36 Электрические аппараты, общие сведения

К электрическим аппаратам (ЭА) относят широкий класс электротехнических устройств, применяемых при производстве, распределении и потреблении электрической энергии. Область устройств, относящихся к ЭА, и их классифика­ция постоянно изменяются в процессе развития электротехники. В настоящее время под ЭА по­нимают технические средства управления пото­ком электрической энергии в целях изменения режимов работы, регулирования параметров, контроля и защиты электротехнических объек­тов и их составных частей. Как правило, функ­ции большинства видов ЭА осуществляются по­средством коммутации электрических цепей с различной частотой.

До 1878 г. все ЭА назывались приборами и термин «аппарат» в близком понимании на­шего времени впервые в том году был использо­ван военным электротехником Н.А. Азаровым. С 1879 г. известный русский электротехник П.Н. Яблочков распространил термин «аппарат» на электротехнические устройства той эпохи — рубильники, переключатели, коммутаторы, реле и регуляторы.

Электрические аппараты обычно классифи­цируют по напряжению — аппараты высокого напряжения (АВН) и аппараты низкого напряже­ния (АНН). Большинство последних, как прави­ло, разделяют на следующие основные виды:

аппараты управления и регулирования — ав­томатические выключатели, контакторы, пуска­тели электродвигателей, регуляторы напряже­ния и другие аппараты, выполняющие преиму­щественно функции исполнительных устройств в системах управления режимами работы и за­щиты электротехнических систем и их ком­понентов;

аппараты автоматики и защиты — реле, дат­чики и другие аппараты, осуществляющие функ­ции контроля, усиления и преобразования элек­трических сигналов.

Аппараты автоматики используются преиму­щественно на информационных уровнях, а также в отдельных случаях, например в маломощных электротехнических устройствах, в качестве ис­полнительных устройств.

Создание и развитие ЭА неразрывно связаны с историей электротехники. Большой вклад в развитие электроаппаратостроения был сделан отечественными электротехниками. Истории развития ЭЛ посвящено много статей и моногра­фий, но наиболее полно она нашла отражение в работах М.А. Бабикова [6.49; 6.50], где особен­но ярко показан вклад отечественных ученых и инженеров в создание ЭА на разных историче­ских этапах.

Конец XIX в. явился периодом, когда были созданы и внедрены первые образцы, многих ви­дов ЭА. Создателей этих приборов отличала многогранная деятельность в различных облас­тях электротехники. Примером могут служить выдающиеся русские электротехники В.Н. Чико-лев и М.О, Доливо-Добровольский.

В.Н. Чиколевым были созданы первые сиг­нальные электромагнитные реле и автоматиче­ские выключатели с дистанционным управлени­ем, автоматический регулятор напряжения, рео­статный регулятор напряжения для возбужде­ния генератора и предохранители. М.О. Доливо-Добровольский разработал и впервые применил:

в 1890 г. — пусковой реостат к асинхронным двигателям и высоковольтный плавкий предо­хранитель; в 1891 г.— минимально-максималь­ное токовое реле; в 1893 г. — автотрансформа­тор для регулирования, выключатель-рубильник с пружинными контактами и автоматом; в 1910 г. — дугогасительное устройство из изоля­ционного материала с узкими щелями и метал­лической решетки; в 1914 г. —деионную решет­ку со специальными электромагнитами для втя­гивания дуги в щель.

Промышленное производство ЭА в России было организовано впервые в 1878 г. морским ведомством в г. Кронштадте под руководством А.П. Давыдова, Затем в более крупном масштабе было начато производство ЭА на первой элек­тротехнической фирме «П.Н. Яблочков — изо­бретатель и К°. Товарищество электрического освещения и изготовления электрических аппа­ратов и машин в России».

Развитие отечественного электроаппарата и строения после 1917 г. происходило в рамках плановой государственной экономики, ориенти­рованной на создание мощной отечественной ба­зы электротехнической промышленности.

В 1920 г. в соответствии с планом ГОЭЛРО началось развитие электромашиностроения как самостоятельной отрасли промышленности. В 1921 г. были созданы электроаппаратные цехи на крупнейших электромашиностроительных за­водах — «Электросила». ХЭМЗ и «Динамо». С 1925 по 1927 г. первым в Советском Союзе электроаппаратным заводом «Электроаппарат» (г. Ленинград) была разработана серия электри­ческих аппаратов высокого напряжения и освоен их промышленный выпуск.

В период с 1928 по 1932 г. в России были соз­даны новые конструкции аппаратов на напряже­ния до 110 кВ, вентильные разрядники на напря­жение 35 кВ, комплектные распределительные конструкции, трансформаторы тока с фарфоро­вой изоляцией и многие другие новые типы ЭА.

С 1933 по 1937 г. впервые были разработаны и 1 освоены в производстве масляные выключатели на напряжение до 220 кВ. В этот период также был налажен выпуск широкой номенклатуры быстродействующих реле защиты, аппаратов системной автоматики и др.

