Электрические аппараты

1. Общие сведения об электрических аппаратах

Электрический аппарат – это электротехническое устройство, которое служит для включения и отключения электрических цепей, с целью управления электровозом и регулирования параметров работы его электрического оборудования, а также для защиты этого оборудования при аварийных режимах.

1.1.1. Классификация электрических аппаратов

По принципу действия электрические аппараты можно условно разделить на две основные группы: контактные и бесконтактные.

Контактные аппараты – выполняют свои функции с помощью механического разрыва электрической цепи своими подвижными контактами (контакторы, реле, переключатели, разъединители, тумблеры, кнопки др.).

Бесконтактные аппараты – выполняют свои функции без механического разъединения электрических цепей, т.е. не имеют подвижных контактов (резисторы, дроссели, датчики и др.).

Все контактные аппараты условно состоят из двух основных частей: привода и контактной системы. Эти аппараты можно классифицировать по следующим признакам: по типу привода, форме контактов в точке касания, способу гашения дуги и по назначению в схеме электровоза.

1. Классификация электрических аппаратов электровоза по типу привода. В зависимости от вынуждающей силы, которая заставляет контакты взаимодействовать друг с другом, электрические аппараты разделяют (Таблица ) на : аппараты с ручным приводом, аппараты с электромагнитным приводом, аппараты с моторным приводом и аппараты с тепловым приводом.

Ручной привод	Электромагнитный привод	Пневматический привод	Моторный привод	Тепловой привод
Разъединители и переключатели Контроллер машиниста Выключатели Тумблеры Кнопки	Электромагнитные контакторы Электромагнитные реле Электромагнитные вентили	Токоприемник Главный выключатель Пневматические контакторы Реверсоры и тормозные переключатели Блокировочные переключатели Переключатели потока воздуха Пневматические выключатели управления	Главный (групповой) переключатель	Тепловые реле тока

2. Классификация электрических аппаратов электровоза по форме контактов в точке касания. В зависимости от формы поверхности, по которой осуществляется контакт подвижного контакта с неподвижным (по форме контактного пятна), аппараты классифицируются на: аппараты с точечными контактами, аппараты с линейными контактами и аппараты с поверхностными контактами.

Контактное пятно в виде точки образуется, если контактирующим поверхностям придать форму сфер или сферы и поверхности. Точечные контакты применяют в цепях управления при токах до 8 А (у медных контактов) и до 120 А (у контактов из серебряных сплавов).

Контактное пятно в виде линии образуется, если контактирующие поверхности имеют цилиндрическую форму и соприкасаются по образующим или по цилиндрической образующей и плоскостью. Площадь соприкосновения зависит от величины деформации контактов и ширины контактов. Линейные контакты используют в силовых цепях при токах до 2000 А.

Поверхностные контакты соприкасаются не всей поверхностью, а отдельными контактными пятнами, количество, площадь и расположение которых случайны и зависят от состояния контактных плоскостей и от взаимного давления контактных поверхностей друг на друга. Например, у дугогасительных контактов ГВ касание контактов происходит по шаровой поверхности, а у разъединителей – по плоскости.

При любой форме контактов их контактная поверхность должна быть не менее 80% о от возможной, что проверяется по отпечатку, который оставляют контакты на копировальной бумаге.

3. Качественная работа контактных соединений зависит от степени их нагревания в процессе длительной работы. Чрезмерное нагревание контактов приводит к их окислению, а окисные пленки большинства металлов (кроме серебра) не проводят электрический ток, что приводит к повышению переходного сопротивления в месте контакта. В соответствии с ГОСТ 9219-88 установлены следующие превышения температуры контактных соединений для температуры окружающего воздуха не выше +40⁰С и при условии, что они не вызывают нагрева соседних частей выше допустимых для них температур:

♦ коммутирующие контакты из меди, сплавов меди и металлокерамики, а также скользящие контакты с накладками из серебра или металлокерамики – 75⁰С;

♦ коммутирующие контакты реле при малых нажатиях (до 5 Н) с накладками из серебра или металлокерамики на основе серебра – 65⁰С;

♦ разборные и неразборные контактные соединения внутри аппарата, контактные соединения выводов из аппарата к внешним проводам – 65⁰С;

♦ разборные и неразборные контактные соединения внутри аппарата, контактные соединения выводов из аппарата к внешним проводам с покрытием контактной поверхности серебром – 80⁰С;

♦ контакты и другие детали, работающие как пружины: медные – 35⁰С, медные контакты разъединителей – 50⁰С, из бериллиевой бронзы – 110⁰С, из углеродистой конструкционной стали – 45⁰С.

