Потери в проводниках с током

При протекании переменного тока по проводнику вокруг него и внутри образуется переменный магнитный поток, который наводит в самом проводнике э. д. с, обусловливающую индуктивное сопротивление проводника.

Если разбить сечение токоведущей части на ряд элементарных проводников, то те из них, которые расположены в центре сечения и около него, будут иметь наибольшее индуктивное сопротивление, так как они охватываются всем магнитным потоком — внешним и внутренним. Элементарные проводники, расположенные на поверхности, охватываются только внешним магнитным потоком и в связи с этим имеют наименьшее индуктивное сопротивление.

Таким образом, элементарное индуктивное сопротивление проводников возрастает от поверхности к центру проводника.

Благодаря действию переменного магнитного потока возникает явление поверхностного эффекта или скин-эффекта, происходит вытеснение потока и тока от оси проводника к его поверхности, в наружные слон; токи отдельных слоев при этом отличаются по величине и фазе.

На расстоянии Z0 от поверхности амплитуда напряженности электрического и магнитного полей и плотность тока уменьшаются в е=2,718 раза и достигают 36% своего начального значения на поверхности. Это расстояние называют глубиной проникновения поля тока, и оно равно

где ω—угловая частота переменного тока; γ—удельная проводимость, 1/ом•см, для меди γ=57•104 1/ом•см; µ=µ0•µr µ0 = 4•π•10-9 гн/см — магнитная постоянная; µr — относительная магнитная проницаемость, равная 1 для меди и алюминия.

Практически считается, что основная часть тока проходит в поверхностном слое проводника толщиной, равной глубине проникновения Z0, а остальная, внутренняя, часть сечения практически тока не несет и для передачи электроэнергии не используется.

С ростом активного сопротивления проводника Rа увеличиваются тепловые потери в нем I2Rа, и, следовательно, при одном и том же значении тока потери в проводнике и температура его нагрева при переменном токе будут всегда больше, чем при постоянном.

Мерой поверхностного эффекта является коэффициент поверхностного эффекта kп, представляющий отношение активного сопротивления проводника Rа к его омическому сопротивлению R0 (на постоянном токе).

Явление поверхностного эффекта сказывается тем сильнее, чем больше сечение провода и его магнитная проницаемость и чем выше частота переменного тока.

У проводников из магнитных материалов (сталь, чугун и др.), несмотря на их большое удельное сопротивление, явление поверхностного эффекта проявляется с искл. силой благодаря их высокой магн. проницаемости.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА

При размыкании контактов электрического аппарата вследствие ионизации пространства между ними возникает электрическая дуга. Промежуток между контактами при этом остается проводящим и прохождение тока по цепи не прекращается.

Для ионизации и образования дуги необходимо, чтобы напряжение между контактами было примерно 15—30 В и ток цепи 80—100 мА.

При ионизации пространства между контактами заполняющие его атомы газа (воздуха) распадаются на заряженные частицы — электроны и положительные ионы. Поток электронов, излучаемых с поверхности контакта, находящегося под отрицательным потенциалом (катода), движется по направлению к положительно заряженному контакту (аноду); поток же положительных ионов движется к катоду.

При увеличении температуры движение электронов в металле катода ускоряется, они приобретают большую энергию и начинают покидать катод, вылетая в окружающую среду. Это явление носит название термоэлектронной эмиссии. Таким образом, под действием авто- и термоэлектронной эмиссии в электрическую дугу поступают с катода все новые и новые электроны.

При своем перемещении от катода к аноду электроны, сталкиваясь на своем пути с нейтральными атомами газа, расщепляют их на электроны и положительные ионы (рис. 303, в). Этот процесс называется ударной ионизацией. Появившиеся в результате ударной ионизации новые, так называемые вторичные электроны начинают двигаться к аноду и при своем движении расщепляют все новые атомы газа. Рассмотренный процесс ионизации газа носит лавинообразный характер подобно тому, как один камень, брошенный с горы, захватывает на своем пути все новые и новые камни, порождая лавину. В результате промежуток между двумя контактами заполняется большим количеством электронов и положительных ионов. Эта смесь электронов и положительных ионов называется плазмой. В образовании плазмы значительную роль играет термическая ионизация, которая происходит в результате повышения температуры, вызывающей увеличение скорости движения заряженных частиц газа.

