для понимания конструкций электрических аппаратов, применяемых в системах электроснабжения. А также    включает в себя краткое описание основных электрических аппаратов общепромышленного и сельскохозяйственного назначения устанавливаемых в распределительных устройствах  до и выше 1000 вольт.

Ил.23.,  библиогр.- 5 назв 

 

РЕЦЕНЗЕНТ: д-р техн.  наук, проф.  Г.Г.Трофимов 

 

Печатается  по плану  издания  некоммерческого акционерного общества «Алматинский  университет энергетики и связи» на 2012 г.

 

© НАО «Алматинский  университет энергетики и связи», 2012 г.

 

Содержание 

 

1 Лекция № 1. Введение в курс дисциплины	4
2 Лекция №2. Электродинамические усилия    в  аппаратах	7
3 Лекция №3.Электрические контакты	11
4 Лекция №4. Режимы работы контактных систем	15
5 Лекция №5.Основы теории горения и гашения электрической дуги	19
6 Лекция №6.Условия гашения электрической дуги	22
7 Лекция №7.Способы гашения электрической дуги	26
8 Лекция №8.Основы тепловых  расчетов электрических  аппаратов	30
9 Лекция №9. Низковольтные плавкие предохранители	33
10 Лекция №10.Воздушные автоматические выключатели	38
11 Лекция №11.Контакторы и магнитные пускатели	42
12 Лекция №12.Высоковольтные выключатели	46
13Лекция  №13.Высоковольтные предохранители и выключатели нагрузки	50
Список литературы	54

 

 

1 Лекция №1. Введение в курс дисциплины

 

Содержание лекции: классификация электрических аппаратов. Основные требования, предъявляемые к электрическим аппаратам. Основные материалы, применяемые в аппаратостроении.  Литература.

Цель лекции: ознакомить студентов с назначением и местом, занимаемым электрическими аппаратами в электроэнергетике, терминологией и литературой по курсу.

Применяемые в электроэнергетике электротехнические устройства можно  условно  разбить на  три  большие группы:

- электрические машины;

- электрические сети;

- электрические аппараты.

Электрические аппараты являются неотъемлемой составной частью в системе создания, распределения и использования электроэнергии.

Электрические аппараты, в свою очередь, также  можно   условно разбить  на две большие группы:

-электрические аппараты управления;

-электрические аппараты распределительных устройств низкого и высокого напряжения, которые изучаются в  курсе «Электрооборудование распределительных устройств до и выше 1000 вольт».

Цели преподавания курса «Электрооборудование распределительных устройств до и выше 1000 вольт»:

 - дать будущим специалистам в области энергообеспечения сельского хозяйства базовые знания об электрических аппаратах, используемых в системах электроснабжения сельского хозяйства и основных положений  общей теории электрических аппаратов, необходимых для изучения конструкций основных аппаратов общепромышленного и сельскохозяйственного назначения.

Электрическим аппаратом принято называть электротехническое устройство, предназначенное для управления, регулирования и защиты электрических цепей и машин, а также для контроля и регулирования различных неэлектрических процессов.

1.1  Классификация электрических аппаратов

Для удобства изучения аппараты классифицированы по различным признакам:

а) по назначению аппараты подразделены на следующие группы:

   1) коммутационные, предназначенные для включения и отключения электрических цепей;

   2) защитные, предназначенные для защиты и отключения электрических цепей от перегрузок,  токов короткого замыкания и других ненормальных режимов;

   3) пускорегулировочные, предназначенные для пуска и регулирования скорости электрических машин;

 4) контролирующие (реле), предназначенные для осуществления контроля заданных параметров электрической цепи;

 5) регулирующие, предназначенные для автоматической непрерывной стабилизации или регулирования заданного параметра электрической цепи или системы;

б) по принципу работы аппараты  делятся на контактные и бесконтактные аппараты.

 Первые имеют подвижные  контактные части, и воздействие на управляемую цепь осуществляется замыканием и размыканием этих контактов. Наличие контактной системы является слабым звеном таких аппаратов. Бесконтактные аппараты не имеют размыкаемых или скользящих контактов. Эти аппараты осуществляют управление путем изменения своих электрических параметров;

в) контактные аппараты могут быть автоматическими и неавтоматическими.

Первые приходят в действие от заданного режима работы цепи или машины. Неавтоматические аппараты – по воли оператора.

  В пределах одной группы или типа аппараты различают:

а) по напряжению – низкого напряжения (до 1000В) и высокого напряжения  (свыше 1000В);

б) по роду тока  - постоянного тока, переменного тока промышленной частоты и переменного тока  повышенной частоты;

в) по роду защиты от окружающей среды - открытого исполнения, брызгозащищенного, взрывобезопасного и др.;

г) по способу действия – электромагнитные, магнитоэлектрические, тепловые, индукционные и т.д.;

д) по ряду других факторов (быстродействия, способу гашения дуги и т.п.).

1.2 Основные требования, предъявляемые к электрическим аппаратам

Требования, предъявляемые к электрическим аппаратам, достаточно  разнообразны и зависят от назначения, условий применения и эксплуатации аппарата.

Кроме специфических требований, относящихся к конкретному  типу аппарата, все электрические аппараты должны удовлетворять общим требованиям:

а) каждый аппарат  в результате протекания по нему электрического тока при работе нагревается. Температура аппарата при этом не должна превосходить некоторой определенной допустимой  величины, устанавливаемой для данного аппарата и его деталей;

б) в каждой электрической цепи может быть ненормальный (перегрузка) или аварийный (короткое замыкание) режим работы. Ток, протекающий по аппарату в этих режимах, может значительно превышать номинальный  ток аппарата. Аппарат подвергается  при этом большим термическим и электродинамическим воздействиям. Однако он должен  выдержать эти воздействия без каких-либо деформаций, препятствующих дальнейшей его работе;

в) каждый электрический аппарат работает в цепи с определенным напряжением, где также могут иметь место и перенапряжения. Однако электрическая изоляция аппарата должна обеспечить надежную работу аппарата и при заданных значениях перенапряжений;

г) контакты аппаратов должны быть способны включать и отключать все токи рабочих режимов, а многие аппараты и токи аварийных режимов;

д) к каждому электрическому аппарату предъявляются те или иные требования с точки зрения надежности и точности работы, а также определенного быстродействия;

е) любой электрический аппарат должен, по возможности, иметь наименьшие габариты, вес, стоимость, быть простым по устройству, удобным в обслуживании и технологичным в производстве.

 

1.3 Основные материалы, применяемые в аппаратостроении

 Материалы, применяемые в аппаратостроении, могут быть разбиты на следующие группы:

а) проводниковые материалы – главным образом медь, алюминий, сталь, латунь и др.;

б) ферромагнитные материалы – различного рода стали и сплавы для магнитопроводов;

в) изоляционные материалы  – для электрической изоляции токоведущих частей друг от друга и от заземленных частей;

г) дугостойкие изоляционные материалы – асбест, керамика, пластмассы для дугогасительных камер;

д) сплавы высокого сопротивления – для изготовления различных сопротивлений;

е) контактные материалы -  серебро, медь, металлокерамика для обеспечения высокой износоустойчивости контактов;

ж) биметаллы  применяются в автоматических аппаратах, использующих  линейное удлинение тел при нагревании электрическим током;

и) конструкционные материалы – металлы, пластмассы, изоляционные материалы для придания аппаратам и его деталям тех или иных форм и для изготовления деталей, преимущественное значение которых является передача и восприятие механических усилий.

2 Лекция № 2. Электродинамические усилия    в аппаратах

 

Содержание лекции: расчет электродинамических усилий на  основании закона Био-Савара и   по изменению запаса электромагнитной энергии контура. Электродинамические усилия в витках и катушках аппаратов. Электродинамические усилия между проводником с током и ферромагнитной массой. Электродинамические усилия в проводниках переменного сечения.

Цель лекции: познакомить студентов  с электродинамическими усилиями, действующими в электрических аппаратах и существующими методами их расчета.

2.1 Основные понятия

 При коротком замыкании  в сети через токоведущие части аппарата могут протекать токи, многократно превышающие номинальный ток аппарата. При взаимодействии этих токов с магнитным полем других токоведущих частей аппарата создаются электродинамические усилия (ЭДУ). Эти  усилия стремятся деформировать как проводники токоведущих частей, так и изоляторы, на которых они крепятся. Это обстоятельство требует проведение расчета аппарата на электродинамическую стойкость, т.е. на способность аппарата  выдержать без повреждения прохождение   тока КЗ. Расчет ЭДУ ведется обычно либо  на основе закона Био-Савара, либо по изменению запаса магнитной энергии системы. Рассмотрим применение указанных методов  для расчета ЭДУ.

Как известно, на проводник с током, расположенным в магнитном поле, действует механическая сила, которая может быть найдена из выражения

 

 ,                          (2.1)

где   -   ток, протекающий по проводнику;

  - длина проводника;

 - индукция магнитного поля;

 -  угол между направлением индукции и направлением тока.

 

Направление действия силы может быть найдено:

а)  по  правилу левой руки;

б) методом бокового распора и тяжения магнитных линий;

в) в контуре с током направление силы определяют из следующего общего положения: силы, действующие в контуре с током, стремятся изменить конфигурацию контура таким образом, чтобы охватываемый контуром магнитный поток увеличился.

2.2 Расчет ЭДУ  на  основании закона Био-Савара

Пусть перед нами  поставлена  задача: найти силы, действующие на проводник с током, находящейся в магнитном поле, созданным произвольно расположенными в пространстве проводниками с токами.

 Для того чтобы воспользоваться формулой (2.1)  и найти  силы, действующие на проводник с током, необходимо  предварительно найти значение индукции, создаваемой источниками  магнитного поля в месте расположения нашего проводника. Значение индукции и определяется на основе известного  из курса физики закона  Био-Савара.

Согласно  этому закону, при отсутствии ферромагнитных сред элементарная  индукция, создаваемая элементом  линейного провода , по которому течет  ток I , в точке, удаленной от элемента  тока  на расстоянии r будет равна

 ,              (2.2)

 

 где a- угол между вектором r  и направлением тока.

 Результирующая индукция в рассматриваемой  точке от всего провода

 

 .                          (2.3)

 

Аналогичным образом определяют индукцию в интересующей нас точке пространства от всех имеющихся проводников с токами.

После определения индукции   по формуле (2.1) вычисляется ЭДУ.

Описанный выше  метод расчета ЭДУ является универсальным. Однако в ряде случаев, для нахождения электродинамических сил проще применить второй метод, который носит название энергетического.

2.3 Расчет электродинамических сил  по изменению запаса электромагнитной энергии контура

Электромагнитное поле вокруг проводников и контуров с током обладает запасом энергии. Электромагнитная энергия контура, обтекаемого током  I  равна

  .                                         (2.4)

В свою очередь электромагнитная энергия двух контуров, обтекаемых токами  i₁ и  i_2,  равна

  ,      (2.5)

где L- индуктивность контура;

 М - взаимоиндуктивность контуров.

Всякая деформация контура или изменение взаимного расположения контуров приводит к изменению запаса электромагнитной энергии.

Как известно,  работа сил в любой системе равна  изменению запаса энергии этой системы

 ,                       (2.6)

где   dW - изменение запаса энергии системы при  ее деформации  в направлении оси  Х  под действием силы F.

 На указанном законе - законе сохранения энергии - и основан второй метод определения ЭДУ  в контурах, получивший название энергетического метода расчета ЭДУ.

При использовании этого метода  электродинамическая сила в контуре или между контурами, действующая в некотором  направлении, например, оси х  равна скорости  изменения запаса  энергии системы при деформации ее в том же направлении, т.е. ее производной  в этом направлении.

