Электроустановки изнашиваются по многим причинам.
Электроустановки, как и любые сооружения, рассчитаны на определенный срок службы, обычно на несколько лет. Если же в состав электроустановки входят элементы, изнашивающиеся быстрее, например лампы или реле, работающие в напряженном режиме, то существуют такие способы присоединения этих элементов, которые дают возможность быстро их заменять. Так, например, лампы ввинчивают или вставляют в патроны, а реле имеют втычные контакты — разъемы.
Ограниченный срок службы объясняется износом электрооборудования (электрических машин, аппаратов, приборов); проводов, шин и кабелей; приспособлений для присоединения (рядов зажимов, разъемов); электромонтажных изделий (скоб, кронштейнов и др.), а также материалов, например изоляционных трубок, лаков и т.п. Износ наступает в результате нагрева и охлаждения, увлажнения, электрических перенапряжений, ударов, вибраций, химических процессов, окисления, разъедания изоляции, ржавления магнитопроводов и пружин. Ниже подробно рассмотрены каждое из этих явлений и их взаимосвязь и на типичных примерах из электротехнической практики показаны их последствия. Но прежде обратим внимание на следующие общие положения.
Электроустановки и даже не смонтированные электротехнические изделия изнашиваются под действием окружающей среды, причем износ усугубляется рядом неблагоприятных обстоятельств: небрежным хранением, например в неотапливаемых помещениях; ударами, тряской, повреждением опор и осей, если подвижные детали приборов и аппаратов не закреплены на время транспортировки; временным отсутствием обслуживания электроустановок, смонтированных одновременно с производством строительных работ.
Во время работы износ увеличивается. Дело в том, что действие явлений, способствующих износу, усиливается, например значительно повышается температура контактов, обмоток, резисторов и др. Кроме того, возникают новые причины износа, которых нет до тех пор, пока электроустановки не включены, например искро- и дугообразование на контактах; коммутационные перенапряжения при размыкании цепей, обладающих индуктивностью; удары якорей о сердечники; сжатие и растяжение возвратных пружин; вибрации; электродинамические силы, которым должны противостоять крепления, и т.д. Но если выполняются требования "Правил устройства электроустановок" (тщательные проектирование, монтаж и наладка, систематическая профилактика и квалифицированное обслуживание) , то электроустановки надежны, долговечны и безопасны.
Особенно опасны аварийные режимы. Так, если при коротком замыкании (КЗ) ток увеличится на 20 раз, то выделяющееся при этом количество тепла возрастет в 400 раз. Но так как условия охлаждения сохраняются прежними, температура катастрофически повысится, если КЗ вовремя не отключить. Кроме того, между проводниками, по которым проходит ток КЗ, возникают столь большие усилия, что они могут нарушить недостаточно прочные механические крепления.
Систематические перегрузки сокращают срок службы.
На практике все гораздо сложнее, чем при обучении. Действительно: физику и химию изучают порознь. Курс физики делят на механику, теплоту, электричество и т.д. Механику дробят на статику, кинематику и динамику, а электричество — на электростатику, постоянный ток, переменный ток, электромагнетизм. Но в жизни трудно найти такое явление, которое существует само по себе. Обычно одно явление вызывает другое, другое в свою очередь — третье и т.д., т.е. все взаимосвязано. И именно недооценка этих "стыков", этих взаимосвязей обычно и приводит к нарушениям или ухудшениям работы электроустановок. В соответствующих местах книги этому важнейшему и "коварному" вопросу уделено достаточное внимание. Пока же для иллюстрации взаимосвязи явлений приведем один очень простой, но характерный пример.
При включении контактора по его катушке проходит ток. Создается магнитный поток. Возникает механическая сила: якорь движется. Растягивается возвратная пружина. Катушка нагревается. Из-за нагревания катушки увеличивается ее электрическое сопротивление. Уменьшается ток. Снижается сила, удерживающая якорь притянутым. Обмен теплоты между катушкой и окружающим ее воздухом становится интенсивнее, так как увеличилась разность температур (подробнее см. ниже). Из-за нагрева стареет изоляция.
