5-5. Выключатели для малых мощностей
Чтобы зажигать и гасить лампы, пускать в ход маленькие электродвигатели, кипятильники, плитки, применяют совсем простые устройства. Две медные пружинки прижимаются одна к другой и замыкают цепь тока. Поворот барабанчика или нажим кнопки раздвигает эти пружинки, они отходят одна от другой. Электрический контакт между ними нарушается, цепь тока прерывается.
Рис. 5-4. Рубильник трехфазного тока с ножами, расположенными за щитом.
Если ток не превышает нескольких ампер и напряжение в цепи всего 100—200 в, то разрыв тока между простыми медными пружинками сопровождается лишь слабой искрой. При частом включении и выключении контакты, разрывающие ток, могут износиться — скорее от механического истирания, чем от электрического подгара (электроэрозии, как часто называют электрический износ). Больше миллиона включений и выключений выдерживает хороший выключатель для малых мощностей, т. е. для мощностей меньше 1 кВт. Но когда разрывают ток больше 10 а, между контактами выключателя возникает дуговой разряд. Он может расплавить контакты, сжечь их.
Чем быстрее раздвигаются контакты, тем меньше энергии успевает выделиться в дуге, тем легче дуга гаснет, тем меньше износ контактов.
5-6. Спасение в быстроте
Рис. 5-5. Самолетный выключатель.
Латунный штампованный корпус 1 приклепан к металлической панели 2 и текстолитовой панели 3, в которой вмонтированы два контакта 4 с зажимными винтами 5. Контактное коромысло 6 производит переключение при помощи металлической ручки 7. В ручке помещена спиральная пружина 8 и штифт из изоляционного материала 9.
Для улучшения действия выключателей их снабжают сильной пружиной. Она дергает контакты и быстро разводит их. Такой выключатель резко щелкает при включении и выключении. Это прибор моментального действия. В нем нет такого положения, чтобы контакты медленно, постепенно отходили один от другого и чтобы при этом между контактами тянулась обжигающая дуга. При плавном нажатии на этот выключатель в нем сначала заводится пружина, а потом уже резким рывком отскакивают один от другого контакты. Таким же резким рывком контакты соединяются при обратном плавном нажатии приводного рычага или кнопки (рис. 5-5).
Но когда отключаемая мощность больше 10 кВт, то пружина плохо помогает, особенно при постоянном токе. Дуга постоянного тока очень устойчива. Она может растянуться на несколько сантиметров, продолжая гореть и сжигая контакты.
Рис. 5-6. Ртутный выключатель.
Слева показана стеклянная ампула, в которую впаяны два молибденовых проводника. Внутри ампулы находится капля ртути. При наклоне ампулы (как показано на рисунке) цепь между молибденовыми контактами разорвана. При повороте ампулы в горизонтальное положение ртуть замыкает контакты. Справа — электромагнитное реле с ртутным выключателем. Ртутный выключатель укреплен на качающемся коромысле. К левому концу коромысла подвешен якорь, втягивающийся в катушку.
5-7. Свинки
В стеклянную или фарфоровую трубку впаивают два контакта и наливают каплю ртути. Воздух из трубки выкачивают и заменяют водородом, после чего трубку тщательно запаивают.
При повороте трубки ртутная капля то замыкает собой контакты, то уходит в один конец, разрывая цепь тока. Этот ртутный выключатель иногда называют «свинкой».
Разрыв тока происходит в этом выключателе между двумя ртутными каплями, атмосфера водорода способствует быстрому гашению дуги. При небольших токах «свинки» работают очень устойчиво и надежно. Так как контакты у них окружены герметически запаянной оболочкой, то они не боятся никаких загрязнений, могут работать в пыльном помещении, насыщенном вредными газами и парами.
Ртутные выключатели часто применяются в разного рода реле и контрольных устройствах. Трубочка с ртутной каплей крепится на якорь электромагнита, и поворот якоря вызывает включение или выключение управляемой цепи.
Иногда внутрь трубки поверх ртути пускают железный поплавок. Снаружи помещают катушку. При включении в нее тока катушка магнитными силами тащит железный поплавок вниз, топит поплавок в ртути. Уровень ртути подымается, и она замыкает контакты. А прекратится ток в катушке — железный поплавок всплывет, ртуть от контактов отхлынет, и прервется цепь главного тока.
Но для больших токов ртутные выключатели не годятся. При попытке разрывать ими мощность больше нескольких киловатт трубочка, содержащая ртуть, растрескивается на части от нагрева дугой.
Рис. 5-7. Схема управления ВАБ — выключателем автоматическим быстродействующим.
