Низковольтные коммутационные аппараты

Коммутационные аппараты подразделяют на аппараты ручного (рубильники, переключатели, кнопки) и дистанционного или автоматического (контакторы, реле, магнитные пускатели, автоматические выключатели и т.п.) включения. Автоматические выключатели и магнитные пускатели помимо функции коммутации электрической цепи обеспечивают также защиту цепи от токовых перегрузок.

Важнейшим элементом коммутационной аппаратуры являются контакты, которые должны обладать малым переходным сопротивлением и высокой износостойкостью. Переходное сопротивление зависит от площади соприкосновения контактов, что в свою очередь зависит от формы контактов, давления на контакты и материала контактов. При большом переходном сопротивлении происходит сильный разогрев контактов и они свариваются.

Для изготовления применяются металлокерамические сплавы: серебро-окись кадмия; серебро-никель; медь-вольфрам; серебро-молибден. Металлокерамика изготавливается путем смешивания порошков металлов и спекания этих смесей в среде защитного газа.

В низковольтной аппаратуре широко применяются сплавы СОК-15, СОК-12 - сплав серебра с 15-12% окиси кадмия(СdО). Последняя выполняет роль тугоплавкой составляющей и, образуя пленку на поверхности контакта, предотвращает испарение серебра и сваривание контактов. В контактах высоковольтных аппаратов находит применение сплав СuW. Медь обеспечивает высокую электропроводность, а вольфрам - дугостойкость.

С целью уменьшения искро и дугообразования стараются обеспечить возможно большую скорость размыкания и замыкания контактов, при этом, правда, увеличивается механический износ контактов.

В аппаратах низкого напряжения (до 500 В) распространены три вида дугогасительных устройств:

- открытый разрыв, когда электрическая дуга распространяется и гасится в атмосфере окружающего воздуха;

- щелевые камеры из дугостойкого изоляционного материала (азбоцемента, керамики и др.) во внутренние полости которых загоняется электрическая дуга силами магнитного поля и там гасится за счет интенсивного охлаждения о стенки камер;

- дугогасительная (деионная) решетка, состоящая из набора металлических пластин, разбивающих дугу на ряд коротких дуг и охлаждающих ее подобно радиаторам (рис.1.11)

Деионная решетка, выполняемая из стальных омедненных пластин, помещается внутри асбоцементной искрогасительной камеры. Возникающая при отключении тока электрическая дуга задувается в решетку под воздействием магнитного поля, создаваемого разрывным током. В деионной решетке электрическая дуга разбивается на ряд отдельных коротких дуг, которые гасятся при первом прохождении тока через нулевое значение. Это оказывается возможным в том случае, если число пластин в решетке достаточно велико и напряжение, приходящееся на каждую пару пластин, меньше той минимальной величины, которая необходима для поддержания дуги.

Быстрому разрыву дуги способствует также отдача электрической дугой значительного количества тепла массивным пластинам дугогасительной решетки.

Рубильники - простейшие электрические аппараты, которые предназначены для ручного включения и отключения электрических цепей с напряжением до 500В. Переключатель это двусторонний рубильник. Рубильники выполняются одно, двух и трехполюсными на токи до 1000 А. По способу управления рубильники и переключатели делят на аппараты с центральной или боковой рукоятками для установки на лицевой стороне панелей и с рычажным приводом для установки контактной части за лицевой панелью щита, а рукоятки на панели. Рубильники с центральной рукояткой применяются в цепях до 220 В. При больших напряжениях их используют при отсутствии токов в коммутируемых цепях. Рубильниками с рычажными приводами можно отключать номинальные токи при 220 В постоянного тока и 380 В переменного тока. Для повышения предельного отключаемого тока рубильники снабжают дугогасительными камерами.

Контакторы - это аппараты дистанционного и автоматического включения и выключения силовых цепей. Принцип действия контакторов такой же, как и у электромагнитных реле. Поэтому и устройство их во многом сходно. Главное отличие заключается в том, что контакты контакторов коммутируют большие токи. Поэтому они выполняются более массивными, требуют больших усилий, между ними при разрыве возникает дуга, которую необходимо погасить.