.                  (2.7)

Данный метод удобно применять в тех случаях, когда известны  формулы, связывающие индуктивность и взаимоиндуктивность  контуров   с их  геометрическими параметрами, т.е. в витках  и  катушках электрических аппаратов и трансформаторов.

2.4 Электродинамические усилия в  витке, катушке и между катушками

Как показали исследования, сила, действующая в витке с током, пропорциональна  квадрату тока и диаметру витка.  Эта сила действует на разрыв витка. Если катушка  состоит из w витков, обтекаемых одним током, то индуктивность и разрывающее усилие возрастут в w²  раз. Силы  в катушке направлены так, чтобы ее потокосцепление возрастало. Они стремятся сжать катушку по высоте и толщине и увеличить ее средний диаметр.

2.5 ЭДУ  между проводником с током и ферромагнитной массой

При приближении проводника с током  к ферромагнитной стенке магнитное поле искажается, магнитные силовые линии стремятся замкнуться по массе и возникают силы, стремящиеся притянуть проводник к этой массе, т.е. возникают силы притяжения, не зависящие от направления тока в проводнике.

Данное свойство используется для втягивания электрической дуги в дугогасительную стальную  решетку, применяемую во многих низковольтных аппаратах, в которой и происходит эффективное гашение дуги.

 

2.6 Электродинамические усилия в проводниках переменного сечения

Если сечение проводника изменяется, что всегда бывает  в месте контактов проводников, то в месте изменения сечения вследствие искривления линий тока возникают продольные ЭДУ (см. рисунок 2.1), стремящиеся разорвать место перехода вдоль оси проводника и направленные в сторону большего сечения. Эти силы уменьшают силу нажатия контактных пружин аппаратов, что  приводит к увеличению переходного сопротивления контактов и при больших токах КЗ к их свариванию.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.1- ЭДУ в проводниках переменного сечения

  

3 Лекция № 3. Электрические    контакты [1]

Содержание лекции: основные понятия. Терминология. Переходное сопротивление контакта. Температура контактной площадки. Зависимость переходного сопротивления от состояния контактных поверхностей.

Цель лекции: изучить  основные понятия о контактах, оценить важную роль, которую играют контакты в обеспечении надежной работы электрических аппаратов и электрических сетей.

3.1 Основные понятия. Терминология

Электрическим контактом называют  как место металлического соприкосновения проводников, так и сами проводники. Назначение контакта – продолжить путь тока из одного проводника в другой.

По способу соединения проводников между собой контакты делятся на 3 группы:

а) неразмыкаемые контактные соединения;

б) размыкаемые контактные соединения;

в) скользящие контактные соединения.

К первым относятся проводники, жестко соединяемые  между собой.

К ним относятся: болтовые соединения шин, присоединение проводников к клеммам и т.п. Ко вторым относятся проводники, предназначенные  для коммутации электрических цепей. К ним относятся выключатели, рубильники и т.п. К третьим относятся щеточные контакты электрических машин, реостатов и т.п.

У электрических контактов необходимо различать кажущуюся и физическую площади соприкосновения.

Как ни тщательно будут  отшлифованы контактные поверхности, они всегда будут иметь микроскопические бугорки или шероховатости, поэтому физически две поверхности будут соприкасаться не всей кажущейся площадью, а лишь отдельными микроскопическими площадками (см. рисунок 3.1).

Количество контактных площадок зависит  от геометрических форм  соприкасающихся контактов.

 По форме соприкосновения различают 3 типа контактов:

а) точечный контакт – соприкосновение обеспечено только в одной микроскопической площадке – точке. Например: шар-шар, шар-плоскость и т.п.;

б) линейный контакт - кажущееся соприкосновение происходит по линии. Например:  цилиндр- плоскость, виток-виток и т.п. Физически же  соприкосновение происходит по ряду площадок (минимум две), расположенных по линии;

в) поверхностный контакт – кажущееся соприкосновение происходит по поверхности, а физически по ряду элементарных площадок (минимум три), расположенных на этой поверхности.

 

 

 

 

Рисунок 3.1 –Соприкосновение поверхностей контактов

 

Размеры элементарных площадок соприкосновения пропорциональны силе, сжимающей контакты, и зависят от сопротивления материала контактов смятию

                                                       ,                                                                             (3.1)

где Р - сила, сжимающая контакты;

 s - временное сопротивление материала смятию (из справочника).

Однако с ростом силы сжатия рост размеров площадок замедляется из-за усадки площади контакта.

3.2 Переходное сопротивление контакта

В зоне перехода тока из одного проводника в другой возникает большое электрическое сопротивление, называемое переходным сопротивлением контакта.

Физически – природа переходного сопротивления – это электрическое сопротивление микроскопических бугорков, по которым происходит соприкосновение проводников между собой. Переходное сопротивление контакта можно представить как результат резкого повышения плотности тока в площадках соприкосновения по сравнению с плотностью тока в теле контакта.

Величину переходного сопротивления контактов определяют, используя опытные данные, по следующему выражению

,                                       (3.2)

где  e - некоторая величина, зависящая от материала, формы, способа обработки  и состояния контактной поверхности;

 Р - сила, сжимающая контакты;

 n – показатель степени, характеризующий тип контакта и число точек соприкосновения.

Значения e, определяемые опытным путем, в значительной мере зависят от состояния поверхности контактов, характера их обработки и особенно от степени окисления.

Как показали опыты, переходное сопротивление контактов  быстро уменьшается с ростом силы сжатия контактов (см. рисунок 3.2).

 

 

Рисунок 3.2 - Зависимость переходного сопротивления контакта от силы нажатия

3.3 Зависимость переходного сопротивления от температуры

Так как  сопротивление контакта это сопротивление металла проводника, поэтому оно также увеличивается с ростом температуры.

 Однако с увеличением температуры меняется структура бугорков и элементарных площадок соприкосновения за счет изменения величины удельного сопротивления смятию. Поэтому с ростом температуры переходное сопротивление вначале растет (см. рисунок 3.3), а затем происходит резкое падение механической прочности материала, например, у меди при 200 град. и переходное сопротивление  также резко падает. При дальнейшем росте температуры переходное сопротивление снова  линейно возрастает до температуры плавления материала, при которой контакты свариваются, а  переходное сопротивление падает почти до нуля.

 

 

 

             

Рисунок 3.3 –Зависимость переходного сопротивления от температуры

 

3.4 Зависимость переходного сопротивления от состояния контактных поверхностей

 Результаты выполненных экспериментальных исследований показали, что переходное сопротивление контактов чрезвычайно чувствительно к окислению поверхности.

Оксидные  пленки особенно опасны для контактов на малые токи, когда силы нажатия малы. Процесс образования пленки на­чинается сразу после соприкосновения зачищенной поверхности контак­тов с окружающим их воздухом. Переходное сопротивление при этом может возрасти в десятки тысяч раз. В связи с этим контакты на малые токи (малые нажатия) изготовляются из благородных металлов, не поддающихся окислению (золото, платина и др.). В сильноточных контактах пленка разрушается либо благодаря большим нажатиям, либо за счет проскальзывания одного контакта от­носительно другого.

В процессе работы переходное сопротивление контактов не оста­ется постоянным. Под воздействием кислорода, других агрессивных га­зов, повышенной температуры интенсивность образования пленки рас­тет. При этом переходное сопротивление контакта, падение напряжения на нем и его температура возрастают. При определенных значениях на­пряжения и температуры происходит электрический пробой пленки, после чего сопротивление контакта падает. Это явление называется фриттингом.

  

4 Лекция № 4. Режимы работы контактов

 

Содержание лекции: режимы работы контактов при включении и  отключение электрической цепи. Работа контактов во включенном состоянии,   в номинальном режиме и в режиме КЗ.

Цель лекции: рассмотрение  физических явлений, происходящих при работе контактов электрических аппаратов.

Рассмотрим процессы, связанные с работой контактов в следующих режимах:

а) работа контактов при включении цепи;

б) работа контактов во включенном состоянии;

в) работа контактов при отключении  цепи.

4.1 Включение цепи

При включении электрических аппаратов в их контактных системах могут иметь место следующие процессы:

а) вибрация контактов;

б) эрозия   поверхности контактов;

4.1.1 Вибрация контактов.

Процессы, возникающие при вибрации,  рассмотрим на примере контактной системы  контактора, упрощенная схема которого приведена на рисунке 4.1.

 

 

Рисунок 4.1- Контактная система контактора в процессе включения

 

Подвижный контакт 1 связан с контактным рычагом 2 и контактной пружиной 3. Неподвижный контакт 4 жестко закреплен на опоре.

При включении контактора его электромагнит действует на рычаг 2, перемещение которого приводит к соприкосновению контактов 1 и 4.  В момент соприкосновения контактов происходит удар, в результате которого происходят деформация смятия контактов и отброс контакта 1  вправо. Между контактами образуется зазор и под воздействием приложенного  к ним напряжения возникает электрическая дуга. Движение контакта 1 вправо прекратится тогда, когда энергия, полученная им при ударе, перейдет в энергию сжатия пружины 3. После этого контакт 1 под действием пружины 3 начнет перемещаться влево. Произойдет новый удар и новый отброс контакта.   Данное явление называется вибрацией контактов.

Вибрация контактов приводит к многократному образованию электрической дуги, которое приводит к их сильному износу из-за оплавления и распыления материала контактов.

Для уменьшения вибрации создается предварительная деформация контактной пружины 3.

В этом случае, в момент касания контактов, усилие нажатия возрастает не с нуля, а с предварительно установленной величины нажатия . Предварительный натяг контактной пружины  создается провалом подвижного контакта.

 Под провалом контакта понимается  расстояние,  на которое переместится подвижный контакт, если убрать неподвижный.

 Тогда

,

где с - жесткость контактной пружины;

 -  величина провала контакта.

С созданием провала контакта и  увеличением начального нажатия контактной пружины уменьшается как  переходное сопротивление контакта, так  и, что очень важно, вибрация. Однако при чрезмерно большом начальном усилии вибрация может резко возрасти при недостаточной мощности включающего электромагнита.

 В то же время  увеличение  тягового момента  приводит к увеличению  скорости подвижного контакта, его кинетической энергии, что ведет  к росту амплитуды отброса. Необходимо, как мы видим, оптимальное соотношение  мощности включающего электромагнита и величины провала контактов.

При включении контактов на существующее короткое замыкание вибрация контактов усиливается  из-за возникновения отбрасывающих электродинамических сил в точках касания. Для того чтобы не было оплавления контактов в момент их касания, усилие предварительного натяга контактной пружины должно компенсировать электродинамические силы отброса и создавать такое нажатие, при котором падение напряжение на переходном сопротивлении не приведет к оплавлению точки касания и свариванию контактов.

4.1.2 Эрозия   поверхности контактов.

В процессе включения по мере приближения контактов друг к другу между ними возрастает напряженность электрического поля, и при определенном расстоянии  (сотые доли миллиметра)  возникает электрический пробой воздушного  промежутка между контактами. При пробое электроны бомбардируют анод, и его материал переходит на катод, откладываясь на нем в виде тонких игл.

Износ контактов в результате переноса материала с одного контакта на другой, т.е. испарение материала в окружающее пространство без изменения состава материала называется физическим износом или эрозией.

4.2 Работа контактов во включенном состоянии

В этом режиме рассмотрим 2 случая:

а) через контакты проходит номинальный ток;

б) через контакты проходит ток КЗ.

4.2.1 Режим номинального тока.

 Как отмечалось на предыдущем занятии, для переходного сопротивления  контактов характерны две  температурные точки:

Температура размягчения материала и температура плавления.

