Тема 27. Электрические аппараты

1. Контакт электрических соединений и условия их нормальной работы.

· Типы контактных соединений.

Электрическим контактом - называют место перехода тока из одной токоведущей части аппарата или иного токопровода в другую часть. В электрических аппаратах контактом - также называют конструктивный элемент, с помощью которого в процессе работы аппарата осуществляется периодическое замыкание и размыкание электрической цепи.

Контактная система электрического аппарата состоит в большинстве случаев из пары или нескольких пар подвижных и неподвижных элементов, при замыкании которых образуется электрическая цепь. Различают две группы контактных соединений: неподвижные и подвижные.

Неподвижные контактные соединения - служат для жесткого присоединения внутренних токоведущих частей и внешнего присоединения соединительных проводов к аппарату. Во время работы аппарата такие соединения не разъединяются.

Подвижные контактные соединения - имеют один или несколько подвижных контактов, которые в процессе работы, соприкасаясь с неподвижными контактами, создают электрическую цепь.

Рис. 284. Формы контактных поверхностей.

В зависимости от характера соприкосновения элементов контактного соединения контакты подразделяют на поверхностные (плоскостные), линейные и точечные. Электрический контакт осуществляется:

- в поверхностных контактах – по плоскости АВСД (Рис.284, а);

- в линейных – по линии АВ (Рис.284, б);

- в точечных – в точке А (Рис.284, в).

· Условия работы контактов.

Полное сопротивление контактного соединени я включает в себя сопротивления собственно материала контактных элементов и переходного сопротивления в месте их соприкосновения.

Переходное сопротивление зависит от материала контактов, силы прижатия их друг к другу, площади контактной поверхности, ее состояния и температуры.

При соприкосновении двух контактных поверхностей 1 и 2 (Рис.285) электрическое соединение происходит не по всей поверхности, а по точкам соприкосновения, которые образуются за счет неточностей обработки поверхностей и их износа в результате воздействия электрической дуги. При нажатии контактов происходит частичное смятие материала контакта в точках соприкосновения.

Рис. 285. Соприкосновение двух контактных поверхностей.

Чем больше контактное нажатие F и мягче материал контакта, тем больше площадь реального соединения и меньше переходное сопротивление r_п (Рис.286, а).

Рис. 286. Зависимости переходного сопротивления от нажатия (а)

и от температуры (б).

Каждый контактный материал характеризуется некоторым предельным значением нажатия, свыше которого переходное сопротивление практически не снижается. Очень резкую зависимость переходного сопротивления от нажатия имеют угольные контакты. Это свойство угольного контакта широко используют и угольных регуляторах напряжения, осуществляющих регулирование тока возбуждения электрических машин.

Чрезмерное нагревание контактов приводит к их окислению, а окисные пленки большинства металлов не проводят электрический ток и резко повышают переходное сопротивление (Рис.286, б). На участке а - b переходное сопротивление растет вследствие все более интенсивного возникновения окисной пленки. На участке b - с сопротивление падает вследствие нарушения прочности материала и его размягчения, что приводит к увеличению площади соприкосновения. На участке с - d сопротивление вновь начинает расти вследствие резкого увеличения удельного сопротивления материала. Этот рост будет продолжаться до полного расплавления материала.

Особенно значительные повышения температуры контактов могут иметь место при прохождении через них тока короткого замыкания. Предельно допустимая температура при токах короткого замыкания для контактов из меди составляет 200 - 300°С, а для алюминиевых контактов 150 - 200°С. В случаях превышения предельной допустимой температуры механическая прочность материала контактов резко уменьшается. Нагревание контактов проходящим током может привести к расплавлению и привариванию контактов друг к другу.

Свойства аппаратов выдерживать определенные значения аварийных токов без повреждения характеризуются его электродинамической стойкостью. Она определяется наибольшим значением тока, который может выдержать аппарат вo включенном состоянии, не повреждаясь и не отключаясь самопроизвольно.

Размеры контактной поверхности мало влияют на контактное сопротивление, поскольку с увеличением поверхности и соответственно числа точек соприкосновения снижаются нажатие на единицу площади и смятие. Однако от поверхности контакта зависят условия его нагрева и при том же сопротивлении большие по размеру контакты допускают большую нагрузку током.

Материал контакта должен обладать - высокой механической прочностью, хорошей электропроводностью, теплостойкостью и антикоррозионностью.

Широкое распространение получили контакты из меди и ее сплавов (латунь, бронза) для изготовления как подвижных, так и неподвижных контактных соединений. При длительной непрерывной работе во избежание окисления медные контакты покрывают слоем олова или выполняют с серебряными накладками.

Алюминий и сталь применяются главным образом для неподвижных контактных соединений. Для защиты от коррозии алюминиевые контакты иногда оцинковывают, а стальные покрывают слоем кадмия. Большой теплостойкостью и твердостью обладают вольфрамовые контакты.

Никель, платину и серебро применяют для контактов маломощных аппаратов, где требуется точность и надежность срабатывания. Серебряные контакты имеют проводящую окисную пленку с такой же электропроводностью, как и сам металл, а платиновые практически не покрываются окисной пленкой.

