Основные понятия и определения
Для производства электроэнергии, её преобразования, передачи, распределения и потребления служат электроустановки, которые подразделяются по назначению, роду тока и напряжению.
По назначению электроустановки бывают генерирующие (вырабатывающие электроэнергию), потребительские (потребляющие электроэнергию) и преобразовательно-распределительные (передающие, преобразующие электроэнергию в удобный для потребителей вид и распределяющие её между ними).
По роду тока электроустановки бывают постоянного и переменного тока, а по напряжению – до1 000В и выше 1 000В.
Производят электроэнергию устанавливаемые на электрических станциях электрические генераторы.
Потребительские установки – это множество приёмников электроэнергии, устанавливаемых у потребителей. Потребителями электроэнергии являются все отрасли народного хозяйства, а также культурно-бытовые здания, больницы, научные учреждения и учебные заведения. Приёмники электроэнергии разнообразны: электрические двигатели (приводы различного станочного оборудования и электрического транспорта); электротехнологическое оборудование (сварочные машины и аппараты, электрические печи, станки для электроискровой обработки металлов); электробытовые приборы (электрические плиты, пылесосы, стиральные машины, холодильники и т. д.); радиоприёмники, телевизоры; электромедицинские приборы и аппараты (рентгеновские аппараты, аппараты для электротерапии и электродиагностики); приборы и установки для научных учреждений (осциллографы, электронные микроскопы, радиотелескопы, синхрофазотроны), и различные электрические источники света.
Для передачи и распределения электроэнергии служат электрические сети, связывающие электрические станции между собой и с потребителями при помощи линий электропередачи. Преобразование электроэнергии по напряжению (повышение и понижение) осуществляется на трансформаторных подстанциях, а по роду тока (переменного напряжения в постоянное и постоянного в переменное) – на преобразовательных.
По конструктивному исполнению электрические сети подразделяются на: воздушные (закрепляют провода с помощью изоляторов на опорах), кабельные (укладывают силовые кабели под землёй непосредственно в грунт или в соответствующих кабельных канализациях) и в виде электропроводок, прокладываемых изолированными проводами (в зданиях открыто по строительным основаниям, скрыто в каналах или бороздах конструктивных элементов).
В отличие от других видов продукции электрическая энергия характеризуется единством и непрерывностью процессов её производства, передачи и потребления.
Основным промышленным предприятием в электроэнергетике является электрическая система (энергосистема), представляющая собой совокупность взаимосвязанных электростанций, электрических и тепловых сетей и потребителей электрической и тепловой энергии, объединённых единством процесса производства, передачи и потребления энергии. Совокупность электрического оборудования объектов энергосистемы называют электрической частью энергосистемы.
Процесс управления и контроля силовыми электрическими цепями осуществляется во вторичный цепях преимущественно коммутацией тока: замыканием соответствующих цепей для включения силовых выключателей, замыканием и размыканием вспомогательных контактов выключателей для сигнализации о их состоянии и т. д. Кроме того, коммутацией часто называют процесс монтажа, состоящий в подключении проводов к приборам и аппаратам.
Электрические сети
Электрические сети напряжением до 1000В, с которыми непосредственно связано большинство приёмников электроэнергии являются наиболее разветвлёнными. Эти сети представляют собой трёхфазную систему с глухозаземлённой нейтралью и выведенным нулевым проводом, поэтому их часто называют четырёхпроводными. Номинальное напряжение таких сетей обычно обозначают дробью, например 660 / 380В или 380 / 220В, где числитель соответствует линейному напряжению (между двумя фазовыми проводами), а знаменатель – фазному напряжению (между одним из фазовых проводов и нулевым проводом). Для жилых, культурно-бытовых и многих промышленных зданий преимущественно применяется сеть 380 / 220В, фазное напряжение которой подводят к электрическим лампам и электробытовым приборам (холодильникам, пылесосам, радиоприёмникам, телевизорам и т. д.), а линейное напряжение 380В – к трёхфазным электродвигателям, подключая их к трём фазовым проводам электрическое сети.