4. Классификация электрических аппаратов по способу гашения электрической дуги на контактах. В электрических аппаратах электровоза реализованы следующие способы гашения электрической дуги:

♥ принудительное удлинение дуги путем разъединения контактов, использования защитных рогов на контактах, путем воздействия магнитного поля;

♥ охлаждение межконтактного пространства потоком воздуха;

♥ дробление дуги на ряд отдельных коротких дуг деионной решеткой, встроенной в дугогасительную камеру.

Большинство аппаратов имеют комбинированное дугогашение, т.е. в их конструкции реализовано сразу несколько способов гашения электрической дуги. Например, в контакторе главного контроллера (ЭКГ-8) гашение дуги осуществляется за счет ее удлинения магнитным полем катушки, а также используется дробление дуги в дугогасительной камере и охлаждение межконтактного пространства потоком воздуха.

5. Классификация электрических аппаратов по назначению в схеме электровоза (таблица ). В зависимости от электрической цепи, в которую включаются главные контакты аппаратов в схеме, и выполняемых ими функций, аппараты электровоза классифицируют на следующие группы:

• Аппараты высоковольтных цепей ( в цветной схеме цвет красный) – главные контакты включены в цепь первичной обмотки тягового трансформатора, поэтому эти аппараты рассчитаны для работы под напряжением 25 кВ при длительных токах не более 400 А;

• Аппараты силовых цепей ( в цветной схеме цвета красный – тяговый режим, синий – режим реостатного торможения) – главные контакты включены в цепи питания ТЭД, они работают под напряжением не более 1200 В, но при токах свыше 1000 А;

• Аппараты вспомогательных цепей ( в цветной схеме цвет синий и черный) – главные контакты включены в цепи питания вспомогательного оборудования электровоза от обмотки собственных нужд тягового трансформатора, они работают под напряжением не более 500 В, и при длительных токах не более 1000 А;

• Аппараты цепей управления ( в цветной схеме цвет как для силового оборудования соответствующей группы) – выполняют функции управления и работают под напряжением 50 В при токах менее 50 А;

• Аппараты защиты ( в цветной схеме цвет зеленый) – выполняют функции защиты при возникновении аварийных режимов в различных цепях электрической схемы.

Аппараты высоковольтных цепей	Аппараты силовых цепей	Аппараты вспомогательных цепей	Аппараты цепей управления	Аппараты защиты
Токоприемник Крышевые разъединители	Главный контроллер Пневматические контакторы Реверсоры и тормозные переключатели Разъединители	Электромагнитные контакторы Разъединители и переключатели	Контроллер машиниста Промежуточные реле Реле времени Блокировочные переключатели Переключатели потока воздуха Тумблеры, выключатели, кнопки Электромагнитные вентили Пневматические выключатели управления	Главный выключатель Разрядники Реле: земли, контроля земли, перегрузки, тепловые, боксования, защиты от юза, дифференциальные Автоматические выключатели Предохранители

1.1.2. Требования к электрическим аппаратам.

Отличительными особенностями условий работы на электровозах электрооборудования являются изменение в широких пределах температуры, вибрация, тряска и удары, связанные с движением электровоза, а также загрязненность воздуха. В этих условиях к электрооборудованию предъявляются высокие требования по надежности, что обусловлено стремлением исключить тяжелые последствия отказа электровоза, приводящего к остановке на перегоне.

1. Контакты. В качестве основного материала для изготовления контактов используют медь и ее сплавы. Например, для коммутационных контактов контакторов, обеспечивающих размыкание цепей под током, используют твердотянутую профильную медь марки М1, а для дугогасительных контактов контакторов используют сплав медь-вольфрам МВ-70 или композит КМК-Б21 (медь 27%, никель 3,5%, и вольфрам 69,5%).

