
книги / Электрические аппараты
..pdfА . А . Ч у н и х и н
Э Л Е К Т Р И Ч Е С К И Е
А П П А Р А Т Ы
О Б Щ И Й К У Р С
3-е издание, переработанное и дополненное
Допущено Государственным комитетом СССР по народному образованию в качестве учебника для студентов электротехнических и электроэнергетических специальностей вузов
М о с к в а
Э н е р г о а т о м и з д а т
ББК 31.264 4-91
УДК [621.316.37+621.316.9] (075.8)
Рец ен зен т кафедра электрических аппаратов Ленинградского политехнического института
Чунихин А. А.
4-91 Электрические аппараты: Общий курс. Учебник для вузов.— 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1988. — 720 с.: ил.
ISBN 5-283-00499-6
Рассматриваются основы теории электрических аппаратов, описаны устройство и принцип работы аппаратов распредели тельных устройств высокого и низкого напряжения и аппара тов автоматики, а также конструкции узлов аппаратов, режи мы их работы и эксплуатационные характеристики. Даны ре комендации по выбору электрических аппаратов. Второе изда ние вышло в Î975 г.
Для студентов электротехнических и энергетических вузов
и факультетов. |
|
2302030000-485 143-88 |
ББК 31.264 |
051{01)-88 |
|
ISBN 5-283-00499-6 |
© Энергоатомнздат, 1988 |
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящий учебник представляет, собой дополненное и переработанное издание книги, вышедшей в 1975 г. Он широко использовался для специальностей: электрические машины, электрооборудование самолетов и автомобилей, электротехнические материалы и кабели, автоматизиро ванный электропривод и др. В 1976 г. книга удостоена се ребряной медали ВДНХ СССР и получила одобрение ве дущих политехнических вузов страны.
Настоящее издание написано в соответствии с програм мами общего курса «Электрические аппараты» для выше указанных специальностей с учетом замечаний специалис тов Ленинградского, Томского, Киевского, Харьковского политехнических институтов, Ивановского энергетическо го института, а также Всесоюзного заочного политехниче ского института.
По сравнению с предыдущим в настоящее издание вне сены некоторые изменения. В I части переработана гл. 4, в которой рассмотрены способы гашения электрической ду ги и бездуговое отключение электрической цепи с помо щью полупроводниковых приборов. Во II и III частях опи саны современные электрические аппараты, выпускаемые промышленностью. Особое внимание уделено физическим процессам, происходящим в аппаратах, их устройству, ре гулировочным характеристикам и выбору. Заново написа ны гл. 11 и 12, посвященные герконам и полупроводнико вым электрическим аппаратам.
Рассмотрено также воздействие механических и кли матических факторов на электрические аппараты в усло виях эксплуатации.
Во всех главах более глубоко освещены вопросы эк сплуатации и выбора электрических аппаратов.
Автор считает своим долгом выразить благодарность
сотрудникам кафедры электрических аппаратов МЭИ за предложения по улучшению третьего издания книги и кол лективу кафедры электрических аппаратов Ленинградско го политехнического института им. М. И. Калинина и ее заведующему доктору техн. наук, проф. Г. Н. Александро ву за большой труд по рецензированию книги и ценные замечания, которые учтены при доработке рукописи.
Автор выражает глубокую благодарность редактору книги инж. И. Д. Беликову за проделанную им большую работу по редактированию и ряд ценных замечаний, спо собствующих улучшению содержания книги.
Все замечания и пожелания по книге автор просит при сылать по адресу: 113114, Москва, Шлюзовая наб., 10, Энергоатомиздат.
Автор
ВВЕДЕНИЕ
Электрический аппарат — это электротехническое уст ройство, которое используется для включения и отключе ния электрических цепей, контроля, измерения, защиты, управления и регулирования установок, предназначенных для передачи, преобразования, распределения и потребле ния электроэнергии.
Под электрическими аппаратами понимается широкий круг всевозможных устройств, применяемых в быту, про мышленности и энергетике.
В настоящей книге рассматриваются основы теории, конструкция и эксплуатационные характеристики аппара тов, которые применяются в электрических системах, схе мах электроснабжения промышленных предприятий и при автоматизации производственных процессов и электропри вода.
Классификация электрических аппаратов может быть проведена по ряду признаков: назначению (основной вы полняемой функции), области применения, принципу дей ствия, роду тока, исполнению защиты от воздействий окру жающей среды, конструктивным особенностям и др. Ос новной является классификация по назначению, которая предусматривает разделение электрических аппаратов на следующие большие группы.
