Призначення курсу. Основні вимоги до електричних апаратів

Електричні апарати

Вступ

В даному конспекті лекцій стисло розглядаються основи теорії, принципи роботи, конструкції вузлів апаратів та режими їх роботи і експлуатаційні характеристики, а також рекомендації по вибору електричних апаратів і розрахунку їх окремих вузлів. Конспект написано у відповідності до робочої програми курсу „Електричні апарати” для напрямку підготовки 6.0906 „Електротехніка” спеціальності 7.000008 „ Енергетичний менеджмент”, що розрахована на 48 год. Лекцій і 32 години лабораторного практикуму на протязі одного семестру. Автор намагався викласти матеріал таким чином, щоб при відносно невеликому об’ємі посібника акцентувати увагу на розумінні фізичних процесів і явищ, що відбуваються в електричних апаратах, та основах роботи найбільш широко вживаних електричних апаратів в номінальному режимі, режимі перевантаження та режимі короткого замикання.

Рекомендована література

1. А.А.Чунихин „Электрические аппараты», М. Энергоатомиздат 1988.

2. Буркевич.Г.В. Деттярь В.Г., Славинская А.Г. Задачник по электрическим аппаратам. М. Высшая школа, 1987.

3. Л.А.Родштейн «Электрические аппараты», Л. Энергоиздат., 1981.

4. Н.С.Таев «Электрические аппараты управления» М. Энергоатомиздат 1997; 1984 (В.Ш.).

5. «Проектирование электрических аппаратов» (под ред. Г.Н.Александрова). Л. Энергоиздат.1985.

6. Р.С.Кузнецов Аппараты распределения электрической энергии на напряжение до 1000В. М. Энергия 1970.

Призначення курсу. Основні вимоги до електричних апаратів

Предмет курсу, його роль і місце серед інших дисциплін

Беззаперечним і усіма усвідомленим є факт, що рівень розвитку суспільства визначається рівнем його енергозабезпечення. Разом з електричними машинами електричні апарати є фундаментальними засобами, що забезпечують прогрес в області електрифікації, автоматизації і комп’ютеризації і сучасний їх стан. Саме тому дисципліна електричні апарати – одна із базових дисциплін для майбутніх спеціалістів енергетиків, в тому числі з енергетичного менеджменту.

Електричні апарати – це пристрої, що служать для керування потоком електроенергії від генератора (джерела) до споживача. Більш детальне визначення таке:

Електричні апарати – це пристрої електротехніки, що використовуються для вмикання, вимикання електрокіл, контролю, захисту, керування, регулювання роботою установок, що призначені для передачі, перерозподілу та споживання енергії.

Предмет курсу „Електричні апарати” полягає у вивченні основ функціонування електричних апаратів, їх конструкцій, та їх експлуатаційних характеристик і в першу чергу тих електричних апаратів, що використовують в енергетичних та технічних системах і при автоматизації різних технологічних і виробничих процесів.

В результаті вивчення курсу студент повинен знати:

· основні фізичні принципи роботи;

· розрахунки окремих елементів і вузлів апаратів;

· методи вибору провідників та апаратів і області їх застосування;

· Основні технічні вимоги до апаратів.

Вміти:

· виконувати розрахунки для правильного вибору автоматичних вимикачів, рубильників, пускачів і контакторів;

· визначати розрахункові умови короткого замикання;

· виконувати вмикання електричних апаратів, вимикання при короткому замиканні.

Дисципліна „Електричні апарати” базується на знаннях вищої математики, фізики, ТОЕ, елементів теорії електричних машин.

Електричні апарати застосовуються практично всюди, де необхідно керувати потоками електроенергії – починаючи від АЕС і закінчуючи побутовими приладами, наприклад, таких як пральна машина, електропраска, сучасна електролампа.

- одна із базових дисциплін для майбутніх спеціалістів енергетиків, в тому числі з енергетичного менеджменту.

Класифікація електричних апаратів

Класифікація електричних апаратів може проводитись по-різному. Це зв’язано з різноманітністю апаратів та функцій, які вони виконують, із суміщенням в одному апараті декількох функцій. По одній ознаці їх класифікувати дуже важко, бо ознак по яких можна розділяти або об’єднати апарати є багато: габарити, призначення, допустимі струми і напруги, температурні режими експлуатації, кліматичні умови та багато інших. Найбільш прийнятною є класифікація електричних апаратів по призначенню, що передбачає їх поділ на наступні великі групи:

1) комутаційні апарати – призначені для вмикання, вимикання та перемикання електричних кіл. Це рубильники, пакетні вимикачі, вимикачі навантаження, автоматичні вимикачі, перемикачі, роз’єднувачі.

