Б.В. Клименко

ЕЛЕКТРИЧНІ АПАРАТИ
ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНА АПАРАТУРА КОМУТАЦІЇ, КЕРУВАННЯ ТА ЗАХИСТУ ЗАГАЛЬНИЙ КУРС

НАВЧАЛЬНИЙ ПОСІБНИК

ВСТУП

ратори, електромагніти керування як окремі пристрої тощо), але ці апара­ ти у даному посібнику не розглядаються. Посібник складається з чотирьох глав. В першій главі, присвяченій функціям та класифікації електричних апаратів, надається базова інфор­ мація щодо загальновизнаного в світі понятійного апарату - електротехніч­ ної термінології Міжнародного електротехнічного словника (International Electrotechnical Vocabulary - IEV) та стандартів Міжнародної електротех­ нічної комісії (International Electrotechnical Commission - ІЕС*). Застосу­ вання міжнародної термінології має велике значення з огляду на посту­ пове входження України до загальносвітового економічного простору та широке застосування сучасних (у тому числі імпортних) електричних апа­ ратів і аксесуарів у промисловості, будівництві, сільському господарстві й побуті. Призначення електричних апаратів та їх частин розглядаються з урахуванням міжнародної електротехнічної термінології. З урахуванням цієї ж термінології та тенденцій ринку електричних апаратів розгляда­ ється їх класифікація. Друга глава присвячена ролі електричних апаратів в системі захисту людей, тварин, майна й довкілля від згубної дії електричної енергії, а також захищеності самих апаратів від проникнення всередину них сторонніх предметів та вологи. Вимогам до електричних апаратів, нормальним та ненормальним умовам їх роботи, у тому числі й при коротких замиканнях, присвячена третя глава посібника. Особливості їх маркування та позначення елект­ ричних апаратів слід розглядати як важливий засіб отримання інформації про конкретні апарати, у тому числі, про їх найважливіші характеристики, а також про їх відповідність вимогам міжнародних стандартів. Тому ці питання розглядаються також в третій главі. Остання, четверта глава присвячена огляду електромеханічної апара­ тури в контексті призначення, будови, принципів дії та застосування окремих груп електричних апаратів, комплектних пристроїв та суміжного обладнання. Важливою передумовою конкурентоздатності вітчизняної продукції є її відповідність вимогам міжнародних стандартів, передусім стандартів ІЕС, щодо конкретних груп та видів електричних апаратів. Незважаючи на обмежений обсяг посібника, у цій главі привертається увага до деяких ключових вимог зазначених міжнародних стандартів. Наведений наприкінці посібника докладний предметний покажчик дозволяє швидко розшукувати потрібну інформацію про окремі апарати, їх частини, особливості застосування й функціонування та найважливіші характеристики апаратів.
Міжнародний електротехнічний словник має статус стандарту ІЕС 60050. Цей стандарт є термінологічним підґрунтям усіх інших стандартів ІЕС.

12

Глава 1

ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ

1.1. Ключові особливості міжнародної термінології щодо електричної апаратури
1.1.1. Міжнародний електротехнічний словник та інші термінологічні джерела Дуже важливою складовою будь-якого посібника є понятійний апа­ рат, який у ньому застосовується. Питання термінології у сфері техніки зазвичай регулюються стандартами. Важливість адекватного застосуван­ ня термінів важко переоцінити, оскільки нечіткі визначення й некоректне тлумачення понять неодноразово призводили до серйозних непорозу­ мінь. Тому Міжнародна електротехнічна комісія (International Electro­ technical Commission - ІЕС) - авторитетна міжнародна організація зі ста­ ндартизації у галузі електротехніки та суміжних галузей, яка була ство­ рена понад століття тому - у 1906 році, постійно опікується питаннями термінології. Зазначимо, що усіма іншими галузями, крім електротехніки та суміжних з нею галузей, опікується створена у 1946 році Міжнародна орга­ нізація зі стандартизації (International Organization for Standardization - ISO). Ще у далекому 1910 році ІЕС створила спеціальний Комітет для складання міжнародного переліку термінів та їх визначень. Перше видання Міжнародного електротехнічного словника (International Electro­ technical Vocabulary - IEV) з ’явилося у 1938 році. У другому виданні сло­ вника, яке було опубліковане у 1957 році, терміни та їх визначення наво­ дилися французькою та англійською мовами (так .само, як і у першому виданні),-а ще шістьма мовами: німецькою, іспанською, італійською, голландською, польською та шведською - терміни без визначень. Техніч­ ний комітет №1 ІЕС доручив національним комітетам ряду країн (у тому числі СРСР) підготувати та опублікувати словник з тлумаченнями термі­ нів титульними мовами відповідних країн.

13

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.1. Ключові особливості міжнародної термінології щодо електричної апаратури

У 1963 році Міжнародний електротехнічний словник було опубліко­ вано російською мовою, причому, як і оригінал, словник публікувався окремими випусками за відповідними тематичними групами, кількість яких на той час складала 22 групи. Після 1963 року, робота над словни­ ком в ІЕС не припинялась, але в СРСР публікації словника не здійснюва­ лися. Натомість, визначення термінів стало невід’ємною частиною Дер­ жавних стандартів (ГОСТ), отже терміни розпорошилися по великій кількості стандартів, далеко не завжди збігаючись з визначеннями IEV. Зазначені розбіжності у термінології не варто ігнорувати, адже Міжнаро­ дний електротехнічний словник є термінологічним підґрунтям усіх стандартів Міжнародної електротехнічної комісії, а саме цим стандартам мають відповідати сучасні електричні апарати. Актуальна версія IEV зафіксована у стандарті ІЕС 60050, яка склада­ ється з окремих частин, деякі з яких були використані у даному посібнику. Починаючи з 2008 року до IEV почали застосовувати назву «Electropedia», причому з того року ІЕС надала усім користувачам INTERNET вільний доступ до цього ресурсу (рис. 1.1), щоправда визначення понять, позначених відповідними термінами, у цьому джерелі надаються лише французькою та англійською мовами. Ще десятьма мовами (арабською, китайською, німецькою, італійською, японською, португальською, польською, російською, іспанською та шведською) мають надаватися відповідні терміни. Нажаль, на вересень 2011 р. російською мовою терміни (без визначень) були надані лише у 10 частинах цього словника.

Рис. 1.1. Початковий фрагмент оболонки Електропедії (з сайту ІЕС)

Сучасна Electropedia (IEV) складається з 84 частин (parts), у яких визначається понад 20 000 понять з різних галузей електротехніки та галузей, що тісно пов’язані з електротехнікою (наприклад, електробіологія), а також з галузей, які є підґрунтям електротехніки (наприклад, математика, фізика, хімія).

14

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.1. Ключові особливості міжнародної термінології щодо електричної апаратури

Частини IEV згруповані у класи (class), номери та назви яких пред­ ставлені нижче: 1 Загальні поняття (General concepts) 2 Матеріали (Materials) 3 Вимірювання, автоматичне керування (Measurement, automatic control) 4 Електричне обладнання (Electric equipment) 5 Електронне обладнання (Electronic equipment) 6 Генерування, передача та розподілення енергії (Generation, transmission and distribution of energy) 7 Телекомунікації (Telecommunications) 8 Специфічні застосування (Particular applications) Кожне поняття IEV має свій номер, який складається з розділених дефісами номеру частини (part), для позначення якого застосовується три цифри, перша з яких відпрвідає номеру класу, номеру розділу (section) у межах відповідної частини (дві цифри) та номеру поняття (concept) у межах відповідного розділу (дві або три цифри), наприклад, 441-17-07. Міжнародний електротехнічний словник містить лише базові поняття для конкретних галузей. Значний термінологічний масив міститься також в профільних стандартах Міжнародної електротехнічної комісії, які розповсюджуються на певні групи електротехнічної продукції, зокрема, на певні різновиди електричних апаратів. В умовах поступового входження України до загальносвітового еко­ номічного простору виняткову важливість для розвитку міжкультурних комунікацій набуває застосування міжнародно визнаної термінологічної бази, зокрема, термінів та їх тлумачень з Міжнародного електротехнічно­ го словника та стандартів Міжнародної електротехнічної комісії. Після розпаду СРСР в Україні спостерігалися численні спроби розробити термінологічні словники (у тому числі у вигляді Державних стандартів України - ДСТУ, зокрема ДСТУ 2843-94, ДСТУ 2267-93, ДСТУ 2815-94) з різних технічних галузей, у тому числі, і з електротех­ ніки. Деякі радянські стандарти (ГОСТ) є чинними в Україні й зараз, маючи статус міждержавних. Значну кількість термінів та визначень містять Правила улаштування електроустановок - ПУЕ. Характерно, що терміни та визначення, наведені у зазначених документах, далеко не завжди збігаються з термінами та визначеннями IEV, що суттєво знижує комунікативні якості цих документів. У 2008 та 2009 роках автор даного посібнику опублікував власні переклади-та тлумачення деяких частин IEV, що стосуються електричної апаратури та супутніх аксесуарів, а також переклади специфічної термі­ нології стосовно деяких різновидів електричних апаратів. Ці переклади (з певними уточненнями) застосовуються і в даному посібнику, причому після згадування певного терміну українською мовою у дужках наво­

15

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.1. Ключові особливості міжнародної термінології щодо електричної апаратури

диться відповідний термін мовою оригіналу, запозичений з IEV або з де­ якого стандарту ІЕС. В предметному покажчику поряд з україномовним терміном розта­ шовується відповідний англомовний термін, а після двокрапки наводиться номер стандарту ІЕС (без абревіатури ІЕС), а також номер пункту у стан­ дарті, де відповідний термін та/або визначення наводиться. Для термінів, запозичених з IEV, наводиться лише номер цього терміну без абревіатури IEV. Такий підхід дає можливість читачеві познайомитися з оригіналами визначень, які в посібнику наводяться у спрощеному вигляді. Терміни, що запозичені з ПУЕ, ГОСТів та деяких інших першодже­ рел, наводяться у предметному покажчику без перекладу на англійську мову, у цих випадках наводяться російськомовні оригінали термінів. В предметному покажчику зазначаються усі сторінки посібника, де зазначений термін згадується, що дає можливість читачеві проаналізувати нюанси застосування того чи іншого терміну у різних контекстах. 1.1.2. Абревіатури та літерні позначення В IEV та у профільних стандартах ІЕС застосовується велика кількість абревіатур. Ці абревіатури, переважно, формуються з перших літер слів, що утворюють той чи інший термін. При перекладі терміну на українську мову можна утворити й відповідну україномовну абревіатуру, але, врахо­ вуючи те, що абревіатури, у першу чергу, повинні мати комунікативні властивості, у даному посібнику застосовуються переважно англомовні абревіатури, наприклад DC - постійний струм, АС - змінний струм, rms або r.m.s. - середньоквадратичне значення тощо. Літерні позначення основних фізичних величин, які застосовуються в сучасній технічній літературі, здійснюються відповідно до вимог стан­ дарту ІЕС 60027, які у певній мірі збігаються з вимогами стандарту ДСТУ 3120-95 «Електротехніка. Літерні позначення основних величин» (ГОСТ 1494-77 «Злектротехника. Буквенньїе обозначения основньїх величин»), але при цьому треба мати на увазі, що дисципліна «Електричні апарати» не є суто електротехнічною, адже вона залучає також елементи з інших галу­ зей - механіки та теплотехніки. Тому при виборі позначень фізичних вели­ чин будемо надавати пріоритет рекомендаціям міжнародного стандарту ІЕС 60027, у якому наводяться позначення не тільки електротехнічних величин, а й величин із згаданих вище галузей. Крім того у стандарті ІЕС 60027 надаються альтернативні позначення, що дають можливість розріз­ няти величини за допомогою індексів. Зазначимо, що стандарт ІЕС 60027 рекомендує позначати змінні курсивом, а індекси - прямим шрифтом за винятком тих, що позначають порядкові номери величин або коли індек­ сом є літерний символ фізичної величини.

16

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.1. Ключові особливості міжнародної термінології щодо електричної апаратури

Приклади: F -с и л а (механічна, Н); F -магніторуш ійна сила (МРС, А), якщо у відповідній формулі не фігурує сила механічна F; Fm— магніторушійна сила (МРС, А), якщо у відповідній формулі фігурує сила механічна F; f m -п и том а механічна сила (Н/м), що діє у точці з номером т; М -м ом ент (механічний, Н-м); М у-взаємна індуктивність (Гн) контурів з номерами і та j , якщо у відповідній формулі не фігурує механічний момент М; Lij -взаєм на індуктивність (Гн) контурів з номерами і та j , якщо у відповідній формулі фігурує механічний момент М; дс -к у т втрат конденсатора ємністю С. 1.1.3. Особливості формулювання деяких термінів українською мовою Згідно з Директивами ISO/ІЕС терміни та відповідні визначення в IEV мають наводитися французькою, англійською та російською мовами. Ці три мови вважаються основними мовами IEV (principal IEV languages). Ще вісім мов, а саме арабська, німецька, іспанська, італійська, японська, поль­ ська, португальська та шведська, вважаються додатковими мовами IEV (additional IEV languages). Цими мовами в IEV мають наводитись тільки терміни (без визначень). Насправді ж мовна наповненість Міжнародного електротехнічного словника не завжди відповідає вимогам Директив ISO/ІЕС. Паперова версія, яка складається з 74 окремих видань, оформле­ них як частини стандарту ІЕС 60050, наприклад ІЕС 60050-441, містить терміни та відповідні визначення англійською та французькою мовами (49 частин містять також відповідні терміни й визначення російською мовою), а також терміни (без визначень) ще декількома мовами, перелік яких не завжди співпадає з переліком додаткових мов, наведеним в Дире­ ктивах ISO/ІЕС. Як вже зазначалося, сучасна електронна версія IEV не надає перекладів визначень на російську мову. Мабуть це не випадково, адже, по-перше, не існує повної паперової російськомовної версії IEV, а по-друге, у деяких частинах IEV міститься низка понять, які важко перекласти на російську мову, не порушивши традицій офіційної росій­ ськомовної термінології. Оскільки сучасна офіційна україномовна електротехнічна терміно­ логія у значній мірі є похідною від радянської російськомовної терміно­ логії, то такі ж складнощі виникають і в формулюванні деяких ключових електротехнічних понять українською мовою. При формулюванні термі­ нів стосовно електротехнічних понять українською мовою, слід врахову­ вати, що вони повинні мати однозначні міжнародні аналоги серед термі­

17

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.1. Ключові особливості міжнародної термінології щодо електричної апаратури

нів, зафіксованих в IEV та профільних стандартах ІЕС. З цих позицій ро­ зглянемо декілька понять, що мають ключове значення для теорії та практики електроапаратобудування. Електричні апарати та електрична апаратура Словосполучення «електричний апарат» міцно укорінилося у росій­ ській та українській науково-технічній літературі для позначення пристроїв комутації, керування та захисту. За багато років склався пев­ ний перелік або номенклатура електротехнічних пристроїв, які прийнято відносити до електричних апаратів. Натомість, хоча у сучасній англомовній науково-технічній літературі й застосовується термін «electrical apparatus», але він зазвичай узагальнює майже всі електротехнічні пристрої та ком­ плекти пристроїв, що можуть використовуватися як незалежні об’єкти для виконання певних функцій відповідно до визначення терміну «апа­ рат» (apparatus). Власне ж до електричного апарата у звичному для нас розумінні застосовується термін «device» (дослівно - пристрій) у комбі­ нації з різними специфікаторами - «switching device», «mechanical switch­ ing device», «semiconductor switching device», «control circuit device», які ми будемо перекладати відповідно так: «комутаційний апарат», «елект­ ромеханічний комутаційний апарат», «напівпровідниковий комутаційний апарат», «апарат кіл керування». В англомовній електротехнічній літера­ турі для позначення сукупності комутаційних апаратів поряд з терміном «switching devices» (множина) застосовується термін «switchgear», який ми будемо перекладати, як «комутаційна апаратура», розуміючи під цим терміном узагальнююче поняття для апаратів, комплектних при­ строїв («assemblies») та їх складових. Аналогічним до поняття «switch­ gear» є поняття «controlgear», яке ми будемо перекладати, як «апаратура керування». Різниця між цими поняттями полягає у тому, що комутацій­ на апаратура застосовується переважно для використання при генеруванні, транспортуванні, розподіленні та перетворенні електричної енергії, а апаратура керування застосовується переважно для керування облад­ нанням, що споживає електричну енергію. Під узагальненим поняттям «електрична апаратура» відтак ми будемо розуміти сукупність комута­ ційної апаратури та апаратури керування, тобто електричних апаратів та комплектних пристроїв. Цьому поняттю в англомовній термінології при­ близно відповідає поняття, що позначається терміном «switchgear and controlgear». Switch and Circuit-breaker Існує принципова різниця між двома різновидами комутаційних апара­ тів, які в англомовній технічній літературі позначаються термінами «switch» та «circuit-breaker». Перший з них - «switch» призначений, у пе­ ршу чергу, здійснювати функціональні комутації при нормальних умовах.

18

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.1. Ключові особливості міжнародної термінології щодо електричної апаратури

Ці апарати можуть також здійснювати невелику кількість комутацій в умо­ вах визначених перевантажень та навіть вмикати струми коротких замикань, але не спроможні їх відмикати, оскільки вони не мають відповідних засобів. Натомість «circuit-breaker» призначений, у першу чергу, здійснювати прове­ дення електричного струму впродовж тривалого часу (години, дні, тижні, місяці й навіть роки), не здійснюючи жодних комутацій. Разом з тим, ці апа­ рати здатні здійснювати функціональні комутації, комутації струмів перева­ нтажень, а також комутації (вмикання та відмикання) струмів коротких за­ микань. Усі мови IEV (тобто ті мови, ж ими надаються терміни у Міжнаро­ дному електротехнічному словнику), а саме англійська (еп), французька (fr), німецька (de), португальська (pt), шведська (sv), польська (рі), а також араб­ ська (аг) та японська (ja) термінологічно чітко розрізняють ці поняття: еп fi­ de Pt sv pi аг ja Switch Interrupteur Lastschalter comutador Lastbrytare Rozl^cznik Г tiA ja •X - f у fCircuit-breaker Disjoncteur Leistungsschalter disjuntor Effektbrytare Wyl^cznik іш г ш г г іі

У російськомовній термінології для зазначених апаратів застосовується однакове позначення «вьіключатель» з додатковими специфікаторами, на­ приклад «circuit-breaker» перекладається як «автоматический вьіключатель» (а іноді - без специфікатора), a «switch» - як «вьіключатель нагрузки» (а іноді - також без специфікатора), або ж з контекстними уточненнями. Здається, що термін «автоматический вьіключатель» не зовсім адекватно відповідає терміну «circuit-breaker», адже вимикачі, що встановлюються, наприклад, на електричних чайниках, діють автоматично, вимикаючи живлення при заки­ панні води, тож цей апарат цілком природно іменувати як «автоматичний вимикач» - «automatic switch», а термін «circuit-breaker» для нього зовсім не підходить, адже цей апарат не здатний відмикати струми коротких замикань. Для того, щоб адекватно розрізняти головні властивості зазначе­ них апаратів у даному посібнику для терміна «switch» вживається україно­ мовний еквівалент «вимикач», а для терміну «circuit-breaker» - «відмикач». Nominal value and Rated value Адекватний переклад цих термінів відсутній як в російськомовних, так і в україномовних офіційних документах. Дуже великі складнощі, як це не дивно, викликає переклад на російську мову терміну «nominal value», адже специфікатор «номинальньїй» в російськомовній офіційній терміно­ логії зазвичай ставиться у відповідність до терміну «rated value» (див. наприклад ГОСТ Р 50030.1, 2.5.3). Якщо «rated value» - «номинальное значение», то як же слід перекладати термін «nominal value»? У тому

19

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.1. Ключові особливості міжнародної термінології щодо електричної апаратури

самому стандарті цей термін перекладається як «паспортное значение» (ГОСТ Р 50030.1, 2.5.1). В Intemet-eepcii IEV (Electropedia) в частині 151 нарешті з ’явився офіційний переклад цих термінів на російську мову, але перекладені навпаки - «nominal value» як «номинальное значение», а «rated value» як «паспортное значение». В українському стандарті ДСТУ ІЕС 62040-3 термін «rated value» перекладено як «номінальна величина» (ДСТУ ІЕС 62040-3, 3.3.2), а термін «nominal value» - як «номінальне значення» (ДСТУ ІЕС 62040-3, 3.3.3). Як бачимо, одне англійське слово «value» перекладено по-різному «величина» та «значення», а два різних слова «rated» та «nominal» пере­ кладені однаково - «номінальне(а)». Насправді ж поняття «nominal value» цілком природно перекласти як «номінальне значення» То що ж таке «rated value»? Для того, щоб коректно перекласти цей термін, враховуючи міжнароднусформованість його розу­ міння, порівняємо ці визначення (так, як вони наведені в IEV 151): nominal value rated value value o f a quantity used value o f a quantity used to designate and identify fo r specification purposes, established fo r a specified set o f operating conditions o f a component, device, equipment, or system a component, device, equipment, or system

Як бачимо, початки та кінцівки цих визначень є однаковими, а різ­ ними у них є лише середні частини (у таблиці виділено жирним курси­ вом). Отже, «номінальне значення» («nominal value») - це кількісне зна­ чення, що застосовується для позначення та ідентифікації компоненти, пристрою, обладнання або системи, a «rated value» це кількісне значення, що застосовується для цілей визначення технічних характеристик, встановлюваних для обумовленої сукупності умов роботи компоненти, пристрою, обладнання або системи. У частині 441 визначення поняття «rated value» було дещо уточнено: «А quantity value assigned, generally by the manufacturer, for a specified operating condition o f a component, device or equipment», отже, було підкре­ слено, що це значення встановлює виробник, а також вилучено поширення цього поняття на системи. Натомість, до визначення було додано примітку: «Examples o f rated values usually stated for fuses: voltage, current, breaking capacity» (Прикладами «rated value», що встановлюються для запобіжників, є відповідні значення напруги, струму, здатності до відмикання). Аналіз зарубіжної нормативної (стандарти ІЕС) та технічної (каталоги, проспекти фірм) літератури свідчить, що термін «nominal value» застосову­ ється вкрай рідко і лише до тих величин, які не ставляться у залежність від умов застосування об’єктів, до яких вживається позначення «nominal», наприклад «nominal voltage of the supply system» (номінальна напруга систе­ ми живлення),“«nominal voltage (of an electrical installation)» (номінальна

20

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.1. Ключові особливості міжнародної термінології'щодо електричної апаратури

напруга електроустановки), «nominal frequency» (номінальна частота у кон­ тексті системи живлення), «nominal cross-section» (номінальний поперечний перетин, наприклад, провідників та кабелів), «nominal resistance of resistor» (номінальний опір резистора), «nominal capacitance of capacitor» (номінальна ємність конденсатора). Натомість, для величин, які визначаються відповідно до умов та режимів роботи апаратури, позначення «nominal» у зазначених джерелах ніколи не застосовується, для них вживається позначення «rated». Поняття «nominal value» та «rated value», чітко розрізняються майже в усіх мовах LEV (крім російської та італійської), та у багатьох інших мовах, що не є мовами IEV, але є мовами країн, які активно просувають свою про­ дукцію на міжнародні ринки, зокрема у чеській (ch) та словацькій (si) мовах: en fi­ de Pt sv pi es ar ja cn ch si nominal value valeur nominale Nennwert valor nominal nominellt varde wartoSc nominalna valor nominal я> . .if I f $>{6 nominalna hodnota nominalna hodnota rated value valeur assignee Bemessungswert valor estipulado markvarde wartosc znamionowa valor asignado

.

ШЙШ jmenovita hodnota menovita hodnota

Щоб розрізняти ці поняття, у даному посібнику для терміну «nominal value» будемо застосовувати україномовний еквівалент «номінальне зна­ чення», а для терміну «rated value» - «номінативне значення». Наведемо декілька прикладів. • Номінальна напруга мережі живлення - 220 В (nominal voltage of supply network - 220 V). Насправді, напруга на тих чи інших терміналах мережі може суттєво відрізнятися від 220 В (може перевищувати 220 В при ненавантаженій мережі або при обриві нейтралі чи знижуватися майже до нуля при коротких замиканнях), а специфікатор «220 В» лише позначає дану мережу і не залежить від будь-яких внутрішніх чи зовнішніх чинників. • Номінативний струм апарата - 100 A (rated current - 100 А). Цей запис означає, що через головне коло апарата можна пропускати струм 100 А, але з урахуванням низки умов - рід струму, частота, режим роботи, темпе­ ратура навколишнього середовища, висота над рівнем моря тощо. До речі, в англомовній „технічній літературі словосполучення «nottfirial current» для характеристики комутаційних апаратів ніколи (!) не вживається. З поняттям «rated value» тісно пов’язаний термін «rating», який в IEV визначається як сукупність номінативних значень та умов роботи. Цьому визначенню цілком відповідають відповідні терміни в інших мовах IEV: caracteristiques assignees (fr), dane znamionowe (pi), markdata (sv) тощо.

21

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.1. Ключові особливості міжнародної термінології щодо електричної апаратури

Враховуючи наведені приклади з інших мов, цілком логічно, на перший погляд, було б перекласти цей термін як «номінативні дані», але в англо­ мовній технічній (у тому числі і у нормативній) літературі для позначення сукупності різних технічних характеристик апаратів зазвичай застосову­ ється поняття «specification», яке в IEV хоч і не визначається, але й неод­ норазово вживається (наприклад, при визначенні поняття «rated value»). Слід також зазначити, що поняття «ratings» (множина), застосовується у стандартах ІЕС для позначення сукупності значень однієї величини при різних умовах роботи апарата, наприклад «current ratings», «voltage ratings». Отже, враховуючи те, що терміни «rated» і «rating» мають одне коріння, будемо перекладати останній з них як «номінатив», a «ratings» як «номінативи». Наприклад, якщо виробник для деякого відмикача встано­ влює декілька номінативів робочої здатності до відмикання коротких зами­ кань (/cs), то кожному з них він має поставити у відповідність певні умови в колі короткого замикання - рід струму, частоту, напругу тощо. Елементи електричних кіл та величини, що їх характеризують Викликають певні складнощі при перекладі низки термінів, пов’язаних з елементами електричних кіл, адже в епоху боротьби з космо­ політизмом іншомовні терміни замінялися російськомовними. Не всі терміни постраждали - лишилися «резистор», «реактор», «конденсатор», «індуктивність» тощо. А от такі терміни як «імпеданс», «реактанс» та деякі інші були ліквідовані, хоча у старому радянському термінологічному стандарті - ГОСТ 19880-74 ці терміни ще згадуються, але як синоніми, що не рекомендуються для застосування. У новітньому ж російському термінологічному стандарті ГОСТ Р 52002-2003 про ці синоніми навіть згадки нема. Показово, що старий радянський та новітній російський термінологічні стандарти, незважаючи на переклад назв цих стандартів на англійську мову, не містять іншомовних еквівалентів термінів, наведених у цих стандартах. Відсутність іншомовних еквівалентів термінів у текстах вітчизняних стандартів може призвести до некоректного їх зворотного перекладу. Наприклад, термін «емкостное сопротивление» (ГОСТ 19880, п. 143; ГОСТ Р 52002, п. 149), якщо не знати англомовного еквіваленту, цілком природно перекласти як «capacitive resistance» (адже «сопротивление» у будь-якому словнику перекладається як «resistance»). Такий переклад з точки зору міжнародної термінології буде виглядати некоректно, оскі­ льки «resistance» не може бути від’ємним. Насправді ж поняттю «емкост­ ное сопротивление» відповідає англомовне поняття «capacitive reactance» - це величина, яка є від’ємною за визначенням (див. 131-12-48). Наведена вище вигадана ситуація не така вже й надумана. Наприклад, один з чинних в Україні (і у Росії теж) стандартів ДСТУ 3025-95 (ГОСТ 9098-93. Вьіключатели автоматические низковольтньїе - Low-voltage

22

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.1. Ключові особливості міжнародної термінології щодо електричної апаратури

automatic switches) містить переклад його назви, зроблений упорядника­ ми того стандарту на англійську мову. Такий переклад викликає певне непорозуміння, адже у стандарті мова йде про апарати, що здатні відми­ кати струми коротких замикань (circuit-breakers), a switch - це апарат, призначений для відмикання струмів у колах при нормальних умовах і не здатний відмикати струми коротких замикань. Чинний, хоч не такий вже новий, український термінологічний стан­ дарт (ДСТУ 2843-94), хоча й дещо нерішуче, але поновлює низку «репре­ сованих» у радянські часи термінів. Ми кажемо про нерішучість, бо по­ новлені терміни надаються не у вигляді основної форми, а як синоніми. Щоправда, ці синоніми, на відміну від ГОСТ 19880, вже позбавлені ста­ тусу нерекомендованих, зазначено лише, що синоніми подаються курси­ вом. Проте, в іншому реченні вступу до стандарту зазначається, що «для кожного поняття встановлено тільки один стандартизований термін». То як же бути із синонімами? Здається, що зазначені синоніми, враховуючи їх міжнародний статус, з часом повинні набувати більшої ваги, а терміни, що не відповідають міжнародно визнаній термінології, мають поступово відходити. До речі в іншому українському термінологічному стандарті ДСТУ 2815-94 поряд із терміном «опір» застосовується й термін «резистанс» не тільки як синонім, а й як основний термін (резистанс ізоляції: ДСТУ 2815-94,4.132). Є ще одна важлива відмінність ДСТУ 2843 від старого радянського та новітнього російського термінологічного стандартів - терміни в украї­ нському стандарті подаються не тільки українською, а ще й німецькою, англійською, французькою та російською мовами, а визначення - крім української, ще й російською мовою. Наявність іншомовних термінів у національному стандарті є, безумовно, позитивним чинником, адже у та­ кий спосіб стандарт сприяє полегшенню міжкультурних комунікацій, але при цьому неприпустимо уникати зазначення джерел, з яких іншомовні терміни та визначення запозичені. Запозичені терміни та визначення ма­ ють надаватися без будь-яких корективів. Термінологічними джерелами щодо німецької, англійської та французької мов має бути Міжнародний електротехнічний словник, а джерелами російськомовних термінів мають бути відповідні російські стандарти. Повертаючись до термінів, що стосуються електричних кіл, зазначи­ мо, що в IEV розрізняються поняття «resistance (1)» (німецькою мовою «Widerstand» - опір), що застосовується для резистиїзних елементів, та «resistance (2)» (німецькою мовою «Wirkwiderstand» - дійсний опір), що застосовується для синусоїдальних процесів у лінійних колах. Обидва поняття позначаються однаковим символом R, але визначаються вони по-різному:

23

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.1. Ключові особливості міжнародної термінології щодо електричної апаратури

«resistance (1)»: R = мдв / і (де мдв - миттєве значення напруги між термі­ налами А та В резистивного елементу, і - миттєве значення струму через цей елемент); «resistance (2)»: R = Re(Z) (де Z = Uab / L ~ імпеданс кола, С/АВ- вектор на комплексній площині, що представляє напруги між терміналами А та В елементу кола, І - вектор на комплексній площині, що представляє струм у даному елементі кола). Ці поняття приблизно відповідають поняттям «електричний опір» (ДСТУ 2843, п.92) та «активний електричний опір» (ДСТУ 2843, п.122), але існують певні розбіжності у смислі цих понять за IEV та ДСТУ, а визначення відрізняються дуже суттєво. Суттєві розбіжності існують у визначеннях IEV та ДСТУ стосовно інших величин, що характеризують процеси в електричних колах, тому, користуючись синонімічними вольностями, які надає нам ДСТУ 2843, у даному посібнику будемо застосовува­ ти наступні позначення та переклади термінів для елементів та величин, що характеризують процеси в електричних колах. Елементи'. resistor резистор; inductor; reactor індуктор; реактор; capacitor конденсатор. Величини'. R resistance (1) опір; L inductance індуктивність; ємність; С capacitance імпеданс; Z impedance Z apparent impedance уявний імпеданс; модуль імпедансу (для синусоїдальних процесів); R resistance (2) резистанс; X reactance реактанс; індуктивний реактанс; X L inductive reactance ємнісний реактанс. X c capacitive reactance Перевагою зазначених перекладів, крім того, що вони відповідають міжнародній практиці позначень елементів електричних кіл, є їх корот­ кість, отже, користуючись ними, зручніше конструювати словосполучення. Наприклад, термін «імпеданс» значно коротший, аніж «комплекс повного опору», а також зручніший у конструюванні словосполучень, особливо, якщо врахувати, що в англомовній технічній літературі цей термін застосовується також у словосполученні «apparent impedance» («уявний імпеданс» або для синусоїдальних процесів - «модуль імпедансу»). Наприклад, переклад словосполучення «low-impedance conductor» як «низькоімпедансний провідник» виглядає привабливіше, аніж «провід­ ник з малим”модулем повного опору».

