Глава 5. Электрические аппараты, проводники, изоляторы

5.1. Коммутационные аппараты на напряжение до 1 кВ

К коммутационным аппаратам до 1000 В относятся: рубильники и переключатели, плавкие предохранители, контакторы, магнитные пускатели и автоматические выключатели (автоматы).

Рубильники предназначены для ручного включения и отключения электрических цепей постоянного и переменного тока напряжением до 500 В включительно и на поминальные токи до 10000 А [Л. 20]. По конструкции различают одно- и трехполюсные рубильники. Предельный ток, который может отключать рубильник, обычно меньше номинального. Для повышения предельного отключаемого тока рубильники снабжают дугогасительными камерами с дугогасительными решетками. Рубильник, не снабженный устройством для гашения дуги, служит для снятия напряжения - отключения цепи без тока и создания видимого разрыва.

Переключатели предназначены для переключений и представляют собой двусторонние рубильники. Важнейшей частью рубильника являются контакты - обычно врубного типа. В рубильниках на малые токи контактное нажатие обеспечивается за счет пружинящих свойств материала губок, а на токи от 100 А и выше - стальными пружинами.

Для надежного отключения и предохранения ножей от обгорания рубильники выполняют с моментным отключением или с дугогасительными контактами. Моментное отключение достигается при помощи моментного ножа, связанного пружиной с параллельным главным ножом. При отключении сначала выходит главный нож и растягивает пружину. Скорость движения моментного ножа и раствор контактов определяются параметрами отключающей пружины. При применении дугогасительных камер моментные ножи обычно не применяют.

Дугогасительные контакты применяют в рубильниках постоянного тока при токах более 100 А и во всех рубильниках переменного тока, где скорость расхождения контактов и их раствор практически не влияют на условия гашения дуги. Эти контакты отключаются последними и служат для защиты главных контактов от обгорания.

Плавкие предохранители - аппараты, автоматически отключающие электрическую цепь при коротком замыкании в ней. Процесс отключения состоит из нагревания вставки до температуры плавления, плавления и испарения вставки, возникновения электрической дуги и ее гашения с восстановлением изоляционных свойств промежутка.

Предохранители низкого напряжения изготовляют на токи от миллиампер до тысяч ампер и на напряжения 250, 500 и 660 В. При многообразии их конструкции все они содержат: корпус или несущую деталь, плавкую вставку, контактное присоединительное устройство, дугогасительное устройство или дугогасительную среду (рис. 4.3.,а.).

Рис. 4.3. Предохранитель серии ПР:

а - разрез; б - ампер-секундная характеристика; 1 - фибровая трубка:

2 - плавкая вставка; 3 - латунная втулка;

4 - болтовой контакт ножа с плавкой вставкой; 5 - латунный колпачок;

6 - медный контактный нож.

Важнейшей характеристикой предохранителя является зависимость времени перегорания плавкой вставки от величины тока - защитная или ампер-секундная характеристика предохранителя (рис. 4.3,б).

Различают минимальный плавящий I_мин.пл и номинальный I_ном токи плавкой вставки. Наибольший ток, при котором вставка не перегорает при течении 1 - 2 ч, называют минимальным плавящим током. Его величина зависит от размеров сечения вставки, материала и длины, от конструкции предохранителя, окружающей температуры и обычно нормируется. Номинальный ток плавкой вставки принимается в 1,3 - 1,4 раза меньше ее минимального плавящего тока для предотвращения отключения цепи при нестабильности ампер-секундной характеристики вставки вследствие окисления металла вставки, повышения переходного сопротивления контактов и др.

Плавкие вставки изготовляют из легкоплавких металлов и их сплавов - свинца (200 - 327 °С), цинка (420°С) или из тугоплавких - меди (1080°С), реже серебра (960°С). Первые позволяют получить невысокую температуру всего предохранителя, что важно для работы контактных соединений, но вследствие невысокой электропроводности легкоплавких металлов сечения вставок получаются большими, что приводит к образованию большого количества паров металла при перегорании и ухудшению (для свинцовых вставок) условий гашения дуги. Пары цинка имеют относительно невысокий потенциал ионизации, и их обилие способствует гашению дуги. Вставки из меди и серебра имеют меньшее сечение, но при токах, близких к номинальным, они сильно нагреваются, что приводит к разрушению деталей предохранителя. Медные вставки для стабильности их ампер-секундных характеристик должны иметь антикоррозионное покрытие.

Для снижения электродинамических и термических воздействий на проводники и аппараты защищаемой цепи плавкая вставка должна перегорать в кратчайшее время до появления ударного значения тока, т. е. должна ограничивать ток. Чем меньше время перегорания плавкой вставки и меньше величина тока при этом, т. е. чем круче ампер-секундная характеристика, тем выше токоограничивающее действие предохранителя.

