Конструирование низковольтной аппаратуры - Компоновка электрических аппаратов

Глава XIII
КОМПОНОВКА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

§ 13. 1. Требования к компоновке электрических аппаратов

Конструкция электрического аппарата состоит из отдельных функциональных узлов (например, привода, контактной системы, дугогасительной системы, механизма передачи усилия привода, регулировочного устройства и др.), неразрывно связанных между собой. С целью уменьшения габаритов и улучшения технико-экономических показателей эти узлы должны быть скомпонованы между собой в возможно наименьшем объеме, причем такая компоновка не должна вызывать технологических трудностей при обработке деталей и сборке аппарата. При компоновке необходимо избегать лишних промежуточных деталей, уменьшающих, как правило, надежность. Часто целесообразно объединять отдельные функциональные узлы в общий законченный конструктивный узел, что снижает габариты, массу аппарата, а также трудоемкость изготовления.
Отдельные детали и узлы аппарата объединяются в общее целое корпусными деталями, которые очень часто выполняют не только функции механического объединения узлов, но и являются одновременно частями собственно механизма аппарата, например, выполняют функции изоляции токоведущих частей, магнитопроводов и др. Поэтому, хотя проектирование корпусных деталей и выполняется после того, как выбраны и обоснованы расчетами конструктивные формы всего аппарата и его отдельных узлов, окончательная разработка конструкции аппарата проводится одновременно с разработкой корпусных деталей.
При компоновке электрического аппарата обязательно учитываются эксплуатационные требования. Электрический аппарат компонуется таким образом, чтобы обеспечить свободный и удобный осмотр в эксплуатационных условиях, на месте его установки. Предусматривается свободный доступ к крепежным деталям, особенно к крепежу неразъемных контактных соединений, который в эксплуатации систематически подтягивается. Конструкция аппарата, находящегося в металлическом корпусе или оболочке, должна иметь заземляющий болт с соответствующим условным обозначением на его головке. В аппаратах небольших габаритов в качестве заземляющего болта может быть использован один из крепежных болтов; металл корпуса в этом месте лудится.
В конструкции аппарата предусматривается возможность смены изнашиваемых деталей и деталей, которые могут выходить из строя в процессе эксплуатации аппарата, например контакты, катушки напряжения, пружины и др.; при этом такая смена деталей не должна приводить к разборке и снятию всего аппарата.
При разработке конструкции аппарата необходимо обращать особое внимание на вопросы унификации различных деталей и узлов. Применение унифицированных деталей, изготовляемых в массовом порядке, обычно позволяет снизить стоимость аппарата.
Весьма существенное значение при конструировании электрических аппаратов имеет правильный выбор защитных покрытий деталей. Наибольшее распространение имеют металлические гальванические покрытия, являющиеся защитой от коррозии основного материала детали, и лакокрасочные покрытия, применяемые для поверхностей, которые в процессе эксплуатации не подвергаются значительным механическим и тепловым воздействиям, не имеют точных допусков и посадок и не подвергаются трению от соприкосновения с другими деталями. Лакокрасочные покрытия одновременно могут использоваться и как изоляционные.
Выбор покрытий должен учитывать как условия работы аппарата, т. е. особенности внешней среды, так и декоративно-художественные соображения. Красивый внешний вид аппарата определяется не только хорошо выполненными покрытиями, но и художественным выбором и размещением цветов покрытий, особенно для внешних деталей и оболочек аппаратов.

§ 13. 2. Выбор изоляционных расстояний в электрических аппаратах

Изоляционные детали электрических аппаратов являются чрезвычайно важными элементами; правильно выбранная электрическая изоляция обеспечивает надежную работу аппарата.
Изоляционные расстояния электрических аппаратов делятся на три группы:

1. изоляционные расстояния по толщине изоляции. Эти расстояния определяются электрической прочностью изоляции. Поскольку величины электрической прочности имеют обычно большие значения, то эти расстояния в низковольтной аппаратуре определяются, как правило, конструктивными и технологическими факторами, механической прочностью изоляционной детали и почти никогда не являются лимитирующими;
2. изоляционные расстояния по поверхности изоляции, или расстояния утечки. Эти расстояния зависят от целого ряда факторов: свойств изоляции; состояния, расположения и формы поверхности; состояния окружающей среды; возможности загрязнения и др.;
3. изоляционные расстояния по воздуху или воздушные электрические зазоры. Эти расстояния зависят от формы деталей, находящихся под напряжением, и от состояния воздуха.

