Тема №1.1 Загальні характеристики електричних апаратів та їх поділ. Електричні контакти.

1. Характеристики електричних апаратів.

Електричні апарати - це електротехнічні пристрої, які призначені для включення і відключення електричних кіл, контролю вимірів, захисту, керування і регулювання установок, які призначені для перетворення, розподілу і споживання електроенергії.

2. Поділ електричних апаратів.

Електричні апарати поділяються:

1) Комутаційні - призначені для включення і відключення електричних кіл, до яких відносяться роз’єднувачі високої напруги, рубильники і пере вимикачі.

2) Апарати захисту – для захисту електричних кіл в ненормальних режимах роботи (коротке замикання, перевантаження). До цієї групи відносяться запобіжники високої і низької напруги, різні реле.

3) Пускорегулюючі апарати – для керування електроприводами та іншими промисловими споживачами електроенергії (електродвигуни - пуск, зупинка, регулювання швидкості) До цієї групи відносяться контактори, пускачі, реостати.

4) Обмежувальні апарати – для обмеження струму короткого замикання (реактори) і обмеження перенапруг (розрядники, обмежувачі перенапруг).

5) Регулювальні апарати – для автоматичної і безперебійної стабілізації і регулювання заданих параметрів. До цієї групи відносяться стабілізатори і регулятори.

6) Контролюючі апарати – для контролю заданих електричних і неелектричних параметрів. До цієї групи відносяться реле та датчики.

7) Вимірювальні апарати – для ізоляції кіл первинної комутації від кіл вимірювальних приладів і реле захисту (трансформатори струму і напруги).

8) Апарати, що призначені для виконання механічної роботи. До цієї групи відносяться електромагніти, електромагнітні гальма, муфти.

Апарати поділяються:

По напрузі: апарати низької та високої напруги.

По роду струму: апарати постійного струму, апарати змінного струму промислової частоти, апарати змінного струму підвищеної частоти.

По величині струму: слабо точні до 5А та сильно точні більше 5А.

По режиму роботи: апарати, що працюють в довготривалому режимі роботи, апарати, що працюють в короткочасному режимі роботи, апарати, що працюють в повторно-короткочасному режимі роботи.

По часу спрацювання: без інерційні до 3мс; швидкодіючі (3-50мс); нормального виконання (50мс-150мс); уповільнені (150мс-1с); реле часу ( більше 1с) .

По способу керування автоматичні і неавтоматичні.

Вимоги до електричних апаратів.

Температура струмоведучих частин при нормальному режимі не повинна перевищувати допустимі значення температур згідно ДОСТ.

Апарати повинні витримувати протягом певного часу термічну дію короткого замикання без деформацій.

Ізоляція повинна бути розрахована на можливі перенапруги.

Конструкція електричних апаратів повинна багато раз включати і відключати струми в нормальному режимі роботи.

Апарати повинні мати високу надійність роботи і необхідну швидкодію, мінімальну масу, малі габарити, недорогі та бути зручними в експлуатації.

3.Призначення контактів.

Електричні контакт – це місце переходу струму з однієї контактної деталі (тобто струмоведучої частини, яка виконує контакт, в іншу. Слово «contactus» в переводі з латинської мови означає дотик.

4.Поділ контактів.

Контакти бувають:

1) Нероз’ємні, наприклад при болтовому з’єднані двох шин електроустановок;

2) Ковзаючі, наприклад реостат, лінійний автотрансформатор;

3) Комутуючі.

По формі контакти поділяються на наступні групи:

1). Точкові, коли контакт виконується в одній точці. При точковому контакті контактний натиск невеликий, тому для зменшення опору контактів застосовують дорогоцінні метали, які не утворюють окисли.

2). Лінійні, коли контакт або дотик між струмоведучими частинами виконується по одній лінії. В цьому випадку можна утворити велику ступінь натиску. Ці контакти виконуються таким чином, щоб циліндр під час контакту переміщається по площині і окисли стираються. Для таких контактів використовується мідь.

3). Поверхневі контакти, коли контакт виконується між двома поверхнями. Такі контакти використовується при великих струмах і ступінь натиску дуже великий, завдяки чому в деяких місцях дотику поверхня очищається від окислів.

5.Конструктивне виконання контактів.

Контакти на малі струми в основному виконуються точковими.

Контакти на середні та на великі струми в основному поділяються на наступні групи:

1). Ричажні - в них використовуються ковзання рухомого контакту по нерухомому для стирання окислу. В якості матеріалу для таких контактів використовується мідь.

2). Мостикові – контакт виконується в точці сфера-сфера. Використовується для прямохідних магнітних систем. В якості матеріалу контактів використовується срібло і окисли.

3). Рублячі – використовуються в низьковольтних апаратах, наприклад в рубильниках, матеріалом таких контактів використовують мідь.

4). Роликові – використовуються для з’єму струму.

5). Торцеві – коли контакт виконується по площині і має великий перехідний опір. Використовується в основному ,як дугогасний.

6). Контакти з плоскими консольними пружинами - використовуються в слабко точних апаратах Контакт виконується в точці сфера-сфера Контакти виконуються із срібла та сплавів.

