книги / Электрические аппараты

На процесс гашения дуги влияют также тепловые пото­ ки воздуха, создаваемые дугой. Дуга гасится более интен­ сивно, если ее растяжение за счет конвективного движения воздуха совпадает с направлением действия электродина­ мических сил (рубильник устанавливается так, что кривиз­ на дуги обращена вверх).

При отключении переменного тока дуга гасится за счет возникновения электрической прочности 200—220 В около

Рис. 15.1. Трехфазный рубильник с центральной рукояткой

гу с номинальным током при напряжении до 380 В. Од­ нополюсный рубильник с одним разрывом надежно ра­

ной цепи. При отключении цепей под нагрузкой дуга не

Как правило, наиболее тяжело отключаемый ток (кри­ тическое значение) меньше его номинального значе­ ния.

Для рубильников и переключателей с боковой рукоят­ кой или рычажным приводом отношение отключаемого то­ ка к номинальному составляет 0,2 при постоянном напря­ жении 220 В и 0,3 при переменном напряжении 380 В. При постоянном напряжении 440 и переменном 500 В указан­ ные аппараты используются только для отключения обес­ точенных цепей. Для увеличения отключающей способно­ сти рубильник снабжается дугогасительной решстгой (см. § 4.11). При этом отключающая способность рубильников

увеличивается до 0,5 /Ном при постоянном напряжении 440 и переменном 500 В, и до / ном в цепях с постоянным напря­ жением 220 и переменным 380 В.

15.2. КОНСТРУКЦИЯ РУБИЛЬНИКОВ И ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЕЙ

Рубильники выпускаются в одно-, двух- и трехполюсных исполне­ ниях. На рис. 15.2 изображен трехполюсный рубильник с центральным рычажным приводом 1 и дугогасительной камерой 2. Ножи 3 всех трех полюсов соединены изоляционным валиком, на который действует тяга рычажного привода. Рукоятка привода монтируется на лицевой стенке шкафа распредустройства. Такая конструкция обеспечивает безопасность обслуживающего персонала.

Качество рубильников и переключателей в значительной степени оп­ ределяется контактным соединением ножа и контактных стоек. В совре­ менных аппаратах преимущественно применяется линейный контакт (§ 3.4), обладающий меньшим переходным сопротивлением, чем плос­ кий. Контактное нажатие обеспечивается с помощью стальных пружин.

Врубильнике на рис. 15.1 нажатие в стойке 3 создается с помощью пружины в виде разрезанного кольца 4, концы которого действуют на эластичные губки. Нажатие губок в шарнирной стойке 2 осуществляется пружинами в виде выпуклых шайб 5. При токе, большем 100 А устанав­ ливается несколько параллельных контактных пар.

Впакетном выключателе или переключателе каждый коммутируе­ мый полюс конструктивно оформлен в виде отдельного элемента — па­

Пакетный выключатель ПВМ (рис 15.3) состоит из отдельных свя-

запных вместе пакетов 5 и приводного механизма 4. Каждый полюс име­ ет два разрыва. Неподвижные контакты 1 выполнены в виде массивных пластин из латуни. Подвижный контакт 2 насажен на квадратный изо­ лированный вал выключателя и имеет вращательное движение. Нажа­ тие контактов создается за счет упругих свойств губок подвижного контакта 2. К подвижному контакту прикреплены две щечки 3 из фиб­ ровых пластин. Расстояние между щечками несколько больше толщины неподвижного контакта, что позволяет подвижному контакту свободно вращаться внутри пакета. Подвижный контакт перемещается с помощью приводного механизма. При вращении рукоятки сначала заводится пру­ жина, а затем эта пружина сообщает необходимую скорость контакту. Такой привод работает недостаточно надежно.

При расхождении контактов дуга загорается в двух разрывах, что обеспечивает надежное гашение дуги переменного тока за счет околокатодной электрической прочности. Дуга гаснет при первом прохожде­ нии переменного тока через нуль.

Гашение дуги постоянного тока обеспечивается за счет ее горения

впространстве между фибровыми щечками. При соприкосновении дуги

сфибровыми стенками из них выделяется газ. Поскольку внутренняя

полость пакета достаточно герметична, внутри пакета повышается дав­ ление. Это ведет к подъему вольт-амперпой характеристики и гашению дуги (§ 4.2). Однофазные цепи должны отключаться двухполюсным вы­ ключателем.