Широкое применение в электрических аппаратах получили металлокерамические контакты, выполненные путем прессования смеси порошков различных металлов.

На контакты электрических аппаратов в моменты их включения и отключения действуют возникающие электродинамические и механические силы, которые влияют на переходное сопротивление и приводят к механическому износу контактов.

  Рис. 287. Распределение тока от площади сечения контактов в момент включения.

В первый момент включения аппарата, когда на контакты еще полностью не действует сила нажатия, соприкосновение происходит по отдельным точкам, через которые устремляется весь ток (Рис.287, а). При этом линии тока в месте контактного перехода искривляются, располагаются параллельно и имеют в нижнем и верхнем контактных элементах противоположное направление (Рис.287, б). Магнитные поля этих токов, взаимодействуя между собой, создают электродинамические усилия взаимного отталкивания F, которые стремятся разомкнуть контакты и вызывают их вибрацию.

Кроме электродинамических усилий, отталкиванию контактов способствуют механические силы, возникающие в момент упругого удару одного контакта о другой. Упругий удар при соприкосновении контактов вызывает ряд повторных отскоков и совместных перемещении обоих контактных элементов под действием сил нажатия и инерции. Такие вибрации приводят к расплющиванию и механическому разрушению контактов.

В момент размыкания контактов переходное сопротивление резко увеличивается, возрастает температура и возникает электрическая дуга, что приводит к электрическому износу контактов (их выгоранию и эрозии).

Механический и электрический нанос контактов в основном определяет срок службы аппарата (выражаемый числом его срабатываний) и максимально допустимую частоту его включений.

· Способы уменьшения износа контактов.

В аппаратах, рассчитанных на большое число включений и отключений (выключатели, контакторы, контроллеры), применяют конструкции контактов с перекатывающимися поверхностями. Такие контакты замыкаются и размыкаются, соприкасаясь одним участком поверхности, где происходит горение электрической дуги и наблюдается повышенный механический износ, а затем в процессе работы передвигаются друг относительно друга и в дальнейшем электрический контакт поддерживается между чистыми поверхностями (Рис.288). Эти контакты бывают Г- или Т- образной формы и изготовляются из профильной твердой меди.

Рис. 288. Перекатывающиеся контакты Т-образ-ной формы в начале (а)

и в конце включения (б).

Перекатывающиеся контакты износостойки, поскольку при их работе трение скольжения невелико. При перекатывании контактных элементов происходит их самозачистка от окисных пленок.

Другим методом защиты контактной поверхности от обгорания является использование дополнительных дугогасительных контактов 1, которые включены параллельно главным контактам 2 (Рис.289). Главные контакты рассчитывают на длительное протекание рабочего тока, а дугогасительные на меньший ток, но их контактные поверхности выполняют из тугоплавкого материала.

  Рис. 289. Главные и дугогасительные контакты аппарата.

При включении сначала замыкаются дугогасительные контакты, и электрическая дуга, возникающая при отскоках этих контактов, может вызывать некоторый их подгар. Затем включаются главные контакты, шунтируя дугогасительные.

При отключении сначала размыкаются главные контакты, но цепь остается замкнутой через дугогасительные контакты и только после полного отключения главных контактов начинают размыкаться дугогасительные, разрывая электрическую цепь. Таким образом, при включении и при отключении аппарата электрическая цепь дается и разрывается дугогасительными контактами, на которых возникает электрическая дуга и образуются подгар и окисные пленки. Во всех случаях электрической дуги между главными контактами не возникает и они соприкасаются чистыми поверхностями.

Торцовые контакты (Рис. 290, а), образуемые при соприкосновении плоских контактных элементов получили широкое применение в высоковольтных электрических аппаратах Подвижной контакт представляет собой полую труб у 1 с плоским торцом. Неподвижный контакт 2 выполняется в виде цилиндра с плоским основанием. Для надежного прижатия контактных элементов друг к другу неподвижный контакт 2 имеет возможность незначительного перемещения за счет сжатия пружины 3. За счет этого перемещения компенсируются перекосы контактов и их износ в процессе эксплуатации.

Рис. 290. Торцовые (а) и щеточные (б) контакты.

Щеточные контакты (Рис. 290, б) - применяются в реостатах, различных командоконтроллерах, переключателях и относятся к линейным соединениям. Подвижной контакт 4 (щетка) состоит из набора пластин из твердой меди или специальной бронзы, срезанного под определенным углом. Он соприкасается с основанием неподвижного контакта 2. Для усиления механической прочности набора верхнюю пластинку выполняют более толстой. Такой контакт имеет большую поверхность соприкосновения, чем аналогичный сплошной.

Пальцевые контакты (Рис. 291, а) - часто используют в аппаратах барабанного типа – контроллерах. Неподвижный контакт 2 (палец) прижимается к барабану, вращающемуся на оси 4 с помощью привода, пружиной 1. Подвижные контакты 3, 5, 6 укреплены на барабане в виде полос или сегментов, обычно выполненных из меди. В зависимости от силы тока параллельно может устанавливаться несколько пальцев.

