Большие переходные сопротивления: Зависимость величины переходного сопротивления в разборных электро контактах

Содержание

Зависимость величины переходного сопротивления в разборных электро контактах

Понятие переходного электрического сопротивления в электрических контактах

Переходным электрическим сопротивлением называется сопротивление, возникающее в местах перехода тока с одного провода на другой или с провода на какой-либо электрический аппарат, при наличии плохого контакта, например, в местах соединений и оконцеваний проводов, в контактах машин и аппаратов. При прохождении тока нагрузки в таких местах за единицу времени выделяется некоторое количество тепла, величина которого пропорциональна квадрату тока и сопротивлению места переходного контакта, которое может нагреваться до весьма высокой температуры. Если нагретые контакты соприкасаются с горючими материалами, то возможно их зажигание, а при наличии взрывчатой системы возможен взрыв. В этом и состоит пожарная опасность переходных контактных сопротивлений, которая усугубляется тем, что места с наличием переходного сопротивления трудно обнаружить, а защитные аппараты сетей и установок, даже правильно выбранные, не могут предупредить возникновение пожаров, так как ток в цепи не возрастает, а нагрев участка с переходным сопротивлением происходит только вследствие увеличения сопротивления.

От чего зависит величина переходного электрического сопротивления

Величина переходного сопротивления контактов зависит от материала, из которого они изготовлены, геометрической формы и размеров, степени обработки поверхностей контактов, силы нажатия контактов и степени окисления. Особенно интенсивное окисление происходит во влажной среде и с химически активными веществами, а также при нагреве контактов выше 70 — 75 С.

Величина переходного контактного сопротивления не должна превышать более чем на 20% величину сопротивления сплошного участка этой цепи примерно такой же длины.

Величина переходного электрического сопротивления контакта зависит от степени окисления соединяемых контактных поверхностей проводников. Металл контактов взаимодействует с окружающей средой, кислородом воздуха, агрессивными тазами и влагой и вступает с ними в химические реакции, вызывая химическую коррозию металла. Пленка окиси, образующаяся на поверхности металла (например, алюминия) от воздействия воздуха и окружающей среды, создается чрезвычайно быстро и обладает очень большим электрическим сопротивлением. Загрязненные или покрытые окислами контактные поверхности имеют более высокое переходное сопротивление, так как в этом случае в ряде точек нет непосредственного соприкосновения металлов. Окисление идет тем быстрее, чем выше температура контактных поверхностей и чем легче доступ воздуха к ним. Переходное сопротивление контактного соединения или контакта вследствие окисления может возрасти в десятки и сотни раз, так как окислы большинства металлов являются плохими проводниками. В результате реакции окисления проводящая конструкция постепенно разрушается. Если при этом она находится под нагрузкой, то уменьшение ее сечения приводит к дополнительному нагреву (закон Джоуля-Ленца), что в итоге может привести к ее расплавлению.

Величина переходного сопротивления контакта зависит от его конструкции, материала соприкасающихся частей и силы прижатия их друг к другу. Контактные поверхности всегда имеют микроскопические возвышения и впадины; поэтому соприкосновение происходит только в отдельных точках-небольших площадках. Действительная площадь касания увеличивается с ростом силы прижатия контактов друг к другу. Под влиянием силы прижатия металл в точках касания сминается и размеры площадок увеличиваются, возникает соприкосновение в новых точках. Это приводит к снижению переходного сопротивления.

Проверка расстояния. Величина переходного сопротивления контактов выключателей (на одну фазу) для масляных выключателей 200 а составляет не более 350 мком и для выключателей 1000 а-100 мком. Для всей цепи одной фазы воздушных выключателей сопротивление контактов должно быть не более 500 мком.

Величина переходных сопротивлений контактов выключателей зависит от их типа.

На величину переходного сопротивления контакта, как показывают опытные данные, оказывает влияние ряд причин. Оно зависит от материала контактного соединения, давления, испытываемого контактными элементами, величины поверхности их соприкосновения и ее состояния, а также температуры контакта.

Сопротивление зависит от материала контактного соединения, давления, испытываемого контактами, величины поверхности соприкосновения, состояния поверхности и температуры контакта.

Большое влияние на большие переходные сопротивления контактов оказывает их окисление. Контакты, помещенные в масло, подвергаются значительно меньшему окислению, чем работающие в воздухе.

Конструкция контактов должна быть такова, чтобы замыкание и размыкание контактов сопровождалось трением одной поверхности о другую, что способствует их очищению от оксидной пленки.

Когда не так важна величина переходного сопротивления контакта, как его постоянство (например, в измерительной аппаратуре), применяют гальваническое осаждение палладия, имеющего электропроводность в семь раз меньшую, чем у серебра, но весьма стойкого к химической коррозии и твердого.

При очень больших силах нажатия величина переходного сопротивления контактов меняется чрезвычайно не-значительно. Кроме того, слишком большие силы нажатия вызывают чрезмерные напряжения в материале контактных элементов, вследствие чего контакты утрачивают упругость и становятся менее прочными.

По виду касания различают размыкаемые контакты точечные, линейные и плоскостные. Поверхности контактов из-за шероховатости соприкасаются в ограниченном числе точек. Величина переходного сопротивления контакта зависит от силы сжатия контактов, пластичности их материала, качества обработки поверхности и ее состояния, а также от удельного сопротивления материала и вида касания.

Остались вопросы?
Проконсультируем по телефону

или пишите нам e-mail: [email protected]

ОПС РХ №9

Правила пожарной безопасности в быту

При пользовании электроэнергией включайте в электросеть утюг, плитку, чайник и другие электроприборы только исправные и при наличии под ними несгораемой подставки. Не размещайте включенные электроприборы близко к сгораемым предметам и деревянным конструкциям.

Следите, чтобы электрические лампы не касались бумажных и тканевых абажуров. Не закрывайте домашними предметами автотрансформатор и стабилизатор и не устанавливайте их на стол.

Не допускайте одновременного включения в электросеть нескольких мощных потребителей электроэнергии, вызывающих перегрузку сети.

Опасно промачивать электропровода, заклеивать их обоями, подвешивать на гвозди, оттягивать, завязывать в узлы. Применять ветхие соединительные шнуры, удлинители. Все это приводит к нарушению изоляции и короткому замыканию электропроводов.

Опасно пользоваться неисправными выключателями, розетками, штепселями, подключать оголенные концы при помощи скрутки проводов к электросети. В этих случаях возникают большие переходные сопротивления, которые приводят к сильному нагреву электропроводов и горению изоляции.

Серьезную опасность представляют использование нестандартных, самодельных предохранителей (жучков). Электросеть от перегрузок и коротких замыканий защищают стандартные предохранители.

Следите за исправностью и чистотой всех электробытовых приборов.

К монтажу электроприборов и их ремонту привлекайте только специалистов. В этих случаях будет исключена возможность проникновения пожара от электроприборов.

Не забывайте, что применяемый в быту газ взрывоопасен, поэтому, при пользовании газовыми приборами, необходимо соблюдать правила пожарной безопасности.

Нельзя, при наличии запаха газа в помещении, зажигать спички, курить, применять открытый огонь.

Недопустимо оставлять включенные газовые приборы без присмотра. Над газовой плитой нельзя сушить белье.

СОБЛЮДАЙТЕ ПРАВИЛА ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПОЛЬЗОВАНИИ ГОРЮЧИМИ ЖИДКОСТЯМИ.

Недопустимо курение или зажигание спичек при пользовании бензином, ацетоном, керосином, растворителями.

Многие вещества бытовой химии (мастика, нитрокраски, лаки, клеи и др.) представляют повышенную пожарную опасность, особенно в аэрозольной упаковке. Ни в коем случае не производите подогрев на открытом огне пожароопасных мастик, а также других предметов бытовой химии. Опасно курить и применять огонь во время натирки и покрытия лаком полов, наклейки линолеума и плиток.

БУДЬТЕ ОСТОРОЖНЫ С ОТКРЫТЫМ ОГНЕМ.

Наибольшее число пожаров в квартирах происходит от небрежного курения (бросания непогашенных окурков и спичек). Особую опасность представляет курение в постели, лиц, находящихся в нетрезвом состоянии. Причиной пожара может быть костер во дворе жилого дома, в котором сжигаются старая мебель, мусор, опавшие листья.

Исследование электрических проводников со следами аварийных режимов работы

Версии о причастности к пожару электротехнических приборов, электропроводок и устройств необходимо обязательно рассматривать, если в очаговой зоне имелось электрооборудование, а электросеть была под напряжением. Это связано с тем, что электрооборудование, как правило, представляет реальную пожарную опасность, и выявить или исключить его причастность к возникновению пожара следует непременно.

