Электрические аппараты управления приемниками электрической энергии. Определение и классификация электрических аппаратов

На всех этапах производства, передачи, распределения и потребления электрической энергии практически во всех отраслях народного хозяйства важную роль играют электрические аппараты.

Электрические аппараты (контакторы, пускатели, электромагниты) входят в состав автоматических, полуавтоматических и ручных систем управления электроэнергетическими установками, электроприводами, устройствами электрического освещения, электротехнологическими установками и т. д. Их применяют для управления пуском, регулирования частоты вращения и осуществления электрического торможения электродвигателей. С помощью электрических аппаратов производится регулирование токов и напряжений генераторов. Они осуществляют функции контроля и защиты установок, потребляющих электроэнергию.

Таким образом, использование электромеханических устройств позволяет управлять по заданной программе работой электрических и неэлектрических объектов, а также защищать эти объекты от нежелательных режимов - перегрузок, перенапряжений, недопустимо больших токов и т. д.

Многие электрические аппараты предназначаются для выполнения какой-либо одной функции в системе управления или защиты, однако имеются и многофункциональные аппараты.
Работа электромеханических устройств в системах автоматики основывается на ряде физических явлений: взаимодействии ферромагнитных тел в магнитном поле, силовом взаимодействии проводника с током и магнитного поля, возникновении ЭДС в катушках и вихревых токов в массивных телах из электропроводящего материала при появлении переменного магнитного поля, тепловом действии электрического тока и др.

Основными частями электрических аппаратов являются

• электрические контакты (неподвижные и подвижные, главные и вспомогательные),
• механический или электромагнитный привод контактной группы (приведение в соприкосновение и прижатие подвижных и неподвижных контактов),
• рукоятки (кнопки) управления и рабочие обмотки.
  Электрический аппарат срабатывает, т. е. осуществляет замыкание и размыкание контактов или соединение подвижной и неподвижной частей электромагнитного механизма, под воздействием:

1) обслуживающего персонала, нажимающего на рукоятки (кнопки) управления; в этом случае аппарат называют ручным или полуавтоматическим;
2) электрических величин, характеризующих работу контролируемого (управляемого) объекта, изменяющих или на рабочих обмотках; в этом случае аппарат называют автоматическим.

В зависимости от функций, которые должен обеспечить аппарат, к нему могут предъявляться различные требования, но главными требованиями являются надежность и точность работы: надежность соединения контактов, малое электрическое сопротивление в месте соединения контактов, точность зависимости момента срабатывания от значения управляющего тока или напряжения.

По назначению различают следующие электрические аппараты

1) коммутационые (разъединители, выключатели, переключатели);
2) защитные, основным назначением которых является защита электрических цепей от недопустимо больших токов, перенапряжений, снижения и х д. (предохранители, реле защиты);
3) пускорегулирующие, предназначенные для управления электроприводами и другими промышленными потребителями электроэнергии (контакторы, пускатели, реле управления);
4) контролирующие и регулирующие, предназначенные для контроля и поддержания в заданном диапазоне основных параметров процесса (датчики и реле);
5) электромагниты (силовые), служащие для удерживания или
перемещения объектов в производственном либо управленческом
процессе.

В данной главе рассматриваются электрические аппараты (реле, пускатели, контакторы и электромагниты) и некоторые схемы управления и регулирования, использующие электромеханические устройства.

Прежде всего, рассмотрим особенности работы электрических контактов и работу электромагнитного механизма - привода контактной группы электрических аппаратов.

Страница 1 из 75

В книге изложены основы конструирования, расчета, испытания, выбора коммутационной аппаратуры распределительных устройств низкого напряжения - автоматических и неавтоматических выключателей и предохранителей; кроме того, описаны основные конструкции.

Книга предназначена для инженеров-электриков, занимающихся конструированием и исследованием аппаратуры, проектированием электротехнических установок и эксплуатацией их.

Кузнецов Ростислав Сергеевич, Аппараты распределительных устройств низкого напряжения, 1962.

ВВЕДЕНИЕ

Электрическая энергия, вырабатываемая генераторами на центральных электрических станциях, передается на большие расстояния многочисленным приемникам - двигателям, нагревательным, осветительным и подобным устройствам. Распределение энергии между приемниками и управление работой источников энергии, линий передачи и приемников осуществляются с помощью четырех групп электрических аппаратов, существенно отличающихся по назначению и конструкции.

К первой группе относятся аппараты, которые служат преимущественно для включения и отключения главных цепей в системах, генерирующих электрическую энергию и передающих ее потребителю. Они называются коммутационными аппаратами распределительных устройств. Эти аппараты производят включение или отключение цепи при воздействии обслуживающего персонала (неавтоматически) или без этого воздействия (автоматически). У некоторых аппаратов автоматическое срабатывание осуществляется при воздействии на их вспомогательную электрическую цепь, замыкаемую или размыкаемую с помощью других автоматических аппаратов - реле.