В первые послевоенные годы (1946—1950гг.) были созданы новые типы безмасляных выклю­чателей высокого напряжения на сжатом возду­хе, автогазовые и с магнитным дутьем. Большое внимание было уделено созданию комплектно-распределительных устройств, а также аппара­тов автоматики и защиты, в частности быстро­действующих реле. Следует отметить, что в этот период большое внимание уделялось разработ­кам методов расчета и проектирования различ­ных видов ЭА.

В 50-х и начале 60-х годов возникла потреб­ность в повышении рабочих напряжений ЭА (до 400 кВ и выше) для дальних линий электропередачи, а также для широкого внедрения сис­тем автоматизации в различных областях про­мышленности. В результате в научных учрежде­ниях и на промышленных предприятиях отечест­венного электроаппаратостроения в эти годы бы­ли созданы все необходимые виды ЭА для осна­щения линий передачи 400 кВ.

В 1890 г, во Франции впервые была синтези­рована шестифтористая сера и во всем мире этот газ известен именно под этим названием. Только в России с 1947г. этот газ называется элегазом—электрическим газом, это название дано шестифтористой сере Б.М. Гохбергом, который еще перед войной начал изучать электрические свойства этого удивительною газа в связи с проводившимися в его лаборатории работами по созданию высоковольтных электростатиче­ских ускорителей заряженных частиц. Им же впервые были высказаны предположения о воз­можности применения элегаза в качестве изоля­ционной среды оборудования высокого напря­жения не только электрофизического, но и энер­гетического назначения — конденсаторов, трансформаторов, кабелей. Исследования отече­ственных ученых по применению элегаза велись по четырем основным направлениям:

получение экспериментальных данных по электрической прочности отдельных видов чисто газовых промежутков, в том числе типо­вых для изоляционных узлов элегазовых аппара­тов (А.Г. Арсон, В.Н. Борин, А.Л. Виленчук, М.И. Сысоев, О.Н. Щербина). На базе экспери­ментальных данных строились инженерные ме­тоды расчета элегазовой изоляции;

изучение электрической прочности вдоль по­верхности твердого диэлектрика в элегазе, раз­работка инженерных методов расчета напряже­ния поверхностного разряда и конструирование на этой основе изоляторов для элегазового обо­рудования (В.Н. Борин, В-Н. Вариводов, А.Л. Виленчук, А-Л, Нетерсон, О.Н. Щербина);

изучение физики пробоя элегаза, построение физически обоснованного метода расчета элега­зовой изоляции (И.М. Бортник, В.П. Вертиков, А.А. Панов);

изучение химических процессов в элегазо­вой изоляции, в том числе происходящих под действием электрических разрядов, изучение процессов взаимодействия элегаза, примесей в нем и продуктов его разложения в электриче­ском разряде с проводниковыми и диэлектриче­скими материалами, разработка на этой основе методов обеспечения стабильных характеристик элегаза и конструкционных материалов (В.Г. Аракслян).

Надо отметить, что по всем четырем перечис­ленным направлениям отечественные работы по научному уровню не отставали от уровня зару­бежных исследований, а иногда и опережали их.

Создание дальних линий передачи напряже­нием 750 кВ также потребовало разработки но­вых высоковольтных ЭА, которые были успеш­но разработаны и внедрены в эксплуатацию.

Важнейшей частью большинства видов ЭА являются контакты. Поэтому создание эффек­тивных ЭА неразрывно связано с разработкой научных основ в этой области.

Электрические контакты

Типы электрических контактов. Соединение двух (или более) токоведущих элементов электрической цепи называют электрическим кон­тактом. Для создания замкнутой электрической цепи обычно необхо­димо осуществить несколько контактов. Различают неподвижные и подвижные контакты.

Рис 36. . Устройство рычажного контакта: 1- неподвижный контакт; 2 – подвижный контакт; 3 – шток.

При наличии неподвижных контактов токоведущие элементы электрической цепи в процессе работы не перемеща­ются относительно друг друга, а плотно и надежно соединены между собой. В случае подвижных контактов элементы цепи в процессе ра­боты соединяются между собой (замыкаются) и остаются плотно и на­дежно скрепленными либо разъединяются (размыкаются) с помощью электромеханического или механического устройства (привода).

В качестве примера подвижного контакта на рис. 9.1 показано устройство рычажного контакта. Неподвижный элемент 1 и подвижный элемент 2 соединяются под действием перемещения што­ка 3.

Другим примером подвижного контакта может служить шар­нирный контакт (рис. 9.2), где неподвижный элемент 1 и подвижный элемент 2 соединяются между собой при воздействии внеш­ней силы на рычаг 3. Подвижный элемент 2 поворачивается относи­тельно оси 4.

а) б)

Рис 36. . а. Устройство шарнирного контакта: 1- неподвижный элемент; 2 – подвижный элемент; 3 – рычаг; 4- ось. б. Устройство магнитоупровляймого герметизированного контакта(геркона): 1 – колба; 2 – контактные пружины; 3 – обмотка.

