КАПитальный промысел. Свечи по-домашнему. Обслуживание и рнмонт погружных насосов... ("Сделай сам" №4∙2000)

Рис. 16. Общий вид сливного клапана:

_{1 — оливка; 2 — корпус; 3 — прокладка; 4 — вкладыш; 5 — мембрана; 6 — крышка; 7 — винт М4}

Во вкладыше выполнены: центральное, по 4 напорных и сливных отверстий и круговая канавка, соединяющая эти отверстия для ускоренного слива воды. В резиновой мембране просверлены 4 отверстия, расположенные напротив напорных отверстий вкладыша, а в корпусе — 6 отверстий напротив его канавки.

Сливной клапан подсоединяют к насосу с помощью куска гибкого шланга и подвешивают над насосом к тросу посредством двух хомутиков (рис. 17).

Рис. 17. Крепление сливного клапана к тросу:

_{1 — трос; 2, 6 — шланги; 3 — хомутик; 4 — сливной клапан; 5 — винт М4}

При полностью смонтированной системе водоснабжения и подключения насоса к электросети вода из насоса поступает в сливной клапан, под ее сильным давлением из-за разницы площадей мембраны и вкладыша первая прижимается ко второму, закрывая центральное отверстие вкладыша, и вода, проходя мембрану и вкладыш, поступает в шланг и далее к потребителю. Пока насос работает, мембрана прижата к вкладышу. После отключения насоса от сети, под давлением воды, находящейся выше сливного клапана в шланге и трубах, резиновая мембрана выгибается в сторону крышки и тем самым открывается центральное сливное отверстие во вкладыше, и вода устремляется через его сливные отверстия и отверстия корпуса в скважину. Таким образом она выливается из системы очень быстро.

На рис. 18 приведены детали сливного клапана. Корпус, крышка и оливки выточены из коррозиостойких материалов: сталь нержавеющая или алюминиевые сплавы марок АЛ-2, АЛ-4, АЛ-7 и АЛ-9, а вкладыш — из латуни, например, марки ЛК-80-ЗЛ.

Рис. 18. Детали сливного клапана

Размеры оливок взяты из нормалей машиностроения. В предлагаемой конструкции сливного клапана их вытачивают отдельно и сваривают с корпусом и крышкой аргоннодуговой сваркой, но можно выточить как одну деталь: корпус с оливкой и крышка с оливкой.

Основной деталью в сливном клапане является резиновая мембрана, от качества и гибкости которой зависит его работоспособность. В предлагаемом сливном клапане применена техническая резина средней твердости толщиной 1,5 мм (марка 3311). Можно использовать и другую резину, но каждый раз испытывая клапан на работоспособность.

Испытания сливного клапана проводим на стенде. Насос погружаем в бак с достаточным количеством воды, к нему подсоединяем сливной клапан, к выходу последнего — водоподающий шланг длиной 8-10 м, поднимая его середину на высоту 4–5 м и опуская конец в бак с водой. Включаем насос, при котором резиновая мембрана в сливном клапане закрывает центральное сливное отверстие, вода поступает по шлангу в бак и так циркулирует в замкнутой системе. При отключении насоса резиновая мембрана открывает центральное сливное отверстие, и вода, находящаяся в шланге, выливается через отверстия сливного клапана. Если при включении насоса мембрана недостаточно прижимается к вкладышу, то необходимо взять резину более гибкую или уменьшить ее толщину и вновь испытывать сливной клапан.

При монтаже системы водоснабжения со сливным клапаном необходимо выдержать уклон труб и шлангов в сторону скважины не менее 5–7° и не допускать их прогибов и карманов, где возможны скопления воды, замерзающей зимой. При использовании шлангов их необходимо уложить на жесткую основу, сколоченную из досок.

Автоматика работы погружных насосов

Здесь мы рассмотрим два очень важных вопроса: 1) автоматическую работу насоса в зависимости от уровня воды в скважине или колодце; 2) аварийное отключение работающего насоса при снижении сопротивления изоляции его токоведущих частей относительно корпуса ниже допустимого, прикасании человека к нему непосредственно или через воду и замыкании фазы на его корпус.