При повреждении изоляции приёмника электроэнергии, корпус которого доступен для прикосновения, последний может оказаться под напряжением. Такое состояние длительно недопустимо, поскольку при неблагоприятных условиях прикосновение человека к корпусу, находящемуся под напряжением, может привести к поражению его электрическим током. Во избежание этого «Правила устройства электроустановок» (ПУЭ) требуют наличия металлической связи корпуса электрооборудования с заземлённым нулевым проводом. В целях электробезопасности не допускается разрывать заземлённый нулевой провод, поэтому выключатели к светильникам устанавливают в фазовый провод.
Электрическая сеть, состоящая из одной или нескольких одиночных линий, к каждой из которых подключено несколько потребителей электроэнергии непосредственно или через дополнительные линии, называется магистральной. Каждую одиночную линию называют магистралью, а дополнительную – ответвлением.
Изображение электроустановок на чертежах
Электроустановки изображают на чертежах в виде электрических схем, показывая условными графическими обозначениями все элементы (электрические машины, аппараты, приборы, кабели, провода и др.).
Рис. 1. Виды электрических схем:
а – структурная, б – функциональная; ИЭ – источник электроэнергии, Р – рубильник, А – автомат, РК – реверсивный контактор, БУС – блок управления и сигнализации, МТЗ с ТО – максимальная токовая защита с токовой отсечкой, АД – асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, ИМ – исполнительный механизм, КС РК – контактная система реверсивного контактора, С – кнопка «Стоп», 2КВ – контакт самоблокирования питания обмотки КВ, 1В – 2В – кнопка «Вперёд», 1Н – 2Н – кнопка «Назад», 1КН, 1КВ – контакты блокировки от неправильных действий схемы, КВ – обмотка контактора «Вперёд», КС РЗ – контактная система релейной защиты, 2КН – контакт самоблокирования питания обмотки контактора «Назад».
Наиболее часто используют принципиальные схемы, схемы соединений (монтажные) и схемы подключения.
Принципиальные схемы, на которых показывают все элементы и связи между ними, дают детальное представление о принципе действия электроустановки. На монтажных схемах показывают соединения в пределах отдельных частей электроустановки (панели щита, привода выключателя и др.), изображая провода, жгуты и кабели, а также места их присоединения и ввода. Кроме того, на монтажных схемах приводят взаимное расположение отдельных элементов. На схемах подключения показывают внешнее соединение отдельных частей электроустановки между собой, преимущественно изображая ряды зажимов, и подключаемые к ним кабели, жгуты, провода.
Электрическая схема представляет собой графическое изображение элементов электроустановок и их взаимосвязей.
Для изображения схем применяют условные графические обозначения, установленные рядом ГОСТов, входящих в Единую систему конструкторской документации (ЕСКД).
Распределительные устройства
Распределительным устройством (РУ) называют электроустановку, предназначенную для приёма электрической энергии от источника питания и распределения её между отдельными потребителями. Таким образом, РУ являются составными частями электрических сетей, в которых сходятся питающие и отходящие линии.
Обычно РУ содержат сборные шины, через которые распределяется поступающая электроэнергия, коммутационные, защитные, измерительные и токоограничивающие аппараты.
Коммуникационные аппараты необходимы для включения и отключения отдельных присоединений (линий, трансформаторов) как в нормальных условиях эксплуатации, так и при их нарушениях от соответствующих устройств релейной защиты и автоматики.
Защитные аппараты служат для защиты электрооборудования от перенапряжений, коротких замыканий (К.З.) и перегрузок.
Измерительные аппараты (трансформаторы тока и напряжения) питают измерительные приборы, реле защиты и автоматики.
Токоограничивающие аппараты применяются для ограничения токов К.З., облегчая тем самым работу электрооборудования, входящего в состав РУ.
В установках до 1000В распределительные устройства выполняют в виде щитков, шкафов, щитов с соответствующей аппаратурой, а также в виде токопроводов (магистральных, распределительных и осветительных).