Рис. 291. Пальцевый (а), рубящий (б) и мостиковый (в) контакты.

Рубящие контакты (Рис. 291, б) состоящие из плоского медного или латунного ножа 7 (подвижного контакта) и неподвижного контакта 8 в виде стоек из упругого металла - применяют в различных рубильниках, разъединителях, плавких предохранителях. При больших токах стойки усиливаются дополнительными стальными пружинами 9.

Мостиковые контакты (Рис. 291, в). - применяют в кнопках управления, реле, путевых выключателях. Контактный мостик 10 с припаянными к нему контактами 11 и 13 устанавливается на подвижной части аппарата. При включении такой мостиковый контакт замыкает неподвижные контакты 14 и 15, создавая между ними электрическую цепь. Нажатие контактов зависит от пружины 12. На одной подвижной части может быть установлено несколько замыкающих и размыкающих контактов, каждый из которых включает или отключает свою электрическую цепь.

2. Электрическая дуга и меры борьбы с ней.

· Физические основы горения дуги. При размыкании контактов электрического аппарата вследствие ионизации пространства между ними возникает электрическая дуга. Промежуток между контактами при этом остается проводящим и прохождение тока по цепи не прекращается.

Для ионизации и образования дуги необходимо, чтобы напряжение между контактами было примерно 15 - 30 В и ток цепи 80 - 100 мА.

При ионизации пространства между контактами заполняющие его атомы газа (воздуха) распадаются на две заряженные части: электроны и положительные ионы. Поток электронов, излучаемых с поверхности контакта, находящегося под отрицательным потенциалом (катода), движется по направлению к положительному заряженному контакту (аноду); поток же положительных ионов движется к катоду (Рис.292, а)

Рис. 292. Направление движения электронов и положительных ионов в электрической дуге (а), возникновение автоэлектронной эмиссии из катода (б) и ударной ионизации атомов газа в пространстве между контактами (в).

Главными носителями тока в дуге являются электроны, так как положительные ионы, имея большую массу, движутся значительно медленнее электронов и переносят поэтому в единицу времени гораздо меньше электрических зарядов. Однако положительные ионы играют большую роль в процессе горения дуги. Подходя к катоду, они создают вблизи него сильное электрическое поле, которое воздействует на электроны, имеющиеся в металлическом катоде, и вырывают их с его поверхности. Это явление называется автоэлектронной эмиссией (Рис.292, б). Кроме того, положительные ионы непрерывно бомбардируют катод и отдают ему свою энергию, которая переходит в тепло; при этом температура катода достигает 3000 - 5000^оС.

При увеличении температуры движение электронов в металле катода ускоряется, они приобретают большую энергию и начинают покидать катод, вылетая в окружающую среду. Это явление носит название термоэлектронной эмиссии. Таким образом, под действием авто- и термоэлектронной эмиссии в электрическую дугу поступают с катода все новые и новые электроны.

При своем перемещении от катода к аноду электроны, сталкиваясь на своем пути с нейтральными атомами газа, расщепляют их на электроны и положительные ионы (Рис.292, в). Этот процесс называется ударной ионизацией. Появившиеся в результате ударной ионизации новые, так называемые вторичные электроны, начинают двигаться к аноду и при своем движении расщепляют все новые атомы газа. Рассмотренный процесс ионизации газа носит лавинообразный характер подобно тому, как один камень, брошенный с горы, захватывает на своем пути все новые и новые камни, порождая лавину. В результате промежуток между двумя контактами заполняется большим количеством электронов и положительных ионов. Эта смесь электронов и положительных ионов называется плазмой. В образовании плазмы значительную роль играет термическая ионизация, которая происходит в результате повышения температуры, вызывающей увеличение скорости движения заряженных частиц газа.

Электроны, ионы и нейтральные атомы, образующие плазму, непрерывно сталкиваются между собой и обмениваются энергией; при этом некоторые атомы под ударами электронов приходят в возбужденное состояние и испускают избыток энергии в виде светового излучения. Однако электрическое поле, действующее между контактами, заставляет основную массу положительных ионов двигаться к катоду, а основную массу электронов – к аноду.

В электрической дуге постоянного тока в установившемся режиме определяющей является термическая ионизация. В дуге переменного тока при переходе тока через нуль существенную роль играет ударная ионизация, а в течение остального времени горения дуги – термическая ионизация.

При горении дуги одновременно с ионизацией промежутка между контактами происходит обратный процесс. Положительные ионы и электроны, взаимодействуя друг с другом в межконтактном пространстве или при попадании на стенки камеры, в которой горит дуга, образуют нейтральные атомы. Этот процесс называется рекомбинацией; при прекращении ионизации рекомбинация приводит к исчезновению электронов и ионов из межэлектродного пространства – происходит его деионизация. Если рекомбинация осуществляется на стенке камеры, то она сопровождается выделением энергии в виде тепла; при рекомбинации в межэлектродном пространстве энергия выделяется в виде излучения.

При соприкосновении со стенками камеры, в которой находятся контакты, дуга охлаждается, что приводит к усилению деионизации. Деионизация происходит также в результате движения заряженных частиц из центральных областей дуги с более высокой концентрацией в периферийные области с низкой концентрацией. Этот процесс называется диффузией электронов и положительных ионов.

