Электрические и электронные аппараты
В.М. РУЦКИЙ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОННЫЕ АППАРАТЫ
Конспект лекций по дисциплине
для студентов направления 140400 (13.03.02) «Электроэнергетика и электротехника»
профиля «Электрический транспорт»
очной и заочной форм обучения
Самара 2015
СОДЕРЖАНИЕ
ЛЕКЦИЯ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОННЫХ АППАРАТАХ.
1.1. Классификация электрических и электронных аппаратов.
1.2. Общие требования к электрическим и электронным аппаратам.
ЛЕКЦИЯ 2. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ СИЛЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТАХ.
2.1. Общие сведения.
2.2. Метод расчетаэлектродинамических сил по закону Ампера.
2.3. Метод расчетаэлектродинамических сил по изменению запаса
магнитной энергии токоведущего контура.
2.4. Электродинамические силы в наиболее простых случаях.
2.5. Электродинамические силы при переменном токе.
ЛЕКЦИЯ 3. НАГРЕВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ.
3.1. Общие сведения.
3.2. Основные источники теплоты в электрических аппаратах.
3.3. Тепловые процессы при различных режимах работы аппаратов.
ЛЕКЦИЯ 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА.
4.1. Общие сведения.
4.2. Условие гашения дуги постоянного тока.
4.3. Условие гашения дуги переменного тока.
4.4. Способы гашения дуги.
ЛЕКЦИЯ 5. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ МЕХАНИЗМЫ.
5.1. Магнитная цепь простейшего электромагнитного механизма.
5.2. Тяговая статическая характеристика.
5.3. Динамика срабатывания электромагнитов постоянного тока.
5.4. Замедление действия электромагнита при помощи короткозамкнутого витка.
5.5. Электромагниты переменного тока.
ЛЕКЦИЯ 6. КОНТАКТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ.
6.1. Общие сведения.
6.2. Материалы контактов.
6.3. Конструкция контактов.
ЛЕКЦИЯ 7. КОММУТАЦИОННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ.
7.1. Кнопки управления. Переключатели. Рубильники.
7.2. Предохранители.
7.3. Автоматические выключатели.
7.4. Быстродействующие выключатели постоянного тока.
ЛЕКЦИЯ 8. КОММУТАЦИОННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ.
8.1. Предохранители и масляные выключатели.
8.2. Воздушные выключатели.
8.3.Элегазовые выключатели.
8.4. Вакуумные выключатели
8.5. Выключатели нагрузки. Разъединители. Отделители. Короткозамыкатели.
ЛЕКЦИЯ 9. ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ.
9.1. Контакторы.
9.2. Контроллеры.
9.3.Магнитные пускатели.
9.4. Реостаты.
ЛЕКЦИЯ 10. ОГРАНИЧИВАЮЩИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ.
9.1. Токоограничивающие реакторы.
9.2. Принцип действия разрядников.
9.3.Трубчатые разрядники.
9.4. Длинно-искровые петлевые разрядники.
9.5. Вентильные разрядники.
9.6. Разрядники постоянного тока.
ЛЕКЦИЯ 11. КОНТРОЛИРУЮЩИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ.
11.1. Реле.
11.2. Преобразователи (датчики).
ЛЕКЦИЯ 12. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ.
12.1Трансформаторы тока.
12.2.Трансформаторы напряжения.
12.3.Емкостные делители напряжения.
ЛЕКЦИЯ 13. БЕСКОНТАКТНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ.
13.1. Общие сведения.
13.2. Магнитные усилители.
13.3. Электронные аппараты.
13.4. Гибридные электрические аппараты.
ЛЕКЦИЯ 14. ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ.
14.1. Вакуумные и элегазовые выключатели.
14.2. Трехпозиционные коммутационные аппараты.
14. 3. Реклоузеры.
14.4. Мультикамерные разрядники.
14.5. Оптические трансформаторы тока и напряжения.
ЛЕКЦИЯ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОННЫХ АППАРАТАХ.
План лекции:
1. Классификация электрических и электронных аппаратов.