Щитки изготовляют в виде плоской панели, на которой размещают защитные аппараты (предохранители или автоматы) или предохранители и выключатели для отходящих линий.
Рис. 2. Распределительные щиты:
а – одностороннего обслуживания ЩО, б – блочный (его панель).
Для распределения электроэнергии между силовыми приёмниками служат силовые пункты, обычно выполняемые в виде шкафов и щитов, составленных из отдельных панелей, где размещены коммутационные, защитные и измерительные аппараты. Распространены блочные щиты, каждая панель которых укомплектована стандартными блоками (блоки предохранителей, предохранитель – выключатель и выключатели).
В цехах промышленных предприятий для распределения электроэнергии между силовыми и осветительными приёмниками широко используют шинопроводы, составленные из прямых секций на прямых участках, угловых и ответвительных (тройниковых) секций.
Широкое распространение получили комплектные распределительные устройства (КРУ), которые изготовляют на заводах, что позволяет значительно ускорить процесс их монтажа и улучшить качество.
Аппараты распределительных устройств напряжением до 1 000В
В электроустановках до 1 000В применяют коммутационные аппараты для отключения, включения и переключения электрических цепей, защиты этих цепей от сверхтоков при перегрузках и коротких замыканиях применяют коммуникационные аппараты: рубильники и переключатели, предохранители и автоматы.
Простейшими коммуникационными аппаратами являются рубильники и переключатели.
Рис. 3. Коммутационные аппараты:
а, б – рубильники, в – переключатель; 1 – рукоятка, 2 – подвижные контакты (ножи), 3 – неподвижные контакты (губки), 4 – выводы, 5 – рычажный привод, 6 – дополнительные неподвижные контакты, 7 – дополнительные выводы.
Рубильники выпускают одно-, двух– и трёхполюсными с центральной рукояткой (Рис.3а,) или с боковой рукояткой (Рис.3б), а так же переключатели с рычажным приводом (Рис.3в, п.5).
Широко применяют пакетные выключатели ПВ , набираемые из отдельных пакетов (секций) по одному на каждый полюс. Выключатель обычно снабжают фиксирующей шайбой для чёткой фиксации в заданном положении, например включенном и отключенном. Пакетные выключатели выпускают на напряжение до 380В и токи от 10 до 400А.
Рис. 4. Пакетный выключатель ПВ
а – в собранном виде, б – со снятой крышкой, в – секция; 1 – крышка, 2 – ручка, 3 – пружина, 4 – корпус секции, 5 – неподвижный контакт, 6 – контактный валик, 7 – фиксирующая шайба, 8 – ось, 9 – подвижный контакт.
Простейшими аппаратами для защиты электроустановок от перегрузок и коротких замыканий служат плавкие предохранители . В каждом предохранителе имеется плавкая вставка, которая является ослабленным участком в электрической цепи и выбирается таким образом, чтобы при увеличении тока до значения, больше допустимого, она расплавлялась и тем самым разрывала цепь защищаемой электроустановки.
Рис. 5. Плавкие предохранители: а – резьбовой, б – трубчатый ПР-2, в – трубчатый ПНС; 1 – пробка, 2 – плавкая вставка, 3 – резьбовая деталь основания под пробку, 4 – резьбовая деталь пробки, 5 – контактный винт,
6 – контакт, 7 – изолирующее основание.
Конструкции плавких предохранителей разнообразны. Пробочные предохранители изготовляют с плавкими вставками от 6 до 20А.
В силовых сетях применяют трубчатые предохранители. Все предохранители, заполнены кварцевым песком (кроме РП-2) и устанавливаются в вертикальном или горизонтальном положении.
Воздушные автоматические выключатели (автоматы) , созданные для замены рубильников и плавких предохранителей, предназначены для коммуникации цепей электроустановок при токах нормальных режимов нагрузки и защиты от токов короткого замыкания, перегрузки и снижения напряжения. Отдельные автоматы выполняют не все перечисленные функции, а лишь часть их. Включение и отключение автоматов могут осуществляться как вручную, так и дистанционно с помощью электроприводов.
