Глава VIII
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА
КЛАССИФИКАЦИЯ АППАРАТУРЫ
К электрической аппаратуре относятся различные бытовые и промышленные установки и устройства, предназначенные для включения и отключения, управления, регулирования и защиты электрических цепей, а также для контроля и регулирования неэлектрических процессов.
По назначению электрические аппараты делятся на группы. Коммутационные аппараты служат для включения и отключения электрических цепей. К ним относятся рубильники, переключатели, пакетные выключатели, предохранители, магнитные пускатели, контакторы, выключатели, разъединители, отделители, короткозамыкатели.
Ограничивающие аппараты предназначены для ограничения тока (реостаты) и уменьшения перенапряжений (разрядники).
Измерительные трансформаторы тока и напряжения служат для преобразования измеряемых величин тока и напряжения до стандартных значений, удобных для измерения.
Пускорегулирующие аппараты предназначены для пуска, регулирования скорости вращения, напряжения и тока электрических машин и других потребителей электрической энергии. К этой группе относятся контроллеры, сопротивления, реостаты, командоаппараты. Характерными для них являются частые включения и отключения.
Контролирующие аппараты осуществляют контроль заданных электрических и неэлектрических параметров (реле, датчики).
Регулирующие аппараты предназначены для регулирования параметра по определенному наперед заданному закону. Это — регуляторы напряжения, тока, температуры, скорости вращения.
В зависимости от рабочего напряжения вес электрические аппараты подразделяют на низковольтные, работающие в сетях напряжением до 1000 В, и высоковольтные, работающие в сетях напряжением выше 1000 В.
При эксплуатации электрической аппаратуры необходимо выполнять требования:
при номинальном режиме температура токоведущих частей не должна превышать допустимых для нее значений. Возникающие при коротком замыкании значительные термические и динамические нагрузки не должны вызывать остаточных явлений, которые препятствовали бы дальнейшей нормальной работе аппарата;
аппараты, предназначенные по условиям работы для включения и отключения токов короткого замыкания, должны иметь контакты, рассчитанные на этот режим работы;
аппараты, предназначенные для частого включения и отключения номинального тока нагрузки, должны иметь высокую механическую и электрическую износоустойчивость;
изоляцию электрических аппаратов необходимо рассчитывать из условия возможных перенапряжений (которые могут иметь место при работе установки) с определенным запасом, учитывающим ухудшение изоляции в процессе эксплуатации;
все аппараты должны иметь возможно меньшие массу, габаритные размеры и стоимость. Конструкция аппаратов должна позволять легко и быстро производить их установку и эксплуатацию; аппараты должны иметь высокую надежность в работе.
Кроме перечисленных к каждому аппарату предъявляются специфические требования, обусловленные его назначением. Например, конструкция трансформатора тока должна обеспечивать токовую и угловую погрешность в пределах допустимых величин; контактор должен иметь высокую механическую и электрическую износоустойчивость; автомат (предохранитель) должен отключать ток короткого замыкания или ток перегрузки за определенное время.
АППАРАТУРА НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Основные электрические аппараты низкого напряжения подразделяют на рубильники, переключатели и пакетные выключатели, предохранители, блоки рубильник-предохранители, электромагнитные контакторы, магнитные пускатели, автоматические выключатели.
Рис. 46. Рубильник с моментным ножом (а) и с дугогасительными контактами (б)
Рубильник является самым простым выключающим аппаратом, широко применяющимся в сетях постоянного тока напряжением 220 В и переменного тока напряжением 380 В. Рубильники с моментным ножом (рис. 40,а) применяют в сетях переменного тока до 500 А. На изоляционной плите 1 закреплены неподвижные контакты 2, в которые входят моментный 3 и подвижный 4 ножи. Пружина 5 создает увеличенный момент отключения, что способствует улучшенному гашению дуги. Рукоятка 6 служит для включения рубильника. К неподвижным контактам 2 подсоединяется внешняя цепь.
Рубильники с дугогасительными отрывными контактами (рис. 46, б) применяют на постоянном токе свыше 500 А и при любом значении переменного тока. Кроме основной контактной группы силовых контактов 1—4 они имеют дугогасительные контакты 8. Эти контакты располагают так, что при включении рубильника электрическая дуга возникает на них, а после их замыкания при дальнейшем движении ножа 4 основной ток силовой цепи проходит через контакты группы 1—4. При отключении сначала размыкаются силовые контакты, а затем дугогасительные, на которых и гаснет дуга. Основные контакты (силовые) выполняют медными; дугогасительные — угольными, с железными скобами, предохраняющими их от механических повреждений, и металлокерамическими. В рубильниках на токи до 100 А контакт создается пружинящими свойствами материала контактных губок, при больших токах применяют пружины плоские и спиральные.
