книги / Электрические аппараты

А . А . Ч у н и х и н

Э Л Е К Т Р И Ч Е С К И Е

А П П А Р А Т Ы

О Б Щ И Й К У Р С

3-е издание, переработанное и дополненное

Допущено Государственным комитетом СССР по народному образованию в качестве учебника для студентов электротехнических и электроэнергетических специальностей вузов

М о с к в а

Э н е р г о а т о м и з д а т

ББК 31.264 4-91

УДК [621.316.37+621.316.9] (075.8)

Рец ен зен т кафедра электрических аппаратов Ленинградского политехнического института

Чунихин А. А.

4-91 Электрические аппараты: Общий курс. Учебник для вузов.— 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1988. — 720 с.: ил.

ISBN 5-283-00499-6

Рассматриваются основы теории электрических аппаратов, описаны устройство и принцип работы аппаратов распредели­ тельных устройств высокого и низкого напряжения и аппара­ тов автоматики, а также конструкции узлов аппаратов, режи­ мы их работы и эксплуатационные характеристики. Даны ре­ комендации по выбору электрических аппаратов. Второе изда­ ние вышло в Î975 г.

Для студентов электротехнических и энергетических вузов

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящий учебник представляет, собой дополненное и переработанное издание книги, вышедшей в 1975 г. Он широко использовался для специальностей: электрические машины, электрооборудование самолетов и автомобилей, электротехнические материалы и кабели, автоматизиро­ ванный электропривод и др. В 1976 г. книга удостоена се­ ребряной медали ВДНХ СССР и получила одобрение ве­ дущих политехнических вузов страны.

Настоящее издание написано в соответствии с програм­ мами общего курса «Электрические аппараты» для выше­ указанных специальностей с учетом замечаний специалис­ тов Ленинградского, Томского, Киевского, Харьковского политехнических институтов, Ивановского энергетическо­ го института, а также Всесоюзного заочного политехниче­ ского института.

По сравнению с предыдущим в настоящее издание вне­ сены некоторые изменения. В I части переработана гл. 4, в которой рассмотрены способы гашения электрической ду­ ги и бездуговое отключение электрической цепи с помо­ щью полупроводниковых приборов. Во II и III частях опи­ саны современные электрические аппараты, выпускаемые промышленностью. Особое внимание уделено физическим процессам, происходящим в аппаратах, их устройству, ре­ гулировочным характеристикам и выбору. Заново написа­ ны гл. 11 и 12, посвященные герконам и полупроводнико­ вым электрическим аппаратам.

Рассмотрено также воздействие механических и кли­ матических факторов на электрические аппараты в усло­ виях эксплуатации.

Во всех главах более глубоко освещены вопросы эк­ сплуатации и выбора электрических аппаратов.

Автор считает своим долгом выразить благодарность

сотрудникам кафедры электрических аппаратов МЭИ за предложения по улучшению третьего издания книги и кол­ лективу кафедры электрических аппаратов Ленинградско­ го политехнического института им. М. И. Калинина и ее заведующему доктору техн. наук, проф. Г. Н. Александро­ ву за большой труд по рецензированию книги и ценные замечания, которые учтены при доработке рукописи.

Автор выражает глубокую благодарность редактору книги инж. И. Д. Беликову за проделанную им большую работу по редактированию и ряд ценных замечаний, спо­ собствующих улучшению содержания книги.

Все замечания и пожелания по книге автор просит при­ сылать по адресу: 113114, Москва, Шлюзовая наб., 10, Энергоатомиздат.

Автор

ВВЕДЕНИЕ

Электрический аппарат — это электротехническое уст­ ройство, которое используется для включения и отключе­ ния электрических цепей, контроля, измерения, защиты, управления и регулирования установок, предназначенных для передачи, преобразования, распределения и потребле­ ния электроэнергии.

Под электрическими аппаратами понимается широкий круг всевозможных устройств, применяемых в быту, про­ мышленности и энергетике.

В настоящей книге рассматриваются основы теории, конструкция и эксплуатационные характеристики аппара­ тов, которые применяются в электрических системах, схе­ мах электроснабжения промышленных предприятий и при автоматизации производственных процессов и электропри­ вода.

Классификация электрических аппаратов может быть проведена по ряду признаков: назначению (основной вы­ полняемой функции), области применения, принципу дей­ ствия, роду тока, исполнению защиты от воздействий окру­ жающей среды, конструктивным особенностям и др. Ос­ новной является классификация по назначению, которая предусматривает разделение электрических аппаратов на следующие большие группы.

1. Коммутационные аппараты распределительных устройств, слу­ жащие для включения и отключения электрических цепей. К этой груп­ пе относятся рубильники, пакетные выключатели, выключатели нагруз­ ки, 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 (разрядни­ ки). Режимы короткого замыкания и перенапряжений являются аварий­ ными, и эти аппараты редко подвергаются наибольшим нагрузкам.