2. Общие требования к электрическим и электронным аппаратам.
ЛЕКЦИЯ 2. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ СИЛЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТАХ
План лекции:
1. Общие сведения.
2. Метод расчетаэлектродинамических сил по закону Ампера.
3. Метод расчетаэлектродинамических сил по изменению запаса магнитной энергии токоведущего контура.
4. Электродинамические силы в наиболее простых случаях.
5. Электродинамические силы при переменном токе.
Общие сведения.
На проводник с током, расположенный в магнитном поле действует механическая сила. Эту механическую силу называют электродинамической. Электродинамические силы возникают не только в контуре с током, расположенным во внешнем магнитном поле, но и в случае, когда поле, его окружающее, определяется током в самом контуре. Эти силы стремятся деформировать проводники токоведущих частей и изоляторы, на которых они крепятся. При номинальных токах эти усилия малы. При коротком замыкании в сети через токоведущую часть аппарата могут проходить токи, превышающие номинальный в десятки раз.
Способность электрического аппарата противостоять механическим нагрузкам, возникающих в токоведущих частях и поддерживающих их элементах в режиме К. З., называется электродинамической стойкостью.
Электродинамическая стойкость выражается либо максимальным значением тока К.З. 
, при котором механические напряжения не выходят за допустимые пределы, либо кратностью этого тока 
относительно максимального значения номинального тока 
(2.1)
Для расчета электродинамических сил используется два способа.
Первый заключается в рассмотрении силы как результата взаимодействия проводника с током и магнитного поля по закону Ампера.
При втором методе электродинамические силы определяются по изменению запаса магнитной энергии токоведущего контура.
Общие сведения.
При работе аппарата в его токоведущей цепи, изоляции и деталях конструкции возникают потери электрической энергии, которые превращаются в тепло (рис.4а). Тепловая энергия частично расходуется на повышение температуры аппарата и частично отдается в окружающую среду.
При увеличении температуры происходит ускоренное старение изоляции проводников и уменьшение их механической прочности. Таким образом температура аппарата в процессе эксплуатации не должна превышать некоторого допустимого значения 
. Например, увеличение длительно допустимой температуры изоляции проводника всего лишь на 8оС приводит к сокращению срока службы изоляции в два раза, а при увеличении температуры меди со 100 до 250оС механическая прочность снижается на 40%. Таким образом, нагрев токоведущих частей и изоляции аппарата в значительной степени определяет его надежность.
Общие сведения.
В коммутационных электрических аппаратах, предназначенных для замыкания и размыкания цепи с током, при отключении возникает электрическийразряд в газе либо в виде в виде тлеющего разряда, либо в виде дуги. Тлеющий разряд встречается на контактах маломощных реле и далее не рассматривается.
Дуга - электрический разряд в газе для которого характерны: ясно очерченная граница между дуговым столбом и окружающей средой; высокаяплотностью тока в дуговом столбе (десятки — сотни А/мм2); высокая температура 5000…25000 оК.
Процесс возникновения дуги.При расхождении контактов вначале уменьшается контактное давление и соответственно контактная поверхность, увеличиваются переходное сопротивление - начинаются местные перегревы, которые в дальнейшем способствуют термоэлектронной эмиссии, когда под воздействием высокой температуры увеличивается скорость движения электронов, и они вырываются с поверхности электрода. Плотность тока при этом невелика и может быть достаточной для возникновения электрической дуги, но она недостаточна для ее горения.
В момент расхождения контактов, то есть разрыва цепи, на контактном промежутке быстро восстанавливается напряжение. Поскольку при этом расстояние между контактами мало, возникает электрическое поле высокой напряженности, под воздействием которого с поверхности электрода вырываются электроны – происходит автоэлектронная эмиссия. Плотность тока также невелика и не достаточна для дальнейшего горения дуги.