Рис. 13.1. Расположение изоляционной поверхности

Основным лимитирующим расстоянием в подавляющем большинстве случаев является расстояние по поверхности изоляции, или расстояние утечки. Величина этого расстояния измеряется по наикратчайшему пути между краями деталей, находящихся под напряжением, или между краем детали, находящейся под напряжением, и краем детали, соединенной с землей или доступной для. прикосновения человека. При определении этих расстояний различные изоляционные лаковые и оксидные пленки за изоляцию не считаются (условно), поскольку они могут быть легко повреждены.

Рассмотрим подробно факторы, влияющие на выбор изоляционных расстояний всех трех групп.

1. Напряжение. Очевидно, что с увеличением напряжения изоляционные расстояния всех трех групп должны увеличиваться. Минимальные изоляционные расстояния при малых величинах напряжений обычно определяются конструктивными и технологическими факторами, возможностью загрязнений и попаданий посторонних предметов, механической прочностью изоляционной детали и не могут приниматься чересчур малыми (обычно минимальные изоляционные расстояния при любом напряжении не берутся меньше 2 — 3 мм по поверхности изоляции).
2. Структура поверхности изоляции. Этот фактор оказывает влияние только на расстояние утечки. При более гладкой поверхности расстояния берутся меньшие, чем при шероховатой, так как на последней более интенсивно скапливаются пыль и влага и труднее с нее удаляются.
3. Состояние окружающей среды  —  условия работы электрического аппарата. В условиях повышенной влажности, большей запыленности, больших колебаний температур, агрессивной среды, разрушающей поверхность изоляции, изоляционные расстояния должны быть увеличены для всех трех групп, так как все вышеперечисленные условия приводят к уменьшению диэлектрической прочности и поверхностного сопротивления изоляции.
4. Положение поверхности изоляции (рис. 13.1). Этот фактор влияет на величину расстояний утечек. Поверхность изоляции может быть расположена различно: вертикально, горизонтально, наклонно и др. По расположению изоляционной поверхности различают две группы: группа а  —  вертикальное (любое наклонное и горизонтальное, обращенное вниз и наклонное, обращенное вверх с углом наклона более 70°); группа б  —  горизонтальное (обращенное вверх и наклонное, обращенное вверх с углом наклона к горизонтальному положению до 70°).  Очевидно, при положении изоляционной поверхности по группе а скапливание пыли и влаги более затруднено, чем при расположении по группе б, поэтому и расстояния утечек для группы а могут быть меньше, чем для группы б.

Расположение изоляционных поверхностей рассматривается в соответствии с рабочим положением аппарата; если аппарат не имеет определенного рабочего положения и может устанавливаться при эксплуатации как угодно, то все его изоляционные поверхности относятся к группе б, т. е. к горизонтальному расположению поверхности.

Рис. 13.2. Расстояние утечек и электрические зазоры:
      утечка (У);  —   —    электрический зазор (3)

1. Форма поверхности. Этот фактор также влияет на величину расстояний утечек. Расстояния утечек могут быть увеличены за счет канавок, прорезей, гребней на поверхности изоляционной детали. Однако эти профили должны иметь достаточные размеры, чтобы не быть забитыми пылью и грязью; обычно минимальные размеры составляют не менее 2,5 — 3 мм. При меньших размерах всевозможные канавки и углубления при определении расстояния утечки не учитываются, так как скапливающуюся в них пыль и грязь чрезвычайно трудно удалить (рис. 13.2, а, б). Исходя из этих же соображений расстояние по поверхности изоляции не учитывает острые внутренние углы, которые могут быть забиты пылью (рис. 13.2, а, в) . С этой целью внутренние переходы на поверхности изоляции рекомендуется делать плавными  —  для более легкого удаления пыли и грязи.
2. Форма поверхности деталей, находящихся под напряжением. Этот фактор влияет в основном на величину электрического зазора. Острые края деталей, находящихся под напряжением, создают резко-неравномерное электрическое поле, существенно снижающее диэлектрическую прочность воздуха. Рекомендуется поверхности токоведущих деталей выполнять с плавными переходами; при наличии же острых углов величина электрического зазора должна быть увеличена.
3. Наличие дуги и ионизированных газов вблизи изоляционной поверхности. Этот фактор очень сильно влияет как на увеличение электрического зазора, так и на расстояние утечек в связи с появлением ионизированных частиц.