1. В летнее время на дачных участках и в фермерских хозяйствах во время полива садов и огородов часто случается, что при выкачивании большого количества воды в скважинах и колодцах ее уровень снижается, и может оказаться, насос работает без охлаждения, провисая в воздухе (уровень воды на его корпусе). В этом случае насос непременно выходит из строя по причине перегорания катушек, работавших без охлаждения. Чтобы не случилось этой неприятности, необходимо контролировать уровень воды в скважинах и колодцах — корпус насоса должен всегда омываться водой и охлаждаться. Для этого в скважинах и колодцах необходимо установить датчики, контролирующие верхний и нижний уровни воды SF1, SF2 (рис. 19).

Рис. 19. Автоматика работы погружных насосов:

_{1 — устройство защитного отключения (УЗО); 2 — штепсельный разъем; 3 — схема управления; 4 — питающий кабель; 5 — шланг; 6 — трос; 7, 8 — датчики верхнего и нижнего уровней воды; 9 — насос; 10 — скважина}

Вода в скважинах и колодцах благодаря растворенным в ней солям является хорошим проводником электрического тока. На этом принципе построены контроль уровня воды и автоматическая работа насоса, которая заключается в том, что при верхнем уровне воды насос включается, а при нижнем — отключается.

Датчики уровня воды представляют трубки длиной 30–35 мм и диаметром 15–20 мм, свернутые из полоски нержавеющей стали толщиной 1–1,5 мм, к ним припаяны медные гибкие изолированные жилы контрольного кабеля, выведенные в схему управления (рис. 20).

Рис. 20. Крепление датчика уровня к тросу:

_{1, 2 — металлическая и изоляционная трубки; 3 — кабель контрольный; 4 — хомутики; 5 — винт М4; 6 — трос}

Трубки вставляют, чтобы предотвратить замыкание с общим проводом, в изолированные втулки (полиэтиленовая, фторопластовая, винипластовая и др.). Для исключения поломки проводов в местах пайки их закрепляют в отверстиях втулок. Датчики прикрепляют к тросу насоса посредством стальных хомутиков.

Если скважина сооружена из металлических труб, то их используют в качестве общего провода датчиков, а если скважина и колодец выполнены из керамических труб или бетонных колец, то общим проводом необходимо использовать трос, на котором подвешивается насос.

На рис. 19 показана скважина из металлических труб с подвешенным насосом, установленными датчиками SF1 и SF2 и приведена схема работы насоса. Насос и его схему управления запитывают от сети 220 В после устройства защитного отключения (УЗО). Общим проводом контроля уровней воды является металлическая труба скважины, к которой подсоединен провод, идущий из схемы.

Рассмотрим работу схемы. В ней предусмотрено два режима работы: ручной и автоматический, выбираемые переключателем SA1 (тумблер типа ТП1–2). Ручной режим выбирается, когда в скважине или колодце много воды и она не выкачивается полностью (осенне-зимний период), а автоматический режим — в летнее время, когда расходуется много воды. Насос подсоединяют к УЗО через штепсельный разъем XS1, ХР1 и выключают магнитным пускателем К2 (тип ПМЕ, 220 В, 10А). Управление при ручном режиме с помощью кнопок SB3 и SB4, и неоновая лампа HL1 сигнализирует о работе насоса.

Автоматический режим работы насоса осуществляют от электрического блока, запитанного от понижающего трансформатора Т1 с напряжением вторичной обмотки 13,5—14,5 В. Электронный блок состоит из тринистора VS1, однополупериодного выпрямителя на диоде VD1 с конденсатором С1, сглаживающим его пульсации и предотвращающим вибрации якоря реле KI. Схема работает так. Когда уровень воды находится выше верхнего датчика SF1, проводимость воды между трубой скважины и датчиком SF1 высокая, и на управляющем электроде тринистора появляется открывающее напряжение по цепочке: точка а — труба — датчик SF1 — точка 6 — резистор R2 — управляющий электрод. Тринистор открывается, сработает реле К1, которое своим контактом включает пускатель К2, и насос начинает работать. Пускатель своим контактом К2.2 подключает в работу датчик нижнего уровня SF2 параллельно датчику верхнего уровня. Через некоторое время уровень воды понижается и становится ниже датчика верхнего уровня, но в этом случае открывающее напряжение на тринистор поступает через датчик нижнего уровня и насос продолжает работать. Когда уровень воды оказывается ниже датчика нижнего уровня SF2, то открывающее напряжение из-за разрыва цепи между трубой и датчиком перестает поступать на тринистор и при переходе напряжения через «ноль» тринистор закрывается, реле К1 обесточивается, пускатель отключается и насос прекращает подачу воды.