Для увеличения термической и динамической устойчивости в рубильниках набольшие токи подвижный нож выполняют из двух пластин. При включении рубильника эти пластины располагаются по обе стороны от неподвижного контакта. В двух- и трехполюсных рубильниках трудно добиться одновременного отрыва всех контактов и гашения дуги. Поэтому для повышения надежности работы в современных рубильниках устанавливают простейшие дугогасительные камеры. Пластинами дугогасительной решетки 7 дуга делится на несколько самостоятельных дуг и быстрее гаснет.
Переключатель отличается от рубильника тем, что имеет две системы неподвижных контактов и три коммутирующих положения. В среднем положении ножи фиксируются в разомкнутом состоянии; два крайних положения — включение (подключение к различным цепям). Пакетные выключатели и переключатели применяют для переключения одновременно в нескольких электрических цепях. Их изготовляют на токи до 400 А при напряжении 220 В и до 250 А при напряжении 580 В. Выключатель представляет собой набор колец-пакетов из изоляционного материала, во внутренней части которых находятся контактные устройства. Неподвижные контакты расположены на кольце-пакете и выходят наружу, подвижные — насаживают (через изоляцию) на вал выключателя, который приводится во вращение поворотом рукоятки.
Быстрый разрыв и замыкание цепи обеспечиваются специальной пружиной. При расхождении контактов электрическая дуга гасится в двух разрывах в закрытой камере, образованной между пакетами. Пакетные выключатели выгодно отличаются от рубильников меньшими габаритными размерами, удобством монтажа и тем, что гашение дуги происходит в замкнутом объеме, без выброса наружу пламени и газов. Однако эти выключатели имеют ограниченный срок службы: 10 000 операций в обычных цепях и 5000 — в сильноиндуктивных.
Для защиты силовых цепей низкого напряжения применяются предохранители, контакторы, магнитные пускатели и автоматы.
Предохранитель — это аппарат, предназначенный для защиты электроустановок от токов перегрузки и короткого замыкания. Благодаря своей простоте, малым габаритным размерам, большой отключающей способности и дешевизне предохранители широко применяют в различных электроустановках напряжением до и свыше 1000 В. Несмотря на конструкционное многообразие, все предохранители состоят из следующих основных элементов: корпуса или несущей детали; плавкой вставки; контактного присоединительного устройства; дугогасительного устройства или среды для дугогашения. Плавкую вставку включают в рассечку (последовательно) защищаемой цепи. При прохождении по цепи тока больше допустимого плавкая вставка расплавляется и цепь отключается.
Основные параметры предохранителя — номинальный ток предохранителя и номинальный ток плавкой вставки:
номинальный ток предохранителя указан на предохранителе, равен наибольшему из токов плавких вставок, предназначенных для данного предохранителя;
номинальный ток плавкой вставки указан на плавкой вставке. При этом токе предохранитель может эксплуатироваться длительное время.
Пограничный ток плавкой вставки — ток, при котором плавкая вставка расплавится через промежуток времени (1—2 ч), достаточный для достижения ею установившейся температуры; предельный Ток отключения предохранителя при данном напряжении характеризует разрывную (отключающую) способность предохранителя. Это наибольшее значение тока короткого замыкания сети, при котором гарантируется надежная работа предохранителя.
Существенным достоинством плавких предохранителей является их токоограничивающее действие. Плавкая вставка перегорает намного раньше, чем ток в цепи при коротком замыкании достигнет установившегося значения. При этом ток короткого замыкания ограничивается в 2—5 раз, чем снижается разрушительное действие электродинамических сил на защищаемое электрооборудование.
Плавкую вставку выполняют в виде пластин с вырезами, уменьшающими ее сечение на отдельных участках. Процесс нагрева суженного перешейка протекает так быстро, что тепло не успевает отводиться на участки повышенного сечения вставки. За счет этого резко снижается время срабатывания предохранителя с момента возникновения короткого замыкания до появления дуги. Процесс гашения начинается раньше, чем ток короткого замыкания достигнет установившегося (или даже амплитудного) значения,—дуга гаснет за тысячные доли секунды. Быстродействие обеспечивается так называемым металлургическим эффектом.
