Коммутационная аппаратура и аппаратура управления

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(1+aT), где p – удельное сопротивление материала проводника при температуре равной 0С, 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.

Реле коммутации и защиты

Реле представляют собой электрические аппараты, замыкающие или размыкающие свои контакты при изменении контролируемой ими физической величины. Значение контролируемой величины, при которой реле срабатывает, называется уставкой реле.

Реле различают: по принципу действия (электромагнитные, индукционные, тепловые и т. д.), по времени срабатывания (мгновенного действия и с выдержкой времени), по способу возврата реле в исходное состояние (с самовозвратом, с принудительным ручным или электромагнитным возвратом), по назначению (реле управления, защиты, блокировки и сигнализации).

Важной характеристикой реле является коэффициент возврата, представляющий собой отношение значений величины отпускания к величине срабатывания. Он обычно меньше единицы

Особое место в распределительных устройствах занимают реле защиты, которые могут быть максимального тока, обратной мощности, тепловые.

Устройство такого реле (типа ДТ) показано на рис. 2. Это электромагнитное поляризованное реле, реагирующее на изменение направления протекающего по катушке тока.

Рис. 2. Реле обратного тока

На сердечнике 8 его магнитопровода находится токовая катушка 7, включаемая последовательно в защищаемую цепь. Между полюсами N—S на оси, перпендикулярной плоскости рисунка, может поворачиваться якорь 6 с намотанной на него катушкой напряжения 5. Ток к ней подается гибкими проводниками от выводов Л1 и Л2. Направление тока в этой катушке неизменно, а в последовательной может изменяться. Если ток по катушке 7 течет в нормальном, заранее предусмотренном направлении, якорь поворачивается по часовой стрелке, рычаг 4 доходит до упора. При изменении направления тока якорь поворачивается против часовой стрелки. Пружина 3 растягивается. Подвижный контакт 2 замкнется с контактом 1, включит расцепитель автомата, который отключит генератор от шин щита.

Регулировку реле обратного тока выполняют натяжением пружины 3. Настройку реле в системе защиты генераторов производят согласно Правилам Регистра на обратный ток 2—15% номинального.

Индукционное реле мощности типа ИМ-149 (рис. 3) осуществляет направленную защиту генераторов переменного тока от перехода их в двигательный режим. Индукционная система реле состоит из двух электромагнитов: трехстержневого верхнего 4 и подковообразного нижнего 1 и расположенного между ними алюминиевого диска 2, закрепленного на оси 9.

Рис. 3. Индукционное реле обратной мощности ИМ-149

На нижнем электромагните находится обмотка напряжения, на верхнем — токовая. Подвижный контакт 8 через шестеренчатую пару связан с осью диска. Пружина 7 удерживает контакты 6 и 8 в разомкнутом состоянии. Постоянные магниты 3 обеспечивают обратнозависимую характеристику реле: чем больше обратная мощность, тем быстрее поворачивается диск и быстрее замыкаются контакты 6, закрепленные на колодке 5.

При нормальном направлении мощности (от генератора к шинам) обмотки создают вращающий момент в диске, направленный в ту же сторону, что и момент, создаваемый пружиной 7 (на размыкание контактов). При обратном направлении мощности (от шин к генератору) ток в катушке электромагнита 4 изменяет свою фазу на обратную, а в обмотке напряжения фаза не изменяется.

Вращающий момент диска поменяет свой знак на обратный и, преодолевая противодействие пружины 7, повернет подвижный контакт 8 в сторону неподвижных и замкнет их.

Реле ИМ-149 допускает регулировку по уровню обратной мощности (6, 9 и 12% номинальной) перестановкой штепсельного устройства в отпайках токовой обмотки и по выдержке времени в пределах от 0 до 10 — с зазором между подвижным и неподвижным контактами, т. е. изменяя положение упора подвижного контакта.

На новых судах синхронные генераторы от обратной мощности обычно защищают бесконтактным реле обратного активного тока типа РОТ-51. Это реле обладает ступенчатым регулированием по току 5, 10, 15% номинального.

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.

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.

Предохранители и их селективность

Плавкие предохранители представляют собой аппараты, служащие для защиты электрических цепей от токов КЗ и значительных перегрузок. Предохранитель любого типа состоит из трех основных частей: патрона, плавкой вставки и конструкции для установки патрона и присоединения проводов.