Для сокращения времени плавления вставки ей придают специальную плоскую форму с двумя или несколькими суженными участками или используют металлургический эффект - растворение тугоплавких металлов в расплаве легкоплавких. В первом случае при номинальном токе избыточное тепло, выделяющееся в сужениях, вследствие высокой теплопроводности успевает распространиться к более широким участкам вставки, и вся вставка имеет практически одинаковую температуру. При резком увеличении тока процесс нагрева можно считать адиабатическим, т. е. без отдачи тепла и вставка перегорает в одном или нескольких суженных местах. Во втором случае для ускорения плавления вставки на медные или серебряные проволоки, обычно включенные параллельно, напаивают небольшие оловянные шарики.

Гашение электрической дуги, возникающей после перегорания вставки, должно происходить в короткое время, которое будет зависеть от конструкции предохранителя и способа гашения. В предохранителях с закрытыми разборными патронами из фибры без наполнителя (тип ПР) дуга гаснет за счет высокого давления (40 - 60 кгс/см²) и свойств среды, возникающих в патроне при горении дуги и разложения фибры (50 % СО2, 40 % Н2, 10 % Н2О). В предохранителях с закрытыми патронами при наличии наполнителя (обычно кварцевого песка, например, в предохранителях типа ПН) дуга гаснет благодаря интенсивному охлаждению ствола дуги наполнителем и давления, создаваемого дугой в узких каналах наполнителя.

Наибольший ток, который может отключить предохранитель без повреждений, называют предельным током отключения предохранителя.

Предохранители разборного типа без наполнителя способны отключать токи до 10 - 30 кА при напряжении источника 220 - 500 В, а с наполнителем, т. е. засыпные - до 50 кА при напряжении сети 380 В.

Вследствие того, что ампер-секундные характеристики существующих предохранителей довольно крутые, с помощью одного предохранителя нельзя одновременно защитить цепь от токов к. з. и от токов перегрузок. Защита цепей от перегрузок обычной осуществляется тепловыми реле на основе биметаллических элементов (см. магнитные пускатели), а от токов к. з. - предохранителями. Современные инерционные предохранители имеют ампер-секундную характеристику, которая позволяет их использовать для защиты от токов к. з. и от перегрузок [Л. 22].

Плавкие предохранители не имеют размыкающих контактов и приводов, поэтому их применяют в сочетании с простейшими отключающими аппаратами для оперативной коммуникации цепей в рабочем режиме: рубильники, контакторы и др.

Основные достоинства плавких предохранителей в простоте и компактности конструкции, экономичности, а недостатки - в необходимости замены перегоревшей вставки, невозможности АПВ, в ограниченной селективности (избирательности) действия (только в радиальных разомкнутых цепях).

Контакторы служат для дистанционного и автоматического управления электродвигате­лями или какими-либо другими цепями в уста­новках постоянного и переменного тока на­пряжением до 1000В. В отличие от автоматов контакторы не защищают электрические цепи от ненормальных режимов (коротких замыка­ний, перегрузок и т. п.) и могут быть исполь­зованы для частых включений и отключений цепей.

Рис. 15-13 поясняет принцип устройства и схему включения однополюсного контактора. При замыкании ключом 7 (без самовозврата) цепи катушки удерживающего электромагнита 4

г)

Рис. 15-13. Однополюсный контактор.

а — схема устройства; б — схема включения; в — условное изображение контактора в однолинейных схемах в положении отключено; г — то же, но в положении включено (зигзаг 6 над контактами указывает, что контактор выполнен с дугогашением)

якорь 3 притягивается к его сердечнику и контакты 1 замыкаются. Для удержания кон­тактора во включенном положении катушка электромагнита 4 все время должна обтекать­ся током, для чего ключ 7 должен быть все время замкнут, так как контакторы нормаль­но удерживающих защелок не имеют. Для отключения контактора достаточно ра­зомкнуть ключ управления 7. Удерживающий электромагнит будет обесточен, и контактор отключится под действием собственного веса подвижных частей. Некоторые контакторы имеют отключающие пружины.

Контакторы обычно снабжаются дугогасительными решетками Неметаллическими пла­стинами или с пластинами из дугостойкого изоляционного материала.

При помощи отдельно установленных реле можно осуществлять автоматическое включе­ние и отключение контакторов. Так, если под­ключить нормально разомкнутые контакты реле Р параллельно ключу 7 (пунктирные со­единения на рис. 15-13), то при замыкании контактов реле контактор будет включен и на­оборот. Таким образом, при помощи контакто­ров и различного типа реле, соединенных по специальным схемам, можно осуществлять автоматическое управление установкой.

