В электроустановках совместно работают изделия из различных материалов. Широко применяют: стали конструкционные и электротехнические, медь, алюминий, бронзу, латунь, свинец, олово, серебро, никель, золото, вольфрам, платину, сплавы различных металлов, уголь, графит, кабельную бумагу, резину, пряжу, поливинил хлорид, полиэтилен, текстолит, эбонит, фибру, смазочные и изоляционные масла, органическое и силикатное стекла, фарфор, клеи, лаки, замазки, битумы, кремниевые, селеновые, германиевые, медно-закисные полупроводники, электролиты кислотные и щелочные и т.д. Одним словом, трудно найти такой материал, который не применяется в электротехнике. И каждый из материалов обладает присущими только ему свойствами.
Свойства материалов определяют преимущественные области их применения, а также условия, при которых материалы применять нельзя. Резина, например, - превосходный изоляционный материал. Но если провода в резиновой изоляции проложить в местах, где имеется масло, резина размокнет. В этих условиях нужна пластмассовая изоляция. Или другой пример.
Провода с резиновой изоляцией нельзя непосредственно присоединять к нагревательным приборам, так как резина сгорит. Здесь нужна теплостойкая кремнийорганическая изоляция. Примеры можно приводить без конца.
Заводы - изготовители электротехнических изделий исходят из свойств материалов, но при ремонтах иногда прибегают к недопустимым заменам. Причины замен различны. В одних случаях просто не знают, что, например, латунью далеко не всегда можно заменять красную медь - типичный случай рассмотрен выше, в упражнении 20. В других случаях нет подходящего материала; например для сырого помещения нужна текстолитовая панель, а ее заменяют гетинаксовой, но гетинакс впитывает влагу, что сильно ухудшает изоляцию панели. В-третьих случаях соблазняются легкостью обработки: латунь сверлить легко, а красную медь трудно.
В соответствующих параграфах рассматривается влияние на материалы и изделия различных факторов. А в этом параграфе мы остановимся только на тепловых явлениях. Но прежде подчеркнем обстоятельство, имеющее принципиальное значение: для сравнения свойств материалов сопоставляют их параметры при одинаковых условиях. Таким одинаковым условиям отвечают удельные величины, т.е. рассчитанные на определенную единицу (удел).
Так, например, удельная проводимость меди и алюминия равна соответственно 54 и 32. Значит, медь более электропроводна — в 54 : 32 ^ 1,6 раза. Это следует из физического смысла удельной проводимости, которая есть не что иное, как длина проводника в метрах при сечении 1 мм2 (единица сечения), при которой его сопротивление равно 1 Ом (единица сопротивления ). В нашем примере, чтобы получить 1 Ом, надо взять либо 54 м медного, либо 32 м алюминиевого провода сечением 1 мм2.
При достаточно высокой температуре металлы и их сплавы плавятся, а органические вещества — уголь, бумага и др. — сгорают. Температуры плавления различных металлов и их сплавов различны. Например, температуры плавления (цифры округлены) вольфрама, стали, никеля, меди, серебра, латуни, алюминия, цинка, свинца, олова соответственно равны 3410, 1530, 1455,1083,981,900,658,419, 327,232 °С.
Как видно из приведенных данных, среди металлов есть и весьма тугоплавкие, например вольфрам, и легкоплавкие - свинец, олово, цинк. Из вольфрама изготовляют нити ламп накаливания (рабочая температура порядка 2500 °С) и контакты реле импульсного режима, коммутирующие с большой частотой электромагниты, обладающие значительной индуктивностью. В этих случаях токи обычно невелики и кратковременны, а контакты нагревает в основном искра, имеющая высокую температуру.
Из легкоплавких металлов, в основном из свинца, изготовляют плавкие вставки инерционных предохранителей; вставки пластинчатых предохранителей обычно цинковые.
Мягкими припоями являются: олово (чистое олово применяется только в особых случаях) и сплавы олова со свинцом. Так, например, оловянно-свинцовый припой ГЮС-40 содержит 40% олова. Важные сведения о паянии содержатся в упражнении 23.
Упражнение 23. Для соединения проводников широко применяются паяние и сварка.