Существуют следующие типичные пожароопасные режимы:

Короткое замыкание, то есть режим, при котором происходит соединение разнополярных проводников, находящихся под напряжением, через малое сопротивление, не предусмотренное режимом работы цепи, машины или аппарата
Перегрузка, то есть режим, при котором в проводниках возникают токи, превышающие величины, допускаемые нормами
Большие переходные сопротивления (БПС) в местах перехода тока с одной контактной поверхности на другую через площадки их действительного соприкосновения, влекущие значительное локальное выделение тепла.

К следам короткого замыкания относятся различные оплавления проводников, прожоги и проплавления в металлических деталях (трубы, корпуса приборов и т.д.). Признаками оплавлений токами короткого замыкания является характерная форма оплавлений (шаровая, овальная, каплеобразная с гладковытянутой или неровной поверхностью, либо в виде выемок с неровными наплывами) и их локальность.

Пример локального оплавления на медном проводнике

Признаками образования больших переходных сопротивлений являются: изъязвление контактных площадок вследствие искрения; появление на металле в местах соединений цветов побежалости; хрупкость и растрескивание изоляции.

Признаком всех аварийных режимов работы электрооборудования является обугливание изоляции на кабелях, шнурах и проводах преимущественно изнутри (то есть со стороны токопроводящих жил).

Повреждения на электротехнических изделиях могут быть вызваны не только электрическим током, но и другими факторами, например, механические повреждения или воздействие температуры пожара.

Пример оплавлений, вызванных теплом пожара

Этапы исследования электротехнических объектов включают в себя:

Визуальный осмотр
Морфологические исследования

Рентгенофазовый анализ
Металлографические исследования

Визуальный осмотр и морфологические исследования

В процессе визуального осмотра эксперты выявляют наличие следов аварийных режимов работы электрооборудования. Для этого используются различные измерительные приборы и инструменты, зачастую используется микроскоп МБС-10 (морфологические исследования).

Микроскоп МБС-10

На этапе визуального осмотра и морфологических исследований объектов эксперт выявляет наличие следов аварийных режимов работы электрооборудования, и, при выявлении их наличия, принимает решение о дальнейших действиях.

Следы больших переходных сопротивлений под микроскопом МБС-10

Основная сложность состоит в том, что аварийные режимы работы электрооборудования могут являться не только причиной пожара, но и могут быть вызваны самим пожаром. Например, когда изоляция проводников плавится (сгорает) и разнополярные жилы проводников соединяются между собой.

Лаборатория металлов и сплавов

Поэтому, для определения причастности аварийных режимов работы электрооборудования к возникновению пожара, в ФГБУ СЭУ ФПС ИПЛ по Республике Мордовия применяются инструментальные методы исследований — рентгенофазовый анализ и металлографические исследования.

Рентгенофазовый анализ

Данный метод применяется только для медных жил. Он является не разрушающим методом и позволяет сохранить участки жил с оплавлениями для дальнейших исследований. Рентгенофазовый анализ выполняется при помощи рентгеновского дифрактометра ДР-01.

Рентгеновский дифрактометр ДР-01

Известно, что медь обладает большим сродством с кислородом. При коротком замыкании не в условиях пожара по длине жилы возникает градиент температур. В месте оплавления достигается температура расплавления меди 1083°С и выше, на поверхности оплавления и вблизи него на прилегающем участке, интенсивно образуется закись меди Сu₂О в виде пленки или чешуек черного цвета. По мере удаления от места оплавления температурное влияние дуги короткого замыкания ослабевает, и содержание закиси меди на поверхности жилы уменьшается. При коротком замыкании в условиях реального пожара в задымленной атмосфере содержатся продукты неполного сгорания органических веществ, в частности СО.

В этом случае при коротком замыкании будет происходить восстановление закиси меди в месте оплавления и на непосредственно прилегающем к нему участке жилы. Поэтому приповерхностное содержание закиси меди Сu₂О на этих участках будет значительно ниже, чем на отстоящем участке.

Данное исследование заключается в определении и последующем сравнении количества Cu₂О в приповерхностном слое медного проводника непосредственно вблизи оплавления (участок 1) и на удалении от него на 30-35 мм (участок 2).

Участки провода, подвергаемые рентгеноструктурному анализу.

После измерений находят соотношение площадей линий Cu₂O и Cu для первого и второго измерения, пропорциональное интенсивности этих линий ICu₂O/ IСu и поверхностной концентрации закиси меди.

Линии меди и закиси меди в дифрактограмме медного проводника

Если величина отношения интенсивностей I_Cu2O/I_Cu участка 1 больше величины участка 2 в два и более раз, то оплавление образовалось в результате короткого замыкания, возникшего не в условиях пожара.

Если величина отношения интенсивностей I_Cu2O/I_Cu участка 1 меньше величины участка 1 в два и более раз, то оплавление образовалось в результате короткого замыкания, возникшего в процессе пожара.

Металлографический анализ

Данный анализ проводится после рентгеноструктурного, он более информативен и позволяет более точно и наглядно установить условия, в которых произошло короткое замыкание. Металлографическое исследование проводов — более трудоемкий метод анализа, нежели рентгеноструктурный. Кроме того, это разрушающий метод (в отличие от неразрушающего рентгеновского), который ведет к утрате образца. В лаборатории исследуемый участок провода (шарик оплавления) заливают в специальный твердеющий состав и делают так называемый «шлиф» на шлифовальном станке.

Установка для приготовления металлографических шлифов

Затем шлиф обрабатывают кислотным составом («травят») для того, чтобы проявилась структура металла, и рассматривают ее с помощью металлографического микроскопа.

Металлографический микроскоп

Структура оплавления при различных условиях неодинакова. Короткое замыкание в нормальных условиях происходит при относительно низкой температуре окружающей среды, поэтому рост кристаллов меди при охлаждении из расплава происходит в основном в направлении максимального оттока тепла по проводнику, в результате образуется зона вытянутых кристаллов — столбчатых дендритов.

В случае короткого замыкания медных деталей в условиях до пожара с нормальным содержанием кислорода, в месте оплавления наблюдается двухфазная структура-эвтектический сплав Cu + Cu-Cu₂O. При этом могут наблюдаться три типа микроструктур:

на участке оплавления содержится от 0,05% до 0,39% кислорода – основу сплава составляет медь с участками эвтектики Cu-Cu₂O;
на участке оплавления содержится 0,39% кислорода – в данном случае сплав состоит сплошь из эвтектики Cu-Cu₂O;
на участке оплавления содержится более 0,39% кислорода – помимо эвтектики Cu-Cu₂O в сплаве появляются кристаллы закиси меди Cu₂O.

Отсутствие в атмосфере газов-восстановителей приводит к тому, что газовые раковины и поры в оплавленном участке практически не образуются.

Микроструктура оплавления медного проводника при коротком замыкании в нормальных условиях, то есть не в условиях пожара. (Содержание кислорода более 0,39%, имеются дендриты оксида меди, поры отсутствуют).

При коротком замыкании в условиях пожара (в условиях с пониженным содержанием кислорода, высокой температурой, высоким содержанием газообразных продуктов горения) в месте оплавления медных деталей эвтектика практически не наблюдается, массовая доля кислорода в оплавлении не превышает 0,05%, зерна имеют равноосную форму, образуется большое количество пор.

Исследования электротехнических изделий и проводников на предмет обнаружения следов аварийных режимов работы в испытательной пожарной лаборатории по Республике Мордовия производятся в рамках экспертных исследований по делам о пожарах в соответствии с прейскурантом цен на данный вид деятельности.

Основные причины возникновения пожаров в электроустановках — Охрана труда и промышленная безопасность — Энергетика — Каталог статей

Анализ пожаров, возникающих при эксплуатации электроустановок, показывает, что наиболее частыми причинами их являются:

Короткие замыкания

Короткие замыкания возникают в результате нарушения изоляции токоведущих частей электроустановок.
Опасные повреждения кабелей и проводок могут возникать вследствие чрезмерного растяжения, перегибов, в местах подсоединения их к электродвигателям или аппаратам управления, при земляных работах и т. п. При нарушении изоляции на жилах кабеля возникают утечки тока, которые затем перерастают в токи короткого замыкания. В зависимости от характера повреждения внутри кабеля может нарастать аварийный процесс короткого замыкания с сопутствующим мощным выбросом в окружающую среду искр и пламени.
Так как многие виды электрооборудования не являются влаго- и пыленепроницаемыми, то производственная пыль (особенно токопроводящая сажа , копоть, графит), химически активные вещества и влага проникают внутрь их оболочки и оседают на поверхности электроизоляционных частей и материалов. Некоторые нагревающиеся части электрооборудования при остановке охлаждаются, поэтому на них часто выпадает конденсат воды. Все это может привести к повреждению и переувлажнению изоляции и вызвать чрезмерные токи утечки, дуговые короткие замыкания, перекрытия или замыкания как изолированных обмоток, так и других токоведущих частей.
Изоляция электроустановок может повреждаться при воздействии на нее высокой температуры или пламени во время пожара, из-за перенапряжения в результате первичного или вторичного воздействия молнии, перехода напряжения с установок выше 1000 В на установки до 1000 В и т. д.
Причиной короткого замыкания может быть схлестывание проводов воздушных линий электропередач под действием ветра и от наброса на них металлических предметов. К возникновению короткого замыкания могут привести ошибочные действия обслуживающего персонала при различных оперативных переключениях, ревизиях и ремонтах электрооборудования.