Основными узлами контактора являются электромагнитный механизм, главный (силовой) контактный узел, дугогасительная система, блокировочный контактный узел.

Электромагнитный механизм осуществляет замыкание и размыкание контактов. При подаче напряжения на втягивающую катушку электромагнита якорь притягивается к сердечнику, а механически связанные с ним подвижные контакты замыкают силовую цепь и выполняют необходимые переключения в цепи управления.

Магнитные системы контакторов в зависимости от характера движения якоря и конструкции различают на поворотные и прямоходовые. Магнитопровод контактора поворотного типа устроен аналогично клапанному реле. Для устранения залипания якоря используют немагнитные прокладки. Для замыкания силовых контактов требуются значительно большие усилия, чем развиваемые в реле. Поэтому электромагнитный механизм контактора выполняется более мощным и массивным. При срабатывании контактора происходит довольно значительный удар якоря о сердечник. Частично этот удар принимает на себя немагнитная прокладка; кроме того, магнитную систему амортизируют пружиной, которая также уменьшает вибрацию контактов.

Магнитопровод контактора прямоходового типа имеет обычно Ш -образную форму. В этом случае для устранения залипания якоря делают зазор между средними стержнями сердечника и якоря.

Втягивающая катушка обычно обеспечивает включение и удержание якоря в притянутом положении. Но иногда используют две катушки: мощную включающую и менее мощную, удерживающую. В этом случае контактор во включенном состоянии потребляет меньше электроэнергии, поскольку включающая катушка находится под током только короткое время. Размыкание контактов происходит за счет отключающей пружины при снятии напряжения с катушки контактора. Втягивающая катушка должна обеспечивать надежное срабатывание контактора при снижении напряжения до 0,85Uном. По нагреву катушка должна выдерживать повышение напряжения до 1,05Uном.

В контакторах с поворотным якорем наибольшее распространение получили линейные перекатывающиеся контакты. В прямоходовых контакторах применяются мостиковые контактные. Контактный мостик имеет небольшую массу и выполняется самоустанавливающимся, что снижает вибрацию контактов. Для предотвращения вибрации контактная пружина создает предварительное нажатие, равное примерно половине конечной силы нажатия.

Рис.1.12

Устройство контактора постоянного тока показано на рисунке 1.12. Электромагнитный механизм поворотного типа состоит из сердечника 7 с катушкой 2, якоря 3 и возвратной пружины 4. Сердечник 7 имеет полюсный наконечник, необходимый для увеличения магнитной проводимости рабочего зазора электромагнита. Немагнитная прокладка 5 служит для предотвращения залипания якоря. Силовой контактный узел состоит из неподвижного 6 и подвижного 7 контактов. Контакт 7 шарнирно закреплен на рычаге 8, связанном с якорем 3 и прижатом к нему нажимной пружиной 9. Подвод тока к подвижному контакту 7 выполнен гибкой медной лентой 10. Замыкание главных контактов 6 и 7 происходит с проскальзыванием и перекатыванием, что обеспечивает очистку контактных поверхностей от окислов и нагара. При срабатывании электромагнитного механизма, кроме главных контактов переключаются вспомогательные контакты блокировочного контактного узла 11. При размыкании главных контактов 6 и 7 между ними возникает электрическая дуга, ток которой поддерживается за счет ЭДС самоиндукции в обмотках отключаемого электродвигателя. Для интенсивного гашения электрической дуги служит дугогасительная камера 12.

Наиболее сложным и трудным этапом работы контактов является процесс их размыкания. Именно в этот момент контакты оплавляются, между ними возникает дуга. Для облегчения работы главных контактов при размыкании выпускаются контакторы переменного тока с полупроводниковым блоком. В этих контакторах параллельно главным замыкающим контактам включают по два тиристора (управляемых полупроводниковых диода). Во включенном положении ток проходит через главные контакты, поскольку тиристоры находятся в закрытом состоянии и ток не проводят. При размыкании контактов схема управления на короткое время открывает тиристоры, которые шунтируют цепь главных контактов и разгружают их от тока, препятствуя возникновению электрической дуги.

