6. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ИЗОЛЯЦИЯ
В любой электроустановке неизбежно сочетание проводников и изоляции. Без проводников невозможно передавать электроэнергию, а без изоляции ее нельзя ни направить по нужным путям, ни отключить. В одних случаях изоляцией служат резина, пряжа, пластмасса и вообще какой-либо изоляционный материал, в других - слой воздуха. Например, части разомкнутого контакта изолирует воздушный промежуток.
При рабочем напряжении сети изоляция надежна и нет причин для ее нарушения. Но если напряжение по какой-либо причине повысится, то возникнет перенапряжение.
При перенапряжении может возникнуть либо пробой изоляции, либо ее перекрытие (подробнее см. ниже).
КОММУТАЦИОННЫЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ
Ниже рассматриваются причины и последствия перенапряжений, а также меры, предотвращающие их опасные последствия, но прежде обратим внимание на следующее.
Исторически понятие перенапряжение относят обычно к сетям высокого напряжения, имея в виду в основном внешние перенапряжения — грозовые и в меньшей степени внутренние - коммутационные. Однако несколько десятков лет назад в связи с развитием устройств автоматики, сигнализации и телемеханики обнаружились весьма опасные для изоляции коммутационные перенапряжения. Они возникают внутри самой электроустановки при размыкании цепей электромагнитов с относительно большой индуктивностью, а также из-за неблагоприятных соотношений между индуктивностью реле и емкостью контрольных кабелей. Именно о такого рода перенапряжениях идет речь в этой книге.
Дело сводится к тому, что при размыкании цепей электромагнитов накопленная в них электромагнитная энергия освобождается и переходит в электрическую энергию. Она проявляется как импульс повышенного напряжения, т.е. представляет собой перенапряжение.
Коммутационные перенапряжения, если их не погасить (т.е. не дать выхода освободившейся энергии), достигают неожиданно больших значений. Например, при размыкании цепи катушки телефонного реле постоянного тока возникает импульс порядка 200 - 400 В. А при размыкании мощного электромагнита быстродействующего автоматического выключателя импульс не толь- ко велик — примерно 7000 В, но и обладает достаточной мощностью, чтобы разрушить изоляцию в тех местах, где она ослаблена.
Вопрос о мощности перенапряжения весьма важен. Дело в том, что даже маломощные коммутационные перенапряжения, многократно действуя на изоляцию, в конце концов могут ее разрушить. Это легко понять, вспомнив, как длительно капающая вода разрушает камень.
Для гашения коммутационных перенапряжений есть простые и надежные средства - гашение дуги в специальных дугогасительных камерах, включение искрогасительных контуров из сочетания конденсаторов, резисторов, полупроводниковых диодов (подробнее см. ниже, § 7, рис. 23).
Обратим внимание на то, что несмотря на явное наличие коммутационных перенапряжений, о чем свидетельствовали повреждения изоляции, их длительное время не могли обнаружить, так как коммутационные перенапряжения измерить обычным вольтметром нельзя. Дело даже не в том, что весьма кратковременный импульс не может быть им зафиксирован. Главное состоит в том, что вольтметр, присоединенный параллельно катушке электромагнита - источнику перенапряжения, сам его гасит. Действительно, сразу после отключения электромагнита, через который проходил, например, ток 0,05 А, этот же ток продолжает (затухая, понятно) проходить через вольтметр. И если его сопротивление 2000 Ом, то максимальный пик перенапряжения не может превысить 0,05 * 2000 = 100 В. Если бы сопротивление вольтметра (или специального разрядного резистора) было 25 000 Ом, то мог бы быть зафиксирован пик 0,05 • 25 000 = = 1250 В. Значение коммутационного перенапряжения определяют с помощью предварительно откалиброванного разрядника, у которого можно плавно изменять расстояние между электродами.
