Почему нельзя использовать обычный рубильник для частых отключений двигателя под нагрузкой

Обычный рубильник предназначен прежде всего для ручного включения, отключения и создания видимого разрыва цепи. Применять его как основной аппарат для частых пусков и остановок электродвигателя под нагрузкой нельзя: при каждом размыкании возникает электрическая дуга, на многократное гашение которой конструкция обычного рубильника не рассчитана.

Что такое рубильник

Рубильник - это простейший коммутационный аппарат с ручным приводом. Его подвижные металлические ножи входят в неподвижные пружинящие контактные губки или выходят из них при повороте рукоятки.

В типовую конструкцию входят изоляционное основание, неподвижные губки, подвижные ножи, рукоятка или вал управления, контактные пружины и зажимы для проводников. В отдельных исполнениях добавляются дугогасительные камеры, защитный кожух или предохранители.

Для трёхфазного двигателя обычно применяют трёхполюсный аппарат, одновременно размыкающий все три фазы. Рубильники различаются числом полюсов, исполнением, наличием дугогашения и предохранителей, а также возможностью переключения питания.

Главное назначение рубильника

Основная функция рубильника - обеспечить надёжный и, как правило, видимый разрыв цепи. Когда ножи выведены из контактных губок, персонал может убедиться, что питание оборудования отключено. Это особенно важно при ремонте двигателя, замене кабеля, обслуживании шкафа управления или поиске неисправности.

Рубильник уместно применять для вывода станка, насоса, вентилятора или распределительного щита в ремонт, для секционирования сети и для редкого ручного включения нагрузки. Однако он не является аппаратом комплексной защиты: сам по себе он не реагирует на перегрузку, короткое замыкание, обрыв фазы, утечку тока или заклинивание механизма.

Почему двигатель тяжёл для контактов

Асинхронный двигатель для коммутационного аппарата является индуктивной нагрузкой с большими пусковыми токами. При прямом пуске ток короткозамкнутого двигателя обычно в 5-7 раз превышает номинальный рабочий ток.

При включении рубильника нож вначале касается губки не всей поверхностью, а отдельными точками. Через эти точки проходит большой пусковой ток, поэтому плотность тока, локальный нагрев и микродуга особенно велики.

При отключении ситуация ещё сложнее. Обмотки двигателя обладают индуктивностью, а в магнитном поле запасена энергия. Ток в индуктивной цепи не может прекратиться мгновенно. При размыкании контактов возникает ЭДС самоиндукции. Чем быстрее расходятся контакты, тем более резкое изменение тока стремится создать цепь и тем выше перенапряжение. Воздух между контактами ионизируется, и возникает электрическая дуга.

Что происходит при отключении под нагрузкой

Сначала оператор поворачивает рукоятку, и ножи начинают выходить из губок. Площадь фактического контакта уменьшается, ток концентрируется на малом участке, а переходное сопротивление растёт. Контакты локально нагреваются.

Затем металлическая связь разрывается, но ток двигателя ещё не прекращается. Между ножом и губкой загорается дуга. Если аппарат не имеет эффективной дугогасительной системы, дуга горит рядом с контактами, растягивается вслед за движением ножа и разрушает металл.

Последствия многократных отключений под нагрузкой:

• оплавление ножей и контактных губок;
• образование кратеров, раковин и нагара;
• перенос металла с одного контакта на другой;
• окисление и загрязнение контактных поверхностей;
• снижение контактного нажатия;
• рост переходного сопротивления и перегрев при нормальной работе;
• сваривание ножей с губками;
• риск перекрытия дугой соседних фаз и возникновения короткого замыкания.

В трёхфазном аппарате дуга одной фазы особенно опасна при малых межфазных расстояниях, пыли, влаге или повреждённой изоляции. Она способна перейти на соседний полюс и превратить отключение двигателя в тяжёлую аварию.

Почему ручной привод опасен

Скорость размыкания контактов у обычного рубильника зависит от действий человека. Оператор может медленно повернуть рукоятку, остановиться в промежуточном положении, не довести её до конца или действовать нерешительно при появлении искрения.

Чем медленнее расходятся контакты, тем дольше горит дуга и тем больше тепловой энергии получает металл. Поэтому медленное отключение рубильника под нагрузкой ускоряет разрушение контактов и повышает опасность для персонала.

Контактор и автоматический выключатель устроены иначе. У них имеются пружинные механизмы, которые после команды размыкают контакты с заданной скоростью, практически независимо от того, как быстро оператор нажал кнопку. Это сокращает время горения дуги и делает коммутацию повторяемой.

Чем рубильник отличается от других аппаратов

Часто рубильник, разъединитель, выключатель нагрузки, контактор и автоматический выключатель воспринимают как взаимозаменяемые аппараты. На практике их функции принципиально различны.

Разъединитель предназначен для создания изоляционного промежутка в цепи, уже обесточенной другим аппаратом. Отключать им ток нагрузки нельзя, поскольку он не имеет нормированной способности гасить дугу.

Выключатель нагрузки, напротив, рассчитан на включение, проведение и отключение рабочего тока. Но он не защищает цепь от короткого замыкания и перегрузки. При аварийном сверхтоке он обычно способен лишь кратковременно его выдержать, а не отключить.