Далее следует накопление воды в скважине и подъем ее уровня в ней. При уровне воды выше датчика SF2 насос не включается, так как открывающее напряжение из-за разрыва цепи контакта пускателя К2.2 не подается на управляющий электрод тринистора. Как только уровень воды поднимется до верхнего датчика, открывающее напряжение открывает тринистор, и заработает насос. Таким образом, цикл включения и отключения насоса повторяется.

Для проверки работоспособности схемы имеется кнопка SB2, при нажатии которой срабатывают реле К1, пускатель К2 и включается насос. Схема простая, надежная и испытанная, перед подсоединением ее к датчикам уровней необходимо проверить на макете с водой, взятой из этой скважины или колодца.

Примененный в схеме трансформатор Т1 мощностью 10–15 Вт, можно взять любой с напряжением вторичной обмотки 13,5—14,5 В. Реле К1 типа РЭС22, паспорт РФ4.500.129, можно использовать и другие типы реле, например, РЭС6, РЭС9 с напряжением на 12 В.

2. Рассмотрим автоматическое предотвращение возможных несчастных случаев во время работы насосов при повреждении изоляции их токоведущих частей или снижении ее сопротивлений относительно корпуса ниже допустимого значения.

Заводы-изготовители выпускают вышеуказанные насосы как переносные электроприемники II класса по способу защиты человека от поражения электрическим током (обозначение на корпусах — квадрат в квадрате). Насосы имеют двойную изоляцию: рабочую и защитную — залитый эпоксидным клеем зазор между корпусом и электромагнитной системой. По правилам их корпуса не зануляют, и по нормам сопротивление изоляции их токоведущих частей, измеренное мегометром на 1000 В, должно быть R_из >= 2 МОм.

Двойная изоляция наиболее эффективна, когда у электроприемника корпус выполнен из изолирующего материала. К большому сожалению, корпуса у погружных насосов металлические.

Ошибочно было бы думать, что при пользовании насосами, имеющими двойную изоляцию, полностью исключаются несчастные случаи. Такие факторы, как металлический корпус, рабочее напряжение 220 В, возможность попадания влаги в приводную камеру из-за старения и разрушения резиновой прокладки и в конечном счете в обмотки катушек через микротрещины слоя эпоксидного клея, пробой изоляции токоведущих частей насоса вследствие грозовых разрядов, поступающих из питающей сети, старение и разрушение или механические повреждения питающего кабеля в процессе работы насоса, и другие представляют источник поражения человека электрическим током при работе насосов вследствие разрушения изоляции токоведущих частей или снижения ее сопротивления относительно корпуса.

Положение усугубляется еще тем, что периодическая проверка состояния изоляции насосов, к сожалению, не производится. Причинами поражений электрическим током при работе насосов являются случайное прикосновение человека непосредственно или через воду к корпусу насоса с поврежденной изоляцией токоведущих частей или сниженной величиной ее сопротивления ниже допустимого значения и также случайное попадание человека под «шаговое» напряжение в зоне растекания тока в воде или земле в случае замыкания фазы на его корпус. Исправная отличная изоляция токоведущих частей насоса — основное условие его безопасной работы.

Рассмотрим несколько характерных примеров поражения человека электрическим током от работающего насоса с поврежденной изоляцией и автоматическое отключение такого насоса от сети во избежание несчастных случаев. В каждом примере насосы запитаны от сети 380/220 В с глухозаземленной нейтралью через автоматический выключатель АП50-2МТ (ток расцепителя 4А) и штепсельный разъем. Сопротивление заземляющего устройства нейтрали трансформатора R₀ = 4 Ом.

Пример 1. Насос перекачивает воду для полива из бака, установленного на подставке, у которой сопротивление изоляции относительно земли R_из.п = 10 кОм. Человек стоит на земле в изолирующей обуви с сопротивлением изоляции R_об = 10 кОм, сопротивление его тела R_ч = 1 кОм, и он прикасается рукой к баку с водой, в которой работает насос (рис. 21).