3.Пускорегулирующне аппараты, предназначенные для пуска, ре­ гулирования частоты вращения, напряжения и тока электрических ма­ шин или каких-либо других потребителей электрической энергии. К этой группе относятся контроллеры, командоконтроллеры, контакторы, пус­

катели, резисторы и реостаты. Для аппаратов этой группы характерны частые включения и отключения, число которых достигает 3600 в час

иболее.

4.Аппараты для контроля заданных электрических или иеэлектрических параметров. К этой группе откосятся 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 непрерыв­ ное изменение входной величины преобразуется в изменение какой-либо электрической величины, являющейся выходной. Это изменение выход­ ной величины может быть как плавным (измерительные датчики), так

искачкообразным (реле-датчики). С помощью датчиков могут контро­ лироваться как электрические, так и иеэлектрические величины.

5.Аппараты для измерений. С помощью этих аппаратов цепи пер­ вичной коммутации (главного тока) изолируются от цепей измеритель­

ных и защитных приборов, я измеряемая величина приобретает стан­ дартное значение, удобное для измерений. К ним относятся трансфор­ маторы тока, напряжения, емкостные делители напряжения.

6. Электрические регуляторы. Предназначены для регулирования заданного параметра по определенному закону. В частности, такие ап­ параты служат для поддержания на неизменном уровне напряжения, тока, температуры, частоты вращения и других величин. В данном кур­ се электрические регуляторы не рассматриваются, так как принцип их действия и характеристики связаны с теорией автоматического ре­ гулирования, которая в настоящей книге не излагается.

Разделение аппаратов по областям применения более условно. Ап­ параты для электрических систем и электроснабжения объединяют в группу аппаратов распределительных устройств низкою и высокого напряжения. Аппараты, применяющиеся в схемах автоматического уп­ равления электроприводами и для автоматизации производственных про­ цессов, удобно объединить в группу аппаратов управления. Одни и те же аппараты могут быть отнесены как к группе аппаратов распредели­ тельных устройств, так и к группе аппаратов управления, например рубильники, пакетные выключатели, контакторы, трансформаторы тока, реле и др. Классификация электрических аппаратов по области приме­ нения принята в настоящей книге.

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

Защитные оболочки электрических аппаратов. Для предотвращения соприкосновения обслуживающего персонала с токоведущими или под­ вижными частями и исключения попадания в аппараты инородных тел устанавливаются специальные защитные оболочки. Согласно ГОСТ 14254—80 защитные свойства оболочки обозначаются буквами IP и дву­ мя цифрами. Первая цифра обозначает степень защиты от прикоснове­ ния персонала к опасным деталям аппарата, вторая характеризует за­ щиту от попадания внутрь аппарата инородных предметов и жидкос­ тей. Ниже приводятся защитные свойства некоторых исполнений по ГОСТ 14254—80.

IP00. Открытое исполнение. Защита персонала от соприкосновения с токоведущимн или подвижными частями отсутствует. Инородные те­ ла могут попадать внутрь аппарата.

IP20. Защищенное исполнение. Оболочка таких аппаратов предо­ храняет от случайного прикосновения к токоведущим или подвижным частям или от проникновения внутрь аппарата посторонних предметов. Оболочка должна препятствовать соприкосновению с деталями аппа­ рата металлического щупа (диаметр 12, длина 80 мм), шарик диамет­ ром 12 мм не должен проникать внутрь аппарата.

IP22. В дополнение к свойствам исполнения IP20 оболочка защища­ ет от вредного воздействия капель жидкости, падающих на стенку обо­ лочки, наклоненную к вертикали под углом в пределах 15°.

IP23. В дополнение к свойствам исполнения IP20 оболочка защи­ щает от дождя, падающего под углом 60° к вертикали.

IP40. Оболочка защищает аппарат от попадания внутрь него мел­ ких предметов диаметром более 1 мм.

ÎP42. В дополнение к свойствам исполнения IP40 оболочка защи­ щает от воздействия капель жидкости (так же как IP22).

IP44. В дополнение к свойствам исполнения IP40 оболочка защи­ щает от воздействия брызг жидкости, падающих под любым углом.

IP50. Оболочка аппарата защищает от вредного воздействия пыли (допускается попадание внутрь небольшого количества пыли, не нару­ шающего нормальной работы аппарата).

1Р60. Пылезащищенное исполнение. Оболочка полностью препятст­ вует попаданию пыли.

IP65. Пылеводозащищенное исполнение. В дополнение к свойствам исполнения IP60 оболочка защищает от воздействия струи воды, на­ правленной под любым углом к ее поверхности.

IP66. Пылеводонепроницаемое исполнение. В дополнение к свойст­ вам исполнения IP60 оболочка обеспечивает полную защиту от попа-

Дания поды внутрь аппарата при воздействии струи под любым углом к поверхности (морское исполнение).

