Черкасов В.Н., Костарев Н.П. Пожарная безопасность электроустановок: Учебник

Подождите немного. Документ загружается.

203

F=10

-7

, (5.26)

где k

– коэффициент, характеризующий размер и расположение провод-

ников.

Рис. 5.8. Схема взаимодействия двух проводников с токами

Если расстояние между проводами значительно меньше их длины,

можно принять k

= 2l/a.

При протекании по проводам переменных токов (i = I

max

⋅sinωt)

F = cI

sin

t. (5.27)

Если токи равны,

F = cI

[(1-cos2ωt)/2] = (F

/2)-[(F

/2)cos

αω

t], (5.28)

где с – постоянная, учитывающая геометрические размеры проводов, рас-

стояние между ними, систему принятых единиц и магнитную проницае-

мость воздуха; F

– максимальное значение силы.

Таким образом, сила имеет постоянную

и переменную состав-

ляющие

cosωt.

Среднее значение силы за период равно

ср

2/)/1( cIcIFdtTF

===

∫

, (5.29)

где I – действующее значение тока.

На рис. 5.9 показано изменение силы во времени при переменном то-

ке. Характерно, что в однофазной цепи сила, меняясь во времени, не изме-

няет своего знака.

ωt

F F

= c

F,i

ср

F =

204

Рис. 5.9. Кривая изменения силы во времени

при однофазном переменном токе

При переменном токе может иметь место (в зависимости от момента

короткого замыкания) ударный ток, превышающий амплитудное значение

в 3,24 раза:

F = 3,24cI

. (5.30)

Электродинамические силы в трехфазной системе проводников изме-

няются во времени как по величине, так и по направлению. Аппараты

управления характеризуются электродинамической устойчивостью – спо-

собностью противостоять силам, возникающим при протекании токов ко-

роткого замыкания. Эта устойчивость может выражаться либо непосредст-

венно амплитудным значением тока i

, при котором механические напря-

жения в деталях аппарата не выходят за пределы допустимых величин, ли-

бо кратностью этого тока относительно амплитуды номинального тока.

Иногда динамическая устойчивость оценивается действующим значе-

нием ударного тока за период после начала короткого замыкания.

Контакт может быть представлен как проводник переменного сечения

(рис. 5.10). В месте сужения

линий тока возникают продольные электроди-

намические силы, стремящиеся разомкнуть контакты. Для одноточечных

контактов значение этих сил определяется выражением

F = 10

-7

ln(S/S

), (5.31)

для многоточечных

F = 10

-7

/n)ln(S/S

), (5.32)

где S – сечение контакта в том месте, где нет искривлений линии тока;

– фактическая площадь контактирования; n – число мест контакти-

рования.

В аппаратах, рассчитанных на большие токи, стремятся конструктив-

ными решениями снизить влияние электродинамических сил при коротких

замыканиях.

205

Рис. 5.10. Схема контакта и действие электродинамических сил

В неразмыкаемых контактах (соединениях) со временем переходное

сопротивление увеличивается вследствие окисления на контактирующих

площадках, ослабления силы нажатия. При протекании токов коротких за-

мыканий возникают электродинамические силы, ухудшающие или даже

разрушающие контактные соединения, что нередко является причиной за-

гораний.

Таким образом, электрические аппараты управления и даже аппараты

защиты электроустановок пожароопасны в

процессе нормальной эксплуа-

тации и тем более пожароопасны при ухудшении конструктивно-

технических показателей (механических ослаблениях, загрязнениях и из-

носах контактных соединений и др.). Пожарная опасность электрических

аппаратов управления резко возрастает при коротких замыканиях в комму-

тируемых силовых цепях.

Коммутирование электрических цепей, особенно размыкание под то-

ком, сопровождается электрическим разрядом между расходящимися

кон-

тактами. Воздушный промежуток между контактами ионизируется и ста-

новится на некоторое время проводящим, в нем возникает дуга.

На рис. 5.11 показана зависимость падения напряжения на разрядном

промежутке от тока электрического разряда в газах. Первый участок (об-

ласть I) кривой, представляющий собой область тлеющего разряда, характе-

ризуется высоким падением напряжения у катода (200-250

В) и малыми то-

ками (до 0,1 А). При тлеющем разряде плотность тока в разрядном

промежутке измеряется несколькими микроамперами на 1 см

. С ростом то-

ка увеличивается падение напряжения на разрядном промежутке (до 300-

400 В). Второй участок кривой (область II) представляет собой переход из

тлеющего разряда в дуговой. Третий участок кривой – дуговой разряд (об-

ласть III) – характеризуется малым падением напряжения у электродов (10-

20 В) и большой плотностью тока (до 100 кА/см

). С ростом тока напряже-

ние на дуговом промежутке сначала падает, а затем мало меняется.

