99

ЗМІСТ

Вступ 4

1 Питання теорії електричних апаратів 11

1.1 Електродинамічні зусилля в електричних апаратах 11

1.2 Нагрівання електричних апаратів. Основи теплового розрахунку 19

1.3 Контакти електричних апаратів 28

1.4 Основи теорії горіння електричної дуги 33

1.5 Спосіб гасіння електродуги 40

2 Будова електричних апаратів напругою до 1000 В 44

2.1 Будова та принцип дії неавтоматичних апаратів керування 44

2.2 Будова та принцип дії апаратів для комутації кіл керування 52

3 Апарати захисту 59

3.1 Запобіжники. Будова і принцип дії запобіжників 59

3.2 Автоматичні вимикачі. Будова та принцип дії автоматичних вимикачів 64

3.3 Реле теплові 74

3.4 Реле електромагнітні та інші 76

3.5 Реле геконові 81

4 Силові електромагнітні комутаційні апарати 87

4.1 Контактори 87

4.2 Магнітні пускачі 90

Література для самостійного вивчення курсу 96

ВСТУП

Електричний апарат – електромеханічний пристрій, що використовується для вмикання та вимикання електричного кола, контролю, виміру, захисту, керування та регулювання установок, призначених для передачі, перетворення, розподілу та споживання електричної енергії.

Класифікація електричних апаратів

Електричні апарати класифікують за рядом ознак:

• за призначенням (основними функціями);

• за областю застосування;

• за принципом дії;

• за родом струму;

• за виконанням захисту від навколишнього середовища;

• за конструктивними особливостями та ін.

Основною є класифікація за призначенням, що поділяє електричні апарати на групи:

1. Комутаційні апарати розподільчих пристроїв, що призначені для вимикання та вмикання електричного кола. До них відносять: рубильники, пакетні вимикачі, вимикачі навантаження, вимикачі високої напруги, розчеплювачі, відокремлювачі, короткозамикачі, автоматичні вимикачі, запобіжники. Для них характерне відносно не часте комутування (наприклад, комутування високої напруги в колах електропечей).

2. Обмежуючі апарати, що призначені для обмеження струмів короткого замикання (реактори) та перенапруги (розрядники).

3. Пускорегулюючі апарати, що призначені для пуску, регулювання частоти обертання, напруги та струму електричних машин або будь-яких інших споживачів електричної енергії. До них відносять командоконтролери, контактори, пускачі, резистори, реостати. Для цих апаратів характерні часті комутації (інколи їх кількість досягає до 3600 на годину і більше).

4. Апарати для контролю заданих електричних і неелектричних параметрів. До них відносять реле та датчики. Для реле характерна плавна зміна вхідної величини та стрибкоподібна зміна вихідного сигналу. В датчиках вихідна величина може змінюватися як плавно, так і стрибкоподібно (реле-датчики).

5. Апарати для вимірювання. До них відносять трансформатор струму, трансформатор напруги, ємнісні подільники напруги.

6. Електричні регулятори. Призначені для регулювання заданими параметрами за певним законом. Вони підтримують на заданому рівні напругу, струм, температуру, частоту і т.п.

За принципом дії електричні апарати поділяються на контактні та безконтактні. Контактні можуть бути автоматичними (діють від заданого режиму роботи кола або машини) і неавтоматичними (дія залежить від волі оператора).

За захистом від навколишнього середовища. Позначають літерами IP та двома цифрами: перша позначає захист від дотику персоналу до струмоведучих частин, а також від попадання всередину інших сторонніх тіл, а друга – від попадання в середину рідини.

Значення першої цифри:

0 – відкрите виконання (захист відсутній);

1 – захист від випадкового дотику великої ділянки поверхні людиною тіла і від попадання всередину твердих тіл діаметром більше 52,5 мм;

2 – захист від випадкового дотику невеликої ділянки поверхні людиною тіла і від попадання всередину твердих тіл діаметром більше 12,5 мм;

3 – захист від попадання інструменту, дроту та інших предметів товщиною більше 2,5 мм і твердих тіл діаметром не менше 2,5 мм;

4 – захист від попадання інструменту, дроту та інших предметів товщиною більше 1 мм і твердих тіл діаметром не менше 1 мм;

5 – повний захист персоналу від випадкового дотику та відкладень пилу;

6 – повний захист персоналу від випадкового дотику і повний захист від пилу.