24

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.1. Ключові особливості міжнародної термінології щодо електричної апаратури

Словосполучення «активний опір», «реактивний опір» у даному посі­ бнику не застосовуються, оскільки у міжнародній практиці поняття «акти­ вний» («active») застосовується для кіл, які мають джерела живлення, з антонімом «пасивний» («passive»), що застосовується для кіл без джерел живлення. Отже, замість словосполучення «повний опір є практично актив­ ним» будемо застосовувати вираз «імпеданс є практично резистивним». Поняття «реактивний» («reactive») в IEV застосовується у контексті реак­ тивної потужності, а поняття «активний» («active») - для позначення кіл із джерелами живлення. До речі, термін «заживлювати» (російською мовою - запитьівать) дуже підходить до англомовного «energize». Термін, що позначає зворот­ ну дію «de-energize», будемо перекладати як «знеживлювати». Ще одним нюансом відмінностей англомовної термінології IEV від звичної для нас термінології є позначення такої інтегральної характерис­ тики змінних величин, яку у нас прийнято називати діючим значенням, наприклад, діюче значення струму. Таке позначення пояснюють тим, що змінний струм з певним діючим значенням діє так само (нагріває провід­ ник, через який він тече), як і постійний струм відповідного значення. Це визначення є коректним лише коли опір провідника в обох випадках є однаковим. Насправді ж змінний струм викликає ефекти витіснення струму, зокрема поверхневий ефект (scin-effect), які збільшують втрати енергії у провіднику. Отже, як бачимо, постійний струм діє інакше, аніж змінний струм з таким же «діючим» значенням. В англомовній терміно­ логії IEV замість специфікатора «діючий» стосовно значень тих чи інших змінних величин застосовується специфікатор «середньоквадратичний» «root-mean-square» із скороченням rms, наприклад, rms voltage - середньоквадратична напруга, а не діюча або ефективна напруга, rms flux середньоквадратичне (а не діюче) значення потоку. Слід зазначити, що в інших мовах IEV для періодичних функцій застосовується позначення «ефективний» в контексті середньоквадратичного значення: «Effektivwert» (de), «wartosc skuteczna» (pi) тощо. Діапазони напруг Хоча поняття низької та високої напруги широко застосовуються у вітчизняній технічній літературі, проте у нормативних документах вони не визначаються. З деяких стандартів, наприклад ДСТУ 3020-95 (ГОСТ 12434-93) випливає, що низькою напругою вважається напруга до 1000 В змінного струму (середньоквадратичне значення) та напруга до 1200 В постійного струму. Отже високою напругою слід вважати будь-яку на­ пругу, що перевищує вказані значення. Міжнародний електротехнічний словник (IEV) визначає поняття ни­ зької напруги (low voltage, LV: 601-01-26) лише для мереж змінного стру­

25

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.1. Ключові особливості міжнародної термінології щодо електричної апаратури

му (АС) як напругу, що не перевищує 1000 В, а високу напругу - у широ­ кому розумінні як сукупність рівнів напруги, що перевищують рівні ни­ зької напруги, та в обмеженому розумінні як сукупність рівнів напруги, що застосовуються для передачі електричної енергії у великих обсягах (high voltage, HV: 601-01-27). Крім того, IEV визначає поняття середньої напруги (medium voltage, MV: 601-01-28) як сукупність рівнів напруги між низькою та високою (в обмеженому розумінні) напругою, зазначаючи, що верхня границя діапазону середніх напруг у залежності від місцевих традицій, що історично склалися, лежить в інтервалі між 30 кВ та 100 кВ. Міжнародний стандарт ІЕС 61000-3-6 конкретніше визначає діапазони напруг та виділяє діапазон надвисоких напруг (extra high voltage, EHV): - low voltage (LV) refers to Un < 1 kV; - medium voltage (MV) refers to 1 kV < Un < 35 kV; - high voltage (HV) refers to 35 kV < Un < 230 kV; - extra high voltage (EHV) refers to 230 kV < Un. Інший міжнародний стандарт - ІЕС 62271-100 верхню границю середніх напруг позначає на рівні 52 кВ, а нижню границю надвисоких напруг - на рівні 420 кВ. Верхню границю діапазону низьких напруг для постійного струму (DC) міжнародні стандарти визначають на рівні 1500 В (див. наприклад ІЕС 60947-1). Для електроустановок будівель (electrical installations o f buildings) міжнародний стандарт ІЕС 60449 встановлює два діапазони або смуги (bands) напруг (табл. 1.1): - діапазон I (band І), який застосовується в установках, де захист від ураження електричним струмом забезпечується використанням наднизьких рівнів напруги або в установках, де напруга обмежена умовами роботи обладнання (наприклад, в телекомунікаційних установках); - діапазон II (band II), який застосовується для живлення побутових, промислових, торгівельних установок і охоплює розподільні системи у різних країнах.
Таблиця 1.1. Діапазони напруг в електроустановках будівель AC (r.m.s.) напруга між міжлінійна напруга лінією та землею U < 50 В 50 < U < 600 В 5 0 < U < 1000 В DC напруга між міжлінійна напруга лінією та землею U < 120 В 120 < [ / < 9 0 0 В 120 < С/< 1500В

Band I Band П

До речі, в оригіналі стандарту ІЕС 60449, який був опублікований ще у 1973 році, а доповнення до нього (Amendment 1) - у 1979 році, застосо­ вується скасована пізніше термінологія щодо напруг у лініях. У сучасній термінології замість позначення напруг «між фазою та землею» («phase to

26

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.1. Ключові особливості міжнародної термінології щодо електричної апаратури

earth») - для змінного струму та «між полюсом та землею» («pole to earth») - для постійного струму застосовується узагальнений термін «напруга між лінією та землею» (line-to-earth voltage), а замість позна­ чення напруг «між фазами» («between phases») для змінного струму та «між полюсами» («between poles») для постійного струму застосовується узагальнений термін «міжлінійна напруга» або «лінійна напруга» (line-toline voltage). Слід зауважити також, що термін «line voltage», який широко засто­ совується в англомовній технічній літературі слід перекладати як «напруга мережі», а не «лінійна напруга», тому що цей термін може застосовуватися як до напруги між лінійним провідником та землею, так і між лінійними провідниками. Не слід також плутати поняття «номінальна напруга джерела живлення» («nominal voltage o f power supply») та «напруга мережі» («line voltage»). Перше поняття має фіксоване значення та лише позначає дану мережу і не залежить від будь-яких внутрішніх чи зовнішніх чинників, а друге поняття відповідає конкретному значенню напруги на певних терміналах тієї ж мережі у певний момент часу і може суттєво відрізняти­ ся від номінального значення напруги. IEV визначає напруги діапазону I (Band І) як наднизькі напруги (extralow voltage; ELV). У вітчизняній нормативній літературі натомість застосо­ вується поняття малої напруги («малое напряжение, ндп. безопасное на­ пряжете»-. ГОСТ 12.1.009) тобто напруги, що не перевищує 42 В і застосовується у цілях зменшення небезпеки ураження електричним струмом. В іншому стандарті системи стандартів безпеки праці (ГОСТ 12.2.007.0) визначається поняття безпечної наднизької напруги, тобто напруги, що не перевищує 42 В, причому без навантаги ця напруга не повинна перевищувати 50 В, а за певних умов (наприклад, робота у котлах, колодязях тощо) ця напруга не повинна перевищувати 12 В. Виводи та термінали Поняття «terminal» в IEV 131 (Circuit theory - Теорія кіл) визначається як точка з ’єднання елементів електрич­ них кіл, електричних кіл або електрич­ них мереж з іншими елементами елект­ ричних кіл, електричними колами або мережами. В IEV 442 (Electrical acces­ sories) це поняття визначається як час­ тина аксесуара, до якої приєднується провідник Тяка забезпечує багаторазове СТОВПЧИКОВИИ / ВИ ВІД 13 приєднання. Це визначення можна затискний І заводським термінал змащенням розповсюдити й на електричні апарати пристрій Рис. 1.2. Термінал та вивід та інші електротехнічні пристрої. апарата(аксесуара)

27

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.1. Ключові особливості міжнародної термінології щодо електричної апаратури

В російськомовній електротехнічній літературі «terminal» зазвичай перекладається як «вьівод», хоча насправді до складу терміналу мають бути включені усі засоби, що забезпечують багаторазове приєднання до нього провідників, зазвичай із застосуванням універсального інструменту. До засобів, що забезпечують приєднання, відносять болти, гвинти, гайки, шайби, пружини, спеціальні затискні пристрої, що забезпечують надійне приєднання зовнішніх провідників до апарата тощо. Ці засоби, зазвичай поставляються виробником у комплекті з апаратом або аксесуаром. Вивід же апарата або аксесуара жодних засобів для приєднання провідників у своєму складі не містить і, зазвичай, являє собою або пластину (пласку чи зігнену, з отворами, насічкою тощо), або круглий у перерізі штир. Різницю між виводом (termination) та терміналом апарата або аксесуара ілюструє фото нарис. 1.2. Приєднання та заміна зовнішніх провідників до виводів апаратів може здійснюватися за допомогою загальновживаних слюсарних інструментів - гайкових ключів, викруток тощо або припаюванням. Таке приєднання називають X приєднанням (type X attachment). Якщо для приєднання та заміни зовнішніх провідників до апарата необхідно застосовувати спеці­ альний інструмент, який поставляється виробником, таке приєднання на­ зивають Y приєднанням (type Y attachment). Метод приєднання, відповід­ но до якого гнучкий кабель або шнур не може бути заміненим без руйну­ вання цілісності аксесуару, називають Z приєднанням (type Z attachment). Приєднання типу Z застосовують у деяких аксесуарах, які приєднують до кабелів або шнурів опресовуванням. В електричних апаратах термінали з таким способом приєднання зазвичай не застосовуються. Електромеханічні або механічні та напівпровідникові апарати У вітчизняній технічній літературі часто застосовуються терміни «контактний апарат», тобто апарат, в якому комутаційні функції виконує контактний елемент, та «безконтактний апарат», тобто апарат, в якому комутаційні функції виконує деякий безконтактний елемент. Слід зазна­ чити, що ці терміни сформувалися ще у 30-х роках минулого століття, коли можливості створення комутаційних апаратів без контактних кому­ таційних елементів - на базі електровакуумних та газорозрядних прила­ дів розглядалися лише теоретично. З появою на ринку надійних напів­ провідникових приладів (діодів, транзисторів і, дещо пізніше, тиристо­ рів), створення комутаційних апаратів без контактних комутаційних еле­ ментів стали пов’язувати лише з напівпровідниковими приладами. Зго­ дом такі апарати були створені і у деяких сегментах ринку навіть суттєво потіснили традиційні комутаційні апарати з контактними комутаційними елементами. В англомовній технічній літературі терміни «контактний апарат» (contact switching device) або «безконтактний апарат» (contactless

28

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.1. Ключові особливості міжнародної термінології щодо електричної апаратури

switching device) не застосовуються, оскільки до складу будь-яких елект­ ричних пристроїв, навіть тих, які взагалі не мають комутаційних елемен­ тів (наприклад, резистори, конденсатори, розрядники, реактори тощо) обов’язково входять контакти для приєднання цих пристроїв до зовніш­ ніх кіл, тобто контакти їх терміналів. Апарати, які у деяких вітчизняних джерелах називають контактними, в англомовній технічній літературі іменуються як механічні або електромеханічні комутаційні апарати (mechanical switching device; electromechanical switching device), а апарати, які у вітчизняній технічній літературі називають безконтактними, в англомовних джерелах іменуються як напівпровідникові комутаційні апарати (semiconductor switching device). Позначення провідників у трифазних колах Живлення кінцевих споживачів електричної енергії здійснюється на рівні низьких напруг, які отримують на місцевих трансформаторних підстанціях. Первинні обмотки трифазних трансформаторів на цих під­ станціях живляться від трифазної трипровідної лінії високої (HV), а точніше кажучи, середньої напруги (MV). Ці обмотки з ’єднують у три­ кутник (delta connection) й надійно ізолюють від вторинних обмоток, щоб запобігти потраплянню високої напруги в мережу низької напруги. Вторинні обмотки низької напруги (LV) з’єднують зіркою (star connection) вільні точки цих обмоток виводяться на лінійні термінали, а спільна точка з ’єднання цих обмоток виводиться на нейтральний термінал, який приєд­ нується до корпусу трансформатора та терміналу уземлення, розташова­ ному на тому ж корпусі. До лінійних та нейтрального терміналів трансформатора приєдну­ ється лінія електропередачі (кабельна - cable line або повітряна - over­ head line), яка йде до споживача. Провідники, приєднані до лінійних тер­ міналів, у вітчизняній технічній літературі називають фазними (така сама назва була раніш і у міжнародній технічній літературі) та позначають літерами А, В та С (рис. 1.3). Зараз в англомовній технічній літературі ці провідники називають лінійними (line conductor) та позначають символами L I, L2 та L3. Провідник лінії електропередачі, що приєднуються до спіль­ ної точки вторинних обмоток, у вітчизняній технічній літературі зазвичай називають нульовим провідником із позначенням «0», а у міжнародній термінології цей провідник називають нейтральним (neutral conductor) з позначенням N. Провідник, який з ’єднує спільну точку вторинних обмоток із уземлювальним електродом (earth electrode)', що знаходиться в електричному контакті з землею, називають захисним уземлювальним провідником з позначенням PE (protective earthing conductor). Якщо нейт­ ральний провідник не тільки сприяє розподіленню електричної енергії, а й виконує захисні функції уземлювального провідника (до нього приєд-

29

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.1. Ключові особливості міжнародної термінології щодо електричної апаратури

нують металеві корпуси електрообладнання споживача), цей провідник називають PEN провідником (PEN conductor). Лінія передачі електричної енергії від місцевої підстанції до споживачів зазвичай є чотирипровідною (L I, L2, L3 та PEN), рідше - п ’ятипровідною (L I, L2, L3, N та РЕ).

Рис. 1.3. Позначення провідників у вітчизняній та міжнародній технічній літературі на прикладі схеми з ’єднань обмоток силового трансформатора місцевої підстанції (а) та його зовнішній вигляд з боку терміналів обмоток високої (середньої) напруги (б)

Розглянуті особливості міжнародної електротехнічної термінології є основоположними, ключовими. На інші особливості міжнародної термінології (зокрема при визначенні режимів роботи електричної апара­ тури, позначенні характеристик апаратів тощо) ми будемо звертати увагу у відповідних розділах посібника.

ЗО

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ

1.2. Функції та основні частини електричних апаратів
1.2.1. Функції електричних апаратів Поняття «електричний апарат» охоплює широке коло пристроїв, які здійснюють різноманітні дії, пов’язані з комутацією електричних кіл, керуванням обладнанням, контролем параметрів технологічних процесів, обмеженням надструмів і перенапруг у мережах живлення, та захистом людей, майна й довкілля в процесі виробництва, транспортування, перетворення, розподілення та споживання електричної енергії. Отже, комутація, керування, контроль, обмеження та захист зазначених об’єктів і є основними функціями електричних апаратів. Кінцевою дією будь-якого електричного апарата є вмикання або вими­ кання струму в електричному колі за допомогою комутаційного елементу, яким може бути контакт, що замикається або розмикається, або напівпро­ відниковий пристрій, що змінює свій опір під дією зовнішнього впливу. Комутація електричних кіл контактами (рис. 1.4-а) в електромеханічних апаратах здійснюється їх замиканням (зближенням й визначеним натис­ ненням) та розмиканням (віддаленням на визначену відстань). Пристрої, позначення яких зображено на рис. 1.4-6 ... 1.4-є, застосовуються у напів­ провідникових апаратах. У даному посібнику розглядаються, переважно, електромеханічні апарати з контактними комутаційними елементами.

Рис. 1.4. Комутаційні елементи електричних апаратів: а - контакт; б - одноопераційний тиристор; в - двоопераційний тиристор; г - симістор; д - інтегрований біполярний транзистор з ізольованим затвором (IGBT транзистор); е - оптосимістор; є - оптотранзистор

Типові схеми комутації електричних кіл однополюсними, двополюс­ ними, триполюсними та чотириполюсними апаратами з контактними комутаційними елементами зображені нарис. 1.5. В однополюсних апаратах (рис. 1.5-а) приєднання навантаги до живлення здійснюється через контактний елемент до лінійного провідника (line conductor) та так звану безперервну нейтраль (uninterrupted neutral) струмопровідну гілку, приєднану безпосередньо до нейтрального провід­ ника (N conductor) розподільного пристрою, від якого жийиться навантага. До речі, майже усі електропобутові пристрої (appliance) приєднуються до живлення саме так. Металеві корпуси усіх електроустановок з міркувань
На рис. 1.5 навантага умовно зображена у вигляді резистивного елементу. Насправді ж реальні навантаги мають резисгивно-індукгивний характер, рідше - з ємнісною складовою.

31

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

безпеки мають бути надійно приєднані до захисного уземлювального про­ відника (РЕ провідника). На виробничих, торгівельних та інших підпри­ ємствах таке приєднання згідно до вимог ПУЕ здійснюється повсюдно, а для житлових та аналогічних помешкань вимоги щодо застосування трипровідних однофазних ліній живлення з ’явилися нещодавно, тому вони є обов’язковими лише для новобудов. Практично уземлення побу­ тових приладів здійснюється завдяки застосуванню триполюсних розе­ ток, до яких від розподільного щитка мають бути підведені три провід­ ники, один з яких - захисний РЕ провідник. Крім того, побутові прилади мають бути оснащені спеціальними трипровідними вилками, провідники до яких підключені так, що при введенні вилки у розетку металевий корпус приладу автоматично приєднується до захисного провідника.

Рис. 1.5. Комутація електричних кіл електричними апаратами: а - однополюсним; б - двополюсним; в - триполюсним; г - чотириполюсним

Комутація однофазних навантаг двополюсними апаратами (рис. 1.5-6) здійснюється в мережах постійного струму для полегшення умов гасіння електричної дуги, що виникає на контактах при їх розмиканні, а також з міркувань безпеки в мережах постійного та змінного струму - при розмиканні контактів навантага від’єднується від живлення як з боку лінійного, так і з боку нейтрального провідника. Комутація трифазних асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором ((squirrel) cage induction motor) здійснюється триполюсними апа­ ратами (рис. 1.5-в), оскільки спільна точка з ’єднання обмоток зазвичай не виводиться на клемну коробку двигуна. Комутацію трифазних навантаг зі спільною нейтраллю з міркувань безпеки бажано здійснювати чотириполюсним апаратом (рис. 1.5-г) - при розмиканні контактів навантага повністю від’єднується від живлення.

32

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

1.2.2. Головне коло, коло керування, допоміжне коло, полюс та порт До складу комутаційного апарата крім головного кола (main circuit of a switching device), тобто сукупності струмопровідних частин, що входять до кола, яке апарат має замикати та розмикати за своїм основним призначен­ ням, можуть входити також коло керування та допоміжні кола. Колом керування комутаційного апарата (control circuit o f a switching device) називають сукупність його струмопровідних частин (крім голо­ вного кола), що входять до кола, яке має застосовуватися для забезпечен­ ня апаратом виконання операцій замикання та/або розмикання у голо­ вному колі апарата. Допоміжним колом комутаційного апарата (auxiliary circuit o f a swit­ ching device) називають сукупність його струмопровідних частин, при­ значених для застосування у будь-яких колах, крім головного кола та ко­ ла керування. Схема на рис. 1.6 ілюструє поняття головного кола, кола керування та допоміжного кола електричного апарата. На схемі позначено: 1 - електричний апарат з контактами 2, 3, 4 та 5, комутація яких здійсню­ ється за допомогою електромагнітного актуатора, заживлення або знеживлення котушки 6 якого забезпечується за допомогою контакту 7. Призна­ ченням апарата є вмикання та вимикання контактами 2 та 3 навантаги 8, контакт 4 призначений для виконання допоміжних функцій (вмикає сиг­ нальну лампу 9), а контакт 5 здійснює комутації в колі керування. Отже, частини апарата, які є частинами електричного кола навантаги, а саме контакти 2 та 3 з відповідними терміналами (на схемі показані у вигляді кружків) та провідники, що з ’єднують контакти з терміналами, складають головне коло апарата (виділені червоним кольором).

РЕ

т
33

Рис. 1.6. Головне коло (10), коло керування (11) та допоміжне коло (12) електричного апарата

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

Частини апарата, які входять до електричного кола керування 11 цього апарата, а саме котушка 6, а також контакт 5 з відповідними термі­ налами та провідниками складають коло керування апарата (виділені зеленим кольором). Частини апарата, які входять до допоміжного електричного кола 12, а саме контакт 4 з відповідними терміналами та провідниками складають допоміжне коло апарата (виділені синім кольором). Полюс комутаційного апарата (pole of a switching device) - це його частина, яка пов’язана тільки з однією електрично незалежною гілкою головного кола та не містить частин, призначених для спільного монтажу та оперування всіма полюсами разом. До складу полюсу входять його термінали (вхідний та вихідний), головні контакти, струмопровідні деталі (жорсткі та гнучкі), які з ’єднують контакти з терміналами, а також усі елементи (струмопровідні та ізоляційні), що відносяться до відповідної гілки головного кола. На рис. 1.7 зображено апарати з різною кількістю полюсів - двопо­ люсний вимикач-роз’єднувач (рис. 1.7-а), триполюсний запобіжниквимикач-роз’єднувач (рис. 1.7-6) та блок з трьох однополюсних запобіжників-вимикачів-роз’єднувачів (рис. 1.7-в). Вхідні термінали (до них приєднуються провідники, з ’єднані з дже­ релом живлення) усіх полюсів апарата утворюють вхідний порт (port), а вихідні термінали (до них приєднуються провідники, з ’єднані з відпові­ дними терміналами навантаги) усіх полюсів апарата утворюють вихідний порт. У деяких апаратах вхідний та вихідний порти можна міняти місцями, а для деяких апаратів це неможливо робити. Про можливість або немож­ ливість зміни місць портів має свідчити маркування терміналів. На рис. 1.7-а верхні термінали мають цифрове позначення «1» та «З», а нижні термінали - «2» та «4». Це означає, що джерело живлення має бути підключено до верхніх, а навантага - до нижніх терміналів. Отже верхні термінали даного апарата утворюють вхідний порт, а нижні термінали вихідний порт. Правила маркування терміналів стандартизовані (ІЕС 60947-1, Annex L). Ці правила викладені в п. 3.3.2. Апарати, зображені нарис. 1.7-6 та 1.7-в, монтуються безпосередньо на збірних шинах розподільного пристрою, відтак їх вхідні термінали розташовані на задній поверхні корпусу. Вихідні термінали цих апаратів розташовані під ізоляційними кришками, розташованими в нижніх час­ тинах корпусів. Хоча апарат, зображений на рис. 1.7-в, складається з трьох окремих полюсів, його не варто вважати триполюсним, адже полюси не поєднані так, щоб оперувати разом.

34

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

вхіднии порт вхідний термінал першого полюсу

вхідний термінал другого 1 полюсу І

актуатор (спільний для обох

( ~ й т i }f *9 «-%-і 3 і 9 другии **. полюс вихіднии порт

а)

вихіднии порт —

вихідні порти—

Рис. 1.7. Комутаційні апарати з різною кількістю полюсів: а - двополюсний апарат; б - триполюсний апарат; в - блок з трьох однополюсних апаратів

1.2.3. Контакти електричних апаратів Поняття контакту комутаційного апарата (contact of a mechanical switching device) в IEV визначається як сукупність струмопровідних час­ тин, призначених для встановлення безперервності електричного кола, коли вони (ці частини) стикаються, та які впродовж свого відносного переміщення під час спрацьовування розмикають або замикають коло, або, у випадку шарнірних та ковзних контактів, підтримують безперерв­ ність кола. Ілюстрація до цього визначення наведена на рис. 1.8.
Рис. 1.8. Контакти електричного апарата: рублячий ковзний контакт забезпечує замикання та розмикання кола та підтримує його безперервність у замкненому стані завдяки верхній контактній пружині, а шарнірний контакт завдяки нижній контактній пружині забезпечує підтримку безперервності кола

Дане поняття поширюють й на ті апарати, які не мають комутацій­ них елементів (запобіжники, обмежувачі імпульсних виплесків, вимірювальні трансформатори тощо), якщо врахувати, що безперервність електричних кіл підтримують також струмопровідні частини апаратів, які

35

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

призначені для їх приєднання до зовнішніх кіл, тобто струмопровідні частини терміналів. Саме цьому, як вже зазначалося, в англомовній нау­ ково-технічній літературі не застосовуються звичні для нас терміни «контактний апарат» (contact switching devise) або «безконтактний апа­ рат» (contactless switching devise), а вживаються терміни, які показують, у який спосіб забезпечується комутація електричних кіл - «механічий комутаційний апарат» (mechanical switching devise) та «напівпровіднико­ вий комутаційний апарат» (semiconductor switching devise). Контакт апарата, який здійснює комутації головного кола та призначений у замкненому положенні проводити його струм, називають головним контактом (main contact). Отже, апарат, електрична схема якого зображена на рис. 1.6, має два головних контакти, а саме контакти 2 та 3. Контакт 5, що входить до кола керування комутаційного апарата та механічно приводиться у дію цим апаратом, називають контактом керування (control contact). Контакт 7 - це також контакт керування, але він є части­ ною не апарата 1, а іншого комутаційного апарата, отже він є стороннім контактом керування. Контакт 4, що входить до допоміжного кола та механічно приво­ диться у дію комутаційним апаратом, називають допоміжним контактом (auxiliary contact). Контакт керування або допоміжний контакт, який є замкненим, коли головні контакти комутаційного апарата є замкненими, та розімкненим, коли вони розімкнені, називають а-контактом або замикальним контак­ том (a-contact; make contact). Контакт керування або допоміжний контакт, який є розімкненим, коли головні контакти комутаційного апарата є замкненими, та замкненим, коли головні контакти розімкнені, назива­ ють b-контактом або розмикальним контактом (b-contact; break contact). Контакт 4 на рис. 1.6 є а-контактом, контакт 5 - Ь-контактом. У міжнародних стандартах застосовуються також альтернативні терміни «normally open contact» (нормально розімкнений контакт) замість «make contact» та «normally closed contact» (нормально замкнений контакт) замість «break contact». В апаратах низької напруги з робочими струмами понад 1000 А (так звані багатоамперні апарати) та у деяких різновидах апаратів середньої та високої напруги (у тому числі із меншими робочими струмами) крім головних контактів, призначених проводити робочі струми у замкненому стані, у головних колах застосовують додаткові - дугогасні контакти (arcing contact), на яких встановлюється електрична дуга при розмиканні електричного кола. Дугогасний контакт завжди є електрично паралель­ ним головному контакту, причому конструкція контактної системи побудована таким чином, що дугогасний контакт замикається раніше та розмикається пізніше головного контакту. В переважній більшості

36

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

комутаційних апаратів їх головні контакти виконують функції й дугогас­ них контактів. Застосування окремих головних та дугогасних контактів в багатоамперних апаратах низької напруги пояснюється тим, що контактні наклад­ ки їх головних контактів, з метою зменшення опору та нагрівання, виго­ товляють із срібла або з металокерамічних композицій на основі срібла. Срібло - матеріал дорогоцінний, до того ж недостатньо лугостійкий (температура топлення - 960°С), а відтак схильний до швидкого зносу під дією дуги. Дугогасні контакти виготовляють з більш лугостійких матеріалів - міді або спеціальних металокерамічних композицій. У замк­ неному стані головні та дугогасні контакти з ’єднані паралельно, тому, завдяки низькому опору срібла, практично весь струм тече через головні контакти. При здійсненні операції вимикання першим розмикається головний контакт (ГК), але електрична дуга на ньому не виникає (отже, головний контакт захищається від дугового зносу), тому що струм перетікає у коло дугогасного контакту (ДК), а вже після розмикання ДК саме на ньому встановлюється дуга, яка, завдяки електродинамічним силам, пересувається у дугогасну камеру апарата, де і згасає (рис. 1.9-а). Застосування окремих головних та дугогасних контактів в апаратах середньої (рис. 1.9-6) та високої напруги з гасінням дуги в середовищі елегазу (шестифтористої сірки - SF6) пояснюється особливостями проце­ сів гасіння електричної дуги в цих апаратах.

Рис. 1.9. Перерізи полюсів багатоамперного селективного відмикана низької напруги (а) та елегазового відмикана середньої напруги (б) з головними (ГК) та дугогасними (ДК) контактами

37

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

Будь-який контакт комутаційного апарата - головний, керування, допоміжний - складається з декількох частин, які теж називають контак­ тами або контакт-деталями (contact (piece)). Одна з таких частин утворює рухомий контакт (moving contact), інша - нерухомий контакт (fixed contact) - див. рис 1.8. В електричних апаратах застосовується багато різ­ новидів контактів, пов’язаних з особливостями відносного пересування контакт-деталей - стикові контакти (butt contact), ковзні контакти (sliding contact), роликові контакти (rolling contact) тощо та контактних з ’єднань, до яких відносять контакти та провідники, які підтримують безперерв­ ність електричних кіл та не розмикаються під час роботи апарата - жорс­ ткі з ’єднання (rigid connection), гнучкі з ’єднання (flexible connection) то­ що. На рис. 1.10 зображені фрагменти деяких комутаційних апаратів з контактами різних типів, а також деякі контактні з ’єднання.

Рис. 1.10. Фрагменти електричних апаратів з контактами різних типів: а - полюс вакуумного відмикана середньої напруги з жорстким та гнучким контактними з ’єднаннями; б - фрагмент полюсу потужного вакуумного відмикача середньої напруги з роликовими контактами замість гнучкого контактного з ’єднання; в - стиковий контакт кулачкового контролера (аналогічні контакти застосовують у контакторах); г -місткові контакти поворотного кулачкового перемикача (аналогічні контакти застосовують також у інших електричних апаратах); д - гнучкі з’єднання, які застосовуються в апаратах низької напруги (зокрема, у контакторах) для з’єднання рухомих контактів з виводами (termination) апарата: е - гнучкі з ’єднання, які застосовуються в вакуумних відмикачах середньої напруги

38

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

Термін «контакт» застосовують не тільки до сукупності струм опровідних частин, які, стикаючись, утворюють струмопровідний шлях, а й до стану цієї сукупності струмопровідних частин, додаючи до позначення «контакт» специфікатор «електричний» (electric contact). Цей стан може бути охарактеризований тим, наскільки добре контакт проводить елект­ ричний струм, тобто опором, який створює контакт. В IEV зазначений опір визначається як контактний опір (contact resistance). Контактний опір утворюється внаслідок двох причин: 1) звуження або стягування ліній струму в зоні стикання деталей, що контактують, та 2) наявності оксидних, сульфідних та інших плівок в зоні контактування. Вплив стягування ліній струму (рис. 1.11-а) на контактний опір поясню­ ється тим, що за рахунок шорсткості поверхонь контактування (навіть таких, які на перший погляд здаються ідеально гладкими) реальна площа контактування на один-два порядки менше уявної площі контактування. Вплив на контактний опір плівок мікронної товщини пояснюється тим, що ці плівки мають дуже великий питомий опір (resistivity; р), який на багато порядків (до 101 перевищує питомий опір чистих металів. 5) Контактний опір дуже сильно залежить від контактного натиснення (contact force). Наприклад, контактний опір між терміналами полюсу ваку­ умного відмикача (див. рис. 1.10-а) при контактному натисненні 4000 Н не повинен перевищувати 11 мкОм, а контактний опір між виводами мі­ ніатюрного електромагнітного реле може сягати одиниць Ом (при контакт­ ному натисненні порядку 10 мН). Такий сильний вплив контактного натис­ нення на контактний опір пояснюється тим, що реально контактування від­ бувається через мікроскопічні горбки на поверхнях контактів (рис. 1.11-6), тому при збільшенні контактного натиснення F ці горбки сплющуються, фактична площа контактування збільшується, а плівки руйнуються.

Рис. 1.11. Перетікання струму з однієї контактуючої деталі у іншу (а) та зміна розмірів площинок контактування внаслідок зміни контактного натиснення (б) 1 - плівка на поверхні контактів; 2 - площинка металевої провідності з тонкими плівками; З - зона стягування ліній струму поблизу однієї площинки контактування

39

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

На перший погляд, опір порядку 10 мкОм здається нехтовно малим, але номінативний струм цього полюсу, який має працювати у безперерв­ ному режимі, дорівнює 3150 А. Отже розсіювана потужність (power loss) у полюсі становить 31502 • 10 • 10'6 ~ 100 Вт. Розміри полюсу дозволяють розсіювати таку потужність, не викликаючи неприпустимих температур (на терміналах полюсу згідно з ІЕС 60694 температура не повинна пере­ вищувати 90°С). Але треба враховувати, що зазначений полюс вакуумного відмикача має витримувати струм короткого замикання 40 кА впродовж З секунд. Енергія, яка за цей час виділиться у полюсі, становить 10 • 10‘6 • (40 • 103)2 • 3 = 16 кВт • 3 с = 48 кДж (!). Оскільки розміри зони стягування складають частки міліметра, матеріал контактів у цій зоні нагрівається дуже швидко, температура сягає точки топлення й після припинення проходження струму короткого замикання розтоплений матеріал твердіє, отже контакти приварюються. Привід апарата має бути побудований так, щоб він був здатний виконати операцію вимикання й розірвати контакти, що приварилися. Зварюванню контактів сприяє також ефект відкидання контактів при коротких замиканнях, внаслідок дії електродинамічних сил в зоні стягу­ вання ліній струму. Електродинамічними називають сили, які виникають між провідниками зі струмами. Якщо струми течуть в одному напрямі, провідники притягуються, якщо струми течуть у протилежних напрямах, то провідники відштовхуються один від одного. В зоні контактування струми в контактуючих деталях частково течуть у протилежних напря­ мах (див. рис. 1.11-а), відтак ці контакти відштовхуються. Значення елек­ тродинамічних сил стають відчутними при струмах порядку тисяч Ампер та більше, коли ці сили сягають десятків, сотень й навіть тисяч Ньютон. Отже електродинамічне відкидання контактів має суттєве значення лише при коротких замиканнях. Відкидання контактів супроводжується вини­ кненням електричної дуги, яка розтоплює контактний матеріал в зоні стягування, а після остаточного замикання контактів розтоплений мате­ ріал твердіє, й контакти приварюються. Для зменшення сил приварювання контактів у деяких випадках збільшують контактні натиснення до значень, які перевищують можливі сили відкидання, або застосовують електроди­ намічні компенсатори, зокрема паралельні контактні ножі у роз’єдну­ вачах, які притягаються один до одного, оскільки струми в них течуть в одному напрямі, компенсуючи відкидання контактів. Зварювання контактів може відбутися й за відсутності короткого замикання, зокрема в контакторах та пускачах, які здійснюють прямий пуск електродвигунів. Якщо при виконанні операції замикання спостері­ гаються відскоки або деренчання (bounce) контактів, то кожний відскік супроводжується виникненням потужної електричної дуги, адже пуско­ вий струм двигуна у 6 ... 7 разів перевищує робоче значення (коли двигун

40

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

набере обороти). Відтак контакти можуть приваритися, як і при електро­ динамічному відкиданні контактів. Відскоки контактів, а відтак і сила їх приварювання зменшуються при зменшенні маси контактів та швидкості їх руху в момент замикання, а також при збільшенні сили контактного натиснення. Ці фактори враховуються в реальних конструкціях апаратів. До матеріалів стикових контактів комутаційних апаратів та апаратів керування висуваються такі вимоги: висока механічна зносостійкість; висока електрична зносостійкість; висока стійкість до зварювання; висо­ ка електропровідність; висока теплопровідність; низький та стабільний контактний опір; низька схильність до взаємодії з хімічно-активними складовими атмосфери - двоокисом вуглецю, сірководнем, двоокисом сірки, аміаком, киснем тощо; забезпечення надійного кріплення до контактотримача зварюванням, пайкою чи заклепуванням; низька вартість при заданому рівні надійності; Перерахованим вимогам не може задовольнити жодний з чистих металів. Зокрема, мідь, яку можна було б вважати ідеальним контактним матеріалом, якби не схильність до окислення, внаслідок чого на поверхні утворюються плівки з надзвичайно високим опором, що збільшує конта­ ктний опір, а відтак сприяє неприпустимому перегріванню або навіть порушенню контакту. Тому в сучасній апаратурі мідні контакти заміню­ ються композиційними на основі міді. Тим не менш, мідь має широке застосування в комутаційних апаратах з ручним керуванням, які працюють із значними механічними зусиллями та з ковзанням робочих поверхонь. Суттєво меншу хімічну активність порівняно з міддю має срібло, тому опір контактів, виготовлених із срібла, є відносно стабільним. Не­ зважаючи на високу вартість, срібло застосовується в контактах як домі­ нуючий компонент у композиціях з іншими металами та їх сполуками. Застосування методів порошкової металургії дозволяє створити так звані металокерамічні контакти, тобто контакти, виготовлені методом твердофазного спікання суміші порошків різних металів та окисів, піді­ браних у певних пропорціях. Відповідний підбір інгредієнтів дозволяє отримати металокерамічні контакти, які у певній мірі задовольняють більшості суперечливих вимог до стикових контактів комутаційних апаратів та апаратів керування й долають недоліки стопів: невелику міцність, схильність до зварювання, сульфідну корозію. Технологія виготовлення металокерамічних контактів передбачає такі етапи: 1) змішування (віброзмішування) порошків у .заданих пропор­ ціях; 2) пресування; 3) спікання при температурі, яка є меншою за темпе­ ратури топлення компонентів та 4) опресовування та повторне спікання з метою ущільнення й надання контактам остаточної форми. Основними перевагами металокерамічних контактів перед контактами, виготовлени­ ми з чистих металів та стопів є майже повна безвідходність та можли­

41

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

вість отримувати властивості контактних матеріалів, які є непритаман­ ними чистим металам та стопам. Серед найбільш розповсюджених металокерамічних композицій слід зазначити такі: • А10 - 85,0±0,5% срібла, решта - окис кадмію (у ГОСТ 19725 наво­ диться лише позначення для дрібнодисперсної композиції - А 10м); • А30 - 70,0±0,5% срібла, решта - нікель, а також модифікації: дрібно­ дисперсна композиція АЗОм та композиція АЗОмд, яка передбачає подвійне спікання. Контакт марки КМК-А30 має високу електроерозійну стійкість (в порівнянні зі сріблом) і низький стабільний перехідний опір. Дрібнодис­ персний контактний матеріал з розміром частинок 1 мкм (КМК-АЗОм) має електроерозійну стійкість в 1,5 ... 2 рази вищу ніж матеріал з частин­ ками 10 ... 100 мкм (КМК-А30). Основний недолік контактів марки КМК-А30 - низька стійкість до зварювання. Для збільшення стійкості до зварювання при перевантаженнях та струмах короткого замикання контак­ ти марок КМК-АЗОм використовують в автоматичних відмикачах у парі з контактами КМК-А41 (97±0,5% срібла, решта - графіт). В контакторах як на рухомих, так і на нерухомих контактах донедавна широко застосовувалася металокерамічна композиція марки КМК-А10 (85% срібла та 15% оксиду кадмію), яка має унікальну дугогасну здат­ ність, стабільність контактного опору, а також відносно високу стійкість до ерозії та зварювання. Високі дугогасні властивості цієї композиції зумовлені низькою температурою сублімації CdO, яка становить 700°С і є нижчою за темпе­ ратуру топлення срібла - 960,5°С, внаслідок чого при високих темпера­ турах, зумовлених електричною дугою, з контактів виділяються великі об’єми кисню і парів кадмію, які й забезпечують гасіння дуги. Стабільність контактного опору забезпечується низькою термічною стійкістю CdO, в результаті контактні поверхні виявляються вільними від накопичень оксидів. Нажаль, цей чудовий контактний матеріал є дуже ток­ сичним і входить до переліку матеріалів, не рекомендованих до застосуван­ ня європейською Директивою 2002/95/EU (RoHS directive - Restriction of Hazardous Substances) та низкою вітчизняних нормативних документів. Зок­ рема, Державні санітарні правила та норми ДСанПіН 2.2.7. 029-99 відносять кадмій до речовин 1-го класу небезпеки (надзвичайно небезпечних речовин). Численні дослідження, проведені науковцями у різних країнах, пока­ зали можливість застосування в електричних контактах замість оксиду кадмію оксидів інших металів, серед яких особливу увагу привертає еко­ логічно безпечний оксид олова. Композиції срібла з кількістю оксиду олова (S n02) 8%, 10% та 12% маси в останні роки знаходять все більш широке застосування як контактні матеріали для низьковольтних комутаційних апаратів.

