Главная | Обратная связь

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ

СЫКТЫВКАРСКИЙ ЛЕСНОЙ ИНСТИТУТ (филиал)

ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ им. С.М. КИРОВА»

 

КАФЕДРА ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ

 

ЭЛЕКТРИЧСКАЯ АППАРАТУРА

 

Составитель

Чукреев Юрий Яковлевич

 

Сыктывкар 2006

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

ГЛАВА 9

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА 3

9.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ 3

9.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА 7

9.3. ИЗОЛЯТОРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВОК 10

9.4. АВТОМАТИЧЕСКИЕ ВОЗДУШНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ 12

9.5. ПРЕДОХРАНИТЕЛИ С ПЛАВКОЙ ВСТАВКОЙ 18

9.6. МАСЛЯНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ 25

9.7. БЕЗМАСЛЯНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ 29

9.8. РАЗЪЕДИНИТЕЛИ, КОРОТКОЗАМЫКАТЕЛИ И ОТДЕЛИТЕЛИ 32

9.9. ВЫБОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ 32

 

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ

Общие сведения. Для соединения генераторов, шин, трансформаторов, линий электропередачи, выключателей, электроприемников в системах электроснабжения применяют контакты различных типов. При низком качестве контактов возможны повреждения и нарушения нормальной работы электроустановок. Слово «контакт» означает соприкосновение, касание. Электрическая проводимость в контактах обеспечивается давлением на контактные части с помощью винтов и пружин.

По назначению и условиям работы различают неразмыкаемые и размыкаемые контакты. Неразмыкаемые контакты делят на неподвижные и подвижные. В неподвижных контактах части не перемещаются одна относительно другой. Примером могут служить винтовые контакты, т. е. соединения с помощью винтов шин. В подвижных контактах их части испытывают скольжение или качение, как, например, в выключателях и разъединителях.

По типу соприкасающихся поверхностей размыкаемые подвижные контакты бывают плоские, линейные и точечные. Плоский контакт образуется при соприкосновении плоских деталей, например плоских шин в распределительных устройствах (КРУН10). Линейный контакт может быть образован двумя поверхностями цилиндров с параллельными осями или цилиндром и плоскостью. Точечный контакт возможен между двумя сферическими поверхностями или двумя цилиндрами с осями, расположенными прямым углом.

Понятия плоского, линейного и точечного контактов условны, поскольку поверхности контактных деталей неидеально ровные. В действительности контактные элементы соприкасаются по небольшим площадкам, образованным в результате деформации материала в точках соприкосновения поверхностей под действием силы сжатия.

Площадь контактной поверхности, воспринимающей давление, много раз меньше общей площади поверхности контактов. Как тщательно последние не были обработаны, они остаются неровными и имеют выступы и углубления. Из-за этого при соприкосновении элементов сначала возникает контакт выступающих точек поверхностей, а затем по мере увеличения давления деформируется материал в точках соприкосновения и эти точки превращаются в небольшие площадки.

Чем больше сила нажатия контактов и мягче материал контактных поверхностей, тем больше площадь соприкосновения контактов и, следовательно, меньше электрическое сопротивление в месте их соединения. Активное сопротивление в зоне переходного слоя между контактирующими поверхностями называется переходным. Такое сопротивление - один из основных показателей качества контактов. Оно характеризует количество энергии, выделяющейся в контактных соединениях и нагревающей контакт.

На поверхности металла имеется тонкий инородный слой большей или меньшей толщины, который препятствует непосредственному соприкосновению металла контактов. Этот слой состоит из оксидов, жиров, адсорбированных газов и др. Получить чистые контактные поверхности трудно. Для этого они должны быть механически очищены и затем подвергнуты длительному нагреванию в вакууме. Однако при длительном нахождении на воздухе на чистые контакты воздействуют вода, газы и кислород с образованием относительно толстого слоя, состоящего из оксидов, сульфидов, хлоридов и др. Важное значение имеет скорость образования этого слоя. Для алюминиевых контактов при наличии окисной пленки значительно увеличивается переходное сопротивление. Благородные металлы, например серебро, также подвержены окислению, однако процесс окисления в них протекает медленнее, слой менее прочен и легко разлагается при нагревании.