7). Двоступеневі контакти, які вміщують головні контакти та дугогасні При проходженні великих струмів в електричних колах при включенні апаратів спочатку замикаються дугогасні контакти, а потім головні, а при відключенні навпаки..

6.Основні параметри контактних з’єднань.

1). Розчин - найменша відстань між розімкнутими контактами. Його величина визначається умовами гашення дуги, родом та величиною струму.

2). Провал - відстань, яка проходить до повної зупинки рухомого контакту після першого дотику з нерухомим, якщо нерухомий контакт прибрати. Провал дає можливість компенсувати знос контактів,

А тому, чим більший провал, тим більший термін використання контактів, який вимагає більш потужну магнітну систему.

3). Контактний натиск – це сила, що стискує контакти деталей в місці їх дотику.

4). Перехідний опір контактів у включеному стані, який залежить від:

а) величини натиску контактів;

б) від стану поверхні контактів;

в) від матеріалу контактів;

г) від напруги;

д) від струму;

е) від швидкості розходження контактів.

7.Матеріали контактів.

Основними вимогами до контактів є:

а) хороша електро і теплопровідність;

б) висока корозійна стійкість;

в) стійкість до утворення окисних плівок з великим питомим опором;

г) висока твердість для виключення механічного зносу при частих комутаціях;

д) мала твердість для зменшення сили контактного натиску;

е) висока дугостійкість;

и) простота обробки та низька вартість.

Контакти виготовляють з міді, срібла, алюмінію, платини, золота, вольфраму металокераміки.

Контакти з міді мають велику електро та теплопровідність, високу ступінь порогів дугоутворень, відносно недорогі. Недоліком мідних контактів є наявність окисних плівок з великим питомим опором. Використовуються для шин, для контактів апаратів на дуже великі струми.

Контакти із срібла мають велику провідність і малий питомий опір. Недоліком цих контактів є твердість та велика вартість. Використовуються як головні контакти двоступеневих контактів.

Контакти з алюмінію легкі в обробці, недорогі, проте окислюються та крихкі. Застосовуються як шини, проводи, кабелі.

Контакти із платини та золота мають такі переваги як і срібні, проте до недоліків слід віднести малу дугостійкість та велику вартість.

Контакти з вольфраму мають високу дугостійкість і твердість, стійкі до корозії та зварювань. До недоліків слід віднести великий питомий опір, утворення окисних плівок. Використовуються в основному як дугогасні контакти..

Контрольні запитання:

1.Перечисліть, які апарати відносяться до високовольтних та які до низьковольтних.

2.Основні вимоги до електричних апаратів.

3. Вимоги до електричних контактів електричних апаратів.

4. Як поділяються електричні контакти по матеріалу виготовлення?

5. Порівняйте переваги використання різних типів контактів.

Тема №1.2. Електрична дуга. Способи гасіння електричної дуги.

1.Процес виникнення дуги.

При розмиканні електричних кіл за допомогою електричних контактів в електричних апаратах (вимикачах, автоматах, рубильниках, контакторах) за звичайних умов на цих контактах виникає дуговий розряд, при умовах, коли величина струму та напруги перебільшує деякі критичні значення.

Дуга - явище проходження електричного поля через газ, якщо під дією різних факторів, який під дією різних факторів іонізується.

Відомі чотири основні шляхи появи дуги в проміжках електричного заряду - ударна і термічна іонізація, термо- і автоелектронна емісія. Іонізація- процес появи дуги в проміжках електричних зарядів - позитивних і від’ємних.

Термоелектронная емісія - це явище витоку електронів із розжареної поверхні катоду. При розриві електричних контактів утворюється пляма, яка є основою дуги. Під дією температури цієї плями електрони отримують енергію для подолання потенціального бар’єру і виштовхуються в простір. Кількість електронів в результаті термоелектронної емісії невелика і цей процес використовується для розпалювання дуги, проте цієї енергії недостатньо для підтримування горіння. Разом з цим виникає процес автоелектронної емісії.

Автоелектронна емісія - явище витоку електронів з катоду під дією сильного електричного поля. Напруга електричного поля більше 1000 мВ/см. Цей процес незначний, проте також може використовуватись для початку виникнення дуги.

Таким чином виникнення дуги розряду пояснюється виникненням термоелектронної та автоелектронної емісії. Основні два процеси, які підтримують дугу: Термічна іонізація – процес іонізації під дією високої температури (основна іонізація). Температура стовбура дуги досягає 7000К. Під дією такої дуги зростає число та швидкість руху заряджених частинок. При цьому вони вдаряються один з одним і при стиканні електрону з нейтральною частиною він може вибити з неї вільний електрон. В результаті утворюється вільний електрон і позитивний іон. Отриманий електрон в свою чергу може іонізувати наступну частинку. Така іонізація називається ударною.

Процеси деіонізації (гасіння дуги).

1) Рекомбінація - процес утворення нейтральних атомів при ударах різноіменних заряджених частин.

2) Диффузія – процес виносу заряджених частин із дугового проміжку в навколишнє середовище, що зменшує провідність дуги (винос заряджених частин за допомогою магнітного поля.)