Недостатками выключателя ПВМ являются невысокая износостой­ кость (до 20-103 циклов) и недостаточная надежность механизма при­ вода.

Более совершенен пакетный кулачковый выключатель серии ПКВ (рис. 15.4). На валу / укреплены кулачки 2 (по одному на пакет). Каж­ дая цепь имеет два разрыва, образуемые мостиками 3 и контактами 4, При вращении вала кулачок поворачивается и в его углубление попадает шток 5. При этом цепь замыкается. Нажатие контактов создается сталь­ ной пружиной 6. Для повышения износостойкости используются метал­ локерамические контакты. Вместо малонадежного привода ПВМ ис­ пользуется такой же фиксатор положения, как в командоконтроллерах (см. рис. 7.5). Наибольший ток выключателей серии ПКВ составляет 160 А. Электрическая износостойкость достигает 2-105 циклов. Все па­ кетные выключатели используются для коммутации токов, равных но­ минальному.

Пакетные выключатели и переключатели по сравнению с рубильни­ ками имеют меньшие габариты, удобнее в монтаже. Дуга гасится в замк­ нутом объеме, без выброса пламени и газов. Контактная система позво­ ляет управлять одновременно большим количеством цепей. Эти выклю­ чатели коммутируют номинальные токи, имеют высокую вибро- и ударо­ стойкость.

Г лава ш естн ад ц атая

ПРЕДОХРАНИТЕЛИ

16.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Предохранители — это электрические аппараты, предна­ значенные для защиты электрических цепей от токовых пе­ регрузок и токов КЗ. Основными элементами предохрани­ теля являются плавкая вставка, включаемая последова­ тельно с защищаемой цепью, и дугогасительное устройство.

К предохранителям предъявляются следующие требо­ вания.

1.Времятоковая характеристика предохранителя долж­ на проходить ниже, но возможно ближе к времятоковой ха­ рактеристике защищаемого объекта.

2.Время срабатывания предохранителя при КЗ должно быть минимально возможным, особенно при защите полу­

проводниковых приборов. Предохранители должны рабо­ тать с токеограничением (§ 4.3).

3.При КЗ в защищаемой цепи предохранители должны обеспечивать селективность защиты.

4.Характеристики предохранителя должны быть ста­ бильными, а технологический разброс их параметров не должен нарушать надежность защиты.

5.В связи с возросшей мощностью установок предохра­ нители должны иметь высокую отключающую способность.

6.Конструкция предохранителя должна обеспечивать возможность быстрой и удобной замены плавкой вставки при ее перегорании.

16.2.НАГРЕВ ПЛАВКОЙ ВСТАВКИ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ НАГРУЗКЕ

Основной характеристикой предохранителя является времятоковая характеристика, представляющая собой зави­ симость времени плавления вставки от протекающего тока. Для совершенной защиты желательно, чтобы времятоковая характеристика предохранителя (кривая 1 на рис. 16.1) во всех точках шла немного ниже характеристики защищае­ мой цепи или объекта (кривая 2 на рис. 16.1). Однако ре­ альная характеристика предохранителя (кривая 3) пересе­ кает кривую 2. Поясним это. Если характеристика предо­ хранителя соответствует кривой 1, то он будет перегорать из-за старения или при пуске двигателя. Цепь будет отключаться при отсутствии недопустимых перегрузок. По­ этому ток плавления вставки выбирается больше номи­ нального тока нагрузки. При этом кривые 2 и 3 пересека­ ются. В области больших перегрузок (область Б) предо­ хранитель защищает объект. В области А предохранитель объект не защищает.

При небольших перегрузках (1,5-^-2) / НОм нагрев предо­ хранителя протекает медленно. Большая часть тепла отда­ ется окружающей среде. Сложные условия теплоотдачи затрудняют расчет плавкой вставки.

Ток, при котором плавкая встав­ ка сгорает при достижении ею уста­ новившейся температуры, называет­ ся п о г р а н и ч н ы м ТОКОМ /догр.