При прохождении тока через контакты они нагреваются. При этом увеличиваются удельное электрическое сопротивление материала и переходное контактное сопротивление, образуются оксиды на поверхности контактов, что, в свою очередь, еще больше увеличивает переходное сопротивление. В процессе нагрева возможно разрушение контактов или их сваривание, что может привести к неспособности отключения ими цепи. Поэтому для контактов разных типов установлена допустимая температура длительно протекающего через них тока.

Требования, предъявляемые к контактам и учитывающие назначение контактов и процессов, происходящих на поверхностях соприкосновения, воздействие токов к. з. и атмосферных и климатических условий на них, заключаются в следующем. Контакты должны характеризоваться механической прочностью и длительно работать без недопустимого нагрева. Переходное сопротивление контактных поверхностей должно быть как можно меньше. Контакты любого типа должны быть стойкими к термическому и динамическому воздействию токов к. з.

К подвижным размыкаемым контактам предъявляют дополнительные требования. Они не должны разрушаться под воздействием высокой температуры дуги, которая образуется при их размыкании. В них не должно ослабляться контактное давление при электродинамических воздействиях токов к. з. Необходимо также устранять значительные упругие удары и возможные вибрации контактных поверхностей при включениях.

Для соблюдения перечисленных требований при конструировании применяют специальные меры. Так, для снижения температуры нагрева контактов увеличивают их массу и охлаждающую поверхность, что усиливает теплоотвод. Для снижения переходного сопротивления выбирают соответствующие материалы для изготовления контактов и увеличивают силу их нажатия.

Размыкающие контакты, работающие на открытом воздухе, изготовляют из материалов, слабо поддающихся окислению, или покрывают их антикоррозионным слоем, например серебром. Медные контакты для ослабления процессов окисления лудят.

Основные конструкции контактов. Неподвижные (жесткие) неразмыкаемые контакты соединяют с помощью болтов или сваркой. Такие контакты (рис. 9.1) обычно используют для соединения аппаратов или присоединения их к ошиновке, что позволяет быстро и без особых затруднений отделить аппарат от распределительного устройства в случае его неисправности. Для обеспечения надежности контактов создают специальные условия сцепления металлов. Поверхность контактов тщательно очищают и обеспечивают необходимое давление в них для пластической деформации металла. Контакт образует монолитную массу и неограниченное время сохраняет проводимость.

В болтовых соединениях контактные точки располагаются около отверстий для болтов, т. е. в местах, где металл деформируется пластически. Проводимость контактов зависит от числа болтов, их диаметра и материала. Если затяжка болтов чрезмерна, то возможны остаточные деформации и давление в контакте ослабевает. Для повышения надежности контактных соединений под болты устанавливают тарельчатые пружинные, а также плоские шайбы. Пружинные шайбы компенсируют температурные расширения материалов и поддерживают на необходимом уровне давление в болтовом соединении. Длину перекрытия полос выбирают так, чтобы разместить необходимое число болтов. Обычно она в 10 раз превышает толщину полосы.

Шины лучше соединять несколькими болтами меньшего диаметра, чем одним большим: при этом обеспечивается больше точек соприкосновения. При стягивании шин накладками (см. рис. 9.1, а) переходное сопротивление ниже, чем при использовании сквозных болтов (см. рис. 9.1, б и в), когда требуется сверлить отверстия, ослабляющие тело шин. Высокое качество контактного соединения достигается сваркой шин (см. рис. 9.1, г). Ее чаще всего применяют для сборки шин в распределительных устройствах.

На рис. 9.2 приведены примеры подвижных неразмыкаемых контактов. Для контакта с шинным компенсатором предназначена гибкая связь из большого числа гибких пластинок. Она служит для компенсации температурного удлинения шин. При возможном изменении их длины из-за колебаний температуры компенсатор предотвращает разрушение изолятора, на котором крепят шины. При использовании роликовых контактов токосъем с неподвижных стержней 4 на подвижный контакт 6 передается через ролики 5. Последние заменяют гибкую связь.