2) захисні – для захисту електричних кіл від короткого замикання (запобіжники високої та низької напруги);

3) обмежуючі – для обмеження струмів короткого замикання (реактори) і перенапруги (розрядники);

4) пускорегулюючі – для пуску, регулювання частоти обертання, струму, напруги електричних машин та інших споживачів електроенергії (контактори, пускачі, силові і командні контролери, реостати);

5) контролюючі – це апарати для контролю заданих електричних і неелектричних параметрів (реле, датчики);

6) електричні апарати для вимірювань шляхом ізолювання первинних кіл від вторинних (трансформатори струму і напруги);

7) регулюючі електричні апарати – для автоматичного неперервного регулювання заданого параметра електричної сітки або автоматичного підтримування неперервної стабілізації.

- В границях однієї групи апарати поділяються на апарати низької напруги, як правило 660 В, і високої (вище 1000 В або 3000 В).

- По виду струму розрізняють апарати:

· змінного струму;

· постійного струму;

· промислової частоти;

· високої частоти(відбійні молотки).

- По роду захисту від оточуючого середовища апарати ділять на ті, що працюють у відкритому середовищі, закритому, водозахисному, вибухонебезпечному, на повітрі.

- По способу дії (електромагнітні, магнітоелектричні, електродинамічні, індукційні, теплові і т.п.).

- По принципу роботи апарати розділяють на контактні і безконтактні. Контактні мають рухомі контакти; безконтактні діють на принципі зміни їх параметрів: індуктивності, ємності, електричного опору.

- Апарати можна поділити на автоматичні, що діють в залежності від заданого режиму, і ручного перемикання, що працюють від волі оператора.

Вимоги до електричних апаратів

Загальні поняття про вимоги до електричних апаратів

В залежності від призначення, умов експлуатації, необхідної надійності і т.д. вимоги до електричних апаратів дуже різноманітні. Однак можна сформулювати загальні вимоги до всіх апаратів:

1. При номінальному режимі роботи температура струмоведучих елементів апарата не повинна перевищувати значень, що відповідають Державному стандарту України (ДСТУ) або іншим нормативним документам. Номінальний режим – це той режим, при якому електричний апарат функціонує у відповідності до його паспортних даних.

2. В кожному електричному колі може бути ненормальний (перевантаження) або аварійний (коротке замикання) режим. В цих випадках струм в 50 і більше раз перевищує номінальний.

3. Апарат при цьому на протязі певного часу знаходиться під великим термічним та електродинамічним навантаженням. Однак ці навантаження не повинні викликати остаточних явищ, що порушують працездатність апарату після усунення перевантажень, або короткого замикання.

4. Ізоляція електричних апаратів повинна витримувати перенапруги і мати запас, що враховує погіршення властивостей ізоляції внаслідок старіння, осадження, пилу, бруду, вологи.

5. Контакти апаратів, призначених для відключення, повинні бути розраховані на струми короткого замикання.

6. До кожного апарату пред’являються специфічні вимоги, обумовлені його призначенням.

Електродинамічні зусилля в електричних апаратах та їх методи розрахунку

Автоматичні вимикачі загально-промислового застосування

Таблиця 18.1. Характеристики автоматів типу А3100 - А3700

Тип	Iном , А	U, В	Число полюсів	Тип розчеплювача	Струм установки розчеплювача, А	Граничний струм вимикання, кА	Час вимикання, с
А3100		110;120	1,2,3	Тепловий	15-20	1,6-3,6	0,025
А3120			2,3	Електро-магнітний	15-100	Постій-ний 20
А3130				Електро-магнітний	100-200	17-28	0,015
А3710Б	160-130	440;660		Тепловий, електро- магнітний, напівпро- відниковий	−	110 (із струмо- обмеже-нням)
А3710Ф	160-630	220;380		Тепловий, електро- магнітний.	−	25-50	0,03

Вимоги до роз’єднувачів

Вимоги до роз’єднувачів зв’язані з їх умовами роботи та призначенням. Вимикаюча здатність роз’єднувачів визначається їх контактною системою і механізмом приводу.

Вимоги полягають у наступному:

1. контактна система повинна надійно пропускати номінальний струм скільки завгодно тривалий час;

2. контактна система, працюючи в важких умовах впливу вологи, пилу, льоду, води, повинна мати необхідну динамічну і термічну стійкість;

3. роз’єднувач і механізм його приводу повинні надійно утримуватись у ввімкнутому положенні при протіканні струму короткого замикання. Те саме відноситься до вимкненого положення. Рухомий контакт у вимкненому положенні повинен бути надійно зафіксований, інакше можуть статися аварії з жертвами;

4. у зв’язку з тим, що роз’єднувач – апарат безпеки, проміжок між розімкнутими контактами має мати підвищену електричну міцність;

5. привод роз’єднувача доцільно блокувати із вимикачем. Операції із роз’єднувачем можуть проводитись лише після того, як вимикач вимкнено.

