Аппаратура управления и защиты электродвигателей

Типы электрических аппаратов. Современные электрические аппараты управления и защиты чрезвычайно разнообразны. Их можно подразделить по способу действия, назначению и характеру работы.

По способу действия аппараты могут быть ручного (неавтоматического) и автоматического управления.

По назначению:
– коммутационные аппараты, предназначенные для замыкания и размыкания электрических цепей;
– аппараты токо- и пускорегулирующие;
– аппараты защиты электрических цепей (от чрезмерных токов и чрезмерного повышения напряжения).

При этом существуют сложные комплексные устройства, выполняющие одновременно разные функции:
коммутации и защиты, коммутации, регулирования и защиты.

По характеру работы электрические аппараты подразделяются на аппараты, работающие длительное время, аппараты для кратковременного режима работы и аппараты для повторно-кратковременного режима работы.

Принципы действия аппаратов автоматического управления могут быть различными: имеются аппараты электромагнитные, индукционные, электронные и др.

Общие требования ко всем видам аппаратов — простота их устройства и обслуживания, а также экономичность (малогабаритность, небольшой вес и минимальное количество дорогостоящих материалов, идущих на их изготовление).

Аппараты управления и защиты выбираются с учетом рода тока, величины напряжения, мощности электродвигателя, типа электрической защиты.

Электрические контактные соединения. Электрическим контактным соединением называется конструктивный узел, с помощью которого в процессе работы аппарата производятся периодические замыкания и размыкания электрической цепи. Контактная системы является одной из главных частей электроаппарата, так как от их конструктивного исполнения и качества зависит надежность его работы. Электрическим контактом называется место перехода тока из одной токоведущей части в другую.

В большинстве случаев контактное соединение состоит из подвижного и неподвижного элементов. Контактные соединения могут состоять также из двух или нескольких неподвижных проводящих деталей, например, присоединения проводов к электроаппарату. Поверхность соприкосновения проводников носит название контактной поверхности.

В зависимости от условий работы различают три группы контактных соединений:
а) неподвижные контактные соединения, характеризующиеся жестким присоединением внутренних токоведу-щих частей или соединительных проводов к аппарату; сила прижатия одной контактной поверхности к другой обеспечивается главным образом болтовыми соединениями;
б) подвижные контактные соединения, которые возможно разъединять во время работы аппарата; сила прижатия контактных элементов обеспечивается пружинами;
в) скользящие контактные соединения, отличающиеся тем, что одна контактная поверхность перемещается относительно другой при непрерывно замкнутой цепи тока.

