В электроустановках неизбежны механические силы. Рассмотрим примеры.
А. В генераторах и электродвигателях кроме сил, необходимых для преобразования механической энергии в электрическую (генераторы) и электрической в механическую (электродвигатели), возникают вредные центробежные силы. Центробежные силы действуют по радиусу ротора в направлении от его центра и стремятся "вырвать" проводники из пазов.
Б. Механические силы, и притом весьма значительные, возникают при изменениях температуры электроустановок и их деталей. Эти силы в одних случаях полезны (см. упражнение 28), а в других вредны (см. упражнение 27).
В. Ток создает вокруг проводников магнитное поле. В результате в электромагнитах возникают полезные механические силы. Однако силы, имеющие эту же природу и действующие между параллельно проложенными проводниками, не только вредны, но иногда даже опасны. Типичные примеры рассмотрены в упражнении 30.
Упражнение 30. На рис. 12,а показаны проводники 1 и 2, по которым в противоположных направлениях проходят токи 1\ и (см. красные стрелки). Созданные ими магнитные поля изображены силовыми линиями 3 и 4 соответственно, направление которых определено по правилу буравчика. В пространстве между проводниками силовые линии направлены одинаково, благодаря чему проводники взаимно отталкиваются, подобно тому как отталкиваются одноименные полюсы магнитов. Направления сил показаны синими стрелками.
Ответить на вопросы: 1. Что происходит при изменении направления тока в параллельно проложенных проводниках? 2. Одинаковы ли направления токов в рабочем режиме и при КЗ? Если одинаковы, то в чем же разница? 3. На рис. 12, в даны два варианта расположения шин 5. Какой из них верен? Какие свойства - электрические или чисто механические - являются в данном случае решающими? 4. Две конструктивные схемы разъединителя приведены на рис. 12, г. Чем они принципиально отличаются и каковы свойства каждой из них?
Ответы. 1. При изменении направления тока (ср. рис. 12,а и б) изменяются направления силовых линий и соответственно направление механической силы, действующей между проводниками. Так, при разных направлениях токов (рис. 12,в) проводники отталкиваются, а при одинаковых направлениях токов притягиваются.
В двухпроводных сетях они одинаковы, но ток КЗ значительно больше рабочего тока. Потому силы при КЗ между проводниками возрастают. В некоторых случаях они настолько велики, что электроустановки приходится проверять на динамическую стойкость. Эти случаи указаны в правилах.
Верен нижний вариант. Дело в том, что шины, обращенные друг к другу широкой стороной, легко прогибаются. В этом легко убедиться из простейшего опыта: линейку легко согнуть плашмя и невозможно согнуть на ребро. Решающими (при одинаковых токах) являются чисто механические свойства, т.е. способность шин сопротивляться изгибу.
В конструкции разъединителя на верхнем рисунке ток, проходя по разъединителю, образует петлю. А петля тока всегда стремится расшириться. Поэтому при очень больших токах КЗ, если нож 8 недостаточно сильно зажат в неподвижных контактах, может произойти самоотключение, что крайне опасно. От этого недостатка свободна конструкция на нижнем рисунке.
Рис. 12. Ток, проходящий по проводникам, создает между ними механические силы - к упражнению 30
Здесь контактная часть разъединителя укреплена на изоляторах б таким образом, что нож 8 и шины 7 расположены в одну линию, т.е. не образуют петли.
Заметим, кстати, что свойство петли расширяться вредно в контактах аппаратов в том смысле, что при увеличении тока контакты "вдруг" разъединяются, и весьма полезно в этих же аппаратах, когда надо погасить дугу. Дело в том, что именно благодаря взаимодействию тока (дуги) и тока в дугогасительной катушке дуга втягивается в дугогасительную камеру, удлиняется и гаснет.
Г. Между исполнительными механизмами и регулирующими органами (шиберы, заслонки, клапаны, задвижки), а также между выключателями и их приводами действуют механические силы. Как явствует из упражнения 31, эти силы, передающиеся через рычаги, тяги, редукторы и т.п., при правильной регулировке полезны, при неправильной вредны.
Рис. 13. Тщательная регулировка рычагов и тяг необходима для правильной работы механизмов. Несоблюдение нормируемых размеров может привести к отказам и поломкам - к упражнению 31
Упражнение 31. На рис. 13,а показана кинематическая схема сочленения регулирующего органа РО с исполнительным механизмом ИМ. Кривошип 1 ИМ может перемещаться между механическими упорами 2, ограничивающими его ход. Усилие передается через тягу 3 рычагу 4 РО, с которым связан шток 5 шибера.