Профилактика короткого замыкания

Наиболее действенным предупреждением короткого замыкания являются правильный выбор, монтаж и эксплуатация электрических сетей, машин и аппаратов. Конструкция, вид исполнения, способ установки и класс изоляции применяемых машин, аппаратов, приборов, кабелей, проводов и прочего электрооборудования должны соответствовать номинальным параметрам сети или электроустановки (току, нагрузке, напряжению), условиям окружающей среды и требованиям ПУЭ (Правила устройства электроустановок). Особенно строго следует соблюдать регулярное проведение осмотров, ремонтов, планово-предупредительных и профилактических испытаний электрооборудования во взрывоопасных установках как при приемке его, так и при эксплуатации. Кроме того, должна быть предусмотрена электрическая защита сетей и электрооборудования. Основное назначение электрической защиты заключается в том, что питание поврежденной в любом месте проводки должно быть прекращено раньше, чем произойдет опасное развитие аварии. Наиболее эффективными аппаратами защиты являются быстродействующие реле и выключатели, установочные автоматы и плавкие предохранители.

Перегрузки

Перегрузкой называется такой аварийный режим, при котором в проводниках электрических сетей, машин и аппаратов возникают токи, длительно превышающие величины, допускаемые нормами.
Одним из видов преобразования электрической энергии является переход ее в тепловую. Электрический ток в проводниках электрических сетей, машин и аппаратов выделяет теплоту, рассеивающуюся в окружающем пространстве. Проводники при этом могут нагреваться до опасных температур. Так, для голых медных, алюминиевых и стальных проводов воздушных линий максимально допустимая температура не должна превышать 70°С. Объясняется это тем, что с повышением температуры усиливаются окислительные процессы и на проводах (особенно в контактных соединениях) образуются окиси, имеющие высокое сопротивление; увеличивается сопротивление контакта, и следовательно, выделяемая в нем теплота. С увеличением температуры соединения увеличивается окисление, а это может привести к полному разрушению контакта провода.
Весьма опасным является перегрев изолированных проводников, особенно с горючей изоляцией, приводящий к ускорению её износа (старению). Старение изоляции оценивается в относительных единицах. За единицу принимается старение, соответствующее работе при температуре, допускаемой нормами для данного рода изоляции. Для расчетов обычно пользуются установленным экспериментально «восьмиградусным правилом». По этому правилу длительное повышение температуры проводника сверх допустимого на каждые 8°С, приводит к ускорению износа его изоляции вдвое.
Опыты показали, что продолжительность срока службы изоляции в электродвигателях при нагреве до 100°С будет 10 – 15 лет, а при 150°С сокращается до l,5 – 2 мес.
Старение изоляции характеризуется уменьшением ее эластичности и механической прочности. Сильно состарившаяся изоляция под влиянием вибрации при работе трансформаторов, генераторов, электродвигателей и т. п. начинает растрескиваться и ломаться. Следствием этого могут быть электрический пробой изоляции и повреждение электроустановки, а при наличии сгораемой изоляции и пожаро- и взрывоопасной среды – пожар или даже взрыв.
Причиной возникновения перегрузки может быть неправильный расчет проводников при проектировании. Если сечение проводников занижено, то при включении всех предусмотренных электроприёмников возникает перегрузка. Перегрузка может возникнуть из-за дополнительного включения электроприёмников, на которые проводники сети не рассчитаны.

Профилактика перегрузок

Чтобы избежать перегрузки или ее последствий, при проектировании необходимо правильно выбирать сечения проводников сетей по допустимому току, а также электродвигатели и аппараты управления.
В процессе эксплуатации электрических сетей нельзя включать дополнительно электроприёмники, если сеть на это не рассчитана.
При эксплуатации машин и аппаратов не следует допускать нагрев их до температуры, превышающей предельно допустимую.
Для защиты электроустановок от токов перегрузки наиболее эффективными являются автоматические выключатели, тепловые реле магнитных пускателей и плавкие предохранители.

Переходные сопротивления

Переходными называются сопротивления в местах перехода тока с одной контактной поверхности на другую через площадки действительного их соприкосновения. В таком контактном соединении за единицу времени выделяется некоторое количество теплоты, пропорциональное квадрату тока и сопротивлению участков действительного соприкосновения.
Количество выделяемой теплоты может быть столь значительным, что места переходных сопротивлений сильно нагреваются. Следовательно, если нагретые контакты будут соприкасаться с горючими материалами, возможно их воспламенение, а соприкосновение этих мест со взрывоопасными концентрациями горючих пылей, газов и паров легковоспламеняющихся жидкостей явится причиной взрыва.

Профилактика пожаров от контактных сопротивлений

Чтобы увеличить площади действительного соприкосновения контактов, необходимо увеличить силы их сжатия путем применения упругих контактов или специальных стальных пружин. Если контактные плоскости прижать друг к другу с некоторой силой, мелкие бугорки в местах касания плоскостей будут несколько сминаться, при этом увеличатся размеры соприкасающихся основных площадок и появятся новые дополнительные площадки касания. Переходное сопротивление контакта снизится, уменьшится и нагрев контактного устройства.
Для отвода тепла от точек соприкосновения и рассеивания его в окружающую среду необходимы контакты с достаточной массой и поверхностью охлаждения. Особое внимание следует уделять местам соединения проводов и подключения их к контактам вводных устройств электроприемников. На съемных концах для удобства и надежности контакта применяют наконечники различной формы и специальные зажимы, что особенно важно для алюминиевых проводов. Для надежности контакта предусматривают также пружинящие шайбы и бортики, препятствующие растеканию алюминия. В местах, подвергающихся вибрации, при любых проводниках необходимо применять пружинящие шайбы или контргайки. Все контактные соединения должны быть доступны для осмотра — их систематически контролируют в процессе эксплуатации.
Существует несколько способов соединения проводов; основные из них — пайка, сварка, механическое соединение под давлением (опрессование). При пайке необходим источник тепла с температурой, достаточной для нагревания соединяющихся проводов и плавления дополнительного металла (олова или оловянно-свинцовых припоев). Во время пайки изолированных проводов следует применять предохранительные меры, чтобы не повредить изоляцию.
Сварка проводов (электрическая и газопламенная) обеспечивает надежный электрический контакт (что особенно важно для алюминиевых проводов), однако это сложная операция, требующая большого опыта. Соединение проводов пайкой и сваркой не допускается в помещениях со взрывоопасной средой.
Наиболее распространено в настоящее время соединение проводов механической опрессовкой специальными клещами и гидропрессом. Этот способ дает хороший электрический контакт, не требует источника тепла и дефицитных припоев и допускается в помещениях с взрывоопасной средой.
Жилы проводов и кабелей в местах соединений и ответвлений должны иметь такую же изоляцию, как и в целых местах этих проводов и кабелей. Для уменьшения влияния окисления на контактное сопротивление размыкающиеся контакты конструируют таким образом, чтобы размыкание и замыкание их сопровождались скольжением (трением) одного контакта по другому. При этом тонкая пленка окислов разрушается, удаляется с площадки действительного касания контактов, и происходит самоочищение контактов.
Контакты из меди, латуни и бронзы защищают от окисления лужением тонким слоем олова или сплава олова и свинца. Лужение медных контактов особенно эффективно в наружных установках, в сырых или содержащих активные газы и пары помещениях и при температуре воздуха выше 60°С. В процессе эксплуатации необходимо систематически следить за тем, чтобы контакты аппаратов, машин и т. п. плотно и с достаточной силой прилегали друг к другу. Существенную роль играет защитная смазка, предохраняющая контактную поверхность от быстрого окисления.

