2. Основы электротехники.

2.1.Что называется напряжением и электрическим током?

Направленное движение потока свободных электронов вдоль металлического проводника называется электрическим током проводимости.

Разность потенциалов между точками в электрическом поле есть электрическое напряжение, иначе это отношение работы, которую совершают электрические силы при перемещении заряда из одной точки в другую точку, к этому заряду. Разность потенциалов получила название вольт(В). Один вольт есть такая разность потенциалов (или такое напряжение) между двумя точками, при которой перемещение между этими точками положительного заряда, равного одному кулону, сопровождается совершением над ним силами электрического поля работы, равной одному джоулю: 1В=1Дж1Кл. Ранее Вольт – есть напряжение между концами провода с сопротивлением в один Ом при протекании по нему тока в один Ампер.

Разность потенциалов между любыми точками проводника равна нулю.[56].

2. В чем заключается суть закона Кулона?

Закон Кулона аналогичен по форме закону всемирному тяготения. При этом роль масс играют электрические заряды. Сила взаимодействия двух точечных зарядов направлено вдоль прямой линии, соединяющей заряды, прямо пропорциональны произведению обоих зарядов и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними:

F = k

В таком виде закон Кулона выражает силу взаимодействия между двумя точечными зарядами в вакууме. Если пространство между зарядами заполнено каким либо диэлектриком, то в формуле появляется еще величина, зависящая от природы диэлектрика.

Единицей заряда служит кулон (Кл). Эта единица является производной. Основной единицей в СИ является единица силы тока ампер (А). Заряд равный одному кулону , определяют как заряд, проходящий за одну секунду через поперечное сечение проводника, по которому течет постоянный ток силы один ампер. В соответствии с этим кулон называют так же ампер-секундой (Ас).[56].

2.3. Что называется электрическим полем ?

Понятие электрическое поле обозначается пространство, в котором проявляются действия электрического заряда. Разноименно заряженные тела притягиваются друг к другу, одноименно заряженные – отталкиваются. Взаимодействие зарядов объясняется тем, что каждый из них неразрывно связан с окружающим его электрическим полем. Таким образом, взаимодействие зарядов происходит при посредстве электрического поля. Электрическое поле есть самостоятельная физическая реальность, не сводящаяся ни к тепловым, ни к механическим явлениям. Электрическое поле обладает энергией – электрической энергией.

Если в проводнике возникло электрическое поле, то свободные заряды проводника придут в движение под действием этого поля ,т.е. через проводник будет идти электрический ток, но не длительно. После некоторых перемещений приходит равновесие зарядов. Таким образом, при равновесии зарядов напряженность электрического поля в проводнике равна нулю, т.е. электрическое поле в проводнике отсутствует. Линии электрического поля не пересекаются и нигде не обрываются, кроме как на зарядах. Внутри проводников нет линий электрического поля. Линии электрического поля направлены перпендикулярно к поверхности проводника.[56].

2.4. Что называется магнитным полем ?

В пространстве, окружающем электрический ток, возникают магнитные силы, т.е. создается магнитное поле. Магнитное поле, так же как и электрическое поле, является одной из сторон электромагнитного поля и представляет собой один из видов материи. Вокруг всякого тока возникает магнитное поле. Оно не зависит ни от каких специальных свойств того или иного проводника и определяется лишь силой и направлением тока. Эта связь устанавливается правилом буравчика: если поступательное движение буравчика совпадает с напрвлением тока, то напрывление вращения рукоятки буравчика укажет направление магнитных линий.[56].

2.5. Что называется электрической емкостью?

Емкость конденсатора есть отношение заряда конденсатора к той разности потенциалов, которую этот заряд сообщает конденсатору

С =

где q- заряд конденсатора, Кл;

С- емкость конденсатора, Ф;

U- напряжение, В.

В СИ единица емкости носит название фарада(Ф).Емкостью, равной одному фараду, обладает такой конденсатор, между пластинами которого возникает разность потенциалов, равная одному вольту, при заряде на каждой из пластин, равном одному Кулону: 1Ф = 1Кл 1В[56].

2.6. Пояснить термин намагничивающая сила.

Магнитная индукция поля внутри катушки во всех точках этой линии одинакова и направлена вдоль оси катушки. Вне катушки магнитного поля нет. Магнитное поле данной интенсивности можно получить при относительно малом числе витков, но большом токе, или при малом токе но относительно большом числе витков. Произведение тока на число витков называется намагничивающая сила или ампер-витки: I N

где- I ток, N - число витков.[19].

2.7. Пояснить понятие активное и омическое сопротивление. Как правильно назвать закон Ома ?

Часто закон Ома называют как : величина тока в каждом данном участке электрической цепи равна напряжению между концами этого участка, деленному на его сопртивлени. Это не верно. Правильно: сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на его зажимах и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

I =

где I – величина (сила) тока, А;

U – напряжение, В;

R – сопротивление, Ом.

Отношение активной мощности цепи к квадрату действующего тока, называется активным электрическим сопротивлением :

R =

где: Р- активная мощность цепи;

J- ток в цепи;

R- электрическое сопротивление.