Рис. 21. Перекачивание насосом воды из бака:

_{а, б — запитывание насоса от автоматического выключателя QF и устройства защитного отключения (УЗО); Т1 — трансформатор силовой; XS, ХР — разъем штепсельный; Jн, Jy, Jn и Jч — токи насоса, утечки через подставку и тело человека}

Определяем токи утечки J_y с токоведущих частей насоса без прикасания человека и при прикасании его к баку, а также токи через тело человека при разных значениях сопротивлений изоляции насоса.

Ток утечки J_y без касания человека к баку:

J_y = U/R,

где U = 220 В, R — сопротивление цепи тока утечки (рис. 21), состоящее из суммы сопротивлений обмотки трансформатора Х_т, питающей линии X₁, изоляции насоса R_из.н, подставки R_из.п воды, земли и заземляющего устройства нейтрали трансформатора R₀.

Сопротивления изоляций насоса и подставки во много раз больше других составляющих, поэтому ток утечки определяем упрощенно (сопротивления в кОм, токи — мА).

J_y = U/(R_из.н +R_из.п) = 220/(R_из.н + 10)

Приводим вычисления.

R_из.н = 500 кОм; J_y = 0,43 мА;

R_из.н = 12 кОм; J_y = 10 мА;

R_из.н = 0; J_y = 22 мА.

Как замечаем, с уменьшением R_{из. н} токи утечки пропорционально возрастают.

Далее определяем токи утечки J_y и токи через тело человека J_ч при его прикасании к баку с водой. При расчетах имеем в виду, что сопротивления тела человека и его обуви и сопротивление подставки соединены параллельно, и токи утечки с насоса распределяются по телу человека и подставке обратно пропорционально их величинам. При расчетах сопротивлениями малых величин пренебрегаем. Приводим вычисления.

R_из.н = 500 кОм J_y = 0,435 мА J₄ = 0,273 мА;

R_из.н = 16,75 кОм J_y = 10 мА J₄ = 4,77 мА;

R_из.н = 10 кОм J_y = 14,4 мА J₄ = 6,9 мА

Ток величиной 6,9 мА вызывает судороги и боль по всей руке, и пальцы рук непроизвольно судорожно сжимают электрод.

При R_из.н  = 0 фаза оказывается на корпусе насоса (пробой изоляции), соответственно бак с водой становится под напряжением 220 В по отношению к земле, представляя смертельную опасность для окружающих людей. При прикасании человека (в обуви) к баку J_y = 42 мА, а через него проходит ток 20 мА, ток такой величины парализует руки немедленно, дыхание становится затрудненным, человек теряет способность контролировать свои действия и не может освободиться самостоятельно от зажатого в руке проводника. А при его прикасании без изолирующей обуви ток через тело человека будет равным 220 мА, который является смертельно опасным. В данном примере автоматический выключатель QF, от которого запитан погружной насос, не реагирует ни на утечки токов и замыкание фазы на корпус (зануление корпуса насоса при замыкании фазы на него вызвало бы ток короткого замыкания (КЗ.) и мгновенное отключение автоматического выключателя и отсоединение поврежденного насоса от сети, но так как корпус не занулен и отключение автомата не происходит). Поэтому непременным условием применения погружного насоса должно быть запитывание его через устройство защитного отключения (УЗО), которое, являясь единственно надежной защитой человека при его работе и осуществляя непрерывный контроль изоляции его токоведущих частей, автоматически и мгновенно отключает насос при: появлении тока утечки, равного его уставки, вследствие снижения сопротивления изоляции относительно корпуса, замыкании фазы на корпус, случайном прикосновении человека к насосу с поврежденной изоляцией непосредственно или через воду и коротком замыкании в самом насосе или питающем кабеле. Электротехническая промышленность выпускает УЗО нескольких типов с разными уставками на отключение 10, 30 и 100 мА. УЗО с уставкой 10 мА отключает насос от сети при токе утечки J_y >= 10 мА. В вышеприведенном примере это происходит при R_из.н <= 12 кОм, а в случае прикасания человека к баку — при R_из.н =< 16,75 кОм. Запитывание насосов через УЗО очень важно в условиях повышенной опасности (влага), когда автомат QF не обеспечивает отключение насоса от сети.