Значення другої цифри:

0 – захист від проникнення води відсутній;

1 – захист від крапель сконденсованої води, що падають вертикально;

2 – захист від крапель, що падають на електричний апарат під кутом 15 до вертикалі;

3 – захист від дощу (дощ падає на електричний апарат під кутом не більше 60 до вертикалі);

4 – захист від бризок будь-якого напрямку;

5 – захист від струменів води;

6 – захист від виливів, характерних для палуби корабля;

7 – захист при зануренні у воду на обмежений час та обмежену глибину;

8 – захист при зануренні у воду на обмежену глибину на необмежений час.

За кліматичним виконанням (позначення буває літерне і цифрове)

Виконання	Позначення
	Літерне		Цифрове
	укр.	лат.
З помірним кліматом	У	N	0
З помірним і холодним кліматом	УХЛ	NF	1
З вологим тропічним кліматом	ТВ	TH	2
З сухим тропічним кліматом	ТС	TA	3
З тропічним кліматом	Т	T	4
Загальнокліматичне	О	U	5

Категорії розміщення для експлуатації:

1. На відкритому повітрі.

2. Під навісом.

3. В закритому приміщенні з природним але без штучного регулювання мікроклімату.

4. У приміщенні з штучним регулюванням мікроклімату.

5. У приміщенні з агресивним середовищем та підвищеною вологістю.

Вимоги до електричних апаратів

1. При номінальному режимі роботи температура струмоведучих елементів апаратів не повинна перевищувати рекомендованих ДСТУ.

2. Апарати, що призначені для частих комутацій, повинні мати високу стійкість контактів до зносу.

3. Контакти, що призначені для опрацювання при великих струмах короткого замикання, повинні бути розраховані на цей режим.

4. Ізоляція електричних апаратів повинна витримувати перенапругу, що виникає в процесі експлуатації, а також враховувати процес власного старіння.

5. Специфічні вимоги, що обумовлюють призначення апарата (час спрацювання, струмові похибки).

6. Високу надійність.

7. Малі розміри, вартість, час відновлення.

Матеріали, що застосовують в апаратобудуванні

1. Провідникові (мідь, алюміній).

2. Магнітні (електротехнічна сталь)

3. Ізоляційні матеріали.

4. Дугостійкі ізоляційні матеріали (азбест, кераміка, пластмаси для дугогасійних камер).

5. Сплави високого опору.

6. Контактні матеріали (срібло, мідь, металокараміка).

7. Біметали.

8. Конструкційні матеріали.

1 Питання теорії електричних апаратів

1. Електродинамічне зусилля в електричних апаратах

При нормальних умовах експлуатації електродинамічні зусилля в електричних апаратах малі і не викликають деформацій деталей. При анормальних режимах (коротке замикання) в мережі через струмоведучі частини електричних апаратів можуть проходити струми, що в сотні разів перевищують номінальні. При взаємодії цих струмів з магнітним полем інших струмоведучих частин апарату, виникають електродинамічні зусилля (ЕДЗ), що намагаються деформувати як провідники струмоведучих частин, так і ізолятори, на яких вони кріпляться. Виникає задача розрахунку апарата на електродинамічну стійкість, тобто визначення умов, при яких він витримує струми короткого замикання. Розрахунок ЕДЗ ведеться на основі закону Біо-Савара або за зміною запасу магнітної енергії системи.

Р озрахунок ЕДЗ на основі закону Біо-Савара – застосовується при умові, що індукцію в будь-якій точці провідника можна знайти аналітично. Нехай є два проводи з струмами і₁ та i₂. Згідно закону Біо-Савара напруженість магнітного поля, що створює елемент dy в місці розташування елемента dx

(1.1)

Весь провід (1) в місці розташування елемента dx дає напруженість

Рисунок 1.1 – Визначення ЕДЗ між двома провідниками

(1.2)

Елементарне зусилля, що діє на елемент dx

, (1.3)

де - кут між вектором магнітної індукції та вектором струму.

Якщо провідники розташувати в одній площині, то =90 (а sin =1). Тоді

(1.4)

(1.5)

Повне зусилля взаємодії між провідниками 1 та 2 складає

(1.6)

Якщо вважати, що струми і₁ та і₂ незмінні на всій довжині провідників, маємо

, (1.7)

або

(1.7')

де с – коефіцієнт контуру, що залежить від геометричного розташування провідників.

Розрахунок ЕДЗ за зміною запасу електромагнітної енергії контуру застосовується при відомій аналітичній залежності індуктивності або взаємоіндуктивності від геометричних розмірів контурів.