Зону горения дуги условно делят на три участка: катодную зону, ствол дуги и анодную зону.

В катодной зоне - происходит интенсивная эмиссия электронов из отрицательного контакта, падение напряжения в этой зоне доставляет около 10 В.

В стволе дуги - образуется плазма с приблизительно одинаковой концентрацией электронов и положительных ионов. Поэтому в каждый момент времени суммарный заряд положительных ионов плазмы компенсирует суммарный отрицательный заряд ее электронов. Большая концентрация заряженных частиц в плазме и отсутствие в ней электрического заряда обусловливают высокую электропроводность ствола дуги, которая близка к электропроводности металлов. Падение напряжения в стволе дуги приблизительно пропорционально ее длине.

Анодная зона - заполнена главным образом электронами, подходящими из ствола дуги к положительному контакту. Падение напряжения в этой зоне зависит от тока в дуге и размеров положительного контакта. Суммарное падение напряжения в дуге составляет 15 - 30 В.

Зависимость падения напряжения U _дг, действующего между контактами, от тока I, проходящего через электрическую дугу, называется вольт-амперной характеристикой дуги (Рис. 293, а).

Рис. 293. Вольт-амперные характеристики дуги постоянного тока (а) и кривые изменения напряжения и тока (б) при горении дуги переменного тока.

Напряжение U ₃, при котором возможно зажигание дуги при токе I = 0, называется напряжением зажигания. Значение напряжения зажигания определяется материалом контактов, расстоянием между ними, температурой и окружающей средой. После возникновения электрической дуги ее ток увеличивается до значения, близкого к току нагрузки, который протекал через контакты до отключения. При этом сопротивление межконтактного промежутка падает быстрее, чем увеличивается ток, что приводит к уменьшению падения напряжения U _дг. Режим горения дуги, соответствующий кривой а, называется статическим.

При снижении тока до нуля процесс соответствует кривой b и дуга прекращается при меньшем падении напряжения, чем напряжение зажигания. Напряжение U _I, при котором дуга гаснет, называют напряжением гашения. Напряжение гашения всегда меньше напряжения зажигания вследствие повышения температуры контактов и увеличения проводимости межконтактного промежутка. Чем больше скорость снижения тока, тем меньше напряжение гашения дуги в момент прекращения тока. Вольт-амперные характеристики b и с соответствуют снижению тока с различной скоростью (для кривой с большей, чем для кривой b), а прямая d соответствует практически мгновенному снижению тока. Такой характер вольт-амперных характеристик объясняется тем, что при быстром изменении тока ионизационное состояние межконтактного промежутка не успевает следовать за изменением тока. Для деионизации промежутка требуется определенное время и поэтому несмотря на то, что ток в дуге упал, проводимость промежутка осталась прежней, соответствующей большому току. Вольт-амперные характеристики b - d, полученные при быстром изменении тока до нуля, называются динамическими. Для каждого межконтактного промежутка, материала электродов и среды имеется одна статическая характеристика дуги и множество динамических, заключенных между кривыми a и d.

При горении дуги переменного тока в течение каждого полупериода имеют место такие же физические процессы, что и в дуге постоянного тока. В начале полупериода напряжение на дуге возрастает по синусоидальному закону до значения напряжения зажигания U ₃ – участок о – а (Рис.293, б), а затем после возникновения дуги падает по мере возрастания тока – участок а - в. Во вторую часть полупериода, когда ток начинает снижаться, напряжение на дуге вновь возрастает до значения напряжения гашения U _I при спаде тока до нуля – участок в - с.

В течение следующего полупериода напряжение меняет знак и по синусоидальному закону возрастает до значения напряжения зажигания, соответствующего точке а' вольт-амперной характеристики. По мере роста тока напряжение снижается, а затем вновь повышается при снижении тока. Кривая напряжения дуги, как видно из (Рис.293, б), имеет форму срезанной синусоиды. Процесс деионизации заряженных частиц в промежутке между контактами продолжается лишь незначительную долю периода (участки о - а и с - а') и, как правило, за это время не заканчивается, в результате чего дуга возникает снова. Окончательное гашение дуги будет иметь место только после ряда повторных зажиганий во время одного из последующих переходов тока через нуль.

Возобновление дуги после перехода тока через нуль объясняется тем, что после спада тока к нулевому значению ионизация, существующая в стволе дуги, исчезает не сразу, так как она зависит от температуры плазмы в остаточном стволе дуги. По мере уменьшения температуры возрастает электрическая прочность межконтактного промежутка. Однако если в какой-то момент времени мгновенное значение приложенного напряжения будет больше пробивного напряжения промежутка, то произойдет его пробой, возникнет дуга и потечет ток другой полярности.

· Условия гашения дуги. Условия гашения дуги постоянного тока зависят не только от ее вольт-амперной характеристики, но и от параметров электрической цепи (напряжение, ток, сопротивление и индуктивность), которую включают и отключают контакты аппарата (напряжение, ток, сопротивление и индуктивность).

