Электрическими аппаратами управления и защиты называют электротехнические устройства, которые служат для ручного или автоматического включения и отключения электрических цепей и их автоматической защиты при различных анормальных режимах.
По назначению электрические аппараты делят на коммутационные (обеспечивают включение и отключение электрических цепей), защитные (предохраняют электрические цепи и электродвигатели от длительного воздействия токов короткого замыкания и перегрузок) и управления (регулируют заданные параметры электрической цепи) и т. д.
Так, но способу воздействия на электрическую цепь различают аппараты контактные, которые замыкают или размыкают электрическую цепь с помощью контактов, и бесконтактные, воздействующие на электрическую цепь путем резкого изменения своей электрической проводимости (транзисторы, тиристоры и т.д.). Контактные аппараты бывают ручного и электромеханического управления. Аппаратура ручного управления приводится в действие обслуживающим персоналом, а при электромеханическом управлении подвижные контакты аппарата приводятся в действие при помощи электромагнита.
Рис. 1. Коммутация электрической цепи: а — схема; б — кривая тока
Основные недостатки контактных коммутационных аппаратов — сравнительно невысокая надежность и малый срок службы из-за износа контактов в процессе эксплуатации. Этот износ обусловлен дуговым электрическим разрядом на контактах, возникающим при размыкании любой электрической цепи.
Рассмотрим процесс отключения в электрической цепи, изображенной на рисунке 1, в которую включены активное R и индуктивное L сопротивления. Любое электротехническое устройство (трансформатор, электродвигатель и т. д.) содержит эти элементы. Пусть контакт SA замкнут и по цепи протекает ток, определяемый приложенным напряжением и сопротивлением нагрузки.
Вокруг любой катушки индуктивности возникает магнитное поле, на создание которого расходуется часть энергии, подводимая к ней от источника. В момент размыкания контакта SA (момент времени 0 на рис. 1. б) энергия, запасенная магнитным полем катушки, не может исчезнуть мгновенно. Эта энергия расходуется на поддержание и течение некоторого времени после коммутации (разрыва контактов) тока в цепи.
В момент разрыва контакта SA в катушке индуктивности ЭДС самоиндукции, которая пропорциональна скорости изменения тока. Значение ЭДС самоиндукции может достигать нескольких тысяч вольт, поэтому воздушный промежуток в контакте SA, к которому оказывается приложенной разность электрических потенциалов, равная ЭДС самоиндукции, ионизируется и через него некоторое время протекает остаточный электрический ток. Таким образом, при протекании электрического тока в воздушном промежутке между контактами возникает электрическая дуга (искра).
Интенсивность и время существования дуги зависят от силы тока, который разрывается контактами, величины индуктивностей, включенных в сеть, и скорости размыкания контактов. Чем больше ток и меньше скорость размыкания контактов, тем интенсивнее электрическая дуга между контактами и больше время ее горения.
Температура электрической дуги достаточно велика — до 3000 °С. Под ее действием разрушается поверхность контактов, происходит их значительный износ и, как следствие, выход из строя. Степень износа контактов прямо пропорциональна значению размыкаемого тока и времени горения дуги. Поэтому одним из наиболее радикальных способов уменьшения износа контактов под влиянием дуги является сокращение ее времени горения за счет уменьшения времени размыкания контактов или применение специальных дугогасительных устройств.
Поскольку контакты находятся в газовой среде, включающей в себя кислород (атмосфера), то под действием высокой температуры электрической дуги на поверхности контактов образуется пленка оксидов, которые являются хорошим изолятором. При достаточно толстом слое оксидной пленки контакты выходят из строя. Для защиты контактов от подобного эффекта на их поверхность наносят тонкий слой металлов (серебра, золота, платины), плохо поддающихся окислению.