Ответить на вопросы: 1. 6 каком положении изображены на рис. 13,в рычаг 4 и кривошип 1 и что обозначено штриховыми линиями? 2. Зачем на схеме даны размеры L, S, R, г. т, Лро, а также указан угол /3? 3. Каким основным свойством обладает эта схема? 4. Обязательно ли применять механические упоры, в чем их недостатки и чем они могут быть заменены? 5. Что иллюстрируют векторные диаграммы взаимодействия сил Fi и F2? Что лучше: когда направление действия сил и направление движения N совпадают (рис. 13,6) или когда одна из сил направлена под углом (рис. 13,в)?
Ответы. 1. Кривошип и рычаг показаны в промежуточном положении. Штриховые линии обозначают: красные прямые - положения РО "открыто" и "закрыто", а дуга - траекторию перемещения правого конца рычага 4. Синие прямые - это предельные положения кривошипа 1, а дуга - траектория перемещения левого конца кривошипа.
Строгое соотношение размеров, обозначенных латинскими буквами, и угла Р определяет работу привода. Несоблюдение необходимых размеров может привести к отказам, поломке механизма или к сгоранию электродвигателя ИМ из-за его механической перегрузки. Аналогично при неправильной регулировке тяг привода разъединителя могут переломиться его изоляторы.
Кривошип перемещается по дуге, а шток шибера - по прямой. Иными словами, с помощью приведенной кинематической схемы достигается спрямление характеристик ИМ и РО.
Недостаток механических упоров состоит в возможности их поломки или смещения. Значительно лучше электрические конечные включатели, которые не соприкасаются с подвижными частями механизма. Такие выключатели - "чисто электрические" - называются бесконтактными, но не потому (как иногда считают), что в них использована электронная аппаратура, а потому, что они не имеют контакта, т.е. не соприкасаются с механизмом, что и составляет их основное преимущество перед механическими выключателями.
На векторной диаграмме (рис. 13,6) направление сил F1 и F2 совпадает с направлением движения N.
Это наиболее благоприятный случай: равнодействующая сил, равная их алгебраической сумме, используется полностью и не создает изгибающего момента, вредного в данном случае. Векторная диаграмма на рис. 13,в показывает, что сила, действующая по направлению N, уменьшилась и, кроме того, возникла изгибающая сила F„.
Д. Большое значение имеет сила тяжести. Именно сила тяжести - вес - создает давление на опорные конструкции (фундаменты, подшипники), нагружает тросы грузоподъемных механизмов, изоляторы и опоры линий электропередачи. Примеры даны в упражнении 32.
Упражнение 32 дает самое общее представление о механических нагрузках, которые испытывают воздушные линии электропередачи (BJ1). На рис. 14,о показаны три опоры ВЛ и обозначено: h - высота подвеса провода, f - стрела провеса, h0 - габарит провода, т.е. расстояние от его низшей точки до земли. Габарит провода ни при каких обстоятельствах не должен быть меньше значения, установленного правилами.
Провод, подвешенный между опорами и равномерно нагруженный по всей длине, принимает форму цепной линии. Но для упрощения расчетов (что не вносит существенной погрешности в их результаты) считают, что провод имеет форму параболы (а не цепной линии) и что нагрузка равномерно распределена не по длине провода, а по длине пролета.
Тяжение провода в любой его точке направлено по касательной к проводу. В его низшей точке оно горизонтально и имеет наименьшее значение, а в точках подвеса наибольшее. Тяжение зависит: а) от нагрузки провода: чем нагрузка больше, тем больше тяжение; б) от стрелы провеса: при разных нагрузках тяжение тем больше, чем меньше стрела провеса.
Рис. 14. Летом и зимой, при ветре и гололеде механические силы, действующие на ВЛ, различны. Обрыв проводов в одном пролете ухудшает условия работы опоры - к упражнению 32
Провода ВЛ подвергаются действию внешних нагрузок (гололеда, ветра), а также изменениям температуры окружающего воздуха.
Наиболее удобны для расчетов проводов удельные нагрузки, т.е. нагрузки, отнесенные к единице длины и единице поперечного сечения [кгс/(м-мм2) или в системе СИ кПа/м].