Ответить на вопросы: 1. Чем принципиально отличается паяние от сварки? Привести примеры применения паяния и сварки. 2. Почему при паянии свинцовых кабельных муфт требуется особая осторожность? 3. В чем состоят достоинства и недостатки мягких припоев и как поступают, если их применение недопустимо? 4. Что такое флюс? 5. Почему перегретый паяльник "не паяет"? Что делают опытные монтеры в промежутках между паяниями?
Ответы. 1. Паяние это соединение частей изделия посредством расплавленного металла припоя. При паянии соединяемые части изделия не плавятся, а плавится только припой, имеющий более низкую температуру плавления. Таким образом, между соединяемыми частями непосредственного соединения нет. Сварка процесс соединения металлов либо путем их местного сплавления, либо путем совместного пластического деформирования, в результате которого возникают прочные связи между атомами соединяемых металлов. Типичные примеры паяния: присоединение медных проводников к выводам разъемов, контактным пластинам реле, полупроводниковым диодам и т.п. Алюминий тоже спаивают, но паяние алюминия значительно сложнее и требует специального припоя. Спаривают алюминиевые проводники сварка плавлением, например в разветвительных коробках осветительных сетей. Соединения шин и ответвления от них выполняют холодной сваркой, т.е. сваркой давлением.
Температура плавления свинца немного выше температуры плавления припоя, из-за чего при паянии легко перегреть и расплавить свинцовую оболочку кабеля.
Маять мягкими оловянно-сиинцовыми припоями легко, но они недостаточно механически прочны. Следовательно, соединяемые части изделия. если возможно возникновение механических нагрузок, надо перед паянием скрепить (скрутить проводники, пропустить их через отверстия в хвостовиках контактных пружин реле, разъемов и т.п.).
Кроме того, если возможно в аварийных режимах сильное нагревание мест спайки, то припой может размягчиться, а нагретая поверхность окислиться. После остывания припоя соединение уже не получится, потому что в данном случае нет флюса.
Если требуется высокая механическая прочность или возможно сильное повышение температуры, то применяют твердые припои, например на основе латуни. Но температура паяния в этом случае значительно выше.
Флюс — вещество, которое в расплавленном состоянии растворяет окислы, т.е. очищает спаиваемые поверхности. Неочищенные поверхности не спаиваются. При паянии меди, латуни, бронзы мягкими припоями флюсом служит канифоль. При паянии стали канифоль не применима. Приходится пользоваться соляной кислотой, травленной, цинком. После паяния с кислотой вес места, куда она могла попасть, надо тщательно промыть, иначе проводники будут разъедаться.
Вели паяльник перегреть, то канифоль начинает гореть и вместо того, чтобы очищать поверхность, загрязняет ее. Чтобы паяльник не перегревался (при пайке он не перегревается, так как теплота уходит на расплавление припоя), его кладут на металлический предмет, который и отводит излишнюю теплоту.
Некоторые металлы в расплавленном состоянии растворяют более тугоплавкие металлы. Так, расплавленное олово растворяет медь. Это явление используется при изготовлении из медной проволоки плавких вставок предохранителей. На медную проволоку наплавляют шарик из олова. При нагревании до температуры значительно более низкой, чем температура плавления меди, шарик плавится и растворяет медь: предохранитель быстро перегорает.
Сплавляя различные металлы в строго определенных пропорциях, получают сплавы с необходимыми свойствами. Так, например, нихром и фехраль могут работать при температурах порядка 1000 °С, поэтому их применяют в электронагревательных приборах.
Реотан и никелин обладают высоким удельным сопротивлением, но не допускают высоких температур — это реостатные сплавы.
Главное свойство манганина - практическое постоянство сопротивления при изменениях температуры - определяет основную область его применения. Из манганина делают шунты для присоединения к ним амперметров, добавочные сопротивления к вольтметрам, магазины сопротивлений и другие точные элементы сопротивления в электроизмерительной технике.
Температурный коэффициент расширения инвара примерно в 12 раз меньше температурного коэффициента расширения стали, благодаря чему инвар служит одним из компонентов термобиметалла (см. ниже, упражнение 29).
Константа н, хромель и алюмель— материалы для термопар, компенсационных проводов к ним и т.д.
Одним словом, каждый сплав предназначен для определенной цели и поэтому замена далеко не всегда допустима. Например, если нагревательную спираль сделать не из нихрома, а из никелина (ее размеры будут примерно такими же), то она сгорит.