-2

-1

1 10

300

200

100

U, B

I, A

III II I

206

Рис. 5.11. Вольтамперная характеристика

электрического разряда в газах

Электрическая дуга сопровождается высокой температурой и связана

с этой температурой. Поэтому дуга – явление не только электрическое, но

и тепловое.

Сопротивление дуги R

независимо от рода тока можно считать чисто

активным. Оно является величиной переменной, падающей с ростом тока,

и может быть определено из вольтамперной характеристики дуги

/i.

Мощность электрической дуги

i. (5.33)

Энергия, выделяемая в дуге за время

ее горения, равна

∫

дд

idτ. (5.34)

Открытая электрическая дуга сопровождается выделением большого

количества светящихся газов, представляющих собой пламя дуги. Большая

концентрация заряженных частиц (положительных и отрицательных) в

пламени приводит к большой проводимости. Высокая проводимость пла-

мени дуги приводит к тому, что это пламя может вызвать при напряжении

в несколько десятков вольт перекрытие таких промежутков, которые в

нормальных условиях не пробиваются при десятках тысяч вольт. Вторая

опасность связана с выделением пламени высокой температуры, представ-

ляющей пожарную опасность как для самого аппарата, так и для поджога

легковоспламеняющихся материалов, расположенных в непосредственной

близости.

В пламени происходят пожароопасные химические процессы. Пары ме-

ди контактов, попадая в пламя дуги, окисляются и поглощают

кислород воз-

духа. Оставшийся после этого азот соединяется с парами воды и кислородом,

образуя азотную кислоту. Капли этой кислоты могут образовать проводящие

контактные перемычки и привести к пожароопасным замыканиям токоведу-

щих частей в таких местах, куда ни дуга, ни ее пламя не могут попасть.

Для снижения пожароопасных последствий дуги в

аппаратах управле-

ния применяют различные способы гашения. Так, эффективным способом

гашения электрической дуги являются узкие продольные щели различных

207

конфигураций. Установка решеток из теплопроводящих металлических

пластин над узкой щелью дугогасительной камеры в значительной степени

содействует полной деионизации дуги и ее пламени и тем самым обеспе-

чивает их гашение.

Для тушения дуги в аппаратах управления применяют и другие спосо-

бы:

с помощью высокого атмосферного давления, снижающего степень

ионизации пламени;

воздушным дутьем

за счет механического разрушения дуги и интенсив-

ного охлаждения нагретых ионизированных частиц дугового промежутка.

В ряде случаев для тушения дуги в аппаратах управления используют

магнитное поле. Оно воздействует на дугу как на проводник с током, пе-

ремещает его в направлении разрушающих приспособлений. В большинст-

ве случаев магнитное поле создается отключением

токов.

В последние годы в связи с развитием электронной техники создаются

и все шире применяются устройства бесконтактной коммутации силовых

цепей. Для этих целей используются тиристоры, способные пропускать

большие токи при малом падении напряжения. Тиристор пропускает ток

только в одном направлении и только тогда, когда на управляющий элек-

трод будет подан положительный

потенциал. При снятии этого потенциала

тиристор остается открытым до тех пор, пока по нему протекает ток опре-

деленной величины. Так как синусоидальный переменный ток за период

обязательно дважды проходит через нуль, тиристор дважды за период мо-

жет быть выключен.

Схема однофазного тиристорного ключа приведена на рис. 5.12. Им-

пульсы управления формируются

из анодных напряжений тиристоров. Ес-

ли на аноде тиристора Д1 положительная полуволна напряжения, при за-

мыкании ключа К через диод Д3 и резистор R пройдет импульс тока

управления тиристором Д1. В результате тиристор Д1 включится, анодное

208

напряжение упадет почти до нуля, сигнал управления исчезнет, но тиристор

останется в проводящем состоянии до конца полупериода, пока анодный ток

не пройдет через нуль. В другой полупериод (при противоположной поляр-

ности напряжения сети) аналогично включается тиристор Д2. Пока ключ К

будет замкнут, тиристоры будут автоматически поочередно включаться,

обеспечивая прохождение тока

от источника к нагрузке. Такие тиристорные

ключи являются основой однофазных и трехфазных коммутирующих уст-

ройств. На рис. 5.13 в качестве примера изображена схема реверсивного

пускателя для асинхронных двигателей. Силовыми коммутирующими эле-

ментами являются тиристоры Д1-Д10, которые открываются контактами

К11, К12, К13 реле К1 (вперед) или контактами К21, К22, К23, реле

К2 (на-

зад). Трансформаторы тока ТТ1 и ТТ2 подают сигнал перегрузки в блок за-

щиты Б3, который, воздействуя на базу транзистора Т21, снимает питание

реле К1, К2 и тем самым приводит к отключению пускателя.