Процессы, поддерживающие горение дуги. В дуговом разряде различают три области:
Околокатодная областьзанимает весьма небольшое пространство, менее 10-6м. Падение напряжения на ней составляет 10-20В и практически не зависит от тока. Средняя напряженность электрического поля достигает 100кВ/см. Такая весьма высокая напряженность электрического поля, достаточная для ударной ионизации газа этой области. Однако ввиду малой протяженности околокатодной области электроны не набирают скорости, достаточной для ударной ионизации. Чаще всего после удара атом переходит в возбужденное состояние (электрон атома переходит на более удаленную от ядра орбиту). Теперь для ионизации возбужденного атома требуется меньшая энергия. Происходит ступенчатая ударная ионизация - ионизация нейтральных частиц при многократном столкновении с электронами.
Положительные ионы разгоняются в поле катодного падения напряжения и бомбардируют катод. При ударе ионы отдают свою энергию катоду, нагревая его и создавая условия для выхода электронов, происходит термоэлектронная эмиссия электронов с катода.
Таким образом, околокатодная область является поставщиком электронов в ствол электрической дуги.
Область ствола электрической дугипредставляет собой газообразную, термически возбужденную ионизированную квазинейтральную среду- плазму, в которой под действием электрического поля носители зарядов (электроны и ионы) движутся в направлении к электродам противоположного знака. Однако скорость тяжелых положительных ионов значительно ниже скорости электронов, поэтому в дуге протекает электронный ток. Проводимость плазмы приближается к проводимости металлов.
Средняя напряженность электрического поля около 20-30В/см, что недостаточно для ударной ионизации. Основным источником электронов и ионов является термическая ионизация, когда при большой температуре скорость нейтральных частиц увеличивается настолько, что при их столкновении происходит их ионизация. Термическая ионизация - основной процессподдерживающий горение дуги.
В дуговом столбе наряду с ионизацией протекают процессы деионизции за счет рекомбинации - нейтрализации частиц за счет соединения ионов с зарядами различных знаков и диффузии – выхода заряженных частиц из области с большей их концентрации в область меньшей концентрации ( из ствола дуги в окружающее пространство). В стабильно горящей дуге процессы ионизации и деионизации уравновешены – наблюдается динамическое равновесие.
Околоанодная область, имеющая весьма малую протяженность, характеризуется также резким падением потенциала. Околоанодная область не оказывает существенного влияния на возникновение и условие существования дугового разряда. Задача анода сводится к приему электронного потока из ствола дуги.
Статическая вольтамперная характеристика (ВАХ) (рис.5.1.а поз.1)устанавливает связь между различными значениями установившегося постоянного тока и падением напряжения на дуге. В этом случае при каждом значении установившегося постоянного тока устанавливается тепловой баланс (количество тепла выделяемого в дуге равно количеству тепла отдаваемого дугой в окружающую среду)
Характеристика имеет падающий характер. Напряжение на дуге равно произведению силы тока на сопротивление дуги. При увеличении силы тока возрастает степень ионизации дуги, вследствие чего снижается сопротивление дуги 
, причем так резко, что напряжение на ней падает, несмотря на рост тока.
5.1. Дуга постоянного тока
Динамическая вольтамперная характеристикаустанавливает связь между быстро изменяющимся током, когда вследствие тепловой инерции дугового столба тепловой баланс не успевает установиться.
Динамическая ВАХ при возрастании тока лежит выше статической ВАХ (рис.5.1. поз.2), так как снижение сопротивления дуги происходит медленнее, чем в случае статической ВАХ 
.
Динамическая ВАХ при снижении тока лежит ниже статической ВАХ (рис.5.1. поз.3), так как рост сопротивления дуги происходит медленнее, чем в случае статической ВАХ 
.
Таким образом, определенным условиям горения дуги соответствует одна статическая ВАХ и бесконечное множество динамических ВАХ, соответствующих различным скоростям изменения тока.
Напряжение при котором зажигается дуга называется напряжением зажигания Uз. Напряжение на дуге при уменьшении тока до нуля называется напряжением гашения Uг. Это напряжение всегда меньше напряжения зажигания.
Если падение напряжения на стволе дуги мало по сравнению с суммой падения напряжения у катода и анода то дуга считается короткой. Условия гашения короткой дуги в значительной степени определяются процессам происходящими у электродов, и условиями их охлаждения.