1 — держащая катушка; 2 — включающая катушка; 3 — катушка главного тока; 4 — катушка магнитного дутья; 5 — промежуточное реле; 6 — блокирующее реле; 7 — добавочное сопротивление; 8 — коммутатор автомата; 9 — разрядное сопротивление.
Вкл. — кнопка включения, Откл. — кнопка выключателя, ЛК и ЛЗ — лампа красная и лампа зеленая для сигнализации положения автомату.
Рис. 5-8. Внешний вид выключателя-автомата с магнитным дутьем (схема управления показана на предыдущем рисунке).
Этот выключатель способен разрывать большие мощности постоянного тока. Полное время отключения — около одной сотой секунды. Подобные выключатели стоят на подстанциях, питающих трамвай, метро и электрифицированные железные дороги.
5-8. Магнитное дутье
В трамваях, троллейбусах, поездах метро приходится включать и переключать электродвигатели постоянного тока мощностью в десятки и сотни киловатт. Это делается при помощи контакторов, в которых дугу задувают магнитные силы.
В цепь контакторов постоянного тока включаются катушки. Они бывают как со стальными сердечниками, так и без них. Эти катушки или сердечники катушек располагаются как раз напротив места расхождения контактов. Дуга, которая возникает между контактами при их расхождении, увлекается магнитными линиями катушки. Дуга — ведь это токонесущий проводник. Правда, проводник газовый, не металлический, но магнитные силы одинаково действуют на любой проводник. Они всегда стремятся вытолкнуть проводник из занимаемого им пространства, из магнитного поля. Магнитные силы тащат проводник поперек магнитного потока. Они растягивают электрическую дугу, увеличивают падение напряжения в ней и в конце концов рвут дугу. Это и называется магнитным дутьем.
Все мощные выключатели постоянного тока выполняются с магнитным дутьем. Такие выключатели хорошо действуют при напряжениях в цепи до нескольких тысяч вольт и разрывают надежно токи до тысяч ампер.
Но на переменном токе магнитное дутье плохо действует. Раз ток в дуге переменный, то магнитные силы тянут его то в одну, то в другую сторону и не успевают растянуть дугу.
5-9. Масло и огонь
Старинная пословица не советует лить масло в огонь. Но именно так решили поступить электрики в конце прошлого столетия, когда появились мощные генераторы переменного тока, линии дальних передач, разветвленные кабельные сети и пришлось включать и выключать на переменном токе большие мощности. Тогда было предложено погрузить контакты выключателя в бак с минеральным маслом — производить разведение контактов, разрыв тока под толстым слоем масла.
Масло берут с высокой температурой вспышки, т. е. такое, что загорается только в очень горячем состоянии. В том месте, где между контактами возникает электрическая дуга, воздуха нет. Поэтому дуга не поджигает масла, а, наоборот, сама гаснет быстрее, чем в воздухе.
Электрическая прочность масла значительно больше, чем воздуха. В воздухе зазор в один сантиметр никак не выдержит напряжения больше 30 000 в, а часто может пробиться при более низком напряжении. А слой масла толщиной в 1 см может противостоять напряжению до 100 000 в.
В масле, чтобы получить надежный разрыв цепи, можно раздвигать контакты на меньшее расстояние, чем в воздухе.
Масляные выключатели — короче, маслянники, или, еще короче, ВМ — весьма распространены в современной электротехнике.
Чем выше рабочее напряжение масляного выключателя, тем крупнее его изоляторы, тем на большее расстояние раздвигаются его контакты при отключении, тем больших размеров бак выключателя.
Выключатель на 220 000 в — это огромное сооружение. В старых конструкциях в один бак входила целая железнодорожная цистерна с маслом. Такие выключатели ставятся на открытом воздухе, они не боятся ни дождя, ни снега (рис. 5-9).
Масляные выключатели на напряжение 10 000 в очень распространены в энергосистемах. Они ставятся на подстанциях, которые питают отдельные фабрики и заводы.
Хотя электрики возлагают на ВМ ответственное дело защиты от аварий, но полного доверия к ВМ все же нет.
Рис. 5-9. Масляный выключатель на 220 000 в.