Электротехническая медь, как и ее оксиды, имеет пониженное контактное сопротивление и относительно низкую стоимость, что позволяет широко использовать ее для изготовления контактов аппаратов, однако контакты на ее основе в эксплуатации быстро изнашиваются, поэтому для устранения этого недостатка в последнее время получили широкое распространение контакты на металлокерамической основе, выполненные путем прессования смеси порошков различных металлов. Например, для обеспечения хорошего длительного контакта в силовых цепях используется композиция серебро-окись кадмия СОК-15 (серебро 85%, окись кадмия 15%). Контакты, изготовленные по такой технологии, приобретают новые выгодные свойства, которые значительно повышают их долговечность в эксплуатации при сохранении остальных положительных качеств. Металлокерамические пластины приваривают к контактным поверхностям.

2. Нормы колебаний напряжения на токоприемнике магистральных электровозов переменного тока допускают отклонения напряжения в пределах от +16% до -25%. Поэтому все электрические аппараты электровоза должны сохранять работоспособность при понижении напряжения на их катушках в цепях управления до 37,5 В, что составляет 75% от номинального значения напряжения цепей управления 50 В. У электромагнитных контакторов и реле напряжение срабатывания регулируют изменением зазора между якорем и сердечником, а также за счет изменения силы отключающей пружины якоря.

Электрические аппараты с пневматическим приводом должны обеспечивать нормальную работоспособность в пределах давлений воздуха от 3,5 до 6,75 кгс/см² при номинальном давлении воздуха 5 кгс/см².

3. Все электрические аппараты электровоза после включения при напряжении свыше 37,5 В отключаются при уменьшении напряжения на их катушках до 20-25 В. Это объясняется тем, что после включения якоря аппарата зазор между якорем и сердечником уменьшается до нуля и за счет этого магнитный поток включающей катушки увеличивается в два раза. Таким образом, все применяемые на электровозе аппараты малочувствительны на отключение. Поэтому для повышения чувствительности отдельных аппаратов на отключение в цепь их катушек сразу после включения автоматически вводится токоограничивающее сопротивление. Такой способ повышения чувствительности на отключение аппарата используют для дифференциальных реле 21, 22 в блоке БРД и для контактора К на распределительном щите РЩ-34.

4. Под якорями электромагнитных контакторов и реле укреплена диамагнитная прокладка в виде пластинки из диамагнитного (не магнитного) материала меди или алюминия. Она служит для исключения залипания якоря аппарата к сердечнику, которое происходит за счет остаточного магнитного потока после снятия питания с катушки аппарата.

5. Магнитное дугогашение реализовано в конструкции почти всех контакторов с дугогашением (кроме электромагнитных контакторов мостикового типа). При включенном состоянии контактора через дугогасительную катушку действует ток. При этом дугогасительная катушка создает свой магнитный поток, который замыкается по сердечнику внутри дугогасительной катушки, по стальной пластинке сбоку дугогасительной камеры (или шихтованному магнитопроводу в контакторах ЭКГ), по воздуху внутри дугогасительной камеры, по другой стальной пластинке сбоку дугогасительной камеры и затем к сердечнику дугогасительной катушки. Направление магнитного потока катушки определяется по правилу обхвата правой руки.

При отключении с током и с дугой на силовых контактах этот магнитный поток дугогасительной катушки пересекает дугу и выталкивает ее как проводник с током во внутрь дугогасительной камеры. Направление выталкивания определяется правилом левой руки. При этом дуга перебрасывается на дугогасительные рога (если они есть), которые являются продолжением неподвижного и подвижного силовых контактов. Электрическая дуга значительно растягивается и гаснет внутри дугогасительной камеры.

Если изменить направление тока по силовым контактам, то при отключении с током электрическая дуга будет выталкиваться в ту же сторону внутрь дугогасительной камеры, так как одновременно изменяется направление тока в дуге и в дугогасительной катушке. Поэтому магнитное дугогашение можно применять и в цепях переменного тока.