Если падение напряжения на стволе дуги значительно больше околоэлектродных, и последними можно пренебречь то дуга считается длинной. Условия существования таких дуг определяются процессами в стволе дуги.
Общие сведения
Электрический контакт – место прохождения тока из одной токоведущей части в другую.
Контактная поверхность – поверхность проводника, соприкасающаяся с поверхностью другого проводника. У электрического контакта следует различать кажущуюся и действительную площади соприкосновения, две поверхности будут соприкасаться не по всей кажущейся площади, а лишь отдельными площадками. По кажущейся форме соприкосновения условно различают три типа контактов: точечный, линейный и поверхностный.
При точечном контакте контактирующие поверхности соприкасаются в точке, при линейном контакте по линии, а при плоскостном контакте по поверхности.
Контактная система электрического аппарата – сборочная единица в составе электрического аппарата, с помощью которой в процессе работы аппарата производится замыкание или размыкание электрической цепи.
В контактной системе электрический контакт осуществляется нажатием одного токоведущего элемента на другой при помощи контактных пружин, болтов, резьбовых соединений и т.д.
Контактное нажатие – усилие, с которым сжимаются токоведущие элементы контакта.
Раствор контактов– расстояние между контактными поверхностями подвижного и неподвижного контактов в разомкнутом положении. Размер раствора выбирают из условий гашения электрической дуги.
Провал контактов – величина, которая равна расстоянию, которое пройдет подвижный контакт с момента касания с неподвижным, если последний убрать.
Притираниеконтактов – это перемещение линии касания подвижного контакта по поверхности неподвижного контакта.
Переходное сопротивление контакта – резкое увеличение активного сопротивления в месте перехода тока из одной детали в другую (рис.4.а).
В пределахкажущуюся поверхности соприкосновения контактов контакт происходит лишь на отдельных участках, площадь которых во много раз меньше номинальной (кажущейся) поверхности соприкосновения. При этом в пределах этих отдельных участков истинный металлический контакт происходит также лишь на отдельных участках из-за наличия здесь различных пленок. Вследствие этого, ток проходит не по всей поверхности соприкосновения, а через отдельные контактные пятна.
На основании опытных данных величина переходного сопротивления определяется выражением
(4.1)
Здесь kкс – коэффициент, зависящий от материала и формы контакта, способа обработки и состояния контактной поверхности; Fкн – сила контактного нажатия; m – показатель степени, характеризующий число точек соприкосновения, для различных контактов имеет следующие значения: точечный контакт – m = 0.5, – линейный контакт –m = 0.5 - 0.7, –поверхностный контакт m = 0.7 - 1.0.
С увеличением контактного нажатия переходное сопротивление уменьшается. Переходное сопротивление очень чувствительно к окислению поверхности в виду того, что окислы многих металлов являются плохими проводниками. Окисление поверхности контактов происходит под воздействием кислорода воздуха. Вследствие окисления переходное сопротивление может возрасти в сотни и тысячи раз. Возрастание переходного сопротивления приводит к увеличению температуры контактного соединения.
Вибрация контактов (дребезг) в режиме замыкания – явление периодического отскока и последующего замыкания подвижной контактной системы за счет упругой деформации неподвижной контактной системы (на расстояние 0.01 - 0.1 мм). Процесс этот идет с затуханием (с затухающей амплитудой).
Эрозия контактов – физический износ контактов, как в режиме замыкания, так и размыкания в результате электрического пробоя межконтактного промежутка. В аппаратах НН пробой возникает при очень малом расстоянии и в дуговую форму разряд не переходит, так как подвижный контакт продолжает двигаться и замыкает контакт.
Однако пробой промежутка вызывает перенос металла с одного контакта на другой (с анода на катод). В аппаратах ВН при сближении контактов пробой происходит при больших расстояниях. Возникшая дуга горит долго, при этом возможно сваривание контактов.