При нагреве места соединения разнородных металлов (сплавов) тепловая энергия непосредственно переходит в электрическую: возникает термоЭДС. При прочих равных условиях термоЭДС пропорциональна температуре, на чем и основано ее измерение с помощью термопар. Термопару помещают в то место изделия, где требуется измерить температуру, и соединяют с милливольтметром (соблюдая при этом ряд требований, например используя специальные компенсационные провода и т.п.). Шкалу милливольтметра градуируют в градусах Цельсия.
Значительные термоЭДС развивают термобатареи, собранные из полупроводников. Термобатарея, надетая на стекло керосиновой лампы, дает мощность, достаточную для работы радиоприемника.
При повышении температуры электрическое сопротивление металлов увеличивается, а угля, электролитов и полупроводниковых приборов уменьшается. Насколько изменяется сопротивление, можно вычислить с помощью температурного коэффициента сопротивления. Если он положителен, то с ростом температуры сопротивление увеличивается, следовательно, ток уменьшается, но в обмотках электромагнитов, сетях, измерительных устройствах, лампах — в разной степени. Поэтому последствия изменения тока различны. Типичные случаи рассмотрены в упражнении 24.
Упражнение 24. Ток, проходя через металлические части электроустановки, нагревает их: сопротивление увеличивается.
Ответить на вопросы и оценить, в каких случаях увеличение сопротивления существенно: 1. При температуре 10 °С сопротивление обмотки электромагнита R — 500 Ом, а питающего медного провода 1 Ом. Электромагнит нагрелся на 60 °С. Как изменится ток в цепи? Намного ли изменится сопротивление питающего провода? Будет нагретый электромагнит "сильнее" или "слабее"? 2. При прочих равных условиях провод нагрелся на 40 'С. Изменится ли от этого сила тока в цепи? Рассмотреть два случая: а) провод нагрет током нагрузки; б) провод был без нагрузки, но нагрелся от того, что ошибочно проложен вблизи трубопровода горячего водоснабжения. 3. Театральные люстры с десятками мощных ламп включают на полный накал не сразу, а постепенно. Делают это "для красоты" или есть более серьезные причины? 4. Температура помещения, в котором установлен вольтметр, изменяется от 10 до 35 °С, а тем не менее точность измерений сохраняется в приемлемых пределах. Каким способом это достигнуто? Принять температурные коэффициенты сопротивления для меди 0,004, а для манганина 0,000008 град". 5. Выше была указана температура обмотки электромагнита. Но совершенно очевидно, что наружные части обмотки охлаждаются лучше и, следовательно, холоднее внутренних се частей. О какой же температуре идет речь?
Ответы. 1. Температурный коэффициент сопротивления меди 0,004 град-1 - Значит, при нагревании на 100 °С сопротивление увеличивается на 40%, а при нагревании на 60 °С на 24%. Ток соответственно уменьшается. Сопротивление провода составляет 0.2% сопротивления цени. Оно так мало, что его не следует принимать во внимание. Интересно отмстить, что при уменьшении тока (из-за нагревания обмотки электромагнита) температура провода уменьшается (а не увеличивается) и, следовательно, его сопротивление снижается. Но эти изменения малы и несущественны. Из-за уменьшения тока МДС уменьшается: электромагнит становится "слабее" (см. выше, упражнение 1).
При нагревании на 40 °С сопротивление провода увеличивается на 16% и будет в нашем примере равно 1,16 Ом. Но сопротивление цепи практически останется тем же (501 Ом % 501,16 Ом). Для случая а) нагревание током нагрузки явление нормальное, для случая б) допустимая нагрузка на провод должна быть значительно снижена.
Рабочая температура нити лампы накаливания более 2500 °С. Поэтому сопротивление нити лампы до ее включения примерно в 10 раз меньше сопротивления горящей лампы и. следовательно, пусковой ток велик и его необходимо снизить.
Сопротивление рамки вольтметра ничтожно по сравнению с добавочным сопротивлением, так как оно выполнено из манганина, а сопротивление манганина практически стабильно. 1-е л и бы добавочное сопротивление было не манганиновым, а медным, то при одном и том же напряжении показания вольтметра при 10 °С отличались бы от показаний при 35 °С на 10 12%.
В условии первого вопроса заданы: начальная температура 10 °С и нагрев на 60 °С. Следовательно, температура обмотки 10 + 60 =70 °С. За температуру обмотки принимается температура усредненная, т.е. вычисленная по результатам измерения сопротивления.