УЗО (см. рис. 21) состоит из автоматического выключателя с катушкой расцепления КР, трансформатора тока утечки ТТУ, усилителя У и кнопки проверки SB исправности устройства. Автоматический выключатель QF служит для включения и отключения цепей и защиты от токов К.З. в самом насосе и силовом кабеле.

Принцип работы УЗО очень простой и заключается в следующем. Из вышеприведенного примера видим, что при сопротивлении изоляции насоса R >= 500 кОм ток утечки очень незначительный и сумма магнитных потоков в трансформаторе ТТУ, создаваемых уходящим и приходящим токами, близка к нулю, и напряжение, индуктируемое во вторичной повышающей обмотке трансформатора, очень мало. А при снижении сопротивления изоляции токоведущих частей насоса появляется ток утечки J_y, возвращающийся в силовой трансформатор через землю и нейтраль трансформатора, минуя ТТУ, и при этом сумма токов через него не будет равна нулю (в фазовом проводе ток больше, чем в нулевом на величину тока утечки) и в результате в его вторичной обмотке индуктируется напряжение, пропорциональное току утечки, которое поступает в электронный усилитель. При достижении заданной величины уставки, например 10 мА, усилитель выдает сигнал в механизм обесточения, и катушка расцепления КР отключает автоматический выключатель и насос с поврежденной изоляцией автоматически и мгновенно отсоединяется от сети. Тем самым и осуществляется защита от поражения электрическим током.

Пример 2. Насос качает воду из скважины, выполненной из металлических труб. В связи с нарушением изоляции насоса произошло замыкание фазы на его корпус (рис. 22).

Рис. 22. Выкачивание насосом воды из скважины:

_{J3 — ток замыкания; U — f (l) — распределение напряжения на поверхности земли вокруг скважины и Uш1, Uш2 — шаговые напряжения}

В этом случае трубы скважины представляют длинный электрод, забитый в землю и к которому подведена фаза сети с корпуса насоса (сопротивлением воды из-за малой величины пренебрегаем). Ток замыкания J₃ с корпуса насоса направляется по воде к трубам скважины и далее, растекаясь в земле радиально во все стороны, к нейтрали силового трансформатора. Растекающийся ток создает в земле электрическое поле, напряженность которого по мере удаления от труб скважины уменьшается.

Распределение напряжения на поверхности земли вокруг труб скважины по отношению к точке, достаточно удаленной (-20 м), изображено кривой U = f (l), приведенной на рис. 22. Как следует из нее, между двумя радиальными точками на поверхности земли в зоне растекания тока существует определенная разность напряжений. Поэтому человек, находящийся рядом с трубой скважины, попадает под «шаговое» напряжение U_ш1, вследствие чего через его тело на участке рука — ноги протечет ток, опасный для жизни. Эта разность напряжений велика около скважины и уменьшается по мере удаления от нее. Второй человек попадает под напряжение U_ш2, и ток течет по телу человека на участке нога — нога.

Через автоматический выключатель QF (ток расцепителя 4А) протекает суммарный ток, определяемый токами нагрузки насоса и замыкания фазы на корпус. Ток замыкания J₃ определяется напряжением 220 В и сопротивлением цепи тока замыкания. Если величина суммарного тока равна или больше 28–32 А, то электромагнитный расцепитель выключает автоматический выключатель, в течение 0,2 с и тем самым поврежденный насос отсоединяется от сети. Если суммарный ток окажется менее 28–32 А, то его тепловой расцепитель отключает автоматический выключатель в течение времени, зависящего от величины тока, то есть чем меньше ток, тем больше время срабатывания. Например, при суммарном токе 20 А отключение автоматического выключателя происходит через 5—10 с (из характеристик автоматических выключателей типа АП50).

А при применении УЗО отключение насоса с замыканием фазы на его корпус происходит мгновенно, и человек, попавший под шаговое напряжение, не успеет почувствовать действие тока, протекающего через него.

Пример 3. Насос, подвешенный на тросе, качает воду из открытого водоема, запитан так же, как в предыдущем примере. Произошло замыкание фазы на его корпус (рис. 23).

Рис. 23. Выкачивание насосом воды из открытого водоема (обозначения те же, что и на рис. 22)