Пробой твердой изоляции иллюстрирует рис. 18,а (левый). При пробое изоляция повреждается, явление это необратимо. Пробитую изоляцию нужно менять.
Перекрытие (рис. 18,а, правый) происходит по поверхности изоляции, и если мощности малы, что характерно для цепей управления, сигнализации и автоматики, то обугливание перекрытой изоляции мало вероятно и изоляцию не портит. Во всяком случае обычно достаточно очистить (промыть, протереть) место перекрытия и изоляция восстанавливается.
Вероятность пробоя или перекрытия зависит от многих причин. Основными из них являются:
1) величина перенапряжения. Чем перенапряжение выше, тем при прочих равных условиях пробой (перекрытие) более вероятен;
Рис. 18. Вероятность пробоя (перекрытия) изоляции зависит от конструктивных особенностей изделий:
1 - токоведущие части; 2 - изоляция; 3 - воздушный промежуток; 4 - винт для крепления контактных пластин 5 к изоляционной стойке б; 7 - винты для крепления стойки к корпусу аппарата; 8 - реле с уровнем изоляции на напряжение Ur\ 9 - реле с уровнем изоляции на напряжение U2
Электрическая прочность изоляционного материала. Например, чтобы пробить пластинку из слюды, нужно к ней приложить значительно более высокое напряжение, чем для пробоя такой же пластинки из картона. Из этого, однако, не следует, что слюдяная изоляция во всех случаях выше картонной. Действительно, пробивное напряжение тонкой слюдяной пластинки может быть ниже прибивного напряжения аналогичной конструкции, в которой проводники разделены толстым слоем картона. Перекрытие тем вероятнее, чем короче путь между токоведущими деталями по поверхности изоляции, чем острее у них углы (см. рис. 18,6), чем больше заусенцев;
высокая температура, грязь, копоть, влага. Копотью нередко покрыта поверхность изоляции вблизи дугогасительных камер, где происходит разрыв электрической дуги; не исключено даже попадание на изоляцию брызг металла.
Таким образом, изоляция, выполненная из одних и тех же материалов, в зависимости от конструкции изделия, расстояний между токоведущими частями, условий, в которых изоляция работает, может хуже или лучше противостоять перенапряжениям.
В электроустановках совместно работают изделия, рассчитанные на разные номинальные напряжения, т.е. имеющие различные уровни изоляции. Так, например, телефонные реле, применяющиеся в устройствах телемеханики, рассчитаны на номинальное напряжение 60 В, а управляют они промежуточными реле, коммутирующими цепи напряжением 220 В. В этих случаях цепи 60 В и 220 В должны быть тщательно разделены.
Разделение цепей, рассчитанных на разные уровни напряжений, осуществляется несколькими способами. Один из них, который иллюстрирует рис. 18,в, состоит в удалении контактов, коммутирующих цепи с более высоким напряжением от катушки аппарата: контакты крепят на стойке из очень хорошего изоляционного материала, например из органического стекла.
Другой способ показан на рис. 18,г. Одно реле 8 получает питание от сети напряжением Ux, а его контакт управляет другим реле 9, которое питается от сети напряжением U2, причем U1 значительно выше U1 . Контакт реле 9 (не показан) может быть включен в сеть еще большего напряжения и т.д. Одним словом, в данном случае применено каскадное включение.
Заметим, что каскадное включение имеет ряд особенностей, далеко не во всех случаях благоприятных. Но это относится к временным характеристикам устройств, их надежности и т.п., которые здесь не рассматриваются. Обращается внимание лишь на необходимость выполнять электроустановки таким образом, чтобы на время испытания изоляции была возможность разделить изделия, рассчитанные на разные ее уровни. Например, блок с полупроводниковыми приборами должен присоединяться с помощью разъема. Такое конструктивное исполнение дает возможность испытывать изоляцию в два приема. Сначала отключают блок и испытывают без него изоляцию по соответствующим нормам. Затем по другим нормам испытывают изоляцию блока.