На зависимости сопротивления металлов от температуры основано ее измерение с помощью термометров сопротивления.
Если температурный коэффициент сопротивления отрицателен, то нагревание приводит к лавинообразному увеличению тока и его необходимо ограничивать. Действительно, ток нагревает проводник (полупроводник) с отрицательным коэффициентом сопротивления. Сопротивление уменьшается, ток возрастает и т.д.
На лавинообразном увеличении тока при нагревании полупроводниковых резисторов (термисторов) основан, например, автоматический контроль температуры подшипников. Измерение и контроль температуры, основанные на использовании зависимости сопротивления проводников и полупроводников от температуры, иллюстрируются упражнениями 25 и 26 соответственно.
Рис. 9. Измерение температуры с помощью терморезистора, имеющего положительный температурный коэффициент сопротивления (а) и контроль температуры терморезистором с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления 16) - к упражнениям 25 и 26
Упражнение 25. На рис. 9, а изображены: источник электропитания (+,' ), измерительный прибор I'R - логометр.
сопротивления RK1 и подстроечный резистор R. Терморезистор в соответствующей армировке устанавливают в том месте, где требуется измерить температуру, например в масляном бакс, а измерительный прибор на щите управления.
Ответить на вопросы: 1. Что в изображении терморезистора RK1 обозначают: наклонная черта и буква 2. Какой электрической величине пропорциональна измеряемая температура? 3. Почему для измерения силы тока использован не просто миллиамперметр, а логометр? 4. Зачем в схему введен подстроечный резистор?
Ответы. 1- Наклонная черта стандартный знак линейного саморегулирования подчеркивает, что сопротивление изменяется прямо пропорционально изменениям температуры, причем этот процесс протекает сам собой, т.е. без каких-либо внешних воздействий. Буква обозначает физическую величину, в нашем случае температуру, под влиянием которой происходит саморегулирование.
Пропорциональна силе тока.
Показания миллиамперметра зависят не только от сопротивления (что требуется), но и от изменений напряжения источника электропитания, а это вносит погрешность в измерение. Логометры же (измерители отношений) свободны от этого недостатка: их показания практически не зависят от изменений напряжения. Дело в том, что противодействующий момент в логометре создается не пружиной (как у миллиамперметра), а электрическим путем, т.е. с помощью второй обмотки на рис. 9,а она показана зеленой линией. Действительно, чем ниже напряжение, тем меньший ток проходит через рабочую обмотку (на рис. 9,а красную).
Но в такой же мере уменьшается ток, создающий противодействующий момент. При повышении напряжения в равной степени увеличиваются токи как в рабочей, так и в противодействующей обмотках.
4. Логометры для измерения температуры градуируют в расчете на определенное значение сопротивления питающих проводов. С помощью подстроечного резистора R устанавливают при наладке это значение.
Упражнение 26. На рис. 9.6 показана схема контроля температуры подшипника какого-либо механизма. Латчик температуры полупроводниковый терморезистор (термистор) RK2 — установлен в подшипниковый щит и включен последовательно с обмоткой реле К. Стабилизированное напряжение питания от трансформатора 75 е помощью отводов от вторичной обмотки подобрано таким образом, что при температуре ниже уставки (например, ниже 80 °С) поддерживается тепловое равновесие. Это значит, что теплота, выделяющаяся током, проходящим через терморезистор, полностью отводится контролируемой средой, а сопротивление терморезистора — тысячи Ом. Если же температура, повышаясь, достигает заданной уставки, то тепловое равновесие нарушается, температура терморезистора возрастает и его электрическое сопротивление уменьшается. Уменьшение сопротивления вызывает новое возрастание тока и дальнейшее нагревание терморезистора.
Процесс протекает лавинообразно и быстро приводит к срабатыванию реле. Его контакты могут быть использованы в любых цепях, например в цепи сигнальной лампы III., как в нашем примере.
Ответить на вопросы: I. На что указывают ломаная линия в обозначении терморезистора RK2 и надпись t°1 2. Объяснить назначение стабилизации напряжения питания. Что в обозначении трансформатора 7*5 указывает на стабилизацию? 3. Для чего служат отводы от вторичной обмотки трансформатора и переключатель 5? 4. Оценить, повысится или понизится уставка но температуре, если повысить напряжение, подводимое от вторичной обмотки трансформатора. 5. Из схемы видно, что после срабатывания реле К его контакт закорачивает терморезистор. Что произошло бы с терморезистором при отсутствии этого контакта?
