Электрические и электронные аппараты распределительных устройств и подстанций горных предприятий. Учебное пособие

Детальное изложение теории и практики применения электрических аппаратов позволит дать будущим специалистам соответствующие знания, привить умения и навыки рационального применения электрических аппаратов в соответствии с требуемыми условиями реального производства.

11

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ И ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

1.1. Классификация электрических аппаратов

Электрическим аппаратом называется устройство, предназначенное для выполнения управляющих (коммутационных, защитных, контрольно-измерительных, регулирующих) функций по отношению к электроустановкам (по производству, распределению и преобразованию электроэнергии) и объектам с неэлектрическими процессами.

Внастоящее время в промышленности нет электромеханических

иэлектротехнологических установок, в которых не применялись бы те или иные электрические аппараты (ЭА). Электрические аппараты представляют собой неотъемлемую часть устройств, выполняющих определенные рабочие функции.

Для представления общей картины многообразия ЭА необходима их классификация, которая может быть проведена по ряду признаков: назначению, принципу действия, области применения, роду тока, напряжению, способу выполнения управляющих воздействий, воздействию окружающей среды, конструктивным особенностям и др. В большинстве случаев ЭА по различным признакам относятся к разным группам.

По назначению или выполняемым функциям аппараты систематизируются по следующим группам.

Коммутационные аппараты предназначены для включения и отключения электрических цепей. В эту группу входят: рубильники, пакетные переключатели, выключатели нагрузки, выключатели, разъединители, отделители, короткозамыкатели и др. Характерные конструктивные элементы аппаратов этой группы – коммутирующие контакты, рассчитанные на определенные нагрузки в зависимости от режимов работы электроустановок.

Ограничивающие аппараты предназначены для ограничения перенапряжения (разрядники) и токов короткого замыкания (реакторы). Характерная особенность аппаратов этой группы – наличие элементов, демпфирующих переходные процессы в электроустановках.

Пускорегулирующие аппараты предназначены для управления (пуска, регулирования частоты вращения, напряжения, тока) электроприводами или другими потребителями электрической энергии.

12

К этой группе относятся контакторы, пускатели, контроллеры, командоконтроллеры, резисторы, реостаты и др. Характерная особенность аппаратов этой группы – работа в режиме частых включений и отключений.

Контролирующие аппараты предназначены для контроля заданных электрических и неэлектрических величин. К этой группе относятся реле и датчики. Характерные особенности функционирования аппаратов этой группы – контроль входной электрической или неэлектрической величины и изменение выходной величины (скачком (реле) или непрерывно (датчики)).

Регулирующие аппараты предназначены для автоматической стабилизации или регулирования заданного параметра электрической цепи или системы. К этой группе относятся аппараты, служащие для стабилизации уровня напряжения, тока, частоты вращения и других величин (стабилизаторы тока, напряжения и т.д.).

Измерительные аппараты предназначены для преобразования уровня параметров электрических цепей первичной коммутации (тока, напряжения) в уровни, удобные для измерения. Аппараты этой группы характеризуются наличием элементов, изолирующих цепи первичной коммутации от измерительных цепей. К этой группе относятся трансформаторы тока, напряжения, конденсаторные делители напряжения.

В одном электрическом аппарате может сочетаться несколько выполняемых функций, например, коммутация и защита электрических цепей – автоматический выключатель.

По принципу действия электрические аппараты классифицируются в зависимости от используемых физических явлений:

1.Электромагнитные – электромагнитные контакторы, реле, пускатели и др.

2.Взаимодействия электрического тока с магнитным полем – ин-

дукционные, электродинамические реле и др.

3.Тепловые – тепловые реле, биметаллические механизмы и др.

4.Нелинейной электротехники – дроссели насыщения, реакторы, разрядники и др.

Принцип действия электрических аппаратов может сочетать несколько физических явлений.

По области применения электрические аппараты делятся на группы:

1.Аппараты распределительных устройств, применяемые в элек-

троустановках систем электроснабжения (высокого и низкого напря-

13

жения) для коммутации электрических цепей, ограничения перенапряжений и токов короткого замыкания, измерения и других целей.

2.Аппараты управления электроприводами, применяемые в си-

стемах электропривода производственных машин и механизмов для пуска, регулирования, контроля и других функций.

3.Аппараты для автоматизации производственных процессов,

применяемых в схемах автоматизации и управления для контроля, регулирования и других функций.

По напряжению классификация представлена на рис. 1.1, 1.2 и 1.3.

Всвязи с увеличением рабочего напряжения подземных потребителей угольных шахт до 1140 и 3300 В появились ЭА, занимающие промежуточное положение. Следует отметить, что к аппаратам данного напряжения предъявляют требования как к низковольтному оборудованию.

По роду тока ЭА образуют группы постоянного тока, переменного тока промышленной частоты, переменного тока повышенной частоты, выпрямленного тока.

По способу выполнения управляющих функций ЭА подразделяют-

ся на контактные и бесконтактные.