Длительный ток, на который рассчитана плавкая вставка, называется номинальным током плавкой вставки. Он обозначается на плавкой вставке заводом-изготовителем. Для большинства предохранителей плавкие вставки изготовляют из свинца, сплавов свинца с оловом, цинка, меди, серебра и других металлов на следующие номинальные токи: 6, 10, 15, 20, 25, 35, 60, 80, 100, 125, 160, 200, 225, 260, 300, 350, 430, 500, 600, 700, 850, 1000 А.

Номинальным током предохранителя называют длительный ток, на который рассчитаны патрон и конструкция для его установки. В данный предохранитель могут быть установлены плавкие вставки на различные номинальные токи, но не более, чем номинальный ток предохранителя. Например, в предохранитель на 15 А могут быть установлены плавкие вставки на 6, 10 или 15 А.

Обозначают предохранители на схемах дробью: в числителе — номинальный ток предохранителя, в знаменателе — номинальный ток плавкой вставки.

При протекании через предохранитель тока КЗ или при перегрузке плавкая вставка расплавляется и разрывает цепь. Чем больше ток, протекающий через плавкую вставку, тем быстрее юна расплавляется и отключает цепь.

Способность предохранителя защищать цепь от перегрузки и обеспечивать селективность (избирательность) действия в общей совокупности защиты сети определяется ампер-секундной характеристикой. Она представляет собой (рис. 1, а) зависимость времени разрыва цепи от кратности перегрузки по отношению к номинальной. Из характеристики видно, что ток перегрузки 1,3 Iн может не вызвать разрыва цепи длительно. В то же время перегрузка в 30% может быть опасна для защищаемой установки. В этом смысле предохранители нельзя считать надежной защитой от перегрузок.

Важной характеристикой предохранителей является их разрывная способность, определяемая тем наибольшим током КЗ, который предохранитель может отключить без каких-либо деформаций, препятствующих его дальнейшему использованию после смены плавкой вставки

Рис. 1. Плавкий предохранитель: а — ампер-секундная характеристика; б — патрон предохранителя ПР-2

В сравнении с автоматическими выключателями предохранители имеют меньшую (в 2—6 раз) разрывную способность. Однако время гашения дуги и общее время разрыва цепи предохранителем при токах КЗ очень мало

В этом их важное преимущество

На судах наибольшее распространение получили трубчатые (ПР) и пробочные (ПД) предохранители.

Устройство патрона предохранителя ПР-2 на 350 А (рис. 1, б): на фибровой трубке 1 закреплены латунные кольца 5, на которые навинчиваются латунные колпачки 4. К контактным ножам 3, зажимаемым с помощью колпачков, болтами 2 прикрепляется сменная плавкая вставка 6. Предохранители ПР-2 изготовляют двух габаритов, отличающихся длиной патрона, на 250 и 500 В.

В предохранителях типа ПР применяют фигурные пластинчатые цинковые вставки, имеющие 2—4 суженных места, где из-за большего сопротивления выделяется больше тепла, чем в широких частях.

Фибра, из которой выполнена трубка патрона, является газогенерирующим материалом. Фибра при перегорании плавкой вставки выделяет водород, углекислый газ и водяной пар, которые обладают дугогасящими свойствами.

В процессе эксплуатации чаще всего повреждаются стойки ножи и вставки предохранителей.

Стойки и ножи трубчатых предохранителей при незначительных подгарах и оплавлениях зачищают напильниками, а затем поврежденное место лудят. При значительных выгораниях плоскостей и кромок контактных ножей и предохранителей можно так же, как у рубильников, наплавить поврежденные места однородным металлом.

Пробитые, обгоревшие и поломанные фибровые трубки предохранителей и сгоревшие плавкие вставки заменяют новыми.

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.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РЕЛЕ

Это вид коммутационных устройств, функция которых включения — выключения электрической цепи, под действием управляющего сигнала, либо наступления определенных условий. Применяются повсеместно — от бытовой домашней сети до авиастроения, энергоснабжения, во всех сферах электротехники.

В большинстве случаев, имеют комбинацию выходов с нормально замкнутыми, разомкнутыми, переключающими контактами, но могут выполняться и с одним типом коммутации.

Промышленность производит реле реагирующие на различные физические величины — ток, напряжение, мощность, частота, сдвиг фаз, температура, излучение, звуковые колебания, время, положение в пространстве.