Рис. 47. Плавкие предохранители типов ПР-2 (а) и ПН-2 (б), инерционный (в) Л форма плавкой вставки (г)
Металлургический эффект заключается в том, что такие легкоплавкие металлы, как олово, свинец и другие, способны в расплавленном состоянии растворять тугоплавкие металлы (медь, серебро и др.). Для ускорения плавления на проволоки плавкой вставки напаивают небольшие оловянные шарики. При токах перегрузки температура вставки достигает температуры плавления олова и шарик плавится, растворяя часть металла, на котором он напаян. В этом месте увеличивается сопротивление вставки и снижается температура плавления тугоплавкого металла, т. е. температура плавления вставки оказывается намного ниже температуры плавления металла, из которого она выполнена.
В номинальном режиме оловянный шарик практически не влияет на температуру нагрева вставки. Металлургический эффект используют, когда вставка выполнена из проволоки диаметром до 1 мм; при возрастании диаметра проволоки влияние металлургического эффекта резко снижается.
По конструкции различают следующие предохранители: без патрона, т. е. с открытой плавкой вставкой (применяют на небольшие токи, так как при больших токах они пожароопасны); с полузакрытым патроном; с закрытым патроном с наполнителем и без него; разборные и неразборные патроны с наполнителем и без него; инерционные.
Предохранители с закрытым разборным патроном без наполнителя типа ПР-2 (рис.47, а) изготовляют на напряжение 220 В (габарит I) и напряжение 500 В (габарит II) с номинальными токами предохранителя от 15 д 1000 А и плавких вставок от 6 до 1000 А. На фибровую трубку I с двух сторон навертывают латунные втулки 2, которые имеют прорези для плавкой вставки 3. На втулки 2 навернуты колпачки 4, являющиеся у предохранителей на токи до 60 А контактными частями; у предохранителей от 100 до 1000 А контактными частями являются медные ножи 5. Плавкая вставка имеет от одного до четырех сужений в зависимости от поминального напряжения (рис. 47, г).
Патроны без наполнителя должны перезаряжаться тщательно, по инструкции завода-изготовителя и обязательно только плавкими, вставками, соответствующими заводским условиям. Не следует заряжать патроны медными проволоками взамен заводских плавких вставок, так как при этом возможны местные перегревы, порча и даже разрывы патронов. Коммутационная способность таких предохранителей резко снижается.
Предохранители с мелкозернистым наполнителем имеют более совершенные характеристики, чем предохранители Г1Р-2. Разрез такого предохранителя типа ПН-2 показан на рис. 47, б. Корпус предохранителя 1 выполнен из фарфора или стеатита, имеющего снаружи форму квадрата. Внутри корпус имеет отверстие круглой формы, в котором располагаются ленточные вставки 2 и наполнитель (кварцевый песок) 3. Плавкие вставки приваривают к дискам 4, которые прикрепляют к пластинам 5, связанным с ножевым контактом 6.
Инерционные предохранители имеют выдержку времени 5—10 с и предназначены для защиты цепей двигателей от пусковых токов, которые примерно в 5 раз больше номинального тока. В инерционных предохранителях (рис. 47, в) плавкая вставка 2 обеспечивает быстрое срабатывание при токах короткого замыкания, примерно в 10 раз больших номинального. Плавкая вставка находится в мелкозернистом гипсовом наполнителе 1. При перегрузках, равных пятикратным от номинальных токов, нагреватель 3 передает тепло металлической пластине 4, обладающей большой теплоёмкостью. Процесс нагрева идет медленно, с выдержкой до 6—10 с. Если температура превысит расчетную, произойдет плавление сплава, удерживающего контакт 5 в замкнутом состоянии, и отключение, цепи.
В табл. 39 приведены данные плавких элементов, из которых составляются вставки предохранителей типа ПН-2. Их штампуют из медной фольги разной толщины. Выпускают три типа плавких вставок—одно-, двух- и трехленточные. Каждая ленточка элемента имеет в центре участок с наплавленным оловянным растворителем. В табл. 40 указано количество элементов, необходимое для составления каждой плавкой вставки. Элементы плавкой вставки припаивают (или приваривают на точечном аппарате) к контактным шайбам предохранителя строго по инструкции завода. Кварцевый песок, применяемый для заполнения, должен быть хорошо просушенным, чистым, мелкозернистым и без посторонних примесей. Закупорка патрона должна быть плотной.