По характеру виконання блокування може бути:

1. механічним;

2. механічно замковим;

3. електромагнітно-замковим.

Вибір роз’єднувачів

1. номінальна напруга роз’єднувача повинна відповідати номінальній напрузі сітки;

2. найбільший струм тривалого навантаження споживача не повинен перевищувати струму роз’єднувача;

3. ударний струм короткого замикання в місці установки роз’єднувача не повинен перевищувати допустиму амплітуду ударного струму короткого замикання роз’єднувача;

Конструкції роз’єднувачів

Конструкції роз’єднувачів – різноманітні, в залежності від того, при яких напругах і струмах сітки він повинен працювати. Але обов’язковими частинами в роз’єднувачі є:

1. полюс роз’єднувача, який складається з нерухомих і рухомих контактів (ножів) (кількість ножів може доходити до 8 штук), що кріпляться на ізоляторах.

2. опорна плита (рама).

3. привід.

Бувають контакти з вертикальним розміщенням і з горизонтальним. Контакти повинні надійно працювати при всіх типах режимів і крім нагріву, динамічної і термічної стійкості, для роз’єднувачів дуже важливим є механічна і електрична стійкість ізоляції – один із головних параметрів розрахунку роз’єднувачів.

В роз’єднувачах застосовують високі контактні натискання. Коли роз’єднувачі важкі, то для керування застосовують великі електродвигуни і пневматичні приводи. Найбільш розповсюджений, при струмах А ручний червячний привід. При малих струмах до 35 кВ можна керувати вручну ізоляційною штангою. При напругах до 20 кВ (для внутрішніх установок, на які не впливає атмосфера), розповсюджені роз’єднувачі рублячого типу (рис. 19.5).

Один із засобів забезпечення надійного прижиму контакту – це використання електро-динамічних сил, що виникають при проходженні вимикаючих струмів через рухомі і нерухомі контакти. При КЗ електро-динамічна сила прижимає шини (1) до контакту (2).

Застосовують, крім того, комбіновані контакти.

Для зовнішнього використання служать роз’єднувачі, що мають систему контактів таку саму, як і відокремлювачі (рис 19.4).

1 – ніж контактний

В останні роки на високовольтних підстанціях застосовують відокремлювачі і короткозамикачі замість вхідних вимикачів. Така заміна спрощує устаткування, одночасно не погрішуючи надійності роботи підстанції.

Автоматичне повторне вмикання вимикача (АПВ)

В більшості випадків коротке замикання носить тимчасовий характер.

Якщо ізоляція лишилася не пошкодженою, то при новому вмиканні вдається відновити подачу енергії. Відновлення подачі енергії вмиканням вимикача після певного короткого замикання називається автоматичне повторне вмикання вимикача (АПВ). Його застосування дозволяє підвищити надійність енергоспоживання. Час від моменту вимикання до моменту нового вмикання повинен бути достатньо малим, для того, щоб забезпечити неперервну роботу споживача. Одночасно цей час повинен бути достатнім для деіонізації пробитого проміжку після вимикання. Час деіонізіції 0.1 – 0.5 с., залежить від напруги сітки. Якщо до моменту АПВ коротке замикання не зникає і вимикач вмикається на існуюче коротке замикання, то після цього знову відбувається вимикання короткого замикання.

Номінальне значення струму вимикання залежить від циклу роботи вимикача. Є вимикачі без АПВ; є з одноразовим АПВ; є з двохразовим АПВ. Згідно ДСТа номінальний струм вимикача вимикається по наступних циклах:

Група А – цикл представляє собою наступне: вимикання – безструмова пауза (БП) – вмикання-вимикання – 180 с. (БП) – вмикання-вимикання.

Група Б – цикл: вимикання – 180 с. (БП) – вмикання-вимикання – 180 с. (БП) – вмикання-вимикання.

Операція безструмова пауза (БП) нормується, залежить від типу вимикача, складає 0.3 – 1.2 с.

Операція вмикання-вимикання – це операція вмикання і негайного вимикання.

180 с. – (БП) – безструмова пауза, що дорівню 180 с.

Масляні вимикачі

Конструкція реактора

Найбільш розповсюджені бетонні реактори. Котушки реакторів намотують із багатожильного дроту (рис 22.4). Вертикальні колони виготовлені із бетону (колони-стойки). Після затвердіння бетону реактор інтенсивно сушать у вакуумі і пропитують ізоляційним лаком. Сумарна товщина ізоляції (разом із Х/Б) ~ 1,5 мм. Дріт покривають папером. Товщина шару паперу 0.12 мм. Температура реактора 105 при тривалому режимі. Температура при короткому замиканні не вище 250 Бетонні реактори застосовують на напругах до 35 кВ. Крім бетонних реакторів на напруги вищі 35 кВ застосовують масляні реактори. Масло служить ізолюючим і охолоджуючим середовищем.