Рис. 16.1. Согласование характеристик пре­ дохранителя и защищаемого объекта

Для того чтобы предохранитель не срабатывал при номи­ нальном токе /ном, необходимо / Погр> /Ном и. С другой сто­ роны, для лучшей защиты значение / погр должно быть воз­ можно ближе к номинальному. При токах, близких к погра­ ничному, температура плавкой вставки должна прибли­ жаться к температуре плавления.

В связи с тем, что время плавления вставки при погра­ ничном токе велико {более 1 ч) и температура плавления ее материала составляет много сотен градусов Цельсия, все детали предохранителя нагреваются до высоких темпе­ ратур. Происходит тепловое старение плавкой вставки.

Для снижения температуры плавления вставки при ее изготовлении применяются легкоплавкие металлы и спла­ вы. Материалы плавких вставок и их свойства даны в табл. 16.1.

Примечание. 0ДОП~ допустимая температура плавкой вставки при дли­ тельном протекании тока; ©пл—температура плавления вставки; А' и Л"—ко

эффициенты определяющие время плавления при КЗ ]см. (16.1) и (10.2)]. Время нагрева плавкой вставки от начальной температуры до полного ее разрушения определяется суммой коэффициентов А'ЛА".

Наименьшую температуру плавления имеет свинец. Но удельное сопротивление свинца в 12 раз выше, чем у меди. Для того чтобы при прохождении данного тока вставка на­ грелась до допустимой температуры (150°С), ее сечение должно быть значительно больше, чем сечение вставки из меди.

При плавлении вставки пары металла ионизируются в возникающей дуге благодаря высокой температуре. Из-за большого объема вставки количество паров металла в дуге велико, что затрудняет ее гашение и уменьшает предель­ ный ток, отключаемый предохранителем. Из-за этих осо­ бенностей вставок из легкоплавких металлов широкое рас­

пространение получили медные и серебряные плавкие встав­

начинается растворение меди и уменьшение ее сечения. Это вызывает увеличение сопротивления и повышение потерь в этой точке. Процесс длится до тех пор, пока медная про­ волока не расплавится в точке расположения оловянного шарика. Возникшая при этом дуга расплавляет прово­

Свинец и цинк образуют на воздухе пленку оксида, кото­ рая предохраняет вставку от изменения сечения. Медная вставка при длительной работе и высокой температуре ин­ тенсивно окисляется. Пленка оксида при изменении темпе­ ратурного режима отслаивается, и сечение вставки постепен­ но уменьшается. В результате плавкая вставка перегорает при номинальном токе, если ее температура при токе, близ­ ком к пограничному, выбрана высокой. В табл. 16.1 приве­

при токе, близком к номинальному, должна быть значитель­ но ниже тепмературы плавления. Поэтому приходится за ­ вышать сечение вставки и тем самым увеличивать отноше­ ние /погр/Люм примерно до 1,8, что ухудшает защитные свойства предохранителя.

Серебряные плавкие вставки не подвержены тепловому старению, и для них отношение Люгр/Лгом определяется только нагревом.

У вставок из легкоплавких материалов эксплуатацион­ ная температура ближе к температуре плавления, что поз­ воляет СНИЗИТЬ отношение /погр//ном ДО 1,2— 1,4.

В настоящее время в качестве материала плавкой встав­ ки начали применять алюминий [16.2]. Пленка оксида на поверхности вставки защищает алюминий от коррозии и де­ лает характеристику предохранителя стабильной. Большее удельное сопротивление материала компенсируется увели­

чением сечения вставки. Алюминий имеет температуру плавления ниже, чем у меди (658 против 1083°С).

Времятоковые характеристики предохранителей со вставками постоянного сечения из легкоплавкого металла хорошо согласуются с характеристиками силовых транс­ форматоров и других подобных объектов. Это объясняется низкой температурой плавления, стойкостью против корро­ зии и малой теплопроводностью материала таких вставок.

Медная вставка из-за высокой теплопроводности, высо­ кой температуры плавления и большого отношения/погр//ноч в области малых перегрузок не обеспечивает защиту объ­ екта (область А, рис. 16.1).

16.3. НАГРЕВ ПЛАВКОЙ ВСТАВКИ ПРИ КОРОТКОМ ЗАМЫКАНИИ

Если ток, проходящий через вставку, в 3—4 раза боль­ ше номинального, то практически процесс нагрева идет адиабатически, т. е. все тепло, выделяемое плавкой встав­ кой, идет на ее нагрев.