В рассмотренном примере перечислены 10 явлений, возникающих при включении контактора. Эти явления могут быть условно отнесены к следующим группам:
а) полезные (т.е. такие, без которых контактор не может работать): создание магнитного потока, движение якоря и растяжение возвратной пружины;
б) необходимые: прохождение тока (без тока не было бы магнитного потока) и охлаждение катушки. Без охлаждения катушка сгорела бы через несколько минут;
в) вредные: нагрев, так как он вызывает старение изоляции и расход энергии;
г) безразличные: тепловое расширение катушки. Оно мало и "выбирается" за счет неплотности намотки;
д) имеющие значение только при определенных условиях. К ним относятся: увеличение электрического сопротивления и его следствие - уменьшение тока и механической силы, удерживающей якорь. Вопрос этот довольно сложен, он рассмотрен ниже. В нашем же случае, несмотря на то что удерживающая сила уменьшится, якорь не отпустит. Правда, несколько ухудшатся условия последующего включения контактора с нагретой катушкой. Но для аппаратов длительного режима это ухудшение несущественно, так как оно учтено конструкцией. Однако увеличение сопротивления катушки может совершенно расстроить работу аппаратов кратковременного режима (например, электромагнитов приводов выключателей) и аппаратов импульсного режима (например, шаговых искателей), если их регулировка производится без учета нагрева. Убедимся в этом, выполнив упражнение 1.
Упражнение I. Привод масляного выключателя был отрегулирован, испытан и оставлен в эксплуатации. Однако через несколько дней, когда нужно было выполнить переключение, привод отказал.
Ответить на вопросы: 1. Какие особенности эксплуатации привода дают возможность сделать его компактным? 2. Какое обязательное условие не было выполнено при регулировке и испытаниях и к каким последствиям это привело? 3. Что произойдет с электромагнитом, если он после срабатывания привода останется под током? 4. Какие меры предотвращают сгорание электромагнита?
Ответы. 1. Привод работает редко и кратковременно в пределах 1 с. Эти благоприятные условия дают возможность принять для катушки электромагнита плотность тока в 8-10 раз большую, чем применяется в аппаратах длительного режима, не рискуя перегреть катушку. Причины интенсивного нагрева при больших плотностях тока рассмотрены ниже, в упражнении 14. При больших плотностях тока число витков катушки относительно невелико, она компактна, а рычаги и тяги получаются короткими, что весьма благоприятно для кинематики привода.
Многократные включения - отключения при наладке производились без интервалов, достаточных для остывания катушки. В результате ее температура повысилась примерно на 90 °С, из-за чего сопротивление возросло примерно на 35%. Соответственно снизились ток и, следовательно, намагничивающая сила. Иными словами, электромагнит стал "слабее". Под эти условия, которые не соответствуют условиям нормальной эксплуатации - когда катушка холодная, наладчики и отрегулировали механическую часть привода. Поэтому в нормальных условиях он отказал.
Другие примеры, иллюстрирующие необходимость строгого согласования взаимодействующих электромагнитных и механических сил, рассмотрены в § 4.
Сгорит.
Таких мер две: основная и защитная. Основная состоит в автоматическом отключении электромагнита тотчас же после завершения включения выключателя, защитная - в правильном выборе номинального тока предохранителя, т.е. такого тока, при котором вставка не перегорает при нормальных нескольких включениях (например, при действии АПВ), но если электромагнит остался под током, то вставка перегорит раньше, чем наступит недопустимый перегрев. Забегая немного вперед, скажем, что номинальный ток плавкой вставки должен быть примерно втрое меньше тока электромагнита. Подробно этот вопрос рассмотрен ниже, в упражнении 11.
Подчеркнем еще несколько обстоятельств, имеющих принципиальное значение.
Первое. Одно и то же явление может быть одновременно и полезным, и вредным. Например, нагрев до весьма высокой температуры нити лампы не только полезен, но и совершенно необходим. И вместе с тем именно из-за высокой температуры вольфрамовая нить распыляется (колба лампы чернеет), световой поток с течением времени снижается и, наконец, лампа перегорает.