Сваривание контактовв замкнутом состоянии. При коротком замыкании через контакты проходят токи в 10-20 раз превышающие номинальные значения. Из-за малой постоянной времени нагрева температура контактной площадки практически мгновенно повышается и может достигнуть температуры плавления. Это может привести к свариванию контактов.
4. Конструкция контактов
Материалы контактов
Наиболее распространенные материалы представлены в табл. 4.1.
Таблиц 4.1
| Материал контакта | Достоинства | Недостатки | ||
| Высокая удельная проводимость и теплопроводность | Низкая температура плавления, на воздухе покрывается слоем оксидов | ||
| Серебро | Высокие электрическая проводимость и теплопроводность, пленка имеет малую механическую прочность, малое переходное сопротивление | Малая дугостойкость и недостаточная твердость | ||
| Алюминий | Высокие электрическая проводимость и теплопроводность, малая масса | Образование на воздухе и в других средах пленок с высокой механической прочностью и сопротивлением; низкая дугостойкость; малая механическая стойкость, электрохимическая коррозии | ||
| Вольфрам | Высокая дугостойкость, большая стойкость против эрозии и сваривания | Высокое удельное сопротивление, малая теплопроводность. Образование прочных оксидных и сульфидных пленок | ||
| Металлокерамические материалы | Сочетают в себе все необходимые свойства | - |
Распространенные материалы контактов
Конструкция контактов.
Неподвижные разборные и неразборные контакты служат для соединения неподвижных токоведущих деталей шин, кабелей и проводов. Эти детали могут находиться как внутри аппарата, так и вне его. В последнем случае они служат для присоединения аппарата к источнику или нагрузке. Контакты соединяются с помощью либо болтов (разборные соединения), либо горячей или холодной сварки.
Подвижные неразмыкающиеся контактные соединения используются либо для передачи тока с подвижного контакта на неподвижный, либо при небольшом перемещении неподвижного контакта под действием подвижного.
1. Гибкая связь, изготавливаемая из медной ленты или многожильного жгута из медных жил.
2. Скользящий токосъем (рис.4.б) применяется при больших ходах и больших номинальных токах. Подвижный контакт 1 скользящего токосъема выполнен в виде круглого стержня. Цилиндрическая обойма 2 соединяется с неподвижным выводом аппарата. Соединение контакта 1 и обоймы 2 осуществляется пальцами (ламелями) 3. Контактное нажатие создается пружинами 4. Подвижный контакт 1 имеет возможность перемещаться поступательно. Контактирование осуществляется по линии, отчего контакт называется линейным.
3. Роликовый токосъем (рис.4.в). Подвижный контакт 1 роликового токосъема выполнен в виде стержня круглого сечения и имеет поступательное движение. Токосъемные стержни 2 также имеют круглое сечение и соединены с выводом аппарата. Соединение стержня 1 и стержней 2 осуществляется с помощью конусных роликов 3, которые катятся по поверхности стержней 1 и 2, контактное нажатие осуществляется пружинами 4.
Этот контакт для своего перемещения требует небольших усилий и широко распространен в современной аппаратуре ВН.
Разрывные контактыразрывают связь с током, большим, чем минимальный ток дугообразования.
Возникающая электрическая дуга приводит к быстрому износу контактов. Для надежного гашения дуги, образующейся при отключении, необходимо определенное расстояние между неподвижным и подвижным контактами, которое выбирается с запасом.
1. Контактный узел с перекатыванием подвижного контакта (рис.4.г).
При замыкании неподвижного контакта 1 и подвижного 2касание происходит в точках а1—а2. При дальнейшем перемещении подвижного контактака касание происходит в точках б1—б2. При этом происходит перекатывание контакта 2по контакту 1 с небольшим проскальзыванием, за счет чего пленка оксида на них стирается.
При отключении дуга загорается между точками а1—а2, что предохраняет от оплавления точки б1—б2, в которых контакты касаются уже во включенном положении. Таким образом, контакт разделяется на две части: в одной происходит гашение дуги, в другой ток проводится длительно.
2. Неподвижный розеточный контакт (4.д).