Ко второй группе относятся реле и регуляторы, осуществляющие защиту и управление работой генераторов, трансформаторов, линий передачи и приемников путем воздействия на разные вспомогательные цепи.

К третьей группе относятся аппараты управления, осуществляющие управление работой приемников электрической энергии, например: пуск, регулирование числа оборотов, торможение, реверсирование двигателей. К аппаратуре управления относятся, например: контакторы, пускатели, контроллеры, командоаппараты, реостаты, реле, осуществляющие защиту и управление работой электропривода.

К четвертой группе относятся аппараты, специально предназначенные для автоматизации технологических процессов. К ним относятся датчики, которые создают в цепях управления сигналы, соответствующие определенным параметрам протекающего технологического процесса, а также аппараты, которые преобразуют эти сигналы, вырабатывают, осуществляют, контролируют программу, определяющую желательный ход технологического процесса, и направляют сигналы аппаратам управления, которые управляют электродвигателями исполнительных механизмов.

В настоящей книге излагаются основные сведения об устройстве, проектировании и эксплуатации коммутационной аппаратуры распределительных устройств, которая обычно устанавливается в сетях переменного тока на напряжение до 660 в и постоянного тока - до 440 в. Некоторые аппараты рассчитываются на напряжение более 440 в постоянного тока. Поэтому, строго говоря, они не всегда могут быть названы низковольтными; однако по конструкции аппараты, предназначенные для сетей низкого напряжения (до 380 в с заземленной нейтралью), мало чем отличаются от аппаратов на несколько большее напряжение. Коммутационная аппаратура переменного тока на напряжение 3 кВ и выше в настоящей книге не рассматривается.

Книга охватывает главным образом аппаратуру общего применения. Более подробные сведения о специальной аппаратуре можно найти в соответствующих пособиях.

Глава первая

НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ АППАРАТОВ И ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НИМ

1-1. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ

Коммутационные аппараты распределительных устройств выполняют две функции:

неавтоматическое включение и отключение электрических цепей, которые производятся, когда надо подать или снять питание электроэнергией участка сети;

автоматическое отключение электрических цепей в случае появления в них каких-либо ненормальных явлений, угрожающих безопасности обслуживающего персонала или сохранности установки (например, в случае коротких замыканий). Иногда аппараты осуществляют автоматическое включение резервного источника энергии или автоматическое повторное включение после аварийного отключения.

Различают три группы аппаратов распределительных устройств:

автоматические выключатели или сокращенно автоматы;

плавкие предохранители или сокращенно предохранители;

неавтоматические выключатели.

Иногда указанные аппараты устанавливаются вместе с аппаратурой управления ib устройствах для управления электроприводом (станциях управления, магнитных пускателях и т. д.).

Автоматические выключатели полностью выполняют указанные выше первую и вторую функции: они служат как для неавтоматической коммутации, так и для автоматической коммутации при всевозможных ненормальных условиях (сверхток, перенапряжение, обратный ток, исчезновение напряжения и т. д.).

Плавкие предохранители частично выполняют вторую функцию: они только отключают цепь и только при одном виде ненормального режима - при сверхтоке. Их особенностью является плавление металла при больших токах, которое ведет к разрыву цепи тока.

Неавтоматические выключатели выполняют только первую из вышеуказанных функций: неавтоматическое включение и отключение цепей.

Распределительные устройства - это группа коммутационных аппаратов, электрически соединенных между собой и являющихся одним конструктивным целым. Выполняемые ими функции определяются составом входящих в них аппаратов. Кроме основной коммутационной аппаратуры, в распределительных устройствах могут устанавливаться также измерительные приборы, реостаты, реле, регуляторы, сигнальные аппараты и т. д.

Распределительные устройства устанавливаются в следующих местах:

у источника энергии (на вторичной стороне понизительных трансформаторов, у генераторов или ртутных выпрямителей);

в местах, где требуется осуществить распределение энергии по нескольким направлениям;

на ответвлениях к отдельным приемникам энергии.

Каждая из вышеуказанных групп аппаратов в зависимости от конструктивных принципов, положенных в их основу, показателей, характеризующих их работу при ненормальных режимах, и защищенности от воздействия внешней среды подразделяется на ряд подгрупп. Кроме того, все аппараты различаются по:

роду тока и частоте переменного тока аппарата и его катушек;

номинальному напряжению аппарата и шунтовых катушек его электромагнитов;

номинальному току аппарата, сериесных катушек его электромагнитов и его нагревателей;

числу коммутируемых цепей.

Аппараты исполняются на частоту до 10 000 Гц. Наиболее распространенным является исполнение аппаратов на номинальную частоту переменного тока 50 Гц. Шунтовые катушки электромагнитов исполняются на частоту не выше 60 Гц.