Електромагнітна енергія контуру з струмом і

(1.8)

Для двох контурів з струмами і₁ та і₂

, (1.9)

де L₁, L₂ – індуктивність контурів;

M – взаємоіндукція контурів.

Будь-яка деформація контурів призводить до зміни запасу електромагнітної енергії в системі

(1.10)

ЕДЗ в контурі або між контурами, що діє в напрямку х, дорівнює швидкості зміни запасу енергії системи при деформації

; (1.11)

Між двома контурами

. (1.12)

1. Електродинамічні зусилля між паралельними провідниками (круглого перетину)

З усилля, що виникає між паралельними провідниками, складе:

, (1.13)

д

Рисунок 1.2 – Визначення зусилля між паралельними провідниками

е

Тоді

(1.14)

Якщо вважати, що провідник 2 має довжину від -  до + , то  буде змінюватись від  до 0.

(1.15)

(1.16)

В тому випадку, коли провідник 1 має кінцеву довжину l, то

(1.17)

„-” – вказує, що напрямок струмів співпадає).

Коли в апаратах застосовують провідники прямолінійного перетину (шини), то вираз для сили прийме вигляд:

(1.18)

де - визначають за довідниковими кривими.

a,b,h – відповідно відстань між центрами витків, ширина та товщина витка шини.

1. Електродинамічні зусилля в кільцевому витку та між кільцевими витками

В кільцевому витку з струмом і виникають сили, що прагнуть збільшити його периметр (тобто розірвати). Індуктивність витка визначається за формулою:

(при R_вит>>r_пров.) (1.19)

Тоді сила, що діє на все коло радіусом R:

(1.20)

На одиницю довжини кола діє сила

, (1.21)

а сила, що прагне розірвати виток

(1.22)

Між витками (якщо вважати, що струми мають однаковий напрямок) виникає сила притягування F:

Рисунок 1.3 – ЕДЗ, що діє в кільцевих витках:

F_y – сила, що притягує витки;

F_x – стягує або розтягує виток.

Тоді (1.23)

(1.24)

де c=R₂-R₁ (R₂>R₁).

1.1.3 Електродинамічні зусилля при змінному струмі

Наведені вище рівняння(1.23, 1.24) справедливі і для змінного струму, але в цьому випадку сила буде мати змінне значення. Тоді сила f=ci² при змінному струмі i=I_msinωt буде становити:

(1.25)

Тобто сила змінюється з частотою, вдвічі більшою, ніж частота струму, а її значення змінюється від 0 до (при ω ±1).

На відміну від постійного струму, де максимальне значення струму короткого замикання дорівнює встановленому значенню І_вст., при змінному струмі, в залежності від моменту короткого замикання, перша амплітуда і_мах може суттєво перевищувати амплітудне значення усталеного значення струму короткого замикання:

i_max=(11,8)I_m (1.26)

Тоді зусилля буде:

(1.27)

Тобто при встановленому значенні струму короткого замикання при змінному струмі ЕДЗ майже в 6,5 разів більше, ніж при постійному струмі. У трифазній системі струми будуть зсунуті між собою на 120.

(1.28)

Рисунок 1.4 – ЕДЗ при трифазному струмі

Повна сила, що діє на провід 1

(1.29)

так як проводи розташовані на рівній відстані один від іншого, то

. (1.30)

Тоді в нормальному стані:

(1.31)

При короткому замиканні максимальне значення:

(1.32)

(1.33)

В трифазній системі може бути одно-, дво- та трифазне коротке замикання. Розрахунок ведуть за найбільшим значенням ЕДЗ.

Контрольні питання:

1. На що впливають електродинамічні зусилля в електроапаратах?

2. При якій умові проводиться розрахунок електродинамічних зусиль в електроапаратах на основі закону Біо-Савара?

3. При якій умові проводиться розрахунок електродинамічних зусиль в електроапаратах за зміною запасу електромагнітної енергії контуру?

4. Від яких фізичних величин залежить повне зусилля взаємодії між провідниками в електроапаратах?

5. Від яких фізичних величин залежать електродинамічні зусилля між двома контурами?

6. Від яких фізичних величин залежить електромагнітна енергія двох контурів?

7. Яке співвідношення між електродинамічними зусиллями при змінному та постійному струмами?

8. Від яких фізичних величин залежать електродинамічні зусилля в електроапаратах при змінному струмі?

9. Якій величині дорівнює максимальне значення електродинамічних зусиль при змінному струмі?