42

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

1.2.4. Дугогасні системи комутаційних апаратів При замиканні та при розмиканні контактів електричного апарата між ними виникає електрична дуга ((electric) arc), якщо існують відпо­ відні умови. Такими умовами є певні рівні напруги джерела живлення (не менші за 20 ... 30 В) та струму у колі (не менше 1 А), у якому здійсню­ ється комутація. Дуга має дуже високу температуру й здатна розтопити частини апарата, яких вона торкається. При замиканні контактів електрична дуга виникає за рахунок авто­ електронної емісії (при зближенні контактів у міжконтактному проміжку збільшується напруженість електричного поля і, коли ця напруженість перевищує електричну міцність проміжку, виникає його електричний пробій, за яким й настає дугова стадія). В електричній дузі замикання, враховуючи її малу довжину, виникає дуже великий тиск (порядку одиниць й навіть десятків атмосфер), що може привести до уповільнення руху контактів до їх замикання. Деяка частка контактного матеріалу електродів під дією дуги розтоплюється, а після замикання контактів і припинення дії дуги, розтоплений матеріал частково розбризкується, а частково твердіє і контакти зварюються. Сила зварювання, тобто сила, яка необхідна для розриву контактів, що зварилися, залежить від бага­ тьох факторів, найсуттєвішими з яких є значення струму дуги замикання, та властивості контактного матеріалу. Дуга, що виникає при розмиканні контактів, є стійкою й сама не згасає, отже для забезпечення її гасіння треба створювати певні умови, застосовуючи спеціальні дугогасні пристрої (arc control devices). Дугогасні пристрої, окрім основного призначення, а саме забезпе­ чення розмикання електричного кола, повинні зменшувати згубну дію електричної дуги (у першу чергу, термічну, бо температура електричної дуги у деяких випадках сягає значень порядку 10 000°С), як стосовно самого апарату, так і стосовно пристроїв, розташованих поблизу цього апарату. Фото, що наведені на рис. 1.12, на якому зафіксована електрична дуга на роз’єднувачі під час аварійної ситуації в розподільному пристрої високовольтної підстанції, дозволяють скласти уявлення про масштаби згубної дії електричної дуги. Але й надмірна потужність дугогасних пристроїв може призвести до не менш згубних наслідків, адже при великій швидкості зменшення струму dz/dt падіння напруги в індуктивності кола L-di/dt може переви­ щити припустиме значення і призвести до пробою ізоляції обладнання. Треба зазначити, що саме наявність електричної дуги не дозволяє струму зменшуватися надмірно швидко і в цьому смислі дуга відіграє певну позитивну роль. Ще одна позитивна риса електричної дуги полягає в тому, що, в деяких умовах, особливо в мережах низької напруги, де захист

43

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

мереж здійснюється швидкодіючими апаратами, час спрацьовування яких вимірюється мілісекундами, дуга, завдяки її електричному опору, може ефективно обмежувати струм короткого замикання, а відтак й обмежувати згубну дію (термічну, електродинамічну) цього струму на обладнання.

Рис. 1.12. Електрична дуга, яка виникла на полюсі роз’єднувача під час аварійної ситуації в розподільному пристрої високовольтної підстанції (а), згодом набуває загрозливих розмірів (б)

Результати експериментальних досліджень дозволяють стверджувати про те, що струм у дузі підтримується завдяки руху електронів від катоду до аноду, а також про існування трьох ділянок електричної дуги - двох приелектродних зон (прикатодної та прианодної), а також стовпа дуги. Приелектродні зони мають незначну протяжність - порядку 10'6 м, але на цій незначній відстані потенціал у залежності від матеріалу конта­ ктних електродів зростає приблизно на 10 ... 15 В (на електродах з міді значення прикатодного падіння С4 становить приблизно 13 В, а на сріб­ них електродах - приблизно 12,5 В й практично не залежить від струму та інших факторів). Наявність прикатодного падіння пояснюють виник­ ненням поблизу катоду об’ємного позитивного заряду внаслідок швидкої евакуації легких електронів з прикатодної області убік аноду та малої рухливості відносно важких позитивно заряджених іонів. Прикатодна зона є визначальною для існування електричної дуги, тому що вона забез­ печує емісію електронів з катоду завдяки великій концентрації енергії. Наприклад, при струмі 100 А, у прикатодній зоні виділяється енергія з потужністю (10 ... 15) В • 100 А = (1,0 ... 1,5) кВт. Така потужність призводить до розігріву катоду до температури, яка є достатньою для забезпечення термоелектронної емісії. Наявність прианодної зони та відповідного падіння напруги t/a пояснюють виникненням об’ємного від’ємного заряду поблизу аноду внаслідок вторинної електронної емісії.

44

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

Стовп дуги становить найбільшу за розмірами частину дуги - дов­ жина стовпа майже дорівнює довжині всієї дуги. Процеси у стовпі харак­ теризуються динамічною рівновагою між процесами іонізації (переважно термічної) і деіонізації (рекомбінації - захоплення електрона позитивним іоном та утворення нейтрального атому). Збільшення струму призводить до збільшення діаметру стовпа дуги, тобто діаметру, у межах якого тече струм. Цей діаметр відповідає температурі приблизно 4000°С. Слід зазначити, що видимий діаметр дуги, який відповідає температурі при­ близно 2000°С, є дещо більшим. Падіння напруги на стовпі Uc залежить від багатьох факторів і, в тому числі, від довжини дуги /а. Розподіл потен­ ціалів вздовж стовпа дуги характеризується майже постійним градієнтом Ес, значення якого залежить від багатьох факторів і, в тому числі, від умов охолодження стовпа. Градієнт стовпа дуги, яка вільно горить в атмосфе­ рному повітрі, за даними різних дослідників становить 10 ... 20 В/см. При підвищенні тиску та при інтенсивному охолодженні дуги градієнт стовпа суттєво збільшується - до 100 ... 200 В/см й більше. Електричні дуги умовно поділяють на довгі та короткі. Довгі дуги мають всі належні компоненти: прикатодну та прианодну зони, стовп дуги. Довгі дуги використовують, наприклад, у контакторах, що працюють у важких режимах комутацій. В цих апаратах дуга забезпечує відносно повільне перетворення енергії, що накопичується перед відмиканням у навантазі індуктивного характеру (електричні двигуни), на теплову енер­ гію, завдяки чому перенапруги, що виникають при відмиканні подібних індуктивних навантаг, не перевищують безпечних для обладнання значень. Короткі дуги (довжиною у декілька міліметрів) складаються лише з приелектродних зон та нерозвиненого стовпа довжиною декілька міліметрів. Коротка дуга не має струмообмежувальних властивостей, бо падіння напруги на такій дузі є набагато меншим за напругу мережі, але якщо використати послідовне з ’єднання багатьох коротких дуг, то таке з ’єднання може бути дуже ефективним засобом обмеження струму коро­ ткого замикання. У будь-якому випадку, для усталеного горіння дуги потрібне певне значення напруги. Наприклад, якщо розтягнути дугу на 15 см, то напруга, яка буде необхідна для її підтримки, складатиметься з суми приелектрод­ них падінь (приблизно 25 В) та падіння у стовпі (20 В/см х 15 см = 300 В), що у підсумку дасть приблизно 320 В. Якщо напруга мережі буде мен­ шою за це значення, то дуга не зможе горіти усталено ;й згасне. Ще один приклад. Для"того, щоб дуга згасла при послідовному з'єднанні коротких дуг, при напрузі мережі U кількість послідовних дуг має перевищувати Ш 25 (якщо прийняти, що сума приелектродних падінь становить приблизно 25 В). Зокрема, при U= 220 В для забезпечення надійного розмикання електрич­ ного кола кількість послідовних дуг має бути більше десяти).

45

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

Підсумовуючи наведені вище дані, можна сформулювати основні правила побудови контактних систем та дугогасних пристроїв, слідуван­ ня яким забезпечує ефективне гасіння електричної дуги: 1) швидке розмикання контактів та подвійне розривання кола у полюсі. що забезпечує розтягування дуги та вихід її з міжконтактного проміжку; 2) створення УМОВ для швидкого переміщення ОПОРНИХ точок дуги по поверхнях контактів, що зменшує термоелектронну емісію, завдяки якій підтримується струм у дузі; 3) інтенсивне охолодження стовпа дуги, що підсилює процеси деіоні­ зації й зменшує кількість електронів у стовпі, підвищує опір дуги та сприяє її згасанню. Вказані правила в електричних апаратах реалізують дугогасні при­ строї різних конструкцій. Мабуть, першими дугогасними пристроями були так звані дугогасні роги (рис. 1.13).
Рис. 1.13. Один з перших відмикачів з дугогасними рогами (Фойт і Гефнер, 1902 p.): 1 - металева рама; 2, 3 - нерухомі ізолятори; 4, 5 - термінали; 6 - нерухомий контакт, з ’єднаний з виводом 4; 7 - рухомий ізолятор; 8 - важіль, що обертається навкруги вісі 0; 9 - контактний ніж; 10 - гнучке контактне з ’єднання; 11 - дугогасні роги. При обертанні важеля за годинниковою стрілкою контакти 9 і 6 розмикаються, між ними виникає електрична дуга, яка під дією електродинамічних сил перекидається на дугогасні роги 11, де розтягується, охолоджується й згасає.

Дугогасні роги як самостійні дугогасні пристрої застосовувалися впродовж майже трьох десятиліть на початку XX століття, і хоча вони дуже широко зустрічаються в сучасних апаратах, але лише у поєднанні з іншими більш ефективними засобами - решітчастими та щілинними дугогасними камерами (arc shute) - як засіб, що організує рух дуги до дугогасної камери. Принцип побудови контактно-дугогасної системи, у якій реалізується спосіб гасіння дуги за допомогою решітчастої камери, ілюструє ескіз (за патентом М.О. Доліво-Добровольського, 1912 p.), показаний на рис. 1.14. Цей спосіб й дотепер широко застосовується в комутаційних апаратах.
Рис. 1.14. Дугогасні решітки в електричних апаратах: а - відмикач М.О. ДолівоДобровольського (1 - рухомий головний контакт; 2 - нерухомі головні контакти; З - рухомий дугогасний контакт; 4 - нерухомі дугогасні контакти; 5 - дугогасні котушки; б - роги; 7 - пластини дугогасної решітки; 8 - короткі дуги); б - решітчаста камера сучасного автоматичного відмикана (9 - газоґенерувальна обойма)

а)

46

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

В сучасних відмикачах для спрямування дуги у камеру, крім дугогас­ них рогів, застосовують також електродинамічні петлі різних конструк­ цій (рис. 1.15), які, завдяки створюваним ними електродинамічним силам , суттєво прискорюють рух дуги, завдяки чому дуга розтягується, охоло­ джується й швидше потрапляє у камеру.

Прискорення руху дуги у камеру може бути здійснено за рахунок електродинамічних сил, якщо у міжконтактному проміжку створити маг­ нітне поле, спрямоване впоперек електричної дуги. Сукупність пристроїв, які створюють магнітне поле, завдяки якому дуга нібито видувається у камеру, називають системами магнітного дуття. Системи магнітного дуття, які застосовують в електричних апаратах (переважно у контакторах), поділяють на системи послідовного, паралель­ ного та незалежного дуття. Магнітне поле з індукцією В в системах послідовного (рис. 1.16-а) та паралельного (рис. 1.16-6) дуття створюється дугогасними котушками відповідно LB1 та LB2, а у системі незалежного дуття (рис. 1.16-в) - постійним магнітом А.

а)

в) б) Рис. 1.16. Електричні схеми систем магнітного дуття: а - послідовне дуття; б - паралельне дуття; в - незалежне дуття

У системі послідовного дуття магнітне поле створюється котушкою LB1, яка включена послідовно з контактами та навантагою, резистивна та
Електродинамічна сила F, що діє на провідник зі струмом, пропорційна добутку довжини І провідника, струму І, що тече у ньому, та індукції В магнітного поля, в якому знахо­ диться провідник зі струмом (закон Ампера).

47

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

індуктивна складові якої мають відповідно опір R та індуктивність L (рис. 1.16-а). Магнітопровід системи магнітного дуття зазвичай є ненасиченим при струмах до робочого значення, при цьому магнітна індукція поля, створюваного дугогасною котушкою, пропорційна струму, тому сила, що діє на дугу, пропорційна квадрату значення струму. При більших значеннях струму магнітопровід системи дуття насичується, магнітна індукція перестає збільшуватися і електродинамічна сила стає пропорцій­ ною значенню струму. Таким чином, система послідовного дуття дуже ефективна в зоні робочого струму та при більших струмах і, навпаки, є вкрай неефективною при малих струмах, тому що при зменшенні струму, наприклад, у 10 разів, сила, що видуває дугу в камеру, зменшується у 100 разів. Системи паралельного та незалежного дуття у порівнянні з системами послідовного дуття більш ефективні при малих струмах, тому що електродинамічна сила у таких системах лишається пропорційною до струму на всьому діапазоні струмів. На рис. 1.17 показані графіки залежності часу ґа горіння електричної дуги у полюсі контактора постійного струму (номінативний струм - 100 А) з послідовною та паралельною системою магнітного дуття. Як бачимо, при відносно великих значеннях струму час горіння дуги майже не зале­ жить від значення струму (при збільшенні струму дуга швидше входить у камеру, але довше згасає), а при струмах, менших за номінативне зна­ чення, час горіння дуги зростає, причому критичне значення струму (при якому час горіння дуги є найбільшим) є набагато меншим за номінативне значення і становить 10 ... 15 А. Найбільш розповсюдженою є система послідовного дуття, конструкція якої зобра­ МС жена на рис. 1.18-а. Дугогасна котушка 1 або 60 50 як її називають інакше - котушка магнітного 40 дуття (blow-out coil) призначена для ство­ ЗО рення магнітного поля, яке організує рух 20 дуги до дугогасної камери. Ця котушка (рис. 10 0 100 І, А 1.18-6) має невелику кількість витків (напри­ Рис. 1.17. Залежність від струму/ клад, у контактора з номінативним струмом часу 4 горіння електричної дуги 250 А дугогасна котушка має чотири витки), у контакторі постійного струму з послідовною (1) та паралельною вона підключена до нерухомого контакту 2, (2) системами магнітного дуття з ’єднаного з дугогасним рогом (на рисунку не показаний), який потрібний не тільки для розтягування дуги, але й для захисту від неї котушки та інших частин апарата. До системи магнітного дуття входить також магнітопровід, який складається з двох феромагнітних пластин 3 та 4, а також феромагнітного сердечника 5, на якому встановлюється дугогасна котушка. Між нерухо­ мим та рухомим 6 контактами при їх розмиканні виникає електрична

48

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

дуга 7, яка може розглядатися як провідник зі струмом /. Струм, що тече через котушку 1, створює в сердечнику 5 магнітний потік, напрям якого показано стрілкою, причому цей потік замикається через зазор між плас­ тинами 3 та 4, створюючи в зазорі між пластинами (у зоні дуги) магнітне поле з індукцією В. В результаті виникає електродинамічна сила F, яка розтягує дугу та виштовхує її у дугогасну камеру.

б)

Рис. 1.18. Конструкція системи послідовного магнітного дуття (а) та дугогасна котушка контактора з номінативним струмом 250 А (б)

В системі послідовного дуття напрям сили не залежить від напряму струму, оскільки при зміні напряму струму змінюється й напрям вектору магнітної індукції, тому системи послідовного дуття можна застосовувати в апаратах як постійного так і змінного струму. Недоліками системи послідовного дуття, окрім низької ефективності при малих струмах, є також досить велика матеріаломісткість, а також втрати енергії у ввімкненому положенні контактора - дугогасна котушка споживає ене­ ргію весь час, коли струм тече через струмопровід контактора, хоча маг­ нітне поле потрібно створювати лише при розмиканні його контактів. Система паралельного дуття, незважаючи на більшу ефективність гасіння малих струмів, зараз майже не застосовується через незручність монтажу таких апаратів (окрім підключення головних контактів треба підключати й дугогасні котушки). Системи незалежного дуття застосо­ вують, коли апарат працює лише при одному напрямі струму (нереверсивно), тому що при зміні напряму струму буде змінюватися й напрям дії електродинамічної сили, отже дуга, замість того, щоб видуватися у камеру, буде потрапляти в апарат, руйнуючи його. Дугогасні камери, що зазвичай застосовуються в контакторах (рис. 1.19-а) називають щілинними. Щілинна камера складається з двох сту­ лок, які виробляють з спеціальних негорючих лугостійких пластмас. Стул­ ки охоплюють міжконтактний проміжок, у якому виникає електрична дуга. Простір між стулками навколо контактів називають порожниною, яка звужується нй периферії камери й переходить у найбільш вузьку час­ тину - щілину. Вид дугогасної камери з боку щілини та з боку порожни­ ни показано на рис. 1.19-6 та рис. 1.19-в відповідно. Оскільки щілина

49

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

камери контактора орієнтована паралельно осі електричної дуги, таку камеру називають камерою з подовжньою щілиною. Щілина камери може бути прямолінійною або зигзагоподібною як у даному випадку.

'б )

в)

г)

Рис. 1.19. Електромагнітний контактор (а) та його дугогасна камера: у зібраному стані - вид з боку щілини (б), вид з боку порожнини (в), в розібраному стані (г)

Процес дугогасіння в камері пов’язаний з охолодженням дуги у щі­ лині. З точки зору гасіння дуги, найбільш ефективними і компактними є камери з зигзагоподібними щілинами. З іншого боку, камери з зигзаго­ подібними щілинами є найменш зносостійкими, тому їх застосовують в апаратах з малою частотою комутацій, до яких не висуваються вимоги щодо великого ресурсу роботи (зносостійкості), і навпаки, до яких вису­ ваються жорсткі вимоги щодо габаритів і маси. Тому в контакторах, які застосовують в електротранспорті, використовують камери, щілини яких мають зигзагоподібну форму. Менш ефективними й компактними, але більш зносостійкими є каме­ ри з прямолінійними щілинами, які, у свою чергу, умовно поділяють на камери з вузькими та широкими подовжніми щілинами. Якщо ширина щілини є меншою за діаметр дуги при робочому струмі, таку щілину вва­ жають вузькою, а якщо ширина щілини є більшою за діаметр, її вважають широкою. Камери з широкими щілинами є найбільш зносостійкими, але й найбільш габаритними, тому їх застосовують у тих галузях, де зносо­ стійкість має першочергове значення, а габарити апарата відступають на другий план. Такою галуззю є металургія (прокатне виробництво), де частота комутацій контакторів сягає 1200 на годину, а розміри прокатних цехів дозволяють розміщувати апарати з відносно великими габаритами. Гасіння електричної дуги постійного та змінного струму здійснюється у принципово різних умовах. У колі постійного струму електрична дуга горить стійко і дугогасні пристрої мають порушити стійкий характер дуги. У колі змінного струму електрична дуга гаситься, власне, кожні півперіоду при переході струму через нуль, а після цього дуга або гасне остато­ чно, або виникає знов і горить, принаймні, впродовж ще одного півперіоду. В електричних апаратах постійного та змінного струму застосовують

50

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

подібні дугогасні системи але, враховуючи особливості гасіння дуги змінного струму, відповідні дугогасні системи мають певні особливості. Призначення дугогасних пристроїв змінного струму полягає в тому, щоб сприяти прискоренню поновлення електричної міцності міжконтактного проміжку після переходу струму через нуль, зокрема за рахунок інтенси­ вного переміщення опорних точок дуги по контактних електродах. При малих струмах (приблизно до 20 А) та резистивній навантазі достатньо одного розриву кола на відстань до 1 мм, щоб дуга не віднов­ лювалася після переходу струму через нуль. Саме такий спосіб застосо­ вується в електричних реле (рис. 1.20-а, б), причому дуже малі за розміра­ ми реле (рис. 1.20-в) здатні здійснити понад 105 комутацій резистивних кіл при струмі 16 А та напрузі 250 В.

Рис. 1.20. Застосування контактних елементів з одним розривом кола у полюсі в реле: а - традиційна конструкція контактного елементу; б - реле у якому застосовано контактні елементи без гнучких з ’єднань (8 А, 250 В, АС); в - мініатюрне реле (16 А, 250 В, АС)

Подвійний розрив кола містковим контактним елементом (див. рис. 1.10-г) при відносно невеликих струмах (приблизно до 40 А) виявляється достатнім для гасіння електричної дуги без будь-яких додаткових дугога­ сних пристроїв навіть при комутації кіл із значною індуктивною складо­ вою навантаги, зокрема кіл з асинхронними двигунами. При комутації струмів понад 40 А лише подвійний розрив не забез­ печує надійного дугогасіння, тому в дугогасних системах застосовують й інші пристрої, наприклад, дугогасні камери та решітки. При цьому роз­ міри дугогасних пристроїв змінного струму є набагато меншими за розмі­ ри таких самих пристроїв, що застосовуються в апаратах постійного стру­ му. На рис. 1.21-а зображено контактор змінного струму на 400 А, 380 В, категорія застосування АС-3 (прямий пуск асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором та його відмикання, коли він обертається) зі знятою камерою, яка у перегорнутому стані розташована поруч з контак­ тором. Конструкція нерухомого контакту даного контактора показана на рис. 1.21-6. Його струмопідвід 1 має С-подібну форму, завдяки чому опор­ ні точки дуги, під дією електродинамічної сили, що виникає в струмопроводі, швидко переміщуються з контактних накладок 2 на виступи 3, які виконують роль дугогасних рогів і спрямовують дугу у решітку, змонто­

51

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

вану безпосередньо в камері (на рис. 1.21-а добре видно, що кожна решіт­ ка складається лише з чотирьох пластин - цього виявляється цілком достатньо, щоб згасити дугу зі струмом 400 А.

с
J
б) Рис. 1.21. Контактор змінного струму з номінативним струмом 400 А: а - загальний вигляд зі знятою камерою; б - конструкція контактного вузла нерухомого контакту (фото та ескіз)

Контактор змінного струму на 400 А для більш важкої категорії застосування - АС-4 (прямий пуск асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором та відмикання його у загальмованому стані), фото якого зображено на рис. 4.34, має набагато більші розміри, причому для гасіння такої дуги необхідно застосовувати ще й магнітне дуття. Принцип гасіння дуги у вакуумі виявляється дуже ефективним для комутаційних апаратів змінного струму завдяки тому, що при переході струму через нуль пари металу, які власне й утворюють вакуумну дугу, внаслідок наявності тиску у дузі, швидко розсіюються з міжконтактного проміжку, електрична міцність якого після цього стрімко зростає, випе­ реджаючи зростання напруги, яка поновлюється на контактах. Відтак, дуга у вакуумі зазвичай згасає при першому ж пере­ ході струму через нуль. Вакуумний переривник (vacuum interrupter), зображений на рис. 1.22, монтується у керамічному кільцеподібному корпусі 7, на торцях якого закріп­ люються два фланці - упорний 2 та прохідний 11. На упорному фланці закріплено стрижень 4 з нерухомим контактом 5 у нижній частині та виводом 1 для при­ єднання зовнішнього кола у верхній частині. Рухомий контакт 6 розташовано у верхній частині рухомого стрижню 10, який проходить через отвір прохідного фланцю 11 й закінчується виводом 15 з гвинтом 16 Рис. 1.22. Вакуумний переривник для приєднання зовнішнього кола. Для забезпечення переміщення рухомого контакту у напрямній втулці 14 без порушення вакууму у порожнині переривника, де тиск становить 10'5 ... 10'7 мм.рт.ст., ’ застосовують металеву гофровану трубку - сильфон 13.

52

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

При розмиканні контактів 5 та 6 між ними з ’являється електрична дуга, яка утворюється завдяки виділенню парів з контактних електродів. При переході струму через нуль температура електродів і, відповідно, при­ плив парів у міжконтактний проміжок зменшується, пари металів, які були до того у міжконтактному проміжку, розсіюються у радіальному напрямі і, оскільки швидкість зростання електричної міцності проміжку є дуже великою (порядку 1 ... 10 кВ/мкс), після переходу струму через нуль дуга знов не виникає. Таким чином, при частоті мережі 50 Гц, час горіння вакуумної дуги не перевищує 10 мс. Для перешкоджання осадженню парів металів на поверхні корпусу при розсіюванні парів у радіальному напрямі при згасанні дуги засто­ совують спеціальний металевий екран 8 й додаткові екрани 3 та 9, розта­ шовані відповідно на упорному та прохідному фланцях. Екран 12 захи­ щає сильфон, перешкоджаючи потраплянню на нього парів металу. Особливістю вакуумних переривників є те, що у вільному стані кон­ такти в них є замкненими, завдяки різниці тиску всередині та ззовні корпусу. Розімкнений стан контактів у вакуумних апаратах забезпечується дією або повертальних пружин, або бістабільних поляризованих актуаторів. Суттєвою перевагою вакуумних апаратів є їх дуже висока комутацій­ на зносостійкість (порядку 10б циклів), яка забезпечується завдяки тому, що енергія у вакуумній дузі набагато менша за енергію дуги у традиційних апаратах, оскільки час горіння вакуумної дуги не перевищує 10 мс, а на­ пруга на дузі сумірна з приелектродними падіннями і становить 10 ... 20 В (в апаратах середньої напруги - до 100 В, що набагато менше падіння на дузі у відповідних апаратах з елегазовими та масляними камерами). Інші переваги вакуумних апаратів пов’язані з відносно малими габаритами цих апаратів, а також з ізолюванням дуги від навколишнього середовища. Недоліками вакуумних апаратів є їх відносно велика вартість, а також неспроможність здійснювати комутацію постійного струму. Суттєвим недоліком вакуумних апаратів є наявність ефекту зрізу струму (круте спадання струму при його підході до нуля), що призводить до виникнення комутаційних перенапруг. Для зменшення значення струму зрізу і, відпо­ відно, комутаційних перенапруг, застосовують спеціальні контактні ма­ теріали (стопи міді з хромом, металокерамічні композиції тощо), пари яких підтримують горіння дуги майже до природного переходу струму через нуль. У деяких випадках для зменшення перенапруг застосовують варисторні обмежувачі імпульсних виплесків, які підключаюті у розподільних пристроях безпосередньо між терміналом вакуумного комутаційного апа­ рата, до якого приєднується фідерний кабель, та терміналом уземлення. Гасіння дуги в середовищі елегазу, яке застосовується в апаратах середніх та високих напруг, а також відповідні дугогасні пристрої будуть розглянуті у підрозділах, присвячених цим апаратам (п. 4.2.1 та п. 4.3.1).

53

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

1.2.5. Термінали електричних апаратів Здатність апарата виконувати покладені на нього функції суттєво залежить від надійності приєднання до нього зовнішніх провідників, тобто від надійності та безпечності терміналів цього апарата. Багатолітній світовий досвід розробки й удосконалення електричних апаратів стосується не тільки їх внутрішньої побудови, а й способів їх примикання. Досвід розробки терміналів електричних апаратів, у певній мірі, має універсальний характер, адже термінали певного типу можуть бути застосовані не тільки в апаратах різного призначення та конструкції, а й в інших електротехнічних пристроях. Нагадаємо (див. п. 1.1.3), що термінал - це поєднання виводу із зати­ скним пристроєм або затискачем. Головна вимога до терміналів - низь­ кий та стабільний контактний опір. Недотримання цієї вимоги призво­ дить до перегрівання апарата в цілому і, як наслідок, до виходу його з ладу, тому для багатьох апаратів стандарти передбачають контроль їх температури при типових випробуваннях. Важливим показником якості терміналів є також міцність приєднання, яку характеризують силою витя­ гання провідників з терміналів. Безліч розроблених за багато років конструкцій терміналів можна поділити на дві категорії - нарізні та безнарізні. Апарати, розраховані на проведення відносно великих струмів (силові апарати) зазвичай мають нарізні термінали (screw-type terminals). Безнарізні термінали (screwlesstype terminals) застосовують, переважно, в з ’єднувальних пристроях (connecting devise), у деяких аксесуарах електропроводок - в патронах електроламп (lampholder), розетках (socket-outlet), побутових вимикачах (switch) тощо, а також для приєднання відокремлюваних відмикачів етичних (plug-in circuit-breaker) та викатних (withdrawable circuit-breaker). НарЬні термінали Гвинтові термінали (screw terminal) (рис. 1.23) забезпечують надійне приєднання зовнішніх провідників тільки за наявності так званих протирозширювальних пристроїв (anti-spread device), які запобігають розпушу­ ванню багатожильних або вислизуванню одножильних провідників при їх приєднанні до апарата. В конструкціях терміналів, зображених на рис. 1.23 та 1.25, для запобігання саморозгвинчуванню, між головкою гвинта та шайбою необ­ хідно встановлювати пружинну шайбу Гровера (Grover washer). Застосу­ вання спеціальних арочних шайб (arched washer) дозволяє уникнути цих додаткових деталей для протирозширювальних пристроїв - їх роль в таких конструкціях виконують вертикальні ізоляційні перегородки між полюсами апарата (рис. 1.24).

54

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

Рис. 1.23. Гвинтові термінали: 1 - виводи апаратів; 2 - гвинти; 3 - шайба; 4 - гнучкі багатожильні провідники; 5 - протирозширювальний пристрій (П-подібна шайба); 6 - затискний пристрій

Рис. 1.24. Гвинтові термінали з арочними шайбами: 1 - вивід; 2 - арочна шайба; 3 - гвинт; 4 - протирозширювальний пристрій (бокові ізоляційні перегородки між полюсами)

До категорії' нарізних відносять також болтові термінали (stud terminal). Болтові термінали (рис. 1.25), як і гвинтові, що приєднують до апаратів круглі провідники, вимагають застосування протирозширювальних пристроїв.

Рис. 1.25. Болтові термінали з приєднаними круглими провідниками: 1 - вивід; 2 - болт; 3 - круглий зовнішній провідник, що приєднується до апарата; 4 - гайка; 5 - протирозширювальні пристрої

Стовпчикові термінали (pillar terminal) широко застосовуються як у різного роду аксесуарах електропроводок (рис. 1.26), так і в потужних комутаційних апаратах, розрахованих на проведеная великих струмів (рис. 1.27)."Затискні пристрої таких терміналів мають отвори різних форм, у які вставляються зовнішні провідники і де вони затискаються під тілом гвинта. Розрізняють стовпчикові термінали з прямим натисненням, де затискна сила прикладається безпосередньо тілом гвинта, та з непря­ мим натисненням, де затискна сила прикладається через проміжну частину (деталь).