На необходимость такого исполнения следует обратить особое внимание. В противном случае после первого же испытания изоляции часть электроустановки безнадежно повредится.
Важнейшими параметрами электрической изоляции являются ее электрическая прочность, сопротивление и электрическая емкость. Электрическая прочность характеризует способность.
Да, имеют. Дело в том, что суммарная длина жил кабелей велика - десятки и сотни тысяч километров и, кроме того, к проводам присоединены сотни аппаратов, тысячи зажимов, предохранителей и других изделий. И если сопротивление изоляции каждого из них огромно, то эквивалентное сопротивление изоляции во много раз меньше.
Электрическая емкость образуется жилами кабелей, заземленными конструкциями, на которых кабели уложены, и разделяющей их изоляцией. Емкость кабельных сетей в устройствах управления, сигнализации, автоматики примерно 0,2— 0,3 мкФ/км. Суммарная же емкость между жилами и "землей" составляет десятки микрофарад. Это опасно как в электроустановках постоянного тока, так и особенно в электроустановках переменного тока.
Емкостные связи между жилами протяженных кабелей могут явиться причиной образования ложных цепей. Не вдаваясь в детали этого важного вопроса, обратимся к упражнению 46, которое достаточно четко поясняет существо дела.
Упражнение 46. На рис. 19,о дан пример управления тремя реле АУ - КЗ кнопочными выключателями S1-S3 соответственно. Расстояние между реле и выключателями велико - сотни метров. Сопротивление изоляции между жилами кабеля и между каждой жилой и землей настолько велико, что им можно пренебречь. Сопротивление проводов примем близким нулю (чтобы не отвлекаться от рассматриваемого вопроса), хотя на самом деле оно оказывает существенное влияние на результаты расчета, но емкостные связи значительны. Емкость между жилами 1 и 3 условно обозначена как Cj_3, а между жилами 2— 3 - как С2_3.
Образование емкости между жилами кабеля иллюстрирует рис. 19,в.
В рассматриваемом случае выключатель S3 замкнут и ток, направление которого обозначено красными стрелками, проходит только через реле КЗ, как и задумано проектировщиком. Выключатели 57 и 52 разомкнуты.
Ответить на вопросы: 1. Что обозначают зеленые и синие стрелки? 2. При каком условии реле KJ (К2) ложно сработает? 3. Может ли ток через реле К1 (АГ2) оказаться большим, чем ток через реле КЗЧ 4. От каких параметров зависит вероятность ложного срабатывания? 5. Может ли якорь сработавшего реле (по любой цепи) залипнуть из-за емкостных токов? 6. Справедлив ли вывод из вышеизложенного, что при длинных кабельных линиях ложные цепи неизбежны?
Ответы. 1. Зеленые стрелки указывают направление тока, при котором возможно ложное срабатывание реле К2; синие стрелки - направление тока, при котором возможно ложное срабатывание реле К1.
При условии, что ток через реле К1 (К2) будет равен току срабатывания в нормальных условиях или больше него.
Может, но для этого емкостное сопротивление должно быть несколько больше индуктивного, так как в этом случае разность х^ - xg может оказаться по абсолютному значению больше, чем х^ (подробнее см. упражнение 47).
Рис. 19. Через емкостные связи между жилами кабеля в электроустановках переменного тока могут возникать ложные цепи - к упражнению 46. Последовательное соединение индуктивности реле и емкости кабеля создают условия для возникновения резонанса напряжений - к упражнению 47
От значений напряжения, тока срабатывания, удельной емкости кабеля, т.е. емкости на километр длины, длины кабеля, активного и индуктивного сопротивлений реле.
Может, и это вероятнее, чем ложное срабатывание. Дело в том, что коэффициент возврата реле мал и, следовательно, якорь сработавшего реле удерживается значительно меньшим током, чем ток, необходимый для срабатывания.