Подвижные размыкаемые контакты — основной элемент коммутационных аппаратов (выключателей, разъединителей и т. п.). Условия их работы значительно тяжелее, чем неподвижных и подвижных неразмыкаемых контактов. Во-первых, значительно труднее обеспечить необходимое контактное давление; во-вторых, в разомкнутом состоянии контактные поверхности в большей степени подвергаются окислению, и, наконец, дуга, образующаяся между контактами при их размыкании, разрушающе действует на подвижную и неподвижную части контактов.

По конструктивному исполнению подвижные размыкаемые контакты (рис. 9.3) бывают рубящими, пальцевыми, пластинчатыми, торцевыми, розеточными и щеточными. В плоском контакте рубящего типа (см. рис. 9.3, а) трудно добиться надлежащего давления, кроме того, в нем не обеспечивается в достаточной степени самоочистка от оксидов. Более удачным следует считать линейный контакт рубящего типа (см. рис. 9.3, б), в котором контактные поверхности сжимаются пружинящей скобой 3. Оба варианта контактов применяют в разъединителях для внутренней установки.

Пальцевый контакт (см. рис. 9.3, в) самоустанавливающегося типа используют в выключателях высокого и низкого напряжения. Пружина 9 давит на палец 6 через полусферическую поверхность винта 7. Палец может свободно поворачиваться и своей поверхностью лучше прижиматься к поверхности подвижного контакта 5. Пальцевые контакты самоочищаются от пленки оксидов весьма слабо. Это обстоятельство, а также наличие переходного сопротивления в местах соединения гибких связей с пальцами и контактной колодкой приводят к излишнему перегреву контактного соединения.

Вместо пальцевого в масляных выключателях в качестве рабочего применяют пластинчатый контакт. Подвижный контакт 14 представляет собой клиновидную колодку (см. рис. 9.3, г), а неподвижный - набор попарно расположенных пластин 13, закрепленных на токоведущей части с помощью болтов, на которые надеты пружины 11. Число пар пластин зависит от значения номинального тока, проходящего через контакт. При скольжении контактов их поверхности самоочищаются. Необходимая сила нажатия обеспечивается пружинами.

В торцевом контакте соприкасаются торцевые поверхности подвижного и неподвижного элементов контакта. Подвижный контакт 16 (см. рис. 9.3, д) выполнен в виде круглого стержня или трубы, а неподвижный контакт 15 - в виде плоскости, соединенной гибкими пружинами с контактодержателем. Для необходимого нажатия в конструкции неподвижного контакта предусмотрены пружины. Торцевые контакты не следует применять при больших токах ввиду невозможности получения малого переходного сопротивления. Они находят применение в выключателях высокого напряжения 110 кВ и выше на токи не более 1...1,5 кА.

Розеточный контакт применяют в малообъемных масляных выключателях на напряжение 10 кВ. Неподвижный элемент розеточного контакта 19 (см. рис. 9.3, е) представляет собой цилиндрическую поверхность, образованную четырьмя — восьмью отдельными сегментами 21. Каждый из них прикреплен к контактодержателю гибкой связью 20. Подвижный контакт 22 выполнен в виде трубки или стержня диаметром, несколько большим внутреннего диаметра розетки. Отдельные сегменты нажимаются на подвижный контакт при включенном состоянии с помощью общей пружины - упорного кольца 18 и индивидуальных пружин 17.

Щеточный контакт (см. рис. 9.3, ж) собирают из тонких пластин холоднокатаной упругой меди. Если одна из контактных поверхностей собрана в виде щетки 25 (неподвижный контакт), то другая представляет собой клинообразный нож 26 (подвижный контакт).

К неподвижному контакту 23 болтами присоединяют медные пластины. Пружины 24 обеспечивают необходимую силу сжатия контактных поверхностей. К существенному недостатку щеточного контакта относят различную силу нажатия отдельных пластин на контактную поверхность. Это приводит к неравномерному распределению тока в пластинах и вызывает перегрев отдельных пластин и их отжиг и, как следствие, к быстрому разрушению контакта.

