Пожарная безопасность электроустановок / Cherkasov - PB elektroustanovok 2002
.pdf
F=10-7i1i2kд, |
(5.26) |
где kд – коэффициент, характеризующий размер и расположение проводников.
F
i1
i2 
F
l
a
Рис. 5.8. Схема взаимодействия двух проводников с токами
Если расстояние между проводами значительно меньше их длины, можно принять kд = 2l/a.
При протекании по проводам переменных токов (i = Imax sinωt)
F = cIm1Im2sin2ωt. |
(5.27) |
Если токи равны, |
|
F = cI2m[(1-cos2ωt)/2] = (Fm/2)-[(Fm/2)cosαωt], |
(5.28) |
где с – постоянная, учитывающая геометрические размеры проводов, расстояние между ними, систему принятых единиц и магнитную проницаемость воздуха; Fm – максимальное значение силы.
Таким образом, сила имеет постоянную
ляющие cIm2 cosωt.
2
Среднее значение силы за период равно
cIm2 и переменную состав- 2
l |
|
|
Fср = (1/T )∫Fdt = cIm2 / 2 |
= cI 2 , |
(5.29) |
0 |
|
|
где I – действующее значение тока.
На рис. 5.9 показано изменение силы во времени при переменном токе. Характерно, что в однофазной цепи сила, меняясь во времени, не изменяет своего знака.
F,i
F |
|
F |
i |
m |
2 |
F |
||
|
= |
|
|
|
ср |
|
F |
|
π
Fm = cIm2
2πωt
203
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 = 3,24cI2m. |
(5.30) |
Электродинамические силы в трехфазной системе проводников изменяются во времени как по величине, так и по направлению. Аппараты управления характеризуются электродинамической устойчивостью – способностью противостоять силам, возникающим при протекании токов короткого замыкания. Эта устойчивость может выражаться либо непосредственно амплитудным значением тока iд, при котором механические напряжения в деталях аппарата не выходят за пределы допустимых величин, либо кратностью этого тока относительно амплитуды номинального тока.
Иногда динамическая устойчивость оценивается действующим значением 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 электродинамические силы, стремящиеся разомкнуть контакты. Для одноточечных контактов значение этих сил определяется выражением
F = 10-7i2ln(S/S0), |
(5.31) |
для многоточечных |
|
F = 10-7(i2/n)ln(S/S0), |
(5.32) |
где S – сечение контакта в том месте, где нет искривлений линии тока; S0 – фактическая площадь контактирования; n – число мест контактирования.
В аппаратах, рассчитанных на большие токи, стремятся конструктивными решениями снизить влияние электродинамических сил при коротких замыканиях.
F
S
I
204
S0
F
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 замыканий возникают электродинамические силы, ухудшающие или даже разрушающие контактные соединения, что нередко является причиной загораний.
Таким образом, электрические аппараты управления и даже аппараты защиты электроустановок пожароопасны в процессе нормальной эксплуатации и тем более пожароопасны при ухудшении конструктивнотехнических показателей (механических ослаблениях, загрязнениях и износах контактных соединений и др.). Пожарная опасность электрических аппаратов управления резко возрастает при коротких замыканиях в коммутируемых силовых цепях.
Коммутирование электрических цепей, особенно размыкание под током, сопровождается электрическим разрядом между расходящимися контактами. Воздушный промежуток между контактами ионизируется и становится 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 (область I) кривой, представляющий собой область тлеющего разряда, характеризуется высоким падением напряжения у катода (200-250 В) и малыми токами (до 0,1 А). При тлеющем разряде плотность тока в разрядном промежутке измеряется несколькими микроамперами на 1 см2. С ростом тока увеличивается падение напряжения на разрядном промежутке (до 300400 В). Второй участок кривой (область II) представляет собой переход из тлеющего разряда в дуговой. Третий участок кривой – дуговой разряд (область III) – характеризуется малым падением напряжения у электродов (1020 В) и большой плотностью тока (до 100 кА/см2). С ростом тока напряжение на дуговом промежутке сначала падает, а затем мало меняется.