Для надежной работы контактов необходимо, чтобы при номинальном токе падение  напряжения на переходном сопротивлении было равно

                                                   ,                                     (4.1)

где - падение напряжения в контакте, при котором температура контакта  равна температуре размягчения материала контакта  (приводится в справочной литературе).

 При расчетах контактных  систем аппаратов  при заданном номинальном токе и известному падению напряжения для  материала контакта   из формулы (4.1)  определяется переходное сопротивление, а затем по формуле (3.2)   находится необходимое контактное нажатие Р.

4.2.2 Режим короткого замыкания.

При коротком замыкании через контакты проходит ток в 10-20 раз превышающий номинальное значение. Из-за малой постоянной времени  нагрева температура контактной площадки поднимается практически мгновенно и может достигнуть температуры плавления.

 Необходимо  также иметь  в виду, что при коротком замыкании, за счет сил отталкивания, возникающих в контактных площадках, контактное нажатие ослабевает, переходное сопротивление при этом  возрастает, возрастают тепловые потери и нагрев контактов, что может привести к их свариванию.

 4.3 Отключение цепи

В процессе размыкания контактов контактное нажатие уменьшается, переходное сопротивление возрастает, и за счет этого растет температура точек касания. В момент разъединения микровыступы контактов нагреваются до температуры плавления, и между контактами возникает мостик из жидкого металла. При дальнейшем движении контактов мостик обрывается и в зависимости от параметров отключаемой цепи (напряжения и тока) возникает дуговой или тлеющий разряд, сопровождающейся высокой температурой.

Высокая температура приводит к интенсивному окислению и распылению материала в окружающее пространство, переносу материала с одного электрода на другой и образованию на контактах  оксидной пленки. Все это влечет за собой износ контактов.

Износ, связанный с окислением и образованием на контактах пленок химических соединений материала контакта со средой, называется химическим износом или коррозией.

Эрозия и коррозия контактов сокращают срок службы аппаратов. Направление эрозии и форма износа контактов зависят от вида разряда и значения тока. Для возникновения дугового разряда необходимо, чтобы значения напряжения  и тока превышали  некоторые минимальные значения U₀ и I₀, характерные для данного материала контактов. Например, для меди U₀= 12,3В, а  I₀= 0,43А. Если ток в цепи будет меньше I₀, между контактами будет возникать тлеющий разряд или  искра, если больше - дуговой разряд.

Срок службы контактов зависит от  материала контактов, их массы, числа коммутаций и величины коммутируемого тока цепи.

Для борьбы с эрозией контактов  применяют следующие меры:

а) сокращение длительности горения дуги с помощью дугогасительных устройств;

б)  устранение  вибраций контак­тов при включении;

в)  применение дугостойких  материа­лов для контактов.

 

5 Лекция №5. Основы теории горения и гашения электрической дуги

 Содержание лекции: процессы, возникающие при ионизации дугового промежутка. Термоэлектронная и автоэлектронная эмиссия. Ударная и термическая  ионизации. Процессы, возникающие при деионизации дугового промежутка. Рекомбинация и диффузия заряженных частиц.

Цель лекции: изучение  физических явлений, происходящих при возникновении электрической дуги между расходящимися контактами аппарата.

Размыкание электрической цепи при сколько-нибудь значительных токах и напряжениях, как правило, сопровождается электрическим разрядом между расходящимися контактами. Воздушный промежуток между контактами ионизируется и становится на некоторое время проводящим.

 В нем возникает дуга, приводящая к износу контактов и аппарата в целом. Для эффективной борьбы с отрицательным влиянием электрической дуги необходимо иметь представления о причинах возникновения   электрической дуги, о физических процессах, сопровождающих это явление.

 

5.1 Процессы, возникающие при ионизации дугового промежутка

В обычных условиях воздух является хорошим изолятором: например, для пробоя воздушного промежутка в 1см необходимо приложить напряжение не менее 30 кВ. Для того чтобы воздушный промежуток стал проводящим, необходимо, чтобы в нем   возникла определенная  концентрация  заряженных частиц: электронов и  ионов.

Процесс отделения от нейтральной частицы одного или нескольких электронов и образования свободных электронов и положительно заряженных ионов называется  ионизацией. Ионизация воздуха может происходить под действием света, рентгеновских лучей, высокой температуры, под влиянием электрического поля и ряда других факторов.

 Для дуговых процессов, имеющих место  в электрических аппаратах,  наибольшее значение имеют: из процессов, происходящих у электродов – термоэлектронная и автоэлектронная эмиссии, а из процессов, происходящих  в дуговом промежутке, ударная и термическая   ионизации.

5.1.1 Термоэлектронная эмиссия.

Термоэлектронной эмиссией называется явление испускание свободных электронов с поверхности катода, имеющего высокую температуру.

При расхождении контактов резко возрастает переходное сопротивление контакта и плотность тока в последней  контактной площадке. Эта площадка разогревается до расплавления и при дальнейшем расхождении контактов рвется, с образованием паров металла в воздушном пространстве.

 На  отрицательном электроде образуется катодное пятно (раскаленная площадка), которое служит основанием дуги и очагом излучения электронов в первый момент расхождения контактов.

Плотность тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры и материала контакта. Она невелика и может быть достаточной только  для начала   возникновения дуги, но не для поддержания ее горения.

5.1.2 Автоэлектронная эмиссия.

Автоэлектронной  эмиссией называется явление испускание электронов под воздействием сильного электрического поля. По мере расхождения контактов  напряженность поля  между ними возрастает и проходит через значения,  превышающие 10⁹ В / м., достаточные для вырывания электронов из холодного катода. Ток автоэлектронной эмиссии также мал и может служить только причиной начала возникновения дуги.

Таким образом, начальная стадия  возникновение дугового разряда на расходящихся контактах объясняется наличием термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий свободных электронов в дуговой промежуток.

После возникновения дуги и образования положительных ионов и электронов каждый из них устремится  к своему электроду: положительные  заряды  к катоду,  а электроны к аноду.

За счет положительных ионов усиливается  термоэлектронная  и автоэлектронная эмиссии:

Термоэлектронная эмиссия усиливается  за счет увеличения температуры катода в результате бомбардировки катода положительными ионами, а  автоэлектронная эмиссия - за счет усиления электрического поля между слоем положительных  ионов и отрицательным катодом.

5.1.3 Ионизация толчком.

Если свободный электрон при своем движении в электрическом поле приобретет достаточную скорость и, соответственно, кинетическую  энергию, то при столкновении с нейтральной частицей он может выбить из нее электрон, т.е. ионизировать эту частицу. В результате образуется новый электрон, который может   ионизировать следующую  нейтральную частицу и т.д. Произойдет лавинообразное нарастание потока электронов в дуговом промежутке.

 Условием для ударной  ионизации является наличие электрического поля  и достаточная   длина свободного пробега,  необходимая   для приобретения электроном требуемой энергии  для ионизации молекул в воздушном промежутке. Скорость электронов зависит от разности потенциалов на длине его свободного пробега. Поэтому обычно указывается не скорость движения электронов, а то минимальное значение разности потенциалов, какое необходимо иметь на конце свободного пути, чтобы электрон к концу пути приобрел необходимую скорость. Это разность потенциалов носит название потенциала  ионизации.

 Чем выше давление и плотность газа, тем меньше длина свободного пробега у электрона и  тем меньше энергии приобретет  электрон. Ионизация воздушного промежутка будет затруднена, Дуга может и не возникнуть. Наличие паров металлов в воздушном промежутке, имеющих потенциал ионизации  ниже, чем у воздуха  значительно снижает энергию  ионизации и облегчает образование дугового разряда.

5.1.4 Термическая  ионизация.

Это процесс ионизации под воздействием высокой температуры.

Поддержание дуги после ее возникновения, т.е. обеспечение дугового разряда достаточным количеством свободных электронов, объясняется практически единственным  видом ионизации – термической ионизацией.

Температура ствола дуги достигает 4-7 тысяч градусов Кельвина. При такой высокой температуре быстро возрастает как число быстро движущихся молекул, так и их скорость. При столкновении быстро движущихся молекул и атомов большая часть их разрушается  с образованием заряженных частиц.

Основной характеристикой термической ионизации является степень ионизации, представляющая собой отношение числа ионизированных атомов в дуговом промежутке к общему числу атомов в этом промежутке. Пары металла  значительно быстрее ионизируются, чем воздух, что объясняется их более низким потенциалом ионизации.

5.2 Процессы, возникающие при деионизации дугового промежутка

Одновременно с процессами ионизации в дуге происходят обратные процессы, т.е. воссоединение заряженных частиц и образование нейтральных частиц. Этот процесс носит название  деионизации.

При возникновении дуги преобладают  ионизационные процессы, в устойчиво горящей дуге процессы оба процесса одинаково интенсивны, а при преобладании процессов деионизации дуга гаснет.

Деионизация  происходит, главным образом, за счет рекомбинации и диффузии.

5.2.1  Рекомбинация.

Рекомбинацией называется процесс, при котором различно заряженные частицы, приходя во взаимное соприкосновение, образуют нейтральные частицы. Интенсивность рекомбинации усиливается с уменьшением  температуры дуги и увеличением давления. В электрической дуге, горящей вблизи поверхности дугогасительной камеры, рекомбинация основных носителей зарядов в дуге – электронов с положительными ионами происходит следующим путем:  Электроны заряжают поверхность стенки камеры до некоторого отрицательного потенциала, при котором положительные ионы притягиваются к этой поверхности и, присоединив электрон, образуют нейтральную частицу.

 При рекомбинации часть энергии освобождается в виде излучения квантов света (фотонов).

5.2.2  Диффузия.

Это вынос  заряженных частиц из области горения дуги в окружающую среду. Тем самым уменьшается проводимость дуги.

Диффузия обусловлена как электрическими, так и тепловыми факторами. Плотность зарядов в стволе дуги возрастает от периферии к центру. В виду этого создается электрическое поле, заставляющее ионы двигаться от центра к периферии и покидать область дуги. В этом же направлении действует и разность температур ствола дуги и окружающего пространства. Заряженные частицы, вышедшие из области дуги, в итоге рекомбинируются  вне этой области.

 В свободно горящей дуге диффузия играет ничтожно малую роль. Однако ее роль усиливается в дуге, обдуваемой сжатым воздухом, и в открытой движущейся дуге.

 К числу явлений, облегчающих гашение дуги,  относится диссоциация (разложение) нейтральных молекул газов на отдельные атомы.

  Диссоциация молекул газа  сопровождается поглощением тепловой энергии. Температура дуги при этом понижается, процесс деионизации будет преобладать над процессом ионизации и условия для гашения дуги улучшаются.

В качестве дугогасящего газа  чаще всего  применяют  водород. Он выделяется в дугогасительных камерах при разложении под действием высокой температуры дуги трансформаторного масла, фибры, оргстекла.

 

6 Лекция № 6. Условия гашения  электрической дуги

 

Содержание лекции: вольтамперная характеристика (ВАХ)  электрической дуги. Статические и динамические ВАХ. Условия гашения дуги постоянного и переменного тока.

Цель лекции: на основе анализа ВАХ  дуги рассмотреть способы   гашения дуги на постоянном и переменном токе.

6.1 Вольтамперные характеристики дуги

Важнейшей характеристикой дуги является ее  вольтамперная характеристика  (ВАХ), представляющая собой зависимость напряжения на дуге от тока.

С увеличением силы тока в цепи, а, следовательно, числа электронов в дуговом промежутке одновременно увеличивается температура дуги,   усиливается термическая ионизация,  возрастает число ионизированных частиц в дуге и, соответственно,  падает электрическое сопротивление дуги.