На (Рис. 294, а) показана вольт-амперная характеристика дуги (кривая 1) и зависимость падения напряжения на резисторе r, включенном в данную цепь (прямая 2).

Рис. 294. Вольт-амперные характеристики дуги при устойчивом горении (а)

и гашении (б).

В установившемся режиме напряжение U _и источника тока равно сумме падений напряжения в дуге U _дг и I _r на резисторе r. При изменении тока в цепи к ним добавляется э. д. с. самоиндукции ± e _L (изображена заштрихованными ординатами). Длительное горение дуги возможно только в режимах, соответствующих точкам А и В, когда напряжение U _дг – I _r, приложенное к промежутку между контактами, равно падению напряжения U _дг. При этом в режиме, соответствующем точке А, горение дуги неустойчиво. Если при горении дуги в этой точке характеристики ток по каким-то причинам увеличился, то напряжение U _дг станет меньше приложенного напряжения U _дг – I _r. Избыток приложенного напряжения вызовет увеличение тока, который будет расти до тех пор, пока не достигнет значения I _в.

Если в режиме, соответствующем точке А, ток уменьшится, приложенное напряжение U _дг – I _r станет меньше U _дг и ток будет продолжать уменьшаться, пока дуга не погаснет. В режиме, соответствующем точке В, дуга горит устойчиво. При увеличении тока свыше I _в падение напряжения в дуге U _дг станет больше приложенного напряжения U _и – I _r и ток начнет уменьшаться. Когда ток в цепи станет меньше I _в, приложенное напряжение U _дг – I _r станет больше U _дг и ток начнет увеличиваться.

Очевидно, чтобы обеспечить гашение дуги во всем заданном диапазоне изменения тока I от наибольшего значения до нуля при отключении цепи, нужно чтобы вольт-амперная характеристика 1 располагалась выше прямой 2 для отключаемой цепи (Рис 294, б). При этом условии падение напряжения в дуге U _дг будет всегда больше приложенного к ней напряжения U _и – I _r и ток в цепи будет уменьшаться.

Основным средством повышения падения напряжения в дуге является увеличение длины дуги. При размыкании цепей низкого напряжения со сравнительно небольшими токами гашение дуги обеспечивается соответствующим выбором раствора контактов, между которыми возникает дуга. В этом случае дуга гаснет без каких-либо дополнительных устройств.

Для контактов, разрывающих силовые цепи, необходимая для гашения длина дуги настолько велика, что практически осуществить такой раствор контактов уже не представляется возможным. В таких электрических аппаратах устанавливают специальные дугогасительные устройства.

· Дугогасительные устройства. Способы гашения дуги могут быть различные, но все они основываются на следующих принципах:

- принудительное удлинение дуги;

- охлаждение межконтактного промежутка посредством воздуха, паров или газов;

- разделение дуги на ряд отдельных коротких дуг.

При удлинении дуги и удалении ее от контактов - происходит увеличение падения напряжения в столбе дуги и напряжение приложенное к контактам, становится недостаточным для поддержания дуги. Принцип гашения путем удлинения дуги используется в аппаратах с «защитными рогами» и в рубильниках.

Рис. 295. Дугогасительное устройство с «защитными рогами» (а)

и гашение дуги струей сжатого воздуха (б).

Электрическая дуга, возникающая между контактами 1 и 2 (Рис.295, а) при их размыкании, поднимается вверх под действием усилия F _в, создаваемого потоком нагретого ею воздуха, растягивается и удлиняется на расходящихся неподвижных рогах, что приводит к ее гашению. Удлинению и гашению дуги способствует также электродинамическое усилие F _э, создаваемое в результате взаимодействия тока дуги с возникающим вокруг нее магнитным полем. При этом дуга ведет себя как проводник с током, находящимся в магнитном поле (Рис. 296, а), которое, как было показано в главе III, стремится вытолкнуть его из пределов поля.

Охлаждение межконтактного промежутка - вызывает повышенную теплоотдачу столба дуги в окружающее пространство, вследствие чего заряженные частицы, перемещаясь из внутренней части дуги на ее поверхность, ускоряют процесс деионизации.

Разделение дуги на ряд отдельных коротких дуг - приводит к повышению суммарного падения напряжения в них и приложенное к контактам напряжение становится недостаточным для устойчивого поддержания дуги, поэтому происходит ее гашение.

Для увеличения электродинамического усилия F _э, действующего на дугу, в цепь одного из контактов в ряде случаев включают специальную дугогасительную катушку (Рис.296, б), создающую в зоне дугообразования сильное магнитное поле, магнитный поток которого Ф, взаимодействуя с током I дуги, обеспечивает интенсивное выдувание и гашение дуги. Быстрое перемещение дуги по рогам 3, 4 вызывает ее интенсивное охлаждение, что также способствует ее деионизации в камере 5 и гашению.

В некоторых аппаратах применяют методы принудительного охлаждения и растягивания дуги сжатым воздухом или другим газом.

При размыкании контактов 1 и 2 (см. Рис.295, б) возникшая дуга охлаждается и выдувается из зоны контактов струей сжатого воздуха или газа с усилием F _в.