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА

Общая характеристика дуги.При размыкании контактов, если сила тока в цепи 0,1 А и более и напряжение свыше 10 В, возникает электрический разряд в виде дуги. При напряжениях 110 кВ и выше длина дуги достигает нескольких метров. Температура внутри дуги может быть 10 000... 15 000 ^оС, и электрическая дуга представляет опасность для электрических цепей всех напряжений, особенно для напряжения выше 1 кВ.

В дуге различают околокатодное пространство, ствол дуги и околоанодное пространство. Около катода наблюдают высокую напряженность электрического поля (10⁵... 10⁶ В/см), вследствие чего возникает ударная ионизация. При этом электроны, вырванные из катода силой электрического поля или за счет нагрева катода, разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом сообщают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать один электрон с оболочки нейтрального атома, то происходит ионизация. Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги.

Высокие температуры в стволе дуги приводят к интенсивной термоионизации, т. е. образованию ионов за счет соударения молекул и атомов, обладающих при высоких скоростях движения большой кинетической энергией.

Чем больше ток в дуге, тем меньше ее сопротивление, и требуется меньшее напряжения для горения дуги. Наряду с ионизацией происходит и обратный процесс взаимной нейтрализации положительных ионов с отрицательными ионами и электронами, или так называемая рекомбинация ионов. В результате одновременно проходящих процессов ионизации и рекомбинации ионов (деионизации) в стволе дуги при определенных значениях тока и напряжения устанавливается определенное число свободных электронов и ионов того и другого знака.

Процесс горения электрической дуги делят на три этапа: зажигание дуги, когда вследствие ударной ионизации и термоэмиссии начинается дуговой разряд, причем интенсивность ионизации выше, чем деионизации; устойчивое горение дуги, поддерживаемое термоионизацией в стволе дуги, когда интенсивность ионизации и деионизации одинаковая; гашение дуги, когда интенсивность деионизации выше, чем ионизации.

В зависимости от того, интенсивность какого из процессов ионизации или деионизации преобладает, электрическая дуга продолжает гореть или гаснет. Дуга должна гаситься за счет ее интенсивного охлаждения, т. е. усиления процессов деионизации. Отвод теплоты от дуги зависит от теплопроводности и подвижности газа, в котором горит дуга. Опыт показывает, что наиболее успешно дуга гасится в водороде, обладающем наибольшей теплопроводностью. Повышение давления газа, в котором горит дуга, сближает молекулы газа, что улучшает конвекцию, а следовательно, и охлаждение дуги.

Соприкосновение дуги с твердыми изолирующими стенками и ее горение в узкой щели между ними также способствует интенсивному гашению дуги. Магнитное дутье вдоль дуги - еще один способ ее успешного гашения.

Для того чтобы отключить элементы электрической цепи и не допустить при этом повреждения коммутационного аппарата, необходимо не только разомкнуть его контакты, но и погасить появляющуюся между ними дугу. Процессы горения и гашения электрической дуги на переменном и постоянном токе различны.

Электрическая дуга постоянного тока устойчиво горит при определенных значениях силы тока I, напряжения U и длины l_кр. Между электродами, называемой критической длиной дуги. Если расстояние между электродами увеличить и сделать его больше l_кр, то процессы деионизации будут превалировать над процессами ионизации и дуга погаснет. Во избежание больших перенапряжений при отключении постоянного тока нельзя применять средства, обеспечивающие слишком быструю деионизацию дугового промежутка. В частности, для отключения цепей постоянного тока не следует применять масляные выключатели, так как масло обеспечивает весьма интенсивную деионизацию.

В системах электроснабжения сельского хозяйства почти повсеместно применяют трехфазный переменный ток. Ток электрической дуги переменного тока каждый полупериод проходит через нуль. В эти моменты прекращается выделение энергии в дуге и она гаснет, а затем может снова загораться. Осциллограмма показывает, что ток в дуге становится близким к нулю несколько раньше естественного перехода через нуль. Это объясняется снижением энергии дуги при уменьшении тока и прекращением термоионизации. Длительность бестоковой паузы хотя и составляет от десятков до нескольких сотен микросекунд, но играет важную роль в гашении дуги. Если в бестоковую паузу разомкнуть контакты и развести их достаточно быстро на расстояние, при котором не может произойти электрического пробоя, то цепь будет быстро отключена. Однако практически этого сделать почти невозможно и поэтому принимают специальные меры ускоренного гашения дуги, способствующие деионизации дугового промежутка и уменьшению числа заряженных частиц. Далее приведены различные приемы гашения электрической дуги в коммутационных аппаратах.

