Выключатели электрические

Выключатели электрические

ВЫКЛЮЧАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, приборы для размыкания и замыкания электрического тока в цепи с целью отключать от источника электрической энергии или приключать к нему различные приемники. В зависимости от силы (а также напряжения) тока, циркулирующего в данной цепи, можно различать электрические выключатели слабых и сильных токов. Первые применяются в технике связи, сигнализации, лабораторной практике, в небольших установках, в осветительной технике и в медицинской практике; вторые - на электрических станциях, в больших установках, в службе тяги. Электрические выключатели слабых токов нередко в силу особых требований должны быть приспособлены к удобному манипулированию или к автоматическому действию. Такие специальные электрические выключатели имеют соответственные конструкции и получают особые названия. Так, электрические выключатели для быстро следующих друг за другом кратковременных импульсов - телеграфные ключи; для автоматически производимых весьма частых разрывов в цепи - прерыватели; для изменения направления тока - коммутаторы; для перехода от одного приемника к другому - переключатели; для включения или выключения под действием определенной причины (повышение температуры, появление воды, взлом и т. п.) -  предохранители; для перерыва соединений электрической цепи при отсутствии тока -  разъединители (треншальтеры).

Общий характер электрического состояния цепи во время включения может быть пояснен на примере осцилограммы (фиг. 1) тока короткого замыкания электрической цепи 1500 V при нормальном токе в 1000 А.

Общий характер электрического состояния цепи во время включения

Как видно из хода кривой, повышение тока до 8700 А повело к напряжению в 2260 V; это - случай безопасного перенапряжения. Необходимость в современном электрохозяйстве выключать большие мощности при высоком напряжении (порядка 100 kV) с вытекающими отсюда возможными последствиями в виде появления на приемнике недопустимых перенапряжений образования в электрические выключатели мощных дуг, иногда и аварий - пожаров, взрывов и опасности для обслуживающего персонала - делает службу электрических выключателей весьма ответственной и заставляет предъявлять к их конструкции весьма сложные требования. Что же касается материалов для электрических выключателей, то требования определены: материалом для электрических выключателей служит медь, а для гасящих дугу контактов - медь и уголь. Применение меди обусловлено ее большою электро- и теплопроводностью (первое ведет к малому падению напряжения в электрических выключателях, а второе способствует быстрому гашению дуги); кроме того медь допускает легкую обработку и обладает достаточной упругостью.

Действующая часть электрических выключателей представляет во всех случаях либо рубильник, либо контактную пружину, либо ртутный контакт, причем в первых двух случаях эта часть укрепляется на поперечной перекладине (траверсе), к которой бывает приложено усилие, перемещающее действующую часть. Эта последняя м. б. единственной (однополюсный электрический выключатель), или же монтируется совместно с другой такой же частью (двухполюсный электрический выключатель), или еще с двумя (трехполюсный электрический выключатель), даже с четырьмя (четырехполюсный электрический выключатель, редко применяется). Разведение и сближение контактов электрических выключателей может производиться либо вручную, либо автоматически, главным образом с помощью электромагнита. Наконец, средой, в которой происходит сам разрыв сети, м. б. либо воздух, либо вакуум, либо изоляционное масло, в зависимости от чего электрические выключатели делятся на воздушные и масляные (масляники). В отношении всех электрических выключателей принято называть рабочей плотностью тока число ампер, приходящихся на 1 мм2 площади соприкосновения в контакте, т. е. в электрическом соединении; мощностью выключения называют произведение прерываемой силы тока на напряжение между разводимыми контактами, которое устанавливается тотчас после отключения; наконец, работа выключения выражается как

Работа выключения

где еВ - напряжение дуги, a i - ток в ней. Приближенно

Vykluchateli elektr 3

где I - выключаемый ток короткого замыкания, Е - напряжение сейчас же после выключения, τ - продолжительность выключения в секундах, равная обычно 1—2 полупериодам. При трехфазном токе это произведение надо помножить на √3.

Воздушные электрические выключатели. Рубильники представляют собой (фиг. 2) медный нож, входящий в медную же пружину, крепко его зажимающую и образующую контакт.