По типу их подразделяют на:

первичные — выходы управления включаются непосредственно в «рабочую» сеть;
вторичные — сигнал на коммутацию приходит с какого либо измерительного элемента, либо трансформатора;
промежуточные — являющиеся частью системы, усиливающие управляющий сигнал.

По внутреннему устройству и принципу действия реле можно классифицировать как — электромагнитные, магнитоэлектрические, индукционные, полупроводниковые, сегнетоэлектрические, пьезо, фото, тепловые.

Электромагнитные устройства представляют собой катушку индуктивности с подвижным якорем. Под воздействием магнитного поля, последний коммутирует контакты реле. Со снятием управляющего сигнала, сердечник возвращается пружинами в исходное положение. Наиболее дешевый и распространенный вид.

Магнитоэлектрические реле — система из подвижной рамки с обмоткой подключенной к выходам «сигнальной» цепи, поворачивающейся в поле постоянного магнита и воздействующей на контакты. Обладают высокой чувствительностью, но быстродействие не превышает десятой доли секунды.

Индукционные — конструктивно состоят из двух неподвижных переменных магнитов и якоря. Сигнал управления, проходящий через обмотки, наводит напряжение в подвижном элементе. Возникающая электродвижущая сила поворачивает якорь осуществляя коммутацию. Для генерации ЭДС необходимо различие фаз тока подаваемого на выходы контроля, что позволяет использовать устройство в качестве реле фаз.

Тепловые — элементы основанные на свойстве твердых тел менять объем в зависимости от температуры. Биметаллическая пластина (как правило латунь со сталью) при нагревании изгибается осуществляя коммутацию цепи. Применяется в автоматах защиты от перегрузки и сверх токов короткого замыкания.

Полупроводниковые — бесконтактные устройства, твердотельные реле выполненные на тиристорах, IGBT транзисторах. Могут изготавливаться для коммутации значительных мощностей, под токи в сотни ампер, независимо от величины сигнала управления. Высокое быстродействие (микросекунды) и надежность, за счет отсутствия движущихся частей. Недостаток — высокая стоимость.

Сегнетоэлектрические реле — коммутационные устройства основанные на свойстве некоторых материалов изменять направление поляризации под воздействием электрического поля. Причем зависимость имеет нелинейный характер.

Подобный принциписпользуют пьезо, фото элементы, скачкообразно увеличивающие — уменьшающие сопротивление исходя от величины механической деформации или мощности светового излучения. Применяются в микроэлектронике, приборах сигнализации, измерения, хранения информации.

Выбор того или иного вида реле зависит от требуемых параметров:

назначение, рабочая схема, количество коммутируемых контактов, модель;
вид, величина тока, напряжения коммутируемой цепи, управляющего сигнала;
скорость, количество срабатываний, точность;
температурный режим работы, класс пожаровзрывобезопасности.

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.

Больше о классификации, режимах работы, расчётах электрических аппаратов можно узнать на выставке «Электро».

Высоковольтные электрические аппаратыВысоковольтные аппаратыНизковольтные электрические аппараты

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.

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.

ПРОИЗВОДИТЕЛИ И БРЕНДЫ

Согласно аналитическим выводам журнала «Новости энергетики», львиную долю российского рынка коммутационного оборудования представляют зарубежные компании — АВВ, Legrand. Их товар можно встретить на полках любого специализированного магазина.

АВВ — швейцарская корпорация представленная более чем в сотне стран мира, одна из ведущих производителей электротехнической продукции. По отзывам пользователей коммутационные автоматы этого бренда отличаются качеством и долговечностью.

Второе место по объему продаж занимает французская компания Legrand, с более чем 150 летней историей, половину которой агломерат производит электрические коммутационные устройства.

Отечественная промышленность представлена десятками торговых марок.

Лидирующие позиции занимают:

КЭАЗ — Курский электроаппаратный завод. Известен силовыми АВ, предохранителями, ПМЛ;
IEK — российский бренд, группа компаний. Выпускает светотехническое оборудование, средства автоматики, коммутационные устройства.

Эти фирмы популярны среди специалистов, конкурируют с АВВ, Legrand. Отечественные коммутационные аппараты стоят на 30 — 40% дешевле западных аналогов, но могут уступать им по ряду параметров.

* * *