Ответы. 1. Ломаная линия обозначает нелинейное саморегулирование: это значит, что сопротивление термистора изменяется не пропорционально температуре, а значительно резче. Надпись -t указывает на физическую величину температуру, а знак минус - на отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Это значит, что с повышением температуры сопротивление не увеличивается (как в термометре сопротивления, ем. упражнение 25), а уменьшается.
Без стабилизации напряжения его изменения изменяли бы уставку по температуре. На стабилизацию указывает ломаная линия в обозначении трансформатора 75.
Отводы служат, чтобы установить напряжение, соответствующее необходимой уставке с помощью переключателя 5.
С повышением напряжения тепловое равновесие устанавливается при более низкой температуре контролируемой среды, следовательно, уставка по температуре понижается.
сгорел бы.
Изменения температуры всегда приводят к изменению размеров тел. Тепловое расширение в ряде случаев вредно. Из-за различных коэффициентов теплового расширения материалов, из которых изготовлены электрические машины (сталь, медь, изоляция), возникают растягивающие усилия, приводящие к механическому износу изоляции. Примеры серьезных нарушений в работе электроустановок приведены в упражнении 27.
Рис. 10. Тепловое расширение может нарушить работу электроустановок - к упражнению 27
Чтобы тепловое расширение не привело к поломкам, принимают ряд мер, например шины жестко не закрепляют, делают в них гибкие вставки и т.п.
Упражнение 27. Ниже приведены три примера нарушения работы электроустановки из-за теплового расширения.
Случай А. Вышедший из строя нагревательный элемент теплообменника заменили стержнем 1, на который поверх асбестовой изоляции 2 была навита нихромовая проволока 3. Стержень хорошо изолировали от корпуса теплообменника. Один конец проволоки присоединили к корпусу теплообменника, а другой - к стержню и подвели питание, как показано на рис. 10,а. Через несколько минут после включения перегорел предохранитель 4. Перед следующим включением мегаомметром измерили сопротивление изоляции стержень - корпус. Изоляция оказалась высокой. При последующем включении произошло то же самое: через несколько минут предохранитель перегорел.
Случай Б. Фарфоровый изолятор 5 арминован фланцем б (рис. 10,6), причем в качестве связующего 7 был использован цемент, имевшийся в наличии. В жаркую погоду в изоляторе образовалась трещина.
Случай В. Кабель 8 (рис. 10,в), проложенный под рельсами 9, защитили от механических повреждений отрезком трубы 10. Весной кабель был поврежден, причем поврежден именно в трубе.
Ответить на вопросы: 1. Почему в случае А перегорел предохранитель, несмотря на то что изоляция, измеренная мегаомметром перед включением, была полноценной? 2. Из-за чего в случае Б треснул изолятор? 3. Чем был поврежден кабель? Какую ошибку допустили при его монтаже?
Ответы. 1. При включении стержень нагрелся и удлинился. Левый его конец прикоснулся к корпусу теплообменника: произошло короткое замыкание. Пока ходили за мегаомметром, стержень немного остыл и образовался зазор 5 (см. рис. 10,а).
Цемент при нагревании расширился. "Раздать" прочный чугунный фланец он не мог. Поэтому треснул более хрупкий фарфор.
Днем снег растаял, труба заполнилась водой. Ночью вода замерзла. А так как объем льда больше объема воды, из которой образовался лед, то лед сдавил кабель. Монтажники обязаны были заделать торцы трубы так, чтобы в трубу не могла проникать вода.
Тепловое расширение имеет важные полезные применения. Так, именно на тепловом расширении основано действие термометров расширения, термосигнализаторов и некоторых исполнений терморегуляторов прямого действия (пример дан в упражнении 28).
Упражнение 28. На рис. 11,о схематически показан терморегулятор прямого (непосредственного) действия. При повышении температуры воды в охлаждающей рубашке 1 какого-либо механизма заключенная в термобаллоне 2 рабочая жидкость расширяется и через соединительную трубку 3 передает давление штоку 6, который в свою очередь давит на клапан 7. Движение клапана продолжается до уравновешивания давления рабочей жидкости и сопротивления возвратной пружины 8. Увеличивающийся проток воды понижает температуру в охлаждающей рубашке. Давление рабочей жидкости в термобаллоне уменьшается, и пружина поднимает клапан, сокращая проток воды. Таким образом, клапан как бы "дышит", пропуская столько воды, сколько необходимо, чтобы ее температура оставалась на заданном уровне.