Эффективным средством охлаждения электрической дуги с последующим ее гашением являются дугогасительные камеры различной конструкции
(Рис.297). Электрическая дуга под действием магнитного поля, потока воздуха или иными средствами загоняется в узкие щели или лабиринт камеры
(Рис.297, а и б), где она тесно соприкасается с ее стенками 1, перегородками 2 отдает им тепло и гаснет.

Рис. 297. Дугогасительные камеры.

Широкое применение в электрических аппаратах э.п.с. находят лабиринтовощелевые камеры, где дуга удлиняется не только за счет растягивания между контактами, но и за счет ее зигзагообразного искривления между перегородками камеры (Рис.297, в). Узкая щель 3 между стенками камеры способствует охлаждению и деионизации дуги.

К дугогасительным устройствам, действие которых основано на разделении дуги на ряд коротких дуг, относят деионную решетку (Рис.298, а), встроенную внутрь дугогасительной камеры.

   

Рис. 298. Гашение дуги в деионной решотке (а) и в масле (б).

Деионная решетка представляет собой набор ряда отдельных стальных пластин 3, изолированных друг относительно друга. Электрическая дуга, возникшая между размыкающимися контактами 1 и 2, разделяется решеткой на ряд более коротких дуг, соединенных последовательно. Для поддержания горения дуги без ее разделения требуется напряжение U, равное сумме околоэлектродного (анодного и катодного) падения напряжения U _э и падения напряжения в столбе дуги При разделении одной дуги на n коротких дуг суммарное падение напряжения в столбе всех коротких дуг по-прежнему будет равно U _ст, как и у одной общей дуги, но суммарное околоэлектродное падение напряжения во всех дугах будет равно nU _э. Поэтому для поддержания горения дуги в этом случае потребуется напряжение:

U = nU _э  + U _ст

Число дуг n равно числу пластин решетки и может быть выбрано таким, чтобы возможность устойчивого горения дуги при данном напряжении U была полностью исключена. Действие такого принципа гашения эффективно как при постоянном, так и при переменном токе. При переходе переменного тока через нулевое значение для поддержания дуги требуется напряжение 150 - 250 В. В связи с этим число пластин может быть выбрано значительно меньшим, чем при постоянном токе.

В плавких предохранителях с заполнителем при плавлении вставки и возникновении электрической дуги вследствие повышенного давления газов в патроне ионизированные частицы перемещаются в поперечном направлении. При этом они попадают между зернами заполнителя, остывают и деионизируются. Зерна заполнителя, передвигаясь под действием избыточного давления, разбивают дугу на большое число микродуг, чем и обеспечивается их гашение.

В предохранителях без заполнителя нередко корпус делают из материала, обильно выделяющего газ при нагревании. К таким материалам относится, например, фибра. При соприкосновении с дугой корпус нагревается и выделяет газ, способствующий гашению дуги. Аналогично гасится дуга в масляных выключателях переменного тока (Рис.298, б) с той лишь разницей, что вместо сухого заполнителя здесь используется негорючее масло. При возникновении дуги в момент размыкания подвижных 1, 3 и неподвижного 2 контактов ее гашение происходит под действием двух факторов: выделения большого количества водорода, не поддерживающего горение (в применяемом для этой цели масле содержание водорода 70 - 75%), и интенсивного охлаждения дуги маслом вследствие его высокой теплоемкости. Дуга гаснет в момент, когда ток равен нулю. Масло не только способствует ускоренному гашению дуги, но и служит изоляцией токоведущих и заземленных частей конструкции. Для гашения дуги в цепи постоянного тока масло не применяют, так как под действием дуги оно быстро разлагается и теряет свои изоляционные качества.

В современных электрических аппаратах гашение дуги часто осуществляется путем сочетания двух или нескольких рассмотренных выше способов (например, с помощью дугогасительной катушки, защитных рогов и деионной решетки).

Условия гашения электрической дуги определяют отключающую способность защитных аппаратов. Ока характеризуется наибольшим током, который может отключить аппарат с определенным временем гашения дуги.

При коротком замыкании электрической цепи, подключенной к источнику электрической энергии, ток в цепи возрастает по кривой 1 (Рис.299). В момент t ₁ когда он достигает значения, на которое отрегулирован защитный аппарат (тока уставки I₁), аппарат срабатывает и отключает защищаемую цепь, вследствие чего ток уменьшается по кривой 2.

Рис. 299. Кривая изменения тока при отключении аварийного тока

автоматическим выключателем.

Время, отсчитываемое от момента подачи сигнала на отключение (или включение) аппарата до момента начала размыкания (или замыкания) контактов, называют собственным временем срабатывания аппарата t _c. При отключении момент начала размыкания контактов соответствует возникновению дуги между расходящимися контактами. В автоматических выключателях это время измеряется от момента достижения током значения уставки t ₁ до момента появления дуги между контактами t ₂. Временем горения дуги t _дг называется время от момента появления дуги t ₂ до момента прекращения прохождения тока t ₃. Полное время отключения t _п представляет собой сумму собственного времени и времени горения дуги.

3. Условия работы электрических аппаратов на тепловозе.