Такие комбинированные тиристорные контакторы выпускаются на токи в сотни ампер. Поскольку тиристоры работают в кратковременном режиме, они не перегреваются и не нуждаются в радиаторах охлаждения.

Коммутационная износостойкость комбинированных контакторов составляет несколько миллионов циклов, в то время как главные контакты обычных контакторов постоянного и переменного тока выдерживают обычно 150-200 тыс. включений.

В аэропортах применяются контакторы переменного тока КТВ на номинальные токи 75, 150, 300, 600, 1000 А и серии КТ-6000 на номинальные токи 100, 160, 250, 400, 630 А, при номинальных напряжениях 380, 500, 600 В. Контакторы помимо силовых контактов имеют несколько вспомогательных блок - контактов, которые используются в автоматических системах управления для индикации состояния контактора. Контакторы служат для автоматического включения резерва, генераторов аварийных источников питания.

Магнитные пускатели служат для подключения электродвигателей и защиты их от перегрузок. Они состоят из трехфазного контактора и теплового реле. Наибольшее распространение в аэропортах нашли пускатели ПМЕ, ПАЕ, ПМА, П6, ПМЛ. В маркировке пускателей используют буквенно-цифровой код: первые буквы - серия; первая цифра - величина номинального тока (0 - на 5 А, 1 - на 10 А, 2 - на 25 А, 3 - на 40 А, 4 - на 63 А, 5 - на 100 А, 6 - на 160 А); вторая цифра - исполнение (1 - открытое, 2-закрытое, 3 - взрывозащищенное, 4 - пылезащищенное); третья цифра -наличие или отсутствие теплового реле и реверсивность (1- нереверсивный без тепловой защиты, 2- нереверсивный с тепловой защитой, 3- реверсивный без тепловой защиты, 4- реверсивный с тепловой защитой).

Тепловое реле применяют для защиты электродвигателей с короткозамкнутым ротором от длительных перегрузок, а также от перегрузок, возникающих при обрыве одной из фаз. Тепловое реле инерционное и поэтому не защищает от коротких замыканий (к.з.). Для

Рис.1.13

Рис.1.14

защиты от к.з. устанавливают предохранители или автоматы защиты.

Двухэлементное тепловое реле серии ТРН включает в себя пластинчатый нагревательный элемент 9 (рис.1.13) и биметаллическую пластинку 8. Она при нагревании изгибается и поворачивает изолированную рамку 10, жестко закрепленную с термокомпенсатором 7.

Термокомпенсатор предназначен для снижения влияния на ток срабатывания реле колебания температуры окружающей среды: при нагреве он изгибается в сторону, обратную изгибу биметаллической пластины. При повороте рамки 10 термокомпенсатор сжимает пружину 4 и снимает защелку 6 с упора, чем освобождает пружину 1, которая выталкивает вверх кнопку возврата с размыкающими контактами 2 в цепи катушки. В исходное положение реле возвращают нажатием кнопки возврата 3; при этом защелка устанавливается на упор. Регулирование тока срабатывания в пределах от 0,75I_Н до 1,25I_Н выполняют с помощью эксцентрика регулятора 5.

На рис.1.14 приведена принципиальная схема управления электродвигателем с помощью магнитного пускателя. Двигатель подключается к силовой цепи с помощью контактора КМ. Включение и отключение двигателя осуществляется с помощью кнопочной станции А. Включается двигатель кнопкой SBC, а выключается кнопкой SBT. После включения контактора КМ, он самоблокируется своими блок-контактами КМ2. Нагревательные элементы реле ТРН (КК1 и КК2) включены в фазы двигателя. В случае перегрузки срабатывает тепловое реле, размыкается контакт КК и силовой контактор КМ обесточивается. При к.з. в цепи двигателя срабатывают предохранители F.