Ответить на вопросы: 1. Для чего (рис. 11,о) служат гофрированные трубки (сильфоны) 5 и маховичок 4'' 2. На каком основании терморегулятор назван терморегулятором прямого (непосредственного) действия?
Ответы. 1. Гофрированные металлические трубки разделяют воздух, охлаждающую воду и рабочую жидкость. Они выполняют роль сальников, но значительно совершеннее их благодаря полной герметичности и подвижности без трения.
Маховичком ввинчивают или вывинчивают стержень, прикрепленный к основанию верхнего сильфона, иными словами, растягивают или сжимают его. Благодаря этому создается начальное давление рабочей жидкости, т.е. задается терморегулятору необходимая уставка по температуре.
2. Термометрическая система непосредственно воздействует на клапан без каких-либо промежуточных приводов.
Тепловое расширение положено в основу создания термобиметалла, который широко используют как чувствительный к температуре элемент автоматических выключателей, тепловых реле (для защиты двигателей от перегрузки), регуляторов температуры, простейших реле времени, применяющихся в телефонии и нередко в автоматике.
Рис. 11. Тепловое расширение имеет многие полезные применения - к упражнениям 28 и 29
Термобиметалл (рис. 11,г) изготовлен из двух сваренных пластин с различными температурными коэффициентами расширения и достаточно упругими, чтобы не было остаточных деформаций. Одним из металлов может быть сплав - инвар, обладающий ничтожным коэффициентом теплового расширения, другим - бронза. При нагревании (температура в t больше исходной температуры в) пластина из термобиметалла изгибается в "одну сторону, а при охлаждении (в2 меньше в) — в другую. В одних конструкциях изгибание приводит к переключению контактов, а в других освобождается защелка механизма. Примеры даны в упражнении 29.
Упражнение 29. На рис. 11,6 дана схема простейшего биметаллического реле времени, так называемой термогруппы, устанавливаемой на корпусе телефонного реле. На биметаллическую пластину 13 навита нагревательная обмотка 11 из изолированной нихромовой проволоки. При замыкании контакта 9 ток поступает в обмотку через регулируемый резистор 10. Пластина 13 нагревается, изгибается и через некоторое время замыкает контакт, наклепанный на пластины 12 и 13.
На рис. 11, в показан биметаллический термосигнализатор. Биметаллическая пластина 17 укреплена на скобе 16. При нормальной температуре воды контакты разомкнуты. При повышении температуры замыкается один контакт, например 18 и включает зеленую лампу. При понижении температуры замыкается другой контакт 15 и включает красную лампу.
Принципиальная схема защитного теплового реле иллюстрирует рис. 11,д. Ток нагрузки / проходит через биметаллическую пластину 21, контакт 22, контактный мостик 24 и контакт 25. Возвратная пружина 26 сжата (рисунок слева). При возникновении значительной и длительной перегрузки биметаллическая пластина изгибается (рисунок справа) и освобождает рычаг 20. Пружина 26 приподнимает деталь 23, рычаг 20 поворачивается около оси О, контакт размыкается.
Ответить на вопросы: 1. У реле времени на рис. 11,6 есть биметаллическая пластина 14, на которой нет ни контактов, ни обмотки. Не является ли они лишней деталью? 2. Каким способом задается необходимая выдержка времени? Почему ее надо устанавливать "электрическим путем" (изменяя силу тока), а не подгибанием пружины 12, т.е. увеличением таким способом зазора между контактами? 3. Каким принципиальным недостатком обладает биметаллическое реле времени? 4. На рис. 11, в над биметаллической пластиной показана вставка 19. Для чего она служит и чем определяется ее длина? 5. В чем состоит принципиальное достоинство конструкции, схема которой показана на рис. 11,д?
Ответы. 1. Пластина 14 необходима для компенсации изменений температуры окружающей среды. Дело в том, что пластина 13 изгибается не только под действием нагревательной обмотки, но и под действием температуры окружающей среды. Однако в такой же степени изгибается и 56 пластина 14. При повышении температуры она через толкатель приподнимает пластину 12, а при понижении температуры отходит от нее: пластина 12 в силу своей упругости изгибается вниз. В результате при любой температуре среды зазор между пластинами 12 и 13 остается практически неизменным. В современных тепловых реле для защиты электродвигателей от перегрузки примерно таким же образом осуществлена температурная компенсация.