В цепи переменного тока электрическое сопротивление называется активным , а в цепи постоянного тока омическим. Электрическое сопротивление постоянному току равно отношению постоянного напряжения на участке цепи к постоянному току в нем при отсутствии на участке ЭДС В одной и той же цепи часто активное сопротивление существенно отличается от омического (обычно оно больше) за счет поверхностного эффекта при переменном токе.[19].

2.8. Какой прибор называется резистором?

Прибор, включаемый в электрическую цепь для ограничения силы тока или ее регулирования, называется резистором (в переводе с английского – сопротивление).В зависимости от характера изменения сопротивления при протекании электрического тока и внешних воздействующих факторов резисторы делятся на линейные и нелинейные. Под словом «резисторы» традиционно подразумевают резисторы с линейной вольт-амперной характеристикой. К нелинейным резисторам относят: терморезисторы, варисторы и магниторезисторы.[19].

2.9. Что называется реактивным сопротивлением?

Сопротивление называется реактивным Х, если энергия, выделяемая на нем в одну часть периода, вновь полностью возвращается в цепь другую часть периода. Реактивные сопротивления делятся на индуктивные Х_L и емкостные Х_C.[19].

2.10. Назвать определение сопротивление в один Ом.

В СИ единицей сопротивления в один Ом является сопротивление такого проводника, по которому протекает ток, равный одному амперу, если на концах его поддерживать напряжение, равное одному вольту. Эта единица сопротивления называется ом(Ом).[56].

2.11. В чем отличие линейных и нелинейных сопротивлений?

Линейные сопротивления не изменяют своей величины при изменении силы протекающего через них тока или при изменении величины приложенного напряжения, т.е. характеризуются линейной зависимостью между силой тока и напряжением.

Нелинейные сопротивления изменяют свою величину при изменении силы протекающего через них тока или приложенного напряжения. Что бы иметь полное представление о таком сопротивлении, необходимо знать его значение при различных силе тока или напряжении.[19].

2.12. Как изменяется ЭДС и ток аккумулятора при его заряде и разряде?

ЭДС аккумулятора Е при заряде сохраняет то же направление, что и при разряде; ток же в аккумуляторе изменяет свое направление на обратное, т.к. он определяется не направлением э.д.с. аккумулятора, а э.д.с. внешнего источника питания. ЭДС аккумулятора при разряде направлена против тока и поэтому называется противо э.д.с.[19].

2.13. Как распределяется нагрузка при параллельном включении аккумуляторов?

При параллельном соединении источников энергии – источники с относительно большой э.д.с. и меньшим внутренним сопротивлением имеют больший ток, т.е. принимают на себя большую нагрузку. Если э.д.с. и внутреннее сопротивление источников одинаковы, нагрузка между ними распределяется поровну.[19].

2.14. Изменится ли электрическая прочность воздушного конденсатора если внести стекло в воздушный промежуток?

При внесении в воздушный промежуток конденсатора стекло запас электрической прочности конденсатора уменьшится, несмотря на то, что электрическая прочность стекла сама по себе больше, чем воздух.[19].

2.15. В чем отличие линий напряженности электростатического поля от линий индукции магнитного поля?

В отличие от линий напряженности электростатического поля, которые начинаются на положительных, а оканчиваются на отрицательных заряженных телах или уходят в бесконечность; линии индукции магнитного поля всегда замкнуты на себя, т.е. не имеют ни начала ,ни конца.[19].

2.16. Что такое гистерезис?

Размагничивание сердечника как бы запаздывает по сравнению с уменьшением напряженности поля. Это явление называют магнитным гистерезисом. Петля гистерезиса представляет собой кривую намагничивания ферромагнетиков. Если первоначально ненамагниченное вещество намагнитить до насыщения (начальная кривая), а затем уменьшать и потом снова увеличивать напряженнсть магнитного поля, то изменение индукции не будет следовать начальной кривой: каждому значению напряженности магнитного поля соответствуют два значения магнитной индукции в зависимости от того, увеличивается или уменьшается напряженность поля.[19].

2.17. Затрачивается ли энергия при перемагничивании?

При циклическом перемагничивании с определенной частотой ферромагнитное вещество нагревается, что свидетельствует о затрате энергии на перемагничивание.[19].

2.18. Как получить катушку без индуктивности?

Если требуется получить катушку без индуктивности, можно применить бифилярную намотку, которая выполняется проводом, сложенным вдвое. Бифилярная обмотка выполняется в два провода, тем самым уменьшается реактивное сопротивление катушки. Бифилярная намотка, обеспечивает компенсацию намагничивающих сил двух смежных витков, вследствие чего индуктивность катушки становится ничтожной. Такие обмотки используются в катушках сопротивления как мера электрического сопротивления.[19].

2.19.Для чего в устройстве изоляции применяются материалы различных диэлектриков ?