Опасность поражения электрическим током

Если человек или животное прикоснется к элементу электроустановки, который находится под напряжением, то через его тело пройдет электрический ток. Значение тока зависит от напряжения, сопротивления, которое имеет тело, и материала, находящегося между телом и токоведущими частями или землей (одежда, обувь, пол и т. д.). Опасное напряжение может появиться, как показалось бы неспециалисту, совершенно неожиданно. Например, при невыполнении предписанных нормами технических мероприятий человек может быть поражен током при прикосновении к крану или трубе водопроводной сети, если где-то в здании, даже в другой его части или на другом этаже, произошло замыкание электропроводки на конструкцию здания или трубы. Проходя около опоры линии электропередачи, человек может попасть под шаговое напряжение и подвергнуться действию тока, проходящего через ноги, если он окажется в зоне растекания тока, проходящего в землю через опору в случае замыкания провода на опору или повреждения изоляторов. Находясь под проводами линии высокого напряжения, человек может оказаться под опасным воздействием электрического поля. При грозе появляется повышенная опасность поражения атмосферным электричеством и прямым ударом молнии. Для человека обычно безопасен ток 10 мА, но смертельные случаи бывали даже при токах меньше 6 мА. Безопасным напряжением прикосновения для человека условно считается 12 В, хотя при особо неблагоприятных условиях и при 12 В возможны травмы. В нормальных условиях, когда человек здоров и трезв, когда его кожа неповреждена и суха и он находится в сухом производственном помещении, для человека обычно безопасно напряжение до 40 В. Еще большую опасность представляет напряжение для крупных животных, сопротивление тела которых ниже, чем у человека. Кроме того, для животных увеличивается опасность поражения при шаговом напряжении, так как у них расстояние между передними и задними ногами больше, чем длина шага человека. Опасность поражения током животных усиливается тем, что они обычно находятся на влажном полу, проводящем ток. Роговой слой копыт у лошадей нарушен металлическими гвоздями подков. Очень опасно появление даже небольшого напряжения на автопоилках, так как электрическое сопротивление животных снижается при питье, когда с металлом непосредственно или через воду соприкасается тонкая кожа губ, языка и полости рта. Ток проходит по всему телу: через голову и грудную клетку. Повышенная влажность и запыленность, агрессивная среда, токопроводящие полы делают животноводческие фермы и некоторые другие производственные помещения особо опасными в отношении поражения людей и животных электрическим током, а использование транспортеров и других протяженных электрифицированных механизмов увеличивает зону возможного возникновения опасных напряжений. В таких условиях безопасным и безвредным при длительном воздействии напряжением для животных следует считать напряжение не свыше 2 В переменного тока, напряжение свыше 4 В следует считать вреднодействующим, а свыше 16 В — смертельно опасным при длительном (более нескольких секунд) протекании тока через тело животного. Обслуживание электроустановок и их использование в промышленности и в быту требуют большой осторожности. Как хорошо известно, по внешнему виду проводов и аппаратов нельзя судить, находятся ли они под напряжением или нет. Даже если они явно отключены от источника тока, то напряжение может появиться другим путем, например в обход выключателя или от другого источника. Даже после того, как прибором проверено, что напряжения нет, прикасаться все же опасно: прибор мог оказаться неисправным или напряжение могло возникнуть после проверки. Если же отключенные провода заземлить, к ним можно прикасаться без опасений. О наличии напряжения убеждаются по показаниям вольтметров или сигнализаторов включенного-отключенного состояния аппаратов, по положению рукояток приводов или рубильников, положению блокировок, горению ламп и другим признакам. Но по всем этим признакам и по показаниям приборов нельзя делать заключение об отсутствии напряжения. Наиболее надежными приборами являются специальные указатели напряжения, выпускаемые промышленностью. Но и показаниями этих приборов можно руководствоваться только в том случае, если прибор проверен во время и на месте использования. Проверить указатель напряжения можно поочередным касанием щупа указателя к сети, находящейся под напряжением, и к проверяемому элементу электроустановки того же напряжения. Если такой сети на месте нет, то источник тока носят с собой, используя, например, батарейку с прерывателем и индукционную катушку. После проверки накладывают заземление с помощью изолирующей штанги, не касаясь проверенного элемента (провода, шины и др.) до тех пор, пока он не заземлен. Анализ электротравматизма показал, что наиболее частыми непосредственными причинами являлись следующие: 1. неудовлетворительное ограждение токоведущих частей, отсутствие надежных запирающих устройств шкафов, вводных ящиков и др.; 2. пользование электрифицированными устройствами без соблюдения необходимых мер безопасности — заземления, зануления и др.; 3. выполнение работ без защитных средств в условиях обязательного их применения; 4. выполнение работ под напряжением 65 В и выше без принятия необходимых мер безопасности; 5. работа машин вблизи проводов воздушных линий электропередачи при несоблюдении мер безопасности; 6. несоответствие машин, аппаратов, кабелей, проводов и других элементов электроустановок условиям эксплуатации или их неисправность; 7. пользование неисправным, непроверенным электроинструментом и другими электрифицированными устройствами; 8. применение переносного ручного электроинструмента при напряжении 120 В и более в условиях повышенной опасности; 9. неправильное использование рабочих не по специальности, отсутствие должного контроля за обучением и инструктажем рабочих. Известно, что коэффициент тяжести травматизма выше среднего в тех организациях и областях, где меньше рабочих охвачено обучением; 10. отсутствие должного контроля за производством работ, что подтверждается хотя бы тем, что при разбросанности мелких объектов, например в сельском строительстве или при монтажных и ремонтных работах на трассах, где объекты рассредоточены и небольшому числу рабочих приходится выполнять работы без постоянного присутствия и надзора инженерно-технических работников, частота электротравматизма выше, чем в условиях крупного производства. Распределение электротравм по отраслям народного хозяйства показывает, что они выше там, где имеется много сетей временного электроснабжения и воздушных сетей напряжением до 1 кВ, например на строительных площадках. Если число электротравм, приходящихся на 100 стационарных электродвигателей или на 100 км стационарной электросети, принять за единицу, то окажется, что на то же количество передвижных временных электродвигателей и временных электросетей электротравм приходится в десятки раз больше. Применяемые на ряде строек обычные электроизделия теряют свои свойства быстрее, чем в стационарных электросетях, поэтому на стройках нужны специальные надежные сборно-разборные сети и специализированное строительное электрооборудование. Среди причин электротравматизма можно отметить также: случаи недостаточной производственной дисциплины; выполнение работ, связанных с опасностью, без нарядов-допусков; принятие ошибочных решений вследствие недостаточных знаний; поспешные и необдуманные действия работающих.