Задание необходимой уставки с помощью регулируемого резистора не нарушает механических свойств реле, а подгибание пластин если даже не приводит к остаточной деформации, то во всяком случае ускоряет старение.
Уставка зависит от изменений напряжения питания нагревательной обмотки.
Без вставки 19 одна часть биметаллической пластины 17 находилась бы в контролируемой среде — это хорошо. Но другая ее часть, выступающая из среды, измеряла бы температуру воздуха, а это плохо. Контролируемая среда должна омывать всю биметаллическую пластину. Это условие и определяет длину вставки.
Конструкция дает возможность несмотря на медленное изгибание биметаллической пластины быстро размыкать цепь, что совершенно необходимо. Если же конструкция не обеспечивает быстрого размыкания, то приходится принимать специальные меры для зашиты контактов от разрушения.
Важное замечание. Место расположения датчиков контроля технологических параметров - температуры, уровня, давления, протока, скорости, перемещения и т.д., а также глубина их погружения в контролируемую среду имеют первостепенное значение. Так, например, далеко не безразлично, где установить термобаллон терморегулятора, термопару, термометр сопротивления. Дело в том, что температуры в нижней и верхней частях бака трансформатора различны (нагретое масло поднимается). Различны температуры воды вблизи ее поступления в охлаждающую рубашку и на выходе.
Или другой пример. Если место установки путевого или конечного выключателя выбрано неудачно, то подвижная часть механизма остановится не там, где следует. Вообще, все это гораздо сложнее, чем может показаться на первый взгляд, и нередко именно неудачное расположение датчика является причиной неудовлетворительной работы автоматики. Но при проектировании эти важнейшие обстоятельства недооценивают, а иногда без участия наладчиков просто не могут учесть.
Особенно чувствительна к повышениям температуры изоляция. Резина и бумага от нагревания растрескиваются и осыпаются; бумага, картон, изоляционное масло, пряжа, некоторые виды пластмассы, например несамозатухающий полиэтилен, могут воспламеняться. Органическое стекло и фибра при нагревании размягчаются, теряют механическую прочность и нередко коробятся. Из конденсаторов вытекает пропиточная масса, внутри образуются пузыри воздуха, который менее электрически прочен (см. ниже, § 7), чем пропиточная масса.
Воск, парафин, размягчающиеся краски и лаки, применяемые иногда при ремонте электроаппаратуры, в расплавленном виде проникают на поверхности якорей и действуют как клей. В результате якорь реле может не отпустить или отпускает со значительным замедлением, нарушая действие автоматики.
Крайне опасен перегрев полупроводниковых приборов. Полупроводниковые приборы в результате перегрева теряют изоляционные свойства, причем если селеновые выпрямители после пробоя, как правило, восстанавливаются, то германиевые и кремниевые безнадежно выходят из строя и требуют замены.
Следует особо подчеркнуть, что полупроводниковые приборы обладают нелинейными характеристиками; иными словами, проводимость приборов имеет явно выраженную зависимость от температуры. Это значит, что даже "не очень перегретое" изделие (например, ЭВМ), если оно сконструировано без надлежащего учета теплового режима, может "вдруг" начать ошибаться. Но после достаточного остывания снова работает правильно вплоть до следующего перегрева.
Допустимая температура, т.е. температура, при которой обеспечивается длительная эксплуатация изоляции, определяется классом ее нагревостойкости. Дня изоляции электрических машин классы нагревостойкости обозначаются буквами Y, А, Е, В, F, Н и С, которым соответствуют допустимые температуры 90,105, 120, 130, 155, 180 и свыше 180 °С - все зависит от материала. Так, например, к классу Е (120 °С) относятся синтетические органические материалы (пленки, волокна, смолы, компаунды и др.), к классу F (155 °С) — материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с синтетическими составами, и т.п.
Перегрев — явление обманчивое. Если он не очень велик, то его последствия сразу не очевидны, а когда они обнаруживаются, уже поздно принимать какие-либо меры — изделие испорчено. Кроме того, внешние детали всегда нагреты меньше внутренних, особенно при интенсивной вентиляции, и это нередко вводит в заблуждение. Отдельные жилы многожильных кабелей могут перегреваться, но до поры до времени это также не будет замечено.