Причины пожаров от электроустановок и их предупреждение

При эксплуатации машин, установок и электросетей их пожарная опасность заключается в проявлении теплового и искрового действия электрического тока в условиях, благоприятных для воспламенения горючих материалов. Горючими материалами электроустановок являются твердые и жидкие (трансформаторное масло) изоляционные материалы. Наиболее частыми причинами пожаров в электроустановках являются: перегрузка проводов, короткое замыкание, большие переходные сопротивления в электрических сетях, электрическая дуга или искрение. Перегрузка проводов возникает при прохождении по ним большего по величине тока, чем допускают условия нагрузки. Основной величиной перегрузки в электрической сети является параллельное подключение к ней чрезмерного количества потребителей тока. Перегрузка вызывает загорание изоляции проводов и в большинстве случаев приводит к нарушению их эластичности и разрушению изоляции, что ведет к короткому замыканию. Перегрузка проводов может возникать и в результате чрезмерной механической нагрузки электродвигателей. Последствием этого является воспламенение изоляции обмотки электродвигателей и питающих их проводов. При коротком замыкании в электрической цепи точки различных фаз соединяются между собой через очень малое сопротивление, которое по каким-либо причинам не соответствует нормальным условиям работы. К основным причинам короткого замыкания относят: повреждение изоляции проводов, попадание на неизолированные провода токопроводящих предметов, воздействие на провода химически активных веществ, пыли и сырости, неправильный монтаж электросети и т. п. Короткое замыкание может возникать непосредственно в электрических машинах и установках.

При коротком замыкании электрическая цепь резко уменьшает свое сопротивление, а сила тока согласно закону Ома значительно увеличивается по сравнению с нормальной величиной и при приближении сопротивления R к нулю сила тока возрастает до бесконечности. Провода не в состоянии мгновенно отдать в окружающую среду большое количество тепла, температура их быстро возрастает и вызывает воспламенение изоляции. Предупреждение перегрузок и короткого замыкания в электрических проводах достигается применением плавких предохранителей и специальных автоматов, включенных последовательно в цепь. Кроме этого, сети, машины и аппараты должны монтироваться в соответствии с требованиями «Правил устройства электроустановок», и при их эксплуатации должны соблюдаться сроки профилактических ремонтов и обслуживания общего состояния и уровня изоляции сети и электрораспределительных устройств.

Защита электрической сети от перегрузки и короткого замыкания при помощи плавких предохранителей эффективна только в случае их правильного выбора. Более надежны установочные автоматы, в которых при перегрузках срабатывает тепловая защита вследствие деформации биметаллической пластинки от нагревания во время прохождения через нее тока, превышающего номинальный. Причиной местных нагревов проводов и пожаров может быть переходное сопротивление, возникающее в местах соединения кабелей или проводов между собой или в местах присоединения их к электрическим машинам и аппаратам. Переходные сопротивления образуются от плохих контактов в местах соединения, а также при окислении мест соединения или неплотного прилегания к зажимам и контактам электроприборов. В этих случаях сопротивление будет увеличиваться, а по закону Ленца — Джоуля пропорционально увеличивается и выделение тепла. Перегрев проводов от переходных сопротивлений устраняется при увеличении площади соприкасания контактов в результате их тщательной обработки, применения упругих контактов, подключения проводников к аппаратам при помощи наконечников или различных оконцевателей. Сращивать провода нужно при помощи сварки, БИНТОВЫХ зажимов, наконечников и опрессования, не допуская при этом непропаянных (холодных) скруток проводов. Снижение окисления контактов достигается применением скользящих контактов или заменой их на серебряные. Пожарную опасность также вызывают электрическая дуга и искрение. Электрическая дуга представляет собой поток электрических зарядов, проходящих через ионизированный поток воздуха; при этом температура может достигать 3000° С и более. От искр и электрической дуги загораются изоляция, осевшая пыль, волокна, и могут взорваться пары, пыль и газы.

Предупредить возникновение искр и электрической дуги можно правильным монтажом и эксплуатацией электроустановок. Чтобы снизить пожарную опасность от таких искрящих аппаратов, как выключатели, рубильники, магнитные пускатели и пр., необходимо применять различные дугогасительные устройства в виде дополнительных пружинящих ножей, дугогасительных решеток и камер, дугопреграж- дающих перегородок, маслонаполненных емкостей и т. п. Важнейшим условием обеспечения пожарной безопасности от электрических установок является правильный выбор электрооборудования в зависимости от помещения, в котором оно должно эксплуатироваться. Это требование особенно важно при выборе электрооборудования для взрывоопасных, пожароопасных, особо сырых, с химически активной средой и других помещений.

	ПРОДОЛЖЕНИЕ >>>

Пожарная безопасность

Пожарная безопасность

ПАМЯТКА по применению гражданами бытовых пиротехнических изделий

ПАМЯТКА «Правила пожарной безопасности в быту»

ПОМНИТЕ И СОБЛЮДАЙТЕ ПРАВИЛА ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ!!!

Пожар – это всегда беда. Однако не все знают элементарные правила поведения в случае пожара. И даже знакомое с детства – «звоните 01» – в панике забывается. Вот несколько самых простых советов, которые помогут вам в сложной ситуации. Главное правило – никогда не паниковать!
При пользовании электроэнергией включайте в электросеть утюг, плитку, чайник и другие электроприборы только исправные и при наличии под ними несгораемой подставки. Не размещайте включенные электроприборы близко к сгораемым предметам и деревянным конструкциям.
Следите, чтобы электрические лампы не касались бумажных и тканевых абажуров. Не закрывайте домашними предметами автотрансформатор и стабилизатор и не устанавливайте их на стол.
Не допускайте одновременного включения в электросеть нескольких мощных потребителей электроэнергии, вызывающих перегрузку сети.
Опасно промачивать электропровода, заклеивать их обоями, подвешивать на гвозди, оттягивать, завязывать в узлы. Применять ветхие соединительные шнуры, удлинители. Все это приводит к нарушению изоляции и короткому замыканию электропроводов.
Опасно пользоваться неисправными выключателями, розетками, штепселями, подключать оголенные концы при помощи скрутки проводов к электросети. В этих случаях возникают большие переходные сопротивления, которые приводят к сильному нагреву электропроводов и горению изоляции.
Серьезную опасность представляют использование нестандартных, самодельных предохранителей (жучков). Электросеть от перегрузок и коротких замыканий защищают стандартные предохранители.
Следите за исправностью и чистотой всех электробытовых приборов. К монтажу электроприборов и их ремонту привлекайте только специалистов. В этих случаях будет исключена возможность возникновения пожара от электроприборов.
Не забывайте, что применяемый в быту газ взрывоопасен, поэтому, при пользовании газовыми приборами, необходимо соблюдать правила пожарной безопасности.
Нельзя, при наличии запаха газа в помещении, зажигать спички, курить, применять открытый огонь. В этом случае необходимо немедленно вызвать по телефону «04», аварийную службу ГорГаз и до ее прибытия тщательно проверить помещения. Открывая кран газопровода, следует проверить, закрыты ли краны у газовых приборов. Перед тем, как зажечь газовую горелку, нужно зажечь спичку, а затем открывать кран горелки.
Недопустимо оставлять включенные газовые приборы без присмотра. Над газовой плитой нельзя сушить белье. Перед пользованием газовой колонкой, следует проверить наличие тяги в дымоходе, для чего зажженный жгутик бумаги подносят к нижнему обрезу колпака колонки. Втягивание пламени под колпак указывает на наличие тяги в дымоходе.

Об измерении переходных сопротивлений постоянному току в электрооборудовании

ГОЛУБЕВ В.П., канд. техн. наук, КРЫЛОВ А.Д., КОМАРОВ В.И., ОСОТОВ В.Н., инженеры, Уральский государственный технический университет — Свердловзнерго — Свердловэнергоремонт