 Причем,  сопротивление  дуги падает так резко, что напряжение на ней  тоже падает, несмотря на рост тока. При переходе  тока от одного значения тока к другому тепловое состояние дуги не изменяется мгновенно, так как обладает тепловой инерцией. Если ток менять медленно, то тепловая инерция  дуги не сказывается. Характеристика, полученная при медленном изменении тока, называется статической. Если ток менять быстро, то ВАХ будет зависеть от скорости изменения тока.  Такая характеристика  называется динамической.

Статическая ВАХ  дуги зависит от   длины дуги, материала электродов, параметров среды и условий охлаждения.

 Падение напряжения  на дуговом промежутке   равно

                                                                        ,                               

 где  - сумма околоэлектродных падений напряжения;

-напряженность электрического поля внутри дуги;

- длина дуги.

,

где - прикатодное падение напряжение,  равно10 – 20В;

- прианодное падение напряжения, равно 5-10В.

Напряженность электрического поля внутри дуги зависит от тока и условий горения дуги: чем интенсивнее охлаждение дуги и чем выше давление  среды, в которой горит дуга, тем больше напряженность электрического поля в дуге  и тем выше лежит ее ВАХ. А подъем ВАХ, как мы увидим далее, способствует гашению дуги.

Рассмотрим условия  гашения дуги постоянного тока.

6.2 Условия гашения дуги

Чтобы погасить дугу постоянного тока, необходимо создать такие условия, при которых в дуговом промежутке при всех значениях тока от начального до нулевого процессы деионизации превосходили бы процессы ионизации.

На рисунке 6.1, а изображена электрическая цепь, содержащая сопротивление R, индуктивность L и дуговой промежуток с падением напряжения  и к которой приложено  напряжение источника тока U.

Для этой цепи любого момента времени будет справедливо уравнение

,

где   - ЭДС, возникающая на индуктивности при изменении тока в цепи.

 

 

Рисунок 6.1- К условию гашения дуги постоянного тока

 

При устойчиво горящей дуге, когда процессы ионизации и деионизации находятся в равновесном состоянии

                                       и    .

        Если    >   0, то в дуге процесс ионизации преобладает над процессом деионизации, т.е. количество вновь образовавшихся заряженных частиц будет больше количества исчезающих в результате рекомбинации.

Если   < 0 , то  в дуге преобладают процессы  деионизации, число заряженных частиц уменьшается и дуга гаснет. 

Следовательно,  для погасания дуги необходимо, чтобы ток в ней все время уменьшался, т.е.  , а,  следовательно 

                                                  .                                                            (6.1)

При этом неравенство (6.1) должно иметь место при всех значениях тока. Графическое решение задачи показано на рисунке 6.1б.

 На этом рисунке прямая 1 представляет собой  напряжение источника U, прямая 2 - реостатную характеристику  цепи    ,  а кривая 3 -ВАХ дуги. Заключенные между реостатной характеристикой и ВАХ отрезки соответствуют  .

В точках  «А» и «Б»  выполняется условие  , т.е. в этих точках имеет место равновесное состояние. Однако в точке «Б» это равновесие устойчивое, а в точке «А» – нет.

При токах ,   и   на индуктивности  возникает отрицательное напряжение  , свидетельствующее о нарастании процесса деионизации в дуге. Под действием этого напряжения  ток будет убывать до нуля. Если по какой-либо причине _,  то на   индуктивности возникнет положительное напряжение , свидетельствующее о нарастании процесса ионизации, и ток будет возрастать до значения .

Точка «Б» является точкой устойчивого равновесия: при любых изменениях тока  под действием напряжения на индуктивности система будет возвращаться в исходное состояние.

В электрических аппаратах принимают все меры к тому, чтобы дуга гасла в минимально короткое время. Очевидно, для этого необходимо, чтобы   . Это возможно либо за счет поднятия ВАХ, либо за счет увеличения сопротивления цепи. ВАХ может быть поднята в результате увеличения длины дуги, интенсивности охлаждения и повышения давления среды, в которой горит дуга.

 При замкнутых контактах дуга отсутствует и ток в цепи равен    (см.  рисунок 6.2). При разведении контактов между ними возникает дуга с током . Если  длина дуги и напряжение источника неизменны, то при увеличении сопротивления ток в цепи начнет уменьшаться, принимая значения ,.  При дальнейшем возрастании сопротивления создаются условия для гашения дуги. Ток и сопротивления, при которых наступают условия для гашения дуги, называются критическими.

 

 

Рисунок 6.2 - Ток в цепи при различных сопротивлениях  R и наличия дуги

 

Если  при неизменном токе увеличить  напряжение или при неизменном напряжении увеличить ток,  то  реостатная характеристика   будет подниматься вверх. Но тогда для соблюдения условий гашения дуги необходимо поднять и  ВАХ  дуги. Следовательно, с увеличением напряжения источника,  и с ростом отключаемого тока условия отключения утяжеляются.

6.3 Особенности горения и гашения дуги переменного тока

Если для  гашения дуги постоянного тока необходимо создать условия, при которых ток упал бы до нуля, то при переменном токе ток в дуге независимо от степени ионизации дугового промежутка проходит через нуль каждый полупериод, т.е. каждый полупериод дуга гаснет и зажигается вновь. Задача гашения в данном случае состоит в том, чтобы создать условия, при которых ток не восстановился бы после прохождения через нуль.

Решающее значение для гашения дуги переменного тока при напряжении до 1000 В имеют явления, происходящие у катода при переходе тока через нуль. В момент перехода тока через нуль в прикатодной области за время порядка 0.1 мксек  изоляция воздушного промежутка восстанавливается  до величины U₀= 150- 250 В, т.е. для того, чтобы  возникла дуга необходимо приложить напряжение выше  указанных величин.

 

 

7 Лекция № 7. Способы гашения электрической дуги

 

Содержание лекции: способы гашения электрической дуги. Магнитное дутье. Гашение дуги высоким давлением. Применение дугогасительных решеток на постоянном и переменном токе.

Цель лекции: рассмотрение  физических явлений, происходящих при гашении электрической дуги между расходящимися контактами аппарата различными способами.

Задача дугогасительных  устройств  аппаратов состоит в том, чтобы обеспечить гашение дуги:

а) за  малое время с допустимым уровнем перенапряжений;

б) при малом износе токоведущих частей аппарата;

в) при минимальном объеме раскаленных газов;

г) с минимальным звуковым и световым эффектами.

Для гашения дуги постоянного тока необходимо, чтобы ВАХ дуги проходила выше реостатной прямой, т.е.

 

                                                            ,                                       

а так как

                                                             ,                                    

 то подъем характеристики можно получить за счет:

 а) увеличения длины дуги ;

 б) напряженности электрического поля в столбе дуги ;

 в) использования  околоэлектродного падения напряжения.

 

Поднятие ВАХ за счет увеличения длины дуги  малоэффективно, так как требует значительного увеличения размеров аппаратов.

Увеличить напряженность электрического поля внутри  дуги  можно:

 а) путем эффективного охлаждения дуги;

 б) за счет  подъема давления среды, в которой горит дуга.

Охлаждение дуги обычно осуществляют:

 а) перемещая дугу относительно среды, в которой она находится, используя  для этой цели магнитное поле (магнитное дутье);

 б)  загоняя с помощью магнитного дутья дугу в узкую щель дугогасительной камеры, стенки которой имеют высокую теплопроводность и дугостойкость. Дуга по мере втягивания в щель приобретает форму зигзага, благодаря чему длина дуги увеличивается. Охлаждение дуги осуществляется в результате тесного контакта дуги с холодными относительно температуры дуги керамическими стенками щели.

 

7.1 Перемещение дуги под действием магнитного поля

Электрическая дуга, являясь своеобразным проводником с током, может взаимодействовать с магнитным полем. В результате на дугу будет действовать сила, так называемое магнитное дутье, перемещающее дугу.

Чаще всего магнитное поле создается катушкой последовательно включенной с коммутируемой цепью. Сила, действующая на единицу длины дуги в магнитном поле, равна

 

,

где I – ток дуги;

H - напряженность магнитного поля, создаваемого дугогасительной катушкой в зоне горения дуги.

Так как для последовательной катушки  то

Таким образом, сила, действующая на дугу, пропорциональна квадрату тока.

При малых токах эта сила мала, поэтому для получения силы достаточной для гашения малых токов приходится увеличивать число витков обмотки, а так как  обмотка обтекается номинальным током аппарата, то и сечение ее витков должно соответствовать этому току. Это приводит к большому расходу меди.

С помощью магнитного дутья дуга с силой загоняется в узкие  щели дугогасительных решеток, выполняемых из тугоплавких материалов. В результате дуга резко охлаждается на стенках решетки. Быстро нарастают деионизационные процессы, и дуга гаснет. Применяется в контакторах с тяжелым режимом работы при числе включений в час более 600.

 

7.2 Гашение дуги высоким давлением

Проводимость дугового промежутка зависит  от степени ионизации газа. При неизменной температуре степень ионизации падает с ростом давления. Это значит, что для проведения того же тока при высоком давлении необходимо приложить более высокое  напряжение.

С ростом давления возрастает также теплопроводность газа, что приводит к усилению отвода тепла и охлаждению дуги. В конечном итоге с ростом давления напряжение на дуге возрастает.

Гашение дуги при помощи высокого давления, создаваемого самой же дугой в плотно закрытых камерах, используется в плавких предохранителях и ряде других аппаратах. В этих аппаратах вся энергия, выделяемая в дуге, отдается газу, находящемуся в ограниченном объеме.

В первом приближении здесь справедливо соотношение

где - энергия дуги;

 - объем;

 - давление.

В результате  дугу удается погасить  в небольших плотно закрытых камерах и сделать аппараты совершенно безопасными в пожарном отношении.

 

7.3 Гашение дуги в дугогасительной решетке

Рассмотренные выше способы гашения дуги сводились к воздействию на ее ствол.

Дугу можно гасить, используя околоэлектродные падения напряжения. Впервые этот принципиально новый способ гашения предложил Доливо-Добровольский.

Над расходящимися контактами 1 и 2  аппарата (см. рисунок 7.1) устанавливаются неподвижные изолированные друг от друга  металлические пластины 3, образующие дугогасительную решетку. Возникающая при отключении дуга 4 загоняется в эту решетку, где разбивается на ряд последовательно включенных коротких дуг 5.

 

 

а- открытая дуга;  б- в дугогасительной решетки.

Рисунок 7.1 – Дугогасительная решетка и статические вольтамперные характеристики дуги

 

У каждой пластины решетки возникает околоэлектродное падение напряжения. Гашение дуги происходит за счет суммы околоэлектродных  падений напряжения.

 

 Постоянный ток

При числе пластин  коротких дуг будет  и столько же будет прианодных  и прикатодных  падений напряжения. Напряжение на всей дуге в решетке будет равно

где - сумма околоэлектродных падений напряжения;

- длина дуги;

- расстояние между пластинами решетки.

ВАХ дуги  в дугогасительной решетке выражается той же по форме кривой, что и ВАХ открытой дуги, но перенесенной на сумму околоэлектродных падений в область более высоких напряжений.

Для того чтобы дуга погасла необходимо, чтобы число пластин решетки удовлетворяла условию

где - напряжение  сети;

- приэлектродное падение напряжения.

Переменный ток

При гашении дуги переменного тока в дугогасительной решетке основную роль играют процессы у катода, заключающиеся в том, что в момент прохождения тока через нуль околокатодное  пространство мгновенно приобретает электрическую прочность порядка .

Поскольку на постоянном токе, что гораздо меньше, чем на переменном токе, то и число пластин  в дугогасительной решетке на переменном токе нужно соответственно значительно  меньше.