Вопрос о передаче сигналов по длинным кабельным линиям со значительной емкостью весьма сложен. Но это отнюдь не значит, что ложные цепи неизбежны, так как существует ряд приемов, чтобы избежать ложных цепей. Один из них (далеко не единственный) - питать схему не переменным, а постоянным током от двух полу периоды ого выпрямителя с хорошо сглаженной пульсацией.
Что же касается данного примера и иллюстрирующего его рис. 19,а, их цель ограничена: дать представление о существе дела и подчеркнуть, насколько важным параметром является электрическая емкость.
При стечении неблагоприятных обстоятельств в электроустановках переменного тока может возникнуть резонанс напряжений.
Резонанс напряжений - явление крайне опасное. Суть дела заключается в том, что равные по абсолютному значению индуктивное сопротивление катушки и емкостное сопротивление кабеля при последовательном соединении взаимно компенсируются. В результате ток определяется только одним активным сопротивлением и, следовательно, возрастает в несколько раз. Соответственно увеличивается падение напряжения на индуктивности (попросту говоря, между выводами катушки) и на емкости, т.е. между жилой кабеля и "землей". Это перенапряжение может в десятки раз превысить номинальное напряжение. Типичный пример рассмотрен в упражнении 47.
Упражнение47. На рис. 19 ,б показано включение реле К через контакт S. Питание - переменным током через трансформатор Т. Контакт с катушкой соединен через жилу кабеля 1. Ее емкость по отношению к "земле" обозначается С. Образование емкости между жилой и "землей" иллюстрирует рис. 19, е.
Рассматривается случай, когда контакт S разомкнут, но из-за повреждения изоляции в точке 2 образовалась ложная цепь, показанная красной штриховой линией. По этой цепи реле сработало ложно.
Ответить на вопросы: 1. Чему равен ток /„ в нормальном режиме, т.е. если замкнут контакт St 2. Какой ток /л проходит через реле по ложной цепи, если изоляция повреждена, а контакт разомкнут? 3. При каком значении емкости Ср наступит резонанс напряжений? 4. Какое напряжение Up между жилой кабеля и "землей" будет в режиме резонанса напряжений? Принять 1^0м = 100 В, г = 200 Ом, 1=10 Гн. 5. Какое положение из основ электротехники иллюстрирует данный пример?
Рис. 20. Даже при одном замыкании на "землю" в электроустановках постоянного тока возможно ложное срабатывание - к упражнению 48. При нарушении изоляции возможны ложное срабатывание, залипание, увеличение времени возврата, короткое замыкание - к упражнению 49
Это и подтверждает рассмотренный пример.
В электроустановках постоянного тока при замыкании на "землю" происходит перезаряд емкости кабелей, что может привести к ложному срабатыванию. Этот сложный и далеко не очевидный вопрос рассмотрен в упражнении 48.
Упражнение 48. На крупных электростанциях и подстанциях кабельная сеть оперативного тока обладает значительной емкостью. Расчетная схема такой сети представлена на рис. 20,а в виде эквивалентных емкостей С+ и С_, включенных последовательно между плюсом и минусом источника постоянного тока. При первом включении питания при напряжении U через емкости С+ и С проходит кратковременный зарядный ток «1. После этого емкости оказываются заряженными, причем если С+ = С_, то на каждую из них приходится половина напряжения, т.е. U]2.
С процессом самого заряда не сопряжены какие-либо неприятные явления. Но если на участке между контактом и катушкой реле К (рис.20,б) случится замыкание на "землю", то произойдет следующее. Емкость С+ окажется включенной уже не на половину, а на полное напряжение U и 94
начнет подзаряжаться током через катушку реле К. Емкость С_, напротив, окажется закороченной катушкой реле К и будет на нее разряжаться током /3. А так как направление разрядного тока всегда противоположно направлению зарядного тока, то оба тока в катушке реле направлены одинаково. Поэтому они могут вызвать ложное срабатывание.