В соответствии с «Объемом и нормами испытаний электрооборудования» (РД 34.450-51.300-97, издание шестое) измерение сопротивлений токоведущих частей оборудования постоянному току часто является обязательной функцией при вводе ею в эксплуатацию и ремонтных работах. Существует проблема достоверности измерений переходных сопротивлений кон¬тактов высоковольтных выключателей, разъединителей, болтовых соединений и т.д.
Инструментальная составляющая погрешности указывается в паспортных данных на прибор и гарантируется на эталонах. Эта составляющая, как правило, незначительна. Важно другое — что из себя представляет объект и какой измерительный прибор используется. В некоторых случаях реальная ошибка измерения в результате влияния пленки окислов и загрязнений на контактах может на поря¬док и более превышать указанные в паспорте параметры.
В Свердловэнергоремонте измерялись переходные сопротивления контактов высоковольтных выключателей (11 шт.) трех типов: V-220-10 (ток 1000 А, 1966г. выпуска), МКП110М (600 А, 1962 г.), МКП-110Б (1000 А, 1984 г.). Сопоставлялись результаты измерений, выполненных приборами, которые обеспечивают токи до 10 А (ИСК Ф-4104 Ф-415 и др.), и прибором, с рабочим током 600 А (МКИ-600). При всех измерениях приборами на малые токи результат был выше в 1,2—3 раза. Такие увеличения показаний в эксплуатации могут спровоцировать необоснованный вывод оборудования в ремонт.
Опыт работы показал, что достоверность измерений тем выше, чем больше рабочий ток измерительного средства приближается к номинальному току контролируемого оборудования. Однако это приближение должно быть разумным, так как возрастает стоимость, габаритные размеры, масса прибора, а так же масса соединительных кабелей, кото¬рая может превышать массу прибора. Установлено, что результаты измерений, близкие к достоверным, и их стабильность достигаются при использовании измерительных средств с рабочими токами, составляющими 15—20% нормального тока в контролируемом оборудовании. В этой связи желательно иметь ряд приборов, обеспечивающих разные токи и имеющих соответственно разную стоимость, габаритные размеры, массу. Например, предприятиям кет необходимости приобретать приборы на токи 600—700 А, если отсутствует оборудование на токи более 1000—1500 А. В этом случае вполне допустимы приборы на 100— 200А.
В приборах МКИ-200 и МКИ-600 (разработчики УГТУ и Свердловэнерго) обеспечивается ток 220 и 650А соответственно. Часто при спорных результатах измерений энергетики вынуждены обеспечивать большие измерительные токи от специальных источников, например сварочных трансформаторов, используя при этом амперметры к вольтметры.
В настоящее время отечественные производители начали выпускать микроомметры на большие токи, поэтому в методические указания целе¬сообразно ввести рекомендации об измерении переходных сопротивлений контактов на токах, максимально приближенных к номинальным значениям в контролируемом оборудовании.

Введение в защиту от переходных процессов

Переходные процессы (кратковременные скачки напряжения или тока) могут нарушить работу или повредить устройства, подключенные к сигнальным линиям или линиям электропередач. Обычные источники энергии переходных процессов, связанные с молнией, электростатическим разрядом и цепями, испытывающими внезапное изменение тока из-за размыкания выключателя или короткого замыкания.

Устройства защиты от переходных процессов пытаются перенаправить энергию в этих переходных процессах, используя разницу между формой волны переходного процесса и предполагаемой формой волны сигнала или мощности.Наиболее распространенные схемы защиты от переходных процессов ограничивают амплитуду напряжения, амплитуду тока или время перехода в цепи, которую они защищают.

Устройства ограничения напряжения

На рис. 1 показано, как можно использовать устройство защиты от переходных процессов с ограничением напряжения для защиты входа компонента СБИС, установленного на печатной плате. При нормальных напряжениях сигнала или питания устройство имеет высокое сопротивление и не оказывает существенного влияния на работу схемы. Однако, если напряжение на устройстве превышает пороговое значение, импеданс на его клеммах внезапно уменьшается, отводя ток от защищаемого компонента.

Рис. 1. Ограничивающая напряжение защита от переходных процессов на печатной плате.

Диоды

, пожалуй, самые распространенные защитные устройства для низковольтных приложений. Несмещенный диод обычно имеет высокий импеданс, когда потенциал на его клеммах ниже примерно 0,5 вольт. Импеданс быстро падает при более высоких напряжениях. Диоды могут быть объединены последовательно для достижения более высоких пороговых напряжений или могут использоваться диоды Зенера с обратным смещением.Как правило, диоды используются в приложениях, требующих порогового напряжения от 0,5 до нескольких вольт.

Диоды

являются ограничивающими напряжение устройствами , что означает, что они проводят ток, достаточный для удержания напряжения на пороговом уровне. Они относительно быстродействующие с достаточно коротким временем отклика для защиты чувствительных полупроводниковых входов. Однако диоды, как правило, не способны рассеивать много энергии до выхода из строя. Неисправный диод может выглядеть как обрыв цепи или короткое замыкание, но, скорее всего, он выйдет из строя из-за короткого замыкания.

Варисторы

Варисторы — это еще один тип устройства ограничения напряжения, часто изготавливаемого из порошка оксида металла. Варисторы могут иметь пороговое напряжение от 0,5 до 10 вольт. Как правило, они способны рассеивать больше энергии, чем диоды, но они также, вероятно, имеют большую паразитную емкость, что может сделать их непригодными для приложений с высокоскоростными сигналами. Как и у диодов, у них больше шансов выйти из строя накоротко, чем разомкнуться.

Тиристоры

Тиристоры представляют собой полупроводниковые устройства, подобные диодам.Однако они, как правило, способны рассеивать гораздо больше энергии, чем диоды, и их можно найти с различными пороговыми напряжениями. В отличие от диодов и варисторов, тиристоры являются ломовыми приборами, а это значит, что они эффективно «закорачивают» при превышении их порогового напряжения и падении напряжения на них почти до нуля.

Газоразрядные устройства

Молниезащита для раннего телефонного оборудования в домах состояла из двух заостренных кусков металла, расположенных в непосредственной близости. Когда напряжение на этих металлических деталях превышало пороговое значение, воздух между металлическими частями разрушался, образуя дугу. Это по-прежнему эффективная схема защиты от переходных процессов для больших напряжений, но сегодняшние устройства заключены в стеклянную или пластиковую трубку, заполненную газом, который разрушается более предсказуемо, чем воздух.

Газоразрядные трубки способны рассеивать относительно большое количество энергии без повреждений. Они также имеют относительно низкую емкость, поэтому они с меньшей вероятностью будут искажать быстрые или высокочастотные сигналы.Как правило, они разрабатываются с пороговыми напряжениями от 10 до 100 вольт и представляют собой ломовые устройства, такие как тиристоры.

Газоразрядные трубки, скорее всего, не открываются, из-за чего трудно определить, правильно ли они работают. Однако неисправная газоразрядная трубка не помешает нормальной работе устройства, к которому она подключена. Неоновые лампы ведут себя как газоразрядные лампы и могут быть недорогим способом обеспечения первичной защиты от переходных процессов (порог ~ 70 вольт) для многих приложений.

Токоограничивающие устройства

Такие устройства, как предохранители, автоматические выключатели и устройства тепловой защиты, срабатывают от тока, а не от напряжения. Эти устройства размещаются последовательно с силовыми или сигнальными линиями, ведущими к защищаемому оборудованию. Обычно они имеют очень низкий импеданс, но размыкаются (становятся высокоимпедансными), когда через них протекает слишком большой ток. После срабатывания устройства ограничения тока блокируют передачу энергии на защищаемое оборудование, не рассеивая эту мощность в виде тепла.Поэтому практически нет ограничений на количество энергии (или мощности), с которой они могут справиться. Однако токоограничивающие устройства обычно не реагируют достаточно быстро, чтобы защитить оборудование от быстрых переходных процессов, вызванных молнией или электростатическим разрядом.

Устройства ограничения времени перехода

Устройствам ограничения напряжения и тока требуется определенное время для срабатывания. Если переходный процесс быстрый, повреждение может произойти до того, как защитное устройство успеет сработать.Часто лучшей защитой от переходных процессов является простой конденсатор или ферритовая шайба, предназначенная для замедления любого изменения напряжения или тока из-за наведенного переходного процесса.

На рис. 2 показано, как конденсатор на чувствительном входе компонента СБИС может замедлить время нарастания, связанное с любыми индуцируемыми переходными процессами. Часто входы интегральных схем реагируют на очень быстрые переходные процессы, даже если это не требуется для правильной работы устройства. Например, вход сброса на микропроцессоре обычно не переключается на частой основе.Когда он переключается, обычно не имеет значения, происходит ли переключение в микросекундах или миллисекундах. Тем не менее, эти входы часто реагируют на переходные процессы порядка наносекунд. Замедление этих входов путем добавления шунтирующего конденсатора может устранить проблемы, связанные с очень быстрыми переходными процессами (например, вызванными электростатическим разрядом), без какого-либо неблагоприятного воздействия на работу устройства.

Рис. 2. Использование фильтрующего конденсатора для замедления реакции на быстрый вход.

Конденсаторы

имеют ряд преимуществ перед другими устройствами защиты от переходных процессов.Они относительно малы, недороги, а их линейное поведение относительно легко предсказать и смоделировать. Они имеют относительно большую емкость хранения энергии по сравнению с устройствами, которые они защищают, поэтому они вряд ли выйдут из строя при правильном размере. Хотя конденсаторы обычно ведут себя как короткозамкнутые при воздействии напряжения выше их номинального значения, их поведение в этих условиях ненадежно; поэтому конденсаторы не следует использовать в качестве устройств защиты от переходных процессов, ограничивающих напряжение.

Ферритовые шарики или резисторы могут использоваться для обеспечения защиты от переходных процессов с ограничением времени перехода для устройств с низким импедансом (например,грамм. высокоемкие) входы. Ферритовые шарики имеют то преимущество, что на них не падает постоянное напряжение. Однако при использовании ферритового шарика важно следить за тем, чтобы сигнальный или силовой токи не насыщали ферритовый материал.