Бесконтактные аппараты управления более долговечны и более пожа-

робезопасны.

Л3

K24

K14

Б3

К2

Д10

Д9

Д20

K13

Д15

K23

Д8

Д7

Д19

K22

Д14

Д6

Д5

Д18

K12

Д13

Д4

Д3

Д17

K21

Д12

Д2

Д1

Д16

K11

Д11

Л2

Л1

ТТ2

ТТ1

В2

В1

К1

K25

K15

СТОП

ПУСК НАЗАД

ПУСК ВПЕРЕД

Д21

Рис. 5.13. Схема трехфазного реверсивного тиристорного пускателя

209

Глава 6

ЭЛЕКТРООСВЕТИТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

6.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА

По принципу преобразования электрической энергии в энергию види-

мых излучений источники света делятся на две группы: тепловые (в основ-

ном лампы накаливания) и газоразрядные (ртутные трубчатые люминес-

центные лампы низкого давления и ртутные лампы высокого давления с

исправленной цветностью типа ДРЛ). К последней группе относятся ме-

таллогалогенные лампы (ДРИ, ДРИЗ) и

натриевые лампы высокого давле-

ния (ДНаТ), а также мощные дуговые ксеноновые трубчатые лампы, типа

ДКсТ (только для наружного освещения).

В лампах накаливания излучение происходит от накаленного до высо-

кой температуры (2500-3000 К) вольфрамового тела в стеклянной колбе, в

которой создан вакуум или находится инертный газ. Лампы различают по

мощности (15-1500 Вт), напряжению (12-220

В), световому потоку, конст-

руктивному исполнению и др. Они делятся на две группы:

общего назначения - для общего и местного освещения в быту и про-

мышленности, а также для наружного освещения;

специальные - обладающие особым конструктивным исполнением,

большой точностью, стабильностью световых и электрических параметров

и другими особенностями, определяемыми спецификой их применения

(например,

вибростойкость, тепло- и холодостойкость и т.д.).

Лампы накаливания состоят из колбы, цоколя и вольфрамовой моно-

спирали или биспирали. Биспирали применяют в лампах с большими теп-

ловыми потерями (т.е. в газонаполненных от 40 Вт и выше). Наполнение

колб ламп криптоном или смесью азота и аргона позволяет снизить испа-

рение вольфрама и

довести его температуру до предельной, но несколько

увеличивает тепловые потери. Световая отдача газонаполненных ламп по-

этому выше, чем у пустотных.

В маркировке ламп буквы означают: В - вакуумная, Г - газонаполнен-

ная, Б - биспиральная, К - криптоновая. Основными характеристиками

ламп накаливания являются: номинальные напряжения U

В, мощность

Вт и световой поток F

лм (люмен), а также световая отдача

H = F

/Р

лм/Вт и средний срок службы (примерно 1000 ч).

На характеристики лампы накаливания существенно влияет величина

рабочего напряжения. При напряжении, большем номинального, увеличи-

вается ток в лампе, температура нити накала и световой поток, излучаемый

лампой. Одновременно уменьшается срок ее службы из-за более

быстрого разрушения вольфрамовой спирали. При понижении напряжения

210

уменьшается световой поток лампы и ее светоотдача (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Параметры ламп накаливания в зависимости

от приложенного к ним напряжения:

1 – продолжительность горения; 2 – световой поток; 3 – световая отдача;

4 – потребляемая мощность; 5 - ток

Достоинства ламп накаливания – простота устройства, дешевизна,

удобство эксплуатации, возможность изготовления в широком диапазоне

мощностей и напряжений и др. К основным недостаткам относятся: весьма

низкая экономичность (только 2-4 % потребляемой ими электроэнергии

превращается в световую), относительно малый срок службы, пожарная

опасность.