Это многообразие действий электрического тока может привести к двум видам поражения: электрическим травмам и электрическим ударам.

Электрические травмы представляют собой четко выраженные местные повреждения тканей организма, вызванные воздействием электрического тока или электрической дуги.

В большинстве случаев электротравмы излечиваются, но иногда при тяжелых ожогах травмы могут привести к гибели человека.

Различают следующие электрические травмы: электрические ожоги, электрические знаки, металлизация кожи, электроофтальмия и механические повреждения.

Электрический ожог — самая распространенная электротравма. Ожоги бывают двух видов: токовый (или контактный) и дуговой.

Токовый ожог обусловлен прохождением тока через тело человека в результате контакта с токоведущей частью и является следствием преобразования электрической энергии в тепловую.

Различают четыре степени ожогов: I — покраснение кожи; II — образование пузырей; III — омертвение всей толщи кожи; I V — обугливание тканей. Тяжесть поражения организма обуславливается не степенью ожога, а площадью обожженной поверхности тела.

Токовые ожоги возникают при напряжениях не выше 1-2 кВ и являются в большинстве случаев ожогами I и II степени; иногда бывают и тяжелые ожоги.

Дуговой ожог. При более высоких напряжениях между токоведущей частью и телом человека образуется электрическая дуга (температура дуги выше 3500°С и у нее весьма большая энергия), которая и причиняет дуговой ожог. Дуговые ожоги, как правило, тяжелые - III или IV степени.

Электрические знаки — четко очерченные пятна серого или бледно-желтого цвета на поверхности кожи человека, подвергшейся действию тока. Знаки бывают также в виде царапин, ран, порезов или ушибов, бородавок, кровоизлияний в кожу и мозолей.

В большинстве случаев электрические знаки безболезненны и лечение их заканчивается благополучно.

Металлизация кожи — это проникновение в верхние слои кожи мельчайших частичек металла, расплавившегося под действием электрической дуги. Это может произойти при коротких замыканиях, отключениях рубильников под нагрузкой и т. п. Металлизация сопровождается ожогом кожи, вызываемым нагревшимся металлом.

Электроофтальмия - поражение глаз, вызванное интенсивным излучением электрической дуги, спектр которой содержит вредные для глаз ультрафиолетовые и ультракрасные лучи. Кроме того, возможно попадание в глаза брызг расплавленного металла. Защита от электроофтальмии достигается ношением защитных очков, которые не пропускают ультрафиолетовых лучей и обеспечивают защиту глаз от брызг расплавленного металла.

Механические повреждения возникают в результате резких непроизвольных судорожных сокращений мышц под действием тока, проходящего через тело человека. В результате могут произойти разрывы кожи, кровеносных сосудов и нервной ткани, а также вывихи суставов и даже переломы костей. К этому же виду травм следует отнести ушибы, переломы, вызванные падением человека с высоты, ударами о предметы в результате непроизвольных движений или потери сознания при воздействии тока. Механические повреждения являются, как правило, серьезными травмами, требующими длительного лечения.

Назначение, принцип действия, область применения. Защитным отключением называется автоматическое отключение электроустановок при однофазном (однополюсном) прикосновении к частям, находящимся под напряжением, недопустимым для человека, и (или) при возникновении в электроустановке тока утечки (замыкания), превышающего заданные значения.

Назначение защитного отключения - обеспечение электробезопасности, что достигается за счет ограничения времени воздействия опасного тока на человека. Защита осуществляется специальным устройством защитного отключения (УЗО), которое, работая в дежурном режиме, постоянно контролирует условия поражения человека электрическим током.

Область применения: электроустановки в сетях с любым напряжением и любым режимом нейтрали.

Наибольшее распространение защитное отключение получило в электроустановках, используемых в сетях напряжением до 1 кВ с заземленной или изолированной нейтралью.

Принцип работы УЗО состоит в том, что оно постоянно контролирует входной сигнал и сравнивает его с наперед заданной величиной (устав-кой). Если входной сигнал превышает уставку, то устройство срабатывает и отключает защищенную электроустановку от сети. В качестве входных сигналов устройств защитного отключения используют различные параметры электрических сетей, которые несут в себе информацию об условиях поражения человека электрическим током.