Розрядники

Розрядник – це електричний апарат, що служить для запобігання пробою ізоляції при перенапругах. Перенапруги виникають при комутаціях, а також при атмосферних розрядах, як їх наслідок. Вони можуть пробити ізоляцію, оскільки досягають величини в 6-8 раз більшої номінальної напруги.

Щоб запобігти пробою електроізоляції, вона повинна витримувати ці перенапруги. Однак при цьому габаритні розміри устаткування мали б бути надзвичайно великими. Щоб полегшити умови роботи ізоляції, перенапруги обмежують за допомогою розрядників, і ізоляцію устаткування вибирають по цьому обмеженому значенню перенапруги.

Перенапруги поділяють на:

1. внутрішні комутаційні;

2. зовнішні атмосферні.

Комутаційні характеризуються відносно низькою частотою (порядку 1 кГц) і тривалістю до 1с. Атмосферні характеризуються високою частотою, імпульсним характером і тривалістю порядку мкс. При імпульсному характері електрична міцність залежить від форми, амплітуди, тривалості імпульсу. Їх залежність від часу називається вольт-секундною характеристикою (рис. 22.5).

Для розрядника основним елементом є іскровий проміжок. Вольт-секундна характеристика розрядника повинна лежати нижче вольт-секундної характеристики об’єкту, який захищається. При появі перенапруги проміжок повинен пробиватися раніше, ніж ізоляція об’єкта, що захищається. Під час пробою через розрядник протікає імпульс струму, а лінія після пробою розрядника заземлюється через його опір.

Вольт-секундна характеристика розрядника повинна бути максимально пологою, а іскровий проміжок повинен мати гарантовану електричну міцність при промисловій частоті і при імпульсах. Напруга, що лишається на розряднику при протіканні імпульсу струму, називається залишковою. Вона не повинна досягати небезпечних для ізоляції значень. Чим менша ця напруга, тим кращий розрядник.

Розрядники є:

1. трубчасті (із повітряним проміжком всередині). Трубки виготовлені із вініпласта або фібри.

2. Вентильні. Основними елементами якого є вілітові кільця, робочі нелінійні резистори і іскрові проміжки. Іскрові проміжки знаходяться в фарфорових циліндрах. Основа віліта – карборунд SiC. Вілітові станційні розрядники розраховані на 10 кВ.

3. Магнітовентильні, розраховані на номінальні напруги 110 – 500 кВ. В таких розрядниках застосовують магніти, вони мають дугогасильну камеру, блоки нелінійних резисторів з ZnO, із високим коефіцієнтом нелінійності, в порівнянні із вілітом в 4 – 5 разів вищим. Тому їх дугогасильна і пропускна здатність іскрового проміжку є вищими.

Трансформатори струму

Електричні апарати

Вступ

В даному конспекті лекцій стисло розглядаються основи теорії, принципи роботи, конструкції вузлів апаратів та режими їх роботи і експлуатаційні характеристики, а також рекомендації по вибору електричних апаратів і розрахунку їх окремих вузлів. Конспект написано у відповідності до робочої програми курсу „Електричні апарати” для напрямку підготовки 6.0906 „Електротехніка” спеціальності 7.000008 „ Енергетичний менеджмент”, що розрахована на 48 год. Лекцій і 32 години лабораторного практикуму на протязі одного семестру. Автор намагався викласти матеріал таким чином, щоб при відносно невеликому об’ємі посібника акцентувати увагу на розумінні фізичних процесів і явищ, що відбуваються в електричних апаратах, та основах роботи найбільш широко вживаних електричних апаратів в номінальному режимі, режимі перевантаження та режимі короткого замикання.

Рекомендована література

1. А.А.Чунихин „Электрические аппараты», М. Энергоатомиздат 1988.

2. Буркевич.Г.В. Деттярь В.Г., Славинская А.Г. Задачник по электрическим аппаратам. М. Высшая школа, 1987.

3. Л.А.Родштейн «Электрические аппараты», Л. Энергоиздат., 1981.

4. Н.С.Таев «Электрические аппараты управления» М. Энергоатомиздат 1997; 1984 (В.Ш.).

5. «Проектирование электрических аппаратов» (под ред. Г.Н.Александрова). Л. Энергоиздат.1985.

6. Р.С.Кузнецов Аппараты распределения электрической энергии на напряжение до 1000В. М. Энергия 1970.

Призначення курсу. Основні вимоги до електричних апаратів