Электрические аппараты

Рис. 1.1. Классификация электрических аппаратов по напряжению

14

Рис. 1.2. Классификация электрических аппаратов напряжением до 1 кВ

Аппараты высокого напряжения

Рис. 1.3. Классификация электрических аппаратов напряжением выше 1 кВ

15

В контактных аппаратах управляющее воздействие осуществляется с помощью контактной системы, в бесконтактных – за счет изменения электрических параметров цепи (сопротивления, емкости, индуктивности и т.д.). Другими словами, в контактных аппаратах разрывы электрических цепей происходят физически, в бесконтактных аппаратах физического разрыва цепи нет.

Многообразие ЭА затрудняет в некоторых случаях присвоение им классификационных признаков строго по вышеприведенной схеме. В этом случае аппараты могут характеризоваться признаками одновременно из разных классификационных групп.

Если рассматривать ЭА как устройство, состоящее из деталей и сборочных единиц, то последние в соответствии с их назначением подразделяются:

–на конструктивные – рассчитанные только на механическую нагрузку (в том числе и крепежные детали);

–активные – рассчитанные наряду с механической, на электрическую и магнитную нагрузку.

Конструктивные детали электрических аппаратов подразделяются на оболочки, каркасы, рамы и другие корпусные элементы.

Активные детали электрических аппаратов подразделяются на

токоведущие, магнитные, изоляционные и дугогасительные устройства.

Классификация деталей ЭА по приведенным признакам в определенной степени условна, одна и та же деталь может выполнять несколько функций и относится одновременно к нескольким группам.

Приведенная классификация деталей ЭА предопределяет классификацию расчетов, выполняемых при их конструировании: токоведущих частей; контактов; магнитных и электромагнитных, изоляционных и дугогасительных устройств, механических и др.

Особую группу представляют ЭА, предназначенные для работы

вэлектроустановках горных предприятий. Для указанной группы, наряду с приведенными выше признаками для общепромышленных аппаратов, характерны взрывозащищенные защитные оболочки, усиленные конструктивные, активные элементы и другие признаки.

Для электрических аппаратов характерны пять основных режимов: 1. Продолжительный режим, при котором период нагрузки аппарата, без отключения продолжается как угодно долго, но не меньше времени, необходимого для достижения установившейся температуры всеми частями аппарата (при неизменных условиях охлаждения).

16

2.Прерывисто-продолжительный режим, при котором в период нагрузки аппарата температура всех его частей достигает установившегося значения, причем этот период не превышает указанное заво- дом-изготовителем время.

3.Кратковременный режим, при котором в период нагрузки температура частей аппарата не успевает достигнуть установившегося значения, а в период отсутствия нагрузки снижается до температуры холодного состояния. Холодным состоянием аппарата называется состояние, при котором температура всех его частей отличается от температуры окружающей среды не более чем на 3 ˚С.

4.Повторно-кратковременный режим, при котором кратковре-

менный период нахождения под нагрузкой (период включения) чередуется с кратковременным периодом отключенного состояния (паузой) так, что температура частей аппарата в период включения не достигает установившегося значения, а в период паузы не успевает достигнуть холодного состояния.

5.Режим короткого замыкания, при котором температура частей аппарата значительно превышает установившуюся температуру нагрева.

1.2.Основные требования, предъявляемые

кэлектрическим аппаратам

Требования, предъявляемые к ЭА, обусловлены областью их применения, условиями эксплуатации, ответственностью, выполняемыми функциями и т.п.

К числу общих требований, предъявляемых к ЭА, относятся:

1.Надежное выполнение заданных функций. Аппарат в пределах заданного ресурса должен безотказно, точно, стабильно и четко выполнять требуемые функции: не допускать отказов, не изменять свои параметры и пределы регулирования, допускать ложных срабатываний и т.д.

2.Достаточная электродинамическая и термическая стойкость.

Аппарат должен без повреждений выдерживать электродинамические

итепловые перегрузки при кратковременных аварийных режимах.

3.Достаточный уровень электрической изоляции. Аппарат дол-

жен без повреждений выдерживать электрические перенапряжения, даже при возможном ухудшении состоянии изоляции (загрязнение, старение) в процессе эксплуатации.

17

4.Коммутационная способность аппарата должна обеспечивать безотказную работу во всех нормальных режимах, а для некоторых аппаратов и в аварийных. Контакты аппаратов должны отключать и включать токи всех режимов (нормальных и аварийных).

5.Простота устройства определяет наименьшие массогабаритные и стоимостные показатели, удобство в эксплуатации, технологичность при изготовлении и ремонте.

Вчасти требований, обеспечивающих предотвращение соприкосновения обслуживающего персонала с токоведущими или подвижными частями и исключение попадания внутрь инородных тел, аппараты должны удовлетворять требованиям ГОСТ 14254–96. Согласно ГОСТ, ЭА должны иметь оболочки, защитные свойства которых обозначаются буквами IP (Ingress Protection Rating) и двумя цифрами (Система классификации степеней защиты оболочки электрооборудования от проникновения твердых предметов и воды в соответствии с международным стандартом IEC 60529). Первая цифра обозначает степень защиты от проникновения посторонних предметов. Вторая цифра определяет защиту от попадания внутрь аппарата жидкости. Обозначения некоторых исполнений в соответствии с ГОСТ 14254–96 приводятся ниже, а также в приложениях 6 и 7.