Аппараты выполняются для работы при номинальном напряжении сети переменного тока 127, 220, 380, 500 и 660 в и постоянного тока 24 - 32 в, 110, 220, 440, 825, 1 650 и 3 300 в. Напряжение 500 в переменного тока встречается изредка и только >в старых установках. В промышленности наиболее распространено напряжение 380 в. Сети с напряжением 660 в в последнее время применены в шахтах; предполагается их применение на химических и других предприятиях, где приемники энергии рассредоточены. В настоящее время напряжение 660 в пока еще не входит в число стандартных напряжений, предусмотренных ГОСТ, но предполагается его ввести в ближайшее время.

Главные цепи аппаратов обычно рассчитываются на напряжения 220 и 380 вив последнее время 660 в переменного тока и 30, 220, 440, 825, 1 650 и 3 300 в постоянного тока. Шунтовые катушки аппаратов исполняются на разные стандартные и нестандартные напряжения, но обычно не более 380 в переменного и 220 в постоянного тока. Катушки работают ненадежно при более высоких напряжениях.

Аппараты исполняются на разные номинальные токи от 6 до 25 000 а. Сериесные катушки аппаратов исполняются на номинальные токи от 0,05 до 25 000 а.

Аппараты подразделяются на одно-, двух- и трех- полюсные, в соответствии с числом проводов в линии. Изредка они имеют и большее число полюсов.

Кнопки управления служит для коммутации низковольтных электрических цепей. Они бывают одноцепные и двухцепные с замыкающими и размыкающими контактами. В большинстве случаев кнопки делаются с самовозвратом, т.е. при снятии механического давления их контакты возвращаются в исходное положение. На рис. 28 показана конструкция кнопки с двумя парами контактов: замыкающими и размыкающими.

Рис.28. Кнопка управления

Предохранители - это 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 напряжениеU н.пр. - напряжение, указанное на предохранителе и соответствующее наибольшему напряжению сетей, в которых разрешается установка данного предохранителя.

Номинальный ток предохранителяI н.пр. - при котором токоведущие и контактные части предохранителя нагреваются до допустимой температуры. Номинальный ток предохранителя всегда должен быть больше или равен номинальному току плавкой вставки, т.е. I н.пр. ≥ I н.вст.

Номинальный ток плавкой вставки I н.вст - ток, выдерживаемый плавкой ставкой неограниченно долго.

Предельный ток отключения при данном напряжении I пр.пр - наибольшее значение тока КЗ сети, при котором гарантируется надежная работа предохранителей, т. е. дуга гасится без каких-либо повреждений корпуса.

Защитная (время-токовая) характеристика предохранителя- это зависимость времени полного отключения τ откл 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. Вставки из цинка и свинца имеют низкую температуру плавления (419 о С и 327 о С), поэтому температура нагрева всего предохранителя при длительном прохождении номинального тока также не может быть большой. При плавлении на внешней поверхности цинка образуются прочные пленки окисла, внутри которых может находиться жидкий металл. В этих условиях после плавления вставки цепь тока не прерывается, и значение пограничного тока может оказаться неопределенным. Цинк имеет относительно высокий потенциал ионизации (9,4 электрон-вольт), что способствует гашению дуги. Цинк устойчив против коррозии, поэтому сечение плавких вставок из цинка в эксплуатации не изменяется, и их защитные характеристики остаются стабильными. Так как цинк и свинец имеют сравнительно высокое удельное электрическое сопротивление, поперечное сечение вставок из этих металлов оказывается значительным.

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 время-токовой характеристикой, которая представляет собой зависимость времени плавления плавкой вставки от величины протекающего через нее тока. Общий вид такой характеристики представлен на рис. 29.

Рис.29. Согласование характеристик предохранителя и защищаемого объекта.

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 (рисунок 9). 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.

При небольших перегрузках (1,5-2)I н нагрев предохранителя протекает медленно. Большая часть тепла отдается окружающей среде. Для защиты от небольших перегрузок необходимо использовать другие устройства.

Ток, при котором плавкая вставка сгорает при достижении ею установившейся температуры, называется плавящим или пограничным током I погр .

Различают нижнее и верхнее значения испытательного тока. Нижнее значение испытательного тока - это максимальный ток, который, протекая в течение 1 ч, не приводит к перегоранию предохранителя. Верхнее значение испытательного тока - это минимальный ток, который, проходя в течение 1 ч, плавит вставку предохранителя. С достаточной точностью можно принять пограничный ток равным среднеарифметическому испытательных токов.

Величина пограничного тока зависит от многих факторов, главнейшие из которых: конфигурация плавкой вставки, конструкция предохранителя. Длительность перегорания плавкой вставки существенным образом зависит от степени перегрузки. Так, при небольших перегрузках большое влияние на длительность перегорания оказывают массивность и степень поджатия контактов, температура и быстрота движения окружающего вставку воздуха, состояние поверхности, химический состав материала вставок.