1 — маслоуказатель, изолятора — стеклянный колпак, в котором виден уровень масла; 2 — проходной изолятор, заполненный маслом; 3 — встроенный в выключатель трансформатор тока. К этому трансформатору присоединяется амперметр для измерения силы тока в линии и защитные реле; 4 — приводной механизм, связывающий привод с подвижной частью выключателя; 5 — приспособление для измерения напряжения; 6 — траверса, перемещающаяся вверх и вниз (при включении и отключении). На траверсе укреплены подвижные контакты 7. Сплошными линиями показана траверса в положении "включено", пунктиром (внизу) в положении "выключено"; 8 — дугогасящая камера, внутри которой происходит разрыв тока; 9 — стальной бак выключателя. Изнутри бак обложен листами 10 изоляционного материала; 11 — лапы для крепления к фундаменту; 12 — масляный буфер. Он смягчает удар траверсы при отключении; 13 — вентиль для выпуска масла из бака; 14 — направляющие, по которым движется траверса; 15 — трубка для выхода воздуха из изолятора; 16 — зажимы для присоединения проводников к выключателю; 17 — внешняя фарфоровая рубашка изолятора выключателя; 18 — бумажные цилиндры с металлическими прокладками для равномерного распределения напряжения по изолятору. Такой ввод называется конденсаторным.
Дуга между контактами может погаснуть недостаточно быстро. В баке выключателя скопляется тогда большое количество газов, продуктов разложения масла, и бак взрывается. Известен случай пожара от взрыва маслонаполненных аппаратов на электростанции Клингенберг (в Берлине). Этот пожар тушили пожарные команды всего города.
Такие аварии крайне редки. Но электротехнические правила и нормы не допускают установки ВМ в обычных производственных помещениях. Для масляных выключателей строят специальные взрывные камеры. Внизу под взрывными камерами сооружают большие ямы со слоем щебня на дне. Там должно собираться разлившееся при взрыве масло.
Подобные камеры строятся и на электростанциях, и на подстанциях, и на заводах. Впечатлительным практикантам эти взрывные камеры кажутся страшными, как пороховые погреба. Но, повторяю, случаи аварий с масляными выключателями очень редки.
5-10. Горшки
Для больших токов (600 и более ампер) часто строят выключатели с малым объемом масла—горшковые выключатели ВМГ, МГГ, МГФ (масляный выключатель горшковый, генераторный или фидерный). В них бак маленький, на несколько десятков килограммов масла. Поэтому его и называют горшок, а не бак. Зато этот горшок очень прочен. Он испытывается на давление в 100 ат. С таким выключателем аварии очень маловероятны.
Горшковые выключатели строят на напряжение 10 кВ и на предельную мощность отключения до полутора миллионов киловольтампер.
5-11. Пластинчатые дугогасители
Ток в выключателе прекращается тем скорее, чем быстрее убираются из пространства между его контактами носители электрических зарядов — ионы. Вообще говоря, ионы мало живучи. Они теряют свои заряды и превращаются в нейтральные молекулы, оседая на поверхностях металлов или изоляторов. Этот процесс исчезновения ионов называется деионизацией. Чтобы ее ускорить и улучшить, между контактами выключателя помещают стальные пластины, целый ряд изолированных, отстоящих на несколько миллиметров одна от другой стальных пластин.
Впервые подобную конструкцию предложил М. О. Доливо-Добровольский в 1912 г. Он назвал этот набор изолированных пластин искрогасительной решеткой. Доливо-Добровольский построил несколько образцов своих выключателей. Они были испытаны и показали хорошие результаты.
Рис. 5-10. Гашение дуги в деионной решетке.
Впервые подобные решетки были предложены Μ. О. Доливо- Добровольским.
Но в то время мощность электрических установок была еще невелика. Не представляло затруднений отключать и рабочие, и аварийные токи при помощи более простых выключателей.
Через два десятилетия мощности и токи в электрических сетях значительно возросли, и тогда электрики вспомнили о предложении Доливо-Добровольского. Выключатели с его решетками стали широко применяться. Это было уже после смерти Доливо-Добровольского. Выключатели с решетками Доливо-Добровольского выпускаются электропромышленностью Советского Союза. В настоящее время эти решетки обычно называют деионными.
При расхождении контактов выключателя магнитные и тепловые силы увлекают электрическую дугу внутрь деионной решетки. Дуга разрывается на множество отдельных коротких дуг. Стальные пластины энергично отсасывают из дуги заряженные частицы. Деионная решетка облегчает разрыв тока. Такие решетки применяются и в масляных, и в воздушных выключателях (рис. 5-10). Можно разбивать дугу на части не только деионной решеткой. Иногда включают последовательно одну за другой несколько пар контактов, и при отключении тока все эти контакты одновременно разводят. На каждую пару контактов приходится при разрыве только часть полного напряжения сети. Выключатели с многократным разрывом применяются для самых высоких напряжений и для самых больших мощностей.
Рис. 5-11. Дугогасительное устройство воздушного выключателя на напряжение 110 кВ.
1 и 2 — фарфоровые изоляторы, являющиеся внешним кожухом гасительной камеры; от земли гасительная камера изолируется подобным же полым фарфоровым изолятором; 3 и 4 — изолирующие бакелитовые цилиндры; 5 и 6 — стальные фланцы, закрывающие сверху и снизу гасительную камеру.