IP00. Открытое исполнение. Защита персонала от соприкосновения с токоведущими или подвижными частями отсутствует. Инородные тела могут проникать внутрь аппарата.

IP20. Защищенное исполнение. Имеется защита (оболочка предохраняет) от случайного прикосновения к токоведущим и подвижным частям или от проникновения внутрь аппарата посторонних предметов. При этом исполнении оболочка должна предотвращать соприкосновение с деталями аппарата металлического щупа (диаметр 12 мм, длина 80 мм), а шарик диаметром 12 мм не должен проникать внутрь аппарата.

IP23. Защищенное исполнение. В дополнение к свойствам исполнения IP20 оболочка защищает от дождя, падающего под углом 60о

квертикали.

IP44. Защищенное исполнение. Оболочка предотвращает попадание в аппарат предметов диаметром более 1 мм и защищает от воздействия брызг жидкости, падающих под любым углом.

IP65. Пылеводозащищенное исполнение. Оболочка полностью пре-

пятствует попаданию внутрь аппарата пыли и защищает от воздействия струи воды, направленной под любым углом к ее поверхности.

18

IP67. Герметическое исполнение. Оболочка полностью препят-

ствует попаданию внутрь аппарата пыли и обеспечивает полную герметичность аппарата.

Вчасти требований к исполнению по условиям воздействия климатических факторов внешней среды электрические аппараты должны удовлетворять требованиям ГОСТ 15150–69 (ГОСТ 15543.1–89).

Под климатическими факторами внешней среды понимают температуру, влажность, давление воздуха, пыль, снег, иней и др. Нормальные значения климатических факторов внешней среды, использующиеся в технике, соответствуют данной географической зоне с учетом места расположения аппарата. Значения климатических факторов, при которых обеспечивается нормальная эксплуатация, приводятся

втехнической документации на ЭА и называются номинальными. Значения климатических условий, при которых во время эксплуатации аппарата гарантируется сохранение номинальных параметров, и условий, при которых аппарат меняет свои параметры в пределах допустимых отклонений, а затем возвращается к номинальным значениям, называется предельным.

Взависимости от климатического исполнения ЭА предназначены для эксплуатации в одном или нескольких микроклиматических районах:

• умеренный климат (У, N, 0);

• умеренный и холодный климат (УХЛ, NF, 1);

• влажный тропический климат (ТВ, ТН, 2);

• сухой тропический климат (Т, Т, 4);

• очень холодный климат (О, U, 5).

Взависимости от места размещения в условиях эксплуатации ЭА должны удовлетворять категориям размещения согласно ГОСТ 15150–69 (ГОСТ 15543.1– 89):

Категория 1. На открытом воздухе.

Категория 2. Под навесом или в помещениях, где колебания тем-

пературы и влажности несущественно отличаются от колебаний на открытом воздухе и имеется сравнительно свободный доступ воздуха.

Категория 3. В закрытых помещениях (объемах) с естественной вентиляцией без искусственно регулируемых климатических условий, где колебания температуры и влажности воздуха, воздействие песка и пыли существенно меньше, чем на открытом воздухе.

Категория 4. В помещениях (объемах) с искусственно регулируемыми микроклиматическими условиями.

19

Категория 5. В помещениях (объемах) с повышенной влажностью (например, в шахтах, подземных сооружениях).

Климатическое исполнение и категория размещения указываются в конце сокращенного обозначения ЭА.

Электрические аппараты, применяемые в специфических условиях горных предприятий (в подземных выработках шахт и рудников, опасных по газу или пыли), должны удовлетворять особым требованиям, предъявляемым к рудничному взрывозащищенному оборудованию. Согласно ГОСТ 12.2.020–76 рудничное взрывозащищенное оборудование подразделяется на группы повышенной надежности против взрыва, взрывобезопасное и особо взрывобезопасное.

1.3.Основные материалы, применяемые

вэлектрических аппаратах

Для изготовления различных частей и узлов ЭА широко применяются следующие материалы.

Проводниковые – для токоведущих частей – медь, алюминий, сталь, латунь и др. Основным требованием к проводниковым материалам является малое значение удельного электрического сопротивления.

Магнитные – для магнитопроводов – специальные виды сталей, сплавы. Основные требования к магнитным материалам – высокое значение магнитной проницаемости. Электротехнические стали применяются для изготовления магнитопроводов с начальной маг-

нитную проницаемость, уменьшающуюся при больших напряженностях поля и высоких частотах. Для таких сплавов начальная магнитная проводимость µн = 20000...35000 Гн; а максимальная µmax = 20000...100000 Гн; при напряженности магнитного поля Hс =1,2...15,9 А/м.

Для изготовления постоянных магнитов применяют магнитные материалы с высокой коэрцитивной силой, важной характеристикой которых является наибольшее значение величины НВ/2, пропорциональное максимальной энергии магнитного поля, окружающего магнит. Для сплавов на базе алюминия и никеля НВ/2 =2,8...15 кДж/м3;

20