Рубильник

Размеры рубящих электрических выключателей выбирают так, чтобы повышение температуры контактов сравнительно с окружающей средой не превосходило 50°. Обычно это достигается при плотностях, не превосходящих 0,1—0,2 А/мм2. Внешние размеры рубильника определяются напряжением и силой рабочего тока. При конструировании и выборе рубильника можно руководиться эмпирической формулой Эрлахера:

При конструировании и выборе рубильника можно руководиться эмпирической формулой Эрлахера

где D есть расстояние (в мм) между контактами одной полярности, a d - между контактами разных полярностей (фиг. 3),

Vykluchateli elektr 6

I - сила тока, С1, С2, К1, К2 - эмпирические функции, зависящие от предельного напряжения (приведены в табл. 1).

Значения коэффициентов в формулах Эрлахера

Размеры а и b (в мм) плиты, на которой монтируется рубильник, могут быть рассчитаны по значениям D и d, найденным на основании табл. 2.

Размеры плиты для рубильника

Контактные электрические выключатели (с контактными пружинами). Примером может служить конструкция, изображенная на фиг. 4.

Контактный электрический выключатель

Обычно параллельно основным пружинным контактам устанавливают добавочные, которые выключаются с некоторым запозданием после основных. Принимая на себя разрыв дуги выключения, вспомогательные контакты обгорают и тем защищают от разрушительного действия дуги основные контакты. По указанной причине вспомогательные контакты д. б. легко заменяемы. Рабочая плотность тока на пружинных контактах м. б. доводима до 0,4—0,5 А/мм2. Пружинные контакты выполняются из ковкой меди толщиной 0,5 мм, причем для каждого типа их эмпирически подбирается наиболее подходящий угол между пружинами и величина их давления. При тщательном выполнении контактов можно принять это давление в 1 кг/см2 поверхности соприкосновения, что дает сопротивление контактов примерно 91 мкОм/см2. Наивыгоднейшее давление устанавливается по наименьшей потере напряжения в контакте. Пружинные контакты должны выдерживать в течение 5 секунд 50-кратный ток против нормального, нагреваясь не свыше 300°, так как от большего подъема температуры медь утрачивает необходимую упругость. Предельная нагрузка для пружинных контактов простой конструкции, достигнутая в настоящее время, - 10000 А. Для отключения небольших мощностей (до 50 kVA) и на малых участках воздушных линий (до 10 км), особенно в установках сельскохозяйственного назначения, применяются ради удешевления воздушные электрические выключатели, монтированные на столбах (фиг. 5) и снабженные рогами для тушения дуги размыкания.

Воздушный электрический выключатель, монтированный на столбе

Автоматические электрические выключатели. Несмотря на весьма большое разнообразие конструкций автоматических электрических выключателей, почти во всех применяются электромагниты. Цель автоматических приспособлений - предохранить цепь от чрезмерного повышения или понижения силы тока, напряжения, мощности. Таковы автоматические  электрические выключатели сериесные, шунтовые, обратные шунтовые и т. д. Все они могут быть как максимальными, так и минимальными.

Масляные электрические выключатели употребляют для выключения умеренных мощностей, причем они представляют собой те же воздушные электрические выключатели, но помещенные в бак с маслом (фиг. 6), причем иногда каждая фаза проводки имеет свой отдельный рубильник, помещенный в особом баке (фиг. 7).

Масляный электрический выключатель

Масляный электрический выключатель

Процесс размыкания цепи сопровождается образованием дуги, дающей высокую температуру, от действия которой контакты нагреваются, плавятся и частично испаряются. Масло подвергается испарению и крекингу (расщеплению молекул), продуктами которого являются водород, метан, этилен и другие предельные и непредельные углеводороды. В зависимости от давления и от температуры крекинг протекает различно, и по процентному соотношению его продуктов можно судить о величине возникающего давления. Обычно получается 70% водорода, 10% метана и 20% этилена, что отвечает 4 atm давления. Общее количество выделяющихся газов достигает 50—60 см3 на 1 kW в сек. работы выключения. Образование газов, притом горячих, может повести к короткому замыканию в однобаковом трехфазном масляном электрическом выключателе, если пузыри отдельных фаз сольются между собой. Соприкасаясь с воздухом, горячие пары и газы могут воспламениться или дать взрывчатую смесь. Кроме того быстро расширяющиеся газы могут повредить кожух и крышку масляного выключателя, если над масляной поверхностью нет достаточно высокой воздушной подушки. Работа выключения распределяется между указанными явлениями следующим образом: 1) на деформацию кожуха, траверса и прочее - 3%, 2) на колебание массы масла - 2%, 3) на нагревание и испарение контактов - 4,5%, 4) на испарение и крекинг масла - 90,5%. В виду этих опасных явлений большие мощности выключения требуют введения особых приспособлений.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 4 - 1928 г.