Таблица 13.1

Примечание. а и б —  положения изоляционной поверхности.

8. Степень ответственности аппарата. С увеличением ответственности аппарата по его назначению и расположению в схеме электрической установки изоляционные расстояния увеличиваются. Так, аппараты главной цепи электрической установки должны иметь большие изоляционные расстояния, чем аппараты вспомогательных цепей, а аппараты защиты, в свою очередь, должны иметь большие изоляционные расстояния, чем аппараты главной цепи.

В табл. 13.1 приведены рекомендуемые изоляционные расстояния утечек и электрических зазоров для аппаратов постоянного и переменного тока частотой не более 100 Гц, работающих в следующих условиях: высота над уровнем моря не более 1200 m.; температура окружающего воздуха от  — 50 до +40° С; относительная влажность воздуха не более 80%; среда не содержит газы и пары, разрушающие изоляцию; изоляционные поверхности не подвергаются непосредственному действию электрической дуги.
По условиям работы, назначению и степени ответственности все аппараты делятся на шесть групп.
Группа 1  —  аппараты, устанавливаемые внутри помещений с постоянной температурой, совершенно не подверженные влиянию пыли и влаги, с номинальным током до 15 а, удаленные от мест горения электрической дуги; например, аппараты цепи управления, установленные на пульте управления, в кабине, машинном зале, жилом помещении и др.
Группа 2  —  промышленная и крановая аппаратура цепей управления и сигнализации, а также цепи управления и сигнализации аппаратов групп 2 и 4, защищенные от попадания пыли и влаги, удаленные от мест горения электрической дуги; промышленная и крановая аппаратура главных цепей с током до 15 а, если при разрыве тока не образуется достаточно мощная электрическая дуга.
Группа 3  —  промышленная и крановая аппаратура главных цепей, защищенная от попадания пыли и влаги, с током свыше 15 а, подверженная действию ионизированных газов, образующихся при горении электрической дуги, защищенная предохранителями, автоматами и др.; аппаратура цепей управления, сигнализации и вспомогательных цепей для транспорта, защищенная от попадания пыли и влаги, удаленная от мест горения электрической дуги.
Группа 4 —  аппаратура главной цепи для транспорта, защищенная от попадания пыли и влаги, удаленная от мест горения электрической дуги и защищенная предохранителями, автоматами и др.
Группа 5  —  промышленная и крановая аппаратура главной цепи, предназначенная для защиты установки; аппаратура главной цепи для транспорта, находящаяся вблизи места горения электрической дуги и защищенная предохранителями, автоматами и др.
Группа 6  —  транспортная аппаратура, предназначенная для защиты установки.

К табл. 13.1 рекомендуемых изоляционных расстояний должны быть сделаны следующие замечания:

1. для электрических установок, изолированных от земли, но доступных для прикосновения (например, безрельсовый транспорт на резиновых шинах), изоляционные расстояния увеличиваются на 50%;
2. изоляционные расстояния в местах, подверженных интенсивному воздействию ионизированных газов и пламени электрической дуги или непосредственному воздействию электрической дуги, выбираются опытным путем, но не должны быть меньше рекомендованных;
3. если при монтаже или эксплуатации аппарата, возможно уменьшение величин изоляционных расстояний вследствие износа, то они выбираются такими, чтобы их минимальное значение не было меньше рекомендуемых значений;
4. изоляционные расстояния в местах с интенсивным оседанием токопроводящей пыли или подверженных металлизации из-за трения о изоляцию металлической детали увеличиваются и проверяются опытным путем;
5. для шероховатой поверхности расстояния утечек увеличиваются на 30-40%.