Изготовляют также контакторы с нормаль­но замкнутыми контактами (при обесточен­ной катушке удерживающего электромагнита). После возбуждения током удерживающего электромагнита эти контакторы отключаются. Применяют их в различных схемах автомати­ческого управления.

Удерживающий электромагнит контактора может питаться от постороннего источника тока (рис. 15-13), например, от аккумулятор­ной батареи, или от той же цепи, в которую включен контактор. Во втором случае при пониженном напряжении в сети сила притяжения якоря к сердечнику электромагнита уменьшается, и контактор мо­жет отключиться. Если это по условию режима работы цепи недопустимо, то надо питать удерживающий электромагнит от независимо­го источника тока.

На рис. 15-14 приведен общий вид и по­перечные разрезы по магнитной и контактной системам трехполюсного контактора перемен­ного тока типа КТ с дугогасительными решет­ками.

Рис.15-14. Контактор переменного тока трехполюсный с дугогасительными решетками.

а- общий вид; б – разрез по удерживающему электромагниту; в – разрез по контактам и дугогасительной решетке. 1- ярмо с сердечником; 2 – якорь; 3 – удерживающий электромагнит; 4 – упор; 5 – держатель якоря; 6 - контактная стойка; 7 – неподвижный главный контакт; 8 – подвижный главный контакт; 9 – дугогасительный рог; 10 – гибкая связь; 11 – пружина; 12 – держатель подвижного контакта; 13 — вал из изоляционного материала; 14 — дугогасительная решетка; 15 — стальные пла­стины; 16 — подшипник; 17 — размыкающие блок-контакты; 18 — замыкающие блок-контакты.

Магнитные пускатели применяют для ди­станционного управления асинхронными короткозамкнутыми электродвигателями, вклю­чаемыми на полное напряжение сети.

Магнитный пускатель состоит из трехпо­люсного контактора, двух тепловых реле и блок-контактов, встроенных в общий ящик (рис. 15-15 и 15-16). Управление пускателями обычно кнопочное. В схеме рис. 15-15 в отли­чие от схемы рис. 15-13 предусмотрено пита­ние удерживающего электромагнита 1 пере­менным током от сети, питающей электродви­гатель Д. Для управления магнитным пуска­телем предусмотрены включающая В и отключающая О кнопки (вторая нормально замкну­та), а также блок-контакты 3, связанные с подвижной частью пускателя.

Рис. 15-15. Магнитный пускатель.

а—принципиальная схема устройства;

б — условное обозначение

в однолинейных схемах.

Рис.15-16. Трехполюсный пускатель (закрывающая крышка снята)

1- вал контактора; 2 - камеры дугогасительных решеток; 3 — удерживающий элек­тромагнит; 4 — тепло­вое реле; 5 — блоки­ровочные контакты

Нажатием включающей кнопки замыкают цепь удерживающего электромагнита / (кон­такты 5 и 5' тепловых реле нормально замкну­ты), который притягивает якорь 2 и включает контактор. При включении контактора замы­каются блок-контакты 3, шунтирующие вклю­чающую кнопку. После размыкания этой кнопки цепь электромагнита остается замкну­той через контакты 3, отключающую кнопку и контакты 5 и 5' тепловых реле. Дистанцион­но контактор отключают нажатием на отклю­чающую кнопку, разрывающую цепь удержи­вающего электромагнита.

Защита от перегрузок осуществляется при помощи тепловых реле, встроенных в пуска­тель. Каждое тепловое реле содержит биме­таллический элемент 6 (или 6'), нагреваемый нихромовым нагревательным элементом 4 (или 4'), по которому протекает ток электро­двигателя (рис. 15-15). При размыкании контактов хотя бы одного теплового реле (5 или 5') разрывается цепь удерживающего электромагнита и пускатель отключается.

Магнитный пускатель отключает двигатель также при понижении подведенного напряжения до 50—60% от номинального, так как при этом напряжении удерживающий электромагнит уже не в состоянии удержать пускатель во включенном положении.

Магнитные пускатели не защищают цепь от коротких замыканий, поэтому в цепях электродвигателей дополнительно устанавливают плавкие предохранители.

Удерживающие электромагниты магнитных пускателей нормально предназначены для работы только на переменном токе. На тех двигателях, которые после восстановления напряжения в питающей сети должны разворачиваться автоматически (например двигатели ответственных механизмов собственных нужд электростанций), магнитные пускатели не должны иметь блок-контактов 3 и управления ими должны быть применены поворотные ключи управления без самовозврата, как на схеме рис. 15-13.