Если видеть только полезную сторону явления и не замечать вредной (ошибка, к сожалению, нередкая), то нельзя принять своевременные меры, а в итоге результаты работы могут оказаться значительно хуже ожидаемых. И наоборот: нельзя явление считать только вредным. Так, например, вихревые токи, циркулирующие в массивных проводниках, находящихся в изменяющемся магнитном поле, нагревают их и создают потери энергии. Поэтому для ослабления вихревых токов там, где они вредны, расходуют немалые средства (например, магнитопровод набирают из отдельных взаимно изолируемых листов стали и т.п.). Но невозможно переоценить изумительные свойства вихревых токов. Без вихревых токов не было бы короткозамкнутых асинхронных электродвигателей, индукционных реле и счетчиков, индукционного нагрева в металлургии, простейших электромагнитных реле времени, являющихся основой автоматических телефонных станций и многих устройств управления электропроводами.
Второе. Электротехнические изделия неоднородны: в них совместно работают материалы с различными свойствами и поэтому они по-разному реагируют на одно и то же явление. Так, например, даже простейшее изделие — провод — представляет собой совокупность металлического проводника и изоляции. Проводник теплопроводен, а изоляция почти нетеплопроводна. Проводник можно нагреть до нескольких сотен градусов и ничего с ним не случится, а полторы сотни градусов безнадежно губят изоляцию. Какая же температура определяет допустимую температуру изделия, в данном случае провода? Конечно, допустимая температура изоляции. Одним словом, приведенный простой пример иллюстрирует общее правило: лимитирует всегда самое слабое место.
Третья. Даже один и тот же материал может в одних и тех же условиях вести себя различно. Все зависит от массы и формы. Простейший пример: спичкой можно докрасна раскалить конец иголки, но нельзя сколько-нибудь заметно нагреть гвоздь. И это далеко не пустяк. Именно на этом основано весьма полезное действие плавкого предохранителя — одного из важнейших электротехнических изделий (подробнее см. § 2). Но это же явление крайне вредно. Оно служит причиной повреждения электропроводки: уронят строители железобетонную плиту на провод — на нем образуется вмятина. И именно в этом месте провод под нагрузкой перегорит.
Нельзя ограничиваться только качественной оценкой явлений. В рассмотренном примере мы ограничивались качественными оценками явлений: хорошо, плохо, полезно, вредно. Но качественные оценки дают только общее представление о явлениях. А для практики важно знать, насколько полезно, насколько вредно, т.е. требуется количественная оценка, причем не вообще, а применительно к конкретному делу. Так, например, без указания рассматриваемых условий лишены смысла вопросы: велика ли температура 1300 °С?; велико или мало напряжение 3 В?
Действительно, для накала нити лампы температура 1300 °С мала: она составляет 50% номинальной температуры 2600 °С. А провод, подводящий ток к лампе, при 1300 °С расплавится, так как температура плавления меди 1083 °С, а алюминия 658 °С. Три вольта составляют 67% номинального напряжения 4,5 В батарейки для карманного фонарика. Ясно, что при повышении напряжения на 67% лампа перегорит, а если напряжение на 67% понизится, то накал будет еле заметен. И в то же время повышение (понижение) напряжения на 3 В в сети, номинальное напряжение которой 380 В, менее 0,8% и поэтому не оказывает влияния на работу электроприемников.
При количественной оценке явлений в одних случаях пользуются относительными, а в других - абсолютными значениями величин. Обратите внимание на следующее. При оценке явлений мы пользуемся относительными, т.е. выраженными в процентах, а не абсолютными, т.е. выраженными в именованных единицах, значениями. Однако целесообразность применения относительных единиц отнюдь не означает, что абсолютные значения не нужны. Все зависит от поставленной цели, что иллюстрирует следующий пример.
Пусть на диспетчерском пункте один телеизмерительный прибор подключается по вызову к любому из пяти трансформаторов с номинальными токами 100, 150, 400, 750, 800 и 1000 А соответственно. Если градуировать этот прибор в абсолютных значениях, то у него будет пять шкал и на каждой отметка (красная черта), указывающая предельную нагрузку, допустим 120%. В данном случае 100 • 1,2 = 120 А; 150 * 1,2 = 180 А и тд. Таким прибором пользоваться неудобно, и, главное, диспетчеру важна не абсолютная нагрузка. Диспетчеру надо знать, не превысила ли нагрузка 120%. Совершенно очевидно, что для данной цели проще взять прибор с одной шкалой, градуированной в процентах, т.е. в относительных единицах.