Согласно § 2.6 время нагрева вставки до температуры

где А' — постоянная, определяемая только свойствами мате­ риала и от размера вставки не зависящая; q — поперечное сечение вставки; / к — ток, протекающий по вставке при КЗ защищаемой цепи; / к — плотность тока во вставке.

После того как температура плавкой вставки достигла температуры плавления, для перехода вставки из твердого состояния в жидкое ей необходимо сообщить тепло, равное скрытой теплоте плавления.

По мере того как часть плавкой вставки из твердого со­ стояния перейдет в жидкое, ее удельное сопротивление рез­ ко увеличится (в десятки раз). Время перехода из твердого

где p i— удельное сопротивление материала вставки при температуре плавления; р2 — удельное сопротивление мате­ риала вставки в жидком состоянии; у — плотность материа­ ла вставки; L — скрытая теплота плавления на единицу массы материала вставки.

Значения постоянных Л 'и Л" для наиболее часто приме­ няемых металлов даны в табл. 16.1. В действительности процесс плавления идет более сложно. Как только появит­ ся жидкий участок вставки, электродинамические силы, сжимающие проводник (см. гл. 1), образуют суженные уча­ стки. В этих участках возрастает плотность тока и повыша­ ется температура. Уменьшение сечения вставки создает раз­ рывающие усилия, аналогичные силам в контактах при КЗ (§ 1.6). Таким образом, как правило, дуга загорается рань­ ше, чем вставка полностью перейдет в жидкое состояние.

Основным параметром предохранителя при КЗ являет­ ся предельный ток отключения — ток, который он может отключить при возвращающемся напряжении, равном наи­ большему рабочему напряжению.

Время существования дуги зависит от конструкции пре­ дохранителя. Полное время отключения цепи предохраните­

где коэффициенты я = 3 учитывает преждевременное раз­ рушение вставки, a k0= 1,2ч-1,3 учитывает длительность го­ рения дуги.

В предохранителях с наполнителем (закрытого типа) разрушение вставки до полного ее плавления менее веро­ ятно. Время отключения цепи предохранителем

Коэффициент &д=1,7-ь-2 учитывает длительность горе­ ния дуги.

Плавление вставки переменного сечения происходит в перешейках с наименьшим сечением. Процесс нагрева пе­ решейка протекает так быстро, что тепло почти не успе­ вает отводиться на участки повышенного сечения. Наличие перешейков уменьшенного сечения позволяет резко сни­ зить время с момента начала КЗ до появления дуги. Про­ цесс гашения дуги начинается до момента достижения то­ ком КЗ установившегося или даже амплитудного значе­ ния. Дуга образуется через время t\ после начала КЗ, ког­

да ток в цепи значительно меньше установившегося значе­

ния / к,уст• Средства дугогашения позволяют погасить дугу за мил­

лисекунды. При этом проявляется эффект токоограничения, показанный на рис. 16.2. При отключении поврежденной цепи с токоограничением облегчается гашение дуги, так как отключается не установившийся ток КЗ, а ток, опреде­ ляемый временем плавления вставки.

Рис. 16.2. Отключение постоянного и переменного тока предохранителем с токоограничением

приводит к возрастанию длительности плавления вставки и уменьшению эффекта токоограничения. Интенсивный от­ вод тепла от вставки при номинальном режиме позволяет выбрать уменьшенное сечение вставки и повысить эффект токоограничения.

16.4. КОНСТРУКЦИЯ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

а) Предохранители с гашением дуги в закрытом объеме. Предохра­ нители на токи от 15 до 60 А имеют упрощенную конструкцию. Плав­ кая вставка 1 прижимается к латунной обойме 4 колпачком 5, который является выходным контактом (рис. 16.3, а). Плавкая вставка 1 штам­ пуется из цинка, являющегося легкоплавким и стойким к коррозии ма­ териалом. Указанная форма вставки позволяет получить благоприятную времятоковую (защитную) характеристику. В предохранителях на то­ ки более 60 А плавкая вставка 1 присоединяется к контактным ножам 2 с помощью болтов (рис. 16.3, б).

Вставка располагается в герметичном трубчатом патроне, который состоит из фибрового цилиндра 3, латунной обоймы 4 и латунного кол­ пачка 5,