55

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

З
4 аксесуарів з прямим (а) та непрямим (б) натисненням на провідники: 1 - стовпчик; 2 - гвинт; 3 - вивід; 4 - провідник; 5 - проміжна деталь Рис. 1.27. Частини потужного стовпчикового терміналу: 1 - вивід; 2 - стовпчик; З - гвинт; 4, 5 - проміжні деталі

Насічка на виводі апарата та проміжних частинах затискного пристрою стовпчикового терміналу (рис. 1.27) забезпечує зменшення контактного опору та робить міцнішим механічне приєднання зовнішніх провідників. Ковпачкові термінали (mantle terminal) доцільно застосовувати у тих випадках, коли до пристрою доводиться часто приєднувати та від’єднувати зовнішні провідники, наприклад у вимірювальних приладах. Ковпачкові термінали (рис. 1.28) складаються з виводів циліндричної форми із зовнішньою різзю та поперечною щілиною на кінцях виводів. У щілини вставляються зовнішні провідники, а на різь виво­ дів нагвинчуються ковпачки різної форми з внут­ рішньою різзю, забезпечуючи притиснення провід­ ників до виводів.
Рис. 1.28. Ковпачкові термінали з ковпачками різної форми

Сідлові термінали (saddle terminal) застосовуються в різних апаратах з відносно великим номінативним струмом. Притиснення зовнішнього провідника до виводу у такому терміналі здійснюється за допомогою сід­ лоподібної перемички двома болтами або двома гвинтами (рис. 1.29). У варіанті затискного пристрою, фото якого наведено на рис. 1.30, два гвинта 1 та 2, які мають вгвинчуватися в отвори з різзю на пласкому виводі (на фото не показаний), притискають верхню перемичку 3 до провідника (на фото не показаний), а через нього - до проміжної переми­ чки 4, а та у свою чергу - до виводу з апарата.

Рис. 1.29. Сідлові термінали з різними засобами притиснення провідника до виводу й сідла: а - гвинтами; б - болтами

56

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Ф ункції та основні частини електричних апаратів

Пелюстковий термінал (lug terminal) - це нарізний термінал, що забезпечує приєднання шин або кабельних наконечників (cable lug) до пласких виводів апарата за допомогою гвинтів або прогоничів з гайками (рис. 1.31). Конструкції деяких апаратів допускають приєднання до одного виводу двох кабельних наконечників (рис. 1.32).

Рис. 1.31. Пелюсткові термінали з приєднанням кабельних наконечників різних конструкцій (а, б) та шини (в)

Рис. 1.32. Варіант приєднання до кожного виводу по два кабельних наконечники

В модульних апаратах побутового застосування застосовують спеці­ альні нарізні термінали подвійного приєднання (рис. 1.33), до яких приєднуються провідники різного поперечного перетину, а також спеціа­ льні гребінчасті монтажні шини з штировими та вилкоподібними виво­ дами. На рис. 1.33-а зображено стовпчиковий затискний пристрій 1 та вивід 2 апарата, об’єднання яких (рис. 1.33-6) утворює термінал подвій­ ного приєднання. До цього терміналу можна приєднати монтажну шину з вилкоподібними виводами 4 у верхню частину терміналу під головку гвинта 3 (рис. І.ЗЗ-в), багатожильний 5 або круглий одножильний прові­ дник з достатньо широким діапазоном поперечного перетину (зазвичай від 1,5 до 35 мм2) - в отвір стовпчикового затискного пристрою (рис. 1.20-г), а також разом шину та круглий провідник (рис. 1.33-д), причому контактне натиснення на шину та провідник створюється одно­ часно затягуванням гвинта 3 викруткою.

Рис. 1.33. Термінал подвійного приєднання для апаратів побутового застосування

Безнарізні т ермінали Ці термінали застосовуються, зокрема, в відмикачах як промислово­ го, так і побутового й аналогічного застосування. В сучасних відмикачах середньої напруги ці термінали мають розеткоподібну конструкцію з цилін­ дричними притискними пружинами (рис. 1.34). Затискні пристрої таких терміналів складаються з декількох десятків пелюстків 1, які, утворюючи

57

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Ф ункції та основні частини електричних апаратів

кругову розетку, стискаються циліндричними пружинами, одна з яких, а саме пружина 2, притискає пелюстки до виводу апарата 3, а пружина 4 притискає їх до штирового контакту, змонтованого на шинопроводі розподільного пристрою, при введенні апарата у робоче положення.

Рис. 1.34. Відмикач середньої напруги (а) та його розетковий термінал (б)

Варіанти конструкцій безнарізних терміналів деяких відмикачів побутового призначення показані на рис. 1.35. Затискні пристрої можуть монтуватися безпосередньо на апараті (рис. 1.35-а, б) для приєднання до оголених мідних шин у розподільному пристрої, або в ізольованій панелі, яка монтується у розподільному пристрої (рис. 1.35-в).

Рис. 1.35. Безнарізні термінали в конструкціях деяких відмикачів побутового й аналогічного застосування

Фото апарата - позиційного перемикача з пласким пристроєм швид­ кого приєднання (flat quick-connect termination) та його складовими гніздовим конектором (female connector) та пласким штировим виводом (flat male tab) показані на рис. 1.36-а. Пласкі штирові виводи застосову­ ються не тільки в комутаційній апаратурі, а й у деяких інших пристроях, зокрема в силових електронних компонентах. Фото діодного моста з пласкими штировими виводами для швидкого з ’єднання з гніздовими конекторами наведено на рис. 1.36-6.

58

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Ф ункції та основні частини електричних апаратів

б)

Рис. 1.36. Позиційний перемикач (а) та силовий діодний міст (б) з пласкими штировими виводами 1 для швидкого з ’єднання з гніздовими конекторами 2

В з’єднувальних пристроях, розрахованих на проведення відносно невеликих струмів, для приєднання до зовнішніх кіл застосовуються термінали під пайку (solder terminal). Такі термінали (рис. 1.37) застосо­ вуються як у штирових (plug), так і у гніздових (socket) контактах з’єдну­ вачів (connector).

Рис. 1.37. Елементи з ’єднувача: 1 - гніздо (гніздовий контакт); 2 - штир (штировий контакт); 3 - термінали під пайку

Приклади безнарізних терміналів, які застосовуються у з’єднувальних пристроях, зображено на рис. 1.38.

Рис. 1.38. Безнарізні термінали: а-тер м ін ал з непрямим натисненням (terminal with indirect pressure) - провідник затискається між виводом та обоймою; б - термінал з прямим натисненням (terminal with direct pressure) - провідник затискається між виводом та пружиною; в - термінал з елементом керування (terminal with actuating element)

В деяких аксесуарах застосовуються спеціальні пристрої (рис. 1.39), які дозволяють приєднувати ізольовані провідники без попередньої зачистки ізоляції - з ’єднувальні пристрої з прошивкою ізоляції або пірсингові з’єднувальні пристрої (insulation piercing connecting device; IPCD).

59

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Ф ункції та основні частини електричних апаратів

Рис. 1.39. З ’єднувальні пристрої з прошивкою ізоляції (пірсингові з ’єднувальні пристрої)

Іноді пірсингові з’єднувальні пристрої застосовуються як термінали деяких аксесуарів, зокрема з ’єднувальних пристроїв в колах керування або допоміжних колах (рис. 1.40-а), а іноді - як окремі з ’єднувачі в голов­ них колах (рис. 1.40-6).

І

Рис. 1.40. Пірсингові з’єднувальні пристрої: а - в колах керування та допоміжних колах; б - в головних колах

Коли апарат чи аксесуар не передбачає багаторазового приєднання зовнішніх провідників, застосовують термінали з так званими самонарізними гвинтами (tapping screw). Самонарізний гвинт - це гвинт, виготов­ лений з матеріалу з більшим опором до деформації, який вводиться обер­ танням в отвір, виконаний в матеріалі з меншим опором до деформації, причому ці гвинти виконують з конічною різзю, тобто зі зменшенням діаметра різі на кінці гвинта. Розрізняють формувальний самонарізний гвинт (thread-forming tapping screw) - гвинт з безперервною різзю (рис. 1.41-а) та різальний самонарізний гвинт (thread-cutting tapping screw) гвинт з різзю, що переривається, який при вгвинчуванні видаляє залиш­ ковий матеріал з отвору (рис. 1.41-6).

ш
Рис. 1.41. Самонарізні гвинти: а - формувальний; б - різальний В б)

60

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АГАРАТІВ 1.2. Ф ункції та основні частини електричних апаратів

1.2.6. А ктуатори комутаційних апаратів Однією з важливих частин комутаційного апарата є його актуатор (actuator). Для апаратів з неелектричним керуванням під актуатором розуміють частину привідної системи (actuating system), ДО якої прикла­ дається сила зовнішнього впливу. Для апаратів з не ручним керуванням під актуатором, точніше - електричним актуатором ((electric) actuator) розуміють пристрій, який створює визначений рух при збудженні елект­ ричним сигналом. Ілюстрації до цих понять наведені на рис. 1.42.

Рис. 1.42. Актуатори апаратів з ручним та не ручним керуванням

Актуатор апарата з неелектричним керуванням може сприймати зовнішній вплив від м ’язової дії оператора (в апаратах з ручним чи иожним керуванням) або від частин машин, що рухаються (в позиційних перемикачах). Ці актуатори можуть мати форму важеля, ручки, кнопки, ролика, стрижня, пружини, поршня тощо. Розрізняють ;іктуатори з оперу­ ванням одним пальцем, двома пальцями, рукою, ногою та двома руками. Актуатори в комутаційних апаратах з електричним керуванням - це зазвичай електромагнітні актуатори, що побудовані на базі електромагні­ тів різних конструкцій. В IEV магніт** (magnet) визначається як пристрій, призначений ство­ рювати зовнішнє магнітне поле, причому розрізняють постійні магніти (permanent magnet), тобто магніти, магнітне поле яких створюється за рахунок власної намагніченості, та електромагніти (electromagnet), тобто магніти, магнітне поле яких створюється, головним чином, електричним струмом. Постійні магніти у вигляді деяких кам’яних порід, здатних притягу­ вати до себе залізні предмети (рис. 1.43), були відомі задовго до нової ери.
Під апаратами з неелектричним керуванням будемо розуміти апарати, які не мають в своєму складі електричних пристроїв, які дозволяють по сигналу ззовні здійснювати операції вмикання та вимикання. ІІроблема перекладу на українську мову терміну «magnet» («магнет» чи «магніт»?) у даному посібнику вирішена на користь форми «магніт» з урахуванням того, що саме ця форма застосовується у чинному термінологічному стандарті з електротехніки —ДСТУ 2843-94).

61

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Ф ункції та основні частини електричних апаратів

Рис. 1.43. Постійний магніт, що притягує до себе залізні кульки. Сила притягання тим більша, чим ближче кулька до верши­ ни полюсу. Між полюсами існує зона нейтраль, сила притягання до якої практично відсутня

На початку XIII століття нової ери, коли в Європі вже застосовувався компас, винайдений у Китаї приблизно за два століття до того, лицар П ’єр де Мерікур, відомий з літописів як Petrus Peregrinas, оприлюднив перше відоме нам дослідження магніту, вказавши на наявність у нього двох полю­ сів, які він назвав південним (S) та північним (N). Він також зазначив, що однойменні полюси двох магнітів відштовхуються один від одного, а різ­ нойменні - притягуються. Полюс магніту (pole o f a magnet) в IEV визна­ чається як одна із складових магніту, від якої або до якої спрямований корисний магнітний потік (magnetic flux). У 1820 р. завдяки дослідженням Зрстеда (Hans Christian 0rsted), Араго (Dominique F ra n c is Arago) та Ампера (Andre-Marie Ampere) було встановлено, що провідники зі струмом мають властивості магніту створюють магнітне поле. Зокрема, було встановлено, що обмотка (coil), тобто сукупність послідовно з ’єднаних витків (turn), зазвичай коаксіаль­ них, створює більш потужне поле, ніж прямолінійний провідник, а соле­ ноїд (solenoid), тобто циліндрична обмотка, довжина якої набагато пере­ вищує її поперечні розміри, всередині якого розміщений залізний стри­ жень, притягує до себе залізні предмети набагато сильніше, ніж соленоїд без залізного стрижня (рис. 1.44-а). Ще через п ’ять років англієць Стерджен (William Sturgeon) створив електромагніт, в якому полюси сталевого сердечника ((magnetic) core), обмотаного мідним дротом, ізо­ льованим від сердечника лаком, були розташовані в одній площині (рис. 1.44-6). Поперек полюсів сердечника в цьому пристрої розташовувалася сталева планка, яку зараз прийнято називати якорем (armature).

Рис. 1.44. Соленоїд зі сталевим сердечником (а), який за наявності струму в обмотці притягує сталеві предмети, та електромагніт Стерджена (б): 1 - обмотка; 2 - сердечник; 3 - якір; 4 - упори; 5 - вага; 6 - джерело живлення, завдяки якому через обмотку тече струм /.

Коли через обмотку пропускали струм, якір утримував вагу порядку 4 кГс, що набагато перевищувало силу відомих тоді постійних магнітів

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Ф ункції та основні частини електричних апаратів

природного походження, а також силу притягання сталевих предметів до соленоїдів без сталевих сердечників. Електромагніт Стерджена став про­ образом багатьох сучасних конструкцій електромагнітів. Сила F, з якою якір притягається до полюсів сердечника, залежить від магніторушійної сили (МРС) обмотки (magnetomotive force; mmf; Fm), яка є добутком струму / та кількості витків w обмотки. При певному зна­ ченні МРС сила F може перевищити силу тяжіння Fg ваги, в результаті чого якір розпочинає рух до полюсів сердечника, причому при зменшенні зазору між якорем та полюсами сердечника сила F зростає. Ефект притягання сталевого якоря до полюсів сталевого сердечника за наявності зовнішнього магнітного поля, створеного обмоткою зі струмом, пояснюється особливостями побудови феромагнітних речовин , які мають так звану доменну структуру. Домени - це мікроскопічні області (з розмі­ рами порядку І О'6 м), які мають однорідну намагніченість. За відсутності зовнішнього магнітного поля напрями векторів намагніченості (magneti­ zation; М) окремих доменів у феромагнітному тілі є хаотичними й сумарна намагніченість цього тіла дорівнює нулю (рис. 1,45-а). Відтак феромагнітні тіла не мають полюсів й не притягуються одне до одного. Якщо ж два феромагнітних тіла помістити у магнітне поле, створене, наприклад, обмотками, вектори намагніченості частини доменів повертаються вздовж напряму магнітного поля, феромагнітні тіла набувають сумарну намагні­ ченість, на їх кінцях утворюються полюси, відтак ці тіла притягуються одне до одного (рис. 1.45-6). При підсиленні зовнішнього магнітного поля вздовж напряму поля повертаються вектори намагніченості більшої кілько­ сті доменів, що збільшує силу притягання F феромагнітних тіл. В дуже сильному зовнішньому магнітному полі вздовж його напряму повертаються
1 Н 1

s

гі/т
,F F‘V

N

S

1

1 1

N

б)

\

Рис. 1.45. Феромагнітні тіла за відсутності зовнішнього магнітного поля (а), у зовнішньому магнітному полі з напруженістю Н (б) та залежність сили притягання від напруженості (в)

Однією з характеристик магнітних властивостей речовини є її магнітна проникність ((abso­ lute) permeability; //), значення якої характеризує магнітну провідність речовини, тобто здат­ ність проводити магнітний потік. Значення // діамагнітних та парамагнітних речовин при­ близно дорівнює магнітній проникності вакууму (магнітній сталій //о = 4 ■л • 10'7 Гн/м), а значення ц феромагнітних речовин у сотні, тисячі й десятки тисяч разів перевищує и 3. <

63

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

вектори намагніченості практично усіх доменів, настає насичення (saturation) й подальше підсилення зовнішнього поля не призводить до збільшення сили притягання феромагнітних тіл (рис. 1.45-в). Феромагнітні матеріали характеризуються нелінійною гістерезисною залежністю (magnetic hysteresis) магнітної індукції (magnetic flux density; В) від напруженості зовнішнього магнітного поля (magnetic field strength; Н ), яка утворює так звані петлі гістерезису ((magnetic) hysteresis loop). Петлі гіс­ терезису (рис. 1.46) можуть бути несиметричними (коли напруженість поля циклічно змінюється від деякого значення Н\ до деякого значення Я>) або симетричними (коли напруженість поля циклічно змінюється в діапазоні від деякого значення - Я 0 до +Я0). Площа петлі гістерезису пропорційна енергії, яка необхідна для здійснення повного циклу перемагнічування (від Я, до Я 2 та знов до Я в несиметричному циклі або від -Я 0 до +Я0 та знов до -Я 0 в симетричному циклі). Симетричні петлі називають частковими, коли зна­ чення Я0 не призводить до ефекту насичення. При цьому при збільшенні Я0 часткові петлі розширюються. Якщо напруженість зовнішнього поля викли­ кає насичення (Я0 = Я 8 то відповідну петлю гістерезису називають гранич­ ), ною - подальше збільшення Я0 не призводить до розширення петлі. Важливими характеристиками граничної петлі гістерезису є магнітна індукція насичення Bs, залишкова індукція Br (remanent (magnetic) flux density), а також коерцитивна сила Я с (coercivity). Точки, які відповіда­ ють вказаним характеристикам, позначені на рис. 1.46-а.

гранична часткові петля петлі а) --------- -

б)

1 в)

Рис. 1.46. Симетричні петлі гістерезису: а - часткові та гранична петлі; б - петля гістерезису магнітом’якого матеріалу; в - петля гістерезису магнітотвердого матеріалу

Феромагнітні матеріали поділяють на магнітом’які (magnetically soft material) та магнітотверді (magnetically hard material). Магнітом’які матері­ али мають дуже вузьку петлю гістерезису (рис. 1.46-6), яку замінюють деякою середньою лінією - кривою намагнічування (magnetizing curve) та дуже велику магнітну проникність на початковій ділянці кривої намагні­ чування. Магнітом’які матеріали застосовують для виготовлення деталей магнітопроводів електромагнітів. Магнітна проникність магнітотвердих матеріалів близька до значення магнітної сталої, вони мають широку петлю гістерезису та велику коерцитивну силу (рис. 1.46-в). Магнітотверді

64

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Ф ункції та основні частини електричних апаратів

матеріали застосовують для виготовлення постійних магнітів. Для магніт­ них кіл з постійними магнітами суттєве значення має лише та частина петлі гістерезису, яка розташована у другому квадранті (спинка петлі). Електромагнітні актуатори призначені для забезпечення виконання операцій вмикання та вимикання електромеханічних комутаційних апаратів. До складу актуатора входить електромагніт, який змінює комутаційний стан апарата, що приводиться у дію актуатором, коли по обмотці елект­ ромагніта тече струм певного рівня, та повертальна пружина, яка змінює комутаційний стан апарата, повертаючи його у вихідне положення, коли обмотка знеструмлюється. Частинами електромагніта є котушка (winding), тобто обмотка з кар­ касом, бандажем, терміналами тощо, а також магнітопровід або магнітне коло (magnetic circuit), яке у свою чергу складається з рухомої частини або якоря та нерухомої частини, до складу якої входить ділянка, що охоплена котушкою - сердечник (core) та ділянка, що не охоплена коту­ шкою - ярмо (yoke). Полюси, що утворюються на повітряних зазорах (air gap), можуть мати феромагнітні полюсні наконечники (pole piece). Сили, з якими рухомі частини притягаються до нерухомих частин електромагнітів під час виконання операцій комутаційних апаратів, мають долати сили контактних та повертальних пружин, сили тертя та інші протидіючі сили. Коректний розрахунок цих сил - це доволі складна задача, яка розв’язується методами математичної фізики. Сучасні комп’ю­ терні пакети дозволяють знаходити чисельні рішення цієї задачі для багатьох реальних конфігурацій електромагнітних актуаторів. Існують також різні наближені формули, які наводяться у багатьох підручниках з електричних апаратів. Ці формули дають можливість отримувати від­ носно точні результати розрахунків для деяких типів актуаторів. У даному посібнику не ставиться задача навчити виконувати розрахунки елементів електричних апаратів (у тому числі й електромагнітних актуаторів), тому серед відомих наближених формул ми наводимо лише одну, що застосо­ вується при розрахунку сил між пласкими магнітними полюсами, коли повітряний зазор між ними набагато менший за розміри поперечних перерізів полюсів: F= 02 2 •//0 •S (1.1)

де F - модуль сили, що діє перпендикулярно поверхні полюсу; Ф - магніт­ ний потік через -полюс; S - площа поперечного перерізу полюсу. При малих зазорах між полюсами магнітне поле у зазорі практично однорідне, магнітний потік може бути представлений як добуток модуля магнітної індукції В у зазорі та площі S, тому формула (1.1) може бути представлена так:

65

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Ф ункції та основні частини електричних апаратів

F=

B2 S

( 1.2)

2-Ао Формула (1.2), що відома разом з (1.1) як формула Максвелла, дає можливість оцінити граничні силові можливості електромагнітного актуатора. Дійсно, магнітна індукція у зазорі, зазвичай, не перевищує значення індукції насичення Bs, яке для більшості магнітом’яких матеріалів стано­ вить приблизно 2 Тл, відтак сила на одиницю площі становитиме: F_ J

: 160 н/см * 16 кгс/см .
2 '^о

(1.3)

В зазорах реальних електромагнітів магнітна індукція значно менша, аніж 2 Тл, тож суттєво меншою є й сила, з якою притягуються полюси. Електромагнітні актуатори можуть живитися від джерела постійного струму або від джерела змінного струму. Електромагнітні актуатори постійного струму, по аналогії з електромагнітними реле (п. 4.1.8), поді­ ляють на неполяризовані, поляризовані, моностабільні та бістабільні. Неполяризованим є актуатор, зміна стану рухомої частини (якоря) якого не залежить від напряму струму в обмотці. Моностабільним є актуатор, який, змінивши стан рухомої частини під дією струму в обмотці, повер­ тає її у попередній стан, коли струм в обмотці зникає. Електромагніт Стерджена можна розглядати як прототип неполяризованих моностабільних актуаторів. Деякі конструкції неполяризованих моностабільних актуаторів постійного струму, які застосовуються у сучасних електричних апаратах, показані на рис. 1.47.

Рис. 1.47. Конструкції сучасних неполяризованих моностабільних актуаторів постійного струму: а - актуатор з одним сердечником та зовнішнім відносно котушки поворотним якорем; б - актуатор з двома сердечниками та зовнішнім якорем прямоходового або поворотного типу; в - електромагніт із заглибленим в отвір котушки якорем (повертальна пружина не показана). 1 - обмотка котушки; 2 - сердечник; 3 - полюсний наконечник; 4 - ярмо або корпус; 5 - якір; 6 - упор; 7 - каркас котушки; 8 - бандаж обмотки; 9 - вісь обертання якоря; 10 - повертальна пружина; 11 - немагнітна гільза; 12 - упорний фланець; 13 - прохідний фланець; 14 —немагнітний шток; 15 - стопорна частина упорного фланця - стоп

Важливою характеристикою неполяризованого електромагніта є ста­ тична тягова характеристика - залежність тягової сили F від зазору 8 між

66

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Ф ункції та основні частини електричних апаратів

полюсами при постійному значенні МРС Fm обмотки. На форму тягової характеристики можна впливати, змінюючи форму опорних поверхонь полюсів. Зокрема в електромагнітах із зовнішнім якорем (рис. 1.47-а та 1.47-6) можна змінювати діаметр d полюсного наконечника. При збіль­ шенні діаметра d тягова сила електромагніта дещо збільшується при від­ носно великих зазорах, але при малих зазорах - зменшується (рис. 1.48-а). Найбільш суттєво впливати на тягову характеристику можна в електро­ магнітах із заглибленим якорем, змінюючи, наприклад кут при вершинах конусів на торцях полюсів (рис. 1.47-в). При цьому можна отримати не тільки монотонні зворотно-залежні характеристики, а й характеристики більш складних форм (рис. 1.48-6).
Рис. 1.48. Статичні тягові характеристики електромагнітів різних конструкцій: а - електромагніта з зовнішнім якорем при різних значеннях діаметра d полюсного наконечника; б - електромагніта з заглибленим якорем та зрізано-конічними торцями полюсів при різних значеннях кута а при вершинах полюсів

б)

Динамічними характеристиками електромагніта постійного струму називають часові залежності певних фізичних величин, що характеризу­ ють його стан. Такими величинами можуть бути струм і обмотки, зазор 8 між полюсами, швидкість v руху якоря тощо. Типові динамічні характеристики наведені на рис. 1.49. Момент часу t = 0 на графіку відповідає моменту подачі напруги на термінали обмотки. До цього моменту електромагніт перебував у положенні спокою (position of r e s t), струм в обмотці дорівнював нулю, якір перебував у початковому положенні (за­ зор між полюсами на рухомій та нерухомій частинах магнітопроводу становив < ) й не % рухався (швидкість v його руху дорівнювала нулю). Після початкового моменту (t = 0) власне й розпочинаються перехідні процеси. Крива 1 — це часова залежність струму в обмотці при загальмованому якорі. Ця крива Рис. 1.49. Динамічні подібна до експоненти й дещо відрізняється характеристики електромагніта постійного струму від неї внаслідок нелінійного характеру маг* В IEV це поняття визначається для контакторів (position o f rest o f contactor).

67

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Ф ункції та основні частини електричних апаратів

нітних кіл із сталевими сердечниками. В будь-якому випадку ця крива має горизонтальну асимптоту, а струм Д в усталеному стані (steady state) визначається за законом Ома: / s = U / R, де R - опір обмотки. При відно­ сно великих зазорах нелінійністю магнітного кола можна знехтувати й вважати індуктивність L обмотки постійною, а дотична, проведена до цієї кривої у початковій точці, буде відсікати на вказаній вище асимптоті відрізок, який дорівнює сталій часу (time constant; г) обмотки г= L / R. Якщо якір електромагніта не загальмований, але до нього прикладена певна протидіюча сила, то деякий проміжок часу після моменту прикла­ дання напруги до обмотки електромагніт буде лишатися у стані спокою, оскільки струм в обмотці на цьому проміжку є недостатнім для того, щоб створити силу, яка б перевищила протидіючу силу. Крива зміни струму на цьому проміжку часу буде повторювати криву 1. У момент t - t , струм в обмотці досягне значення / г, при якому сила притягання полюсів пере­ вищить протидіючу силу, тому якір почне рухатися, зазор 8 почне змен­ шуватися, а індуктивність обмотки - збільшуватися. Проміжок часу від 0 до Ітбудемо називати часом спокою або зрушування, а струм / г - струмом зрушування. Індуктивність обмотки, від значення якої не залежить струм в усталеному режимі, суттєво впливає на струм у перехідному режимі, тож збільшення індуктивності призводить до зменшення струму в обмотці - крива 2 на рис. 1.49, яка відповідає зміні струму в обмотці при незагальмованому якорі, відхиляється від кривої 1 в бік зменшення, при цьому не тільки уповільнюється зростання струму (це спостерігається на почат­ ковій ділянці руху, коли якір рухається з малою швидкістю), а й навіть відбувається зменшення струму (це спостерігається на завершальній ділянці руху, коли якір рухається дуже швидко). Рух якоря, а відтак і збі­ льшення індуктивності припиняється після моменту стикання полюсів електромагніта (t = t0). Після моменту ta струм монотонно зростає до уста­ леного значення / 5 але зі сталою часу, яка відрізняється від г, оскільки , індуктивність обмотки при притягнутому якорі відрізняється від почат­ кового значення. Проміжок часу від t, до ta будемо називати часом руху tm, а проміжок часу від 0 до tQ який складається з часу спокою та часу руху , - часом спрацьовування (operation time) електромагніта. Криві 3 та 4 на рис. 1.49 - це динамічні характеристики зміни зазору 8 між полюсами та швидкості v руху якоря. На інтервалі часу від 0 до tT якір не рухається, отже зазор лишається незмінним й дорівнює < , а шви­ % дкість дорівнює нулю. Після моменту зрушення (t = tr) зазор починає зменшуватися, а швидкість його руху —зростати з певним прискоренням, сягаючи в момент стикання полюсів найбільшого значення (v = vm ax). Після стикання полюсів можливим є відскакування якоря, але цей процес зазвичай буває нетривалим і врешті решт рух якоря припиняється (v = 0).

68

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Ф ункції та основні частини електричних апаратів

Електромагніти змінного струму, які часто застосовуються як актуа­ тори електричних апаратів, за багатьма ознаками відрізняються від елек­ тромагнітів постійного струму. По-перше, електромагніт змінного струму зазвичай має шихтований магнітопровід (laminated (magnetic) core), виготовлений з ізольованих одна від одної пластин з магнітом’якого матеріалу, які укладені в паралельну конфігурацію. Шихтування сердеч­ ника (рис. 1.50-а) суттєво знижує втрати на вихрові струми, нагрівання сердечника, а від нього - й котушки. Пластини магнітопроводу з’єднують за допомогою заклепування, крайні пластини є більш товстими, ніж середні, а заклепки розташовують вздовж силових ліній магнітного поля (рис. 1.50-6), щоб в короткозамкнених витках, які утворюють заклепки та крайні пластини, не виникали вихрові струми, й додаткове нагрівання магнітопроводу. По-друге, котушки електромагнітів змінного струму зазвичай є від­ носно короткими в осьовому напрямі та мають ізоляційний каркас, отвір в якому перевищує розміри поперечного перерізу сердечника, для того щоб зменшити теплопередачу від сердечника, який нагрівається за рахунок вихрових струмів та безперервного перемагнічування. На відміну від них, котушки електромагнітів постійного струму зазвичай є відносно довгими в осьовому напрямі, не мають ізоляційного каркасу, а іноді намотуються на ізоляційну основу, що обгортає циліндричний суцільний сердечник. По-третє, в конструкціях електромагнітів змінного струму обов’язково застосовують короткозамкнені витки, які частково охоплюють один з про­ тилежних полюсів (рис. 1.50-в), оскільки без таких витків будуть спосте­ рігатися значні пульсації тягових сил при замкненому магнітопроводі.

Рис. 1.50. Характерні особливості електромагніта змінного струму: а - наявність зазору між котушкою та шихтованим сердечником з потовщеними крайніми пластинами; б - розташування заклепок, що з’єднують пластини магнітопроводу, вздовж силової лінії магнітного поля; в - короткозамкнені витки (shading ring), що охоплюють частини полюсів Шихтовані магнітопроводи застосовують також і в електромагнітах постійного струму, але не для зменшення втрат, оскільки в усталеному режимі магнітний потік в їх магнітопроводах не змінюється, а відтак не виникають й вихрові струми. Втім, вихрові стру­ ми в магнітопроводі електромагніта постійного струму виникають при його спрацьову­ ванні, коли потік зростає, й уповільнюють його зростання. Шихтування магнітопроводів зменшує вихрові струми в перехідних режимах й підвищує швидкодію електромагнітів постійного струму.

69

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Ф ункції та основні частини електричних апаратів

Якщо в конструкції електромагніта не передбачені короткозамкнені витки (shading ring), що частково охоплюють протилежні полюси (рис. 1.50-6), то магнітний потік Ф змінюється за законом, близьким до синусо­ їдального з частотою мережі (рис. 1.51-а). Тому, коли потік проходить через нуль, сила притягання полюсів згідно з (1.1) також зменшується до нуля. Коли ж потік сягає амплітудного значення (неважливо - додатного чи від’ємного) полюси притягуються один до одного з максимальною си­ лою, а потім сила притягання знов спадає до нуля. Відтак, сила притяган­ ня полюсів є змінною, має постійну складову (steady component) та змін­ ну складову (variable component) з амплітудою А, яка дорівнює постійній складовій й змінюється з подвійною частотою мережі (2 ■ від нуля до J) подвоєного значення постійної складової (2 • F ). І
Ф

,Фя\

ІЩ. ФS
Фп Фп

б) Рис. 1.51. Магнітні потоки та тягові сили в електромагніті змінного струму: а - магнітні потоки та тягові сили в електромагніті без короткозамкнених витків; б - магнітні потоки в зазорі між полюсами за наявності короткозамкнених витків; в - векторна діаграма магнітних потоків в зазорі з короткозамкненим витком; г - сили притягання полюсів, частково охоплених короткозамкненими витками

Дія короткозамкненого витка може бути пояснена так. Магнітний потік Ф, що тече через сердечник, за відсутності короткозамкненого витка в зазорі між полюсами поділяється на два потоки - Ф0 1 (через не охоплену короткозамкненим витком частину полюсу) та Ф02 (через охоплену корот­ козамкненим витком частину полюсу). З цими потоками взаємодіє потік Ф5, створений струмом, що виникає в короткозамкненому витку внаслідок електромагнітної індукції - цей потік додається до потоку Фю та відніма­ ється від потоку Ф0| (рис. 1.51-6). Слід зазначити, що мова йде про геоме­ тричне додавання та віднімання, оскільки потік Ф5 на 90° відстає від потоку Ф02 * В результаті, за наявності короткозамкненого витка, утво­ рюються магнітні потоки Ф\ та Ф2, які зсунуті один відносно одного на кут і//(рис. 1.51-в). Оскільки сила притягання полюсів створюється як частинами, що охоплені короткозамкненим витком, так і частинами, що ним не охопле70

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Ф ункції та основні частини електричних апаратів

ні, то сумарна сила ніколи не спадає до нуля, тому що коли потік Ф\ про­ ходить через нуль й до нуля спадає відповідна сила, потік Ф2 є відмінним від нуля й створює певну силу, а коли потік Ф2 проходить через нуль, відмінним від нуля є потік Ф\ (рис. 1.51-г). За наявності короткозамкненого витка сумарна сила притягання полюсів також скла­ дається з постійної та змінної складових, але якщо постійна складова сумарної сили F може бути розрахована як арифметична сума постійних складових сил F \- та F 2_, створених відповідно потоками Ф\ та Ф2, то амплітуда А змінної складової сумарної сили може бути розрахо­ вана як геометрична сума амплітуд А\ та А2 сил, створених відповідно потоками Ф\ та Ф2. Вектори, які відповідають згаданим амплітудам А\ та Л2 зсунуті на кут 2 - у/, а не на кут у/ (кут зсуву фаз потоків), оскільки сила змінюється з подвійною частотою мережі, за якою змінюються й потоки. Відтак амплітуда сумарної сили може бути розрахована як діагональ паралелограма, сторони якого дорівнюють А\ та А 2, а кут між цими сторонами дорівнює 2 • у/: (1.4) З (1.4) видно, що при А і = А2 та у/ = 90° виходить А = 0, тобто сумар­ на сила взагалі не буде пульсувати. Але практично досягти, щоб кут між потоками Ф, та Ф2 дорівнював 90° неможливо. Вказаний кут може бути знайдений з виразу tg у/= со-Л2І Rc , (1.5) де а>= 2 -п - f - кругова частота мережі; Л2 - магнітна провідність зазору між полюсами в частині, охопленій короткозамкненим витком; Rc - опір короткозамкненого витка. Як бачимо, кут 90° може бути досягнутий, коли Л2 —* оо, або Rc = 0, що практично неможливо, оскільки
А2 —Мо ' ^ 2 ! 82 1 ( 1.6)

а Rc = p - l / S ,

(1.7)

де S2 - площа поперечного перетину зазору між полюсами в частині, охо­ пленій короткозамкненим витком; д2 —відстань між полюсами в цьому зазорі; р - питомий опір матеріалу короткозамкненого витка; І - довжина витка; S - площа поперечного перетину витка. Для збільшення реального значення кута у , який зазвичай лежить / в межах від 50° до 70°, необхідно виготовляти цей виток з міді (малий питомий опір), максимально (наскільки це можливо) збільшувати попе­ речний перетин витка та зменшувати зазор д2 за допомогою, наприклад, шліфування опорних поверхонь полюсів. 71

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Ф ункції та основні частини електричних апаратів

Як бачимо з рис. 1.51-г, за наявності короткозамкненого витка, сила притягання полюсів коливається в діапазоні від F m до F m і якір елект­ jn ax ромагніта міцно утримується на протилежному полюсі, якщо протидіюча сила не перевищує Fmin. Струм в обмотці електромагніта змінного струму суттєво залежить від зазору 8 між полюсами, оскільки від зазору 8 залежить значення інду­ ктивності L обмотки (рис. 1.52). Струм / 0 при початковому зазорі ^ м о ж е у 10 ... 20 разів перевищувати струм If при кінцевому зазорі 8у. Приблизно у стільки ж разів індуктивність обмотки при кінцевому зазорі перевищує індуктивність при початковому зазорі. Шліфування опорних поверхонь полюсів, крім зменшення пульсацій сили, одночасно збільшує індуктив­ ність й зменшує струм обмотки, а відтак, її нагрівання. Слід мати на увазі, що забруднення опорних повер­ хонь полюсів призводить до зворотного ефекту /о й обмотка може надмірно перегрітися.