Для защиты однофазных электрических сетей жилых и общественных зданий применят автоматы АБ25, А3161, А63 и др.
Рис. 6. Установочный автомат АБ25:
1 – указатель срабатывания, 2 – рукоятка, 3 – неподвижный контакт, 4 – корпус, 5 – подвижный контакт рычага, 6 – термобиметаллический элемент расцепителя, 7 – боковая крышка.
Автоматические выключатели АП50 широко применяются в установках напряжением до 380 В переменного тока и 220 В постоянного тока для автоматического отключения при коротких замыканиях или токах перегрузки, для нечастой коммуникации в тех же установках и для пуска и защиты трёхфазных асинхронных электродвигателей.
Рис. 7. Автоматический выключатель АП50:
а – общий вид (со снятой крышкой), б – продольный разрез; 1 – механизм свободного расцепления, 2 – рычаг, 3 – кнопка отключения, 4 – кнопка включения, 5 – выводы, 6 – дугогасительная камера, 7 – крышка, 8 – стальные пластины дугогасительной камеры, 9 – подвижный контакт, 10 – гибкое соединение, 11 – траверса, 12 – электромагнитный расцепитель, 13 – тепловой расцепитель, 14 – неподвижный контакт, 15 – пластмассовый корпус.
Конструктивно автоматы могут сильно отличаться друг от друга, но принципы их работы сохраняются неизменными. В состав автоматов входят: контактная система, дугогасительные устройства, расцепители, привод и механизм свободного расцепления. Этот механизм является важной частью каждого автомата. Он обеспечивает моментальное размыкание главных контактов и невозможность их удержания во включённом состоянии при сохранении ненормального режима установки.
Рис. 8. Автомат А3100:
а – устройство (автомат отключён автоматически), б – при взводе, в – при включении; 1 – дугогасительная камера, 2 – обойма, 3 – перекидная пружина, 4 – ломающиеся рычаги, 5 – фигурный удерживающий рычаг, 6 – собачка, 7 – тепловой расцепитель, 8 – рейка, 9 – якорь электромагнитного расцепителя, 10 – сердечник электромагнитного расцепителя, 11 – зуб, 12 – неподвижная ось, 13 – контактодержатель, 14, 15 – контакты, 16 – впадина рычага, 17, 18, 19 – подвижные оси.
Аппараты дистанционного управления и контроля
Управление коммуникационными аппаратами обычно осуществляется из пункта, в частности щита управления, находящегося на некотором расстоянии (дистанции) от всех аппаратов, поэтому и называется дистанционным.
Для дистанционного управления коммутационные аппараты снабжены проводами, электрически связанными с пунктом управления, где размещены командные аппараты (кнопки, ключи управления, переключатели), с помощью которых подаются команды в виде электрических сигналов на включение или отключение соответствующих коммутационных аппаратов.
Аппаратами дистанционного управления и контроля являются сигнально-блокировочные контакты, сигнальные и командные аппараты, а также приводы коммутационных аппаратов.
Для дистанционного управления коммутационными аппаратами служат кнопки управления и различные переключатели (некоторые из них называют ключами), основными частями которых являются контактный элемент, предназначенных для замыкания и размыкания управляемых электрических цепей и имеющие подвижные и неподвижные контакты, а так же механизм передвижения подвижных контактов.
Рис. 9. Двухэлементная кнопка:
а – вид спереди, б – устройство (продольный разрез); 1 – кнопочный элемент («Пуск» – чёрного цвета, «Стоп» – красного цвета), 2, 3 – пружина, 4 – винтовые зажимы; 5 – основание, 6 – неподвижный замыкающий контакт, 7 – мостиковый контакт, 8 – неподвижный контакт.
Переключатели можно разделить на две группы: с поворотными подвижными контактами и с кулачковыми контактами. Каждый переключатель имеет набор контактных пакетов и корпус, скреплённых между собой двумя стальными шпильками.