9.5: Переходная характеристика цепей RL

Переходная характеристика цепей RL почти зеркально отражает реакцию цепей RC. Чтобы оценить это, рассмотрим схему на рис. 9.5.1. .

Рисунок 9.5.1 : Цепь RL для анализа переходных характеристик.

Опять же, ключ к этому анализу — помнить, что ток катушки индуктивности не может измениться мгновенно. Когда питание подается впервые, циркулирующий ток должен оставаться равным нулю. Поэтому на резисторе не возникает падения напряжения, а по КВЛ напряжение на катушке индуктивности должно равняться источнику \(Е\). Это устанавливает начальную скорость изменения тока с помощью уравнения 9.2.9 \((di/dt = E/L)\) и представлено пунктирной красной линией на графике рисунка 9.5.2. . Когда ток начинает увеличиваться, падение напряжения на резисторе начинает увеличиваться.Это уменьшает напряжение, доступное для индуктора, тем самым замедляя скорость изменения тока. Это показано сплошной красной кривой на графике. Между тем, сплошная синяя кривая представляет уменьшение напряжения на катушке индуктивности. Таким образом, в RL-цепи кривая напряжения катушки индуктивности повторяет кривую тока RC-цепи (или кривую напряжения резистора), а кривая тока RL повторяет кривую напряжения конденсатора RC-цепи.

Кривые, представленные на рис. 9.5.2 идентичны представленным в главе 8, когда мы обсуждали конденсаторы.Они воспроизведены здесь для вашего удобства.

Рисунок 9.5.2 : Нормализованные кривые заряда и разряда.

Как отмечалось ранее, скорость изменения тока во времени равна \(\mathcal{v}/L\) и, следовательно, в данном случае \(E/L\). Если бы начальная скорость изменения не уменьшалась, то максимальный (установившийся) ток \(E/R\) был бы достигнут за \(L/R\) секунд ¹ . Поэтому постоянная времени для цепи RL:

\[\tau = \frac{L}{R} \label{9.{− \frac{t}{\tau}} \right) \label{9.16}\]

Где

\(V_L(t)\) — напряжение индуктора в момент времени \(t\),

\(V_R(t)\) — напряжение резистора в момент времени \(t\),

\(I(t)\) — ток в момент времени \(t\),

\(E\) — напряжение источника,

\(R\) — последовательное сопротивление,

\(t\) — интересующее время,

\(\тау\) — постоянная времени,

\(\varepsilon\) (также пишется как \(e\)) — основание натуральных логарифмов, приблизительно равное 2. 718.

Время для примера.

Пример 9.5.1

Учитывая схему рис. 9.5.3 , предположим, что переключатель замкнут в момент времени \(t = 0\). Определите постоянную времени заряда, количество времени после замыкания ключа, прежде чем цепь достигнет установившегося состояния, а также напряжение и ток индуктора при \(t = 0\), \(t = 2\) микросекунд и \(t = 1\) миллисекунда. Предположим, что катушка индуктивности изначально не заряжена.

Рисунок 9.5.3 : Схема для примера 9.5.1 .

Во-первых, постоянная времени:

\[\tau = \frac{L}{R} \номер\]

\[\tau = \frac{400 \mu H}{150 \Omega} \nonnumber\]

\[\tau \приблизительно 2,667 \mu s \не число\]

Установившееся состояние будет достигнуто за пять постоянных времени, или примерно за 13,33 микросекунды. Таким образом, мы знаем, что \(V_L(0) = 9\) вольт и \(V_L(1 мс) = 0\) вольт. Поскольку индуктор изначально открыт, \(I_L(0) = 0\) ампер. При \(I_L\)(1 мс) цепь находится в установившемся режиме, и индуктор действует как короткое замыкание. {− \frac{2 \mu s}{2,667 \mu s}} \nonumber\]

\[V_L (2 мкс) \приблизительно 4,251 В \номер\]

Это значение также можно определить графически из рисунка 9.5.2. . Время в 2 микросекунды составляет 75% постоянной времени. Найдите это значение на горизонтальной оси, а затем проследите прямо вверх до сплошной синей кривой, представляющей напряжение зарядного индуктора. Точка пересечения находится примерно на 47% от максимального значения по вертикальной оси. Максимальным значением здесь является напряжение источника 9 вольт.{−0,75} \справа) \номер\]

\[I_L (2 мкс) = 31,66 мА \нечисло\]

Компьютерное моделирование

Для проверки нашего анализа схема на рис. 9.5.3 вводится в симулятор, как показано на рисунке 9.5.4. . Чтобы отразить понятие изменяющейся во времени схемы с переключателем, источник постоянного напряжения 9 вольт был заменен источником прямоугольного импульсного напряжения. Этот источник начинается с 0 вольт, а затем сразу же поднимается до 9 вольт. Он остается на этом уровне в течение 20 микросекунд, прежде чем снова упасть до 0 вольт.

Рисунок 9.5.4 : Схема рисунка 9.5.3 в симуляторе.

Результаты анализа переходных процессов показаны на рис. 9.5.5. . Показанная форма сигнала отслеживает напряжение катушки индуктивности в узле 2 относительно земли.

Рисунок 9.5.5 : Результаты моделирования для схемы на рис. 9.5.3. .

Мы видим, что напряжение начинается с 9 вольт, как и ожидалось. Затем он падает до нуля и стабилизируется менее чем за 15 микросекунд, как и предсказывалось.Через 20 микросекунд источник импульсов возвращается к нулевому напряжению. В этот момент ток через индуктор должен быть установившимся током 60 миллиампер. Этот ток все еще будет течь в направлении по часовой стрелке, поэтому он вызовет падение 9 вольт на резисторе 150 \(\Omega\) с полярностью + к — слева направо. Это эффективно помещает узел 2 в отрицательную точку по отношению к земле. В результате полярность напряжения катушки индуктивности меняется, и катушка индуктивности теперь действует как кратковременный источник. Мы видим это в переходном анализе как отрицательный всплеск 9 вольт. Постоянная времени разряда идентична постоянной заряда, поэтому мы видим, что напряжение катушки индуктивности падает до нуля за то же время.

Пример 9.5.2

Учитывая схему рисунка 9.5.6 , найдите \(V_L\) через \(t = 1\) микросекунду после включения цепи. Предположим, что катушка индуктивности изначально не заряжена.

Рисунок 9.5.6 : Схема для примера 9.5.2 .

Во-первых, постоянная времени:

\[\tau = \frac{L}{R} \номер\]

\[\tau = \frac{6 mH}{15 k\Omega} \nonnumber\]

\[\tau = 400 нс \не число\]

Установившееся состояние будет достигнуто за пять постоянных времени или 2 микросекунды, после чего напряжение катушки индуктивности станет равным нулю, поскольку она будет вести себя как короткое замыкание.{− \frac{1 \mu s}{0,4 \mu s}} \right) \nonumber\]

\[I_L (1 мкс) = 1,836 мА \нечисло\]

Напряжение катушки индуктивности 2,463 вольта также должно появиться на параллельном резисторе 15 кОм (\Омега\). Это дает 2,463 В / 15 кОм\(\Омега\) или 0,164 мА тока резистора. По KCL оставшаяся часть тока источника 2 мА должна протекать через катушку индуктивности. Это дает чистый ток индуктора 2 мА — 0,164 мА или 1,836 мА, что подтверждает наш предыдущий результат.

Пример 9.5.2 также усиливает концепцию того, что постоянная времени обратно пропорциональна сопротивлению, а не прямо пропорциональна, как в случае RC. В схеме рисунка 9.5.6 , должно быть очевидно, что чем больше значение сопротивления, тем больше результирующее напряжение в начальном состоянии. Из уравнения 9.2.9 видно, что если напряжение на катушке индуктивности увеличивается, то начальная скорость изменения тока по отношению ко времени будет увеличиваться, а это подразумевает более короткую постоянную времени.

Для более сложных цепей можно использовать теорему Тевенина для определения эффективного напряжения источника и зарядного сопротивления. Как мы видели с RC-цепями, также возможно, что сопротивление разряда может значительно отличаться от сопротивления зарядки. В таком случае кривые заряда и разряда могут быть сильно асимметричными как по времени, так и по амплитуде. Как правило, чем больше сопротивление разряда по сравнению с сопротивлением заряда, тем больше напряжение и тем короче по времени будет всплеск разряда (представьте, что площадь под кривой остается постоянной).

Пример 9.5.3

Предположим, что начальный ток через катушку индуктивности равен нулю на рис. 9.5.7. . Определить постоянную времени. Кроме того, определите напряжение катушки индуктивности и напряжение на резисторе 6 кОм (\Омега\) через 200 нс после замыкания ключа.