Рис. 1.52. Залежність індуктивності обмотки електромагніта змінного струму та струму в ній від зазору S

^

^

g

Форма динамічної характеристики струму електромагніта змінного струму залежить не тільки від параметрів електромагніта, прикладеної напруги й характеристики протидіючих сил (як у випадку електромагніта постійного струму), а й від фази напруги у момент прикладання напруги до обмотки. Декілька поспіль визначених динамічних характеристик майже ніколи не співпадають, але характерним є те, що впродовж перших 10 мс має місце додатний чи від’ємний кидок струму, а через 20 ... 30 мс коли­ вання струму набувають усталеного характеру. Початковий кидок струму сприяє зменшенню часу зрушення, а також збільшенню швидкості під час руху. За однакових умов щодо протидіючих сил, електромагніт змінного струму, здатний подолати цю протидію, спрацьовує набагато швидше, ніж електромагніт постійного струму, здатний подолати ту ж протидію. Дина­ мічна характеристика струму електромагніта змінного струму (рис. 1.53) може не мати характерних зломів монотонності (як при постійному струмі), відтак за цією характеристикою важко визначити час спрацьовування.

Рис. 1.53. Можливий вигляд динамічної характеристики струму електромагніта змінного струму

72

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Ф ункції та основні частини електричних апаратів

В котушках електромагнітів постійного та змінного струму застосо­ вуються різні обмоткові проводи: в електромагнітах постійного струму з тонкою, одинарною, а в електромагнітах змінного струму - з подвійною ізоляцією. Чим тонше ізоляція, тим вище вірогідність утворення короткозамкнених витків в обмотці. В обмотках електромагнітів постійного струму наявність декількох короткозамкнених витків виявляється прак­ тично непомітною, адже обмотки цих електромагнітів зазвичай містять декілька тисяч витків. Наприклад, якщо в обмотці, яка містить 10000 витків, 50 (!) витків виявляться закороченими, то це призведе до зменшення опо­ ру котушки на 0,5% й приблизно на 1% підвищить температуру її нагрі­ вання. Незначно зміниться при цьому час спрацьовування й повернення. Якщо ж в обмотці електромагніта змінного струму виявиться хоча б один короткозамкнений виток, то наслідком цього може бути швидкий вихід з ладу (пошкодження) усієї обмотки. Причини пошкодження обмотки пояснює схема, наведена на рис. 1.54. Якщо обмотка, до якої прикладена напруга U складається з w витків, то напруга, яка припадає на один виток становить U\ = U / w. В кожному витку, внаслідок електромагнітної індукції, виникає зустрічна ЕРС, яка для електромагнітів з притягнутим якорем становить Е\ =(0,8 ... 0,9) ■U\. Відтак, значення струму / може бути оцінено за допомогою виразу: I = \H i-K i\/R i ~ ( U i - E ]) / R l *(0,1...0,2) - Ul / R l , (1-8)

де /?і —опір витка. Напруга, прикладена до короткозамкненого витка Uc\ дорівнює нулю, тому струм / сі в ньому визначається зустрічною ЕРС: / с, = E l / R l »(0,8... 0,9) •£/| / Л, (1-9) Більш коректні розрахунки свідчать, що струм в короткозамкненому витку в 6 ... 8 разів перевищує струм в непошкоджених витках, а потуж­ ність втрат - в 40 ... 60 разів. При таких значеннях потужності коротко­ замкнений виток швидко перегрівається, нагріваючи й порушуючи ізоляцію сусідніх витків, внаслідок чого утворюються нові короткозамкнені витки й процес руйнування обмотки стає лавиноподібним. Застосування обмоткових проводів з подвійною ізоляцією, а також просочення обмоток лаками та / або покриття компаундами запобігають утворенню коротко­ замкнених витків й суттєво подовжують довговічність обмоток.

73

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

Порівняння електромагнітів постійного та змінного струму показує, що при однакових розмірах та температурі нагрівання обмотка електромагніта змінного струму має набагато менші розміри, а електромагніт - менший час спрацьовування. Наприклад, контактор КТ 6033 (рис. 4.34) випускається в модифікації КТП 6033, яка відрізняється лише тим, що в цій модифікації застосовано електричний актуатор з електромагнітом постійного струму. Маса обмоткової міді в електромагніті контактора КТ 6033 складає при­ близно 0,6 кг, а в електромагніті КТП 6033 - 2,3 кг. Час замикання головних контактів (після підведення напруги до терміналів обмотки електромагніта) у контактора КТ 6033 складає приблизно 35 ... 50 мс, а у контактора КТП 6033 - 250 мс. Наведені дані свідчать про суттєві переваги електромагнітів змінного струму як актуаторів електричних апаратів. Разом з тим, електро­ магніти постійного струму більш прості у виготовленні (не потребують штампування, склепування, шліфування опорних поверхонь полюсів, вста­ новлення короткозамкнених витків, застосування каркасів котушок, від­ далених від сердечників тощо). Електромагніти постійного струму не виходять з ладу при забрудненні поверхонь полюсів та виникненні корот­ козамкнених витків в обмотках, мають набагато менше деталей (магніто­ провід суцільний, а не шихтований), тому вони є більш надійними, ніж еле­ ктромагніти змінного струму, а також мають більшу механічну зносостій­ кість. Враховуючи недоліки та позитивні якості обох типів електромагнітів, кожний з них знаходить свої ніші застосування в електричних апаратах. Електромагніти постійного струму з форсованим керуванням у певній мірі поєднують переваги електромагнітів постійного та змінного струму. Принцип форсованого керування враховує особливості статичної тягової характеристики електромагніта постійного струму - мала сила при початко­ вому зазорі 4 та при МРС Fm\, яка відповідає тепловому струму /th, тобто струму, при якому обмотка нагрівається до допустимої температури, та дуже велика сила при притягнутому якорі навіть при МРС Fm\ (крива 1 на рис. 1.55). Відтак, якщо протидіюча сила (counter force) Fc при зазорі 4 виявляється більшою за силу F u яку розвиває електромагніт при цьому зазорі та МРС Fm\, якір електромагніта виявляється не здатним зрушити з місця. Якщо ж через обмотку про­ пустити струм, який створить МРС Fm > Fmh (крива 2 2 на рис. 1.55), якір зрушить з місця, оскільки тягова сила F2 перевищить протидіючу силу Fc. При трива­ лому проходженні вказаного струму через обмотку, вона перегріється й може вийти з ладу, але, якщо у момент, коли зазор зменшиться до значення 4 , яки­ мось чином зменшити струм до рівня, що відповідає Рис. 1.55. До пояснення МРС Fmі, то рух якоря не припиниться, якір дійде до принципу форсованого керування кінцевого положення й буде надійно утримуватися 74

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

у такому положенні, а обмотка не перегріється, ОСКІЛЬКИ струм не перевищує значення /(hНайпростішою системою форсованого керу­ вання є відома вже понад 100 років система, яка реалізується за допомогою схеми, зображеної на рис. 1.56-а. При замиканні контакту зовнішнього перемикача керування S до обмотки Y буде при­ кладена повна напруга джерела живлення G, оскі­ льки внутрішній контакт керування, механічно зв’язаний з рухомою частиною електромагніта, є нормально замкненим. Обмотка електромагні­ та розрахована так, що струм в цьому режимі є достатнім для спрацьовування електромагніта, Рис. 1.56. Схема системи але він зазвичай набагато перевищує значення форсованого керування з додатковим резистором (а) теплового струму / (ь- При спрацьовуванні елект­ та контактор (б), в якому ромагніта внутрішній контакт керування розми­ застосовується ця система кається й послідовно до обмотки приєднується резистор, опір якого обмежує струм в обмотці до значення, меншого за /*. При такому струмі обмотка не перегрівається, працюючи безперервно. Недоліком форсованої системи з додатковим резистором є значні втрати енергії (power dissipation ) в додатковому резисторі, які суттєво перевищують втрати енергії в обмотці електромагніта. Застосування систем форсованого керування з пусковими та утримуючими обмотками (рис. 1.57) дозволяють уникнути цього недоліку. Принцип дії цих схем побудований на тому факті, що МРС Fmбудь-якої обмотки напруги (shunt coil) електромагніта постійного струму не залежить від кількості її витків, а визначається за таким виразом: US ( 1 . 10 ) РІ де U - напруга, прикладена до обмотки; S - площа поперечного перетину обмоткового проводу; р - питомий опір матеріалу обмоткового проводу; / - довжина середнього витка обмотки. Пускові обмотки (booster coil) виготовлені з відносно товстого обмот­ кового проводу й зазвичай мають невелику кількість витків. В них виділя­ ється дуже велика потужність, тому вони не можуть бути підключені до джерела живлення впродовж тривалого часу. Утримуючі обмотки (hold in coil) навпаки виготовлені з відносно тонкого обмоткового проводу й зазви­ чай мають велику кількість витків. Ці обмотки мають бути розраховані так, щоб тривало працювати при тепловому струмі /th. Обидві обмотки розміщу­ ють в одній котушці й намотуються одна на одну.

В IEV поняття втрат енергії сформульовано для вставок запобіжників.

75

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Ф ункції та основні частини електричних апаратів

При замиканні контакту перемикача керування S (рис. 1.57-а) до пускової обмотки В котушки Y буде прикладена повна напруга джерела живлення G, оскільки внутрішній контакт керування, механічно зв’язаний з рухомою частиною електромагніта, є нормально замкненим. При спрацьо­ вуванні електромагніта внутрішній контакт керування розмикається й до пускової обмотки послідовно приєднується утримуюча обмотка Н або пускова обмотка просто відмикається (рис. 1.57-6). В цих системах відсутні додаткові резистори, відтак відсутні й додаткові втрати енергії в них.
Рис. 1.57. Схеми систем форсованого керування з пусковими та утримуючими обмотками

Застосування форсованих електромагнітних систем забезпечує не тільки зменшення розмірів електромагнітів, але й прискорює спрацьову­ вання апарата, в якому цей електромагніт використовується як актуатор. Загальним недоліком розглянутих вище систем форсованого керування є наявність контактного комутаційного елементу, який комутує значні стру­ ми індуктивної навантаги, що призводить до швидкого зносу контактів й знижує надійність системи в цілому. В деяких сучасних електричних апаратах застосовуються форсовані електромагнітні системи з силовими напівпровідниковими ключами замість контактів та мікропроцесорним керуванням цими ключами за допомогою широтно-імпульсної модуляції. Ефективність захисту електроустановок від струмів короткого зами­ кання, насамперед, залежить від швидкодії апаратів захисту. Індукційнодинамічні актуатори (рис. 1.58) дозволяють отримати час спрацьовування, який вимірюється одиницями та частками мілісекунди, що забезпечує високий рівень обмеження апаратом захисту струму короткого замикання.

Рис. 1.58. Індукційнодинамічний актуатор (Thomson drive) в апараті захисту

Індукційно-динамічний актуатор, як випливає з його назви, працює у перехідному, динамічному режимі. Пристрій керування, який склада­

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Ф ункції та основні частини електричних апаратів

ється з накопичувального конденсатора С, який попередньо заряджають до напруги Uco, напівпровідникового ключа - тиристора VS та діода VD, підключається до обмотки 1, яку намотують, зазвичай, стрічковим про­ водом й захищають ізоляційним каркасом 2 та ізоляційною кришкою 3. Якщо до електроду керування тиристора VS підвести імпульс струму, тиристор відкриється і конденсатор С почне розряджатися на обмотку, у якій почне зростати струм /(. Цей струм створює змінне магнітне поле, яке пронизує струмопровідний диск 4. У диску виникає електрорушійна сила і, як наслідок, струм і2. В результаті взаємодії струму і2 зі струмом і\, виникає сила F, що відштовхує диск від нерухомої частини індукційнодинамічного актуатора. На диску зазвичай закріплюється шток 5, який при переміщенні диску розмикає контакти апарата захисту (зображена на рисунку контактна система - місткова, вона складається з двох нерухомих контактів 6, рухомого контактного містка 7, на який діє шток, та контактної пружини 8, яка забезпечує контактне натиснення). Після розрядження кон­ денсатора С струм в обмотці зменшується до нуля, тиристор VS закрива­ ється й диск опускається у початкове положення. Для того, щоб контакти лишалися розімкненими, апарат захисту повинен мати спеціальні механі­ зми - защіпки 9, які при виконанні наступної операції вмикання мають вивільнятися додатковим актуатором (можливо, електромагнітним). Розглянуті вище електромагнітні актуатори відносяться до категорій неполяризованих й моностабільних. Якщо пропустити достатній струм (неважливо, якого напряму) через обмотку електромагнітного актуатора, якір електромагніта притягується до сердечника. Якщо при цьому магнітопровід або окрема його частина, наприклад сердечник, виготовлені з феромагнітного матеріалу з широ­ кою петлею гістерезису, то після знеструмлення обмотки якір лишається у притягнутому стані - актуатор набуває другого стану спокою (другого стабільного стану). Такі актуатори називають бістабільними. Для повер­ нення якоря у початкове положення спокою через обмотку необхідно пропустити імпульс струму з напрямом, протилежним тому напряму, при якому відбулося притягання якоря до сердечника. Поляризовані актуатори, які раніше застосовувалися лише в поляри­ зованих реле, тобто реле, зміна стану яких залежить від полярності живильної величини, після винайдення у 70-х роках минулого століття висококоерцитивних постійних магнітів на базі рідкоземельних металоке­ рамічних композицій, знайшли застосування в більш потужних апаратах. Поляризований бістабільний актуатор, фото якого наведено на рис. 1.59-а, застосовується у вакуумних відмикачах середньої напруги. За відсутності струму в обмотках якір надійно утримується в одному з двох стабільних положень, наприклад, у верхньому (рис. 1.59-6), оскільки при цьому маг­ нітний потік Ф\ набагато перевищує потік Ф2. Якщо ж пропустити через 77

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

нижню обмотку струм певного напряму, виникне потік Ф3, який буде додаватися до потоку Ф2 й відніматися від потоку Ф\ (рис. 1.59-в). При достатньому значенні струму в нижній обмотці якір зрушить з місця й займе друге стабільне положення, в якому буде надійно утримуватися й після знеструмлення обмотки. Для повернення якоря у попереднє ста­ більне положення необхідно через верхню обмотку пропустити струм відповідного напряму й значення.

б)

В)

Рис. 1.59. Електромагнітний поляризований бістабільний актуатор (а) та схеми магнітних потоків - при знеструмлених обмотках (б) та при заживленій нижній обмотці (в)

Сучасні бістабільні поляризовані актуатори забезпечують значні сили утримання якоря при знеструмлених обмотках - до декількох тисяч Ньютон. Крім електромагнітних актуаторів в електричних апаратах застосо­ вують й інші різновиди актуаторів. Зокрема, у відмикачах середньої та високої напруги застосовують пружинно-моторні актуатори. На рис. 1.60 зображена кінематична схема пружинно-моторного актуатора одного з відмикачів високої напруги.

в) Рис. 1.60. Пружинно-моторний актуатор відмикача високої напруги: а - контакти апарата замкнені, обидві пружини зведені; б - контакти апарата розімкнулися внаслідок спрацьовування соленоїда вимикання та вивільнення пружини вимикання; в - контакти апарата замкнулися внаслідок спрацьовування соленоїда вмикання та вивільнення пружини вмикання

78

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

До складу пружинно-моторних актуаторів зазвичай входять дві потужні пружини (вмикання та вимикання), зведення яких здійснюються електродвигунами через спеціальні кулачкові та храпові механізми, а утри­ мання у зведеному стані - за допомогою защіпок. Вивільнення пружин та зміна комутаційного стану головних контактів апарата здійснюється висмикуванням защіпок, що здійснюють спеціальні актуатори - соленоїди. На залізничному транспорті застосовуються комутаційні апарати контактори з пневматичними актуаторами (pneumatic actuator). Пневма­ тичні актуатори приводяться в дію пневматичними вентилями з механічним (ручним) приводом, або електропневматичними вентилями - пневматич­ ними вентилями з власними електромагнітними актуаторами. В актуаторах двосторонньої дії переміщення рухомої частини (поршня) з одного крайнього положення в інше здійснюється подачею стисненого повітря. В актуаторах односторонньої дії переміщення рухомої частини в одне крайнє положення здійснюється стисненим повітрям, а у протилежне (положення спокою) - пружиною. Актуатор двосторонньої дії не має положень спо­ кою, у крайніх положеннях утримується стисненим повітрям. Актуатор, зображений на рис. 1.61, допускає встановлення повертальних пружин, переналагоджується з односторонньої дії на двосторонню й навпаки.
Рис. 1.61. Пневматичний актуатор: 1 - привідний вал; 2 - опорний фланець; З - сальник; 4 - монтажний отвір; 5 - корпус; 6 - поршень, розташований в циліндричній порожнині корпусу, з ущільнювальною манжетою; 7 - канал для подачі/випуску повітря з лівої частини порожнини корпусу; 8 - отвір для подачі / випуску повітря в ліву частину порожнини корпусу; 9 - отвір для подачі / випуску повітря в праву частину порожнини корпусу; 10 - живильний фланець, через який подається стиснене повітря

місця встановлення повертальних пружин

Якщо пневматичний актуатор, зображений на рис. 1.61, застосову­ ється як актуатор двосторонньої дії, повертальні пружини не встановлю­ ються, а до отворів 8 та 9 приєднуються шланги, за допомогою яких через електропневматичні вентилі подається або випускається стиснене повітря. Коли треба перемістити поршень у праве крайнє положення, до отвору 8 подається стиснене повітря, яке через канал 7 потрапляє у ліву частину порожнини, а отвір 9 за допомогою відповідного вентиля переводиться у режим випуску повітря. Для переміщення поршня в крайнє ліве поло­ ження, стиснене повітря через відповідний вентиль подається до отвору 9, а отвір 8 за допомогою іншого вентиля переводиться у режим випуску, завдяки чому стиснене повітря, яке до того було в лівій частині порож­ нини, через канал 7 виходить в атмосферу. 79

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

Якщо ж пневматичний актуатор, зображений на рис. 1.61, застосову­ ється як актуатор односторонньої дії з положенням спокою біля опорного (лівого) фланцю, у праву частину порожнини між поршнем та фланцем треба вставити пружину стиснення, яка за відсутності дії стисненого по­ вітря притисне поршень до лівого фланця. До отвору 8 треба приєднати шланг, за допомогою якого через електропневматичний вентиль подається або випускається стиснене повітря, а до отвору 9 нічого не приєднувати. Для переміщення поршня в крайнє праве положення, через електропнев­ матичний вентиль до отвору 8 треба подати стиснене повітря, яке через канал 7 потрапляє в ліву частину порожнини, завдяки чому поршень спрямовується до правого фланця. Припинення подачі стисненого повітря й переведення отвору 8 за допомогою електропневматичного вентиля у режим випуску призводить до переміщення поршня до лівого фланця за допомогою повертальної пружини. У випадку, коли положення спокою має бути біля живильного (пра­ вого) фланцю, пружину стиснення треба вставити у частину порожнини між поршнем та лівим фланцем, шланг, за допомогою якого через елект­ ропневматичний вентиль подається або випускається стиснене повітря, треба приєднати до отвору 9, а до отвору 8 нічого не приєднувати. В ін­ шому порядок роботи актуатора аналогічний розглянутому вище. 1.2.7. Узагальнена структура полюсу комутаційного апарата Наведені вище відомості про електричні апарати та їх частини дають можливість зобразити узагальнену структурну схему полюсу комутацій­ ного апарата (рис. 1.62-а). Оскільки ця схема є узагальненою, то до струк­ тури окремих різновидів апаратів можуть не входити деякі її елементи. З іншого боку, враховуючи величезне розмаїття різновидів електричних апаратів, деякі їх елементи не потрапили до цієї схеми - на ній зображені лише основні, найбільш суттєві елементи, що є характерними для основних різновидів комутаційних електричних апаратів. Електричні зв’язки між елементами на схемі зображені суцільними лініями, механічні зв’язки контурними стрілками. Елементи головного кола апарата, до якого входять термінали (Т), головний контакт (ГК) та провідники, що з ’єднують частини головного контакту з терміналами, зображено на рисунку жирними червоними суцільними лініями. Інші складові струмопровідної системи (С) апарата, яка окреслена чорною штриховою лінією, зображені червоними суціль­ ними лініями меншої товщини. Деякі елементи дугогасної системи (ДС) можуть взагалі не входити до струмопровідної системи, деякі елементи можуть входити до головного кола лише на певних етапах роботи апарата, а деякі елементи ДС можуть становити неодмінну частину головного кола. 80

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Ф ункції та основні частини електричних апаратів

До складу апарата може входити вимірювальний пристрій (В), який контролює процеси у головному колі і у разі виявлення ненормального стану у ньому, впливає на проміжний елемент привідної системи (П), який сприяє розмиканню головних контактів. У деяких апаратах вимірю­ вальний пристрій у разі виникнення потужних коротких замикань може безпосередньо впливати на ГК, пришвидшуючи їх розмикання. Замикання та розмикання ГК може забезпечувати актуатор (А) апарата, який зазвичай впливає на ГК не безпосередньо, а через певні елементи привідної системи. З привідною системою пов’язані також допоміжні контакти (ДК). До складу деяких апаратів можуть входити пристрої обмеження перенапруг (О) з відповідним терміналом для приєднання уземлювального провідника. Якщо корпус апарата (на рис. 1.62-а - прямокутник, який охоплює інші елементи структури) є металевим, на ньому має бути вста­ новлений термінал для приєднання уземлювального провідника. Елект­ ричне коло обмеження перенапруг та відповідний термінал зображені зеленими лініями. На рис. 1.62-6 як приклад зображена внутрішня будова одного з розповсюджених апаратів - автоматичного відмикача побутового при­ значення та виділені елементи його конструкції, які відповідають певним елементам структурної схеми. Цей апарат підключається через свої термінали в електричне коло послідовно з навантагою та джерелом живлення і за допомогою головного контакту, який виконує функції й дугогасного контакту, вмикає та вимикає струм у цьому колі.

Рис. 1.62. Полюс комутаційного апарата: а - узагальнена структурна схема; б - внутрішня будова (на прикладі полюсу автоматичного відмикача побутового призначення)

81

Глава 1. ФУНКЦІЇ, ЧАСТИНИ ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.2. Функції та основні частини електричних апаратів

До складу цього апарата входять два вимірювальні пристрої - обмотка так званого електромагнітного розчіплювана та біметалева пластина теп­ лового розчіплювача, які увімкнуті послідовно з головними контактами. Зазначені пристрої, точніше обмотка електромагнітного розчіплювача та пластина біметалевого розчіплювача, становлять неодмінну частину головного кола цього апарата, тобто входять і до струмопровідної системи, до якої також входять допоміжні жорсткі провідники та гнучкі контактні з ’єднання. Електромагнітний розчіплювач реагує на наявність струмів короткого замикання і спрацьовує практично миттєво, коли струм перевищує певне встановлене небезпечне значення - струм уставки (current setting). Тепловий розчіплювач реагує на наявність струмів перевантаження і спрацьовує, коли струм перевищує номінативне значення впродовж визначеного часу. Час спрацьовування теплового розчіплювача, внаслідок певної інерційності його нагрівання, зазвичай зворотно залежить від кратності струму перевантаження до номінативного струму. До складу дугогасної системи входять дугогасна камера, її сталеві пластини, що утворюють так звану дугогасну решітку, дві ізоляційні обойми, які скріпляють пластини та розташовують їх на певній відстані одну від одної та два дугогасних роги - з боку рухомого та нерухомого контактів. Ці роги слугують напрямними для електричної дуги, яка руха­ ється вбік дугогасної камери після виходу з міжконтактного проміжку, а відтак дугогасні роги входять й до струмопровідної системи. Проміжний елемент привідної системи - так званий механізм вільного розчіплення не тільки передає рух від актуатора до головного контакту, а й сприяє автоматичному розмиканню контактів при надструмах навіть, коли актуатор механічно утримується у замкненому положенні. Корпус цього апарата виготовлений з пластика (є ізоляційним), відтак на ньому не може бути термінала уземлення. Призначення, принцип дії даного апарата й окремих його елементів, а також його основні характеристики коротко розглядаються в п. 4.1.4, який присвячений відмикачам для побутових та аналогічних електроуста­ новок низької напруги.

82

Глава 1. ФУНКЦІЇ ТА ОСОБЛИВОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ

1.3. Тенденції ринку та класифікація електричних апаратів 1.3.1. Розвиток виробництва електричної енергії та тенденції ринку електричних апаратів
Електрична енергія виробляється на електричних станціях гідравлічних (ГЕС), теплових (ТЕС), атомних (АЕС) та електростанціях іншого типу*, де відповідно гідравлічна, теплова та атомна енергія перетворюється спочатку на механічну, а вже потім, за допомогою синхронних генераторів (гідрогенераторів на ГЕС та турбогенераторів на ТЕС та АЕС) механічна енергія перетворюється на електричну зазвичай на рівні середніх напруг (10 ... 20 кВ). Місця споживання електричної енергії у переважній більшості випадків віддалені на десятки й сотні кілометрів від електростанцій, тому транспортування електроенергії до місць споживання, з метою зменшення втрат енергії, здійснюється на ви­ соких напругах (110 кВ та більше). Підвищення напруги здійснюється безпосередньо на електростанціях за допомогою силових трансформаторів, причому якщо генератори розташовують у спеціальних приміщеннях машинних залах, то трансформатори - за межами приміщень - на спеціа­ льній площадці, яку називають підвищувальною підстанцією і на якій крім трансформаторів встановлюють високовольтні комутаційні та інші апарати, які сприяють розподіленню електричної енергії між лініями електропередачі (ЛЕП), що відходять від цієї підстанції. Поблизу місця споживання електроенергії встановлюють так звані районні знижувальні підстанції, які приймають електричну енергію безпосередньо від високовольтних ЛЕП, знижують напругу до рівня 110 ... 35 кВ та розподіляють енергію між головними підстанціями, які знижують напругу до рівня 10 ... 6 кВ та розподіляють енергію між місцевими підстанціями. На місцевих підстанціях (наприклад тих, що встановлюються у житлових мікрорайонах) напруга знижується до рівня, на якому відбувається живлення кінцевих споживачів (у житлових мікро­ районах - це 220/380 В) і енергія розподіляється між ними. У споживача, перед тим, як потрапити до кінцевих електроприймачів (освітлювальні прилади, побутова електроапаратура тощо), електроенергія проходить через увідно-розподільний пристрій, де здійснюється облік спожитої енергії та її розподілення між електроприймачами. Схема руху електричної енергії від електростанції до кінцевого •'споживача зображена на рис. 1.63.
В світі динамічно розвивається виробництво електроенергії на сонячних, вітряних, приливних та інших нетрадиційних електростанціях, але питома вага електричної енергії, що виробляється на таких електростанціях в Україні, наразі не перевищує 5%, хоча тенденція до збільшення цієї частки - спостерігається.

83

Глава 1. Ф УНКЦІЇ ТА ОСОБЛИВОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.3. Тенденції ринку та класиф ікація електричних апаратів

Рис. 1.63. Схема руху електричної енергії від електростанції (Е) до кінцевих споживачів: Г - генератор на електростанції; Т - підвищувальний трансформатор; JI - високовольтні лінії електропередачі; ПІ, П2, ПЗ - відповідно районна, головна та місцева знижувальні підстанції; Р - увідно-розподільний пристрій споживача електроенергії; С - кінцеві споживачі

84

Глава 1. Ф УНКЦІЇ ТА ОСОБЛИВОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.3. Тенденції ринку та класифікація електричних апаратів

На усіх етапах виробництва, перетворення, транспортування та спожи­ вання електричної енергії електричні апарати займають чільне місце. Разом з тим слід зазначити, що структура ринку електричних апаратів постійно змінюється. Інтерес споживачів до деяких видів апаратів з часом суттєво зменшується, деякі види апаратів взагалі відходять у минуле, натомість інші апарати виходять на нові рівні розвитку, знаходячи для себе нові застосу­ вання. Крім того, успіхи у розвитку електротехніки та суміжних галузей сприяють появі нових видів апаратів та нових принципів їх побудови. Наприклад, винайдення та освоєння виробництва висококоерцитивних постійних магнітів на основі рідкоземельних металокерамічних ком­ позицій сприяли розвитку масового виробництва й широкому застосу­ ванню апаратів захисту від різницевих струмів. Зараз ці апарати в усьому світі здійснюють надійний захист людей від прямих та непрямих дотиків до небезпечних струмопровідних частин електроустановок, а також про­ типожежний захист —таких апаратів за останні 20 років виготовлено та встановлено понад 2 млрд. штук. Успіхи у вакуумній техніці за останні 20 років докорінно змінили структуру ринку відмикачів середніх напруг (до 35 кВ). Ці апарати з’явилися на ринку електротехнічної продукції приблизно 40 років тому, коли у відповідному сегменті ринку домінували маломасляні відмикачі. На початку 80-х років минулого століття частка вакуумних відмикачів середньої напруги складала не більше 10%, а зараз перевищує 80% акту­ ального ринку, причому решта майже повністю припадає на відмикачі з гасінням дуги у середовищі елегазу. Слід зауважити, що ринок відмика­ чів середніх напруг невпинно зростає —приблизно на 10 ... 12 % щорічно. Суттєві успіхи у розвитку напівпровідникової техніки сприяли осво­ єнню масового виробництва й широкому застосуванню відносно дешевих напівпровідникових приладів, на базі яких були створені компактні й надійні перетворювачі - випростувачі (rectifier) та інвертори (inverter). Ці пристрої на сьогодні повністю витіснили перетворювачі, побудовані на інших принципах - електромашинні, електромеханічні та ртутні. Цікаво, що розвиток напівпровідникових перетворювачів сприяв появі й нових електричних апаратів - запобіжників для їх захисту або так званих швидкодіючих запобіжників. Розвиток комп’ютерної техніки, а також побутової й офісної елект­ роніки сприяв становленню й бурхливому розвитку ринку апаратури захисту чутливих електронних пристроїв від атмосферних та комутацій­ них перенапруг. Подібних прикладів зростання окремих сегментів ринку електричної апаратури можна навести чимало, але непоодинокими є й при­ клади протилежного характеру. Ще 30 - 40 років тому майже усі телефонні станції були електроме­ ханічними, побудованими на базі електромагнітних реле. Відповідно, 85

Глава 1. ФУНКЦІЇ ТА ОСОБЛИВОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.3. Тенденції ринку та класифікація електричних апаратів

потреба у таких апаратах була величезною. Зараз швидкими темпами відбувається заміна електромеханічних телефонних станцій на цифрові з мікропроцесорним керуванням. Відтак потреба в електромеханічних реле зменшилася у десятки (якщо не у сотні) разів, а виробництво таких апаратів як крокові шукачі взагалі було припинено . Така сама доля спіткала й деякі електромеханічні апарати керування, зокрема пускові реостати та регулятори збудження для електричних машин постійного струму, інтерес споживачів до яких також стійко знижується. У той же час, при керуванні двигунами змінного струму за відсутності вимог щодо регулювання швидкості (це стосується у першу чергу найбільш пошире­ них асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором) позиції елект­ ромеханічних апаратів лишаються непохитними. Електромеханічні апарати майже повністю витіснені напівпровідни­ ковою та мікропроцесорною технікою з такої сфери як автоматичне керування. Але у такій дуже важливій галузі як енергетика, позиції електромеханічних комутаційних апаратів, внаслідок їх деяких унікальних властивостей, не похитнулися й навіть укріпилися і не існує скількинебудь обґрунтованих прогнозів зменшення зацікавленості споживачів електромеханічних комутаційних апаратів у цих апаратах в енергетичній сфері. Не спостерігається також тенденцій до зниження темпів зростання ринку електромеханічних апаратів кіл керування, деякі властивості яких не дозволяють аналогічним за призначенням напівпровідниковим пристроям конкурувати з цими апаратами.

