Как добиться надежной работы электроустановок - Контакты коммутационных устройств

В электроустановках применяются контакты двух видов: а) контактные соединения неразъемные (пайка, сварка) и разъемные (на винтах, втычные, пружинящие и т.п.); б) контакты коммутационных устройств — контакты магнитных пускателей, реле, выключателей и других аппаратов, специально предназначенные для замыкания и размыкания электрических цепей, т.е. для их коммутации.
Контактные соединения никогда, ни при каких обстоятельствах не должны нарушаться.
Коммутационные контакты - наиболее уязвимая часть любой электроустановки. Если не учитывать реальные условия их работы, то контакты преждевременно выйдут из строя, могут сгореть и даже привариться. Но даже правильно примененные по условиям их работы контакты могут оказаться в таких цепях, в которые ни в коем случае их вводить нельзя, причем обе ошибки — неправильное использование по условиям работы и недопустимое применение — ошибки распространенные, но скрытые, в том смысле что их последствия длительное время остаются незамеченными и проявляются неожиданно.

КОММУТАЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ

Коммутационная способность контактов, т.е. условия, при которых контакты надежно работают в течение положенного срока службы, зависит, во-первых, от свойств коммутируемой цепи, во-вторых, — от длительности прохождения тока через контакт и, в-третьих, — от скорости переключения. Например, контакты электромагнитного реле переключаются быстро - это хорошо, а контакты теплового реле (если не принять специальные меры ускорения) - медленно, это плохо.

•Время нахождения под током включения - не более 0,11

Проще всего рассмотреть особенности коммутационной способности на примере промежуточного реле одной из массовых серий на номинальный ток 4 А. Приведем таблицу, заимствованную из каталога, а затем сделаем из нее надлежащие выводы, но прежде обратим внимание на следующее.
Нагрузка бывает безындуктивная: лампы накаливания, печи и т.п. — это самый благоприятный случай, но сравнительно редкий. Чаще нагрузка обладает значительной индуктивностью, например катушки реле, контакторов, приводов выключателей, электродвигатели и т.п. Реже встречается емкостная нагрузка, например косинусные конденсаторы, зарядный ток которых велик. Конденсаторы распространены также в устройствах управления, но там емкости невелики и, кроме того, случаи непосредственного включения конденсатора без сопротивления, ограничивающего ток, встречаются крайне редко.
Обратимся к таблице. Из нее следует:
а)        коммутационная способность в цепях постоянного тока значительно ниже коммутационной способности в цепях переменного тока. Например, при 220 В постоянного тока отключаемый ток 0,25 А, а при 220 В переменного тока 3,2 А, т.е. почти в 13 раз больше;
б)        включаемый ток значительно больше отключаемого, но он может проходить через контакты ограниченное время, в нашем примере — не более 0,1 с, иначе контакты перегреются;
в)        чем выше напряжение цепи, в которую включены контакты, тем отключаемый ток меньше. Например, при 12 В постоянного тока отключаемый ток 5 А, а при 220 В в 20 раз меньше - 0,25 А;