В лампах накаливания с вольфрамогалогенным циклом используется

йод, бром, хлор и сложные галогенорганические

соединения. Цилиндриче-

1000

500

200

100

80 90 100

110 120

200

180

160

140

120

100

80 90 100

110

Напряжение, %

Ток, потребляемая мощность, световой

поток, световая отдача, %

Продолжительность горения, %

Ток, потребляемая мощность, световой

поток, световая отдача, %

Продолжительность горения, %

3 4 5

211

ская колба 2 йодной лампы (рис. 6.2) изготавливается из высокотемпера-

турного кварцевого стекла. Нить 1 располагается точно по оси на одинако-

вом и сравнительно близком расстоянии от стенок колбы. Электроды 4,

подводящие ток к нити, и держатели 3 нити изготавливаются из вольфра-

ма. Колба наполняется хорошо очищенным инертным газом до давления

⋅10

- 10

Па, что уменьшает скорость испарения нити и предотвращает

дугообразование. В колбу вводится определенное количество йода. Его

атомы, выделяющиеся из молекул под влиянием высокой температуры на

поверхности вольфрамовой нити, перемещаются к стенкам колбы и обра-

зуют с осевшими на них распылившимися частицами вольфрама газооб-

разный йодид вольфрама. Последний, попадая в зону

высоких температур

вблизи нити, снова распадается на вольфрам и йод. Вольфрам остается на

нити, а атомы йода диффундируют к стенкам и опять участвуют в цикле.

Круговой процесс идет по схеме W+2J WJ

Световой поток в этих

лампах к концу срока службы уменьшается только на 3-4 % (вместо 15-

20 % для обычных ламп накаливания), срок службы в два раза больше, све-

товая отдача на 15-20 % выше, чем у обычных ламп, спектральный состав

излучения ближе к естественному и размеры значительно меньше. Это по-

зволяет снижать габариты и массу осветительных

приборов.

Рис. 6.2. Кварцевая йодная лампа накаливания типа КИ220-1500:

1 – нить накала; 2 – колба; 3 – держатель; 4 - электроды

В настоящее время выпускается более 100 типоразмеров галогенных

ламп накаливания мощностью от 5 Вт до 5 кВт (предполагается выпуск

ламп до 10 и 20 кВт), продолжительность горения которых превосходит

лучшие мировые образцы в два и более раз (например, лампы типа

КИМ10-90, КИ220-1500, КГ220-500 и др). Такие лампы применяются при

фото- и киносъемках, для освещения зданий

и аэродромов, спортивных со-

оружений, открытых площадей и т.п. Они являются также высокоинтен-

сивными источниками инфракрасного излучения и используются для на-

грева, плавления, термообработки, пайки, сушки и т.п.

10,5 мм

1 2 3 4

254 мм

212

Более экономичными, чем лампы накаливания, являются газоразряд-

ные лампы. Большинство из них представляет собой запаянную стеклян-

ную колбу цилиндрической, сферической или иной формы с впаянными

электродами. Обычно колба заполнена либо инертным газом, либо газом и

небольшим количеством металла (например, ртути, натрия, кадмия). Если

к электродам приложить достаточное напряжение (называемое напряжени-

ем

зажигания), между ними возникает электрический разряд, который вы-

зовет свечение газа. В зависимости от давления газа и паров металла в ра-

бочем режиме различают газоразрядные лампы низкого, высокого и сверх-

высокого давления. Эти лампы разделяются на лампы тлеющего, дугового

и импульсного разрядов.

Все разрядные лампы (кроме ксеноновых трубчатых типа ДКСТ)

включаются в сеть через индуктивные или емкостные балластные сопро-

тивления. Балластные сопротивления (дроссели) являются составной ча-

стью пускорегулирующих аппаратов (ПРА), которые включают также кон-

денсаторы и стартеры, а для ламп типа ДРЛ, ДРИ, ДРИЗ и ДНаТ - им-

пульсные зажигающие устройства.

Рис. 6.3. Люминесцентная лампа и схема ее включения:

1 – дроссель; 2 – цоколь; 3 – электроды; 4 – стартер; 5 и 7 – конденсаторы; 6 – трубка

Наиболее широко для освещения применяются люминесцентные

трубчатые лампы низкого давления (около 1,3 ⋅10

Па). Люминесцентная

лампа (рис. 6.3) представляет собой стеклянную цилиндрическую трубку 6,

заполненную аргоном и дозированным количеством ртути. На концах

трубки расположены биспиральные вольфрамовые электроды 3, концы ко-

торых выведены через цоколи 2 наружу. Напряжение вызывает электриче-

ский разряд в газовом наполнении. Невидимое ультрафиолетовое излуче-

ние, возникающее при разряде и составляющее около 85 %

всей энергии