Чтобы произвести отключение, по трубе 10 подается сжатый воздух, который поступает внутрь бакелитовых цилиндров 4. Через отверстия 7' и 8' сжатый воздух поступает внутрь контактных цилиндров 7 и 8, давит на поршни 11, 12. Поршни увлекают подвижные контакты 13, 14. Возникают два разрыва тока: между контактами 13—15 и 14—16. Сжатый воздух врывается во внутренние полости трубок 13, 14 и через выхлопные отверстия 9 и 10 выходит наружу. Под действием потока воздуха дуга растягивается и разрывается, как это показано стрелками на правом рисунке. Через 0,02 сек дуга гаснет.
После прекращения подачи сжатого воздуха в цилиндр 4 контакты выключателя вновь сходятся под действием пружин 17 и 18. Но к этому времени уже оказывается разомкнутым разъединитель, включенный последовательно с главными контактами.
Рис. 5-12. Общий вид воздушного выключателя.
5-12. Отказ от масла
Масляные выключатели применяются в электротехнике много десятилетий. Они все время совершенствуются и улучшаются. И все-таки у электриков остается какое-то чувство неудовлетворенности. Хочется найти лучшее средство для гашения электрической дуги, нежели огромные баки с маслом.
В горшковых выключателях количество масла значительно снижено. Еще меньше масла требуется в расширительных выключателях. В них газы, образующиеся при возникновении дуги между контактами, сначала накапливаются и сжимаются в камере, а затем, вырываясь через щели, резко расширяются, выдувают дугу и за несколько полупериодов гасят ее. В расширительном выключателе находится не более 0,5% того количества масла, которое требуется для старого выключателя с большим объемом.
Строились водяные выключатели. В них дуга гасится парами воды и водородом, который выделяется при ее разложении током. Но для напряжений выше 35 кВ трудно осуществить в них достаточно хорошую изоляцию.
Давно делались предложения задувать электрическую дугу просто струей воздуха. Но высоковольтная дуга — не пламя свечи, слабым дуновением мощный электрический разряд не задуешь. Нужен сжатый газ под давлением нескольких атмосфер, чтобы прервать электрический разряд при большой силе тока и высоком напряжении.
Для гашения дуги воздушным дутьем нужны специальные компрессоры, чтобы накачивать воздух, прочные стальные баллоны для его хранения.
Для малых мощностей выключатели с воздушным дутьем невыгодны, они слишком сложны, и их не применяют. В мощных же высоковольтных установках пневматические выключатели имеют много преимуществ перед масляными. Будущее принадлежит безмасляным выключателям.
Начали применяться конструкции пневматических выключателей (рис. 5-11, 5-12), в них под ударом воздушной струи контакты, которые рвут дугу, расходятся только на короткое время. Но пока они держат цепь разорванной, успевает отключиться последовательно соединенный с ними простой контакт, не рассчитанный на разрыв тока. Огромный рычаг, замыкавший прежде цепь, уходит далеко вверх или вбок. Когда пневматические контакты вновь сходятся, цепь тока уже разорвана.
Подъемный мост был важной частью рыцарского замка. Мост опускался через ров, чтобы дать дорогу друзьям, а поднятый мост защищал от нападения неприятелей.
Мощные высоковольтные выключатели напоминают собой эти старинные мосты.
5-13. Выключатель выбирают не по потребителю, а по сети
Ток включения, рабочий ток выключателя определяется той нагрузкой, которая через него питается. Но аварийный ток короткого замыкания — ток отключения зависит только от данных питающей сети. Чем эта сеть мощнее, тем больше будет аварийный ток. Ток короткого замыкания турбогенераторов и гидрогенераторов в несколько раз больше их номинального рабочего тока. Мощность короткого замыкания, мощность, которую должен разорвать выключатель, также в несколько раз больше номинальной рабочей мощности.
Когда на шинах турбогенератора в 100 тыс. кВт происходит короткое замыкание, то выключатель должен разорвать цепь с мощностью в миллион или даже больше киловольтампер.
Мощный выключатель справляется со своей задачей. Он рвет ток короткого замыкания в сотые доли секунды.
Но чем больше разрывная мощность выключателя, тем он сложнее и дороже. Выключатель для дальних линий передач по размеру, пожалуй, не меньше старинного подъемного моста.
Советские электрики непрестанно совершенствуют выключатели, чтобы заставить их работать все более надежно и чтобы служили выключатели возможно дольше и стоили дешевле.
Много сделано во Всесоюзном электротехническом институте (ВЭИ), на заводах «Электроаппарат», «Уралэлектроаппарат».