Дугогасительная решетка на переменном токе действует в 7-8 раз эффективнее, чем на постоянном токе. Этим объясняется ее широкое применение на переменном токе и ограниченное применение на постоянном.

Пластины дугогасительной решетки выполняют из магнитного материала (стали). Возникающие между дугой и ферромагнитными пластинами силы притяжения  способствуют быстрому вхождению дуги в пространство между пластинами и разбиению дуги на ряд последовательно включенных коротких дуг.

Недостатком дугогасительной решетки является прогорание пластин в повторно-кратковременном режиме при токе 600 А и выше. Для уменьшения коррозии пластины покрывают медью или цинком.

 

 

 

8 Лекция № 8. Основы тепловых расчетов электрических аппаратов

 

Содержание лекции: основы тепловых расчетов. Потери в проводниках. Отдача тепла нагретым телом. Теплопроводность, конвекция, излучение. Теплоотдача в установившемся режиме.

Цель лекции: познакомить студентов с основами тепловых расчетов  электрических аппаратов.

8.1 Основы тепловых расчетов

8.1.1 Потери  в проводниках, обтекаемых током.

Мощность Р, теряемая в проводнике при прохождении по нему  электрического тока, равна

,

где   - эффективное значение тока;

 – сопротивление проводника.

При постоянном токе R соответствует омическому сопротивлению

.

При переменном токе потери получаются большими, чем при постоянном токе. Это возрастание потерь происходит за счет поверхностного эффекта и эффекта близости и учитывается коэффициентом дополнительных потерь  К_Д>1.  Сопротивление при  переменном токе за счет названных эффектов больше омического и носит название активного сопротивления.    

 

Активное сопротивление – это некоторое фиктивное сопротивление проводника, которое, будучи помножено на квадрат эффективного значения тока, дает потери, действительно имеющиеся при переменном токе.

8.1.2 Поверхностный эффект.

Переменное магнитное поле, охватывающее проводник с током,  индуцирует в этом проводнике ЭДС, направленную навстречу приложенному напряжению. Поскольку центральные слои проводника пересекаются большим магнитным потоком, чем наружные, то и ЭДС  будет наибольшей по оси провода.

 Эта ЭДС  приводит к уменьшению плотности тока в центральных слоях проводника   по сравнению с плотностью тока в наружных слоях. Влияние этого явления  можно воспринимать как уменьшение эффективного сечения проводника и соответственно увеличение  сопротивления. Влияние поверхностного эффекта растет с ростом частоты тока, проводимости и магнитной проницаемости  материала проводника.

8.1.3 Эффект близости.

В этом случае изменение распределения тока по сечению проводника и изменение  сопротивления возникает за счет влияния  магнитного поля  соседних проводников с током.

8.2 Отдача тепла нагретым телом. Теплопроводность.  Конвекция. Излучение

Передача тепла всегда идет от более нагретых тел к менее нагретым телам и происходит до тех пор, пока температуры тел не сравняются. Чем выше температура нагретого тела, тем интенсивнее происходит процесс передачи тепла.

Различают три вида передачи тепла: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

8.2.1 Теплопроводность.

Теплопроводностью называется процесс передачи тепла от одной частицы тела к другой или от одного тела к другому, когда эти частицы или тела соприкасаются друг с другом. Теплопроводность в металлах осуществляется благодаря тепловому движению электронов, а в остальных случаях – молекул. Теплопроводность характерна для твердых тел. Необходимым условием теплопроводности является разность температур.

При расчете передачи тепла через тело за счет теплопроводности часто применяют выражение

где t-  разность температур на внутренней и наружной стенке  материала;

Ф    - тепловой поток, проходящий через стенки  соприкасающихся тел;    R_T -  тепловое сопротивление тела.

                                      ,                                                 (8.1)

где l - коэффициент  теплопроводности, численно равен количеству тепла, переданного через  поверхность площадью 1м²  за  1 сек при перепаде  температуры в 10°С

Уравнение (8.1) аналогично закону Ома для электрических цепей и называется тепловым законом Ома. Тепловое  сопротивление прямо пропорционально длине пути теплового потока d и обратно пропорционально сечению этого пути и коэффициенту теплопроводности.

Как следует из (8.1) количество тепла, отводимого   от одного тела к другому за счет теплопроводности прямо пропорционально разности температур  между ними t и обратно пропорционально термическому сопротивлению   того тела, через которое передается тепло. Если тепловой поток проходит через ряд стенок с  различной толщиной и коэффициентом теплопроводности, то результирующее тепловое сопротивление всех стенок будет равно сумме этих сопротивлений.

                                

8.2.2 Конвекция.

Конвекцией называется процесс передачи тепла путем перемещения частиц жидкости или газа. При естественной конвекции движение охлаждающего газа или жидкости происходят за счет разности плотностей нагретых и холодных объемов. При искусственной конвекции охлаждающая среда приводится в движение с помощью вентиляторов или насосов.

Количество тепла, отдаваемого телом за счет конвекции

где a - Коэффициент теплоотдачи при конвекции, определяемый теплом, которое снимается за 1 сек с поверхности в 1кв. м. при разности температур в 10°С;

t -  Разность температур между нагретым телом   и охлаждающей газовой или жидкостной средой;

S -   Поверхность тела.

8.2.3 Тепловое излучение.

Часть энергии нагретое тело отдает в окружающее пространство путем излучения электромагнитных волн (ультрафиолетовых, инфракрасных).

Этот способ теплоотдачи называется тепловым излучением, лучеиспусканием или радиацией.

Тепло, отдаваемое нагретым телом  за счет радиации, определяется с помощью уравнения Стефана-Больцмана

 Количество отдаваемого тепла зависит от разности  четвертых степеней абсолютных температур его нагретой поверхности и окружающей среды.

 Суммарное количество тепла, отдаваемое всеми видами теплообмена, сложным образом зависит от температуры тела и его геометрических размеров. Поэтому в каждом конкретном случае предварительно оценивают интенсивность всех видов теплообмена и учитывают те из них, которые преобладает. Например,  для проводников, погруженных в масло, учитывают  только конвекцию; для длинных шин теплопроводностью пренебрегают и учитывают только конвекцию и радиацию.

8.3 Теплоотдача в установившемся режиме

Теплоотдача с поверхности тела происходит одновременно конвекцией и излучением. При этом трудно разделить, какая часть  тепла передается в окружающую среду конвекцией, а какая часть – излучением. Поэтому вводят понятие коэффициента теплоотдачи  К_т, который определяет количество тепла,  отдаваемое в окружающую среду за 1 сек,  всеми видами теплоотдачи с 1кв.м. поверхности  при разности температур нагретого тела и окружающего пространства в 1град Цельсия. Коэффициент теплоотдачи (или теплообмена)  находится эмпирическим путем.

 Тогда количество тепла, отдаваемое нагретым телом в окружающее пространство, будет равно 

В установившемся режиме, когда все потери P, выделяемые в проводнике, отдаются в окружающее пространство можно записать

Откуда и находится  превышение температуры нагретого тела над температурой окружающей среды 

.

 А затем и температура нагретого  тела 

.

 

 

9 Лекция  № 9. Низковольтные  плавкие предохранители

 

Содержание лекции: параметры предохранителя. Защитная характеристика предохранителя. Способы ускорения плавления вставки. Конструкция разборных предохранителей типа ПР-2. Конструкция насыпных предохранителей типа ПН-2.

Цель лекции: изучение конструкций  низковольтных плавких предохранителей.

Общие сведения

Плавкий предохранитель - это аппарат, предназначенный для защиты электрических сетей от токов  перегрузки и короткого замыкания.

Отключение сети осуществляется благодаря расплавлению плавкой вставки, которая нагревается током защищаемой цепи. Плавкие предохранители характеризуются следующими параметрами.

Номинальный ток плавкой вставки. Это ток, длительное протекание которого не вызовет расплавления  вставки.

Номинальный ток предохранителя. Это ток, длительное протекание которого не вызовет нагрев контактных частей предохранителя сверх допустимой температуры. Как правило, этот ток  равен наибольшему току плавких вставок, которые могут быть установлены в данном предохранителе.

Важнейшей   характеристикой   предохранителя   является защитная или время токовая характеристика, представляющая собою зависимость времени перегорания плавкой вставки от тока  

 

 

Рисунок 9.1 - Защитная характеристика предохранителя ПН-2

 

Поскольку процесс плавления вставки связан с чрезмерным нагревом  предохранителя, обусловленного в первую очередь временем протекания тока, то конструкцию вставки стремятся выполнить таким образом, чтобы уменьшить время плавления вставки.

Чтобы достигнуть резкого сокращения време­ни плавления вставки с рос­том тока, идут по двум на­правлениям:

1)     придают плавкой вста­вке специальную форму;

2)     используют   металлургический эффект.

По первому способу вставку выполняют в виде пластинки с вырезами,  уменьшающи­ми  ее сечение на отдельных участках  (см. рисунок 9.2).

 

 

Рисунок 9.2.- Фигурная плавкая вставка

 

На этих суженных участ­ках выделяется больше тепла, чем на широких участках.

 При номиналь­ном токе избыточное тепло вследствие теплопроводности мате­риала вставки успевает распространиться к более широким частям, и вся вставка имеет практически одну температуру.

 При пере­грузках    нагрев суженных участков идет быстрее, так как только часть тепла успевает отводиться к широким участ­кам. Плавкая вставка плавится в одном самом горячем месте  (см. рисунок 9.2, б).

При коротком замыкании   нагрев суженных участков идет настолько интенсивно, что практически отводом тепла от них можно пренебречь.

 Плавкая вставка перегорает одновре­менно во всех или в нескольких суженных местах  (см. рисунок 9.2,в). Фигурные вставки применяются в разборных предохранителях типа ПР-2.

Второй способ сокращения времени плавления вставки - металлургический эффект, применяемый в насыпных предохранителях типа ПН-2,  заключается в том, что на вставку напаиваются небольшие оловянные шарики. При токах перегрузки, когда температура вставки достигает температуры плавления олова, шарик расплавляется и растворяет часть металла, на котором он напаян. Происходит местное увеличение сопротивления вставки и снижение температуры плавления металла в этом месте. Вставка перегорает в том месте, где был наплавлен шарик. При этом тем­пература всей вставки оказывается намного ниже температуры плавления металла, из которого она выполнена. В номинальном режиме шарик практически не влияет на температуру нагрева вставки.

Конструкции предохранителей

Предохранители типа  ПР-2

 Предохранители типа ПР-2 (П- предохранитель, Р - разборный) изготовляются на напряжение 220 и 500В и токи патронов 15-1000А.

 Предельный ток отключения зависит от номинального тока пре­дохранителя и лежит в пределах 1,2 - 1,5 кА.

 Плавкая вставка 2  (см. рисунок 9.3)   изготавли­вается из цинка путем штамповки.

 

Рисунок 9.3 – Конструкция предохранителя  типа ПР-2

 

Применение легкоплавкого металла - цинка, стойкого против коррозии, и фигурная  форма плавкой вставки позволяют получить благоприятную защитную характеристику.

Патрон предохранителя ПР-2 выполнен из толстостенной фибровой трубки 1, на которой с обеих сторон плотно насажены латунные втулки 3, предотвращающие разрыв трубки.

 На втулки навинчиваются колпачки 4, которые закрепляют плавкую вставку 2, привинченную к контактным но­жам 6, до установки ее в патрон.