Роль перечисленных факторов при токах короткого замыкания практически не сказывается на времени перегорания плавкой вставки.

Таким образом, защитная характеристика предохранителя представляет собой сложное явление, зависящее от целого ряда факторов, которые в большинстве случаев не поддаются точному учету. Поэтому единственный путь для получения действительной картины происходящих явлений – это путь эксперимента.

Предохранители серии ПР-2 (рис. 30) 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 3 , латунных втулок 4, имеющих прорезь для плавкой вставки 1, и латунных колпачков 5.

Плавкая вставка 1 изготовляется из цинка, стойкого против коррозии. Вставка выполняется в виде пластинки с вырезами, уменьшающими ее сечение на отдельных участках (рисунок 30, в). 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 I ном патрона 15 – 60 А латунные колпачки 5 являются контактными частями предохранителя, а у предохранителей с I ном от 100 А и выше контактными частями являются медные ножи 2 (см. рисунок 30, б). Шайба 6, имеющая паз для ножа, предотвращает его поворот.

Рис.31. Предохранитель типа ПН-2.

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 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.

Переключатели - это контактные коммутационные аппараты, предназначенные для переключения электрических цепей.

В распределительных устройствах до 1 кВ и в слаботочных цепях автоматики широкое применение получили пакетные переключатели и выключатели. На рис. 32 показан пакетный кулачковый выключатель. На основании выключателя укреплены два пакета /, //, внутри которых расположены по три полюса контактных систем. При повороте рукоятки 9поворачиваются вал 2и кулачок 3. Если шток 5попадает в выемку кулачка, то контакты 7, 8замыкаются под действием пружины 6.Если шток попадает на выступ кулачка, то контакты размыкаются. Возникшая дуга гасится в закрытом объеме герметизированного корпуса 4из изоляционного материала. Внешняя сеть подключается к выводам 1.

Рис. 32. Пакетный кулачковый выключатель

Пакетные переключатели имеют малые габариты, удобны в монтаже, исключается выброс пламени и газов. Контактная система позволяет управлять одновременно большим количеством цепей. Такими переключателями разрешается отключать номинальные токи.

Пакетные выключатели не обеспечивают видимого разрыва цепи, поэтому в некоторых цепях устанавливают рубильники.

Рубильники предназначены для ручного включения и отключения цепей постоянного и переменного тока до 1000 В. По конструкции различают одно-, двух- и трехполюсные рубильники.

На рис. 33 показан рубильник с рычажным приводом. Подвижный контакт-нож 3вращается в шарнирной стойке 4, создавая разрыв с неподвижным контактом 1. Дугогасительная камера 2обеспечивает гашение дуги. Ножи всех полюсов объединены изоляционньм валиком, движение которому передается тягой 5. Рукоятка монтируется на передней стороне шкафа, а контактная часть - внутри шкафа. Таким образом, операции с рубильником безопасны для персонала. Таким рубильником можно отключать номинальный ток в установках 380 В и 50% номинального тока в установках 500В.

Рис. 33. Рубильник с рычажным приводом

Автоматические выключатели предназначены 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.

Во всех автоматических выключателях имеются дугогасительные 1 и главные 2 контакты (рис. 34). 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 О 2 , 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.

Рис. 34. Основные узлы автоматического вы­ключателя

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.

Автоматические выключатели изготовляются в стацио­нарном и выдвижном исполнении. Более подробно характеристики автоматических выключателей будут рассмотрены при выполнении курсовой работы.

Вопросы для самопроверки:

· Предохранители.

· Переключатели.

· Рубильники.

· Автоматические выключатели.

Электрический аппарат - это электротехническое уст­ройство, которое используется для включения и отключе­ния электрических цепей, контроля, измерения, защиты, управления и регулирования установок, предназначенных для передачи, преобразования, распределения и потребле­ния электроэнергии.

Классификация электрических аппаратов может быть проведена по ряду признаков: назначению, области применения, принципу дей­ствия, роду тока, исполнению защиты от воздействий окру­жающей среды, конструктивным особенностям и др. Ос­новной является классификация по назначению, которая предусматривает разделение электрических аппаратов на следующие большие группы.

1. Коммутационные аппараты распределительных устройств , слу­жащие для включения и отключения электрических цепей. К этой груп­пе относятся рубильники, пакетные выключатели, выключатели нагруз­ки, выключатели высокого напряжения, разъединители, отделители, короткозамыкатели, автоматические выключатели, предохранители. Для аппаратов этой группы характерно относительно редкое их включение и отключение. Могут быть и случаи, когда такие аппараты довольно часто включаются и отключаются (например, выключатели высокого напряжения в цепях питания электрических печей).