Неподвижный контакт состоит из пальцев (ламелей) 1, расположенных по окружности. Контактное нажатие создается пружинами 2. Ламели с помощью гибких связей 3соединяются с медным цоколем 4. Подвижный контакт 5 выполнен в виде стержня круглого сечения, движущегося поступательно.
3. Мостиковый контакт (рис.4.е).
Мостиковые контакты образуются из подвижного контакта - мостика 1 и неподвижных контактов 2 к 3, к которым пайкой или сваркой прикреплены рабочие поверхности 4. Ток проходит от неподвижного контакта 2 через подвижный мостик 1 к другому неподвижному контакту 3. При разомкнутых неподвижных контактах создается двойной разрыв между ними, что является преимуществом по сравнению с контактами других типов. Другое преимущество - отсутствие гибких связей между подвижными и неподвижными токоведущими частями. У мостиковых контактов отсутствуют перекатывание и проскальзывание контактов, обеспечивающие их самоочищение. Поэтому рабочие поверхности контактов изготовляют не из меди, а из серебра или металлокерамики на базе серебра.
4. Врубной контакт (рис.4.ж).
Электрический контакт осуществляется между неподвижным 1 и подвижным 2 контактами. Контактное нажатие осуществляется за счет упругих свойств материалов контактов (твердотянутая медь, специальная бронза). Для увеличения усилия нажатия у врубных контактов на большие токи устанавливают стальные пружины 3.
5. Жидкометаллические контакты (рис.4.з).
Основными недостатками твердометаллических контактов являются:
1) с ростом длительного номинального тока возрастают необходимое значение контактного нажатия, габариты и масса контактов, при токах 10 кА и выше резко увеличиваются масса и габариты;
2) эррозия контактов ограничивает износостойкость аппарата;
3) окисление поверхности, возможность приваривания контактов понижают надежность аппарата, при больших токах КЗ контактные нажатия достигают
больших значений, что увеличивает необходимую мощность привода, габариты и массу аппарата.
Этих недостатков лишены аппараты (например контактор) с жидкометаллическим контактом (ЖМК).
Внешняя цепь подключается к электродам 1 и 2, корпус 3 выполнен из электроизоляционного материала. Полости корпуса заполнены жидким металлом 4 и соединяются между собой отверстием 5, внутри полостей корпуса плавают ферромагнитные цилиндры 6. При подаче напряжения на катушку 7 цилиндры 6 опускаются вниз. Жидкий металл поднимается, и, через отверстие 5, соединяет электроды 1 и 2, контактор включается.
Вопросы для самопроверки:
· Как различают контакты в зависимости от вида контактирующих поверхностей?
· Что такоепереходное сопротивление электрического контакта?
· Виды подвижных неразмыкающихся контактных соединений?
· Дайте определения раствора, провала и притирания контактов?
· Основные недостатки твердометаллических контактов?
Вопросы к экзамену:
23. Наиболее распространенные материалы контактов, их достоинства и недостатки?
24. Виды подвижных неразмыкающихся контактных соединений?
25. Виды разрывных контактов?
Предохранители
Предохранители—коммутационные аппараты, предназначенные для автоматического однократного отключения защищаемой цепи при КЗ или перегрузке.
Отключение цепи осуществляется путем расплавления плавкой вставки, включенной в рассечку защищаемой цепи под действием тока, превышающего определенную величину.
Плавкие предохранители характеризуются следующими параметрами:
· Номинальное напряжение.- напряжение, указанное на предохранителе и соответствующее наибольшему напряжению сетей, в которых разрешается установка данного предохранителя.
· Номинальный ток предохранителя.– токпри котором токоведущие и контактные части предохранителя нагреваются до допустимой температуры. Номинальный ток предохранителя всегда должен быть больше или равен номинальному току плавкой вставки,.
· Номинальный ток плавкой вставки - ток, выдерживаемый плавкой ставкой неограниченно долго.
· Предельный ток отключения при данном напряжении - наибольшее значение тока КЗ сети, при котором гарантируется надежная работа предохранителей, т. е. дуга гасится без каких-либо повреждений корпуса.
