Предисловие

Ранее были изданы первая и вторая части комплекса учебно-методических материалов по дисциплине «Электрические аппараты» [19], [19]. В первую часть вошли пояснительная записка, рабочая учебная программа дисциплины и первая часть опорного конспекта лекций. Изложены материалы по следующим темам программы: общие сведения об электрических аппаратах, правила выполнения и анализа электрических схем, режимы работы электроприемников и электрической сети, основы теории электрических аппаратов. По основным темам приведены задания и варианты контрольных работ, методические указания по их выполнению, вопросы для проверки знаний. Приведено описание восьми лабораторных работ, в глоссарии дано описание более 50 основных терминов и понятий по дисциплине. В библиографический список включена основная учебная литература. Приложение содержит описания и технические характеристики основных электрических аппаратов, которые необходимы для выполнения контрольной работы.

Вторая часть опорного конспекта лекций раскрывает основные разделы темы «Электрические аппараты низкого напряжения в схемах электроснабжения», в части изучения аппаратов защиты от сверхтоков. Рассмотрены вопросы применения электрических аппаратов защиты от сверхтоков в электроустановках промышленных предприятий; жилых, общественных, административных и бытовых зданий: принцип действия, конструкция, технические характеристики и выбор электрических аппаратов для защиты электроприемников и электрических сетей напряжением до 1000 В от ненормальных режимов работы, а также защиты человека. Приведены контрольные задания.

В настоящей части изучаются вопросы применения различных электрических аппаратов в электрических сетях, электростанциях и системах электроснабжения промышленных предприятиях. Рассмотрены принцип действия аппаратов, конструкции и основные технические характеристики. Приводятся лабораторные и практические работы по дисциплине «Электрические и электронные аппараты», их описание, задания и методические указания по выполнению.

1. Анализ режимов работы электроприемников в цеховой электрической сети

В курсе «Электрические и электронные аппараты» по данной теме проводится лабораторная работа 1. В ходе работы студенты изучают: виды схем электроприемников, способы подключения электроприемников к электрической сети, методы электрического расчёта номинальных, нормальных и аварийных режимов; электрические схемы соединения фаз в однофазных и трёхфазных электроприемниках, физические основы влияния электрической нагрузки электроприемников на режим напряжения в точках подключения электроприемников схеме электроснабжения промышленного предприятия, административного и жилого здания.

1.1. Представление электроприемников и режимы работы сети

В схеме, приведенной на рис.1 источником электродвижущей силы (ЭДС) являются обмотки силового трансформатора. В работе не учитываются сопротивления обмоток трансформатора, поэтому в качестве ЭДС принимаются напряжения на выводах трансформатора: три фазных и три линейных напряжения, каждые сдвинуты друг относительно друга на 120 электрических градусов, линейные напряжения опережают соответствующие фазные напряжения на 30 градусов (U_AB опережает U_A). Более подробно см. Приложение 1 и [1].

Рис. 1.1. Принципиальная многолинейная схема, поясняющая принцип работы цеховой сети 0,4 кВ: Т- понижающий трансформатор (источник ЭДС); A,B,C – фазные проводники, N- нулевой рабочий проводник; PE – нулевой защитный проводник.

Большинство принципиальных схем электроприемников в цеховой сети можно представить в виде схем замещения, состоящих из полных сопротивлений Z, которые для однофазных ЭП подключены на фазное или линейное напряжение, а для трехфазных ЭП в треугольник, звезду, звезду с нулем (с выводом из нулевой точки электроприемника).

Рис. 1.2. Пояснения к фазным и линейным напряжениям цеховой сети 0,4 кВ: UAO, UBO, UCO -фазные напряжения, UAИ, UBC, UCA, - напряжения между линейными проводами или линейные напряжения

Номинальные режимы – к зажимам электроприёмников подведено номинальное напряжение U_ном. В этих случаях протекают номинальные токи, величина которых определяется по закону Ома для участка цепи, в соответствии с приложенным номинальным напряжением и сопротивления нагрузки :

(1.1)

Формула для расчета номинального тока едина, но для каждой схемы электроприемника необходимо анализировать и правильно подставлять в числитель соответствующую величину напряжения (номинальное фазное или номинальное линейное), а в знаменатель – соответствующее сопротивление нагрузки. Значения номинальных напряжений для источников, электрических сетей и приемников электрической энергии приведены в ГОСТ 21128-83: «Системы электроснабжения, сети, источники, преобразователи и приёмники электрической энергии. Номинальные напряжения до 1000 В» и сведены в табл.1.1.

Таблица 1.1

Номинальные напряжения на выходе систем электроснабжения, источников и преобразователей электрической энергии, номинальные напряжения сетей и на выводах непосредственно присоединяемых к ним приемников электрической энергии

	Номинальное напряжение, В
Вид тока	источников и преобразователей	систем электроснабжения, сетей и приемников
Постоянный	6; 12; 28,5; 48; 62; 115; 230, 460	6; 12; 27; 48; 60; 110, 220; 440
Переменный:
однофазный трехфазный	6; 12; 28,5; 42; 62; 115; 230 42, 62; 230, 400; 690	6; 12; 27; 40; 60; 110; 220 40; 60; 220; 380; 660

Нормальные режимы – все электроприёмники подключены по схемам, обеспечивающим нормальное функционирование ЭП в соответствии с ГОСТ 54149 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» (дата введения – 2013.01.01). По сети к ЭП протекают нормальные токи, величина которых определяется по закону Ома для участка цепи. Величина тока прямо пропорциональна величине приложенного фактического напряжения и сопротивления нагрузки ЭП . Ток также можно определить по закону Ома для всей цепи при известном напряжении идеального источника питания U и сопротивлении для всей цепи, состоящем из последовательно включенных сопротивлений проводников подводящей сети и нагрузки ЭП (сопротивления складываются алгебраически):

.

