книги / Электрические аппараты. Общий курс

Предисловие

Настоящий учебник представляет собой дополненную и частично переработанную кни­ гу, изданную в 1967 г.

Первое издание книги в основном предпо­ лагалось использовать по курсу электрические аппараты на факультете электрификации и автоматизации производственных процессов и транспорта. Однако охват книгой электриче­ ских аппаратов как низкого, так и высокого напряжения позволил широко использовать эту книгу для специальностей: электрические машины, электрооборудование самолетов и автомобилей, электротехнические материалы и кабели, полупроводниковые приборы и др. Книга также широко использовалась на ве­ черних факультетах.

Настоящий учебник написан в соответст­ вии с программами общего курса электриче­ ские аппараты, утвержденными Минвузом

СССР для специальностей: электрические ма­ шины, электропривод, автоматизация маши­ ностроения, автоматизация строительных ра­ бот, автоматизация горнорудных работ и др.

Во втором издании учтены замечания и по­ желания специалистов Ленинградского поли­ технического института, Киевского политехни­ ческого института, Всесоюзного заочного по­ литехнического института и Ивановского энер­ гетического института, которым автор прино­ сит большую благодарность.

В первом разделе дополнительно введены две главы: механизмы электрических аппара­

тов и изоляция электрических аппаратов. Шесть глав этого раздела дополнены приме­ рами расчетов.

Второй раздел учебника дополнен главами: муфты с электрическим управлением и датчи­ ки. Значительно переработана и расширена глава, посвященная бесконтактным электри­ ческим аппаратам.

При изложении материала особое внима­ ние уделяется освещению физических процес­ сов, происходящих в аппаратах, устройству аппаратов, регулировочным характеристикам и выбору.

Автор считает своим долгом выразить бла­ годарность всем сотрудникам кафедры электроаппаратостроения МЭИ за ценные предло­ жения по второму изданию книги.

Автор выражает искреннюю благодарность проф. Г. А. Кукекову за большой труд по ре­

проф. В. В. Афанасьеву за ценные указания по проспекту 2-го издания книги.

Все замечания и пожелания автор просит прислать по адресу: 113114, Москва, Шлюзо­ вая набережная, д. 10, Издательство «Энер­ гия».

Автор

ВВЕДЕНИЕ

Классификация электрических аппаратов и требования, предъявляемые к ним

Электоический аппаоат — это электротехническое устройство, которое служит для управления электричес­ кими и неэлектрическими объектами, а также для их защиты при ненормальных режимах работы.

Понятие электрический аппарат очень широкое, так как в него входят всевозможные бытовые и промышлен­ ные устройства и установки.

В настоящей книге рассматриваются основы тео­ рии, конструкция и эксплуатационные характеристики аппаратов, которые применяются в электрических систе­ мах, в схемах электроснабжения промышленных пред­ приятий и автоматизации производственных процессов и электропривода.

Классификация электрических аппаратов может быть проведена по ряду признаков: назначению (основ­ ной функции, выполняемой аппаратом), области приме­ нения, принципу, используемому в аппарате, роду тока, исполнению защиты от воздействия окружающей среды, конструктивным особенностям и др. Основной является классификация по назначению.

В зависимости от назначения аппараты можно разделить на следующие большие группы.

I. Коммитаиионные аппапаты оаспоеделительных истоойств. Э аппараты служат для включения и отключения электрических цепей. К этой группе относятся рубильники, пакетные выключатели, выклю­ чатели нагрузки, выключатели высокого напряжения, разъединители, отделители, короткозамыкатели, автоматические выключатели, предо­ хранители. Характерным для этой группы является относительно редкое их включение и отключение, хотя могут быть и случаи, ког­ да аппарат довольно часто совершает операции (например, выключа­ тель высокого напряжения, питающий электрические печи).

2. Ограничивающие аппараты. Эти аппараты предназначены для ограничения токов короткого замыкания (реакторы) и перенапряже­ ний (разрядники). Режимы короткого замыкания и перенапряжений редки, эти аппараты мало подвергаются наибольшим нагрузкам.

3. Пускорегулирующие аппараты, предназначенные для пуска, регулирования частоты вращения, напряжения и тока электрических машин или для пуска и регулирования какого-либо другого потреби­ теля электрической энергии. К этой группе относятся контроллеры, командоконтроллеры, контакторы, пускатели, резисторы и реостаты. Для этой группы являются характерными частые включения и от­ ключения. В современных приводах число включений в час достигает 1500.