 Для предотвращения поворота контакт­ных ножей предусмотрена шайба 5, имеющая паз для контактного ножа. После перегорания плавкой вставки возникает дуга, под действием которой фибра выделяет газ, содержащий около 40 % водорода. Происходит диссоциация молекул водорода с поглощением тепла. Температура дуги снижается, что приводит к усилению процесса деионизации дугового пространства и погашению дуги. Кроме снижения температуры,  повышается до нескольких атмосфер давление газа в патроне. Высокое давление способствует сужению, деионизации и гаше­нию дуги. При коротких замыканиях суженный участок плавкой вставки начи­нает плавиться раньше, чем ток короткого замыкания достигнет своего ус­тановившегося значения в цепи постоянного тока  или удар­ного тока в цепи переменного тока. Величина тока коротко­го замыкания в цепи при этом ограничивается в несколько раз. Такие пре­дохранители называются токоограничивающими. Цепи, защищенные токоограничивающими предохранителями, обычно не проверяют на термическое и динамическое действие токов короткого замыкания. Достоинством предохранителей ПР-2 является простота их переза­рядки, недостатком - несколько большие размеры, чем у насыпных предо­хранителей типа ПН-2

Плавкие предохранители типа ПН-2

Предохранители типа ПН-2 (П - предохранитель, Н - насыпной) применяются для защиты силовых цепей до 500В переменно­го и 440В постоянного тока и изготовляются на номинальные токи до 1000А, предельный отключаемый ток - до 50 кА.

 Корпус предохранителя 1 (см. рисунок 9.4)  изготавливается из прочного фарфора или стеатита. Внутри корпуса расположены ленточные плавкие вставки 2 и на­полнитель - кварцевый песок 3.

 

 

 

Рисунок 9.4 - Предохранитель типа ПН-2

 

 Снаружи корпус имеет форму квадрата, внутри - цилиндра. Плавкие вставки привариваются к диску 4, который крепится к пластинам 5, связанным с контактным ножом 9. Пластины 5 закрепляются на корпусе с помощью винтов 10, которые ввинчиваются в отверстия с резьбой.

Плавкая вставка выполняется из медной ленты толщиной 0,1 - 0,2 мм. Для получения эффекта токоограничения вставка имеет суженные се­чения 8. Разбивка плавкой вставки на несколько параллельных ветвей - ленточек (на рисунке  9.4 их три) позволяет более полно использовать объем наполнителя.

 Для снижения температуры плавления вставки ис­пользуется металлургический эффект - на полоски меди напаяны шарики олова 7.

В качестве наполнителя используется чистый кварцевый песок. При коротком замыкании плавкая вставка сгорает и образуется дуга, которая горит в канале, образованном песчинками. Кварцевые песчинки имеют высокую теплопроводность и хорошо развитую охлаждающую по­верхность. Ускорение гашения дуги происходит за счет быстрого отвода тепла из зоны горения дуги к холодным стенкам предохранителя, снижению температуры горения дуги и  усилению процесса деионизации. После срабатывания предохранителя он не ремонтируется, а заменяется новым.

Малые габариты, незначительная затрата дефицитных материалов высокая токоограничивающая способность, невысокая стоимость являются достоинствами пре­дохранителя ПН-2.

В последнее время согласно сообщениям заводов - изготовителей предохранители типа ПН-2 снимаются с производства, и вместо них  будут выпускаться предохранители типа ППН-33 ("Кореневский завод низковольтной аппаратуры") и предохранители типа ПП-32 (Завод  "Электроаппарат", г. Курск).

Основным недостатком предохранителей является однократность их действия и необходимость замены после этого плавкой вставки или всего предохранителя.  В настоящее время в электроустановках до 1000В  вместо предохранителей все чаще  применяют автоматические выключатели.

 

10 Лекция 10. Воздушные  автоматические выключатели

Содержание лекции: общие сведения об автоматических выключателях. Классификация. Конструкции. Параметры выключателей с микропроцессорным расцепителем.

Цель лекции: изучение  конструкции автоматических воздушных выключателей.

10.1 Общие сведения. Классификация 

 Автоматический  воздушный выключатель (автомат) – аппарат, предназначенный для  автоматического отключения  цепей при аварийных режимах, а также нечастых (от 6 до 30 раз в сутки)  коммутаций электрических цепей. Автоматические выключатели изготовляют для цепей переменного до 1000В и постоянного тока до 440В одно-, двух-, трех - и четырехполюсном исполнении  на номинальные токи от 6,3 до 6300 А.

Автоматические выключатели имеют реле прямого действия, назы­ваемые расцепителями. Расцепители  обеспечивают отключение автомата при пере­грузках, КЗ и  снижении напряжения. Отключение может происходить без выдержки времени или с выдержкой.

 По  времени отключе­ния  выключатели различаются на следующие типы:

- нормальные выключатели -  время срабатывания, в зависимости от номинального тока и конструкции лежит в пределах  0,02-0,1 сек.;

- селективные –  отключение происходит после получения импульса на срабатывания и  перед отключением имеют выдержку времени до 1 сек.;

- быстродействующие выклю­чатели – время их срабатывания не должно превосходить 0,005 сек.

Нормальные и селективные автоматические выключатели токоограничивающим действием не обладают. Быстродействующие выключатели так же, как предохранители, обладают токоограничивающим действием, так как отключают цепь до того, как ток в ней достигнет  ударного  значе­ния.

Селективные автоматические выключатели позволяют осуществить се­лективную защиту сетей путем установки автоматических выключателей с разными выдержками времени: наименьшей у потребителя и ступенчато возрастающей к источнику питания.

В некоторых случаях требуется комбинированная защита электрической цепи – максимальная по току и минимальная по напряжению. Автоматы, удовлетворяющие этому требованию, называются универсальными.

Автоматы общепромышленного, коммерческого и бытового назначения обычно имеют лишь максимально- токовую защиту, отрегулированную на заводе. В эксплуатации эти характеристики не могут быть изменены. Такие автоматы называются установочными.

Современные выключатели с номинальным током более 250А  могут быть снабжены электронными расцепителями. В этих выключателях потребителю предоставлена возможность  самому производить настройку уставок расцепителей.  Могут быть отрегулированы токи теплового и  электромагнитного расцепителя, а также и  время их  срабатывания, что позволяет надежно отстроить выключатель от  пусковых токов и обеспечить селективность срабатывания защиты.

10.2  Конструкции автоматических выключателей

Основные элементы автоматического выключателя и их взаимодей­ствие рассмотрим по принципиальной схеме (см. рисунок 10.1).

 

Рисунок 10.1- Принципиальная схема автоматического выключателя

 

Контактная система выключателей на большие токи выполняется двухсту­пенчатой и состоит из главных 11, 5 и дугогасительных контактов 7.

Главные контакты должны иметь малое переходное сопротивление, так как по ним проходит основной ток. Обычно это массивные медные кон­такты с серебряными накладками на неподвижных контактах и металлокерамическими накладками на подвижных контактах. Дугогасительные кон­такты замыкают и размыкают цепь, поэтому они должны быть устойчивы к возникающей дуге, поверхность этих контактов  металлокерамическая. При номинальных токах  до 630А контактная система одноступенчатая, т. е. контакты играют  роль как  главных, так  и дугогасительных. На рисунке 10.1 выключатель показан в отключенном положении. Чтобы его включить, вращают рукоятку 2 или подают напряжение на электро­магнитный привод 1. Возникающее усилие перемещает рыча­ги 3 вправо, при этом поворачивается несущая деталь 13, замыкаются сна­чала дугогасительные контакты 7 и создается цепь тока через эти контакты и гибкую связь 12, а затем главные контакты 5 — 11. После завер­шения операции выключатель удерживается во включенном положении защелкой 14 с зубцами 15 и пружиной 16.

Отключают выключатель рукояткой 2, приводом 1 или автоматически при срабатывании расцепителей.  Максимальный расцепитель  17 срабатывает при протекании по его обмотке YAT1 тока КЗ. Создается усилие, преодолевающее натяжение Р пружины 16, рычаги 3 переходят вверх за мертвую точку, в результа­те чего автоматический выключатель отключается под действием отклю­чающей пружины 4. Этот же расцепитель выполняет функции независимого  расцепителя.  Если на нижнюю обмотку YAT2 подать напряжение кнопкой SB, он срабатывает и осуществляет дистанционное отключение. При снижении или исчезновении напряжения срабатывает мини­мальный   расцепитель 18 и также  отключается  автоматический выключатель. При отключении сначала размыкаются главные контакты, и весь ток переходит на дугогасительные контакты. На главных контактах дуга не образуется. Дугогасительные контакты 7 размыкаются, когда главные находятся на достаточном расстоянии. Между дугогасительными контактами образуется дуга, которая выдувается вверх  в дугогасительную   камеру 8, где и гасится. Дугогасительные камеры выполняются  чаще всего  со стальными пластинами (эф­фект деления длинной дуги на короткие), а для автоматов на большие токи с  лабиринтно-щелевыми (эффект гашения дуги в узкой щели). Втягивание дуги в камеру осуществ­ляется магнитным дутьем. Материал камеры должен обладать высокой дугостойкостью. При протекании тока КЗ через включенный автоматический выключа­тель между контактами возникают значительные электродинамические силы, превышающие силы контактных пружин 6 и 10, которые могут ото­рвать один контакт от другого, а образовавшаяся дуга  сварить их. Чтобы избежать самопроизвольного отключения, применяют электродина­мические компенсаторы 9 в виде изогнутых  петлей шинок. Токи в шин­ках 9 имеют разное направление, что создает электродинамическую силу, увеличивающую нажатие в контактах.

Рычаги 3 играют  роль механизма свободного расцепления, который обеспечивает отключение автоматического выключателя в любой момент времени, в том числе при необходимости и в процессе включения.  Если выключатель включается на существующее КЗ, то мак­симальный расцепитель 17 срабатывает и переводит рычаги 3 вверх за мертвую точку, нарушая связь привода 1 (или 2) с подвижной системой ав­томатического выключателя, который отключается пружиной 4, несмотря на то, что приводом будет передаваться усилие на включение. Принципиально все современные выключатели  выполнены по приведенной выше схеме. Могут отличаться  дизайном,  конструктивными и проводниковыми материалами и устройством         защит.

Автоматические выключатели в соответствии с современным стандартом характеризуются следующими  основными параметрами:

In - номинальный ток выключателя. Это ток, длительное протекание которого не вызывает нагрев выключателя сверх допустимой температуры.

Icu - номинальная предельная отключающая способность короткого замыкания. Это  действующее значение максимального  тока КЗ,  который выключатель еще способен отключить, сохраняя при этом свою работоспособность.

 Ics - Номинальная рабочая отключающая способность короткого замыкания. Это действующее значение тока КЗ, который выключатель способен повторно отключить после только что отключенного КЗ, сохраняя при этом свою работоспособность.

Icm - Номинальная включающая способность короткого замыкания. Это максимальное значение тока КЗ (ударный ток КЗ),  которое выключатель способен выдержать, сохраняя при этом свою работоспособность.

10.3 Параметры  выключателей с микропроцессорным расцепителем

Ниже на рисунке  10.2 показан внешний вид    автоматического выключателя  NZM2, выпускаемого фирмой Moeller, имеющий микропроцессорный   расцепитель.

В  таком   выключателе    можно  регулировать следующие параметры:

- ток срабатывания теплового расцепителя ();

- время срабатывания теплового расцепителя ;

- ток срабатывания расцепителя короткого замыкания  с выдержкой времени ();

- время срабатывания расцепителя короткого замыкания  с выдержкой времени (t_sd);

- ток срабатывания расцепителя короткого замыкания  мгновенного действия (I_i).