1.3.2. Класифікація електричних апаратів
Класифікація - це процес та результат групування об’єктів дослі­ дження (у тому числі продуктів людської діяльності) у відповідності з їх загальними ознаками. Будь-яка класифікація є досить умовною, суб’єктивною (особливо це стосується продуктів людської діяльності, зокрема електричних апаратів). У той же час, класифікація не тільки сприяє спрощенню спілкування людей, які її застосовують, а й дозволяє сформулювати загальні вимоги до тих чи інших продуктів зі спільними ознаками, а також виявити очікувані потреби людства в існуючих та нових продуктах. Наведена нижче класифікація враховує реалії ринку комутаційних електричних апаратів, тенденції їх розвитку та перспективи застосування у майбутньому.

°

Цікаво, що за однією з версій винахідником похованого нині крокового шукача був власник похоронного бюро, такий собі Строуджер. Дружиною його конкурента - влас­ ника іншого похоронного бюро була телефоністка, яка скеровувала усі дзвінки замов­ ників своєму чоловікові. Строуджер присягся назавжди вивільнити суспільство від телефоністок і винайшов автоматичний телефонний комутатор крокового типу.

86

Глава 1. ФУНКЦІЇ ТА ОСОБЛИВОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.3. Тенденції ринку та класифікація електричних апаратів

Класифікація електричних апаратів відповідно до їх призначення У багатьох джерелах (у тому числі й підручниках) електричні апарати поділяють на класи відповідно до їх призначення: • комутаційні апарати (здійснюють комутацію електричних кіл при розподіленні електричної енергії); • апарати керування (здійснюють керування обладнанням - електрич­ ними машинами, технологічними об’єктами) і застосовуються при автоматизації виробничих процесів) • апарати захисту (забезпечують захист людей, тварин, майна та довкілля від шкідливої дії електричної енергії); • обмежувальні апарати (забезпечують обмеження надструмів та перенапруг у мережах); • апарати контролю (здійснюють моніторинг параметрів технологічних процесів та сигналізують про їх стан). Цей пункт класифікації ми наводимо як данину традиціям адже, ж вже зазначалося у вступі, поділ електричних апаратів на класи згідно їх призна­ ченню є досить умовним, оскільки багато апаратів мають ознаки, які дозво­ ляють відносити їх до різних груп. Наприклад, вимикачі-роз’єднувачі, ком­ біновані із запобіжниками, можуть бути віднесені і до комутаційних апара­ тів, і до апаратів керування, і до апаратів захисту. А якщо у цьому апараті застосована вставка так званого струмообмежувального запобіжника, то цей апарат можна віднести й до класу обмежувальних апаратів. Класифікація електричних апаратів за родом струму Також небездоганною є класифікація електричних апаратів за родом струму, при якому вони мають працювати - хоча існують апарати, що працюють винятково у колах змінного струму або тільки у колах постій­ ного струму, існує також велика кількість різновидів апаратів, що можуть працювати як у колах змінного струму, так і у колах постійного струму. Класифікація електричних апаратів за номінативною напругою Більш об’єктивною є класифікація електричних апаратів за їх номі­ нативною напругою. Нагадаємо, що значення номінативної напруги апа­ рата встановлює виробник, причому номінативна напруга апарата повинна відповідати значенню номінальної напруги мережі, у якій має працювати апарат з урахуванням визначених виробником умов. За цією ознакою апарати поділяють так: • апарати низької напруги тобто апарати з номінативною напругою до ~1OQ0 В (змінного струму) або до — 1500 В (постійного струму); • апарати середньої напруги - від ~1000 В до 35 кВ (верхня границя у деяких країнах є вищою - до ~52 кВ) або від — 1,5 кВ до 5 кВ; • апарати високої напруги (вище верхньої границі середніх напруг, при­ чому апарати високої напруги - це переважно апарати змінного струму).
87

Глава 1. ФУНКЦІЇ ТА ОСОБЛИВОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.3. Тенденції ринку та класифікація електричних апаратів

Апарати низької, середньої та високої напруги суттєво відрізняються за номенклатурою, конструкцією й умовами роботи, тому, хоча будьякий апарат може мати декілька номінативів (рейтингів) напруги, усі ці значення для даного апарата ніколи не виходять за межі одного діапазону.

Класифікація електричних апаратів за типом комутаційного елементу Відповідно до типу комутаційного елементу електричні апарати поділяють на такі класи: • електромеханічні електричні апарати; • напівпровідникові електричні апарати; • гібридні електричні апарати. Електромеханічні комутаційні апарати (mechanical switching device) замикають та розмикають електричні кола за допомогою контактів, причому будь-який з цих апаратів може бути визначений відповідно до середовища, де його контакти розмикаються та замикаються, наприклад повітряний, елегазовий, вакуумний тощо. Розрізняють електромеханічні апарати з ручним та не ручним керу­ ванням (рис. 1.64). В апаратах з ручним керуванням замикання та розми­ кання контактів здійснюється за рахунок м ’язової енергії оператора, а апарати з не ручним керуванням можуть бути визначені відповідно до способу, яким забезпечується сила, необхідна для замикання та розми­ кання контактів, наприклад електромагнітні, електропневматичні тощо.

оНавантага
L

о о-

"Н к м — — '

Рис. 1. 64. Схеми підключення до навантаг електромеханічних комутаційних апаратів з ручним (а) та не ручним (б) електромагнітним керуванням: R , L - відповідно резистивна та індуктивна складові імпедансу навантаги; Q - силовий комутаційний апарат з ручним керуванням; КМ - контактор (силовий комутаційний апарат з електромагнітним керуванням); r u i u j ї с и ^ л г і п і 'ї м c u i a p a j . о і jju iv ic u n i i m r i i v i SA - контакт керування стороннього апарата. do Головними перевагами електромеханічних комутаційних апаратів є можливість забезпечення так званої функції роз’єднання та незначне падіння напруги на замкнених контактах при проходженні через них робочого струму. Поняття функції роз’єднання (isolation; isolating function) детально розглянуто нижче у п. 3.3 даного посібника. Тому, не торкаючись вимог щодо забезпечення цієї функції, зазначимо, що ця функція є дуже важли­ вою для комутаційного апарата, оскільки її наявність є свідченням мож­ ливості безпечного проведення робіт у навантазі при розімкненому стані 88

Глава 1. ФУНКЦІЇ ТА ОСОБЛИВОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.3. Тенденції ринку та кл а с и ф іка ц ія електричних апаратів

апарата. Функція роз’єднання в електромеханічних комутаційних апара­ тах забезпечується передусім за рахунок створення ізоляційного проміжку певної довжини між розімкненими контактами, що перешкоджає пробою цього проміжку імпульсною напругою та виникненню струмів витоку небезпечного рівня внаслідок забруднення ізоляційних поверхонь апарата. Падіння напруги на контактному комутаційному елементі знахо­ диться у межах від 10 ... 20 мВ (при струмах 1000 А та більше) до 60 ... 80 мВ (при менших значеннях струму). При цьому виділення енергії, що перетворюється на тепло в контактних елементах є відносно невеликим. Наприклад, при струмі 100 А та падінні напруги на контакті 40 мВ поту­ жність втрат енергії у цьому контакті становитиме 100 - 40 • 10'3 = 4 Вт. Отже, за одну секунду у контакті при цьому «втрачається» (перетворю­ ється на тепло) лише 4 Дж енергії. Якщо напруга джерела живлення ста­ новить 220 В, то за одну секунду через контакт у навантагу проходить 100 • 220 ■1 = 22 000 Дж енергії. Відтак «коефіцієнт корисної дії» контакт­ ного комутаційного елементу становить (22 000 - 4) / 22 000 = 99,98 %. Головними недоліками електромеханічних комутаційних апаратів є наявність рухомих частин (а відтак - зниження надійності цих апаратів) та виникнення на контактах при їх розмиканні електричної дуги, яка не тільки призводить до небажаних ефектів - теплового, світлового та зву­ кового, а й суттєво.зношує контакти, скорочує ресурс роботи апарата. Напівпровідникові комутаційні апарати (semiconductor switching device) призначені для вмикання струму в електричних колах за допомо­ гою керування провідністю напівпровідника. В напівпровідникових апаратах постійного струму для комутації електричних кіл зазвичай застосовують транзистори (найчастіше IGBT транзистори) або двоопераційні тиристори, а в апаратах змінного струму - тиристори різних типів та симістори. Схеми підключення до навантаг найпростіших напівпровідникових комутаційних апаратів постійного та змінного струму зображені нарис. 1.65 та 1.66. Напівпровідниковий апарат постійного струму (рис. 1.65) забезпечує комутації струму у навантазі з опором R та індуктивністю L завдяки силово­ му транзистору VT, керування яким здійснюється допоміжним контактом стороннього апарата SA (який працює у колі керування даного апарата). У вихідному положенні (при розімкненому контакті SA) транзистор VT знаходиться у закритому стані, отже струм через навантагу не тече. При замиканні контакту апарата SA на затвор транзистора надходить по­ зитивний потенціал, завдяки чому транзистор VT відкривається і через на­ вантагу починає текти струм. Розмикання вказаного контакту сприяє запи­ ранню транзистора VT і перериванню струму у навантазі. Оскільки трива­ лість процесу запирання транзистора є дуже короткою (порядку 1 мкс), за відсутності у схемі гілки VD1, R1 магнітна енергія, що нагромаджується 89

Глава 1. ФУНКЦІЇ ТА ОСОБЛИВОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.3. Тенденції ринку та класифікація електричних апаратів

в індуктивності L навантаги перед моментом переривання струму, при­ зведе до виникнення перенапруг, які викличуть пробій ізоляції і створять струмопровідні шляхи, де нагромаджена в індуктивності енергія перетво­ риться на теплову. При цьому вийдуть з ладу і навантага, і джерело жив­ лення, і силовий транзистор, захист якого додатково здійснює діод VD2.
Навантага Рис. 1.65. Схема підключення напівпровідникового комутаційного апарата постійного струму до навантаги: v£)2 відповідно опір та індуктивність навантаги; VT - силовий транзистор у головному колі; R l, R2 - резистори у колі керування; V D 1, VD2 - допоміжні діоди; SA - сторонній апарат керування

VT

о-

За наявності гілки VD1, R1 у момент запирання транзистора VT діод VD1 відкривається і утворюється замкнений контур: навантага з опором R та індуктивністю L - VD1 - R1, струм у якому від початкового значення г'о = U / R , де U - напруга живлення, поступово зменшиться до нуля за експоненціальним законом зі сталою часу т= L / (R + R \ ) , де R\ - опір резистора R1. У момент запирання транзистора VT миттєве значення напруги и на навантазі буде залежати від співвідношення опорів R та R x, а саме и = U ■ I R . Інакше кажучи, якщо R\ > R , то у момент комутації R\ на навантазі може виникнути перенапруга певного рівня. Як бачимо, збі­ льшення опору резистора R1 призводить до пришвидшення процесу роз­ микання струму (зменшується стала часу г ), але збільшувати значення опору R\ можна лише до рівня, при якому перенапруга у момент комута­ ції не перевищить допустимого значення для ізоляції навантаги та допус­ тимих значень для напівпровідникових приладів. Напівпровідниковий апарат змінного струму (рис. 1.66) забезпечує комутації струму у навантазі з опором R та індуктивністю L) завдяки силовим тиристорам VS1 та VS2, керування провідністю яких здійснюється допоміжним контактом стороннього апарата SA. У вихідному положенні (при розімкненому контакті SA) обидва тиристора VS1 та VS2 знаходяться у закритому стані, отже струм через навантагу не тече. При замиканні контакту SA (у залежності від полярності напруги джерела живлення у той момент) виникне струм в колі керування одного з тиристорів.
Тут і далі будемо відрізняти фізичні об’єкти (резистори, індуктори, конденсатори тощо) від фізичних величин, які ці об’єкти характеризують (опір, індуктивність, ємність тощо). Фізичні об’єкти будемо позначати (на схемах і в тексті) прямими літерами, а фізичні величини - курсивом. Порядковий номер об’єкта прийнято (ГОСТ 2.710) позначати прямими цифрами такого розміру, як і літери, а для позначення фізичних величин слі,ц застосовувати прямі підстрочні цифри - індекси (ІЕС 60027). Відтак, R1 це резистор з номером 1, а Л, - це опір резистора R 1.

90

Глава 1. ФУНКЦІЇ ТА ОСОБЛИВОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.3. Тенденції ринку та класифікація електричних апаратів

Рис. 1.66. Схема підключення напівпровідникового комутаційного апарата змінного струму: R , L —відповідно опір та індуктивність навантаги; VS1, VS2 - силові тиристори у головному колі; R1 - резистор у колі керування; V D 1 .V D 2 -діоди у колі керування; SA -сторонній апарат керування

q.

Наприклад, якщо в момент замикання контакту SA позитивним був верхній термінал, виникне такий шлях струму: верхній термінал - діод VD1 - резистор R1 - електрод керування тиристора VS2 - навантага нижній термінал. Оскільки потенціал аноду тиристора VS2 у той момент є позитивним по відношенню до потенціалу його катоду, цей тиристор відкриється і струм у навантагу буде потрапляти вже безпосередньо через тиристор VS2, оминаючи резистор R1, опір якого набагато перевищує модуль імпедансу навантаги. Отже струм у навантазі суттєво (у десятки разів) збільшиться. Хоча в момент відкриття тиристора струм в його еле­ ктроді керування практично перерветься, струм з анода у катод тиристора буде продовжувати текти і тиристор закриється лише після переходу струму через нульове значення. Після зміни полярності напруги і момен­ ту переходу струму через нульове значення тиристор VS2 закриється, а тиристор VS1 відкриється і так далі. Тиристори будуть відкриватися й закриватися по черзі, лишаючись у відкритому стані пів періоду коли­ вань напруги джерела (при частоті/ = 50 Гц пів періоду становить 10 мс). У такому режимі цей апарат буде працювати до тих пір, поки контакт SA буде лишатися у замкненому стані. При цьому через навантагу буде текти робочий струм навантаги І = U / Z , де U - напруга живлення (середньо­ квадратичне значення), Z - модуль імпедансу навантаги. Якщо розімкнути контакт SA, струм в електродах керування не буде виникати, а тиристор, через який у той момент тік струм навантаги, буде лишатися у відкритому стані аж до переходу струму через нульове зна­ чення. Після цього (за відсутності струму в електроді керування) інший тиристор не відкриється і проходження струму через навантагу припи­ ниться. Отже, час відмикання (проміжок часу між моментом розмикання контакту керування та моментом припинення проходження струму через навантагу) у напівпровідникових комутаційних апаратах змінного струму не перевищує 10 мс (пів періоду) при частоті мережі 50 Рц. Висока швидкодія напівпровідникових комутаційних апаратів змін­ ного струму є їх безумовною перевагою. Іншими перевагами цих апаратів є відсутність будь-яких рухомих частин, а відтак і відсутність проблеми механічної зносостійкості, та відсутність електричної дуги при комутації 91

Глава 1. Ф УНКЦІЇ ТА ОСОБЛИВОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.3. Тенденції ринку та класиф ікація електричних апаратів

електричних кіл, отже і відсутність створюваних дугою ефектів - тепло­ вого, світлового та звукового. Поряд із зазначеними перевагами, напівпровідникові комутаційні апарати мають й суттєві недоліки: • відсутність функції роз’єднання; • велике падіння напруги на комутаційному елементі; • великі габарити і вартість; • низька перевантажувальна здатність; • чутливість до температури середовища; • чутливість до перенапруг; • схильність до процесу старіння; • створення радіоперешкод. Функція роз’єднання в напівпровідникових комутаційних апаратах не може бути забезпечена, оскільки напівпровідникові прилади не гаран­ тують відсутності струмів витоку та не витримують імпульсних перенап­ руг високого рівня. Пряме падіння напруги у напівпровідниковому комутаційному елементі є набагато більшим аніж у контактному елементі і становить 1 ... З В. Отже, при струмі 100 А та падінні напруги 2 В потужність втрат енергії у цьому комутаційному елементі становитиме 100 ■2 = 200 Вт, а «коефіцієнт корисної дії» зменшиться до 99,09 %. Таке збільшення втрат (у 50 разів більше, ніж у контактному елементі!) має не тільки економічні наслідки, а й може призвести до неприпустимого нагрівання апарата. Щоб цього не сталося, до конструкції напівпровідникового комутаційного апарата вводять радіатори, вентилятори тощо, а це призводить до збільшення габаритів апарата та його вартості. Інші з перерахованих вище недоліків напівпровідникових електричних апаратів є спільними для будь-яких напівпровідникових пристроїв. Усі ці недоліки не дозволяють напівпровідниковим апаратам конкурувати з електромеханічними в енергетичній сфері (розподілення електричної енергії). Але у тих галузях, де до апаратів висуваються вимоги щодо плавного регулювання параметрів (наприклад, швидкості електродвигуна), щодо високої частоти комутацій електричних кіл, високої швидкодії, щодо якісної передачі сигналів з малою енергією (телефонія та інші засо­ би комунікацій), а також щодо роботи у вибухонебезпечному середо­ вищі, напівпровідникові апарати успішно конкурують з електромеха­ нічними, а подекуди майже повністю витіснили їх з актуального ринку. Наприклад, до появи надійних напівпровідникових апаратів елект­ роприводи з регульованою швидкістю будувалися виключно на склад­ них, дорогих та малонадійних двигунах постійного струму, регулювання швидкості обертання у яких здійснювалося введенням/виведенням резис­ торів у колах якоря та збудження електромеханічними комутаційними 92

Глава 1. Ф УНКЦІЇ ТА ОСОБЛИВОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ Е Л Е КТРИ Ч Н И Х АПАРАТІВ 1.3. Тенденції ринку та класиф ікація електричних апаратів

апаратами. Прості, дешеві, високонадійні асинхронні двигуни з короткошмкненим ротором застосовувалися там, де швидкість не треба регулю­ вати (наприклад, вентиляційні установки) або там, де швидкість регулю­ ється іншими засобами (наприклад, металорізальні верстати). З появою на ринку надійних та дешевих напівпровідникових приладів розпочався бурхливий розвиток частотно-регульованих електроприводів на базі асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором. Незважаючи на на­ явність радіаторів та вентиляторів ці пристрої у сукупності з асинхрон­ ним двигуном набагато компактніші, дешевші й надійніші, аніж приводи, побудовані на базі електричних дви­ гунів постійного струму та електроме­ ханічних систем керування ними. Зовнішній вигляд одного з напівпровід­ никових пристроїв частотного регулювання швидкості асинхронного двигуна зображено на рис. 1.67.

Рис. 1.67. Регулятор швидкості обертання асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором: 1 - напівпровідниковий блок; 2 - вентилятор; 3 - радіатор

У напівпровідникових комутаційних апаратах, зокрема у контакто­ рах (рис. 1.68), не виникає електрична дуга, відтак вони мають суттєві переваги над електромеханічними апаратами при роботі у вибухонебез­ печному середовищі.

Рис. 1.68. Триполюсний напівпровідниковий контактор: 1 т термінали для підключення трифазного джерела живлення навантаги; 2 - термінали пристрою, який імітує котушку електромагнітного актуатора контактора; 3 - термінали для підключення трифазної навантаги; 4 - радіатор; 5 - напівпровідниковий блок

Наведемо ще один приклад, який свідчить про переваги напівпровідни­ кових апаратів у галузі якісної передачі сигналів з малою енергією. На рис. 1.69-а наведено фото фрагменту автоматичної електромеханічної телефон­ ної станції. Електромеханічна станція на 1500 абонентів складалася з 70 шаф, у кожній з яких містилося декілька сотень реле. Зараз функції цієї стан­ ції виконує цифрова АТС, яка розміщується лише в одній шафі (рис. 1.69-6). 93

Глава 1. ФУНКЦІЇ Т А О СОБЛИВОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.3. Тенденції ринку та класиф ікація електричних апаратів

Рис. 1.69. Електромеханічна (а) та цифрова (б) АТС

Гібридні комутаційні апарати (hybrid switching device) - це апарати, у г(оловних колах яких застосовуються як контактні елементи, так і напівгіро'ВІДникові прилади. У ввімкненому стані струм головного кола тече пере­ важ110 через контактні елементи, а при вимиканні струм перетікає у парале­ льні контактам гілки головного кола, де розташовані напівпровідникові комутаційні пристрої, які й здійснюють відмикання струму. Таким чином, гібрмдаі апарати у певній мірі поєднують переваги електромеханічних та напівпровідникових апаратів - малі втрати енергії у робочому стані, а також високу швидкодію та практичну відсутність електричного зносу контактів. Вперше принцип гібридної комутації був застосований в конструк­ ція^ контакторів змінного струму КТ6433, та деяких інших модифікаціях, розроблених у ВНДІЕлектроапарат (Харків) на початку 70-х років мину­ лого століття. Невдовзі були розроблені й гібридні контактори постійного струму. Ці апарати були призначені для роботи в безперервних виробничих циклах металургійних підприємств з частотою до 1200 циклів вмиканнявимикання на годину. У таких умовах їх головні контакти швидко зношу­ ються. Оскільки комутаційна зносостійкість контакторів становить при­ близно 360 000 комутацій, а механічна зносостійкість може сягати Ю мільйонів, це означає, що контакти на контакторі треба міняти кожні два тижні, хоча його механічний ресурс вичерпується за рік. Реальна середня частота комутацій контакторів становить 300 - 400 комутацій на годгшУ При такій частоті електричний ресурс роботи контактів вичерпа­ ється за один - два місяці, а механічний —за 3 - 4 роки. При цьому слід магИ на увазі, що економічні втрати пов’язуються не стільки з вартістю замінюваних контактів, скільки з призупиненням виробничого процесу на ч,ас>необхідний для заміни контактів. 94

Глава 1. Ф УНКЦІЇ ТА ОСОБЛИВОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.3. Тенденції ринку та класиф ікація електричних апаратів

На рис. 1.70-а наведена принципова електрична схема головного кола полюсу гібридного контактора змінного струму та зовнішній вигляд контактора КТ6433 , у якому реалізована ця схема.

ТА Навантага а) *«В И б) Рис. 1.70. Принципова електрична схема головного кола полюсу гібридного контактора змінного струму (а) та зовнішній вигляд контактора КТ 6433 (б)

Хоча тиристори VS1 та VS2 підключені паралельно головному кон­ такту контактора КМ, а на електроди керування цих тиристорів прихо­ дять по черзі струмові імпульси від вторинних обмоток трансформатора струму ТА через діоди VD1 та VD2, при замкнених контактах струм через ці тиристори не тече, оскільки падіння напруги на контакті (а від­ так і на тиристорах) є набагато меншим за пороговий струм відпирання тиристора. Таким чином, при замкнених головних контактах струм у навантазі з опором R та індуктивністю L тече від джерела живлення з напругою U лише через замкнені контакти. Отже, у цьому режимі падіння напруги на комутаційному елементі гібридного контактора є таким самим, як і у електромеханічного контактора - 50 ... 100 мВ, тому гібридний контактор, як і електромеханічний контактор, не потребує при­ строїв для охолодження комутаційних елементів (радіаторів, вентиляторів). При розмиканні головного контакту на ньому виникає коротка елек­ трична дуга, напруга якої становить 12 ... 15 В, тому відкривається один з тиристорів - VS1 або VS2. Оскільки опір тиристора у відкритому стані є набагато меншим за опір дуги, струм головного кола перетікає у тиристор і дуга на контактах згасає - тривалість часу горіння дуги має порядок мікросекунди. Після згасання дуги переривається струм й у пер*

Гібридні контактори були розроблені на заміну електромеханічний контакторів КТ6033, в яких доводилося часто проводити заміну зношених контактів, призупиняючи вироб­ ництво. Цими контакторами були оснащені практично усі металургійні підприємства Радянського Союзу. Невдовзі виробництво гібридних контакторів було припинено, оскільки вони працювали на металургійних підприємствах бездоганно, необхідність ремонтів й заміни майже відпала, а інших галузей застосування для них не знайшлося. І лише зараз, майже через сорок років після їх впровадження, виникла потреба у заміні цих апаратів, що почали виходити з ладу.

_

95

Глава 1. Ф УНКЦІЇ ТА О СОБЛИВОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ 1.3. Тенденції ринку та класифікація електричних апаратів

винній обмотці трансформатора ТА (вона увімкнена послідовно з голов­ ними контактами) і як наслідок - в колах керування тиристорів. За умови відсутності імпульсів керування, тиристор, у який перетік струм головного кола, закриється, а другий тиристор не відкриється. Таким чином, час переривання струму у навантазі не перевищує половини періоду коливань напруги джерела (при частоті 50 Гц - не перевищує 10 мілісекунд). Оскі­ льки дуга на контактах горить впродовж дуже короткого проміжку часу, електричний знос контактів гібридних контакторів практично відсутній і електрична зносостійкість наближається до механічної. Недоліком контакторів, побудованих за даною схемою, є відсутність у них функції роз’єднання, оскільки напівпровідникові прилади - тиристори шунтують міжконтактний проміжок. Втім, послідовно з головним колом контактора обов’язково має бути встановлений апарат захисту від корот­ ких замикань (short-circuit protective device, SCPD) - автоматичний відмикач, запобіжник або вимикач, комбінований із запобіжником. Саме цей апарат повинен забезпечувати функцію роз’єднання у послідовному колі контактор - SCPD. З появою на ринку потужних силових високовольтних IGBT транзис­ торів та двоопераційних IGCT тиристорів з ’явилися дослідницькі роботи, присвячені розробці гібридних комутаторів - аналогів швидкодіючих від­ микачів постійного струму для захисту мереж живлення електротранспорту. Схема головного кола одного з таких апаратів, у якій були застосовані висо­ ковольтні IGCT тиристори у паралельних до контактів колах, показана на рис. 1.71 -а. Фото зразка апарата, де була застосована згадана схема, наведено на рис. 1.71-6. Апарат розрахований на застосування в мережах постійного струму з номінальною напругою 1 600 В й передбачає тривале проведення струму до 4 000 А та відмикання кіл коротких замикань з очікуваним стру­ мом 5 ... 6 кА. Роботи по створенню таких апаратів наразі знаходяться на стадії дослідних зразків.
I\|V D 1 і " VS1 V у І ^ | VD2
1 У VS2

И о- VD3

Ч
/ 0

N

VD4 -о а'

Рис. 1.71. Принципова електрична схема головного кола швидкодіючого гібридного відмикача постійного струму (а) та зовнішній вигляд макетного зразка (б) такого відмикача (Jean-Marc Meyer, Alfred Rufer - Laboratory of Industrial Electronics, Swiss Federal Institute of Technology, Lausanne): Q - контакт головного кола; V D 1 ... VD4 - силові діоди; VS 1, VS2 - IGCT тиристори; R - варистор, у якому поглинається енергія, яка була нагромаджена у навантазі перед розмиканням контактів у головному колі

96

Глава 2 ЕЛЕКТРИЧНА АПАРАТУРА ТА БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ

2.1. Електробезпека: система захисту від згубної дії електричної енергії 2.1.1. Види небезпек, пов'язаних з електрикою Завдяки електричній енергії комфортність життя людей неухильно підвищується. З електрикою ми стикаємося на кожному кроці й постійно користуємося нею. Але, користуючись електрикою, ми повинні пам’ятати про її колосальну (а підчас - смертельну) небезпечність й створювати умови, за яких застосування електрики було б максимально безпечним. Стандарт ГОСТ 12.1.009-76, який нині є чинним в Україні в статусі міждержавного стандарту, визначає поняття електробезпеки так: «злектробезопасность - зто система организационньїх и технических мероприятий и средств, обеспечивающих защиту людей от вредного и опасного воздействия злектрического тока, злектрической дуги, злектромагнитного поля и статического злектричества». Як бачимо, вказане визначення, по-перше, обмежується лише прямою дією таких факторів як вплив електричного струму, електричної дуги, електромагнітного поля та статичної електрики, а по-друге, не розповсюджує поняття електробезпеки на тварин, майно й довкілля. В новітніх українських ПУЕ дане поняття визначається так: «електробезпека - це відсутність загрози ж иттю, здоров ’ю та майну людей, тваринам, рослинам і довкіллю, яка перевищує допустимий ризик». Як бачимо, це визначення вже враховує, що згубна дія електричної енергії передбачає як прямі, так і непрямі види небезпек. Прямі небезпеки - це безпосередній вплив на людей, тварин, майно й довкілля електричного струму, електричної дуги, електромагнітного поля та статичної електрики. Непрямі небезпеки - це опосередкований вплив на людей, тварин, майно й довкілля наслідків дії зазначених вище чинників через пожежі, вибухи, розповсюдження небезпечних хімічних речовин, радіації тощо. Прямі й непрямі небезпеки слід розглядати як 97

Глава 2. ЕЛЕКТРИЧНА АПАРАТУРА Т А БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНО Ї ЕНЕРГІЇ 2.1. Електробезпека: система захисту від згубної дії електричної енергії

наслідки аварійних ситуацій, які можуть спричиняти травмування людей або призводити до аварій з непередбачуваними наслідками. Найбільш розповсюдженими аварійними ситуаціями є: • низький рівень захищеності електричного обладнання від проникнення всередину сторонніх предметів й вологи; • пошкодження ізоляції в електроустановках; • надструми: перевантаження та короткі замикання; • перенапруги: атмосферні, комутаційні, а також викликані пошко­ дженнями в мережах; • обриви, падіння і сплітання проводів в електричних мережах; • електроустановки у приміщеннях з підвищеною небезпекою. В наведеному переліку присутня низка термінів, які потребують тлумачення. Електрообладнання (electric equipment) — це вироби, що призначені для виробництва, перетворення, передачі, розподілення та застосування еле­ ктричної енергії, такі як електричні машини, трансформатори, комутаційна апаратура та апаратура керування, вимірювальні пристрої, пристрої захисту, кабельні системи, електроприймачі. Приклади електрообладнання наведені в самому визначенні, а під електроприймачами (current-using equipment) ро­ зуміють електрообладнання, що призначене для перетворення електричної енергії на інший вид енергії, наприклад, світлову, теплову, механічну енергію (освітлювальні й нагрівальні прилади, а також побутові й проми­ слові пристрої, які мають у своєму складі електричні двигуни, тощо). Електроустановка (electrical installation) - це комплекс поєднаного електрообладнання з узгодженими властивостями, призначений для досяг­ нення певних цілей. Прикладом електроустановки може бути електропро­ водка (wiring system) з поєднаними з нею вимикачами, розетками, світиль­ никами, побутовими приладами тощо. Проникнення всередину електричного обладнання сторонніх пред­ метів й вологи може призвести до пошкодження ізоляції, внаслідок чого може виникнути надструм (over-current) - струм, що перевищує номінати­ вне значення. Надструми призводять до надмірного нагріву струмопровідних частин й ізоляції, яка їх оточує, і з часом можуть викликати корот­ ке замикання (short circuit), під яким розуміють випадкове або навмисне з ’єднання між двома або декількома струмопровідними частинами, що примусово зменшує електричний потенціал між цими струмопровідними частинами до нуля або майже до нуля. При короткому замиканні струм стрімко зростає у десятки й сотні разів, піднімаючи температуру провід­ ників, ізоляції та оточуючих елементів конструкцій до небезпечних рів­ нів, що викликають займання, вибухи тощо. Надструми можуть бути викликані й іншими причинами, зокрема перенапругами (over-voltage), як тими, що пов’язані атмосферними та

Глава 2. ЕЛЕКТРИЧНА АПАРАТУРА ТА БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ 2.1. Електробезпека: система захисту від згубної дії електричної енергії

комутаційними імпульсними виплесками, так і з тими, що пов’язані з пошкодженнями у мережах, зокрема з обривом нейтралі. Надструми можуть виникнути й в електрично не пошкодженому колі внаслідок перевантаження (overload) мережі при надмірній кількості навантаг, одночасно підключених до неї (рис. 2.1-а). На відміну від пере­ вантажень, короткі замикання обов’язково пов’язані з пошкодженням ізоляції (рис. 2.1-6). о о

Рис. 2.1. Схеми, що ілюструють причини виникнення надструмів внаслідок перевантажень (а) та коротких замикань (б)

Обриви, падіння й сплітання проводів в електричних мережах, крім небезпек поблизу місця пошкодження, можуть викликати у споживачів перенапруги з аварійними наслідками. Нарешті, будь-які електроустановки, встановлені у приміщеннях з підвищеною небезпекою*, самі по собі є джерелом небезпеки. 2.1.2. Негативні фактори впливу електричного струму на організм людини Електричний струм, проходячи через тіло людини, призводить до негативних теплових, хімічних та біологічних наслідків. Теплова дія струму проявляється у підвищенні температури тканин тіла людини, а у деяких випадках - до їх обгоряння. Крім того, підви­ щення температури спричиняє зменшення електричного опору тіла людини, а відтак - підсилення впливу струму на людину. Хімічна дія струму внаслідок електролізу проявляється в зміні хімі­ чного складу крові та інших рідин в тілі людини, порушенню їх функцій. Біологічна дія струму проявляється в небезпечному збудженні живих клітин організму, зокрема, нервових клітин та усієї нервової системи. Таке збудження може супроводжуватися судомами, явищами паралічу. Інколи можливий параліч дихального апарата, фібриляція й параліч серця.
* Правила улаштування електроустановок (ПУЕ) так класифікують приміщення щодо небезпеки ураження людини електричним струмом: а) приміщення "з підвищеною небезпекою (вологість; струмопровідний пил; струмопровідна підлога; висока температура; можливість одночасного дотику людини до метапоконструкцій будівель, технологічних апаратів, механізмів тощо, які мають з’єднання із землею, з одного боку і до металевих корпусів - з іншого боку); б) особливо небезпечні приміщення (особлива вогкість; хімічно активне середовище; одночасна наявність двох або більше умов, позначених у п. «а»); в) приміщення без підвищеної небезпеки (відсутні умови, позначені у п. «а» та п. «б»)

99

Глава 2. ЕЛЕКТРИЧНА А ПАРАТУРА ТА БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНО Ї ЕНЕРГІЇ 2.1. Електробезпека: система захисту від згубної д ії електричної енергії

За біологічною дією більш небезпечним є змінний струм, за хімічною дією - постійний струм, а теплова дія постійного та змінного струму є прак­ тично однаковою. При цьому слід враховувати, що зі змінним струмом людина стикається набагато частіше, аніж з постійним. IEV визначає удар електричним струмом (electric shock) як фізіологіч­ ний ефект, спричинений проходженням електричного струму через тіло людини або тварини. Електропаталогічні аспекти удару електричним струмом докладно розглянуто у публікації ІЕС 60479-1. Зокрема у цій публікації наводиться ілюстрація змін у кардіограмі та у кров’яному тиску внаслідок удару людини електричним струмом, яка свідчить, що серцева фібриляція (cardiac fibrillation), тобто хаотичне ско­ рочення м ’язів камер серця, яке веде до розладу серцевої діяльності, роз­ починається одразу після моменту початку протікання струму через тіло людини. При цьому дуже швидко зменшується кров’яний тиск, припиня­ ється циркуляція крові і, якщо впродовж декількох десятків мілісекунд не припинити протікання струму, це призводить до летального наслідку. Дослідженнями, результати яких наведено в публікації ІЕС 60479-1, вста­ новлено, що патофізіологічна дія електричного струму на людину зале­ жить як від значення струму, що тече через тіло людини, так і від терміну його проходження. Значення струму через тіло людини залежить від (реальної) напруги дотику ((effective) touch voltage), а також від імпедан­ су ZT (при постійному струмі - опору Rj) тіла людини, які суттєво залежать від напруги дотику, роду струму, шляху струму та інших чинників. Залежності Z j та RT на шля­ 7000 ху рука-рука при великих вологих поверхнях контакту­ 2 6000 вання від напруги дотику 0 „ наведені на рис. 2.2.
5000

I а і !