1. Коммутационные аппараты распределительных устройств, слу жащие для включения и отключения электрических цепей. К этой груп пе относятся рубильники, пакетные выключатели, выключатели нагруз ки, выключатели высокого напряжения, разъединители, отделители, короткозамыкатели, автоматические выключатели, предохранители. Для аппаратов этой группы характерно относительно редкое их включение и отключение. Могут быть и случаи, когда такие аппараты довольно часто включаются и отключаются (например, выключатели высокого напряжения в цепях питания электрических печей).
2.Ограничивающие аппараты, предназначенные для ограничения токов короткого замыкания (реакторы) и перенапряжений (разрядни ки). Режимы короткого замыкания и перенапряжений являются аварий ными, и эти аппараты редко подвергаются наибольшим нагрузкам.
3.Пускорегулирующне аппараты, предназначенные для пуска, ре гулирования частоты вращения, напряжения и тока электрических ма шин или каких-либо других потребителей электрической энергии. К этой группе относятся контроллеры, командоконтроллеры, контакторы, пус
катели, резисторы и реостаты. Для аппаратов этой группы характерны частые включения и отключения, число которых достигает 3600 в час
иболее.
4.Аппараты для контроля заданных электрических или иеэлектрических параметров. К этой группе откосятся реле и датчики. Для реле характерно плавное изменение входной (контролируемой) величины, вызывающее скачкообразное изменение выходного сигнала. Выходной сигнал обычно воздействует на схему автоматики. В датчиках непрерыв ное изменение входной величины преобразуется в изменение какой-либо электрической величины, являющейся выходной. Это изменение выход ной величины может быть как плавным (измерительные датчики), так
искачкообразным (реле-датчики). С помощью датчиков могут контро лироваться как электрические, так и иеэлектрические величины.
5.Аппараты для измерений. С помощью этих аппаратов цепи пер вичной коммутации (главного тока) изолируются от цепей измеритель
ных и защитных приборов, я измеряемая величина приобретает стан дартное значение, удобное для измерений. К ним относятся трансфор маторы тока, напряжения, емкостные делители напряжения.
6. Электрические регуляторы. Предназначены для регулирования заданного параметра по определенному закону. В частности, такие ап параты служат для поддержания на неизменном уровне напряжения, тока, температуры, частоты вращения и других величин. В данном кур се электрические регуляторы не рассматриваются, так как принцип их действия и характеристики связаны с теорией автоматического ре гулирования, которая в настоящей книге не излагается.
Разделение аппаратов по областям применения более условно. Ап параты для электрических систем и электроснабжения объединяют в группу аппаратов распределительных устройств низкою и высокого напряжения. Аппараты, применяющиеся в схемах автоматического уп равления электроприводами и для автоматизации производственных про цессов, удобно объединить в группу аппаратов управления. Одни и те же аппараты могут быть отнесены как к группе аппаратов распредели тельных устройств, так и к группе аппаратов управления, например рубильники, пакетные выключатели, контакторы, трансформаторы тока, реле и др. Классификация электрических аппаратов по области приме нения принята в настоящей книге.
По номинальному напряжению электрические аппараты разделя ются на две группы: аппараты низкого напряжения (с номинальным напряжением до 1000 В) и высокого напряжения (с номинальным на пряжением более 1000 В).
Защитные оболочки электрических аппаратов. Для предотвращения соприкосновения обслуживающего персонала с токоведущими или под вижными частями и исключения попадания в аппараты инородных тел устанавливаются специальные защитные оболочки. Согласно ГОСТ 14254—80 защитные свойства оболочки обозначаются буквами IP и дву мя цифрами. Первая цифра обозначает степень защиты от прикоснове ния персонала к опасным деталям аппарата, вторая характеризует за щиту от попадания внутрь аппарата инородных предметов и жидкос тей. Ниже приводятся защитные свойства некоторых исполнений по ГОСТ 14254—80.
IP00. Открытое исполнение. Защита персонала от соприкосновения с токоведущимн или подвижными частями отсутствует. Инородные те ла могут попадать внутрь аппарата.
IP20. Защищенное исполнение. Оболочка таких аппаратов предо храняет от случайного прикосновения к токоведущим или подвижным частям или от проникновения внутрь аппарата посторонних предметов. Оболочка должна препятствовать соприкосновению с деталями аппа рата металлического щупа (диаметр 12, длина 80 мм), шарик диамет ром 12 мм не должен проникать внутрь аппарата.