 

Рисунок 10.2 - Внешний вид  выключателя  NZM2

11 Лекция № 11. Контакторы и магнитные пускатели

 

Содержание лекции: устройство и принцип действия контакторов и магнитных пускателей

Цель лекции: изучение  принципа действия и конструкции современных контакторов и магнитных пускателей

 11.1 Контакторы

Контактор - это коммутационный  аппарат, предназначенный для частых включений и отключений электрических цепей при нормальных режимах работы. Контакторы чаще всего применяются в схемах автоматизированного привода для режимов, допускающих до 1200 включений в час. Ранее большое распространение имели электромагнитные контакторы. В настоящее время налажен выпуск вакуумных и тиристорных контакторов. Электромагнитные контакторы состоят из системы главных контактов, дугогасительного устройства, электромагнитной системы и вспомогательных контактов. Принцип работы контактора рассмотрим по условной схеме, приведенной  на рисунке 11.1.

 

а)- электрическая схема однополюсного контактора;

                  б)- условная конструктивная схема.

Рисунок 11.1 - Условная схема контактора

 

Как видно из электрической системы (см. рисунок 11.1, а), главные контакты контактора К включены в цепь двигателя Д, а катушка - в цепь управления последовательно с кнопками управления Пуск, Стоп и вспомогательными контактами БК.

На конструктивной схеме (см. рисунок 11.1, б) контактор изображен в мо­мент отключения, когда напряжение катушки 15, установленной на сер­дечнике 14, снято и подвижная система под действием пружины 11 при­шла в нормальное положение. Дуга, возникшая между контактами 2 и 7, гасится в камере 5 с изоляционными перегородками 4. Втягивание дуги в камеру происходит за счет катушки 16, включенной последовательно в главную цепь, стального сердечника 1 и полюсных наконечников 17. На выходе из камеры установлена пламегасительная решетка 3, препятствую­щая выходу ионизированных газов за пределы камеры. Для включения контактора подается напряжение на зажимы катушки 13 путем нажатия кнопки Пуск.

В катушке создается магнитный поток Ф,  якорь 10 притягивается к сердечнику.

На якоре укреплен подвижный  контакт 7, который после соприкосновения с неподвижным контактом 2 скользит по его поверхности, разрушая пленку окислов на поверхности контактов. Нажатие в контактах создается пружиной 8. Контактные накладки 6 из серебра обеспечивают минимальное пере­ходное сопротивление. В некоторых случаях накладки выполняются из дугостойкой металлокерамики. Контактор удерживается во включенном положении своей катушкой. После включения контактора замыкаются вспомогательные контакты 12 (БК), шунтирующие кнопку Пуск, поэтому  отпускание кнопки пуск не разрывает цепь катушки 15.

На якоре 10 предусмотрена немагнитная прокладка из латуни 9, ко­торая уменьшает силу притяжения, обусловленную остаточной индукцией в сердечнике. Таким образом, при снятии напряжения с катушки 15 якорь не «залипает». При значительном снижении напряжения в цепи управле­ния, а также при его исчезновении контактор автоматически отключается.

Контакторы не защищают установку от ненормальных режимов (пе­регрузка, токи КЗ), поэтому в схемах автоматического управления они со­четаются со специальными реле, которые реагируют на ненормальные ре­жимы и размыкают цепь катушки электромагнита.

11.2 Магнитные пускатели

Магнитный пускатель - это устройство, состоящее, как правило, из трехполюсного контактора, встроенных тепловых реле и вспомогательных контактов. Они специально созданы  для управления асинхронными электродвигателями трех­фазного тока мощностью до 75 кВт.

Конструктивная и электрическая схе­мы пускателя ПА показаны на  рисунке 11.2. Главные (линейные) контакты Л включаются в рассечку проводов, питающих двигатель. В проводах двух фаз включаются также нагреватель­ные элементы тепловых реле ТРП₁ и ТРП₂..

 Катушку электромагнита К подключается к сети через размыкающие контакты тепловых реле  и кнопки управления Стоп. При нажатии кнопки Пуск по­дается питание в катушку контактора К (5) через размыкающиеся контакты тепловых реле ТРП₁, ТРП₂ и кнопку Стоп. Якорь электромагнита 6 притя­гивается к сердечнику 4, вращаясь вокруг оси О_1. При этом неподвижные контакты 2 замыкаются подвижным контактным мостиком 8. Нажатие в контактах обеспечивается пружиной 9. Одновременно замыкаются вспо­могательные контакты БК, которые шунтируют кнопку Пуск. Это дает воз­можность отпустить пусковую кнопку. Для отключения пускателя нажима­ется кнопка Стоп.

 

 

 

 

а) - электрическая схема; б) - конструктивная схема.

Рисунок 11.2 - Магнитный пускатель серии ПА.

 

При перегрузке электродвигателя срабатывают оба или одно тепло­вое реле 11, цепь катушки размыкается контактами ТРП₁ и ТРП₂. При этом якорь 6 больше не удерживается сердечником,  и под действием собствен­ной массы и пружины 7 подвижная система переходит в отключенное по­ложение, размыкая контакты. Двукратный разрыв в каждой фазе и закрытая камера 10 обеспечивают гашение дуги без специальных устройств. Точно так же происходит отключение пускателя при нажатии кнопки Стоп. Амортизирующая пружина 3 предохраняет подвижную часть от рез­ких ударов при включении. Все детали пускателя крепятся на металличе­ском основании. Для защиты двигателя от КЗ в цепь включены предохранители П. Высокий коэффициент возврата электромагнитного механизма пере­менного тока позволяет осуществить защиту двигателя от понижения на­пряжения питания. Если напряжение сети понизится до напряжения,  равного 60 – 70 % U_H, то якорь  больше не сможет удерживаться сердечником и под действием собствен­ной массы и пружины 7 отключается. Если напряжение сети возрастает до своего номинального значения, то самопроизвольного включения пускателя не произойдет, так как при отключении блок-контакт БК разомкнётся и цепь катушки  К  разорвется. Магнитные пускатели могут быть нереверсивными или реверсивными. Рассмотренные выше конструкции контакторов и магнитных пускателей имеют достаточно слабое звено – контактную систему, которое  ограничивает число  коммутаций, как электрических циклов, так и механических. Для устранения указанного недостатка в настоящее время налажен выпуск вакуумных контакторов, внешний вид которых изображен на рисунке 11.3 и тиристорных пускателей, показанных  на рисунке 11.4.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 11.3- Общий вид вакуумных контакторов Саратовского предприятия « Контакт»

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 11.4 – Общий вид бесконтактного  контактора выпускаемого фирмой « Moeller»

 

По сравнению с   контактными   пускателями тиристорные пускатели обладает рядом преимуществ: отсутствие электрической дуги; большое допустимое число включений; улучшенная защита двигателей от токов перегрузки и КЗ; отсутствие необходимости в обслуживании при эксплуатации. Недостатками являются сложность схемы и высокая стоимость. Несмотря на указанные недостатки,  бесконтактные пускатели находят широкое применение во взрыво  – и пожароопасных производствах, а также в тех местах, где требуется высокая надежность.

 

12 Лекция № 12. Высоковольтные выключатели

Содержание лекции: назначение и основные параметры выключателей. Вакуумные выключатели. Элегазовые выключатели.

Цель лекции: изучение  принципа действия и конструкции современных  высоковольтных  вакуумных и  элегазовых   выключателей.

12.1 Назначение. Основные параметры

Выключатели вы­сокого напряжения предназначены для коммутации   цепей переменного тока высокого напряжения и отключения токов КЗ.

В соответствии с  существующими стандартами выключатели характеризуются следующими параметрами:

Номинальный ток отключения представляет собой  наибольшее действующее значение периодической составляющей  тока  КЗ в момент размыкания контактов выключателя, который   выключатель способен отключить. Характеризует отключающую способность выключателя и его дугогасительного устройства.

Номинальный ток включения – это максимальный  (ударный) ток КЗ,  который выключатель способен включить  без сваривания контактов и других повреждений, препятствующих нормальной работе.

Время отключения выключателя – это время от подачи команды на отключение  до момента погашения дуги.

Еще совсем недавно в электроэнергетике широко применялись различные типы выключателей, на подстанциях чаще всего встречались масляные выключатели.

В настоящее время  их вытесняют  вакуумные и  элегазовые выключатели.  Рассмотрим конструкции и принцип действия этих выключателей.

12.2 Вакуумные выключатели

12.2.1 Гашение дуги в вакуумной среде.

В вакуумном дугогасительном  устройстве (ДУ) контакты расходятся в среде, в которой элек­трический пробой между электродами затруднен из-за отсутствия носителей зарядов. Однако и в этом случае дуга между контактами возникает.

Процесс горения и гашения дуги в вакууме при перемен­ном токе происходит следующим образом.

 При размыкании контактов контактное нажатие непрерывно уменьшается, а переходное сопротивление контактов увеличивается и при нажатии, равном нулю, стремится к бесконечности. Даже при небольших токах в момент размыкания контактов из-за выделения большого количества тепла материал контак­тов плавится и образуется жидкий металлический мостик, который под действием высокой температуры нагревается и испаряется. При разрыве мостика загорается дуга, кото­рая горит в среде паров металлов электродов. Прак­тически через 10 мкс после  прохождения тока нуля между контактами восстанавливается электрическая прочность вакуума. Это вызвано очень быстрой диффузией зарядов из-за  большой разницы в плотностях частиц в дуге и окружающем ее вакууме. 

Боль­шим достоинством этого ДУ является высокая скорость восстановления электрической прочности промежутка. Ва­куумные  выключатели  считаются в настоящее время наиболее эффек­тивными и долговечными. Применяются на напряжение до 35 кв. Их срок службы без ревизии до­стигает 25 лет. Для нормальной  работы вакуумного выключателя имеет большое значение дегазация контактов, так как адсорбированные ими газы при разогреве выделяются и ухудшают вакуум. С целью удаления газовых включений из контактов их на­гревают в течение нескольких часов до красного  каления.

Для вакуумной дуги характерен обрыв (срез) тока при подходе к нулевому значению. Это объясняется тем, что  при уменьшении тока пада­ет   давление паров металла.  В результате  дуга становится неустойчивой и гаснет.

 Резкое  уменьшение  тока может  вызывать перена­пряжения, опасные для отключаемого оборудования. Ток среза зависит как от параметров отключаемой цепи, так и от свойств материала контактов. Вольфрам обладает ус­тойчивостью к свариванию, высокой температурой плавле­ния и износостойкостью. Однако при вольфрамовых кон­тактах значения тока среза и перенапряжений очень высо­ки, так как пары вольфрама создают низкое давление. Перенапряжения при медных контактах в 2,5 раза ниже, но они более подвержены свариванию и износу. Эти противо­речия устраняются  сегодня разработкой и применением специальной металлокерамики.

Среди известных производителей вакуумных выключателей  можно выделить следующие фирмы:

 1) в России -  «Таврида Электрик» и НПО « Контакт» (г. Саратов);

2) в Германии - концерн «Сименс»;

3) на Украине – Ровенский завод высоковольтной аппаратуры.

 

Рассмотрим устройство вакуумного выключателя, выпускаемого предприятием « Таврида Электрик»,  экземпляр которого имеется на кафедре ЭПП.

 12.3 Устройство и принцип действия вакуумного выключателя

Выключатель (см. рисунок 12.1)  состоит из трех полюсов,  установленных на металлическом основании, в котором размещены пофазные  электромаг­нитные приводы с магнитной защелкой, удерживающей выключатель неограниченно долго во включенном положении после прерывания тока в катушке электромагнита привода. Остальные узлы полюсов размещаются в изоляционном корпусе из прозрачного механически прочного и дугостойкого полимерного материала (лексана), который предохраняет их от возможных в эксплуатации механических повреждений и воздействий электрической дуги тока короткого замыкания. Все три полюса имеют одинаковую конструкцию.

12.3.1 Включение выключателя.

Командой на включение от блока управления подается постоянное напряжение на катушку электромаг­нита 11.