4. Назначение и классификация электрических аппаратов.

Электрическим аппаратом - называют электротехническое устройство, предназначенное для регулирования, контроля и защиты источников электрической энергии и электрических приемников, а также для контроля и регулирования различных электрических процессов.

По назначению электрические аппараты подразделяют на аппараты оперативного отключения (включения), защитные - аварийного отключения (включения), пускорегулирующие и контролирующие.

Оперативные аппараты - служат для подключения или отключения определенной установки обслуживающим ее персоналом. Такие аппараты часто называют коммутирующими. К ним относят различные рубильники, выключатели, контакторы и т.д.

Защитные аппараты аварийного отключения - служат для ограничения амплитуды аварийных токов и длительности их протекания. В результате воздействия таких токов перегреваются обмотки электрических машин, шины, кабели и другие токопроводы, нарушается электрическая изоляция, обгорают и плавятся контактные поверхности электрических аппаратов. Динамические удары вызывают повреждение шин, изоляторов, обмоток электрических машин, реакторов, трансформаторов. К защитным аппаратам относят различные автоматические выключатели, короткозамыкатели и плавкие предохранители. Выключатели снабжены необходимым приводом (ручным или электрическим) и дугогасительным устройством, обеспечивающим гашение электрической дуги, возникающей между контактами при их размыкании.

Короткозамыкатели - предназначены для защиты некоторых устройств, например полупроводниковых преобразователей, которые не могут выдержать аварийные токи. Они снабжаются дистанционным устройством для включения и рассчитываются на кратковременное прохождение аварийного тока. Устройства для гашения дуги не применяются, поскольку разрыв тока осуществляется основным защитным аппаратом.

Пускорегулирующие аппараты - предназначены для осуществления пуска, регулирования частоты вращения, напряжения и тока электрических машин. К ним относятся контакторы, пускатели, командоконтроллеры.

Контакторы - представляют собой оперативные аппараты с дистанционным управлением, предназначенные для частых включений и отключений электрических цепей как без тока, так и при номинальных токах нагрузки. Они в отличие от автоматических выключателей не имеют устройств для контроля тока.

Командоконтроллеры - имеют сравнительно большое число контактов, замыкаемых и размыкаемых в определенной последовательности при повороте вала. Привод вала может быть дистанционный или ручной.

Контролирующие аппараты - служат для контроля за работой электрических устройств. В случае нарушения установленного режима работы они подают электрические сигналы или воздействуют на органы, управляющие данным устройством. К ним относятся различные регуляторы и реле (защитные реле, реле тока, напряжения, времени, тепловые реле и т.д.). Они имеют дистанционное управление и не имеют системы дугогашения.

Защитные реле - срабатывают при возникновении аварийных режимов и подают сигнал на отключение силовой цепи соответствующим выключателям или на систему сигнализации.

Токовые реле - срабатывают при определенной силе тока, превышающей заданный ток трогания, и приходят в исходное состояние при токах, меньших тока отпускания. В таких реле предусматривается возможность регулирования токов срабатывания и отпускания. Токовые реле могут быть электромагнитные и тепловые. Тепловые реле реагируют на температуру нагрева биметаллического элемента, обтекаемого током контролируемой цепи. Такие реле часто встраивают в автоматические выключатели и аппараты, предназначенные для оперативного дистанционного управления работой электродвигателей и других электрических потребителей.

Реле напряжения - контролируют уровень напряжения в сети. Они срабатывают и приходят в исходное состояние при определенных значениях напряжения.

Реле времени - представляют собой аппараты, позволяющие создать регулируемую выдержку времени между моментом подачи напряжения на катушку реле и моментом размыкания (замыкания) контактов. Основным отличием таких реле является наличие механизма выдержки времени (электромагнитного, теплового или часового).

Промежуточные реле - часто применяются в системах управления. Эти реле имеют одну катушку управления и несколько пар контактов разомкнутых или замкнутых в исходном состоянии. Такие реле осуществляют логические операции управления включением и отключением различных электрических аппаратов, находящихся в разных цепях.

Разъединители - являются аппаратами оперативного отключения, предназначенными для видимого разрыва электрической цепи при отсутствии тока. Они включаются, как правило, последовательно с основным оперативным аппаратом и выполняют вспомогательные функции, в частности обеспечения безопасной работы обслуживающего персонала на обесточенных цепях. Разъединители рассчитываются на полный номинальный ток цепи и не имеют дугогасительных устройств.

Все контактные аппараты имеют следующие основные части: контактную систему и привод. Во многих таких аппаратах имеется также система дугогашения. В бесконтактных электрических аппаратах эти элементы могут полностью или частично отсутствовать, поскольку в них используется иной принцип ограничения и отключения тока (без механического разрыва).

5. Основные технические данные электрических аппаратов.