Почему рубильник не заменяет контактор

Контактор создан именно для частой коммутации электродвигателя. В нём есть электромагнитный привод, подвижный якорь, возвратная пружина, главные силовые контакты, блок-контакты, дугогасительные камеры и специальные контактные материалы.

Для управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором применяют контакторы категории применения AC-3. Такой контактор рассчитан на пуск двигателя, при котором ток может достигать примерно шестикратного номинального значения, и на отключение уже работающего двигателя.

Контактор позволяет строить схемы с кнопками «Пуск» и «Стоп», тепловым реле, датчиками давления, уровня, положения, реле времени, контроллером, аварийным остановом и блокировками. Обычный рубильник таких возможностей не имеет: он не отключит двигатель по сигналу датчика, при перегреве обмоток, открытии ограждения или нажатии кнопки аварийного останова на удалённом посту.

Почему рубильник не заменяет автомат

Автоматический выключатель имеет тепловой и электромагнитный расцепители. Тепловой расцепитель защищает цепь от длительной перегрузки, а электромагнитный - от короткого замыкания.

Обычный рубильник таких расцепителей не имеет. Если двигатель заклинил, ток вырос, но рубильник сам не отключится. Если возникло короткое замыкание, он также не среагирует. При этом пытаться вручную разомкнуть рубильник в момент короткого замыкания крайне опасно: отключение должен выполнить автоматический выключатель или предохранитель.

Правильная схема управления двигателем

Для типового нереверсивного двигателя рациональна такая последовательность аппаратов:

рубильник или выключатель-разъединитель - автоматический выключатель - контактор - тепловое реле - двигатель.

Рубильник служит для видимого разрыва и безопасного обслуживания. Автоматический выключатель защищает кабель и цепь от короткого замыкания и, в зависимости от исполнения, от перегрузки. Контактор выполняет частые пуски и остановки по командам кнопок, датчиков или контроллера. Тепловое реле защищает двигатель от длительной перегрузки.

Пример выбора аппаратов

Пусть имеется трёхфазный асинхронный двигатель мощностью 7,5 кВт, напряжением 380 В, коэффициентом мощности 0,85 и КПД 0,9. 

Для такой цепи можно принять следующие решения:

Рубильник в такой схеме не должен использоваться для ежедневного пуска и остановки. Двигатель сначала останавливают кнопкой «Стоп» или автоматически отключают контактором, затем при необходимости размыкают рубильник, фиксируют его в отключённом положении и проверяют отсутствие напряжения.

Когда рубильник допустимо отключать под нагрузкой

Нельзя утверждать, что любой рубильник всегда запрещено размыкать под током. Всё определяется конкретной конструкцией, паспортом и категорией применения аппарата.

Некоторые рубильники и выключатели нагрузки имеют механизм быстрого отключения, дугогасительные камеры, улучшенные контакты и нормированную коммутационную способность. Такой аппарат может отключать номинальный рабочий ток, но это не означает, что он пригоден для многократных пусков двигателя.

Перед использованием необходимо проверить допустимое число коммутаций, категорию применения, номинальный ток, допустимую мощность двигателя, способность коммутировать индуктивную нагрузку, наличие защиты от короткого замыкания и требования изготовителя.

Типичные ошибки

Первая ошибка - отключать двигатель рубильником несколько раз за смену. Для такого режима нужен контактор или магнитный пускатель, а рубильник должен оставаться аппаратом изоляции.

Вторая ошибка - выбирать рубильник только по номинальному току. Номинальный ток ещё не означает способность аппарата безопасно и многократно отключать индуктивную нагрузку.

Третья ошибка - не устанавливать автоматический выключатель. Рубильник не защищает от короткого замыкания, поэтому при аварии могут пострадать кабель, сам аппарат и двигатель.

Четвёртая ошибка - отказываться от теплового реле. Автомат не всегда обеспечивает точную защиту именно двигателя от длительной перегрузки, особенно в схеме с контактором.

Пятая ошибка - медленно размыкать рубильник под нагрузкой. Это увеличивает время горения дуги и ускоряет разрушение контактов.

Промышленные примеры

На насосной станции двигатель включается и отключается по сигналу датчика давления. Контактор получает команду от реле давления или контроллера, тепловое реле защищает двигатель, а автоматический выключатель - кабель и силовую цепь. Рубильник ставят перед шкафом управления и используют только при ремонте.

Вентиляционная установка также часто требует многократных пусков и остановок. Если каждый раз отключать вентилятор обычным рубильником, ножевые контакты быстро подгорят из-за индуктивного характера нагрузки. Правильное решение - магнитный пускатель или контактор с системой управления.

В металлообрабатывающем станке двигатель главного привода может часто запускаться, останавливаться и реверсироваться. Здесь необходимы контакторы или реверсивные магнитные пускатели с электрической и механической блокировкой. Рубильник устанавливают на вводе станка для полного снятия напряжения перед обслуживанием.

На конвейере двигатель может запускаться и останавливаться с нескольких постов. Нужны аварийный останов, блокировка при открытии ограждения, защита от перегрузки и дистанционное управление. Обычный рубильник эти задачи не решает: его место - на вводе, где он обеспечивает безопасную изоляцию привода во время ремонта.

Андрей Повный