IP22. В дополнение к свойствам исполнения IP20 оболочка защища ет от вредного воздействия капель жидкости, падающих на стенку обо лочки, наклоненную к вертикали под углом в пределах 15°.
IP23. В дополнение к свойствам исполнения IP20 оболочка защи щает от дождя, падающего под углом 60° к вертикали.
IP40. Оболочка защищает аппарат от попадания внутрь него мел ких предметов диаметром более 1 мм.
ÎP42. В дополнение к свойствам исполнения IP40 оболочка защи щает от воздействия капель жидкости (так же как IP22).
IP44. В дополнение к свойствам исполнения IP40 оболочка защи щает от воздействия брызг жидкости, падающих под любым углом.
IP50. Оболочка аппарата защищает от вредного воздействия пыли (допускается попадание внутрь небольшого количества пыли, не нару шающего нормальной работы аппарата).
1Р60. Пылезащищенное исполнение. Оболочка полностью препятст вует попаданию пыли.
IP65. Пылеводозащищенное исполнение. В дополнение к свойствам исполнения IP60 оболочка защищает от воздействия струи воды, на правленной под любым углом к ее поверхности.
IP66. Пылеводонепроницаемое исполнение. В дополнение к свойст вам исполнения IP60 оболочка обеспечивает полную защиту от попа-
Дания поды внутрь аппарата при воздействии струи под любым углом к поверхности (морское исполнение).
IP67. Герметичное исполнение. В дополнение к свойствам исполне ний IP60 оболочка обеспечивает полную герметичность аппарата.
Воздействия механических и климатических факторов на электри ческие аппараты в условиях эксплуатации регламентируются действую щими стандартами (ГОСТ 15150—69 и 15543—70). Под климатически ми факторами внешней среды понимаются температура и влажность окружающего аппарат воздуха, давление воздуха (высота над уровнем моря), солнечное излучение, дождь, ветер, пыль (в том числе и снеж ная), солевой туман, иней, гидростатическое давление воды, действие плесневых грибков, содержание в воздухе коррозионно-активных аген тов. Нормальные значения климатических факторов внешней среды, при нятые для использования в технике, соответствуют данной географиче ской зоне с учетом места размещения аппарата. В технической докумен тации на электрический аппарат всегда оговариваются значения клима тических факторов, в пределах которых обеспечивается нормальная эксплуатация изделий. Эти значения принято называть номинальными. Различают также рабочие и предельные значения факторов. Значения климатических факторов, при которых обеспечивается сохранение но минальных параметров и гарантированный срок службы аппаратов, на зываются рабочими. Значения климатических факторов: а) при которых сохраняется работоспособность аппарата при допустимых отклонениях точности и номинальных параметров, б) после прекращения действия которых точность и номинальные параметры аппарата восстанавлива ются, принято называть предельными рабочими.
С точки зрения воздействия климатических факторов поверхность земного шара делится на ряд макроклиматических районов. Каждый макроклиматический район характеризуется однородностью географиче ских факторов и количественных показателей климатических факторов на своей территории.
В табл. В.1 приведены климатические исполнения электрических аппаратов, предназначенных для эксплуатации на суше, озерах и ре ках. Исполнения для морского климата даны в [3.1]. В зависимости от места размещения в условиях эксплуатации электрические аппараты делятся на категории, указанные в табл. В.2. Следует отметить, что на работу аппаратов оказывает влияние также атмосферное давление. От плотности атмосферного воздуха зависят прочность внешней электри ческой изоляции и охлаждение электрических аппаратов. Большинство электрических аппаратов изготовляют для работы на нормальной вы соте 1000 м над уровнем моря, при которой аппараты работают с номи нальными параметрами. Однако аппараты могут работать на высотах, превышающих нормальную.