Поставим теперь другую цель: выбрать сечение проводников, отходящих от трансформаторов. Для выбора проводников необходимо знание абсолютных значений токов. Так, для 100 А нужно сечение 35 мм2 (цифры примерные, но правдоподобные), для 150 А- 70 мм2 и тд.
И в заключение следует предостеречь читателей от распространенной, но грубой ошибки, которая состоит в употреблении слова "незначительно" в тех случаях, когда надо говорить "мало". Например, напряжение термопары мало - несколько милливольт, но оно значительно, так как его достаточно для измерения температуры. А вот изменение напряжения на несколько милливольт в сети освещения действительно незначительно: оно не имеет значения для работы осветительных приборов.
Для количественной оценки заданного значения надо его сопоставить с номинальным, что может быть выполнено двумя способами: 1. Заданное значение делят на номинальное (а не 10 наоборот, как иногда делают по неопытности) и получают ответ в относительных единицах или в процентах, который отвечает на вопрос: "во сколько раз". 2. Номинальное значение вычитают из заданного и получают ответ в абсолютных единицах, который отвечает на вопрос: "на сколько единиц". Например, заданное значение 240 В больше номинального 200 В в 1,2 раза, так как 240: 200 = 1,2, или составляет 120%. Заданное значение больше номинального на 40 В, так как 240 - 200 = 40 В.
Если при делении ответ окажется меньше единицы (меньше 100%) или при вычитании получится отрицательный знак - минус, значит, заданное значение меньше номинального. Например, заданное значение 190 В, а номинальное 200 В, откуда 190: 200 = = 0,95 95% или 190 - 200 =- 10 В.
Номинальные величины являются исходными для правильной наладки, эксплуатации и проектирования. При номинальных значениях величин электрические машины, аппараты, приборы и другие изделия не только достаточно хорошо работают, но и служат не менее установленного срока службы. Например, при номинальном напряжении 220 В лампа накаливания дает яркий свет и служит не менее 1000 ч. Если же напряжение повысить примерно на 20 В, то яркость, конечно, увеличится, но дорогой ценой: срок службы сократится вдвое. И наоборот, при снижении напряжения примерно на 20 В срок службы удвоится, однако яркость заметно снизится.
Номинальными величинами могут быть: напряжение, ток, мощность, сопротивление, емкость, температура, индуктивность, частота вращения и вообще любой предусмотренный заводом-изготовителем параметр, определяющий условия работы изделия. Значения номинальных величин написаны на табличках электродвигателей и трансформаторов, катушках реле, колбах ламп, конденсаторах, резисторах и других электротехнических изделиях. Они могут быть приведены в каталогах, технических паспортах, в инструкциях по эксплуатации.
Если значение какого-либо параметра, например тока, не известно, то его вычисляют, исходя из известных номинальных мощности и напряжения, как сделано в упражнении 2.
Упражнение 2. На табличке электродвигателя написано: 22 кВт, 1380/220 В, cos «р = 0,9, КПД = 88%.
Для выбора сечения проводов нужно:
Вычислить силу тока: а) при соединении в звезду; б) при соединении в треугольник.
Объяснить, на каком основании мощность электродвигателя переменного тока выражена в киловаттах, а не в киловольт-амперах?
Ответы. Из формулы 1000 Я = y/ s UI cos где Р - полезная мощность (т.е. мощность на валу), кВт; U - напряжение, В; / - сила тока, А; Т) - КПД
а) При напряжении 380 В обмотки статора электродвигателя соединяют в звезду: /3 = 22 000/(1,73*380x0,9x0,88) =41,2 А; б) При напряжении 220 В обмотки соединяют в треугольник: /т = 22 000/ (1,73 х х 220x0,9x0,88) = 72,8 А.
Мощность на валу - это активная мощность: учтен коэффициент мощности (cosφ). Она измеряется в единицах активной мощности - ваттах или киловаттах. Полную мощность (без учета коэффициента мощности) измеряют в вольт-амперах, киловольт-амперах.