Защитная (времятоковая) характеристика предохранителя- это зависимость времени полного отключения от отношения ожидаемого тока в цепи (тока КЗ или перегрузки) к номинальному току плавкой вставки
Основными элементами предохранителя являются плавкая вставка, включаемая в рассечку защищаемой цепи, и дугогасительное устройство, гасящее дугу, возникающую после плавления вставки.
Процесс срабатывания предохранителя делится на несколько стадий: нагревание вставки до температуры плавления, плавление и испарение вставки, возникновение и гашение электрической дуги с восстановлением изоляционных свойств образующегося изоляционного промежутка.
Наиболее распространенные материалы плавких вставок – медь, цинк, алюминий, свинец и серебро.
Медные вставки подвержены окислению, их сечение со временем уменьшается, токи и время срабатывания изменяются и перестают соответствовать заданным значениям. Покрытие медных вставок слоем олова (лужение) позволяет сохранить стабильность их сечения и характеристик. Серебряные вставки не окисляются и их характеристики наиболее стабильны. Но серебро дорого, поэтому его применяют лишь в особо ответственных случаях. Если необходимо получить большую выдержку времени предохранителя при нагрузках, следует применять плавкие вставки из цинка и свинца. Вставки из серебра и меди дают меньшие выдержки времени.
Алюминиевые плавкие вставки применяются в предохранителях в связи с острым дефицитом традиционных цветных металлов. Высокое сопротивление оксидных пленок на алюминии затрудняет осуществление надежного разъемного контакта. Толстая оксидная пленка образует тугоплавкую оболочку на поверхности вставки и затрудняет ее разрушение при плавлении токами короткого замыкания (жидкий металл удерживается в «трубке» из пленки). Но эти недостатки устранены и алюминиевые вставки нашли применение в предохранителях разработки последних лет.
По принципу устройства предохранители можно разделить на следующие виды: с открытой плавкой вставкой в воздухе; закрытые предохранители с наполнителем (засыпные); жидкометаллические и инерционные.
В закрытых предохранителях, выполненных в виде фибровой трубки, закрытой с концов латунными колпаками, гашение дуги осуществляется в результате повышения давления внутри трубки из-за разложения фибры. В засыпных предохранителях возникшая при плавлении вставок электрическая дуга тесно соприкасается с мелкими зернами наполнителя (кварцевый песок), интенсивно охлаждается, деионизируется и поэтому быстро гаснет.
Независимо от конструкции, работа предохранителя характеризуется так называемой защитной или времятоковой характеристикой, которая представляет собой зависимость времени плавления плавкой вставки от величины протекающего через нее тока. Общий вид такой характеристики представлен на рис. 7.1.г.
Предохранитель будет защищать лишь в том случае, если его защитная характеристика (кривая 1) располагается несколько ниже характеристики защищаемого объекта (кривая 2) при любом значении тока в цепи. Однако реальная характеристика предохранителя (кривая 3) пересекает кривую 2. В области больших перегрузок (область Б) предохранитель защищает объект. В области А предохранитель объект не защищает.
Предохранители серии ПР-2 (рис. 7.1.д) имеют закрытые разборные патроны без наполнителя, изготовляются на напряжение 220 В (габарит I) и напряжение 500 В (габарит II). Номинальные токи патронов 15 – 1000 А. Номинальные токи вставок 6 – 1000 А.
Трубчатый патрон предохранителя состоит из фибрового цилиндра 1, латунных втулок 2, имеющих прорезь для плавкой вставки 3, и латунных колпачков 4.
Плавкая вставка 1 изготовляется из цинка, стойкого против коррозии. Вставка выполняется в виде пластинки с вырезами, уменьшающими ее сечение на отдельных участках. Такая конструкция вставки позволяет снизить время ее перегорания при протекании больших токов и, кроме того, повысить отключающую способность предохранителя в результате снижения количества паров металла в дуге при перегорании вставки (вставка перегорает лишь в суженных местах). В предохранителях с номинальным током патрона 15 – 60 А латунные колпачки 5 являются контактными частями предохранителя, а у предохранителей с номинальным током патрона от 100 А и выше контактными частями являются медные ножи 5.