Представление о порядке величин удельных нагрузок, возникающих в ВЛ по разным причинам, дает рис. 14,6, который построен на основании расчетов для конкретных, реальных условий. Рисунок для удобства сравнения выполнен в относительных единицах. Здесь - нагрузка от веса провода; у2 ~ от веса гололеда с толщиной стенки 10 мм; у3 - от веса провода и гололеда, причем Тз = Ti + Тг; 74 - от давления ветра со скоростью 25 м/с на провод, свободный от гололеда; fs - от давления ветра со скоростью 12,5 м/с на провод, покрытый гололедом; у6 - результирующая нагрузка от веса провода и давления ветра на провод, свободный от гололеда, равная
т.е. результирующая нагрузка от веса провода, гололеда и давления ветра.
Совершенно ясно, что нагрузкам подвержены не только провода, но и изоляторы, и опоры; они должны обладать достаточной прочностью.
Ответить на вопросы: 1. Почему тяжение зимой больше, чем летом? 2. Что изменится в условиях работы опоры № 3 при обрыве провода в смежном пролете (см. рис. 14,о)? 3. Почему нагрузки от веса провода и
веса гололеда складываются арифметически, а нагрузки от веса провода и давления ветра - герметрически? 4. Зависит ли нагрузка от давления ветра на провод от толщины стенки гололеда? 5. Могут ли стрелы провеса одной и той же BJ1 быть одинаковыми зимой и летом?
Ответы. 1. Зимой из-за охлаждения провода короче.
В нормальных условиях тяжения в смежных пролетах уравновешены. При обрыве провода в одном пролете возникает изгибающий момент М (см. красную стрелку на рис. 14,о).
Нагрузки от веса провода и веса гололеда направлены одинаково: обе вертикально вниз. Нагрузки от веса провода и давления ветра взаимно перпендикулярны (принимается, что ветер направлен горизонтально и перпендикулярно трассе линии).
Зависит: чем толще гололед, тем больше проекция провода на плоскость, нормальную к направлению ветра.
Могут при гололеде. В этом случае несмотря на одинаковые стрелы провеса тяжение зимой будет больше, так как провода, покрытые гололедом, тяжелее.
Неизбежно действие сил, оказывающих сопротивление движению. Это естественные силы: трение, сопротивление воздуха и т.п. - и силы, создаваемые преднамеренно, например с помощью пружин.
Кроме сил, действующих в процессе эксплуатации электроустановок, необходимы механические силы, чтобы закрепить электротехнические изделия и соединить между собой их детали. Недооценка этих сил может иметь далеко идущие последствия. Так, если силы слишком малы, то прочно закрепить изделие не удастся и тогда в процессе работы возникнут новые сипы, например от вибрации (см. ниже) может нарушиться регулировка. Если же силы слишком велики, то изделие будет испорчено (см. упражнение 33).
Упражнение 33. Работающий в напряженном импульсном режиме шаговый искатель (телеграфный аппарат и т.п.) начал давать сбои: его ротор стал нечетко переходить из одной позиции в другую или перескакивать через нее. Механик быстро его "наладил". Но через несколько часов аппарат снова разрегулировался.
Ответить на вопросы: 1. Какую ошибку допустил механик? 2. Какие меры принимают против разрегулировки? 3. Для чего в специализированных электромонтажных организациях применяют отвертки разных размеров и ключи с ограничителями крутящего момента?
Ответы. 1. Механик работал " на живую нитку", т.е. после подрегулировки не закрепил детали.
Таких мер несколько, но каждая из них имеет определенную пре-1 имущественную область применения. Основные меры: закрепление шплинтами, контргайками, изгибанием одной стороны шайбы, а при небольших усилиях - закрашивание резьбы, закернивание гайки. Если под действием внешних сил раскручивание происходит против часовой стрелки, то применяют не правую, а левую резьбу.
При слишком больших усилиях металл "течет"; можно даже сорвать резьбу. В результате нарушится контактное соединение, из-за чего повысится переходное сопротивление, что вызовет местный перегрев. Для предотвращения этих недопустимых действий в специализированных электромонтажных организациях применяют инструмент с ограничением крутящего момента.
Рис. 15. Применение крепежных и изолирующих деталей, размеры которых не согласованы с размерами соединяемых деталей, приводит к повреждению изоляции - к упражнению 34
Обращается внимание на то, что недостаточно квалифицированные электромонтеры из лучших побуждений, стремясь улучшить контакт, удлиняют ключи, надевая на рукоятку отрезок трубы, чего ни в коем случае делать нельзя.