3 ’5 4000

1о
И О

5C Q

3000 Рис. 2.2. Залежності повного імпедансу (при змінному струмі) та повного опору (при постійному струмі) тіла людини на шляху рукарука від реальної напруги дотику: 1 - 5% населення; 2 —50% населення; 3 - 95% населення

а ю 2000 о я
1000

о
20 50 100 200 Напруга дотику, В 500 1000

Як бачимо, імпеданс та опір тіла людини суттєво зростають при зменшенні напруги дотику, причому асимптотичні значення (при вели100

Глава 2. ЕЛЕКТРИЧНА АПАРАТУРА ТА БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНО Ї ЕНЕРГІЇ 2.1. Електробезпека: система захисту від згубної д ії електричної енергії

ких значеннях напруги) імпедансу та опору збігаються, а при низьких значеннях напруги значення опору RT перевищує значення імпедансу ZT приблизно на 20%. Відтак, при зменшенні напруги дотику з 200 В до 100 В змінний струм через тіло людини зменшується не вдвічі, а приблизно у 2,5 ... 3,0 разів, а постійний струм - у 2,8 ... 3,5 разів. Уявлення про вплив тривалості часу дії струму у сукупності зі зна­ ченням струму дають часо-струмові зони, що представлені на графіках, наведених на рис. 2.3.

Струм через тіло людини 4 . мА — > Рис. 2.3. Часо-струмові зони впливу на людину струму при напрямі від лівої руки до ніг: змінний струм (АС) від 15 до 100 Гц - ІЕС 60479-1, Figure 20; постійний струм (DC) - ІЕС 60479-1, Figure 22
Пояснення щодо часо-струмових зон впливу змінного струму на людину АС-1 (до 0,5 мА) - можливі певні відчуття, але без ефекту «посмикування». АС-2 (від 0,5 мА до ломаної Ь) можливі відчутні мимовільні м’язові скорочення, але зазвичай без згубної електрофізіологічної дії. АС-3 (від ломаної b до кривої сі) - сильні мимовільні м’язові скорочення, утруднення дихання, оборотні пору­ шення серцевої функції; зазначені порушення посилюються при зростанні струму; органічні порушення зазвичай не очікуються. АС-4 (вище кривої сі) - патофізіологічна дія може проявлятися у вигляді зупинки серця, зупинки дихання, опіків або інших наслідків на клітинному рівні; вірогідність фібриляції шлуночків зростає із збільшенням струму та тривалості його дії. АС-4-1 (сі - с2) - вірогідність фібриляції шлуночків досягає 5 %. АС-4-2 (с2 - сЗ) - вірогідність фібриляції шлуночків досягає приблизно 50 %. АС-4-3 (вище кривої сЗ) - вірогідність фібриляції шлуночків перевищує 50 %. При тривалості дії струму менше 200 мс фібриляція шлуночків розпочинається тільки в уразливий період серцевого циклу. Пояснення щодо часо-струмових зон впливу постійного струму на людину DC-1 (2 мА) - а можливі слабкі відчуття поколювання під час вмикання, вимикання та швидкої зміни струму. DC-2 (від 2 мА до ломаної Ь) - мимовільні м’язові скорочення можливі, головним чином при вми­ канні, вимиканні та швидкій зміні струму, але зазвичай без згубної електрофізіологічної дії. DC-З (від ломаної b до кривої с і) - можуть виникати сильні мимовільні м’язові реакції та оборотні порушення у формуванні та здійсненні серцебиття; зазначені порушення посилюються при зростанні струму та термі­ ну його дії; органічні порушення зазвичай не очікуються. DC-4 (вище кривої с і) - патофізіологічна дія може проявлятися у вигляді зупинки серця, зупинки дихання, опіків або інших наслідків на клітинному рівні; вірогідність фібриляції шлуночків зростає із збільшенням струму та тривалості його дії. DC-4-1 (сі - с2) - вірогідність фібриляції шлуночків досягає 5 %. DC-4-2 (с2 - сЗ) - вірогідність фібриляції шлуночків досягає приблизно 50 %. DC-4-3 (вище кривої сЗ) - вірогідність фібриляції шлуночків перевищує 50 %. При тривалості дії струму менше 200 мс фібриляція шлуночків розпочинається тільки в уразливий період серцевого циклу.

Наведені вище графіки дозволяють формулювати вимоги до елект­ ричних апаратів захисту стосовно їх швидкодії у залежності від роду струму та номінальної напруги мережі. 101

Глава 2. ЕЛЕКТРИЧНА АПАРАТУРА ТА БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНО Ї ЕНЕРГІЇ 2.1. Електробезпека: система захисту від згубної д ії електричної енергії

2.1.3. Способи захисту від прямих та непрямих дотиків Статистика уражень електричним струмом свідчить, що найбільш небезпечними й частими причинами уражень є так звані прямі й непрямі дотики. Прямий дотик (direct contact) —це електричний контакт людей та тварин з активними частинами* електроустановок, а непрямий дотик (indirect contact) - це електричний контакт людей та тварин з відкритими струмопровідними частинами, які стають активними (заживленими) за умови пошкоджень (ізоляції). Ситуації прямого дотику ілюструють схеми, представлені на рис. 2.4 в усіх випадках людина торкається лінійного виводу навантаги, який при замкнених контактах апарата захисту від коротких замикань (short-circuit protective device; SCPD) стає активним. У перших двох ситуаціях (рис. 2.4-а, б) корпуси електроустановок не уземлені і людина, яка стоїть на ізольованому помості, торкаючись ліній­ ного провідника однією рукою, може не відчути електричного удару, оскільки в цих випадках, на перший погляд, відсутні замкнені контури, якими міг би текти струм через тіло людини. Але ці ситуації не можна вважати безпечними, оскільки нема жодної гарантії, що в першому випад­ ку людина випадково не торкнеться іншою рукою металевої частини, з’єднаної з землею (наприклад, з водопровідною або газовою трубою), і тоді між його руками почне текти струм, значення якого І буде визнача­ тися напругою U між лінією й нейтраллю та імпедансом тіла людини ZT: / = U I ZT. При U = 220 В та ZT = 1000 Ом (розрахунковий імпеданс тіла людини) струм І становитиме 220 мА, що є смертельно небезпечним практично для всіх людей, якщо він буде діяти впродовж хоча б однієї секунди (див. рис. 2.3-а). Ситуація, яка відповідає рис. 2.4-в, може виявитися смертельно небез­ печною, якщо людина у вогкому взутті стоїть на струмопровідній підлозі. У цьому випадку контур між лінійним та нейтральним провідниками через тіло людини може замкнутися через землю, яка є струмопровідною, а імпе­ данс на цьому шляху може становити від одиниць до декількох десятків Ом. Струм через тіло людини буде майже таким самим, як і у першому випадку. Ситуація, яка відповідає рис. 2.4-г, є смертельно небезпечною за будь-яких умов - струм через тіло людини буде не меншим за 220 мА. Хоча в усіх зазначених випадках струм, який тече через тіло людини, буде текти й через головне коло SCPD, такий струм є недостатнім для його спрацьовування (для цього необхідно, щоб струм сягав принаймні десятків Ампер) та від’єднання ураженої людини від джерела живлення.
Активною частиною (live part) називають провідник або струмопровідну частину, що призначена бути заживленою при нормальній роботі, включаючи робочий нейтральний провідник (N провідник), але, за домовленістю, не PEN провідник.

102

Глава 2. ЕЛЕКТРИЧНА АПАРАТУРА Т А БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ 2.1. Електробезпека: система захисту від згубної дії електричної енергії

Рис. 2.4. Ілюстрації до різних ситуацій прямого дотику

Непрямий дотик може виникнути у разі контакту людини або тварини з неуземленим струмопровідним корпусом електроустановки за умови пошкодження ізоляції всередині установки (рис. 2.5). При цьому ураження людини або тварини електричним струмом може призвести до летального наслідку, навіть якщо в електроустановці буде мати місце не коротке замикання на корпус, а тільки початкова стадія пробою ізоляції з достатньо високим імпедансом пошкодження ZF. Струм через тіло людини чи тва­ рини, який може бути смертельно небезпечним для них у такому випа­ дку, є недостатнім для спрацьову­ вання SCPD.

Рис. 2.5. Ілюстрація до ситуації непрямого дотику

Способи захисту від прямих та непрямих дотиків можна поділити на дві групи: 1) способи, пов’язані з використанням засобів, що зменшують вірогідність проходження струму через тіло людини та 2) способи, пов’язані з обмеженням струму, який може проходити через тіло людини, та часу проходження струму. Використання засобів, що зменшують вірогідність проходж ення струму через т іло лю дини Основними засобами цієї категорії, є: 1) огорожі, бар’єри, ізоляційні оболонки; 2) індивідуальні електрозахисті засоби (гумові рукавички, боти, килимки тощо); 3) пристрої, що забезпечують електричне розділення кіл; 4) застосування обладнання класу II стосовно захищеності від ураження електричним струмом. 103

Глава 2. ЕЛЕКТРИЧНА АПАРАТУРА Т А БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ 2.1. Електробезпека: система захисту від згубної дії електричної енергії

Приклади огорож (protective obstacle), бар’єрів (protective barrier) та оболонок (protective enclosure) представлені на рис. 4 .113. Доступ до силового трансформатора з небезпечними терміналами середньої та низької напруги (див. рис. 4.113-6) обмежено огорожею жовтого кольору (попередження про небезпеку), шини розподільного пристрою низької напруги покриті ізоляційною поліамідною оболонкою, комутаційні апа­ рати з відкритими струмопровідними частинами також захищені ізоля­ ційними оболонками або мають ізоляційні бар’єри. Зазначимо, що доступ до приміщення, зображеного на рис. 4.113-6, повинні мати лише кваліфі­ ковані особи, а якщо у приміщенні можуть бути присутніми особи, які не мають відношення до електрообладнання, то навіть така безпечна система має бути захищена оболонкою у вигляді металевої шафи (рис. 4.113-а). Індивідуальні електрозахисті засоби (рис. 2.6) не тільки суттєво знижують вірогідність проходження електричного струму через тіло людини, а й захищають окремі органи від опіків та потрапляння на них продуктів горіння електричної дуги.

Рис. 2.6. Індивідуальні електрозахисні засоби: а - рукавичка; б - боти та килимок; в - черевики; г, д, е - інструменти з ізольованим руків’ям; є - захисні окуляри

Живлення навантаг через трансформатор з посиленою міжобмотковою ізоляцією (захисний розділювальний трансформатор - protective transformer) забезпечує електричне захисне розділення кіл, а саме відділення кола навантаги від кола мережі живлення (рис. 2.7), завдяки чому не тільки непрямий, а й навіть прямий дотик до небезпечних струмопровідних частин стає відносно безпечним*. Зазначений спосіб електропостачання слід застосовувати для електроустановок, розташованих в особливо небез­ печних приміщеннях, наприклад у підвальних приміщеннях із струмопровідною (земляною) підлогою.
Будь-який засіб захисту від ураження електричним струмом слід вважати безпечним лише умовно, адже завжди існує вірогідність його пошкодження (у даному випадку - пошко­ дження міжобмоткової ізоляції).

104

Глава 2. ЕЛЕКТРИЧНА АПАРАТУРА Т А БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНО Ї ЕНЕРГІЇ 2.1. Електробезпека: система захисту від згубної дії електричної енергії

електричного струму через ТІЛО ЛЮДИНИ

—

Базовий стандарт з електробезпеки ІЕС 61140 встановлює чотири класи обладнання стосовно захищеності від ураження електричним струмом. Обладнання класу 0 (class 0 equipment) - це обладнання з основною ізо­ ляцією, що забезпечує основний захист, але це обладнання не передбачає захисту при пошкодженнях. Це обладнання може застосовуватися тільки в умовах неструмопровідного оточення (наприклад, у сухих приміщеннях з неструмопровідною підлогою), або в умовах електричного розділення, наприклад за допомогою розділювальних трансформаторів. Міжнародна електротехнічна комісія передбачає у майбутньому вилучити обладнання класу 0 з міжнародної стандартизації. Обладнання класу I (class I equipment) - це обладнання, оснащене основ­ ною ізоляцією для основного захисту та терміналом для приєднання до системи захисного еквіпотенціального з’єднання електроустановки, що забезпечує захист при пошкодженнях ізоляції. Обладнання класу II (class II equipment) - це обладнання, оснащене основ­ ною ізоляцією для основного захисту та додатковою ізоляцією для захисту при пошкодженнях або посиленою ізоляцією для основного захисту та захисту при пошкодженнях. Обладнання класу III (class III equipment) - це обладнання, захисні властивості якого пов’язані з обмеженням напруги наднизьким рівнем як засобу основного захисту, а не захисту при пошкодженнях. Застосування обладнання класу II, з подвійною або посиленою ізоля­ цією суттєво зменшує вірогідність прямих та непрямих дотиків, а відтак, й вірогідність проходження електричного струму через тіло людини. Способи обмеж ення струму, яки й мож е проходит и через тіло лю дини, та часу проходж ення струму Основними способами цієї категорії є: 1) застосування апаратів, які автоматично відмикають живлення при коротких замиканнях в електроуста­ новках; 2) застосування засобів зрівняння потенціалів; 3) застосування апа­ ратів автоматичного відмикання живлення при виникненні струму витоку. 105

Глава 2. ЕЛЕКТРИЧНА АПАРАТУРА Т А БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ 2.1. Електробезпека: система захисту від згубної ди електричної енергії

Апарати, які автоматично відмикають живлення при коротких в електроустановках (short-circuit protective device; SCPD), - це запобіжники й автоматичні відмикачі. Основним призначенням цих апа­ ратів є захист ліній живлення від надструмів. Як це не прикро констату­ вати, в переважній більшості вітчизняних помешкань, зазначені апарати виконують саме ці функції, захищаючи людей лише від згубних наслідків надструмів (у першу чергу - від пожеж), жодним чином не реагуючи на такі небезпечні для людей чинники, як прямі й непрямі дотики, останні з яких* виникають внаслідок пошкодження ізоляції в електроприймачах. Проаналізуємо, наскільки непрямі дотики є небезпечними у різних ситу­ аціях, і як електричні апарати захисту від коротких замикань можуть допомогти уникнути цих небезпек (рис. 2.8). за м и к а н н я х

Ситуація, що зображена на рис. 2.8-а є типовою для переважної біль­ шості вітчизняних житлових помешкань - людина, стоячи на підлозі, тор­ кається неуземленого металевого корпусу електроустановки (холодильника, пральної машини тощо). Дотик до корпусу електроустановки з пошко­ дженою ізоляцією між лінійним провідником та корпусом, в залежності від низки чинників, може супроводжуватися різними наслідками - від відсутності будь-яких відчуттів (якщо людина, взута у сухе взуття, стоїть на сухій підлозі) або легкого поколювання (якщо невзута людина стоїть на вологій підлозі) до летального наслідку (якщо людина іншою рукою тримається за трубу центрального опалення або за уземлений корпус іншої електроустановки). Оскільки струм через тіло людини не переви­ щує 1 A, SCPD не реагує на цю ситуацію й не вимикає пошкоджену елек­ троустановку. Приєднання корпусу електроустановки до місцевого уземлювального електроду (рис. 2.8-6) не завжди виправляє ситуацію з непрямими доти­ ками - все буде залежати від імпедансу уземлення на підстанції та імпе­ дансу місцевого уземлення. ПУЕ дозволяє мати граничні значення цих 106

Глава 2. ЕЛЕКТРИЧНА АПАРАТУРА Т А БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ 2.1. Електробезпека: система захисту від згубної д ії електричної енергії

імпедансів 4 Ом та ЗО Ом відповідно. При таких значеннях імпедансів струм через уземлювальний електрод місцевого уземлення не перевищу­ ватиме 7 А (220 В / (30 + 4) Ом). SCPD не прореагує на такий струм й не відключить електроустановку. Значення струму через тіло людини у цьому випадку важко розрахувати, але при несприятливому поєднанні чинників цей струм може виявитися смертельно небезпечним для людини. Приєднання корпусу електроустановки до PEN провідника (рис. 2.8-в) призведе до короткого замикання при пошкодженні ізоляції в електроустановці і, як наслідок, до спрацьовування SCPD. При цьому корпус електроустановки знеживиться й дотик до нього не призведе до електричного удару. Таким чином, апарат захисту від коротких замикань у деякому розумінні виконує функції апарата захисту від непрямих дотиків. Слід зауважити, що потенціал на корпусі в момент відмикання електро­ установки з пошкодженою ізоляцією в цьому випадку сягатиме значення 70 • ZN, де 7os - струм відмикання SCPD, a ZN - імпеданс PEN провідника S між N терміналом на підстанції та точкою приєднання корпусу електро­ установки до PEN провідника (рис. 2.8-г). Враховуючи, що відносно безпечною напругою для переважної більшості людей, є напруга у 50 В, можемо визначити граничне значення імпедансу Zn для електроустановки з апаратом захисту від коротких замикань зі струмом відмикання 7os: ZN < 50/ 7os. (2.1) Наприклад, якщо апаратом захисту від коротких замикань в електро­ установці є автоматичний відмикач побутового призначення з характе­ ристикою С25 (див. п. 4.1.4), то струм його відмикання може становити 250 А, тому значення ZN не повинно перевищувати 50/250 = 0,2 Ом. Зрівняння потенціалів або еквіпотенціальність (equipotentiality) це стан, коли струмопровідні частини знаходяться при практично рівно­ му електричному потенціалі. Цей стан забезпечується електричними з’єднаннями між струмопровідними частинами, які не призначені для про­ ведення струму, тобто зрівнювальними або еквіпотенціальними з’єднаннями (equipotential bonding). Схема, зображена на рис. 2.9, ілюструє принцип побудови захисту від непрямих дотиків за допомогою зрівнювального з’єднання. У випадку пробою на землю (earth fault) в електроустановці внаслідок пошкодження ізоляції між лінійним провідником та металевим корпусом, людина, що торкається однією рукою корпусу електроустановки, а іншою рукою або будь-якою частиною тіла - трубопроводу, не відчує удару електричним струмом навіть при пошкодженні уземлення корпусу, наприклад якщо корпус виявиться не приєднаним до PEN провідника. У цьому випадку може й не спрацювати SCPD, але людина уникне електротравми саме завдяки еквіпотенціальному з’єднанню. 107

Глава 2. ЕЛЕКТРИЧНА АПАРАТУРА ТА БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНО Ї ЕНЕРГІЇ 2.1. Електробезпека: система захисту від згубної д ії електричної енергії

Рис. 2.9. Зрівнювальне з’єднання (bonding) у поєднанні із захисним уземленням (earthing) забезпечує надійний захист від ураження електричним струмом

Апарати, що автоматично відмикають живлення при виникненні струмів витоку - це відмикачі, керовані різницевими струмами (residual current operated circuit-breaker, RCCB), або, як їх називають інакше, - апарати різницевих струмів (residual current device; RCD). Принцип дії цих апаратів, їх будова, призначення, способи застосування й деякі характеристики будуть розглянуті в п 4.1.5. Крім того, що апарати різницевих струмів забез­ печують ефективний захист від непрямих дотиків, вони також забезпечують захист й від прямих дотиків, на що не здатний будь-який інший апарат. Схема, зображена на рис. 2.10 ілюструє ситуацію, коли RCCB забезпечує захист від ураження електричним струмом людину, яка однією рукою торка­ ється корпусу пошкодженої електроустановки, а іншою рукою - оголеного лінійного провідника. При цьому лю­ дина може стояти як на ізольованому, так і на струмопровідному помості.

Рис. 2.10. Апарати, що автоматично відмикають живлення при виникненні струмів витоку забезпечують надійний захист людей від ураження електричним струмом в найскладніших ситуаціях прямих та непрямих дотиків

Ефективність захисту при застосуванні RCCB залежить від корект­ ності їх встановлення. Наприклад, неприпустимим є з ’єднання РЕ та N провідників (червона лінія на рис. 2.10) у зоні захисту (нижче RCCB), оскільки у цьому випадку різницевий струм, зафіксований в RCCB, може виявитися суттєво меншим, аніж струм витоку через тіло людини, й недостатнім для спрацьовування RCCB. 108

Глава 2. ЕЛЕКТРИЧНА АПАРАТУРА Т А БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ

2.2. Захисне уземлення та роль захисних електричних апаратів у системах захисного уземлення У даному розділі розглядаються системи уземлення та їх взаємодія з електричними апаратами в мережах низьких напруг. Системи уземлення для високовольтних мереж мають певні специфічні особливості, розгляд яких в межах курсу електричних апаратів ми вважаємо недоцільним. 2.2.1. Захисне уземлення. Мережі із уземленою та ізольованою нейтраллю Захисне уземлення (protective earthing), як було показано вище, тісно пов’язане з дією захисної електричної апаратури для забезпечення захис­ ту людей від ураження електричним струмом та, в більш широкому ро­ зумінні, - для досягнення цілей електробезпеки - захисту людей, тварин, майна й довкілля від згубної дії електричної енергії. Надійний захист за­ безпечується якісними апаратами та якісною системою уземлення. Якість системи уземлення характеризується, у першу чергу, опором розтіканню струму від уземлювального електроду. Щоб з ’ясувати порядок значення цієї величини, розглянемо розрахунок опору розтікання при сферичному уземлювальному електроді (рис. 2.11). Реальні уземлювальні електроди мають іншу конфігурацію, дуже часто їх роль грають залізобетонні палі та конструкції фундаментів, які за своїми розмірами можуть бути більшими, аніж півсфера з діаме­ тром, сумірним з габаритами фундаменту. Струм /, який підводиться до сферичного електроду (це може грунт бути струм блискавки або струм, що тече до іншого уземлювального Рис. 2.11. Розтікання струму електроду) розтікається у землю від сферичного електроду у грунт так, що лінії струму розташову­ ються на конічних, а еквіпотенціалі - на сферичних поверхнях. Опір dR тонкої оболонки, обмеженої півсферами з радіусами г та r + dr, дорівнює
(2 .2 )

2 -7Г-Г де р - питомий опір ґрунту, значення якого залежить від багатьох чинників (склад, структура, вологість, пора року тощо) й коливається в інтервалі від 10 до 5000 Ом м й більше. Зауважимо, що навіть найменше значення питомого опору ґрунту на дев’ять порядків перевищує значення питомого опору такого провідникового матеріалу, як мідь (1,6 • 10's Ом м). 109

Глава 2. ЕЛЕКТРИЧНА АПАРАТУРА ТА БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ 2.2. Захисне уземлення та роль захисних електричних апаратів у системах захисного уземлення

Загальний опір розтіканню можна розрахувати, виконавши інтегру­ вання виразу (2.2) в межах від b до оо: (2.3) Після інтегрування та подвійної підстановки маємо (2.4) 2 ■п -Ь Хоча грунт дуже погано проводить електричний струм, але розміри зони розтікання струму в землі є настільки великими, що значення опору R має порядок одиниць Ом. Наприклад, при р = 100 Ом м (розрахункове значення питомого опору грунту) та b = 10 м значення R становить лише 1,6 Ом. Реальні значення опору розтікання на місцевих підстанціях та у багатоповерхових житлових будинках із залізобетонним фундаментом може складати десяті частки Ом. Навколо інших будівель, для забезпечення надійного захисту від ураження електричним струмом, треба улаштовувати контур уземлення. Традиційна технологія улаштування контурів уземлення передбачає забивання у ґрунт сталевих штирів діаметром 10 ... 12 мм та довжиною 2 ... З м, приєднання до штирів за допомогою електрозварювання сталевих штаб 3 х 25 мм або 4 х 20 мм та виведення однієї або декількох таких штаб у будівлю для приєднання до шин уземлення в приміщеннях. Така техноло­ гія суттєво ускладнює процес монтування контуру уземлення, оскільки потребує наявності спеціального обладнання (зварювальних апаратів), та участі у проведенні цих робіт електрозварювальників. Слід також зазначити, що сталеві деталі, занурені у ґрунт з часом сильно кородують, навіть якщо вони мають електрохімічне покриття шаром цинку (3 ... 5 мкм). Сучасна технологія улаштування контурів уземлення (рис. 2.12) пе­ редбачає застосування спеціальних компонентів уземлення, виготовле­ них зі сталі, оцинкованої гарячим способом з шаром цинку до 100 мкм. Вертикальні електроди конструктивно виконуються з окремих елементів діаметром 20 мм та довжиною 1.5 або 2 метра, які з’єднуються методом зрощування. На нижній торець першого елемента монтується литий на­ конечник підвищеної твердості, що полегшує занурення складеного елек­ троду у ґрунт. На верхньому елементі вертикального електроду монту­ ється універсальний затискач. За його допомогою виконується приєднан­ ня сталевої штаби 40 х 4 мм та сталевої ізольованої вивідної штанги. Для герметизації з’єднання використовується антикорозійна стрічка. Елект­ роди діаметром 20 мм мають достатню жорсткість для виконання їх занурювання за допомогою кувалди. Перед занурюванням електродів необхідно підготувати заглиблення в ґрунті на глибину не менше 0,5 м. 110

Глава 2. ЕЛЕКТРИЧНА АПАРАТУРА ТА БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ 2.2. Захисне уземлення та роль захисних електричних апаратів у системах захисного уземлення

Рис. 2.12. Улаштування контуру уземлення за сучасною технологією: а - компоненти контуру уземлення (1 - литий наконечник; 2 - елемент вертикального електроду; 3 - бойок; 4 - універсальний з’єднувач; 5 - сталева штаба; 6 - антикорозійна стрічка; 7 - вивідна штанга; 8 - кріплення штанги до стіни; 9 - затискач для приєднання мідного проводу); б - забивання вертикального електроду у грунт; в - приєднання сталевої штаби до вертикального електроду за допомогою універсального затискача; г - гідроізоляція з’єднання за допомогою антикорозійної стрічки

Переважна більшість мереж живлення в діапазоні низьких напруг пе­ редбачає уземлення точки з’єднання вторинних обмоток силового трансфор­ матора місцевої підстанції через уземлювальний провідник з нехтовно малим імпедансом. Такі мережі називають мережами з глухоуземленою нейтраллю (solidly earthed neutral system). Ці мережі застосовуються практично в усіх будівлях житлового, цивільного й виробничого призначення. Лише в деяких електроустановках виробничого й невиробничого призначення з підвищеними вимогами щодо безпеки (шахти, ГЗК, деякі хімічні виробниц­ тва, метрополітен тощо) застосовуються мережі з ізольованою нейтраллю (isolated neutral system). На підстанціях, що живлять такі електроустановки, вторинні обмотки силових трансформаторів з’єднують у трикутник. Зами­ кання одного з проводів трифазної лінії на землю не перериває електропоста­ чання й не призводить до іскріння та виникнення електричної дуги в місці пошкодження, отже не утворює умов виникнення вибухів та пожеж. Мережі з ізольованою нейтраллю виявляються також в деякій мірі без­ печнішими з точки зору прямих дотиків в умовах відсутності пошкоджень (рис. 2.13), оскільки в цьому випадку відсутній замкнений контур, яким міг би текти струм через тіло людини. Але у разі замикання на землю іншого лінійного провід­ ника, до людини (між рукою та ногами) буде прикладена міжлінійна напруга.
Рис. 2.13. Прямий дотик в мережі з ізольованою нейтраллю

111

Глава 2. ЕЛЕКТРИЧНА АПАРАТУРА ТА БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ 2.2. Захисне уземлення та роль захисних електричних апаратів у системах захисного уземлення

Непрямі дотики в мережах з ізольованою нейтраллю так само небез­ печні, як і прямі, але якісно виконане захисне уземлення металевих корпу­ сів електроустановок у певній мірі розв’язує проблему захисту від непря­ мих дотиків. Напруга дотику (touch voltage) Ut в умовах, показаних на рис. 2.14, може бути розрахована за формулою:

де і/ l l - напруга між лінійними провідниками; Rc - опір розтіканню струму від уземленої електроустановки; RL - опір розтіканню струму від точки контакту пошкодженої лінії з землею.

Якщо R l » R e, а таке співвідношення має місце у переважній більшості випадків, то напруга дотику буде безпечною. Якщо ж значення RL та Rc бу­ дуть сумірними, то уземлення не розв’язує проблему захисту. В цьому випа­ дку захист забезпечується лише апаратами різницевих струмів, які забезпе­ чать захист й від прямих дотиків. Апарати захисту від коротких замикань (запобіжники й автоматичні відмикачі) в мережах з ізольованою нейтраллю, на відміну від мереж з глухоуземленою нейтраллю, не забезпечують захист від непрямих дотиків, а захищають лише проводи та кабелі від надструмів. До речі, популярна викрутка-індикатор фази (рис. 2.15) в системах з ізольованою нейтраллю виявляється непридатною для застосування за своїм призначенням - визначення, чи є заживленим той чи інший лінійний провідник, внаслідок відсутності замкненого контуру в колі з індикатором (нейтраль не уземлена). Але цей індикатор може виявитися корисним для виявлення пошкоджень - якщо по черзі торкатися викруткою лінійних провідників і при цьому виявиться, що у двох випадках індикатор засві­ титься, а у третьому не засвітиться, то це означатиме, третій лінійний про­ відник замкнений на землю, а два інших - заживлені. Якщо ж у всіх трьох випадках індикатор не світиться, то з цього факту не можна робити жод­ них висновків щодо заживленості лінійних провідників. 112

Глава 2. ЕЛЕКТРИЧНА АПАРАТУРА Т А БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНО Ї ЕНЕРГІЇ 2.2. Захисне уземлення та роль захисних електричних апаратів у системах захисного уземлення

2.2.2. Класифікація типів захисного уземлення розподільних систем. Принцип трирівневого захисту Словосполучення «distribution system» (розподільна система) вжива­ ється в текстах багатьох стандартів ІЕС, хоча й не визначається. Виходячи із змісту, який надається цьому поняттю в стандартах, будемо розглядати розподільну систему як сукупність розподільних кіл, розподільних при­ строїв та прикінцевих кіл. При цьому розподільна система або розподі­ льна мережа низької напруги змінного струму розпочинається з вихідних терміналів підстанції (термінали вторинних обмоток силового трансфор­ матора), а закінчується на терміналах навантаги (увідних терміналах та терміналах для приєднання уземлювальних провідників). Базовий стандарт для електроустановок будівель ІЕС 60364-1 вводить спеціальне кодування розподільних систем щодо типів їх уземлення, тобто способів приєднання терміналів уземлення до уземлювальних електродів. Згідно з цим стандартом літерні коди мають вказані нижче значення. Перша літера коду означає зв’язок енергосистеми із землею: Т - без­ посереднє з ’єднання однієї точки системи з землею; І - усі активні частини ізольовані від землі або одна точка приєднана до землі через імпеданс. Друга літера коду означає зв’язок відкритих струмопровідних частин із землею: Т - безпосереднє електричне з’єднання відкритих струмопровідних частин із землею незалежно від уземлення будь-якої точки енергосистеми; N - безпосереднє електричне приєднання відкритих струмопровідних частин до уземленої точки, причому у системах змінного струму уземленою точкою зазвичай є нейтральна точка (РЕ або N провідники, що йдуть від підстанції'). Наступні літери, якщо вони є, характеризують компоновку N та РЕ провідників: S - захисна функція забезпечується РЕ провідником, який відділений (separate) від робочого нейтрального провідника N; С - функції робочого нейтрального та захисного провідників поєднані (common) в одному провіднику, яким є PEN провідник. В стандарті ІЕС 60364-1 розглядаються такі типи уземлення* розпо­ дільних систем: TN-C; TN-S; TN-C-S; ТТ; IT (рис. 2.16).
Системи з глухоуземленою нейтраллю Систем* з ізольоваь ою нейтраллю

T N -C

TN-S

TN-C-S

ТТ

IT

Системи «занулення»

Системи уземлення

Рис. 2.16. Класифікація типів захисного уземлення розподільних систем

Приєднання металевих корпусів електроустановок до уземлювального провідника, з’єд­ наного безпосередньо з уземлювальним електродом у вітчизняній нормативній літературі (зокрема, в ПУЕ) називають «заземленням», а приєднання металевих корпусів електроуста­ новок до РЕ або PEN провідників, що йдуть від підстанції, - іноді називають «зануленням».

113

Глава 2. ЕЛЕКТРИЧНА АПАРАТУРА Т А БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНО Ї ЕНЕРГІЇ 2.2. Захисне уземлення та роль захисних електричних апаратів у системах захисного уземлення

С истема TN-C (рис. 2.17), яка є найбільш розповсюдженою в нашій країні, передбачає поєднання робочого нейтрального провідника (N про­ відника) та захисного провідника (РЕ провідника) в одному провіднику (PEN провіднику) в усій системі. На промислових підприємствах безпеч­ ність цієї системи забезпечується тим, що по-перше, корпус електроуста­ новки приєднується не так, як зображено на рис. 2.17, а за допомогою окремого провідника, проведеного від розподільного щитка. Крім того, корпус приєднується до загальної шини уземлення, яка виконує функції й еквіпотенціальної шини. У поєднанні з якісними апаратами захисту від коротких замикань (SCPD), заходи такого уземлення забезпечують надійний захист від непрямих дотиків. Захист від прямих дотиків в системі TN-C не забезпечується, а вста­ новлення відмикачів різницевих струмів (R.CCB) в цій системі унеможли­ влюється низкою причин. По-перше, представлені на ринку трифазні RCCB є чотириполюсними, а однофазні - двополюсними, тобто один полюс розриває нейтральний провідник, який в системі TN-C виконує функції й захисного провідника, а це суперечить вимогам ПУЕ, згідно з якими в колі захисного провідника не повинно бути не тільки комута­ ційних, а й роз’ємних контактів. По-друге, навмисне або випадкове приєднання корпусу електроустановки до будь-якого елементу уземлювальної конструкції (earthing arrangement) - загальної шини уземлення, струмопровідної підлоги, металоконструкцій будівлі тощо буде приводи­ ти до виникнення струмів витоку й помилкового спрацьовування RCCB. По-третє, RCCB, вмонтоване у цю систему, не буде забезпечувати захист від прямого дотику, якщо людина, стоячи на ізоляційному засобі (сухий дерев’яний стілець, гумовий килимок тощо), однією рукою торкається корпусу електроустановки, а іншою - лінійного провідника. Нарешті, помилкове приєднання (PEN провідник приєднано до SCPD, а лінійний - до корпусу електроустановки) або обрив PEN провідника призведе до виникнення на корпусі потенціалу лінійного провідника.