Предохранители этого типа выпускаются на токи до 500 В переменного тока частотой 50 Гц. Предельно отключаемый ток составляет 60 кА.
Рис. 7.1. Кнопки управления. Переключатели. Рубильники. Предохранители
Предохранители с наполнителем серии ПН-2 (рис.7.1. е) имеют номинальные токи патронов 40 – 600 А; номинальные токи вставок 6 – 600 А.
Фарфоровая трубка 1, квадратная наружи и круглая внутри, имеет по углам четыре резьбовых отверстия в которые ввинчиваются винты, крепящие пластинки 5. К этим пластинкам винтами привинчены диски 4 с приваренными с одной стороны медными плавкими вставками 2 с оловянным растворителем
растворителем 7, а с другой стороны – ножами 9. Для герметизации патрона под пластины 5 кладется асбестовая прокладка 6, что предохраняет песок от увлажнения. Плавкие вставки 2 имеют прямоугольное сечение с суженными участками 8 (от 1 до 5 ).
Перегоревшая плавкая вставка заменяется вместе с ножами. Патрон заполняется кварцевым песком 3 с размерами зерен от 0,2 до 0,4 мм. Влажность песка должна быть не более 3 %.
Предохранитель ПНБ-2 (Б - быстродействующий) имеет такую же конструкцию как ПН-2, но вставки у них серебряные и предназначены для защиты германиевых и кремниевых выпрямителей.
Предохранители работают бесшумно, практически без выброса пламени и газов, что позволяет устанавливать их на близком расстояния друг от друга.
Автоматические выключатели
Автоматические выключателипредназначены для коммутации цепей при токах КЗ и перегрузке, а также для редких включений и отключений цепей в нормальном режиме.
В установках до 1 кВ применяются разнообразные по конструкции и назначению автоматические выключатели. Наиболее широкое применение получили автоматические выключатели серий ABM, AM, А-3700, Э.
Принципиальная схема автоматического выключателя приведена на рис. 7.2.а
Рис.7.2. Низковольтные выключатели
Во всех автоматических выключателях имеются дугогасительные 1 и главные 2 контакты. Главные контакты (медь, серебро) имеют малое переходное сопротивление и могут длительно пропускать большие номинальные токи. Параллельно главным включены дугогасительные контакты, выполненные из металлокерамики.
Отключающий импульс по механической связи 6 воздействует на рычаги 5 механизма свободного расщепления, «ломает» их по шарнирному соединению О2, и контактный рычаг 3 под действием отключающей пружины 4 поворачивается против часовой стрелки. При этом отключаются сначала главные, а затем дугогасительные контакты. Возникшая дуга под действием электродинамических сил втягивается в дугогасительную камеру с деионной решеткой из металлических пластин 9, где разделяется на ряд коротких дуг и гаснет. Включение выключателя осуществляется рукояткой 7 или электромагнитным приводом 8.
В зависимости от типа автоматического выключателя отключающий импульс может создаваться электромагнитным расцепителем, реагирующим на токи КЗ, тепловым расцепителем, реагирующим на перегрузку, расцепителем, реагирующим на снижение напряжения. Возможно дистанционное отключение от независимого расцепителя.
Высоковольтные выключатели представляют собой специальный коммутационный аппарат, с помощью которого производится оперативное включение и отключение как отдельных электрических цепей, так и различного оборудования
Требования, предъявляемые к выключателям, заключаются в следующем:
1) надежность в работе и безопасность для окружающих;
2) быстродействие – возможно малое время отключения;
3) удобство в обслуживании;
4) простота монтажа;
5) бесшумность работы;
6) сравнительно невысокая стоимость.
Применяемые в настоящее время выключатели отвечают перечисленным требованиям в большей или меньшей степени. Однако конструкторы выключателей стремятся к более полному соответствию характеристик выключателей выдвинутым выше требованиям.
Масляные выключате