Удлинение дуги за счет быстрого расхождения контактов — эффективный способ гашения дуги. Это объясняется тем, что для дуги большей длины требуется большее напряжение, а на практике напряжение остается тем же самым и поэтому дуга гаснет.

Деление длинной дуги на ряд коротких возможно путем втягивания ее в металлическую решетку. Напряжение на дуге складывается из катодного U_к и анодного U_а падений напряжений и напряжения ствола дуги U_c.д :

(9-2)

где U_э= U_к + U_а.

Если длинную дугу разделить на К коротких дуг, то каждая из них будет иметь свое катодное и анодное падение напряжения U_э, и тогда условие гашения дуги U< KU_э, где U - напряжение сети.

Дуга затягивается в металлическую решетку под воздействием электромагнитного поля, наводимого в пластинах решетки вихревыми токами. Число пластин в решетке, при котором гаснет дуга, определяют соотношением

где U_к.а - сумма катодного и анодного падения напряжения (150... 250 В) для дуги переменного тока.

Этот способ гашения дуги широко используют в коммутационных аппаратах напряжением до 1 кВ, например в автоматических воздушных выключателях.

Гашение дуги в узких щелях применяют в аппаратах всех напряжений. Часто используют дугогасительные камеры с продольными щелями. Ось такой щели совпадает по направлению с осью ствола дуги. Щель образуется в камерах из изоляционных дугостойких материалов. Когда дуга горит в такой щели, то благодаря соприкосновению с холодными поверхностями происходят интенсивное охлаждение и диффузия заряженных частиц в окружающую среду. Дуга втягивается в узкие щели обычно под действием магнитного поля, взаимодействующего с дугой, которую можно рассматривать как проводник с током. Магнитное поле обеспечивается катушкой, включаемой последовательно с контактами, между которыми загорается дуга.

Газовоздушное дутье вдоль или поперек дуги способствует проникновению газовых частиц в ее ствол, интенсивной диффузии и охлаждению дуги. Под воздействием высокой температуры дуги твердые газогенерирующие стенки дугогасительной камеры, например из оргстекла для выключателей нагрузки, выделяют большое количество газов, создающих дутье вдоль дуги за счет высокого давления. Это называется автогазовым дутьем.

Гашение дуги сжатым воздухом более эффективно. Дутье осуществляется холодным неионизированным воздухом, поступающим в воздушные выключатели из баллонов со сжатым воздухом. Высокая температура горения дуги в масле приводит к интенсивному разложению масла с выделением большого количества газов, на 70... 80 % состоящих из водорода и паров масла. Выделяемые газы образуют газомасляный пузырь и проникают в ствол дуги, при этом в пузыре перемешиваются холодный и горячий газы. Газомасляная смесь обеспечивает интенсивное охлаждение и деионизацию дугового промежутка. Интенсивность процесса повышается за счет более тесного соприкосновения дуги с маслом или газомасляной смесью. Учитывая это, обычно электрическая дуга перемещается в дугогасительную камеру, которую собирают из изоляционных пластин с горизонтальными и вертикальными щелями. При этом дуга режется на ряд мелких дуг, деионизация которых газомасляной смесью и соприкосновением со стенками дугогасительной камеры облегчается и в целом способствует ее быстрому гашению.

Дугогасительные камеры по принципу устройства разделяют на три основные группы: с автодутьем, когда высокое давление и скорость движения газа в зоне дуги создаются за счет энергии дуги; с принудительным масляным дутьем, создаваемым специальными нагнетающими механизмами; с магнитным гашением в масле, когда дуга под действием магнитного поля перемещается в узкие щели. Наиболее эффективно гашение дуги в дугогасительных камерах с автодутьем, применяемых в масляных выключателях напряжением свыше 1 кВ.

К другим способам гашения дуги относят гашение дуги в коммутационных аппаратах высоких напряжений, в вакууме, газах высокого давления, а также многократный разрыв цепи тока.