Рис. 2.17. Система TN-C

114

Глава 2. ЕЛЕКТРИЧНА АПАРАТУРА ТА БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ 2.2. Захисне уземлення та роль захисних електричних апаратів у системах захисного уземлення

Система TN-S (рис. 2.18) вважається найбільш безпечною з усіх систем. Відповідно до розглянутого вище літерного кодування, ця система передбачає уземлення нейтралі на підстанції (перша літера Т), приєднання корпусів електроустановок до захисного уземлювального провідника, який йде від підстанції (друга літера N) та розділення робочого нейтрального та захисного уземлювального провідників в усій системі (третя літера S).

Система TN-S забезпечує захист від непрямих дотиків, якщо апарати захисту від надструмів (SCPD) підібрані з урахуванням нерівності (2.1), до того ж надійність захисту підвищується за умови застосування еквіпо­ тенціальних з ’єднань та виконання повторних уземлень. Помилкове при­ єднання однофазної навантаги (місця приєднання робочого нейтрального та лінійного провідників переплутані) або обрив N провідника не призво­ дить до підвищення потенціалу корпусу електроустановки. Нарешті ця система цілком сумісна з апаратами захисту від струмів витоку (RCCB), які можуть бути підключені між SCPD та навантагою, що забезпечить надійний захист від прямих дотиків навіть у такій важкій ситуації, коли людина, стоячи на ізоляційному засобі (сухий дерев’яний стілець, гумовий килимок тощо), однією рукою торкається корпусу електроустановки, а іншою - лінійного провідника. Недоліком системи TN-S є необхідність застосування спеціальних п ’ятипровідних кабелів або улаштування в інший спосіб п ’ятипровідної лінії від підстанції. С истема TN-C-S (рис. 2.19) в одній частині має властивості системи TN-C, а в іншій - TN-S. Вона, у певній мірі, поєднує переваги систем TN-C (чотирипровідна лінія від підстанції) та TN-S {можливість застосу­ вання еквіпотенціальних з ’єднань та повторних уземлень, надійний захист від непрямих дотиків, можливість встановлення RCCB й забезпе­ чення захисту від прямих дотиків) без докорінної перебудови існуючих електричних мереж. 115

Глава 2. ЕЛЕКТРИЧНА АПАРАТУРА ТА БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ
2.2. Захисне уземлення та роль захисних електричних апаратів у системах захисного уземлення

Рис. 2.19. Система TN-C-S

С истема ТТ (рис. 2.20), в якій нейтраль на підстанції, як і в розгля­ нутих вище системах, приєднується до уземлювального електроду за допомогою провідника з нехтовно малим імпедансом (глухоуземлена нейтраль), відкриті струмопровідні частини (exposed conductive part: 195-06-10) уземлені шляхом приєднання до окремого уземлювального електроду, зв’язаного з уземлювальним електродом на підстанції лише через землю. В діючих в Україні ПУЕ (НПАОП 40.1-1.312-01) ця система не входить до переліку систем, рекомендованих до застосування. В інших країнах, зокрема в Росії, застосування системи ТТ допускається, але лише тоді, коли умова (2.1) щодо захисту від непрямих дотиків в системах TN не може бути забезпечена. Система ТТ передбачає обов’ язкове застосу­ вання RCCB, які здійснюють захист як від прямих, так і від непрямих дотиків. При цьому система місцевого уземлення має бути виконана таким чином, щоб забезпечити виконання умови RB < 5 0 / / ог, (2.6) де / ог - струм відмикання RCCB; - сумарний опір розтіканню струму від місцевого уземлювального електроду та уземлювального провідника (якщо RCCB застосовується для захисту декількох електроприймачів, то при розрахунку Т?Е береться до уваги уземлювальний провідник з найбі­ льшим опором). Наприклад, якщо в системі ТТ у якості SCPD застосовується автома­ тичний відмикач побутового призначення з характеристикою С25 (струм відмикання може становити 250 А), а імпеданс ZN дорівнює 0,5 Ом, то умова (2.1) не виконується й даний SCPD не забезпечує захист від непрямих дотиків. Якщо ж послідовно до SCPD приєднати RCCB з номі­ нативним різницевим струмом спрацьовування 30 мА (7ог = 30 мА) та виконати місцеве уземлення так, що найбільший сумарний опір стано­ витиме 30 Ом, то умова (2.6) виконується й даний RCCB буде забезпечу­ вати надійний захист від непрямих дотиків. 116

Глава 2. ЕЛЕКТРИЧНА АПАРАТУРА ТА БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ 2.2. Захисне уземлення та роль захисних електричних апаратів у системах захисного уземлення

Систему ТТ слід за­ стосовувати й тоді, коли електроустановка живиться через повітряну лінію, отже існує небезпека обриву PEN провідника.

Рис. 2.20. Система

С истема IT (рис. 2.21),^ в якій всі активні частини (live part) ізольовані від землі, а відкриті струмопровідні частини електроустановки уземлені незалежно або спільно, застосовуються в електроустановках спеціального призначення, до яких висуваються підвищені вимоги щодо надійності й безпеки (див. п, 2.2.1). Експлуатація цих систем вимагає постійного контролю ізоляції активних частин від землі та якості уземлення усіх відкритих металевих частин, не призначених для проведення струму. Підвищення надійності захисту від непрямих дотиків та захист від прямих дотиків в умовах пошкоджень забез­ печується застосуванням RCCB, які підключають між SCPD та навантагою.

Рис. 2.21. Система IT

Як бачимо з наведеного аналізу, жодна з систем не гарантує стовідсот­ кової безпеки при користуванні електричною енергією. До того ж, надій­ ність захисту від ураження електричним струмом знижується внаслідок так званого «людського фактору», для вилучення якого міжнародні стандарти рекомендують застосовувати принцип потрійного захисту, тобто поєднання трьох ступенів захисту від ураження електричним струмом: основний захист (basic protection), захист при пошкодженнях (fault protection) та додатко­ вий захист (additional protection). В стандарті ІЕС 61140 сформульоване основне правило захисту від ураження електричним струмом: небезпечні активні частини не повинні 117

Глава 2. ЕЛЕКТРИЧНА АПАРАТУРА ТА БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНО Ї ЕНЕРГІЇ 2.2. Захисне уземлення та роль захисних електричних апаратів у системах захисного уземлення

бути доступними, а доступні струмопровідні част ини не повинні бути небезпечно заж ивленими (hazardous-live-parts shall not be accessible and accessible conductive parts shall not be hazardous live). Це правило має виконуватися як в нормальних умовах, так і в умовах пошкоджень. Основний захист — це захист від ураження електричним струмом в умовах відсутності пошкоджень, який має забезпечуватися заходами, які в нормальних умовах виключають контакт з небезпечними активними частинами, в першу чергу, за рахунок якісної основної ізоляції. Захист при пошкодженнях забезпечується застосуванням подвійної або посиленої ізоляції, розділенням електричних кіл, уземленням доступних струмопровідних частин, зрівнюванням їх потенціалів, а також застосу­ ванням електричних апаратів, які автоматично відключають джерело живлення внаслідок коротких замикань, що виникають при пошкодженнях. Додатковий захист - це захисні засоби, додаткові до основного захисту та захисту при пошкодженнях. Застосування апаратів захисту від струмів витоку (RCCB) з номінативним різницевим струмом спрацьовуван­ ня, що не перевищує ЗО мА, стандарт ІЕС 61140 розглядає як необхідний додатковий засіб, коли засоби основного захисту та захисту при пошко­ дженнях виявляються неефективними або для запобігання уражень внаслідок недбалого використання обладнання. На рис. 2.22, як приклад, представлена схема, в якій реалізується принцип потрійного захисту. Засоби першого рівня захисту помічені літе­ рою В (Basic protection), засоби другого рівня - літерою F (Fault protection), засоби третього рівня - літерою R (додатковий захист за допомогою RCCB).
Рис. 2.22. Приклад схеми електроустановки, в якій реалізується принцип потрійного захисту. Основний захист забезпечується якісною ізоляцією розеток, а також надійним ізолюванням активних частин обладнання від їх металевих корпусів. Захист при пошкодженнях забезпечується приєднанням доступних струмопровідних частин, а також захисних терміналів розеток ЩУКО до шини зрівнювання потенціалів, яка уземлюється та приєднується до PEN провідника, а також застосуванням адекватних апаратів захисту від надструмів. Додатковий захист забезпечується застосуванням апаратів захисту від струмів витоку з номінативним різницевим струмом спрацьовування, що не перевищує ЗО мА.

118

Глава 2. ЕЛЕКТРИЧНА АПАРАТУРА Т А БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕН Е РП Ї

2.3. Захисні властивості та захищеність електричної апаратури 2.3.1. Захисні властивості електричної апаратури Електромеханічні апарати, тобто апарати з контактними комутацій­ ними елементами, та напівпровідникові комутаційні конкурують між собою в різних сегментах ринку комутаційної апаратури. Аналіз реальної ситуації свідчить про те, що в системах розподілення електричної енергії електромеханічні комутаційні апарати (роз’єднувачі, вимикачі, відмикачі, контактори, пускачі, апарати кіл керування тощо) міцно утримують ринок і за прогнозами виробників цей ринок в майбутньому буде зростати. Це пояснюється такими унікальними властивостями електромеханічних комутаційних апаратів, як незначне падіння напруги на замкнених контактах при проходженні через них робочого струму (див. п. 1.3.2), а також можливістю забезпечувати функцію роз’єднання, гальванічне розділення та гарантовану (жорстку) операцію розмикання - функції, які є дуже важливими з точки зору електробезпеки. Функція роз’єднання (isolation*) - це функція, призначенням якої є переривання живлення від усієї або окремої частини електроустановки шляхом відділення установки або її частини від будь-якого джерела елект­ ричної енергії з міркувань безпеки. До апарата, придатного до роз’єднання, висуваються вимоги щодо імпульсної витримуваної напруги та струмів витоку. Значення імпульсної витримуваної напруги ставиться у залежність від номінальної напруги системи живлення та категорії перенапруги** (over­ voltage category) обладнання, до якого має відношення відповідний апа­ рат. В міжнародному стандарті стосовно координації ізоляції ІЕС 60664-1 визначаються чотири категорії для обладнання, призначеного для роботи в мережах низької напруги: • обладнання категорії IV - це обладнання, призначене для застосу­ вання у початковій точці електричної установки (origin o f the electrical installation), наприклад вимірювальні трансформатори струму, апарати захисту від імпульсних виплесків струму та напруги тощо;
В базовому стандарті щодо комутаційної апаратури низької напруги ІЕС 60947-1 до терміну isolation додається синонім - (isolation (isolating function)), а у частині 442 IEV вводиться поняття повного роз’єднання (fiill-disconnection), як здійснення такого розве­ дення контактів у полюсі (комутаційного апарата), яке забезпечує еквівалент основної ізоляції між мережею живлення та тими частинами, що мають бути від’єднаними від живлення. Це визначення за змістом збігається з визначенням функції роз’єднання. У тій же частині IEV вводиться й поняття мікророз’єднання (micro-disconnection), що означає здійснення такого розведення контактів у полюсі, яке забезпечує функціону­ вання (апарата) за призначенням (functional performance). **В ІЕС 60664-1 категорія перенапруги визначається як числова характеристика режиму імпульсної перенапруги

119

Глава 2. ЕЛЕКТРИЧНА АПАРАТУРА Т А БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ 2.3. Захисні властивості та захищ еність електричної апаратури

• обладнання категорії III - це обладнання стаціонарних електроуста­ новок, коли до надійності та працездатності обладнання висуваються спеціальні вимоги, наприклад, вимикачі та відмикачі стаціонарних промислових установок; • обладнання категорії II - це обладнання, що споживає енергію та живиться від стаціонарних електроустановок, наприклад, електропобутові апарати, електроінструмент та інші побутові та аналогічні навантаги; • обладнання категорії І - це обладнання, призначене для приєднання до кіл, у яких застосовуються заходи щодо обмеження перехідних перенапруг до відповідного низького рівня, наприклад, обладнання, що містить електронні пристрої. В стандарті ІЕС 60947-1 наводяться значення номінативної імпульс­ ної витримуваної напруги (rated impulse withstand voltage; t/irap) для апа­ ратів у залежності від номінальної напруги мережі живлення та категорії перенапруги. Зокрема, при номінальній напрузі мережі живлення 220 / 380 В (230 / 400 В) пікові значення витримуваних імпульсів певної форми мають бути такими: для обладнання категорії IV - 6 кВ; категорії III - 4,5 кВ; категорії II - 2,5 кВ та категорії 1—1,5 кВ. Форма випробувальних імпульсів (рис. 2.23) регламентується стандартом ІЕС 61180-1 й позначається двома числами, розділеними похилою рискою. Перше число Ти виражене у мікросекундах, позначає віртуальну тривалість фронту (virtual front time), а друге число - Т2, також виражене у мікросекундах, позначає віртуальний час півспаду (virtual time to half-value). При випробуваннях електричних апаратів та суміжного обладнання найчастіше застосовуються імпульси 1,2/50; 8/20 та 10/350.

Рис. 2.23. Форма випробувального імпульсу напруги (у відносних одиницях) за ІЕС 61180

Випробування електромеханічних комутаційних апаратів на здатність витримувати імпульсні перенапруги полягає у перевірці відсутності пробоїв під час прикладання до певних частин апарата випробувальної імпульс­ ної напруги 1,2/50. Схема випробувань наведена на рис. 2.24. Порядок випробувань, тобто кількість імпульсів, їх полярність та тривалість пауз між імпульсами встановлюється стандартами на відповідні апарати. 120

Глава 2. ЕЛЕКТРИЧНА АПАРАТУРА Т А БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНО Ї ЕНЕРГІЇ 2.3. Захисні властивості та захищ еність електричної апаратури

Зокрема при випробуваннях автоматичних відмикачів побутового та аналогічного застосування стандарт на відповідний продукт (ІЕС 60898-1) встановлює такий порядок випробувань. За трьома імпульсами позитивної полярності слідують три імпульси негативної полярності з інтервалами між імпульсами однієї полярності не менше 1 с та інтервалами між імпульсами різної полярності не менше 10 с. При випробуваннях відмикач встановлюється на металевій основі. У першій серії дослідів випробувальна напруга прикладається між з’єд­ наними разом терміналами з боку джерела живлення та з ’єднаними разом терміналами з боку навантаги. При цьому контакти повинні бути у розімкненому стані. У другій серії дослідів випробувальна напруга прикладаєть­ ся між лінійними полюсами, з’єднаними разом, та нейтральним полюсом (якщо він є). У третій серії дослідів випробувальна напруга прикладається між металевою основою, приєднаною до термінала уземлення (якщо він є) та з ’єднаними разом лінійними полюсами й нейтральним полюсом (якщо він є). Значення піків випробувальної напруги мають бути більшими за номінативну імпульсну витримувану напругу й залежать від висоти над рівнем моря місцевості, де проводяться випробування, та від номінальної напруги мережі. Зокрема, у більшості європейських країн застосовуються трифазні мережі з номінальною напругою 230/400 В, а номінативна імпу­ льсна витримувана напруга для відмикачів, що застосовуються у цих мережах встановлюється на рівні 4 кВ. Побутова апаратура випробується при більших значеннях напруги. Зокрема стандарт ІЕС 60898-1 визначає такі пікові значення (у кіловольтах) імпульсів випробувальної напруги у залежності від висоти над рівнем моря (табл. 2.1):
Таблиця 2.1. Пікові значення імпульсів випробувальної напруги Серія дослідів при випробуваннях на здатність витримувати імпульсні перенапруги Серія І Серія 2, Серія 3 Висота над рівнем моря, м 0 6,2 4,9 200 6,0 4,8 500 5,8 4,7 1 000 5,6 4,4 2 000 5,0 4,0

Рис. 2.24. Схема випробувань електромеханічних комутаційних апаратів на здатність витримувати імпульсні перенапруги: 1 - генератор імпульсів (impulse generator); 2 - кліматична камера (climatic cabinet); З - зразок для випробувань (test specimen); 4 - цифровий запам’ятовувальний осцилограф (digital storage oscilloscope); 5 - комп’ютер (computer); 6 - ультрафіолетове підсвічування (UV illumination); 7 - високовольтний щуп (high voltage probe); 8 - шина даних (data-bus).

121

Глава 2. ЕЛЕКТРИЧНА АПАРАТУРА Т А БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНО Ї ЕНЕРГІЇ 2.3. Захисні властивості та захищ еність електричної апаратури

Крім здатності витримувати імпульсні перенапруги, для апаратів низької напруги, придатних до роз’єднання, стандарт ІЕС 60947-2 вста­ новлює також вимоги щодо струму витоку через контакти, що знаходяться у розімкненому стані. Згідно з цими вимогами, при напрузі 1,1 • Ue , де Ue - номінативна робоча напруга (rated operational voltage), цей струм не повинен перевищувати 0,5 мА на кожний полюс нового апарата та 2 мА на кожний полюс апарата, який вже здійснював операції вмикання та відми­ кання згідно з умовами випробувань, що встановлюються стандартом на відповідний апарат. Струм витоку у 6 мА при 1,1 • Ue є граничним значенням для апаратів, придатних до роз’єднання і не може перевищува­ тися за будь-яких обставин. Апарати, придатні до роз’єднання, мають забезпечувати еквівалент основної ізоляції, тобто гарантувати такі ж ізоляційні властивості, як і основна ізоляція між активними частинами мережі живлення та тими частинами, до яких буде необхідно дотикатися після розведення контактів у полюсі, наприклад, і метою демонтування обладнання (рис. 2.25-а). Інакше кажучи, апарати, придатні до роз’єднання, при розімкнених конта­ ктах мають забезпечувати основний захист від ураження електричним струмом. Базовий стандарт з електробезпеки ІЕС 61140 рекомендує пере­ віряти здатність ізоляції апарата (зокрема, між розімкненими контактами) обмежувати струм дотику до рівня, допустимого для людини, вимірюючи струм в резисторі з опором 2000 Ом, що приєднується між двома доступ­ ними частинами (рис. 2.25-6). Цей струм не повинен перевищувати зна­ чень 0,5 мА у колах змінного струму або 2 мА у колах постійного струму.

Рис. 2.25. Робота, що вимагає дотику до апарата, придатного до роз’єднання (а) та перевірка придатності до роз’єднання (б)

До апаратів, придатних до роз’єднання, стандарт ІЕС 60947-1 вису­ ває вимоги щодо положення головних контактів, згідно з якими індикація положення головних контактів (замкнене чи розімкнене) повинна забез­ печуватися одним чи декількома із зазначених нижче засобів: положенням актуатора; окремим механічним індикатором; видимістю рухомих контактів. Якщо корпус апарата є непрозорим, отже, рухомий 122

Глава 2. ЕЛЕКТРИЧНА АПАРАТУРА ТА БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНО Ї ЕНЕРГІЇ 2.3. Захисні властивості та захищ еність електричної апаратури

контакт не можна розгледіти ззовні, то про положення головних контактів можна судити, виходячи з положення актуатора та/або з показання механічного індикатора. Зокрема, у разі приварювання головних контактів актуатор не повинен знаходитися у положенні О та/або індикатор положення контактів не повинен показувати їх розімкнений стан. Здатність до роз’єднання не слід плутати з гальванічним розділенням (galvanic separation) - запобіганням виникненню електричної провідності між двома електричними колами, призначеними для передачі енергії та/або сигналів. У залежності від конструкції, комутаційні апарати з контактними комутаційними елементами можуть бути придатними або не придатними до роз’єднання, хоча переважна більшість таких апаратів забезпечує гальванічне розділення кіл. На рис. 2.26 наведено фото реле з високим рівнем гальванічного розділення. Виробник гарантує електричну міцність ізоляції між контактами та котушкою 4000 В (rms), між сусідніми контакт­ ними елементами - 3000 В, а між розімкненими контактами одного кон­ тактного елементу, які мають комутаційну здатність 5 А при резистивній навантазі й напрузі до 250 В змінного струму, - лише 1000 В, що не відповідає вимогам до апаратів, придатних до роз’єднання. Те ж саме стосується й деяких апаратів кіл керування. Багатополюсні апарати, при­ значені для роботи у силових колах, наприклад, відмикачі промислового призначення (див. п. 4.1.3) або побутового застосування (див. п. 4.1.4) згідно з вимогами профільних стандартів мають задовольняти вимогам щодо функції роз’єднання й забезпечують гальванічне розділення кіл окремих полюсів головних кіл та кіл керування.

Рис. 2.26. Електромагнітне реле, яке забезпечує гальванічне розділення кіл, але не задовольняє вимогам щодо функції роз’єднання

Апарати з напівпровідниковими комутаційними елементами зазви­ чай не відповідають вимогам щодо придатності до роз’єднання. Вимикання кола таким апаратом не забезпечує рівня основної ізоляції щодо здатності витримувати імпульси випробувальної напруги, хоча напівпровідникові апарати можуть забезпечувати гальванічне розділення. Наприклад, схема комутаційного апарата постійного струму, побудована за допомогою біполярного транзистора (рис. 2.27-а), не забезпечує гальванічне розділення головного кола та кола керування. На базі сучасних оптотранзисторів можна створити комутаційний апарат (рис. 2.27-6), який забезпечує галь­ ванічне розділення головного кола та кола керування. 123

Глава 2. ЕЛЕКТРИЧНА АПАРАТУРА Т А БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНО Ї ЕНЕРГІЇ 2.3. Захисні властивості та захищ еність електричної апаратури

Навантага

SA

; +

ь

к

Навантага

sa

а) б) Рис. 2.27. Електричні схеми напівпровідникових комутаційних апаратів а - без гальванічного розділення; б - з гальванічним розділенням головного кола з напругою живлення та кола керування з напругою живлення £/2

Ще одна важлива функція, яку можуть забезпечувати електромеха­ нічні комутаційні апарати, - це гарантована або примусова операція роз­ микання (positive opening operation), яка, у відповідності до визначених вимог, гарантує, що усі головні контакти будуть у розімкненому стані, коли актуатор апарата знаходиться у положенні, яке відповідає розімкненому положенню апарата. Гарантована операція розмикання забезпечується, зазвичай, в апараті з жорстким механічним зв’язком (принаймні, у частині робочого ходу) між рухомим контактом та актуатором (рис. 2.28-а). Інакше (рис. 2.28-6), операція розмикання не гарантується (за рахунок зварення, заклинення тощо). Функція гарантованої операції розмикання є дуже важливою для апаратів з непрозорими оболонками, які мають задовольняти вимогам щодо функції роз’єднання.

Рис. 2.28. Комутаційні апарати, що забезпечують (а) та не забезпечують (б) функцію гарантованої операції розмикання

Функція гарантованої операції розмикання є також дуже важливою для таких апаратів кіл керування як позиційні перемикачі (див. п. 4.1.7). У новітній англомовній технічній літературі, зокрема, у стандарті ІЕС 60947-5-1, а відтак і у каталогах фірм, поряд з терміном «positive opening operation» вживається близький за змістом термін «direct opening action». Переклад терміну «direct opening action» на українську мову має адекватно характеризувати цей тип розмикання: «розмикання прямої дії». Напри­ клад, «control switch with direct opening action» - це «перемикач кіл керу­ вання з розмиканням прямої дії». 124

Глава 2. ЕЛЕКТРИЧНА АПАРАТУРА Т А БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНО Ї ЕНЕРГІЇ 2.3. Захисні властивості та захищ еність електричної апаратури

2.3.2. Захищеність електричної апаратури від проникнення сторонніх предметів та вологи Вимоги щодо захищеності електричної апаратури від проникнення сторонніх предметів та вологи сформульовано в міжнародному стандарті ІЕС 60529 - ступені захисту, що забезпечуються оболонками (коди IP). Оболонка (enclosure) - це кожух (housing), що забезпечує тип та ступінь захисту відповідно до призначеного застосування. Серед інших призначень оболонок, дуже важливим є забезпечення захисту людей та свійських тварин від доступу до небезпечних частин й можливого ураження електричним струмом. Згаданий стандарт містить низку визначень, важливих для розуміння призначення й сфери його застосування. Ступінь захисту (degree of protection) - це міра захисту, що забезпе­ чується оболонкою від доступу до небезпечних частин, від потрапляння твердих зовнішніх предметів та (або) води та яка перевіряється стандарт­ ними методами випробувань. Код IP (IP Code) - це система кодування, яка застосовується для позна­ чення ступенів захисту, що забезпечуються оболонкою, від доступу до небезпечних частин, від потрапляння твердих зовнішніх предметів й води та для надання додаткової інформації, стосовно такого захисту. Небезпечна частина (hazardous part) - це частина, наближатися до якої або торкатися якої небезпечно. Небезпечні частини стандарт поділяє на небезпечні активні частини (hazardous live parts) - частини, дотик до яких може викликати ураження електричним струмом, та небезпечні механічні частини (hazardous mechanical parts) - рухомі частини (крім гладких валів) що обертаються, яких небезпечно торкатися. Структура коду IP зображена на рис. 2.29.
Літери коду (International Protection - Міжнародне позначення Захищеності) Перша характеристична цифра (0 ... 6 або літера X) Друга характеристична цифра (0 ... 8 або літера X) Додаткова літера (за необхідністю -літери А, В, С, D) Допоміжна літера (за необхідністю -літери Н, М, S) Позначення положення, при якому забезпечується захист (за необхідністю) Рис. 2.29. Структура коду IP (літеру X записують, якщо нема необхідності нормувати характеристичну цифру)

J

№□□□□□

125

Глава 2. ЕЛЕКТРИЧНА АПАРАТУРА Т А БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНО Ї ЕНЕРГІЇ 2.3. Захисні властивості та захищ еність електричної апаратури

Перша характеристична цифра вказує, що оболонка забезпечує: • захист людей від доступу до небезпечних частин, запобігаючи або обмежуючи проникнення якої-небудь частини тіла людини або предмету, що знаходиться в руках людини; • захист обладнання, що знаходиться всередині оболонки, від проник­ нення зовнішніх твердих предметів. Значення першої характеристичної цифри коду IP наведені в табл. 2.2.
Таблиця 2.2. Значення першої характеристичної цифри коду IP Цифра 0 1 Захист від Захист від проникнення доступу тильним твердих предметів боком руки діаметром >50 мм І 2 Захист від Захист від проникнення доступу пальцем твердих предметів руки діаметром > 12,5 мм 3 Захист від проникнення твердих предметів діаметром > 2,5 мм 4 Захист від проникнення Захист від твердих предметів діаме­ доступу дротом тром > 1 мм ,0 5 6 Пилонепроникне виконання

Значення для захисту апаратів

Пилозахищене виконання

Нема захисту

Значення для захисту людей

050и л * Мнемоніка

0І2фіии

f а

[и

Вг т і

ш

ш

Захист від потрапляння зовнішніх предметів передбачає, що щупи доступу (рис. 2.30-а, б) не повинні проходити через отвори в оболонці повністю. Об’єктні щупи (рис. 2.30-в, г) не повинні проникати в оболонку. Пилозахищені оболонки (цифра 5) за певних умов можуть пропускати обмежену кількість пилу. Пилонепроникні оболонки (цифра 6) не повинні допускати проникнення будь-якого пилу. Друга характеристична цифра означає ступінь захисту стосовно шкід­ ливого впливу на обладнання води, яка проникає крізь оболонку. Значення другої характеристичної наведені в табл. 2.3. Позначення другою характеристичною цифрою до 6 включно озна­ чає відповідність усім вимогам для менших цифр. Оболонки, які позна­ чаються лише однією цифрою 7 або 8 не обов’язково повинні витримува­ ти впливи струменів води. Якщо необхідно позначити, що обладнання здатне витримувати як занурення, так і вплив струменів, треба застосову­ вати подвійне кодування, наприклад ІРХ5/ІРХ8 або ІРХ6/ІРХ7 тощо. 126

Захист від доступу дротом

Захист від доступу дротом

Захист від доступу інструментом

Нема захисту

Глава 2. ЕЛЕКТРИЧНА АПАРАТУРА Т А БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ 2.3. Захисні властивості та захищ еність електричної апаратури

■

100

0 50

рукоятка обмежувач (ізоляційний матеріал) а')

сфера (метал)

рукоятка обмежувач (ізоляційний матеріал)

в)

~Ю0

.

^-4-^

~юо — -------------- 1 — 1
(метал) сфера 0 35

------------------------ А
^рукоятка обмежувач' (ізоляційний матеріал)

< а

Рис. 2.30. Стандартні щупи доступу та об’єктні щупи (ІЕС 60529): а - щуп доступу для перевірки захисту від проникнення всередину оболонки тильни\ боком руки; б - щуп доступу для перевірки захисту від проникнення всередину оболонки пальцем (шарнірний випробувальний палець - jointed test finger); в - об’єктний щуп д;я перевірки захисту від проникнення всередину оболонки інструментом; г - об’єктний щуп і л я перевірки захисту від проникнення всередину оболонки дротом Таблиця 2.3. Значення другої характеристичної цифри коду IP Цифра
0 1

2 Захист від падіння крапель п кутом д 15° ід о

3

4

5

1

8 Захист при тривалому глибокому зануренні О » З ™ 7 » 1 м) ■ О .-, . ,0

Захист від вертикального падіння крапель

Значення для захисту апаратів

Мнемоніка

1В

ФФ % 19 т
Й і

Додаткова літера позначає ступінь захисту людей від доступу до небезпечних частин, й застосовується лише у випадках, коли: 127

Захист при тимчасовому неглибокому зануренні (до 30 хв.; 0,15 ... 1,0 м)

Захист від суцільного оббризкування

Захист від потужних водяних струменів

Захист від водяних струменів

Захист від дощу

Нема захисту

Глава 2. ЕЛЕКТРИЧНА А ПАРАТУРА ТА БЕЗПЕЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ 2.3. Захисні властивості та захищ еність електричної апаратури

• реальний захист людей від доступу до небезпечних частин є біль­ шим ніж захист, позначений першою характеристичною літерою; • захист людей від доступу до небезпечних частин обладнання визна­ чено, але перша характеристична літера замінена символом X. Наприклад, більший захист може бути забезпечений встановленням бар’єрів, спеціальною формою отворів або за рахунок відстаней всередині оболонки. Значення додаткової літери коду IP наведені в табл. 2.4.
Таблиця 2.4. Значення додаткової літери коду IP Літера Значення для захисту людей А в Захист від Захист від доступу тильним доступу пальцем боком руки руки - М0м" Мнемоніка 012,5м м

с
Захист від доступу інструментом 02,5м ^__^ м

D
Захист від доступу дротом 01 м _ м ---

г “ jT F Ik і * і j

Н* 1 П Г Ь 7
▼ 80м П м L м Д У1 іі

“ 1 ґ п

Ш

Допоміжна літера, яка записується після другої характеристичної циф­ ри або додаткової літери, позначає деяку допоміжну інформацію (табл. 2.5).
Таблиця 2.5. Значення допоміжної літери коду IP Літера Значення Апарат(обладнання)високої напруги Випробувано на шкідливі впливи проникнення води, коли рухомі частини обладнання (наприклад ротор електричної машини) рухаються Випробувано на шкідливі впливи проникнення води, коли рухомі частини обладнання (наприклад ротор електричної машини) не рухаються

Н м
S

На закінчення цієї теми наведемо два приклади позначень кодами IP. ІР44 означає, що оболонка захищає людей, що тримають в руках дроти діаметром 1 мм та більше від доступу до небезпечних частин та захищає обладнання всередині оболонки, від проникнення сторонніх твер­ дих предметів діаметром 1 мм та більше (перша цифра - 4), а також захи­ щає обладнання, що знаходиться всередині оболонки, від шкідливих впли­ вів внаслідок оббризкування оболонки водою з усіх боків (друга цифра - 4). IP23CS означає, що оболонка захищає людей від доступу до небез­ печних частин пальцями та захищає обладнання від проникнення сторонніх твердих предметів діаметром 12,5 мм та більше (2); захищає обладнання, що знаходиться всередині оболонки, від шкідливих впливів води у вигляді дощу (3); захищає людей, що тримають в руках інстру­ мент діаметром 2,5 мм та більше й довжиною до 100 мм від доступу до небезпечних частин (С); оболонка випробувана на шкідливі впливи про­ никнення води, коли всі рухомі частини обладнання всередині оболонки не рухалися (S). 128

Глава З ВИМОГИ ДО ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ. УМОВИ РОБОТИ. ПОЗНАЧЕННЯ ТА МАРКУВАННЯ

3.1. Вимоги до електричних апаратів 3.1.1. Класифікація вимог до електричних апаратів Величезну кількість вимог до електричних апаратів можна поділити на дві групи: 1) вимоги щодо безпеки та 2) експлуатаційні вимоги. Сукупність вимог щодо безпеки (безпечності конструкції) електричних апаратів можна також поділити на дві групи: 1) вимоги щодо запобігання створенню небезпечних ситуацій для людей, майна й довкілля та 2) вимоги щодо запобігання утворенню перешкод для нормальної роботи інших елементів системи, у якій апарат працює. Перелік вимог зазначених двох груп наведено нижче. Вимоги щодо запобігання небезпеки для людей, майна й довкілля • застосування обладнання відповідного класу захисту; • застосування оболонок; • застосування блокувальних пристроїв; • попередження травмування іскрою та дугою; • попередження опіків при дотиках до нагрітих частин; • попередження травмування рухомими частинами; • пожежна безпечність; • вибухобезпечність; • запобігання утворенню шкідливих хімічних сполук, аерозолів; • запобігання утворенню дискомфортних умов. Вимоги щодо запобігання утворенню перешкод для нормальної роботи інших елементів системи, у якій апарат працює • запобігання утворенню комутаційних перенапруг; • запобігання утворенню електромагнітних перешкод; • запобігання утворенню механічних перешкод; • запобігання впливу на форму струму у мережі; • запобігання зниженню коефіцієнту потужності - cos ер. 129