Рисунок 9.5.7 : Схема для примера 9.5.3 .

Эта схема основана на схеме, представленной на рис. 9.3.2 и использованной в примере 9.3.1. При этом анализе было обнаружено, что установившееся напряжение для резисторов 6 кОм (\Омега) и 2 кОм (\Омега) составляло 15 вольт, причем пара была включена параллельно.Далее, начальное напряжение на резисторе 2 кОм и катушке индуктивности было 16,67 вольт, а на резисторе 6 кОм (Омега) 0 вольт.

Для схемы Тевенена напряжением холостого хода на катушке индуктивности будет потенциал на резисторе 2 кОм (\Омега), который получается из делителя напряжения между ним и резистором 1 кОм (\Омега). или 16,67 вольт. Эквивалентное сопротивление получается путем замыкания источника напряжения, который оставляет параллельно резисторы 1 кОм\(\Омега\) и 2 кОм\(\Омега\), а затем последовательно с резистором 6 кОм\(\Омега\). , что дает примерно 6.667 к\(\Омега\). Эквивалент показан на рис. 9.5.8. .

Рисунок 9.5.8 : Тевенинский эквивалент схемы на рис. 9.5.7. управляя индуктором.

Сразу видно, что начальное напряжение на катушке индуктивности подтверждается эквивалентной схемой. Теперь мы можем определить постоянную времени.

\[\tau = \frac{L}{R} \номер\]

\[\tau = \frac{1mH}{6,667 k \Omega} \nonnumber\]

\[\tau = 150 нс \не число\]

Установившееся состояние будет достигнуто через 750 наносекунд.{−1,333} \справа) \номер\]

\[I_L (200 нс) \приблизительно 1,841 мА \номер\]

И, наконец,

\[V_{6k} (200 нс) = I R \номер\]

\[V_{6k} (200 нс) = 1,841 мА 6 k \Omega \nonnumber\]

\[V_{6k} (200 нс) \приблизительно 11,05 В \номер\]

Далее, напряжение на резисторе 2 кОм(\Омега\) должно быть суммой, или примерно 15,44 вольта.

Компьютерное моделирование

Результаты примера 9.5.3 проверяются на симуляторе.Снова схема строится с использованием генератора импульсов, как показано на рис. 9.5.9. .

Рисунок 9.5.9 : Схема рисунка 9.5.7 в симуляторе.

Анализ переходных процессов затянут до 1 микросекунды, что незначительно приближается к устойчивому состоянию. Узловые напряжения 2 и 3 нанесены на график, как показано на рис. 9.5.10. . Начальное напряжение на резисторе 2 кОм (\Омега\) (узел 2), как и предсказывалось, составляет примерно 16,7 вольт и падает до 15 вольт в установившемся режиме примерно через 750 наносекунд.Напряжение на резисторе 6 кОм (\Омега\) (узел 2) начинается с нуля вольт, а также достигает 15 вольт в установившемся режиме, как и предсказывалось. Кроме того, обратите внимание, что предсказанные напряжения на резисторах 2k\(\Omega\) и 6k\(\Omega\) при 200 наносекундах подтверждены.

Рисунок 9.5.10 : Моделирование анализа переходных процессов схемы, показанной на рис. 9.5.7. .

Напряжение на индукторе равно узлу 2 минус узлу 3. Эта разность показана отдельно на рис. 9.5.11 . Ожидаемое начальное, стационарное и 200-наносекундное напряжения соответствуют предсказанным.

Рисунок 9.5.11 : Моделирование зависимости напряжения катушки индуктивности от времени для схемы на рис. 9.5.7. .

Одно очень важное наблюдение заключается в том, что если цепь RL резко изменяется или размыкается, могут возникать очень большие скачки напряжения. Это связано с тем, что ток дросселя не может измениться мгновенно. Если цепь разомкнута, размыкание представляет собой очень большое сопротивление.Закон Ома указывает, что ток дросселя, умноженный на это очень большое сопротивление, может создать очень большое напряжение на новом разомкнутом участке. На самом деле потенциала может быть достаточно, чтобы вызвать искру или дугу. Обратите внимание, что поскольку ток не может измениться мгновенно (как по величине, так и по направлению), катушка индуктивности теперь ведет себя как источник напряжения очень высокой величины и с обратной полярностью. Это явление используется для создания искры зажигания в двигателях внутреннего сгорания. Короче говоря, катушка зажигания заряжается, создавая некоторый ток.Затем цепь прерывается, оставляя только катушку последовательно со свечой зажигания, причем свеча зажигания представляет собой не более чем зазор точного размера между двумя электродами. Это приводит к тому, что в зазоре свечи зажигания возникает большое напряжение, обычно около 20 000 вольт, чего достаточно для создания небольшой дуги (то есть искры), которая затем воспламеняет воздушно-топливную смесь в поршне.

Пример создания всплеска напряжения разряда, значительно превышающего напряжение источника, можно проиллюстрировать с помощью схемы на рисунке 9.5.12 . Будем считать, что катушка индуктивности изначально разряжена при подаче питания, а переключатель находится в положении 1. В этом случае цепь состоит только из источника 12 вольт, резистора 2,2 кОм и индуктор. Схема достигает установившегося состояния примерно за 227 наносекунд. В этот момент индуктор ведет себя как короткое замыкание, оставляя полный источник 12 вольт падать на резистор 2,2 кОм (\ Омега). Это создает ток по часовой стрелке приблизительно 5,455 мА.

Рисунок 9.5.12 : Цепь, иллюстрирующая большой скачок напряжения разряда.

Если мы теперь переместим переключатель в положение 2, этот ток должен поддерживаться, потому что ток через индуктор не может измениться мгновенно. Новое сопротивление разряда теперь представляет собой последовательную комбинацию двух резисторов или 49,2 кОм (\Омега). Закон Ома и KVL диктуют, что результирующее напряжение на катушке индуктивности должно быть 49,2 кОм (Омега) умножить на 5,455 мА или чуть выше -268 вольт. Этот потенциал отрицателен, потому что ток по часовой стрелке течет вверх через резистор 47 кОм (\ Омега \), создавая падение + на — от земли вверх.Повышенное сопротивление также сокращает постоянную времени, и теперь установившееся состояние достигается всего за 10,1 нс. Таким образом, мы видим всплеск гораздо большей величины (более чем в двадцать раз превышающий напряжение источника) с гораздо более короткой продолжительностью времени (менее одной двадцатой времени заряда).

В зависимости от типа используемого переключателя все может быть еще более экстремальным, чем то, что было только что описано. Переключатели бывают двух основных видов: «замыкание перед разрывом» и «размыкание перед замыканием». Первый устанавливает контакт со второй позицией до того, как он разорвет контакт с первой позицией, а второй делает обратное.Только что описанное поведение предполагает, что используется переключатель с замыканием перед разрывом. Напротив, если используется переключатель «разрыв перед замыканием», мы увидим совершенно другой результат.

Вернемся к установившемуся режиму с током 5,455 мА, протекающим через индуктор. Теперь мы переводим переключатель в положение 2. Этот новый переключатель разрывает контакт с проводом, ведущим обратно к источнику напряжения, до того, как он соприкасается с резистором 47 кОм (\Омега\). В течение короткого времени переключатель ни с чем не контактирует, и результирующее сопротивление в контуре определяется воздушным зазором между контактами переключателя. Даже если бы это было всего лишь 10 М\(\Омега\), результирующий потенциал был бы выше 50 000 вольт. Это почти наверняка создаст искру, и мы непреднамеренно воссоздадим сценарий со свечой зажигания. Надеюсь, поблизости нет горючих газов.

Ссылки

¹ Другими словами, \(E/L\) ампер в секунду, умноженное на \(L/R\) секунд, дает \(E/R\) ампер.

² См. также Приложение C.

Подавитель переходных процессов – обзор

III.A.2 Контроль

Для уменьшения амплитуды кондуктивных помех как в источнике, так и в помехе могут использоваться фильтры, подавители переходных процессов и методы изоляции. Экранированные кабели могут помочь уменьшить влияние помех между кабелями, проложенными в непосредственной близости (например, в кабельном канале).

Нецелесообразно полностью фильтровать переходные процессы в электрическом распределительном устройстве, поэтому оборудование, которое может стать источником помех, должно иметь собственный иммунитет. Необходимо следить за тем, чтобы помехи не обходили схемы защиты (т.г., за счет прямой связи между входными и выходными соединениями).