Рис. 10. Пакетный кулачковый универсальный переключатель КПУ:
1 – пакет, 2 – зажимы, 3 – передняя скоба, 4 – фронтальный фланец, 5 – рукоятка.
Справа показана схема двух пакетов КПУ.
Пакетные кулачковые универсальные переключатели используются в схемах управления коммутационными аппаратами при ручном управлении асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором в качеств вольтметровых и амперметровых переключателей. Они рассчитаны на номинальное напряжение 220В постоянного тока и 380В переменного тока.
Схемы дистанционного управления с коммутационными аппаратами
В электроустановках напряжением до 1 000В дистанционное управление осуществляется преимущественно с помощью магнитных контакторов и пускателей. Контактором называют электромагнитный аппарат, предназначенный для дистанционного включения и отключения электрических цепей, рассчитанных, как правило, на сравнительно большое номинальное значение силы тока (например, мощных электродвигателей, электрооборудования кранов и т. д.). Различают контакторы переменного и постоянного тока. Контактор присоединяют к управляемой цепи через кнопочный выключатель.
Основными частями любого магнитного контактора являются силовые контакты и электромагнитный привод, состоящий из электромагнита и якоря, механически связанного с подвижными элементами силовых контактов. Кроме того, силовые контакты при больших токах закрывают дугогасительными камерами, и большинство контакторов снабжают вспомогательными контактами.
Рис. 11. Магнитный контактор постоянного тока КПВ – 600:
а – общий вид:
1 – дугогасительная камера, 2 – изоляционное основание, 3, 4 – выводы, 5 – вспомогательные контакты, 6 – электромагнитный привод, 7 – основание, 8 – якорь, 9 – неподвижные контакты.
б – схема управления:
U = – подача напряжения постоянного тока, SВС – кнопка включения, КМ (вверху) – контактор, КМ (слева) – вспомогательный контакт, КМ (справа) – катушка контактора, SВТ – кнопка отключения.
Для дистанционного управления трёхфазными электродвигателями с короткозамкнутым ротором предназначены магнитные пускатели. Магнитный пускатель является электрическим аппаратом переменного тока, который предназначен для дистанционного пуска, остановки и защиты электроустановок.
Выпускаются нереверсивные магнитные пускатели (для пуска и останова электродвигателя) и реверсивные, позволяющие изменять направление вращения электродвигателя.
Рис. 12. Магнитный пускатель серии ПА:
1 – основание пускателя, 2 – сердечник, 3 – упор, 4 – катушка, 5 – чека сердечника, 6 – якорь, 7 – пружина амортизации сердечника, 8 – камера, 9 – основание камеры, 10 – неподвижный контакт. 11 – подвижный контакт, 12 – контактная пружина, 13 – опорная колодка подвижного контакта, 14 – блок-контакты, 15 – возвратная пружина.
Обычно магнитный пускатель состоит из конструктивно объединённых контактора и электротеплового реле, являющимся средством защиты управляемых электродвигателей от перегрузки. Однако промышленность выпускает магнитные пускатели и без теплового реле. Основным элементом каждого магнитного пускателя является магнитный контактор переменного тока; реверсивные пускатели имеют два магнитных контактора. Катушки магнитных пускателей выпускаются напряжением 220 и 380В.
Рис. 13. Принципиальная схема управления двигателем с помощью нереверсивного магнитного пускателя:
S1 – рубильник, F1, F2, F3 – предохранители, К1, К2, К3 – главные контакты, F4, F5 – предохранители в цепи управления, F6, F7 – нагревательные элементы и контакты электротеплового реле, S2 – кнопка «Стоп», S3 – кнопка «Пуск», К – катушка, К4 – блок-контакты.
Выбирать магнитный пускатель необходимо по следующим данным: номинальная сила тока, номинальное напряжение и условия эксплуатации – требуется или не требуется защищённое исполнение, есть ли необходимость в реверсировании и наличии электротеплового реле.