4.Контролирующие аппараты. Основной функцией этих аппара­ тов является контроль заданных электрических или неэлектрических параметров. К этой группе относятся реле и датчики. Если при плав­ ном изменении входной (контролируемой) величины выходной сиг­ нал аппарата изменяется скачком, то мы имеем дело с реле. Выход­ ной сигнал обычно воздействует па схему автоматики. Датчик пре­ образует непрерывное изменение входной величины в изменение ка­ кой-либо электрической величины, являющейся выходной. Датчики могут контролировать как электрические, так и неэлектрические ве­ личины. Как правило, датчики производят плавное преобразование величин, хотя возможно и скачкообразное изменение выходного сигнала при плавном изменении входного (реле-датчики).

5.Аппараты для измерений. Эти аппараты изолируют цепи пер­

вичной коммутации (главного тока) от цепей измерительных и за­ щитных приборов. Они преобразуют измеряемую величину до стан­ дартного значения, удобного для измерений. К ним относятся транс­ форматоры тока, напряжения, конденсаторные делители напряжения.

6. Регулирующие аппараты предназначены для регулирования заданного параметра по определенному, наперед заданному закону. В частности, регуляторы служат для поддержания на неизменном уровне напряжения, тока, температуры, частоты вращения и других величин.

В данном курсе электрические регуляторы не рассматриваются, так как принцип их действия и характеристики тесно связаны с тео­ рией автоматического регулирования, которая в настоящей книге не излагается.

Разделение аппаратов по областям применения более условно. Аппараты, обслуживающие электрические системы и электроснабже­ ние, объединяют в группу аппаратов распределительных устройств низкого и высокого напряжения.

Большую группу аппаратов, применяющихся для схем автомати­ ческого управления электроприводами и для автоматизации произ­ водственных процессов, удобно объединить в группу аппаратов уп­ равления. Однако одни и те же аппараты могут находиться и среди аппаратов распредустройств, и среди аппаратов управления, например рубильники, пакетные выключатели, контакторы, автоматы, транс­ форматоры тока, реле и др.

По номинальному напряжению электрические аппараты разде­ ляются на две группы: аппараты низкого напряжения £/н^1000 В и высокого напряжения £/„>1000 В.

Для защиты персонала от соприкосновения с токоведущими или подвижными частями и защиты аппарата от попадания в него инородных тел устанавливаются специальные оболочки.

Согласно ГОСТ 14254-69 защитные свойства оболочки обознача­ ются буквами 1Р и двумя цифрами. Первая цифра обозначает сте­ пень защиты от прикосновения персонала к опасным деталям аппа­ рата, вторая характеризует защиту от попадания внутрь аппарата жидкостей.

Ниже приводятся защитные свойства оболочек некоторых ис­ полнений по ГОСТ 14254-69.

1Р00. Открытое исполнение. Защита персонала от соприкоснове­ ния с токоведущими пли подвижными частями отсутствует. Инород­ ные тела могут попадать внутрь аппарата.

1Р20. Защищенное исполнение. Оболочка таких аппаратов пре­ дохраняет от случайного прикосновения к токоведущим или подвиж­ ным частям или от проникновения внутрь аппарата посторонних предметов. Оболочка не должна давать возможность соприкоснове­ ния с деталями аппарата металлическим щупом (диаметр 12 мм, длина 80 мм), шарик 0 12 мм не должен проскакивать внутрь ап­ парата.

1Р22. В дополнение к свойствам исполнения 1Р20 оболочка за­

1Р23. В дополнение к свойствам исполнения 1Р20 оболочка за­ щищает от дождя, падающего под углом 60° к вертикали.

1Р40. Оболочка аппарата защищает от попадания внутрь аппара­ та мелких предметов (диаметр более 1 мм).

1Р42. В дополнение к свойствам исполнения 1Р40 оболочка за­ щищает от воздействия капель жидкости, так же как 1Р22.

1Р44. В дополнение к свойствам исполнения 1Р40 оболочка за­ щищает от вредного воздействия брызг жидкости, падающей под любым углом к стенкам оболочки.

1Р50. Оболочка аппарата защищает от вредного воздействия пыли (допускается попадание внутрь небольшого количества таль­ ковой пудры, не нарушающего нормальной работы аппарата).

1Р60. Пылезащищенное исполнение. Оболочка полностью препят­ ствует попаданию пыли (тальковой пудры).