2. Ограничивающие аппараты , предназначенные для ограничения токов короткого замыкания (реакторы) и перенапряжений (разрядни­ки). Режимы короткого замыкания и перенапряжений являются аварий­ными, и эти аппараты редко подвергаются наибольшим нагрузкам.

3. Пускорегулирующие аппараты , предназначенные для пуска, регулирования частоты вращения, напряжения и тока электрических машин или каких-либо других потребителей электрической энергии. К этой группе относятся контроллеры, командоконтроллеры, контакторы, пус­катели, резисторы и реостаты. Для аппаратов этой группы характерны частые включения и отключения, число которых достигает 3600 в час и более.

4. Аппараты для контроля заданных электрических или неэлектри­ческих параметров. К этой группе относятся реле и датчики. Для реле характерно плавное изменение входной (контролируемой) величины, вызывающее скачкообразное изменение выходного сигнала. Выходной сигнал обычно воздействует на схему автоматики. В датчиках непрерыв­ное изменение входной величины преобразуется в изменение какой-либо электрической величины, являющейся выходной. Это изменение выход­ной величины может быть как плавным (измерительные датчики), так и скачкообразным (реле-датчики). С помощью датчиков могут контро­лироваться как электрические, так и неэлектрические величины.

5. Аппараты для измерений. С помощью этих аппаратов цепи пер­вичной коммутации (главного тока) изолируются от цепей измеритель­ных и защитных приборов, а измеряемая величина приобретает стан­дартное значение, удобное для измерений. К ним относятся трансфор­маторы тока, напряжения, емкостные делители напряжения.

6. Электрические регуляторы. Предназначены для регулирования заданного параметра по определенному закону. В частности, такие ап­параты служат для поддержания на неизменном уровне напряжения, тока, температуры, частоты вращения и других величин.

Разделение аппаратов по областям применения более условно. Ап­параты для электрических систем и электроснабжения объединяют в группу аппаратов распределительных устройств низкого и высокого напряжения. Аппараты, применяющиеся в схемах автоматического управления электроприводами и для автоматизации производственных процессов.

По номинальному напряжению электрические аппараты разделя­ются на две группы: аппараты низкого напряжения (с номинальным напряжением до 1000 В) и высокого напряжения (с номинальным на­пряжением более 1000 В).

Требования, предъявляемые к электрическим аппаратам:

1. При номинальном режиме работы температура токоведущих элементов аппарата не должна превосходить зна­чений, рекомендуемых соответствующим ГОСТ.

При коротком замыкании (КЗ) токоведущие элементы аппарата подвергаются значительным термическим и ди­намическим нагрузкам, вызываемым большим током. Эти нагрузки не должны вызывать остаточных явлений, нарушающих работоспособность аппарата после устранения КЗ.

2. Аппараты, предназначенные для частого включения и отключения, должны иметь высокую износостойкость.

3. Контакты аппаратов, предназначенных для отклю­чений токов КЗ, должны быть рассчитаны на этот режим.

4. Изоляция электрических аппаратов должна выдер­живать перенапряжения, которые имеют место в эксплуа­тации, и обладать определенным запасом, учитывающим ухудшение свойств изоляции с течением времени и вслед­ствие осаждения пыли, грязи и влаги.

5. К каждому аппарату предъявляется ряд специфиче­ских требований, обусловленных его назначением. Так, на­пример, выключатель высокого напряжения должен отключать ток КЗ за малое время (0,04-0,06 с). Трансфор­матор тока должен давать токовую и угловую погрешно­сти, не превышающие определенного значения.

6. В связи с широкой автоматизацией производствен­ных процессов, применением сложных схем автоматики увеличивается число аппаратов, участвующих в работе. Возможность отказа в работе электрических аппаратов требует их резервирования и создания специальной систе­мы поиска неисправностей. В связи с этим электрические аппараты должны обладать высокой надежностью. Выход из строя аппаратов высокого напряжения приводит к боль­шим разрушениям и материальным потерям.

7. Масса, габаритные размеры, стоимость и время, не­обходимые для установки и обслуживания электрических аппаратов, должны быть минимальными. Отвечающие со­временным требованиям электрические аппараты за срок службы 25 лет не должны нуждаться в ремонте и сложной ревизии.

8. Конструкция электрических аппаратов должна обеспечивать возможность автоматизации в процессе их изготовления и эксплуатации.

Электрический аппарат представляет собой устройство необходимое для осуществления операций запуска и отключения цепей электрического тока. Это оборудование требуется для выполнения функций по контролю, защите и управлению различными установками, служащими для передачи, преобразования, распределения и потребления электрической энергии.

Электроаппараты нашли своё применение в быту и в самых разных областях промышленности. В некоторых случаях такие аппараты исполняют роль вспомогательного устройства. Определенная категория электрических устройств может выполнять контролирующую и корректирующую функцию, что позволяет добиться бесперебойной работы электрического оборудования и предупредить появление возможных сбоев и поломок электрических машин.