Ответить на вопросы: 1. Какое условие необходимо, чтобы реле ложно сработало? 2. Как определить, какая энергия W3n 1 достаточна для срабатывания реле в нормальных условиях, т.е. когда его включает контакт S? 3. Может ли в результате образования ложной цепи произойти самовключение масляного выключателя?
Ответы. 1. Чтобы реле ложно сработало, необходимо, чтобы количество энергии W3Jl2, проходящий через емкости в катушку реле А", было равно или больше энергии И'эл!, необходимой для его срабатывания. Рассмотрим числовой пример. Пусть напряжение питания V— 110 В, эквивалентные емкости С+ = С_ = 10 мкФ и W3„ t = 0.05 Дж.
Значение H^j вычисляется по формуле
, где
С - емкость; изменение напряжения на емкости, равное в
данном случае 55 В (емкость С+ дозаряжается с 55 до 110 В, т.е. на 55 В; емкость С_ разряжается с 55 В до 0, т.е. тоже на 55 В), а 10~6 - коэффициент размерности, так как емкость дана не в фарадах, а в микрофарадах. В нашем случае
Сравнивая Wml с W3„2 (0,05 Дж с 0,03 Дж), видим, что реле ложно сработать не может: не хватит энергии. Прн большей емкости, например при 18 мкФ, реле сработает, так как
Нужно перемножить значения тока срабатывания, напряжения и времени срабатывания. Полученная энергия будет в 1,5-2 раза больше той, при которой реле сработает. Это объясняется наличием производственного запаса, который учитывает возможные неблагоприятные условия: понижение напряжения, возросшую контактную нагрузку и т.п.
Непосредственно не может: для этого потребовалась бы емкость в несколько тысяч микрофарад, что совершенно нереально. Однако на поставленный вопрос следует ответить утвердительно: может. Дело в том, что привод включается через промежуточное реле и если оно сработает, то включит привод нормальным путем от сети. А ложно сработать промежуточное реле может, как убедительно доказывает рассмотренный здесь пример.
Вопрос о ложных срабатываниях от емкостных токов в недавнем прошлом — лет 40 назад - не возникал. Дело в том, что в то время применялись только сравнительно тяжелые (с большой массой) якоря и медленнодействующие аппараты. Для их срабатывания требуется энергия большая, чем может накопить реально существующая емкость кабелей. Поэтому считалось, что одно замыкание на землю не может привести к ложному срабатыванию.
Однако положение изменилось, когда появилась телемеханика, материальной базой которой стали значительно более чувствительные и быстродействующие телефонные реле.
В настоящее время вопрос об опасности емкостных токов еще более усугубился в связи с широким внедрением весьма быстродействующих приборов на базе безынерционной полупроводниковой техники.
Приведенные здесь краткие сведения о емкости кабельных линий показывают, к каким тяжелым последствиям может привести ее недооценка.
Емкость, специально получаемая с помощью конденсаторов, имеет многие весьма полезные применения. Перечислим некоторые из них.
С помощью косинусных конденсаторов компенсируют реактивную мощность, повышая этим пропускную способность силовых сетей, снижая в них потери, а также улучшают cosy в промышленных электроустановках.
В простейших реле времени замедление создается благодаря тому, что заряд конденсатора происходит не сразу, причем нужную его продолжительность легко задать с помощью регулируемого резистора, включенного в цепь конденсатора.
Пример получения необходимого замедления с помощью конденсатора в устройстве АПВ рассмотрен выше, в упражнении 44.
Непременными частями пускорегулирующих аппаратов для люминесцентных ламп являются конденсаторы. Они служат для повышения коэффициента мощности, выравнивают освещенность, подавляют помехи радиоприему.