Автоматические воздушные выключатели (автоматы) с естественным воздушным ох­лаждением (автоматы) предназначены для отключения тока при КЗ, перегрузках и недопустимых снижениях напряжения, для оперативных включений и отключений электрических цепей (в том числе электродвигателей) на напряжение до 1 кВ.

Расцепители (реле прямого действия), являясь составной частью автоматов, контроли­руют заданный параметр защищаемой цепи и воздействуют на расцепляющее устройство, отключающее автомат.

Наиболее распространенными расцепителями являются:

а) электромагнитные — для защиты от тока КЗ;

б) тепловые — для защиты от перегрузок;

в) комбинированные, совмещающие в себе электромагнитные и тепловые расцепители;

г) полупроводниковые, позволяющие ступенчато менять: номинальный ток расцепителя; время срабатывания в зоне пере­грузки; отношение тока срабатывания при токе КЗ (0,1; 0,25; 0,4 с).

Полупроводниковые расцепители имеют более стабильные параметры и удобны в настройке.

Если автомат не имеет максимальных расцепителей, то он ис­пользуется только для коммутаций цепей без тока.

Кроме указанных выше, имеются также минимальные, нуле­вые, независимые и максимальные токовые расцепители. Мини­мальные расцепители отключают включенный автомат при U = (0,35÷0,7)U_H0M; нулевые расцепители — при (0,1÷0,35) U_H0M. Независимые расцепители служат для дистанционного отключе­ния автоматов, максимальные токовые — для защиты электриче­ских цепей (кроме двигателей) от перегрузки.

Основные элементы автоматического выключателя и их вза­имодействие рассмотрим по принципиальной схеме (рис. 4.18).

Контактная система выключателей на большие токи — двухступенчатая, состоит из главных 11, 5 и дугогасительных кон­тактов 7. Главные контакты должны иметь малое переходное со­противление, так как по ним проходит основной ток. Обычно это массивные медные контакты с серебряными накладками на неподвижных контактах и металлокерамическими накладками на подвижных контактах. Дугогасительные контакты замыкают и раз­мыкают цепь, поэтому они должны быть устойчивы к возникаю­щей дуге, поверхность этих контактов металлокерамическая.

При номинальных токах 630 А контактная система одноступен­чатая, т. е. контакты выполняют роль главных и дугогасительных.

На рис. 4.18 выключатель показан в процессе отключения. Что­бы его включить, вращают рукоятку 2 или подают напряжение на электромагнитный привод 1(YA). Возникающее усилие перемещает рычаги 3 вправо, при этом поворачивается несущая Деталь 13, замыкаются сначала дугогасительные контакты 7 и со­здается цепь тока через эти контакты и гибкую связь 12, а затем главные контакты 5, 11. После завершения операции выключатель Удерживается во включенном положении защелкой 14 с зубцами 15 и пружиной 16.

Отключают выключатель рукояткой 2, приводом / или автома­тически при срабатывании расцепителей.

Максимальный расцепитель 17 срабатывает при про­текании по его обмотке YAT1 тока КЗ. Создается усилие, преодо­левающее натяжение Р пружины 16, рычаги 3 переходят вверх за мертвую точку, в результате чего автоматический выключатель отключается под действием отключающей пружины 4. Этот же рас­цепитель выполняет функции независимого расцепителя. Если на нижнюю обмотку YAT2 подать напряжение кнопкой SB, он срабатывает и осуществляет дистанционное отключение.

При снижении или исчезновении напряжения срабатывает минимальный расцепитель 18 и также отключается авто­матический выключатель.

При отключении сначала размыкаются главные контакты, и весь ток переходит на дугогасительные контакты. На главных кон­тактах дуга не образуется.

Рис. 4.18. Принципиальная схема автоматического выключателя:

/ — электромагнитный привод; 2 — рукоятка ручного включения; 3 — рычаги механизма свободного расцепления; 4 — отключающая пружина; 5 — главный подвижной контакт; 6— пружина; 7 — дугогасительные контакты; 8 — дугогаси-тельная камера; 9 — электродинамический компенсатор в виде шинок; 10 — пружина; 11 — главные неподвижные контакты; 12 — гибкая связь; 13 — несу­щая деталь; 14 — удерживающая защелка с зубцами 15 и пружиной 16; 17 — максимальный расцепитель; 18 — минимальный расцепитель.

Дугогасительные контакты 7 размыкаются, когда главные на­ходятся на достаточном расстоянии. Между дугогасительными кон­тактами образуется дуга, которая выдувается вверх в дугогасительную камеру 8, где и гасится.

Привод, служащий для включения автомата, может быть ручным непосредственного действия и дистанционным (соленоидным, пневматическим и др.).

На электростанциях, подстанциях, на промышленных пред­приятиях и быту применяются автоматические выключатели раз­личных конструкций.