Классификация электрических аппаратов

В большинстве своём работа электрических аппаратных устройств не ограничивается выполнением какой-то одной конкретной функции, а, напротив, связана с реализацией целого набора действий. В связи с этим возникает определенная трудность в разделении таких устройств на конкретные виды и группы.

Для того чтобы провести классификацию электрических аппаратов, важно выделить главные функциональные особенности конкретных типов электрического оборудования:

1. Коммутационные устройства. Такое оборудование служит для размыкания и замыкания цепей электрического тока. К таким устройствам относятся различные рубильники, выключатели, разъединители.
2. Устройства защиты. Аппараты предохраняют проводящие элементы электрических цепей от перепадов напряжения, повышенной нагрузки сети и замыканий. Представленные функции защиты могут быть реализованы в различных видах предохранителей и реле.
3. Аппараты, регулирующие запуск электрических машин. Устройства подобного рода предназначены для обеспечения плавного пуска и остановки промышленных потребителей электрического тока. Аппараты регулируют скорость вращения якоря двигателя. К подобным устройствам можно отнести пускатели, реостаты, контакторы.
4. Ограничивающие аппараты. Подобные устройства называют реакторами и разрядниками, они обладают функцией ограничения токов короткого замыкания и перенапряжения.
5. Аппараты, обеспечивающие контроль различных параметров электрических цепей. Самые распространенные виды таких устройств - датчики и реле.
6. Аппараты, позволяющие проводить корректировку и изменение различных параметров электрического оборудования. К таким аппаратам относятся регуляторы и стабилизаторы.
7. Измерительные аппараты. Функция данного оборудования сводится к тому, чтобы обеспечить изоляцию линии первичной коммутации от цепей измерительных приборов и приборов защиты.
8. Устройства для проведения работ механического характера. Основным элементом таких устройств является электромагнит, призванный выполнять конкретные функции: подъемный электромагнит, электромагнитный тормоз.

Каждое электрическое устройство имеет в своем составе три основных элемента:

• воспринимающий;
• преобразующий;
• исполнительный элемент.

Если исходить из принципа действия воспринимающего элемента устройства, то электрические аппараты подразделяются на электромагнитные, индукционные, полупроводниковые, магнитные.

В зависимости от принципа действия исполнительного элемента, электрические устройства подразделяются на контактные и бесконтактные аппараты.

Существует еще ряд принципиальных различий, связанных с особенностями эксплуатации рассматриваемого оборудования, которые позволяют провести разделение электрических устройств на определенные группы. Электрические аппараты могут быть рассчитаны на высокое или низкое напряжение. По продолжительности работы, такие устройства могут работать в режиме кратковременной или продолжительной эксплуатации.

Если принимать во внимание принцип управления, то можно выделить два основных вида устройств: с автоматическим и ручным управлением.

Коммутационные электрические аппараты

Коммутационные электрические аппараты получили широкое распространение в различных отраслях промышленности. Трудно себе представить, как бы выполнялись различные задачи по эксплуатации и выполнению операций, связанных с электрическим оборудованием, без этого функционального устройства.

Коммутационный электрический аппарат служит для разъединения и замыкания электрической цепи при помощи контактной группы. Проще говоря, такое устройство можно назвать выключателем. К основным видам представленного устройства относятся: рубильники, выключатели, контакторы, реле. Несмотря на то, что в этих приборах заложен практически один и тот же принцип работы, все они имеют ряд отличий друг от друга.

Рассмотрим каждый вид аппаратов в отдельности.

Рубильник относится к наиболее простому коммутационному аппарату. Аппарат приводится в действие вручную с помощью рукоятки. Такой вид устройств рассчитан на большие значения силы тока.

Выключатели имеют разные модификации. В промышленном применении, к наиболее распространенным видам таких устройств относятся масляные выключатели. Такие выключатели рассчитаны на напряжение до 220кВ. Масло, в данном случае, служит для подавления/гашения, проходящей через него дуги электрического тока. Особого внимания заслуживают воздушные и электрогазовые выключатели. Гашение дуги, то есть прекращение подачи электрического тока, происходит за счет подачи струи сжатого воздуха или электроотрицательного газа.

Кардинально новый способ размыкания токопроводящей линии воплощен в электромагнитных выключателях. Принцип действия такого устройства заключается в следующем: электрическая дуга горит в нормальных условиях при атмосферном давлении - цепь включена. Как только потребуется разомкнуть цепь, по направлению к дуге подается сильное магнитное поле. За счет воздействия магнитного поля, дуга начинает растягиваться и, в конечном итоге, расщепляется, размыкая тем самым токопроводящую линию.