Электрические аппараты применяют - для дистанционного и автоматического управления тепловозом и отдельными его агрегатами, защиты их от ненормальных режимов работы и сигнализации машинисту о возникновении неисправности. Установленную на тепловозе электроаппаратуру подразделяют на:

- аппараты управления (контроллер машиниста, реверсор, контакторы, реле, электропневматические вентили);

- аппараты защиты (реле боксования, реле заземления, реле давления масла и воздуха, автоматические и плавкие предохранители);

- аппараты автоматического регулирования (регулировочный реостат регулятора мощности, регулятор напряжения, концевой выключатель, реле перехода, термореле);

- контрольно-измерительную и сигнальную аппаратуру (амперметры, вольтметр, тахометр, электротермометры, электроманометры, сигнальные лампы и зуммер);

- вспомогательную аппаратуру (выключатели, резисторы, конденсаторы, диоды, розетки и т.д.)

ПРОВЕРКА ВКЛЮЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ.

Такую проверку производят во время приемки тепловоза в депо или смены локомотивных бригад при неработающем дизеле и давления воздуха в тормозной системе не менее 0,4 МПа (4 кгс/см). Предварительно включают рубильник ОБА аккумуляторной батареи и ставят режимный переключатель «Управление» в положение «Один тепловоз». Главная рукоятка контроллера при этом должна находиться в положении «Холостой ход», а реверсивная – в «Нулевом». Проверку включения электрических аппаратов производят в такой последовательности:

1) включают автомат АВ220 – при этом включается контактор управления КУ;

2) переводят реверсивную рукоятку контроллера в положение «Пуск дизеля» – включается реле РУ5;

3) ставят выключатель остановки дизеля ВОД1 в положение «Включено» – включается блок-магнит ЭМОД (это можно определить, открыв двери капота около регулятора дизеля и услышав щелчок);

4) переводят главную рукоятку контроллера на 1-ю позицию;

5) переводят главную рукоятку контроллера на 2-ю позицию – включаются реле РУ1, РУ4 и РСМД1. После поворота якоря электродвигателя (сервомотора) СМД на определенный угол реле РСМД1 выключается. В дальнейшем реле РСМД1 включается и выключается на 3-ей и 4-ой позициях. Начиная с 5-ой позиции реле РСМД1 не включается, так как нет давления масла в масляной системе дизеля;

6) переводят главную рукоятку контроллера на 3-ю позицию – выключаются реле РУ1 и РУ4 и включаются реле РУ2 и РСМД1;

7) переводят главную рукоятку контроллера на 4-ю позицию – остается включенным реле РУ2, включаются реле РУ1, РУ4 и РСМД1;

8) переводят главную рукоятку контроллера на 5-ю позицию – выключаются реле РУ1, РУ2, РУ4 и РУ5; включаются реле РУ3 и РСМД2. После поворота якоря электродвигателя (сервомотора) СМД в обратном направлении до положения, соответствующего работе дизеля на нулевой или 1-ой позиции, реле РСМД2 выключается;

9) переводят главную рукоятку контроллера на 6-ую позицию – остается включенным реле РУ3 и включаются реле РУ1 и РУ4;

10) переводят главную рукоятку контроллера на 7-ую позицию – остается включенным реле РУ3, выключаются реле РУ1 и РУ4 и включается реле РУ2;

11) переводят главную рукоятку контроллера на 8-ую позицию – остаются включенными реле РУ2 и РУ3 и включаются реле РУ1 и РУ4;

12) включают на 8-ой позиции вручную реле перехода РП1 – включаются контакторы КШ1, КШ3 и КШ5;

13) включают вручную на той же позиции реле перехода РП2 – включаются контакторы КШ2, КШ4 и КШ6;

14) переводят главную рукоятку контроллера на нулевую позицию, а реверсивную – из положения «Пуск дизеля» в положение «Вперед» – выключается реле РУ5 (оно включилось при переводе главной рукоятки с 5-ой на 4-ую позицию); вал реверсора разворачивается в положение «Вперед»;

15) ставят главную рукоятку контроллера на 1-ю позицию – включаются поездные контакторы КП1, КП2 и КП3;

16) главную рукоятку контроллера оставляют на 1-ой позиции и вручную включают блокировки верхних и нижних дверей аппаратной камеры – включаются контактор КВ и реле РУ5;

17) включают вручную реле защитной сигнализации РЗС – включается звуковой сигнал (зуммер) ЗС;

18) включают вручную реле РЗ – включается реле РЗС, мигает сигнальная лампа ЛСИ, прерывисто работает зуммер ЗС; отключаются контактор КВ и реле РУ5 (если были включены вручную блокировки дверей);

19) включают вручную реле РБ1, РБ2 – выключается реле РУ5, загорается сигнальная лампа ЛСБ, включается зуммер ЗС;

20) переводят главную рукоятку контроллера на нулевую позицию, – выключаются контакторы КП1 - КП3 и КВ;

21) ставят режимный переключатель «Управление» в положение «Наружный источник» – выключается контактор КУ и включается контактор КНИ;

22) ставят режимный переключатель «Регулятор мощности и охлаждения» в положение «Автоматика управления холодильником выключена» – включается контактор КМВХ.

Примечания.

1. Включение контакторов КП1 - КП3 и КВ рекомендуется проверять в обоих рабочих положениях реверсора.

2. Постановкой перемычки между проводами 202 и 302 на панели зажимов РШ4 проверяют исправность сигнальной лампы ЛСД1.