ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

СЫКТЫВКАРСКИЙ ЛЕСНОЙ ИНСТИТУТ (филиал)

ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ им. С.М. КИРОВА»

КАФЕДРА ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ

ЭЛЕКТРИЧСКАЯ АППАРАТУРА

Составитель

Чукреев Юрий Яковлевич

Сыктывкар 2006

СОДЕРЖАНИЕ

1. Электрическая аппаратура

1.1. Электрические контакты

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

О

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

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

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

Н

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

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

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

П

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

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

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

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

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

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