(1.2)

Формула для расчета тока едина, но для каждой схемы электроприемника необходимо анализировать и правильно подставлять в числитель соответствующую величину напряжения (фактическое фазное или фактическое линейное), а в знаменатель – алгебраическую сумму сопротивлений проводников сети и нагрузки. В настоящей лабораторной работе значение фактического напряжения на выходе идеального источника будет задано индивидуально для каждого студента. Для схем с однофазными ЭП суммарное сопротивление подводящей сети будет состоять из последовательно включенных сопротивлений прямого и обратного проводников. В схемах замещения их, как правило, объединяют и располагают до сопротивления нагрузки ЭП. Для упрощенного расчета сопротивления прямого и обратного проводников принимаются равными друг другу, поэтому суммарное сопротивление будет равно удвоенному сопротивлению одного из проводников. Для схем с симметричными трехфазными ЭП суммарное сопротивление подводящей сети будет состоять из одного сопротивлений фазных проводников, схема замещения изображается для одной фазы.

Рис. 1.3. К понятию номинального и нормального режима для однофазного электроприемника, подключенного на линейное напряжение: UНОМ –номинальное напряжение, U –фактическое напряжение

Аварийные режимы возникают при коротком замыкании, витковых замыканиях и обрывах.

Коротким называется такое замыкание, когда электроприёмник шунтируется накоротко (замыкается накоротко). Разность потенциалов на зажимах ЭП становится равной нулю и ток по нему не идет. В этом случае ток короткого замыкания в электрической цепи I_К ограничивается только сопротивлением проводников подводящей сети.

.

(1.3)

При однофазном замыкании на корпус ЭП ток протекает под действием фазного напряжения и ограничен только суммарным сопротивление Z_ПС, которое состоит из двух последовательно включенных сопротивлений фазного и нулевого проводников. Для двухфазного короткого замыкания суммарное сопротивление Z_ПС состоит из двух последовательно включенных сопротивлений фазных проводников, но ток протекает под действием линейного напряжения, которое больше (выше) фазного напряжения, поэтому и ток двухфазного к.з. в корень квадратный из трех больше чем однофазный ток к.з. При симметричных трехфазных замыканиях ток протекает по каждому фазному проводнику под действием фазного напряжения, поэтому в два раза больше чем ток замыканиях на корпус и в 1,1547 раз ) больше тока двухфазного замыкания.

Витковое замыкание – это замыкание, исключающее из схемы часть сопротивления нагрузки, например, половину, что также увеличивает ток в электрической цепи.

Обрывы - это потеря целостности проводника.

При обрывах в цепях электродвигателей ток в цепях, оставшихся в работе, увеличивается, так как для создания достаточного механического момента за счет электромагнитного поля меньшим количеством обмоток требуется большее значение тока, в этом случае снижается индуктивное сопротивление обмоток. При соединении обмоток двигателя в звезду ток в цепи протекает под действием линейного напряжения и будет ограничен двумя сопротивлениями подводящей сети и двумя последовательно включенными сопротивлениями обмоток двигателя.

Аварийный режим, как правило, сопровождается увеличением тока по сравнению с нормальным режимом. Увеличение тока приводит:

- к повышенному нагреву проводников (согласно закону Джоуля-Ленца). Под действием этого нагрева происходит разрушение изоляции.

- к возникновению больших электродинамических усилий (ЭДУ), под действием которых возможно разрушение электрических аппаратов и сетей.

Поэтому электроприёмники и проводники электрической сети требуют защиты от токов при аварийных режимах. Защита осуществляется за счет быстрого отключения поврежденного участка от источника питания. Наиболее часто она выполняется автоматическими выключателями и предохранителями.

Обрывы ведут к незначительному увеличению тока, и отключение допускается производить спустя некоторое время. Этот вид защиты возможно реализовать с помощью тепловых реле в комбинации с контактором – в магнитных пускателях. Технологическая перегрузка механизма электроприемника также приводит к увеличению тока, который требуется отключить с выдержкой времени при помощи магнитного пускателя.

Замыкания на корпус всегда должны отключаться мгновенно при помощи автоматических выключателей, предохранителей и устройств защитного отключения. Это связано с тем, что с корпусом соприкасается человек (персонал), который оказывается под напряжением. Под действием приложенного напряжения по человеку будет протекать ток в соответствии с законом Ома для всей цепи, который при определенной длительности протекания будет смертельным для человека. Данная защита наиболее эффективно обеспечивается выключателями, управляемыми дифференциальным током - устройствами защитного отключения (УЗО).

Все перечисленные аппараты; предохранители, автоматические выключатели, магнитные пускатели, УЗО будут изучаться в последующих лабораторных работах.