Способы гашения дуги могут быть различные, но все они основываются на следующих принципах: принудительное удлинение дуги; охлаждение межконтактного промежутка посредством воздуха, паров или газов; разделение дуги на ряд отдельных коротких дуг.

Охлаждение межконтактного промежутка вызывает повышенную теплоотдачу столба дуги в окружающее пространство, вследствие чего заряженные частицы, перемещаясь из внутренней части дуги на ее поверхность, ускоряют процесс деионизации.

При удлинении дуги и удалении ее от контактов происходит увеличение падения напряжения в столбе дуги и напряжение, приложенное к контактам, становится недостаточным для поддержания дуги.

КОНТРОЛЛЕРЫ

Контроллер или командоконтроллер - это электрический аппарат, предназначенный для ручного управления электродвигателями (пуск, реверсирование, регулирование частоты вращения, останов), называют контроллером, а электрический аппарат, предназначенный для осуществления различных переключений в цепях управления схем электропривода, а также коммутации силовых цепей с небольшими нагрузками по току, командоконтроллером. Контроллеры применяют чаще для управления двигателями постоянного и переменного тока, в частности в подъемно-транспортных установках. От реостатов они отличаются тем, что переключающее устройство не связано в одно целое с резисторами, а располагается отдельно. По конструкции контроллеры могут быть кулачковыми, плоскими, барабанными и др. Наиболее распространены кулачковые контроллеры, имеющие различную конструкцию. Основными элементами их являются кулачковые шайбы, изготовленные из электроизоляционного материала, и установленные на металлическом валу контактные элементы и корпус. Контроллер ККТ-60А, предназначенный для управления электродвигателями переменного тока до 30 кВт, показан на рис. 35 а, б. Корпус 1 контроллера состоит из двух частей, отлитых из алюминиевого сплава. На валу 3 устанавливаемом в корпусе на шариковых подшипниках, размещены шесть кулачковых шайб 7 и храповое колесо 2. Кулачковые шайбы изготовлены из изоляционного материала в виде дисков с определенным профилем. На корпусе по обе стороны вала закреплены две пластмассовые рейки 8, на которых располагаются неподвижные контакт-детали 10. Подвижные контакт-детали 11 закреплены на держателе 13, который соединен шарнирно-пружинной связью с контактным рычагом 12. Подвижная контакт-деталь связана с неподвижным зажимом 9 гибким соединением. Контактный рычаг 12 установлен на оси 14. Коммутация осуществляется рукояткой 4, закрепленной на валу. Вал имеет пять положений в обе стороны от нулевого, которые фиксируются храповым колесом и фиксаторами. Положение контактов изменяется под действием кулачковых шайб на ролик 15 контактного рычага. При набегании гребня кулачковой шайбы на ролик 15 контактный рычаг поворачивается и контакт-детали размыкаются, при сходе ролика с гребня шайбы рычаг под действием возвратной пружины 16 замыкает контакт. Контактные элементы разделены камерой 5 из изоляционного материала, которая крепится на крышке 6 контроллера.

 

 

УСТРОЙСТВО, ОСНОВНЫЕ ТЕХН. ХАР-КИ ПРЕДОХРАНИТЕЛЯ

Общие сведения. Предохранители – это электрические аппараты, предназначенные для защиты электрических цепей от токовых пе­регрузок и токов к.з. Основными элементами предохранителя являются плавкая вставка, включаемая последовательно с защищаемой цепью, и дугогасительное устройство.

К предохранителям предъявляются следующие требования:

1) Времятоковая характеристика предохранителя должна проходить ниже, но возможно ближе к времятоковой характеристике защищаемого объекта.