г)         в таблице обусловлены характеристики цепей: постоянная времени - не более 0,01 с в цепях постоянного тока и коэффициент мощности — не менее 0,4 в цепях переменного тока. Эти характеристики говорят о скорости нарастания и спадания тока при замыкании и размыкании цепи — эти процессы подчиняются экспоненциальному закону аналогично процессам нагрева и охлаждения (см. § 2). При постоянной времени более 0,01 или коэффициенте мощности менее 0,4 коммутационная способность контактов должна быть снижена. Приведенные значения (0,01 и 0,04) примерно соответствуют индуктивности обычных электромагнитных аппаратов;
д)        значение номинального тока контактов в нашем примере 4 А является характеристикой недостаточной, так как не учитывает ни рода тока, ни характера цепи, ни ее напряжения.
Обратим внимание на следующее.
В паспорте аппарата написано, например, "250 В, 5 А, 200 Вт". Это значит, что допустимо размыкание тока в 5 А, но при напряжении не выше 200 : 5 = 40 В. Если же напряжение 250 В, то контакт может размыкать не более 200 : 250 = 0,8 А.
Если электроприемник может питаться как от сети постоянного, так и от сети переменного тока, то контакты надо выбирать по наиболее тяжелому режим у, т.е. из условий работы на постоянном токе.
При размыкании цепей постоянного тока (например, цепи включающего электромагнита масляного выключателя) применяют контакты с дугогасительными катушками (магнитное дутье), которые выпускаются на несколько номинальных токов. Например, контакт одного из контакторов без дугогасительной катушки размыкает только 0,4 А. С дугогасительной катушкой на 1,5; 2,5; 10; 20 и 40 А размыкаемый ток соответственно больше. Это значит, что его коммутационная способность соответственно увеличивается, например с катушкой на 40 А - в 100 раз!
Надо, однако, иметь в виду, что при токе, меньшем 25% номинального тока дугогасительной катушки, создаваемое ею магнитное поле недостаточно для гашения дуги. Это значит, что при дугогасительной катушке на 40 А ток в цепи должен быть не менее 10 А. И наоборот, очень быстрое гашение дуги влечет за собой возникновение значительных коммутационных перенапряжений, представляющих опасность для изоляции (см. §6). Поэтому рекомендуется брать катушку на номинальный ток, примерно втрое больший, чем ток в индуктивной цепи, размыкаемой контактом. Так, при наличии значительной индуктивности и размыкаемом токе 13-15 А катушку нужно брать на 40 А. И, наконец, предельный отключаемый ток не должен превышать трехкратного номинального тока дугогасительной катушки. Значит, при дугогасительной катушке на 40 А нельзя размыкать ток более 120 А.

Рис. 23. Обозначение дугогашения в схемах силовых сетей. Способы искрогашения на контактах в устройствах управления сигнализации, автоматики и телемеханики
4. Для гашения дуги в цепях переменного тока применяют другой прием: в дугогасительную камеру помещают несколько параллельно расположенных — поперек дуги — стальных пластин. Горячая дуга, поднимаясь, попадает на пластины и дробится ими на несколько последовательно соединенных коротких дуг.  Ясно, что напряжения, приходящиеся на короткие дуги, значительно меньше, что и способствует гашению.
В любых случаях, когда дугогашение предусмотрено конструкцией аппарата (а не внешними средствами, см. ниже), его обозначают на схемах так, как показано на рис. 23,д. Если же контакт защищен внешними средствами: разрядником, разрядным резистором (рис. 23,6), разрядным диодом (рис. 23,в), контуром из конденсатора и резистора (рис. 23,г ид), то обозначение рис. 23,а применять нельзя.
Несмотря на различие средств искрогашения  суть дела состоит в следующем. Пока контакт К замкнут через катушку К1 проходит ток Л: в ней запасается электромагнитная энергия. А когда контакт размыкается, она освобождается, и если ей не
дать выход, минуя контакт, то образуется сильное искрение и контакт вскоре будет испорчен. Выход этой энергии создают: разрядный резистор, через который замыкается ток /2, либо диод, либо искрогасительный контур С - г. Не все способы равноценны. Так, через разрядный резистор R на рис. 23,6 все время, пока контакт А" замкнут, проходит ток /3, т.е. расходуется энергия и выделяется тепло. От этого недостатка свободно искрогашение с помощью встречно включенного диода V, так как в нормальных условиях через диод ток не проходит. Сравнивая рис. 23,г и д, видим, что в первом случае контур включен параллельно катушке, во втором - параллельно защищаемому контакту. Первый способ лучше. Дело в том, что сопротивление резистора обычно невелико (10-25 Ом), из-за чего при пробое конденсатора во втором случае (рис. 23,д) контакт будет практически закорочен.

НЕПРАВИЛЬНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ КОНТАКТОВ

В книге ничего не сказано об ошибках при проектировании. Но бывают ошибки очевидные, как, например, применение изделий без учета условий их эксплуатации, и бывают ошибки, которые долгое время могут оставаться незамеченными, но неожиданно проявляют себя при стечении неблагоприятных обстоятельств. Рассмотрим два типичных примера, воспользовавшись настолько простыми схемами, в которых, на первый взгляд, и ошибиться не в чем.
Пример 1. Для сигнализации положения выключателей Q1 и Q2 в распределительном устройстве РУ установлены зеленые лампы 3 и 6 "включено" и красные лампы 2 и 5 "отключено". Кроме того, на щите имеются дублирующие лампы 1 к 4 (рис.24).
Чтобы отключать сигнализацию в РУ, с целью экономии электроэнергии ввели выключатель SA. Однако когда его отключили, то лампы в РУ не только не погасли, а стали сигнализировать неправильно: выключатель Q1, судя по сигналам, оказался одновременно и включенным, и отключенным, так как по ложной цепи (синяя линия) включились обе лампы 2 и 3. Заметим, что лампы, включившиеся по ложной цепи, горят тускло. Но они находятся под цветными колпачками, поэтому различить яркость трудно, однако ясно видно, что лампа горит.
Пример 2. Схема, изображенная на рис. 25, должна работать так: нагрузка обычно питается от сети переменного тока через трансформатор Т (контактор КМ1 включен, а контактор Км² отключен), но при исчезновении переменного тока питание переключается на аккумуляторную батарею G. Контактор КМ1 отключается и лишь после его отключения включается Км².

Рис. 24. Пример, иллюстрирующий образование ложной цепи из-за введения контакта в провод, который ни при каких условиях разрывать нельзя
В варианте схемы рис. 25,а при включенном КМ1 замкнута цепь реле К, поэтому его якорь притянут и, следовательно, разомкнута цепь включающей катушки Км². При отключении КМ1 реле Л" отпускает и включает Км².
Нетрудно, однако, видеть, что перегорание предохранителя F1 или F2 приводит даже при включенном КМ1 к отпаданию якоря К и, следовательно, к включению Км², т.е. к одновременному включению на одни и те же шины и постоянного, и переменного тока. Незамыкание контакта в цепи реле К также приводит к несвоевременному включению Км², что крайне опасно1.

1          Для магнитных цепей справедлив закон, аналогичный закону Ома для цепей электрических, а именно: магнитный поток (ток) прямо пропорционален МДС (ЭДС) и обратно пропорционален магнитному сопротивлению (электрическому сопротивлению).

Достаточно, однако, "чуть-чуть" изменить схему и ничего опасного произойти не сможет. Такая схема приведена на рис. 25,6. В этой схеме цепь реле К разомкнута при включенном КМ1. Благодаря этому ни перегорание, ни восстановление предохранителей ничего не изменяют в положении реле Л" и, следовательно, в цепи управления Км². Незамыкание вспомогательного контакта КМ1 или контакта К в цепи катушки Км², а также перегорание предохранителей приводит лишь к отказу включения Км², что хотя и плохо, но несравненно лучше закорачивания трансформатора и аккумуляторной батареи.
В реальных схемах контакторы взаимно сблокированы, благодаря чему одновременное их включение безусловно исключается. Эта блокировка на рис. 25 не показана, что, однако, не меняет существа дела.

Рис. 25. Пример, иллюстрирующий, как в результате непродуманного использования контактов при их незамыкании (или при перегорании предохранителей) на одни и те же шины одновременно оказываются включенными трансформатор и аккумуляторная батарея (а). Достаточно правильно использовать контакты, чтобы закорачивание трансформатора и аккумуляторной батареи было исключено (б)
Заметим, что в схемах рис. 25,а и б число контактов, катушек и предохранителей совершенно одинаково, хотя эксплуатационные свойства резко различны: одна схема безусловно недопустима, другая вполне удовлетворительна. Этот пример, кстати, подчеркивает, что и при составлении схем успех дела решает отнюдь не число их составных элементов (как иногда ошибочно думают), а умение их правильно применять.