 

 

Рисунок 12.1 – Полюс вакуумного выключателя

 

Под действием электромагнитных сил якорь 12 начинает двигаться вверх и через пружину поджатия 10 заставляет двигаться тяговый изоля­тор 5 и подвижный контакт 3, сжимая при этом пружину отключения 9.

После замыкания контактов 1 и 3 якорь продолжает двигаться еще 2 мм до упора, сжимая пружину 10 и созда­вая необходимое поджатие между контактами  выключателя в вакуумной дугогасительной камере (ВДК).

Общий ход якоря составляет 8 мм, а ход подвижного контакта 6 мм.

После снятия напряжения якорь остается во включенном положении благодаря остаточной индукции в электромагните 13.

12.3.2 Отключение выключателя.

Командой на отключение от блока управления на катушку 11 подается напряжение противоположной поляр­ности, чем при включении. Магнит 13 при этом частично размагничивается, якорь 12 снимается с магнитной защелки и под действием пружин 9 и 10 перемещается совместно с подвиж­ными частями выключателя в отклю­ченное положение.

Ручное отключение осуществляется воздействием на кнопку ручного отключения, которая через толкатель 15, шарнирно связанный с валом 8, и через кулачок 7 с якорем 12, срывает якорь с магнитной защелки и отключа­ет выключатель. В электронном варианте  данной лекции  конструкцию  полюса вакуумного выключателя можно рассмотреть, используя  файл «Конструкция полюса  ВВ», а  анимационный видеоролик по работе выключателя, используя файл « Работа ВВ ТЕЛ».

12.4 Устройство и принцип действия элегазового выключателя

Электротехнический газ или элегаз получил широкое применение в высоковольтных выключателях  как среднего, так и высокого напряжения благодаря  свои достоинствам,  к которым относятся высокая электрическая прочность, пожаробезопасность, химическая инертность. Недостатком элегаза является пере­ход из газообразного состояния в жидкое  состояние при относительно высоких температурах. Это заставляет использовать его либо с подогревающим устройством, что усложняет конструкцию,   либо  при низком давлении, что снижает дугогасительные свойства. Дугогасящая способность элегаза наиболее эффективна при большой скорости его струи относительно горящей дуги.

 В современных  выключателях распространение  получили конструкции с автопневматическим дутьем. Необходимый для ду­тья перепад давления создается за счет энергии привода. Конструкция полюса элегазового выключателя с  автопневматическим при­нудительным дутьем показана  на рисунке 12.2.

 

 

Рисунок 12.2 – Полюс элегазового выключателя с автопневматическим дутьем

 

ДУ полюса выключателя  распола­гается в герметичном баке с давлением элегаза 0,2— 0,28 МПа. При этом удается получить необходимую элек­трическую прочность внутренней изоляции. При отключе­нии дуга возникает между неподвижным 1 и подвижным 2 контактами. Вместе с подвижным контактом 2 при отключении перемещается сопло 3 из фторопласта, перегородка 5 и цилиндр 6. Так как поршень 4 при этом неподвижен, элегаз сжимается и его поток, проходя через сопло, про­дольно омывает дугу и обеспечивает ее эффективное гаше­ние.

 

13 Лекция № 13. Высоковольтные предохранители и выключатели нагрузки

Содержание лекции: назначение и устройство  высоковольтных предохранителей и выключателей нагрузки

Цель лекции: изучение  принципа действия и конструкции современных  высоковольтных  предохранителей и выключателей нагрузки

13.1 Назначение и устройство предохранителей

Высоковольтные предохранители    применяют для защиты электрических цепей и трансформаторов напряжения от КЗ. В отличие от низковольтных предохранителей в связи с высоким значением восстанавливающего напряжения процесс гашения дуги усложняется, что находит свое отражение в размерах и конструкции высоковольтных  предохранителей. Наибольшее распространение получили предохранители с мелкозернистым наполнителем серии ПК, ПКТ и стреляющего типа ПСН и ПВТ. Плавкие предохранители серии ПК с мелкозернистым наполни­телем (см. рисунок 13.1) выполняются на напряжение 6,10,35 кВ. Кварцевые предохраните­ли являются токоограничивающими. Полное время отключения при токах короткого замыкания составляет 0,005-0,007с.

 

а) с плавкими вставками на каркасе;

б) со спиральными вставками.

Рисунок 13.1 - Предохранитель типа ПК

      

 

Патрон предохранителя выполнен из фарфоровой трубки 3, армиро­ванной латунными колпачками 2. Внутри патрона находятся медные или серебряные плавкие вставки 5. Для обеспечения нормальных условий га­шения дуги плавкие вставки должны иметь значительную длину и неболь­шое сечение. Этого можно добиться путем применения нескольких парал­лельных вставок, намотанных на ребристый керамический каркас (см. рисунок 13.1а), или при больших токах (больше 7,5 А), нескольких спиральных вста­вок (см. рисунок 13.16). После заполнения трубки кварцевым песком 4, торце­вые отверстия закрываются крышками 1 и тщательно запаиваются. Для нормальной работы предохранителей особое значение приобретает герметизация. Нарушение герметичности, увлажнение песка могут при­вести к потере способности гасить дугу. Поэтому при установке предохра­нителей следует обращать внимание на герметичность. Места пайки и це­ментирующей замазки, крепящей колпачки, должны быть хорошо окраше­ны специальной эмалью. Перезарядка предохранителя в ус­ловиях эксплуатации практически исключена. Для уменьшения температу­ры плавления плавкой вставки использован металлургический эффект (оловянные шарики 6).  Срабатывание предохранителя определяется  по указателю 7, который выбрасыва­ется пружиной из трубки после перегорания стальной вставки (централь­ной), нормально удерживающей пружину в подтянутом состоянии. Сталь­ная вставка перегорает в последнюю очередь после рабочих вставок, когда по ней проходит весь ток. Для защиты трансформаторов напряжения применяются предохра­нители серии ПКТ, имеющие в отличие от предохранителей серии ПК константановую вставку, намотанную на керамический каркас. Токоограничивающий эффект таких предохранителей особо велик. Если мощность от­ключения у предохранителей ПК при напряжении 10 кВ составляет 200 MBА, то у ПКТ - 1000 MBА. Предохранители серии ПК и ПКТ работают бесшумно, без выброса пламени и газов. Предохранители ПВТ применяются в комплектных трансформаторных подстанциях. Они защищают силовые трансформаторы от токов КЗ, но не защищают от других видов повреждений.

13.2 Выключатель нагрузки

Стоимость современного распределительного устройства с выключа­телями довольно высокая (дорого стоит сам выключатель с приводом, для управления выключателем нужны трансформаторы тока, релейная защита). При небольших длительных токах установки выключатель можно заменить двумя простыми аппаратами - выключателем нагрузки и предо­хранителем. Для отключения номинальных токов нагрузки используется выклю­чатель, имеющий дугогасительное устройство небольшой мощности (вы­ключатель нагрузки), а короткое замыкание отключается высоковольтным предохранителем. В выключателях нагрузки для гашения дуги применяют­ся камеры с автогазовым дутьем, с пневматическим дутьем, камеры с элегазовым  дутьем и вакуумными элементами. В камерах с автогазовым дутьем гашением дуги осуществляются га­зами, которые выделяются под действием высокой температуры дуги стенками камеры из газогенерирующего материала (органического стекла, винипласта и др.). Пневматический выключатель нагрузки представляет собой миниа­тюрный воздушный выключатель, у которого сжатый воздух, необходи­мый для гашения, создается за счет энергии отключающей пружины. Общий вид автогазового выключателя нагрузки типа ВН-16 пред­ставлен на рисунке 13.2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а)- общий вид б)- дугогасительная камера.

Рисунок 13.2 - Выключатель нагрузки

 

Выключатель имеет номинальное напряжение 10 кВ и отключаемый ток 200А. Все три полюса размещаются на одной сварной раме. На ниж­нем опорном изоляторе полюса расположены вывод полюса и шарнир подвижного контакта 1. На верхнем изоляторе укреплены неподвижный главный контакт 2, дугогасительная камера 5 и второй вывод полюса. Под­вижный контакт 1 выполнен сдвоенным. В середине укреплен дугогасительный контакт 4 в виде изогнутой тонкой медной шины. По бокам идут две стальные пластины, образующие главный подвижный контакт. Подвижные контакты приводятся в движение валом выключателя 3, который соединен с контактами фарфоровой тягой. Отключение выключа­теля происходит под действием пружин 6, которые заводятся при включе­нии аппарата. Дугогасительная камера аппарата изображена на рисунке 1б. Не­подвижный дугогасительный контакт точечного типа 7 соединен с глав­ным неподвижным контактом 2. Корпус 5 выполнен из пластмассы и со­стоит из двух половин, стянутых стальными винтами. Внутри корпуса раз­мещены два вкладыша 8 из газогенерирующего материала - органического стекла. Для управления выключателем применяют ручной рычажный при­вод, имеющий встроенный электромагнит, который обеспечивает дистан­ционное отключение аппарата. Если необходимо иметь дистанционное включение, то может быть использован электромагнитный привод. Во включенном положении выключателя ток проходит через контур главных и дугогасительных контактов. Во время отключения сначала без дуги размыкаются основные контакты, и весь ток перебрасывается в дугогасительный контур. После расхо­ждения дугогасительных контактов между вкладышами загорается дуга. Малая толщина контакта, а следовательно, узкая щель, в которой он пере­мещается, обеспечивает хороший контакт дуги со стенками вкладышей. Благодаря высокой температуре дуги вкладыши интенсивно выделяют газ, который стремится выйти из камеры через зазор между подвижным кон­тактом и вкладышами. При этом возникает продольный обдув дуги, в ре­зультате чего она гаснет. Зона выброса газов из камеры 200-500 мм. Кон­такт 4 выходит из камеры тогда, когда дуга погаснет. В отключенном положении дугогасительный контакт отходит от ка­меры на расстояние, достаточное, чтобы выдержать испытательное напря­жение, положенное для разъединителя на этот класс напряжения. Последовательно с выключателем нагрузки включают мощные пре­дохранители типа ПК, который защищают установку от коротких замыка­ний. Выключатель может снабжаться дополнительным устройством, ко­торое автоматически отключает его после срабатывания предохранителей. Это устройство приводится в действие указателем срабатывания предо­хранителя. Наличие большого видимого разрыва в выключателе нагруз­ки дает возможность отказаться от специального разъединителя. Без замены вкладышей выключатель нагрузки может отключить но­минальный ток 200А при напряжении 10 кВ 75 раз.

 

Список литературы 

1.       Чунихин А.А.  Электрические аппараты. – М.: Энергия, 1988.

2.        Родштейн  Л.А. Электрические аппараты низкого напряжения. - М.: Энергия, 1964.

3.       Чунихин А.А., Жаворонков М.А. Аппараты высокого напряжения. М.:Энергоатомиздат,1985.-432 с.

4.       Таев И.С. Электрические аппараты. Общая теория.- М.: Энергия, 1977.

5.       Кузнецов Р.С. Аппараты распределения электрической энергии на напряжение до 1000 В.-М.: Энергия, 1970.- 544 с.

Вспомогательные учебные материалы и пособия

1.     Электрические явления в газах. Учебный фильм для вузов.

2.     Высоковольтные выключатели фирмы « Сименс». Учебный видеоролик.

3.     Вакуумные выключатели фирмы Таврида Электрик. Учебный видеоролик.

4.     Фадеев В.Б.Электронное справочное пособие по выбору низковольтных защитных аппаратов и кабелей. - Алматы.: АУЭС, 2005.

5.     Фадеев В.Б. Электронное справочное пособие по выбору высоковольтных выключателей. - Алматы.: АУЭС, 2006.