IP67. Герметичное исполнение. В дополнение к свойствам исполне­ ний IP60 оболочка обеспечивает полную герметичность аппарата.

Воздействия механических и климатических факторов на электри­ ческие аппараты в условиях эксплуатации регламентируются действую­ щими стандартами (ГОСТ 15150—69 и 15543—70). Под климатически­ ми факторами внешней среды понимаются температура и влажность окружающего аппарат воздуха, давление воздуха (высота над уровнем моря), солнечное излучение, дождь, ветер, пыль (в том числе и снеж­ ная), солевой туман, иней, гидростатическое давление воды, действие плесневых грибков, содержание в воздухе коррозионно-активных аген­ тов. Нормальные значения климатических факторов внешней среды, при­ нятые для использования в технике, соответствуют данной географиче­ ской зоне с учетом места размещения аппарата. В технической докумен­ тации на электрический аппарат всегда оговариваются значения клима­ тических факторов, в пределах которых обеспечивается нормальная эксплуатация изделий. Эти значения принято называть номинальными. Различают также рабочие и предельные значения факторов. Значения климатических факторов, при которых обеспечивается сохранение но­ минальных параметров и гарантированный срок службы аппаратов, на­ зываются рабочими. Значения климатических факторов: а) при которых сохраняется работоспособность аппарата при допустимых отклонениях точности и номинальных параметров, б) после прекращения действия которых точность и номинальные параметры аппарата восстанавлива­ ются, принято называть предельными рабочими.

С точки зрения воздействия климатических факторов поверхность земного шара делится на ряд макроклиматических районов. Каждый макроклиматический район характеризуется однородностью географиче­ ских факторов и количественных показателей климатических факторов на своей территории.

В табл. В.1 приведены климатические исполнения электрических аппаратов, предназначенных для эксплуатации на суше, озерах и ре­ ках. Исполнения для морского климата даны в [3.1]. В зависимости от места размещения в условиях эксплуатации электрические аппараты делятся на категории, указанные в табл. В.2. Следует отметить, что на работу аппаратов оказывает влияние также атмосферное давление. От плотности атмосферного воздуха зависят прочность внешней электри­ ческой изоляции и охлаждение электрических аппаратов. Большинство электрических аппаратов изготовляют для работы на нормальной вы­ соте 1000 м над уровнем моря, при которой аппараты работают с номи­ нальными параметрами. Однако аппараты могут работать на высотах, превышающих нормальную.

При этом в соответствующих стандартах или технических усло-

пример, в неотапливаемых и невентилируемых подзем­ ных помещениях, в том числе шахтах, подвалах, в поч­ ве и др.)

виях указывается уменьшение номинальной нагрузки на каждые 100 или 1000 м высоты, превышающей нормальную. Аналогично учитывает­ ся уменьшение электрической прочности воздушных промежутков. Элек­ трические аппараты для самолетов и других летательных аппаратов работают при пониженном давлении на высоте значительно выше 1000 м, которое регламентировано в пределах 70—-1,3-10—4кПа.

В зависимости от содержания коррозионно-активных агентов ок­ ружающая атмосфера делится на четыре типа в соответствии с табл. В.З.

При заказе аппарата необходимо указывать его исполнение (табл. В.1), категорию размещения (табл. В.2) и предельную высоту места

установки аппарата над уровнем моря. Климатическое исполнение и ка­ тегория размещения указываются в конце сокращенного обозначения электрических аппаратов. Так, например, обозначение ВЭ-10-1250-20-УЗ означает выключатель электромагнитный на номинальное напряжение 10 кВ, номинальный ток 1250 А номинальный ток отключения 20 кА для умеренного климата (У), и для эксплуатации в закрытых помеще­ ниях (категория размещения 3). Предприятия, разрабатывающие и из­ готавливающие электрические аппараты, руководствуются стандартами, предусматривающими нормы механических испытаний (на удары, виб­ рацию, механические нагрузки на выводы аппарата), акустических ис­ пытаний, климатических испытаний (теплостойкость, холодостойкость, грибоустойчивость, водонепроницаемость, брызгозащшценность, солнеч­ ная радиация и др.).

Требования к электрическим аппаратам весьма разно­ образны и зависят от назначения, условий эксплуатации, необходимой надежности и т. д. Однако можно сформули­ ровать требования, которые являются общими для всех электрических аппаратов.

1. При номинальном режиме работы температура токо­ ведущих элементов аппарата не должна превосходить зна­ чений, рекомендуемых соответствующим ГОСТ или другим нормативным документом.

При коротком замыкании (КЗ) токоведущие элементы аппарата подвергаются значительным термическим и ди­ намическим нагрузкам, вызываемым большим током. Эти нагрузки не должны вызывать остаточных явлений, нару-

ю