Конденсаторы широко используются в искрогасительных контурах, которые предохраняют контакты от разрушения. С этой целью конденсатор через последовательно соединенный с ним резистор присоединяют либо параллельно защищаемому контакту, либо параллельно катушке, являющейся источником перенапряжения. Ясно, что емкость и сопротивление резистора надлежащим образом подобраны: обычно 0,5-4 мкФ и 10 — 25 Ом в разных сочетаниях, определяемых конкретными условиями. Подробнее о контактах написано в § 7.
Без конденсатора нельзя настроить радио- и телевизионные приемники на прием определенной станции.
6. Конденсаторы необходимы в электрических фильтрах, чтобы разделить каналы, образованные в одной линии связи или в силовой линии. По нескольким каналам производится одновременное телефонирование, телеграфирование, передача сигналов и т.п.
При нарушении изоляции проводников возможны: а) ложное срабатывание; б) залипание; в) увеличение времени возврата; г) короткое замыкание — все зависит от того, в каком месте цепь повредилась и каково переходное сопротивление заземления. Рассмотрим эти вопросы, выполнив упражнение 49.
Подчеркнем здесь же, что упражнение 49 выполнено для случая питания постоянным током, при котором оба полюса от "земли" изолированы. Если же питание осуществляется от фазы и нейтрали в установке переменного тока, в которой нейтраль заземлена (или занулена), то один из выводов катушки обязательно присоединен к нейтральному проводу ("земле").
Упражнение 49. На рис. 20,в и г даны различные варианты нарушения изоляции на участках между контактом S1 и катушкой К1.
Ответить на вопросы: 1. Сработает ли реле К1 по ложной цепи 3-4-2, если напряжение питания 110 В, сопротивление реле Г\. =2000 Ом, сопротивление изоляции г = 10 000 Ом, ток срабатывания реле iCp =0,03 А, ток возврата 0,005 А (рис. 20,в)? 2. Залипнет ли реле Д включенное по цепи 1-2, после того как контакт будет разомкнут? 3. Сработает ли реле К1 по ложной цепи, при случайном прикосновении к "земле" длительностью t = 0,012 с, если сопротивление изоляции г = 500 Ом, а время срабатывания реле /ср = 0,025 с. 4. Что произойдет, если при замыкании в точке 7 сопротивление изоляции снизится до значения, примерно равного сопротивлению реле (рис. 20,г) ? 5. Те же условия, но сопротивление изоляции снизилось до нуля.
Ответы. 1. Не сработает, так как ток в цепи 3-4-2 Ц = 110/(2000 + + 10 000) = 0,0092 А меньше тока срабатывания = 0,03 А.
Залипнет из-за того, что ток в цепи 3-4-2 больше тока возврата: |4 =0,0092 > 0,005 А.
Не сработает, хотя ток в ложной цепи i4 = 110/ (2000+500) =0,044 А больше тока срабатывания. Дело в том, что для срабатывания реле требуется время /ср =0,025 с, а изоляция нарушалась на меньшее время, а именно на t =0,012 с.
После размыкания цепи 5-6 электромагнитная энергия, накопленная в индуктивности катушки К1, перейдет в электрическую: в контуре катушка - точки 6, 8 - сопротивление изоляции г - точка 7 - катушка возникнет ток is. Его направление такое же, какое было до размыкания контакта S1, благодаря чему якорь отпустит с небольшим замедлением. Ток прекратится, когда энергия перейдет в теплоту и рассеется в сопротивлениях Г И Г1.
Пока контакт S1 разомкнут, ничего не произойдет, повреждение не будет замечено. При замыкании контакта возникнет короткое замыкание (ток /6).
Важное замечание. В упражнениях 46 - 49 действия емкости и активного сопротивления рассматривались раздельно. Фактически же емкость и сопротивление действуют совместно. Но из этого вовсе не следует, что их вредные последствия суммируются. В ряде случаев может быть наоборот: ослабленная изоляция, выполняя роль разрядного сопротивления, снижает вредное влияние емкости.