Многие ответственные части электроустановок не только не имеют, но и не могут иметь защиты от перегрева. На первый взгляд, такое утверждение неправдоподобно. Но рассмотрим, 58 например, перегревающуюся катушку реле, контактора, магнитного пускателя. Пока ее изоляция из-за перегрева полностью не разрушится, ток в цепи не может увеличиться и, следовательно, ни предохранитель, ни автоматический выключатель ее не защитят.
Естественно, возникает вопрос: к чему же такая защита, которая не защищает? Защита защищает, но только не катушки, а электроустановку от КЗ, а также прерывает ток КЗ после того, как катушка сгорела, предотвратив, таким образом, повреждение самой электроустановки.
Несмотря на отрицательное влияние нагрева избежать выделения теплоты принципиально невозможно: раз есть ток — значит, есть теплота. Однако выделение теплоты вовсе не означает, что изоляция обязательно перегревается и не может достаточно долго и хорошо работать.
При соблюдении условий термической (тепловой) стойкости изоляция нагревается в допустимых пределах и служит в течение гарантированного срока. Термическая стойкость выражается по-разному. Приведем несколько примеров.
Напряжение не выше 110% номинального. Это значит, что напряжение на выводах изделия (реле, двигателя, конденсатора и т.п.) не должно повышаться более чем на 10%. Казалось бы, это неоправданно жесткое требование. Однако оно вполне обосновано. Действительно, в цепях с активным сопротивлением ток пропорционален напряжению. Значит, повышение напряжения, например, на 30% вызывает увеличение тока также на 30%. Но количество теплоты пропорционально квадрату тока, следовательно, теплоты выделится на 69% больше, чем при номинальном напряжении.
Длительный ток 5 А, двукратная перегрузка не более 10 с - см. выше, упражнение 15.
Предельная мощность 15 Вт — см. выше, упражнения 5 и 15.
Температура не выше 55 ° С.
Переменная составляющая напряжения не более 5%. Аналогичные условия задают обычно для конденсаторов, так как при включении на пульсирующее напряжение под влиянием переменной составляющей через конденсатор проходит ток, нагревающий и разрушающий конденсатор (см. выше, упражнение 4).
Сопротивление изоляции резко зависит от температуры. Так, например, если проводимость электрокартона при 20 ° С принять за единицу, то при температурах 30, 40 и 50 ° С проводимость увеличится в 4, 13 и 37 раз соответственно. Во столько же раз уменьшается сопротивление изоляции. Столь резкая зависимость станет понятной, если сделать простейший опыт. Холодную эластичную бумагу, являющуюся прекрасной изоляцией, подогреем спичкой до 130 — 140 °С: бумага станет хрупкой и ломкой. При дальнейшем нагревании бумага побуреет и, наконец, обуглится. Иными словами, она из изоляции превратится в проводник.
Отсюда следует важнейший для практики вывод: при оценке результатов измерения сопротивления изоляции, и особенно при сравнении новых измерений с предыдущими, надо обращать внимание на температуру. Иными словами, прежде чем утверждать, что изоляция ухудшилась, нужно результаты нового измерения привести (пересчитать) к температуре предыдущего измерения. Ясно, что речь идет не о температуре среды, а о температуре обмотки: на подстанции, например, может быть холодно, а обмотка отключенного для ревизии трансформатора горячая.
Сопротивление изоляции нельзя измерять, если температура обмотки отрицательна. При этом замерзает влага, а именно увлажнение изоляции — наиболее вероятная причина ухудшения изоляции.
Сильное нагревание металлических деталей электрооборудования может оказаться вредным. Рассмотрим два типичных примера.
При длительных КЗ ток, если он проходит через пружины (контактные, как во многих исполнениях реле или возвратные), может их отжечь. В результате теряется упругость.
При повреждениях изоляции в первичных цепях ток повреждения I нередко находит себе путь на "землю" через свинцовые оболочки контрольных кабелей. С оболочек ток переходит на кронштейны, лотки и другие заземленные конструкции. Но переходное сопротивление R между оболочками кабелей и конструкциями велико, из-за чего мощность тепловых потерь I2R в месте перехода тока может оказаться настолько значительной, что оболочки прогорят. При этом может повредиться и изоляция жил: возникает слабое место, не защищенное от проникновения влаги.
