Глава XIV
РУБИЛЬНИКИ, ВЫКЛЮЧАТЕЛИ, ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ
§ 14. 1. Назначение и требования, предъявляемые к выключателям
Выключатели предназначены для включения и выключения электрических цепей как под током, так и без тока. Основными требованиями, предъявляемыми к выключателям, являются: надежность электрического контакта и надежность гашения дуги в выключателе, разрывающем ток. Так как низковольтные выключатели являются аппаратами непосредственного управления, то к ним предъявляются требования безопасности управления и небольших усилий на рукоятке. В подавляющем большинстве случаев частота работы выключателя невелика, поэтому требования высокой износоустойчивости к механизму выключателя не предъявляются.
Наиболее простой и широко распространенной конструкцией выключателя является конструкция рубильника, которая применяется и в качестве разъединителя. Материал контактов рубильника — медь; контакты — клиновые. В рубильниках на токи до 100 а нередко контактное нажатие создается за счет пружинящих свойств материала гнезда; но более предпочтительным является применение стальных пружин, плоских или спиральных, создающих контактное нажатие. Форма контактной поверхности линейная, что создается за счет выдавок на пластинах гнезда. Привод рубильника выполняется в виде центральной или боковой рукоятки. С целью увеличения безопасности целесообразно применение рычажного механизма, при котором рукоятка управления от ножей рубильника может быть удалена на значительное расстояние (рис. 14.1).
С целью увеличения надежности работы рубильника и уменьшения подгорания контактов в рубильниках применяются моментные ножи (рис. 14.2, а) и дугогасительные отрывные контакты (рис. 14.2, б). Моментные ножи рекомендуется применять только на постоянном токе при номинальном токе до 500 а, а дугогасительные отрывные контакты — на постоянном токе свыше 500 а и при любом значении переменного тока.
Очень хорошим материалом для дугогасительных отрывных контактов является уголь, так как угольные контакты хорошо скользят при работе, мало обгорают под действием дуги, не дают неровностей, препятствующих последующим включениям и выключениям. Весьма целесообразно применение железных скоб для крепления и предохранения от поломки углей, которые одновременно являются магнитопроводами, усиливающими магнитный поток, создаваемый током, протекающим по углям, и способствуют лучшему гашению возникающей дуги.
Рис. 14.1. Схема рычажного привода рубильника
Рис. 14.2. Дугогасительные устройства рубильников: а — моментный нож; б — дугогасительные отрывные контакты
Существенным недостатком моментных ножей является невозможность получения их одновременного отрыва в многополюсном рубильнике или в одном полюсе, состоящем из нескольких параллельных ножей. В современных конструкциях предпочтительнее установка элементарных дугогасительных устройств, представляющих собой небольшие камеры с деионным гашением дуги.
С целью увеличения термической и электродинамической устойчивости рекомендуется нож рубильника выполнять из двух пластин, которые во включенном состоянии охватывают с обеих сторон неподвижный контакт. Электродинамические усилия, возникающие из-за токов одинакового направления, проходящих по обеим пластинам ножа, стремятся прижать обе пластины друг к другу. При этом увеличивается контактное нажатие, вследствие чего уменьшается переходное сопротивление контакта, и увеличиваются силы трения, препятствующие отключению рубильника под действием электродинамических усилий.
Основными недостатками рубильника, используемого для разрыва электрической цепи под током, являются наличие открытой дуги, занимающей довольно большой объем; малая износоустойчивость (обычно в среднем 500 включений) из-за механического износа как размыкающегося контакта, так и шарнирного неразмыкающего контакта; довольно большие габариты самого рубильника.
В связи с указанными недостатками для выключения электрических цепей под током применяются различные конструкции выключателей, имеющие при необходимости дугогасительные устройства, выполняемые в виде дугогасительных камер с электромагнитным дутьем. В подавляющем большинстве случаев такие выключатели делаются на сравнительно небольшие токи (до 100 а), поэтому желательно, чтобы конструкция имела мгновенное отключение контактов. Практика показывает, что наибольшей износоустойчивостью обладает механизм, в котором мгновенное переключение контактов осуществляется пружиной, переводимой рукояткой через мертвую точку (см. рис. 11.14).
Контакты, с целью уменьшения механического износа, выполняются стыковыми — пальцевого или мостикового типа. Целесообразно применение контактов мостикового типа на переменном токе, где двойной разрыв цепи улучшает коммутационную способность выключателя.
При выключении небольших токов низкого напряжения механизм мгновенного переключения контактов становится необязательным; в этом случае целесообразно применение выключателей кнопочного типа вместо специальных.
§ 14. 2. Порядок расчета выключателей
Исходными данными для расчета выключателя любого типа являются род тока, длительный ток и напряжение, а также условия его работы: разрыв цепи под током или без тока; место установки; частота включения; требования техники безопасности и др.
По условиям работы ориентировочно выбирается тип выключателя и намечается схема его механизма. На основании величины длительного тока рассчитывается необходимое контактное нажатие, выбирается материал и форма контактов, определяются их размеры и параметры. Рекомендации по данному расчету и расчетные формулы приведены в гл. IV. На основании полученных величин контактного нажатия (начального и конечного) и провала контактов рассчитываются контактные пружины, обеспечивающие это нажатие (см. § 11.2).
В соответствии с предварительно намеченной схемой выключателя производится кинематический расчет механизма, уточняются размеры отдельных элементов, определяются перемещения частей механизма и рукояток, обеспечивающие раствор контактов и работу принятого механизма (при механизме с мгновенным размыканием контактов). После кинематического расчета проводится при необходимости прочностной расчет отдельных деталей механизма, а также расчет различных пружин, входящих в механизм, после чего рассчитывается статическая механическая характеристика, определяются усилия на рукоятке управления, делается анализ и дается заключение о (пригодности механизма. В случае неудовлетворительного результата расчета (например, большие усилия на рукоятке) производится корректировка отдельных элементов и расчет проводится вновь.
При наличии дугогасительного устройства дугогасительные камеры или деионное гашение дуги выбираются и рассчитываются на основании рекомендаций и расчетных формул, изложенных в гл. VII.
Изоляционные расстояния между деталями, находящимися под разными потенциалами, а также между деталями, находящимися под напряжением, и крепежными деталями выключателя должны соответствовать рекомендациям, изложенным в § 13.2.