Разновидностью подвижных контактов являются скользящие контакты, у которых один элемент (обычно угольная щет­ка) перемещается (скользит) относительно других (например, медных пластин), как в щеточно-коллекторном устройстве электрических машин постоянного тока.

К подвижным контактам относятся также магнитоуправляемые герметизированные контакты (герконы). Простейший геркон (рис. 9.3) представляет собой миниатюрную за­паянную стеклянную колбу 7, в которую впаяны две плоские контакт­ные пружины 2 из магнитомягкой стали.

Если геркон поместить в магнитное поле, созданное обмоткой 3 или постоянным магнитом, то пружины намагнитятся и притянутся друг к другу. Произойдет замыкание контактов и, следовательно, за­мыкание электрической цепи. После исчезновения магнитного поля контакты вновь разомкнутся за счет силы упругости пружин. Кон­тактирующие поверхности пружин покрывают тонким слоем металла с очень малым удельным электрическим сопротивлением (серебро, золото, платина). Колбу геркона заполняют инертным газом или вакуумируют. Герконы позволяют производить коммутации в цепях при значениях тока 0,5—1 А. Малая масса элементов геркона определяет высокое быстродействие этих контактов — время срабатывания со­ставляет 0,5—1,0 мс.

Важным свойством герконов является их высокая износоустой­чивость. Некоторые виды герконов позволяют производить до двух тысяч переключений в секунду и допускают сотни миллионов сраба­тываний.

Разновидностью герконов являются магнитоуправляемые герме­тические силовые контакты — герсиконы. Они позволяют произво­дить коммутации в цепях при значениях тока 60, 100, 180 А и напря­жения 220—440 В.

Многочисленные исследования контактных явлений с использова­нием научных достижений в электродинамике и теплопередаче позволяли развивать теоретиче­ские основы проектирования контактов. Основ­ными движущими факторами в этом направле­нии являлись уменьшение потерь мощности, улучшение массогабаритных характеристик и уменьшение стоимости ЭА, Научные достиже­ния на этих направлениях нашли воплощение в создании теории композиционных жидкометаллических контактов.

Исторически жидкометаллические контакты появились одновременно с первыми электротех­ническими устройствами, в которых осуществ­лялась коммутация тока с неподвижной части на подвижную. Однако их развитие замедлилось в связи с тем, что в качестве жидкого металла, как правило, использовалась ртуть, являющаяся сильным токсичным элементом. В то же время преимущества жидкометаллических контак­тов — малые потери энергии, возможность рабо­ты в экстремальных условиях и др. — сделали научно-исследовательские работы в этой облас­ти актуальными. В результате в конце 50-х и на­чале 60-х годов под руководством Н.Е. Лысова начали проводиться широкомасштабные науч­ные исследования по созданию жидкометаллических контактов на основе нетоксичных эле­ментов и их сплавов. Дальнейшее развитие эти работы получили в ряде научных коллективов СССР под руководством В.Г. Дегтяря, В.С. Зарецкаса, Л.И. Тучинскогоидр. В результате этих работ были развиты основы теории жидкометаллических контактов и создан широкий класс композиционных контактных элементов с жест­кими и эластичными каркасами, переходное со­противление которых очень мало, является ста­бильным и не зависит от положения в простран­стве и направления силовых воздействий.

С середины 60-х годов во всех развитых госу­дарствах мира, включая СССР, начинается мас­совое производство полупроводниковых прибо­ров, применение которых в электроаппаратостроении оказало существенное влияние на тех­нико-экономические характеристики различных видов ЭЛ, особенно низкого напряжения. В ре­зультате внедрения усилителей, функциональ­ных преобразователей и других полупроводни­ковых устройств стало возможным повысить бы­стродействие контакторов и реле за счет форси­рования режимов включения и отключения, рас­ширить их функциональные возможности.

В этот период были созданы и внедрены пер­вые гибридные ЭА, сочетающие достоинства электромагнитных и полупроводниковых ЭА. Одновременно были существенно улучшены конструкции электромагнитных ЭА за счет ис­пользования новых, высокоэффективных элек­трических материалов. Это позволило улучшить массогабаритные показатели ЭА.

Промышленное освоение мощных тиристоров стало основой для возрождения и расшире­ния работ по созданию высоковольтных линий электропередачи постоянного тока. Для оснаще­ния этих линий потребовались новые виды вы­ключателей, разъединителей, предохранителей и других видов ЭА. Так, например, для защиты тиристорных преобразователей потребовалось разработать специальные быстродействующие ЭА на основе жидких металлов.

С середины 80-х годов начала интенсивно развиваться силовая электроника. На основе дос­тижений электронных технологий были созданы силовые полупроводниковые приборы, отли­чающиеся полной управляемостью, низким по­треблением энергии на управление и высоким быстродействием. Использование нового поко­ления силовых электронных приборов в сочета­нии с достижениями в области микроэлектрон­ных технологий позволило создавать принципи­ально новые виды бесконтактных ЭА, сочетаю­щих функции регулирования, контроля, диагно­стики и защиты. В этом смысле в 90-х годах ста­ло возможным говорить о новом поколении «ин­теллектуальных» ЭА.