Реле предназначено для размыкания и замыкания электрической цепи. Основным характерным свойством данного коммутационного аппарата является принципиально новый способ работы контактной пары. Электромагнитное реле, как и в контакторе, под воздействием электрического тока, приводит в движение сердечник электромагнита с установленными на нем контактами, что приводит к замыканию цепи. Способ воздействия на контактную пару реле может быть не только электрическим, но также тепловым или акустическим.

Контакторы представляют собой разновидность электромагнитного реле. Основное назначение - включение и выключение токопроводящей линии силовых электрических цепей. Контакторы могут применяться как в цепи переменного, так и постоянного электрического тока. Принцип работы контактора основан на электромагнитном эффекте. Сердечник электромагнита контактора под действием электрического тока увлекает за собой подвижный контакт, который, вследствие такого перемещения, прижимается к неподвижному контакту и цепь замыкается. Как только подача тока прекращается, сердечник возвращается в свое первоначальное положение и контакты размыкаются.

Электрические аппараты высокого напряжения

К электрическим аппаратам высокого напряжения относятся различные устройства, выполняющие функции по управлению, защите и контролю электрических цепей и систем. Перечень видов электрических аппаратов высокого напряжения схож с рассмотренным выше списком электрических устройств. К таким видам аппаратов относятся:

• коммутационные аппараты;
• устройства для заземления отдельных участков цепи электрического тока (заземлители);
• приборы для замыкания цепи под нагрузкой (короткозамыкатели);
• оборудование для выключения цепи электрического тока при коротком замыкании, ограничивающие аппараты.

Электрические аппараты до 1000 вольт

Электрические аппараты до 1000 вольт принято называть аппаратами электрического тока низкого напряжения.

Оборудование разделяется на три категории. Первая - это устройства по управлению и защите электрических цепей (контакторы, реле, пускатели, предохранители, рубильники). Следующий вид - аппараты с функцией автоматизированной настройки параметров электрической линии (стабилизаторы, регуляторы). И, наконец, аппараты автоматики (датчики, реле, усилители).

Электрические аппараты до 1000 вольт выполняют определенные функции по контролю, усилению и преобразованию электрического сигнала.

Аппараты защиты электрических сетей

Для обеспечения соответствующего уровня безопасности токопроводящей линии и исключения негативных последствий из-за короткого замыкания или перегрузки сети, применяют разнообразные аппараты защиты электрических сетей. Самым распространенным устройством, обеспечивающим такую защиту, служит предохранительное устройство, выполненное в виде плавких предохранителей или автоматических выключателей. Составные элементы плавкого предохранителя: корпус, плавкое вещество и контактная часть.

Принцип действия такого устройства основан на выделении большого количества тепла проводником с плавким веществом, в случае прохождения через него большого значения силы тока. Такой эффект приводит к разрыву проводящего элемента предохранителя и цепи.

Следующим видом защитных устройств является автоматический выключатель. Такой аппарат состоит из крышки, корпуса, дугогасительной камеры и механизма свободного расцепления. Последний элемент устройства может быть электромагнитным или же тепловым. Автоматические выключатели, которые снабжены механизмом электромагнитного расцепления, предназначены для защиты от короткого замыкания. Если же в аппарате установлен механизм теплового расцепления, то предназначение такого устройства - защита от перегрузок сети.

Электрические аппараты тепловоза

Электрические аппараты тепловоза подразделяются на следующее виды: устройства защиты, устройства управления и измерительные приборы. В зависимости от напряжения сети можно выделить низковольтные и высоковольтные устройства.

К наиболее распространенным видам электрических аппаратов тепловоза относят аппараты управления:

• реверсоры;
• контроллеры;
• выключатели;
• контакторы;
• реле.

Контроллеры выполняют функцию настройки мощности дизельного двигателя. Элементы управления данным устройством выполнены в виде двух рукояток: главной и реверсивной. С контроллера помощью машинист подает ток на тягловые электродвигатели. Движение реверсивного рычага приводит к смене полярности электродвигателя, и, соответственно изменяет направления движения тепловоза.

Выключатели служат для включения и выключения вспомогательных устройств и осветительных приборов.

Контакторы выполняют функцию выключателей, размыкая и замыкая силовые линий.

Реле управления позволяет включать и отключать соответствующие линии управления. Реле перехода позволяет осуществлять переключение силовых электроустановок тепловоза в автоматическом режиме.

Другая группа электрического оборудования для тепловоза - это аппараты автоматического регулирования (регуляторы напряжения и амплистаты).

Регуляторы напряжения обеспечивают постоянное напряжение вспомогательной генераторной установки.

Амплистат выполнен в виде магнитного усилителя. Основная функция данного устройства - регулирование силы тока возбуждения тягового генератора тепловоза.

Защитные электрические аппараты тепловоза - это блокировочный магнит, реле давления масла, реле заземления, реле боксования, реле ограничения тока и температурное реле.