Фильтры работают с использованием частотно-зависимых импедансов (например, конденсаторов и катушек индуктивности), состоящих из последовательных элементов, которые предназначены для уменьшения протекания мешающего тока, и шунтирующих элементов, которые предназначены для того, чтобы мешающий ток обходил помеху Цепь . Ясно, что фильтр может быть эффективным только тогда, когда спектр помех отличается от спектра полезного сигнала или источника питания.Большие переходные напряжения, которые могут возникать на входе фильтров, используемых в приложениях ЭМС, означают, что необходимо следить за тем, чтобы сердечники катушек индуктивности не насыщались (снижая их эффективность) и чтобы не превышалась диэлектрическая прочность конденсаторов.

Необходимо учитывать безопасность фильтров, используемых в силовых цепях. В частности, наличие конденсаторов между линией и заземлением шасси может привести к тому, что шасси оборудования станет «под напряжением», если заземление шасси отключится. Конденсаторы, используемые в цепях сетевого питания, подлежат нормативному контролю, который ограничивает размер конденсатора для ограничения протекания тока в случае поражения электрическим током через «находящееся под напряжением» шасси из-за отключенного заземления. Эти конденсаторы должны быть самовосстанавливающимися, чтобы исправить любое повреждение диэлектрика из-за переходных процессов перенапряжения.

Фильтры ЭМС отличаются от фильтров для связи и обработки сигналов тем, что они работают в менее контролируемой среде — полное сопротивление источника и нагрузки может быстро меняться в зависимости от частоты (обычно от нескольких ом до нескольких килоом и любой фазовый угол).Чтобы контролировать поведение фильтра в широком диапазоне импедансов нагрузки и источника, в высококачественные фильтры часто включают элементы с потерями. К ним относятся ферритовые сердечники с потерями и простые резисторы.

Подавители переходных процессов используются вместе с фильтрами для минимизации влияния переходных процессов большой амплитуды на электронное оборудование. Искровой разрядник широко используется в качестве подавителя переходных процессов и имеет преимущества низкой емкости, высокого импеданса, когда он не активирован, и способности шунтировать очень высокие токи при зажигании дуги; однако он работает относительно медленно (порядка микросекунд), и пары металла, образующиеся на электродах при зажигании дуги, оседают в оболочке и приводят к падению сопротивления и, в конечном итоге, к отказу.Низкое напряжение, необходимое для поддержания дуги, означает, что в силовых цепях должны использоваться некоторые средства гашения дуги (например, предохранитель или прерыватель контактов). Металлооксидные варисторы имеют более быстрый отклик, чем искровой разрядник, а присущая им емкостная природа может быть преимуществом в некоторых приложениях. Варистор имеет характеристику постоянного напряжения и может использоваться в силовых цепях для ограничения переходных процессов без какого-либо механизма гашения. Возможности напряжения и тока варистора ниже, чем у разрядника. Лавинные диоды, оптимизированные для скорости, используются в качестве подавителей переходных процессов для защиты чувствительных твердотельных схем; по существу это низковольтные устройства (несколько десятков вольт) с очень коротким временем переключения (наносекунды). В практических системах пожаротушения все три устройства могут использоваться вместе с фильтрующими элементами для предотвращения повреждений от высокоэнергетических переходных процессов, например, вызванных ударами молнии поблизости.

В случае синфазных токов как фильтры, так и подавители переходных процессов полагаются на обход части мешающего сигнала на заземление или соединение шасси, а не на его прохождение через внутреннюю схему заземления.Хорошее соединение подавителей переходных процессов и фильтров с металлическим корпусом необходимо для их правильной работы.

Сигнальные цепи могут быть защищены от синфазных кондуктивных помех с помощью опто- или трансформаторных изоляторов, которые разрывают контур заземления и предотвращают протекание синфазного тока.

Экранированные кабели полезны для сведения к минимуму влияния синфазных кондуктивных помех между кабелями, находящимися в непосредственной близости. Экранирование также уместно, когда спектры сигнала или силового соединения перекрываются со спектром помех, так что фильтры неприменимы.Синфазные токи протекают по экрану кабеля, а не по сигнальным проводам, что снижает влияние помех. Однако протекание больших токов помех на экранах кабелей само по себе может вызвать проблемы. Если экран кабеля используется в качестве опорного нулевого напряжения для сигнальных проводов, то любая разность потенциалов вдоль экрана кабеля из-за протекания синфазного тока появляется последовательно с сигнальными напряжениями. Также наличие большого блуждающего тока в экране кабеля может вызвать проблемы с безопасностью.Это должно быть решено путем надлежащего безопасного соединения оборудования и систем заземления здания.

Анализ переходных процессов – обзор

В этой главе мы систематически разработали различные методы анализа переходных процессов в электрических цепях первого и второго порядка. Наиболее важные факты и результаты, обсуждаемые в этой главе, можно резюмировать следующим образом:

•

Переходные процессы в электрических цепях возникают из-за наличия элементов накопления энергии (т.д., катушки индуктивности и конденсаторы).

•

Переходные процессы в электрических цепях могут быть вызваны начальными условиями, источниками или обоими.

•

Анализ переходных процессов можно разбить на два основных этапа:

1.: Определение начальных условий для элементов накопления энергии с использованием непрерывности напряжения на конденсаторе и непрерывности тока через индуктор.
2.: Анализ электрических цепей после коммутации. Этот шаг обычно включает решение начальных задач для обыкновенных дифференциальных уравнений.

•

Анализ переходных процессов, возбуждаемых начальными условиями, требует решения однородных дифференциальных уравнений при ненулевых начальных условиях.

•

Анализ переходных процессов, возбуждаемых источниками, требует решения неоднородных дифференциальных уравнений при нулевых начальных условиях.

•

Анализ переходных процессов, возбуждаемых источниками, требует решения неоднородных дифференциальных уравнений при нулевых начальных условиях.

•

Анализ переходных процессов, возбуждаемых начальными условиями и источниками, требует решения неоднородных уравнений при ненулевых начальных условиях.

•

Полное решение неоднородного линейного дифференциального уравнения можно представить в виде суммы частного решения неоднородного уравнения и общего решения соответствующего однородного уравнения.

•

В случае возбуждения от источников переменного тока частное решение неоднородного уравнения может быть найдено с использованием векторной техники для расчета установившегося отклика. Частное решение имеет физический смысл принудительного ответа .

•

Общее решение соответствующего однородного уравнения имеет физический смысл свободной (переходной) реакции . Его расчет требует решения характеристических уравнений и определения неизвестных констант из начальных условий.

•

Характер переходного (свободного) отклика цепей второго порядка определяется корнями характеристического уравнения. Есть четыре различных случая:

а): передемпфированная реакция, когда два корня действительны, отрицательны и различны;
b): критически затухающий отклик, когда два корня действительны, отрицательны и идентичны;
c): отклик с недостаточным демпфированием, когда два корня комплексные и сопряженные;
d): незатухающий отклик, когда два корня являются мнимыми и сопряженными.(с) находится как функция комплексной частоты с . Значение этой функции на частоте возбуждения ( с = jω ) полностью определяет переменный установившийся (вынужденный) отклик, а полюса передаточной функции определяют показатели степени и, следовательно, форму свободного отклика. Описанный подход носит алгебраический характер; он полностью избегает вывода и решения дифференциальных уравнений и полностью использует технику векторной техники.
•: Для расчета отклика электрической цепи на произвольный источник можно использовать интеграл свертки .Интеграл свертки имеет вид : возбуждение источником напряжения v _s ( t ), а i _δ ( t ) – единичная импульсная характеристика, вызванная единичным импульсным источником возбуждения. Единичная импульсная характеристика может быть найдена как производная по времени единичной ступенчатой характеристики, которая, в свою очередь, может быть найдена из анализа переходных процессов электрической цепи, возбуждаемой единичным источником постоянного тока. Таким образом, анализ электрической цепи с помощью интеграла свертки состоит из двух основных этапов: а) расчет единичной импульсной характеристики; б) вычисление интеграла свертки для произвольного (но заданного) источника напряжения v _s ( t ). Выражения, подобные (7.464), справедливы для интегралов свертки, когда требуемой характеристикой схемы является напряжение и/или возбуждение схемы является источником тока.
•: Диод представляет собой элемент с двумя выводами, сопротивление которого зависит от полярности приложенного напряжения.Идеальные диоды действуют как короткое замыкание, если приложенное напряжение положительное, и они действуют как разомкнутая цепь, если приложенное напряжение отрицательное. Диоды используются в схемах выпрямителей для преобразования источников переменного напряжения в источники постоянного напряжения. Один диод можно использовать для создания полуволнового выпрямителя . Схема диодного моста может быть использована для построения двухполупериодного выпрямителя . Элементы накопления энергии используются в схемах выпрямителей для снижения уровня пульсаций. Методы анализа переходных процессов электрических цепей могут быть использованы для анализа установившихся режимов выпрямителей .