U, B
300 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
200 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
205 |
I |
|
|
II |
III |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10-2 |
10-1 |
1 |
10 |
102 |
103 |
I, A |
|||
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 Rд независимо от рода тока можно считать чисто активным. Оно является величиной переменной, падающей с ростом тока, и может быть определено из вольтамперной характеристики дуги
Rд=Uд/i. |
|
Мощность электрической дуги |
|
Рд=Uдi. |
(5.33) |
Энергия, выделяемая в дуге за время τг ее горения, равна
tг |
idτ. |
(5.34) |
Wд = ∫Uд |
||
0 |
|
|
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 пламени 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, представляющей пожарную опасность как для самого аппарата, так и для поджога легковоспламеняющихся материалов, расположенных в непосредственной близости.
В пламени происходят пожароопасные химические процессы. Пары меди контактов, попадая в пламя дуги, окисляются и поглощают кислород воздуха. 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 токоведущих частей в таких местах, куда ни дуга, ни ее пламя не могут попасть.
Для снижения пожароопасных последствий дуги в аппаратах управления применяют различные способы гашения. Так, эффективным способом гашения электрической дуги являются узкие продольные щели различных
206
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 обеспечивает 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 интенсивного охлаждения нагретых ионизированных частиц дугового промежутка.
Вряде случаев для тушения дуги в аппаратах управления используют магнитное поле. Оно воздействует на дугу как на проводник с током, перемещает его в направлении разрушающих приспособлений. В большинстве случаев магнитное поле создается отключением токов.
Впоследние годы в связи с развитием электронной техники создаются
ивсе 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 электрод будет подан положительный потенциал. При снятии этого потенциала тиристор остается открытым до тех пор, пока по нему протекает ток определенной величины. Так как синусоидальный переменный ток за период обязательно дважды проходит через нуль, тиристор дважды за период может быть выключен.
Схема однофазного тиристорного ключа приведена на рис. 5.12. Импульсы управления формируются из анодных напряжений тиристоров. Если на аноде тиристора Д1 положительная полуволна напряжения, при замыкании ключа К через диод Д3 и резистор R пройдет импульс тока управления тиристором Д1. В результате тиристор Д1 включится, анодное
207
|
|
Л1 |
Л2 |
Л3 |
ТР |
R1 |
ТТ1 |
ТТ2 |
|
|
|
|
|
В1 |
|
|
В2 |
|
Д16 |
Д17 |
Д18 |
Д19 |
Д20 |
|
|
Б3 |
|
Д1 |
Д2 Д3 |
Д4 Д5 |
Д6 Д7 |
Д8 Д9 |
Д10 |
|
|
|
R2 |
R3 |
R4 |
R5 |
R6 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Д21 |
|
|
|
Д11 |
K11 |
K21 |
K12 |
K22 |
K13 |
|
|
|
|
Д12 |
Д13 |
Д14 |
Д15 |
K23 |
|
|
|
|
|
C1 |
|
C2 |
|
C3 |
|
К2 |
К1 |
K24 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
K15 |
ПУСК ВПЕРЕД |
|
|
|
||
|
|
K14 |
K25 |
|
ПУСК НАЗАД |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
СТОП |
|
|
|
|
Рис. 5.13. Схема трехфазного реверсивного тиристорного пускателя
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 полярности 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 устройств. На рис. 5.13 в качестве примера изображена схема реверсивного пускателя для асинхронных двигателей. Силовыми коммутирующими элементами являются тиристоры Д1-Д10, которые открываются контактами К11, К12, К13 реле К1 (вперед) или контактами К21, К22, К23, реле К2 (назад). Трансформаторы тока ТТ1 и ТТ2 подают сигнал перегрузки в блок защиты 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 пожаробезопасны.
208
Глава 6
ЭЛЕКТРООСВЕТИТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
6.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА
По принципу преобразования электрической энергии в энергию видимых излучений источники света делятся на две группы: тепловые (в основном лампы накаливания) и газоразрядные (ртутные трубчатые люминесцентные лампы низкого давления и ртутные лампы высокого давления с исправленной цветностью типа ДРЛ). К последней группе относятся металлогалогенные лампы (ДРИ, ДРИЗ) и натриевые лампы высокого давления (ДНаТ), а также мощные дуговые ксеноновые трубчатые лампы, типа ДКсТ (только для наружного освещения).