Основною характеристикою електричної дуги постійного струму є вольт-амперна характеристика - ВАХ – залежність падіння напруги на дузі від величини струму. При вільному горінні дуги В АХ дуги має падаючий характер – із збільшення струму в дузі напруга на ній падає, так як опір дуги зменшуються зворотньо пропорційно квадрату струму.

Розподіл напруги - катодне падіння розташоване на невеликій ділянці дуги біля катоду ( біля 0,001мм при нормальному атмосферному тиску). Середня напруженість електричного поля біля катоду досягає приблизно 105 В/см.

Анодне падіння напруги розташоване безпосередньо біля аноду, воно не є умовою для утворення дугового розряду, тому що роль аноду - це приймати протікаючий до нього електронний потік.

Падіння напруги в стволі дуги являє собою добуток напруженості поля на довжину стовбура.

Величина напруженості електричного поля в дуговому стволі залежить від умов, в яких горить дуга та властивостей дугогасного середовища. Менше значення відноситься до відкритих дуг в повітрі при відносно великих струмах, а більше значення відноситься до дуг, що знаходяться в магнітному потоці газів рідин, коли відбір тепла від стволу дуги виконується дуже інтенсивно. Щоб погасити дугу постійного струму, потрібно насильно звести до нуля струм кола шляхом безперервного збільшення опору дугового стовбура.

При змінному струмові струм через нуль сам проходить кожний на півперіод і слід лиш скористатись цією обставиною та утворити поблизу переходу через нуль такі умови в між контактному просторі, щоб проходження струму в колі при переході через нуль, не відновлювалось.

2.Способи гасіння дуги.

Для дуг постійного і змінного струму існують наступні способи гасіння дуги:

Механічне розтягування (тільки для дуг постійного струму). Це найпростіший спосіб гашення дуги, але мало ефективний, використовується лише в слабо точних апаратах.

Механічне ділення дуги на ряд коротких дуг (застосовується як на постійному так і на змінному струмові). Таке гашення дуги виконується за допомогою дугогасною решітки. Пари розходженні контактів дуга, що виникла між ними під дією магнітного поля рухається на пластини та розбивається на ряд короткі.

Гасіння дуги високим тиском ( застосовується як на постійному так і змінному струмові). Із збільшення тиску зростає густина газу, збільшується теплопровідність та відвід тепла від дуги. На цьому принципі оснований принцип гашення дуги в запобіжниках та в інших апаратах низької напруги. В деяких апаратах стінки дугогасної камери виконуються із камер з газогенеруючих матеріалів - фібри, при проходженні дуги високої температури стінки камери виділяють газ і тиск в об’ємі піднімається до 10-15 МПА.

Гасіння дуги в потоці стисного повітря. В електроапаратах високої напруги комутуються струми в десятки кило ампер при напрузі 106В. Стиснуте повітря має високу густину та теплопровідність. Омиваючи дугу з великою швидкістю він її охолоджує і при переході через нуль забезпечує деоіонізацію дугового стовбура. Повітря також при високому тиску має високу ел міцність, що утворює велику швидкість збільшення ел. міцності проміжку.

Гашення дуги в трансформаторному маслі. Цей спосіб знайшов застосування у вимикачах високої напруги. Контакти вимикача зануряються в масло. Виникаюча при розриві дуга (5000-60000С) приводить до інтенсивного випаровування навколишнього масла із десоціацією її парів. Навколо дуги утворюється газова оболонка - газовий пузир, що складається із водню-70-80% та парів масла. Гази, що виділяються, з великою швидкістю проникають в зону стовбура дуги та викликають переміщення холодного та гарячого газу в пузирі, утворюють інтенсивне охолодження та деіонізацію проміжка. Швидкий розклад масла приводить до підвищення тиску всередині пузиря, що також прискорює гасіння дуги.

Гасіння дуги у вакуумному середовищі (використовується як на постійному, так і на змінному струмові.). У вакуумному дугогасному пристрої контакти розходяться в середовищі з тиском 10^-4Па-10^-6Па рт.ст, при якому густина повітря мала. У вакуумі дуже велика швидкість дифузії із-за великої різниці густин часток в дифузії та навколишньому вакуумі. Практично через 10мс після проходження струму через нуль між контактами відновлюється електрична міцність вакууму. Швидка дифузія частинок, висока електрична міцність вакууму та швидкість відновлення забезпечують гашення дуги при проходженні струму через нуль.

Гашення дуги під дією магнітного поля. Електрична дуга є своєрідним провідником із струмом, який може взаємодіяти з магнітним полем. Сила взаємодії між струмом дуги і магнітним полем переміщує дугу, утворюється дуття. В дугогасному пристрої з дугогасним пристроєм може бути застосовано послідовне а бо паралельне підключення котушки.

Контрольні запитання:

1. Поясніть терміни термоелектронна та автоелектронна емісія.

2. Означення дифузії.

3. Перечисліть, які існують способи гасіння дуги у високовольтному колі?

4. Поясніть, від чого залежить напруженість електричного поля в дузі постійного струму?