В табл. 41 приведены данные неразборных плавких предохранителен и низковольтных с мелкозернистым кварцевым наполнителем типов НПН и НПР.
Блоки рубильник-предохранитель, выполняющие одновременно функции рубильника и предохранителя, изготовляют двух- и трехполюсными на токи до 350 А напряжением до 500 В. Привод — от боковой рукоятки или рычажным. В блоках применена рычажно-кулисная система привода, обеспечивающая прямолинейное поступательное перемещение траверсы с закрепленными на ней предохранителями. Разрыв цепи происходит одновременно в двух местах (на концах предохранителя), где обеспечиваются контакты. Это улучшает условия разрыва цепи и позволяет применять блоки рубильников-предохранителей без дугогасительных устройств. Съем предохранителя и смена плавкой вставки возможны только в отключенном положении; при этом для предотвращения случайного включения рукоятка может быть снята. Подвижные части блока надежно фиксируются в обоих крайних положениях (во включенном и отключенном).
Для включения и отключения цепей постоянного и переменного токов применяйся контакторы. Контакторы — это выключатели с электромагнитным управлением; применяются в схемах с дистанционным и автоматическим управлением. Магнитные элементы контакторов постоянного тока выполняют из сплошных стальных деталей, элементы контакторов переменного тока шихтуют из листовой электротехнической стали. Кроме того, контакторы переменного тока имеют обычно короткозамкнутый виток, предназначенный для устранения вибрации при работе контактора и предотвращения залипания якоря в притянутом положении. Магнитные системы контакторов выполняют с поворотным якорем клапанного типа и с прямоходовым якорем броневого типа.
Для работы в цепи постоянного тока выпускают контакторы типа КПВ на ток 100—С30 А при напряжении 110—220 В, КП — на ток 2500 А при напряжении 600 В, КТ — на ток 160—630 А при напряжении 220 В. На переменном токе напряжением 380 В применяют контакторы типов КТ и КТП на токи 80— 630 А.
39. Данные плавких элементов для вставок предохранителей типа ПН-2
49. Количество элементов, необходимых для составления одной плавкой вставки предохранителей типа ПН
41. Плавкие предохранители типов НПН и НПР
Трехфазные контакторы переменного тока на напряжение 500 В типа КТЭ выпускают на токи: 75 Л (КТЭ-32), 150 А (КТЭ-33), 300 А (КТЭ-34), 600 А (КТЭ-35). Аналогичные контакторы выпускают на напряжение 380 В (тип КТВ). При напряжении до 600 В применяют контакторы типа КТУ на токи: 125 А (КТУ-3) и 250 А (КТУ-4).
Продолжение табл. 40
Продолжение табл. 41
Магнитные пускатели подобно контакторам предназначены для дистанционного включения и отключения трехфазных электродвигателей, т. е. они имеют трехполюсное исполнение. Магнитные контакторы могут быть клапанного и прямоходового типов. При подаче напряжения на катушку якорь поворачивается или перемещается вместе с закрепленными на нем (изолированно) подвижными контактами, которые, замыкаясь с неподвижными, создают электрическую цепь. Основные характеристики пускателей серии ИМ приведены в табл. 42.
Магнитные пускатели серии НА выпускают на токи: 40 (НА300), 63 (ПА400), 100 (ПА500) и 150 (ПА600). Магнитные пускатели типа НМЕ-200 изготовляют для следующих максимальных мощностей двигателей, кВт: при напряжении 127 В — 3(0.4); 220 В — 5,5 (1,1); 380 В — 10 (2,2); 500 В — 10 (4,0)*.
42. Параметры магнитных пускателей серии ПМ
В скобках даны минимальные мощности двигателей, для которых обеспечивается тепловая защита.
Для ручного и дистанционного управления и защиты оборудования от ненормальных режимов широко применяют автоматические выключатели.
Автоматический выключатель обеспечивает самоотключение линий (цепей) в аварийных режимах перегрузки или короткого замыкания. Он может иметь как ручной, так и дистанционный привод, действующий на электромагнитном; пневматическом или гидравлическом принципах. Контактные системы, дугогасительные устройства, кинематика механизмов являются общими для всех выключателей.