1Р65. Пылеводозащищенное исполнение. В дополнение к свойст­ вам исполнения 1Р60 оболочка защищает от воздействия струи воды, падающей иод любым углом к ее поверхности.

1Р66. Пылеводонепроницаемое исполнение. В дополнение к свой­ ствам исполнения 1Р60 оболочка обеспечивает полную защиту от по­ падания воды внутрь аппарата при воздействии струи под любым углом к поверхности (морское исполнение).

1Р67. Герметическое исполнение. В дополнение к свойствам ис­ полнения 1Р60 оболочка обеспечивает полную герметичность аппа­

рата.

Классификация аппаратов по принципу действия, роду тока, вре­ мени действия, конструктивным особенностям дается в главах, по­ священных их устройству и характеристикам.

Требования к электрическим аппаратам весьма раз­ нообразны и зависят от назначения, условий эксплуа­ тации, необходимой надежности. Однако для всех аппа­ ратов существуют общие требования, которым они дол­ жны удовлетворять.

1. Аппараты, включенные в цепь последовательно (выключатели, автоматы, контакторы), обтекаются то­ ком этой цепи. При номинальном режиме температура токоведущих элементов аппарата не должна превосхо­ дить значений, рекомендуемых соответствующим стан­ дартом.

При коротком замыкании токоведущая цепь аппара­ та подвергается значительным термическим и динами­ ческим нагрузкам, вызываемым большим током. Эти нагрузки не должны вызывать остаточных явлений, пре­ пятствующих дальнейшей нормальной работе аппарата.

2. Аппараты, которые по условиям работы могут включать и отключать токи короткого замыкания, дол­ жны иметь контакты, рассчитанные на этот режим ра­ боты.

иметь высокую механическую и электрическую износо­ стойкость.

3. Изоляция электрических аппаратов должна быть рассчитана из условия возможных перенапряжений, ко­

фических требований, обусловленных его назначением. Так, например, выключатель высокого напряжения должен отключать ток короткого замыкания за малое время (0,04—0,06 с). Трансформатор тока должен да­ вать токовую и угловую погрешности, не превышающие определенного значения. Контактор должен иметь высо­ кую механическую и электрическую износостой­ кость.

5. В связи с широкой автоматизацией производствен­ ных процессов, применением сложных схем автоматики увеличивается число аппаратов, участвующих в работе, повышаются требования к надежности аппаратов.

6. Все без исключения аппараты должны иметь воз­ можно малую массу, стоимость, габариты. На их уста­ новку и обслуживание должно затрачиваться немного времени. Аппараты должны иметь конструкцию, позво­ ляющую широко внедрять автоматизацию производст­ венных процессов при их изготовлении.

О С Н О В Ы Т Е О Р И И Э Л Е К Т Р И Ч Е С К И Х А П П А Р А Т О В

Г л ав а п ер вая

ЭЛЕКТРОДИНАМ ИЧЕСКИЕ СИЛЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТАХ

1-1. Общие сведения

При коротком замыкании в сети через токоведущую часть аппарата могут проходить токи, в десятки раз превышающие номинальный. Эти токи, взаимодействуя с магнитным полем, создают электродинамические си­ лы, которые стремятся деформировать как сами провод­ ники, так и изоляторы, на которых они крепятся.

Электродинамической стойкостью аппарата называет­ ся его способность противостоять силам, возникающим при прохождении токов короткого замыкания. Эта вели­ чина может выражаться либо непосредственно ампли­ тудным значением тока /дин, при котором механические напряжения в деталях аппарата не выходят за пределы допустимых значений, либо кратностью этого тока отно­ сительно амплитуды номинального тока

зультат взаимодействия проводника с током и магнитно­ го поля.

Если элементарный проводник d\, м, с током i, А, на­ ходится в магнитном поле с индукцией В, Т, создавае­ мой другими проводниками (рис. 1-1, я), то сила dF, Н, действующая на этот элемент, равна:

dF = i d\ х В = iB dl sin |3,

где i — ток; |3 — угол между векторами элемента dl и ин­ дукции В, измеряемый углом поворота вектора dl до век-

Рис. 1-1. Направление э. д. у., действующего на элемент с током.

тора В по кратчайшему расстоянию. За направление dl принимается направление тока в элементе. Направле­ ние индукции В, создаваемой другим проводником, оп* ределяется по правилу буравчика, а направление си­ л ы — по правилу левой руки [Л. 1-1].

Для определения полной силы, действующей на про­