Применение крепежных деталей, размеры которых не соответствуют назначению, портят изоляцию. Примеры даны в упражнении 34.
Упражнение 34. На рис. 15 показаны типичные ошибки при соединении деталей изделий.
Ответить на вопросы: 1. Из-за чего винт 2, крепящий контактную группу к корпусу реле (рис. 15,с), продавил катушку 11 2. Какие ошибки допущены при креплении проводов (рис. 15,6) ? 3. Контактные пластины 10 стянуты винтом 8 с гайкой 9. Винт изолирован трубкой 11. Что произойдет, если / > L 1 если d > dx 1
Ответы. 1. Винт длиннее, чем следует.
Провода 7 должны быть обернуты изоляционной полоской 6, а обернут только один провод. Скоба 4 слишком коротка, из-за чего винт 3 продавил изоляцию провода. Винт 5 применен правильно.
Размеры L и / (рис. 15,в) должны быть одинаковы. Если трубка будет длиннее, чем следует, то она будет смята и может даже дать трещину, по которой произойдет перекрытие изоляции (подробнее см. § 7). Диаметр di отверстия в шайбах 12 должен быть больше диаметра d трубки.
К изделию (его части, например к сердечнику) всегда приложены не одна, а несколько сил. Значит, результат определяет их равнодействующая. Так, если силы уравновешены, то неподвижное тело останется неподвижным, а если оно двигалось прямолинейно с постоянной скоростью, то оно также и будет двигаться. В других случаях могут возникнуть изгиб, кручение, растяжение, сжатие, вибрации и т.п. Могут измениться скорость, направление движения. Наконец, все это проявляется во всевозможных сочетаниях.
Одним словом, результат взаимодействия сил — дело весьма сложное, но нам, не вдаваясь в подробности, важно усвоить, что говоря о действии сил, всегда подразумевают совокупное действие всех сил.
Заметим здесь же, что из этого безусловного факта вовсе не следует, что при расчетах нельзя поочередно рассматривать действие каждой из сил, а затем суммировать их результаты. Но это только расчетный прием, ничего не изменяющий в сути дела.
Механические силы действуют не только в движущихся, но и в неподвижных частях электроустановок. Это обстоятельство необходимо особо подчеркнуть. Дело в том, что по неопытности иногда считают, что если предмет неподвижен, то он не испытывает действия сил. Но если силы не действуют, так вроде бы не стоит заботиться о прочности креплений. Такой вывод неверен и опасен.
Мы уже сталкивались с примерами возникновения сил в неподвижных частях электроустановок. Так, в упражнении 27 силы теплового расширения нагружают опорный изолятор. В упражнении 30 природа сил чисто электрическая: параллельно проложенные проводники под током испытывают притяжение или отталкивание. В упражнении 32 растягивающим усилиям подвергаются подвесные изоляторы воздушной линии.
Очень важно правильно взаимно располагать детали в изделии. Например, если сердечник электромагнита длиннее катушки, а она расположена не по его центру, а сдвинута к одному концу, то при включении катушка будет подтягиваться. Чтобы она не сдвинулась, ее закрепляют упорами. Под током катушка давит на упоры, что может привести к ее повреждению.
Не все неподвижные детали можно жестко закреплять. Шины, например, должны иметь возможность при изменениях температуры перемещаться вдоль своего направления. Кроме того, в них делают гибкие вставки - компенсаторы теплового расширения.
Сложность креплений в электротехнических изделиях и электроустановках состоит в необходимости сочетать высокую механическую прочность с надежной изоляцией. Дело не только в сложности конструкции — вспомните, например, как скреплены
коллекторные пластины в машинах постоянного тока. Трудность состоит также в том, что совместно должны работать весьма разнородные по своим свойствам металлические и изоляционные материалы. Они имеют различные коэффициенты линейного расширения и разные механические свойства, например сопротивляемость истиранию в подвижных деталях.
Даже в такой несложной конструкции, как скрепление пластин магнитоводов между собой, можно допустить грубую ошибку: например плохо изолировать стягивающие шпильки. При отсутствии изоляции возникнет короткозамкнутый виток и наведенная в нем ЭДС создаст ток, который разогреет виток.