Рис. 48. Механизм свободного расцепления
Автоматические выключатели разделяют по способу гашения дуги. Например, у автоматического воздушного выключателя (автомата) электрическая дуга гасится в среде окружающего воздуха. Поэтому он и называется воздушным в отличие от выключателей, у которых дуга гасится в масле или другой среде. Основное принципиальное отличие автомата от контактора — наличие механизма свободного расцепления (рис. 48), предназначенного для размыкания контактов в аварийном режиме. При этом скорость расхождения контактов должна быть постоянной и не зависящей от рода тока, массы привода и действия оператора.
При касании подвижного контакта 2 с неподвижным контактом 1, который удерживается усилием пружины 3, замыкается силовая цепь. Через систему рычагов 4 и 5 контакты связаны с приводом 7. Рычаг 5 имеет упор 6, который ограничивает перемещение (ломание) рычагов 4, 5 вниз; подвижный контакт связан с отключающей пружиной 3. На рис. 48, а механизм показан в подготовленном для включения состоянии. При включении (рис. 48, б) подвижные контакты 2 прижимаются к неподвижным 1, обеспечивая надежное соединение. Отключающая пружина находится в натянутом состоянии, система рычагов занимает жесткое положение.
Под действием толкателя 8 рычаги 4 и 5 (рис. 48, а) сдвигаются вверх так, что центр тяжести оказывается выше «мертвого» положения, система рычагов становится гибкой, и контакты 1 и 2 размыкаются под действием отключающей пружины 3. Толкатель 8 срабатывает, когда по катушке 9 проходит ток больше расчетного (гок перегрузки или короткого замыкания). Такие автоматы называются автоматами максимального тока. Имеются автоматы, которые срабатывают под действием тепловой защиты минимального тока, обратного тока или обратной мощности и минимального напряжения. Они отличаются друг от друга условиями срабатывания механизма (движение толкателя 8 обеспечивается при разных условиях).
Воздушные автоматические выключатели типа АВ имеют ручной (рукоятка, рычаг) и электромагнитный приводы; их выпускают на номинальные токи от 400 до 2000 А. Для работы в сетях постоянного тока воздушные выключатели изготовляют в двухполюсном исполнении, а для сетей переменного тока — в трехполюсном. Буквы и цифры в обозначении типа автомата означают: АВ — автомат воздушный; добавленные к следующей цифре или двум цифрам два нуля образуют число, указывающее номинальный ток автомата. Последующие буквы: Б — без выдержки времени; В — выдвижное исполнение; С — избирательный с выдержкой времени при перегрузке и коротком замыкании; Н — неизбирательный с выдержкой времени. Например, тип АВ20Б означает — автомат воздушный на номинальный ток 2000 А, без выдержки времени. Ударное значение отключающего тока автоматов типа АВ достигает 75 000 А.
Автоматические выключатели типов АП-25 и АП-50 снабжаются электромагнитными токовыми, тепловыми расцепителями и расцепителями минимального напряжения. Предназначены для работы в сетях постоянного тока напряжением 220 В и переменного тока напряжением 380 В частотой 50 -400 Гц. После типа автомата первые две цифры обозначают номинальный ток (25, 50); цифра после тире обозначает количество полюсов, далее указывается тип расцепителя: М — электромагнитный; Т —тепловой; Н — расцепитель минимального напряжения. Например, тип автомата АП-50-2Т означает — двухполюсный автомат с тепловой защитой на номинальный ток 50 А. Отключающая способность автоматов этого типа до 1500 А. Они имеют ручной привод и при неизменной конструкции контактов отличаются друг от друга (внутри серии) током уставки в пределах 1,6—50 А, причем в случае необходимости возможно уменьшение тока уставки до 60 % посредством перемещения вниз рычага на механизме свободного расцепления. Так, уставку на 25 А можно изменить на 16 А,
Установочные автоматы типа А-3100 для включения, имеющие только ручной привод, выпускают на токи 50, 100, 200, 000 А для работы в сетях постоянного тока напряжением 220 В и переменного — напряжением 380, 500 В. Такие автоматы выпускают одно-, двух- и трехполюсными на токи свыше 50 А. Автоматы типа А 3100 могут быть с расцепителем (тепловой, электромагнитный, комбинированный) и без него. Тогда в обозначении типа в знаменателе ставится цифра 7, например А-3223/7. Ударное значение отключающего тока достигает 50 000 А.