На рис 1.15 показано размещение основного оборудования в ТП светосигнальной системы посадки типов "Свеча-3" и Д2.

Электроэнергия напряжением 6...10 кВ по кабельным линиям

Рис.1.15

поступает в высоковольтное распределительное устройство РУ 10(6) кВ, в котором размещено две секции шин, каждая из которых состоит из 6 камер КСО-272 (камера сборная одностороннего обслуживания). Камеры имеют унифицированные размеры, но различную комплектацию, что позволяет собрать практически любую высоковольтную схему соединений. Камеры укомплектованы масляными выключателями ВМГ-10 с приводами, разъединителями, трансформаторами тока и напряжения, предохранителями.

На рис.1.16,а показан один из 22-х типовых вариантов электрических соединений внутри камеры, а на рис.1.16,б схема расположения элементов камеры собранной по приведенной схеме. Камера укомплектована двумя электрическими разъединителями QS1 и QS2, масляным выключателем Q, заземляющими ножами QSG1 и QSG2. Трансформатор тока ТА. Камера предназначена для присоединения отходящей линии. На рис.1.16,б приняты следующие обозначения: 8- каркас камеры, 1-сборные шины, шинный (2) и линейный (10) разъединители с заземляющими ножами 3 и 9, масляный выключатель11, трансформатор тока 6. На лицевой панели камеры смонтированы привода шинного, линейного разъединителей и заземляющих ножей, пружинный привод 7 масляного выключателя, устройства релейной защиты, аппараты управления, измерения, учета. Для обслуживания аппаратов кабельных присоединений камера снабжена дверью со смотровым окном.

Рис.1.16

Во избежание ошибочных операций при производстве переключений разъединители и заземляющие ножи снабжены механической блокировкой, а их приводы - замками. Сборные шины, шинные и секционные разъединители имеют с фасадной стороны сетчатые ограждения. В верхнем щитке 4 расположены зажимы внешних присоединений и оперативные шинки. Лампы освещения камеры приборов и помещения РУ расположены в щитке 5. Камеры каждой секции шин размещены у противоположных стен помещения РУ. Обе секции шин могут объединяться шинным мостом ШМ.

Силовые трансформаторы Т1 и Т2 расположены в отдельных помещениях и соединены с устройством РУ-10(6) кВ высоковольтными кабелями, проложенными в кабельных каналах, и шинами с низковольтным распределительным устройством РУ-0,4 кВ, имеющим две секции шин управления ШУ, выполняющих функции АВР на напряжение 0,4 кВ, В низковольтном РУ расположены шкафы шин гарантированного питания (ШШГП), батареи конденсаторов для компенсации реактивной мощности БК и щит осветительный ЩО.

В аппаратном зале стоят регуляторы яркости РЯ, получающие электроэнергию от шкафов ШГП по кабелям 0,4 кВ, проложенным под полом и высоковольтные контакторы ВК. Для автономного управления регуляторами яркости в помещении устанавливается отдельная стойка управления. В линейном аппаратном зале устанавливается телеметрическая аппаратура контроля и управления оборудованием подстанции.

В ТП предусмотрено помещение агрегатной для установки двух дизель-генераторов с щитами управления ЩУ, силовыми щитами ЩС, аккумуляторными батареями автоматики БА и стартерными БС. Энергия от генераторов поступает на ШШГП. В отдельной комнате устанавливают топливные (ТБ) и масляные (МБ) баки дизель-генераторов.

Контрольные вопросы

1. Перечислите состав оборудования ТП.

2. Чем отличается выключатель нагрузки от разъединителя?

3. Как осуществляется приведение параметров вторичных цепей трансформаторов?

4. Нарисуйте схему замещения трансформатора.

5. Что такое группы соединений обмоток трансформатора?

6. Как осуществляется дугогашение в масляном выключателе?

7. Поясните способы гашения дуги в низковольтных коммутационных аппаратах.

8. Укажите назначение теплового реле в магнитном пускателе.

Аварийные электростанции