При этом в соответствующих стандартах или технических усло-
Исполнение для макроклима- |
|
Обозначения |
|
буквенное |
|
||
тическнх районов |
русские |
латинские |
цифровые |
|
|||
|
|
||
С умеренным климатом |
У |
(N) |
0 |
С умеренным и холодным кли |
Ухл |
(NF) |
1 |
матом |
ТВ |
(ТН) |
2 |
С влажным тропическим кли |
|||
матом |
тс |
(ТА) |
3 |
С сухим тропическим климатом |
|||
С сухим и влажным тропичес |
т |
(Т) |
4 |
ким климатом |
О |
(U) |
5 |
Для всех макроклиматических |
|||
районов на суше, кроме рай |
|
|
|
она с очень холодным клима |
|
|
|
том (общеклиматическое ис |
|
|
|
полнение) |
|
|
|
|
|
Т аблица В.2 |
|
Категории размещения для эксплуатации |
| |
Обозначение |
|
На открытом воздухе |
|
|
1 |
Под навесом или в помещениях (объемах), где колеба |
2 |
||
ния температуры и влажности несущественно отлича |
|
||
ются от их колебаний на открытом воздухе и имеется |
|
||
сравнительно свободный доступ наружного воздуха |
3 |
||
В закрытых помещениях (объемах) с естественной вен |
|||
тиляцией без искусственно регулируемых климатичес |
|
||
ких условий, где колебания температуры и влажности |
|
||
воздуха и воздействие песка и пыли существенно мень |
|
||
ше, чем на открытом воздухе |
|
|
4 |
В помещениях (объемах) с искусственно регулируемы |
|||
ми климатическими условиями |
|
|
5 |
В помещениях (объемах) с повышенной влажностью (на |
пример, в неотапливаемых и невентилируемых подзем ных помещениях, в том числе шахтах, подвалах, в поч ве и др.)
виях указывается уменьшение номинальной нагрузки на каждые 100 или 1000 м высоты, превышающей нормальную. Аналогично учитывает ся уменьшение электрической прочности воздушных промежутков. Элек трические аппараты для самолетов и других летательных аппаратов работают при пониженном давлении на высоте значительно выше 1000 м, которое регламентировано в пределах 70—-1,3-10—4кПа.
В зависимости от содержания коррозионно-активных агентов ок ружающая атмосфера делится на четыре типа в соответствии с табл. В.З.
При заказе аппарата необходимо указывать его исполнение (табл. В.1), категорию размещения (табл. В.2) и предельную высоту места
Тип атмосферы |
|
|
|
|
|
|
Обо |
Наименование |
Содержание коррозионно-активных агентов |
|
|||
значе |
|
|
|
|
|
|
ние |
|
|
|
|
|
|
I |
Условно чистая |
Сернистый газ — не более 20 мг/(м2-сут), не |
||||
|
|
более |
0,025 |
мг/м3; |
хлориды — менее 1 |
мг/ |
п |
Промышлен |
(м2-сут) |
|
|
|
|
Сернистый газ — от 20 до ПО мг/(м2-сут), от |
||||||
|
ная |
0,025 |
до 0,13 |
мг/м3; |
хлориды — менее |
0,3 |
ш |
Морская |
мг/(м2-сут) |
|
более 20 мг/(м2-сут), |
не |
|
Сернистый газ — не |
||||||
|
|
более 0,025 мг/м3; хлориды — от 30 до 300 мг/ |
||||
IV |
Приморско- |
/(м2-сут) |
|
|
|
|
Сернистый газ — от 20 до 110 мг/(м2-сут), от |
||||||
|
промышлен |
0,025 до 0,13 |
мг/м3; |
хлориды — от 0,3 до |
||
|
ная |
30 мг/(м2щут) |
|
|
установки аппарата над уровнем моря. Климатическое исполнение и ка тегория размещения указываются в конце сокращенного обозначения электрических аппаратов. Так, например, обозначение ВЭ-10-1250-20-УЗ означает выключатель электромагнитный на номинальное напряжение 10 кВ, номинальный ток 1250 А номинальный ток отключения 20 кА для умеренного климата (У), и для эксплуатации в закрытых помеще ниях (категория размещения 3). Предприятия, разрабатывающие и из готавливающие электрические аппараты, руководствуются стандартами, предусматривающими нормы механических испытаний (на удары, виб рацию, механические нагрузки на выводы аппарата), акустических ис пытаний, климатических испытаний (теплостойкость, холодостойкость, грибоустойчивость, водонепроницаемость, брызгозащшценность, солнеч ная радиация и др.).
Требования к электрическим аппаратам весьма разно образны и зависят от назначения, условий эксплуатации, необходимой надежности и т. д. Однако можно сформули ровать требования, которые являются общими для всех электрических аппаратов.
1. При номинальном режиме работы температура токо ведущих элементов аппарата не должна превосходить зна чений, рекомендуемых соответствующим ГОСТ или другим нормативным документом.
При коротком замыкании (КЗ) токоведущие элементы аппарата подвергаются значительным термическим и ди намическим нагрузкам, вызываемым большим током. Эти нагрузки не должны вызывать остаточных явлений, нару-
ю