2) Время срабатывания предохранителя при КЗ должно быть минимально возможным, особенно при защите полупроводниковых приборов. Предохранители должны рабо­тать с токоограничением.

3) При КЗ в защищаемой цепи предохранители должны обеспечивать селективность защиты.

4) Характеристики предохранителя должны быть ста­бильными, а технологический разброс их параметров не должен нарушать надежность защиты.

5) В связи с возросшей мощностью установок предохра­нители должны иметь высокую отключающую способность.

6) Конструкция предохранителя должна обеспечивать возможность быстрой и удобной замены плавкой вставки при ее перегорании.

Нагрев плавкой вставки при длительной нагрузке. Основной характеристикой предохранителя является времятоковая характеристика, представляющая собой зави­симость времени плавления вставки от протекающего тока. Для совершенной защиты желательно, чтобы времятоковая характеристика предохранителя (кривая 1 на рис. 6.7) во всех точках шла немного ниже характеристики защищае­мой цепи или объекта (кривая 2 на рис. 6.7). Однако ре­альная характеристика предохранителя (кривая 3) пересе­кает кривую 2. Поясним это. Если характеристика предо­хранителя соответствует кривой 1, то он будет перегорать из-за старения или при пуске двигателя. Цепь будет отключаться при отсутствии недопустимых перегрузок.

Нагрев плавкой вставки при КЗ. Если ток, проходящий через вставку, в 3… 4 раза боль­ше номинального, то практически процесс нагрева идет адиабатически, т. е. все тепло, выделяемое плавкой встав­кой, идет на ее нагрев. Время нагрева вставки до температуры плавления.

Основным параметром предохранителя при КЗ являет­ся предельный ток отключения. Это ток, который он может отключить при возвращающемся напряжении, равном наи­большему рабочему напряжению.

 

 

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

Высоковольтные выключатели служат для включения и отключения высоковольтных цепей по всех режимах работы электроустановок (нормальном, ненормальном, аварийном).
К выключателям предъявляются следующие требования:
надежность в работе и безопасность в обслуживании;
минимальное время отключения;
малые габариты и масса;
удобство и простота монтажа и эксплуатации;
возможность после отключения автоматического повторного включения (АПВ);
сравнительно невысокая стоимость.
Требование надежности является одним из важнейших, так как от надежной работы выключателем зависит надежность работы электроустановки и даже всей системы.
Минимальное время отключения, т.е. быстродействие выключателя весьма желательно по следующим соображениям:
снижается термическое воздействие тока КЗ на элементы электроустановки, по которой он протекает;
снижается опасность распространения аварии на другие электроустановки;
повышается устойчивость параллельной работы трансформаторов и линий электропередачи;
уменьшается опасность поражения током от прикосновения к заземленным частям при однофазном КЗ.
По принципу гашения дуги и роду дугогасящей среды выключатели подразделяются на масляные, воздушные, электромагнитные, элегазовые и вакуумные.
В настоящее время наиболее распространенными являются масляные включатели, в которых гашение дуги происходит в трансформатором масле. В малообъемных выключателях масло служит только для гашения дуги, а в многообъемных оно является еще и изолирующей средой.
В воздушных выключателях гашение дуги осуществляется струей воздуха под высоким давлением. Эти выключатели не получили распространения в железнодорожных электроустановках.
В электромагнитных выключателях гашение дуги осуществляется за счет перемещения ее в пространстве магнитным полем, то есть гашение происходит в воздушной среде.
В элегазовых выключателях гашение дуги происходит в среде шестифтористой серы SF6 (электрическом газе — сокращенно элегазе), которая активно захватывает электроны в столбе дуги.
Вакуумные выключатели осуществляют гашение дуги в вакуумной камере, где газ практически отсутствует. Эти выключатели по своим качествам наиболее близки к идеальным и поэтому в настоящее время получают все более широкое распространение.