Влампах накаливания излучение происходит от накаленного до высокой 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, конструктивному исполнению и др. Они делятся на две группы:
общего назначения - для общего и местного освещения в быту и промышленности, а также для наружного освещения;
специальные - обладающие особым конструктивным исполнением, большой точностью, стабильностью световых и электрических параметров
идругими особенностями, определяемыми спецификой их применения (например, вибростойкость, тепло- и холодостойкость и т.д.).
Лампы накаливания состоят из колбы, цоколя и вольфрамовой моноспирали или биспирали. Биспирали применяют в лампах с большими тепловыми потерями (т.е. в газонаполненных от 40 Вт и выше). Наполнение колб ламп криптоном или смесью азота и аргона позволяет снизить испарение вольфрама и довести его температуру до предельной, но несколько увеличивает тепловые потери. Световая отдача газонаполненных ламп поэтому выше, чем у пустотных.
Вмаркировке ламп буквы означают: В - вакуумная, Г - газонаполненная, Б - биспиральная, К - криптоновая. Основными характеристиками ламп накаливания являются: номинальные напряжения Uн В, мощность
Рн Вт и световой поток Fн лм (люмен), а также световая отдача H = Fн/Рн лм/Вт и средний срок службы (примерно 1000 ч).
На характеристики лампы накаливания существенно влияет величина рабочего напряжения. При напряжении, большем номинального, увеличивается 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
209
уменьшается световой поток лампы и ее светоотдача (рис. 6.1).
Напряжение, %
Ток, потребляемая мощность, световой Продолжительность горения, %
1000
500
200
100
|
90 |
|
80 |
, % |
70 |
отдача |
60 |
световая, |
50 |
|
|
поток |
40 |
|
80 |
90 |
100 |
1
3 4 5
2
80 |
90 |
100 |
|
|
|
|
|
110 |
|
2 |
|
120 200 |
световой, |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
180 |
мощностьпотребляемая,Ток %,отдачасветовая,поток |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
160 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
140 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
120 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
100 |
, % |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
50 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
горения |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Продолжительность |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
||||||
|
|
|
|
|
110 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Напряжение, % 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-
210
ская колба 2 йодной лампы (рис. 6.2) изготавливается из высокотемпературного кварцевого стекла. Нить 1 располагается точно по оси на одинаковом и сравнительно близком расстоянии от стенок колбы. Электроды 4, подводящие ток к нити, и держатели 3 нити изготавливаются из вольфрама. Колба наполняется хорошо очищенным инертным газом до давления 5 105 - 105 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 образуют с осевшими на них распылившимися частицами вольфрама газообразный 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 
WJ2. Световой поток в этих лампах к концу срока службы уменьшается только на 3-4 % (вместо 1520 % для обычных ламп накаливания), срок службы в два раза больше, световая отдача на 15-20 % выше, чем у обычных ламп, спектральный состав излучения ближе к естественному и размеры значительно меньше. Это позволяет снижать габариты и массу осветительных приборов.
254 мм
10,5 мм
1 |
2 |
3 |
4 |
|
|
|
|
Рис. 6.2. Кварцевая йодная лампа накаливания типа КИ220-1500:
1– нить накала; 2 – колба; 3 – держатель; 4 - электроды
Внастоящее 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 сооружений, открытых площадей и т.п. Они являются также высокоинтенсивными источниками инфракрасного излучения и используются для нагрева, плавления, термообработки, пайки, сушки и т.п.
211
Более экономичными, чем лампы накаливания, являются газоразрядные лампы. Большинство из них представляет собой запаянную стеклянную 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 напряжением зажигания), между ними возникает электрический разряд, который вызовет свечение газа. В зависимости от давления газа и паров металла в рабочем режиме различают газоразрядные лампы низкого, высокого и сверхвысокого 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 сопротивления. Балластные сопротивления (дроссели) являются составной частью пускорегулирующих аппаратов (ПРА), которые включают также конденсаторы и стартеры, а для ламп типа ДРЛ, ДРИ, ДРИЗ и ДНаТ - импульсные зажигающие устройства.
|
4 |
|
|
|
|
5 |
6 |
2 |
|
2 |
|
3 |
|
||
|
3 |
||
|
|
||
1 |
|
7 |
|
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 1,3 102 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 которых выведены через цоколи 2 наружу. Напряжение вызывает электрический разряд в газовом наполнении. Невидимое ультрафиолетовое излучение, возникающее при разряде и составляющее около 85 % всей энергии
212