Все УЗО по виду входного сигнала классифицируют на несколько типов (рис. 4.11).

Рис.4.11. Классификация УЗО по виду входного сигнала

Кроме того УЗО могут классифицироваться по другим критериям, например, по конструктивному исполнению.

Основными элементами любого устройства защитного отключения являются датчик, преобразователь и исполнительный орган.

Основными параметрами, по которым подбирается то или иное УЗО являются: номинальный ток нагрузки т.е. рабочий ток электроустановки, который протекает через нормально замкнутые контакты УЗО в дежурном режиме; номинальное напряжение; уставка; время срабатывания устройства.

Рассмотрим более подробно УЗО, реагирующее на потенциал корпуса относительно земли, предназначенное для обеспечения безопасности при возникновении на заземленном (или зануленном) корпусе электроустановки повышенного потенциала. Датчиком в этом устройстве (рис.4.12) служит реле Р, обмотка которого включена между корпусом электроустановки и вспомогательным заземлителем R _в. Электроды вспомогательного заземлителя R _в располагаются вне зоны растекания токов заземлителя R _з.

Рис.4.12. Схема УЗО, реагирующего на потенциал корпуса

При замыкании на корпус защитное заземление R _з снизит потенциал корпуса относительно земли до величины j _з= I _з R _з. Если по каким-либо причинам окажется, что j _{з >}j_здоп, где j _здоп - потенциал корпуса, при котором напряжение прикосновения не превышает допустимого, то срабатывает реле Р, которое своими контактами замкнет цепь питания катушки коммутационного аппарата и произойдет отключение поврежденной электроустановки от сети.

Фактически данный тип УЗО дублирует защитные свойства заземления или зануления и применяется в качестве дополнительной защиты, повышая надежность заземления или зануления.

Данный тип УЗО может применяться в сетях с любым режимом нейтрали, когда заземление или зануление неэффективно.

УЗО, реагирующее на дифференциальный (остаточный) ток, находят широкое применение во всех отраслях промышленности. Характерной их особенностью является многофункциональность. Такие УЗО могут осуществлять защиту человека от поражения электрическим током при прямом прикосновении, при косвенном прикосновении, при несимметричном снижении изоляции проводов относительно земли в зоне защиты устройства, при замыканиях на землю и в других ситуациях.

Принцип действия УЗО дифференциального типа заключается в том, что оно постоянно контролирует дифференциальный ток и сравнивает его с уставкой. При превышении значения дифференциального тока уставки УЗО срабатывает и отключает аварийный потребитель электроэнергии от сети. Входным сигналом для трехфазных УЗО является ток нулевой последовательности. Входной сигнал УЗО функционально связан с током, протекающим через тело человека I _h.

Область применения УЗО дифференциального типа – сети с заземленной нейтралью напряжением до 1 кВ (система TN - S).

Схема включения УЗО, реагирующего на дифференциальный ток в сети с заземленной нейтралью типа TN - S представлена на рис 4.13.

Рис.4.13. Схема подключения к сети УЗО (система TN – S), реагирующего на дифференциальный ток

Датчиком такого устройства является трансформатор тока нулевой последовательности (ТТНП), на выходных обмотках которого формируется сигнал, пропорциональный току через тело человека I _h. Преобразователь УЗО (П) сравнивает значение входного сигнала с уставкой, значение которой определяется допустимым током через человека, усиливает входной сигнал до уровня, необходимого для управления исполнительным органом (ИО). Исполнительный орган, например, контактор, отключает электроустановку от сети в случае возникновения опасности поражения электрическим током в зоне защиты УЗО.

По условиям функционирования дифференциальные УЗО подразделяются на следующие типы: АС, А, В, S, G.

УЗО типа АС – устройство защитного отключения, реагирующее на переменный синусоидальный дифференциальный ток, возникающий внезапно, либо медленно возрастающий.

УЗО типа А – устройство защитного отключения, реагирующее на переменный синусоидальный дифференциальный ток и пульсирующий постоянный дифференциальный ток, возникающие внезапно, либо медленно возрастающие.

УЗО типа В – устройство защитного отключения, реагирующее на переменный, постоянный и выпрямленный дифференциальные токи.

УЗО типа S – устройство защитного отключения, селективное (с выдержкой времени отключения).

УЗО типа G – то же, что и типа S,но с меньшей выдержкой времени

Конструктивно дифференциальные УЗО разделяются на два типа:

Основными параметрами УЗО дифференциального типа являются:

· Уставка (дифференциальный отключающий ток);