Режимы работы и нагрева электрических аппаратов

Любые устройства, вне зависимости от области применения и характера, выполняемых ими функций, рассчитаны на определенные режимы эксплуатации. Электрические аппараты могут работать в кратковременном, повторно-кратковременном, продолжительном и прерывисто продолжительном режиме.

Существует два вида режимов нагрева электрических аппаратов: установившийся и переходный. Процесс нагрева можно считать установившимся в том случае, если спустя один час нагрева, температура электрического аппарата возрастет не более чем на 1 0 С. Для того чтобы рассчитать значение температуры в переходном режиме, необходимо использовать уравнение теплового баланса.

Тепловые расчеты токоведущих частей электрических аппаратов

При прохождении тока по проводнику, происходит выделение мощности Р, которая вычисляется по формуле: P=I2R, где R - активное сопротивление проводника длиной l и поперечным сечением S: R=pl/S.

Удельное сопротивление p находится в прямой зависимости от температуры Т и рассчитывается по следующей формуле: p=p 0 (1+aT), где p 0 - удельное сопротивление материала проводника при температуре равной 0 0 С, aT - температурный коэффициент расширения.

Рассмотрим понятие поверхностного эффекта и эффекта близости. Поверхностный эффект представляет собой неравномерное распределение плотности переменного электрического тока по всей площади поперечного сечения проводника. Эффект близости сводится к неравномерному распределению плотности переменного тока в связи с тем, что два проводника находятся на близком расстоянии друг от друга. Такое явление является причиной значительных потерь мощности.

Испытание электрических машин, аппаратов и приборов

Для подтверждения полного соответствия заявленным требованиям и стандартам, электрические машины подвергаются разного рода испытаниям, которые проводятся на разных этапах производства и эксплуатации оборудования.

Испытания могут быть:

• приемочные - таким испытаниям подвергают опытные образцы, для того чтобы в дальнейшем запустить оборудование в серию;
• приемо-сдаточные - проводится с каждой единицей оборудования с целью установления оптимальных технических и эксплуатационных параметров;
• периодические - проводятся в определенное время и призваны выявить соответствие технических характеристик оборудования заявленным требованиям и стандартам предприятия;
• типовые - необходимы при внесении определенных изменений в конструкцию устройства;
• аттестационные - направлены на установление стандартов качества выпускаемой продукции;
• эксплуатационные - осуществляют в процессе работы оборудования. Такие испытания нацелены на выявление возможных неисправностей и сбоев в работе устройств.

Термическая и электродинамическая стойкость электрических аппаратов

Оборудование, испытывающее чрезмерные тепловые нагрузки, подвержено риску преждевременного выхода из строя. Нагрев составных частей и узлов электрических устройств может протекать настолько интенсивно, что тепло не будет своевременно отводиться от нагретых элементов.

Термической стойкостью электрических аппаратов принято называть их способность преодолевать чрезмерные тепловые нагрузки без ущерба для узлов оборудования и токопроводящих линии. К количественной характеристике термической стойкости относится ток термической стойкости, проходящий по проводнику за определенный промежуток времени. Самый неблагоприятный режим работы устройства - режим короткого замыкания, при котором резко возрастает значение силы тока и мощности источников теплоты.

Под электродинамической стойкостью электрических аппаратов подразумевается способность данного оборудования противостоять электродинамическому эффекту тока короткого замыкания, без возникновения сбоев и других пагубных последствий, негативно сказывающихся на его работе.

Электродинамическая стойкость характеризуется номинальным током электродинамической стойкости, значение которого устанавливается по результатам типовых испытаний, а именно: действующее и мгновенное значение силы тока.

При проведении проверочных работ на электродинамическую стойкость, необходимо провести сравнение номинального значения токов с расчетными значениями.

Электродинамические усилия в электрических аппаратах

Если эксплуатация электрического аппарата протекает в оптимальном режиме, электродинамические силы очень малы и не создают никаких трудностей для бесперебойной работы оборудования. При возникновении короткого замыкания, такие силы могут привести к серьезным поломкам электрических устройств.

Для того чтобы избежать таких ситуаций, необходимо провести расчет аппарата или же отдельных его узлов, на электродинамическую устойчивость. Потребность в таком расчете вызвана еще одной причиной. Дело в том, что реализация новых технических решений по минимизации элементов оборудования приводит к тому, что токопроводящие линии находятся в непосредственной близости друг от друга, что повышает риск возникновения короткого замыкания.

Производители и поставщики электрических аппаратов

Среди наиболее популярных отечественных и зарубежных производителей и поставщиков электрических аппаратов можно выделить следующие компании:

• «Электромонтаж»;
• «КЭАЗ»;
• «Престиж»;
• «Электроконтактор»;
• «Электродруг»;
• «Электроцентр»;
• «Legrand»;
• «Schneider Electric».

Ассортимент современных предприятий включает весь спектр электрических аппаратов разного назначения.