Скачкообразное изменение напряженности поля на границе раздела двух диэлектриков, имеющих разные диэлектрические проницаемости, физически объясняются тем, что вследствие разной поляризованности диэлектриков на границе образуется избыточный связанный заряд плотностью:

_сри

где- Р – вектор поляризованности;

Это приводит к усилению поля в одном диэлектрике и ослаблению в другом. Устройство изоляции из нескольких слоев различных диэлектриков в неравномерном электрическом поле позволяет в определенной мере выравнить напряженность электрического поля и тем создать более благоприятные условия для работы изоляции и сократить ее размеры.[19].

2.20. Как определить ток двух фазного КЗ ?

При двух фазном КЗ токи КЗ определяются по выражению:

I_k ⁽²⁾= 0,865I_k⁽³⁾

где – 0,865 – коэффициент, показывающий что значение тока при двух фазном КЗ меньше, чем при трех фазном КЗ.[19].

2.21. Как изменится магнитный поток, при втягивании стального сердечника внутрь катушки с током ?

При втягивании стального сердечника внутрь катушки с током, магнитный поток катушки увеличивается, т.к. добавляется действие контуров тока внутри стального сердечника, которые образуются внутриатомным и внутримолекулярным движением заряженных частиц. Если перемещение сердечника ничем не ограничено то он втягивается до тех пор, пока не увеличится до максимальной величины для этой системы.

Магнитный поток на границе двух сред не изменяется. Практически можно считать, что линии магнитной индукции в воздухе у границы со сталью (или др.) перпендикулярны поверхности раздела.

Магнитное сопротивление воздушного зазора в 10 раз больше сопротивления стального сердечника. Поэтому если без воздушного зазора обойтись нельзя, следует по возможности его сократить.[19].

2.22. В чем заключается физический смысл закона Ленца ?

ЭДС самоиндукции противодействует изменению тока, т.е. при увеличении тока препятствует его росту, а при уменьшении задерживает его падение. Если изменение тока в катушке является следствием изменения приложенного к ней напряжения, то э.д.с. самоиндукции направлена против приложенного напряжения, когда ток растет и совпадает по направлению с напряжением, тогда ток уменьшается. При постоянном токе э.д.с. самоиндукции в катушке не возникает. Поэтому индуктивное сопротивление равно нулю. Ток определяется приложенным напряжением и активным сопротивлением.[19].

2.23. Что называется напряжением смещения нейтрали и почему в нулевом проводе не устанавливаются предохранители ?

При наличии сопротивления в нулевом проводе нулевая точка приемника на топографической диаграмме не совпадает с нулевой точкой источника. Поэтому напряжение между нейтралями источника и приемника называют напряжением смещения нейтрали.

Смещение нейтрали – отличие потенциала нейтрали системы электроснабжения от потенциала земли или корпуса электротехнического оборудования. Напряжение смещения нейтрали – напряжение, между реальной или искусственной нейтралью и землей или корпусом электротехнического оборудования.

Вследствие смещения нейтрали напряжение на фазах приемника оказывается неодинаковыми, несмотря на симметрию фазных напряжений источника.

Нулевой провод является уравнительным. Потенциалы нейтрали источника и приемника с помощью этого провода принудительно уравнены, а поэтому звезда векторов фазных напряжений приемника точно совпадает со звездой фазных напряжений источника.

При симметричной нагрузке обрыв нулевого провода вызывает значительное изменение токов и фазных напряжений, что в большинстве случаев недопустимо. Поэтому в нулевой провод предохранители не устанавливаются.[19].

2.24. Что называют фазой и сдвигом фаз ?

Угол, характеризующий определенную стадию периодически изменяющегося параметра (в частном случае напряжения) называют фазным углом или просто фазой. На практике под фазой трехфазной системы понимают так же отдельный участок трехфазной цепи по которому проходит один и тот же ток, сдвинутый относительно двух других по фазе. Исходя из этого, фазой называют обмотку генератора, трансформатора, двигателя, провод трехфазной ЛЭП, чтобы подчеркнуть принадлежность их к определенному участку трехфазной цепи. Фазы именуют прописными буквами А, В, С или в соответствии с ПУЭ фаза А окрашивается в желтый цвет, фаза В – в зеленый и фаза С – в красный. Поэтому фазы часто называют Ж, З, К. Таким образом, в зависимости от рассматриваемого вопроса фаза – это либо угол, характеризующий состояние синусоидально изменяющейся величины в каждый момент времени, либо участок трехфазной цепи, т.е. однофазная цепь, входящая в состав трехфазной.

Трехфазные системы напряжений и токи могут отличаться друг от друга порядком следования фаз. Если фазы (например сети) следуют друг за другом в порядке А,В,С это так называемый прямой порядок следования фаз.[55].

2.25. В чем отличие понятий порядок следования фаз и чередование фаз?

Порядок, в котором, ЭДС трех фаз (например, в фазных обмотках генератора) непрерывно проходит через одни и те же значения (например, через положительные амплитудные значения), называют порядком следования фаз, А,В,С – это так называемый прямой порядок следования фаз. А, С, В – это обратный порядок следования фаз. Иногда вместо термина «порядок следования фаз» говорят «порядок чередования фаз». Во избежание путаницы условимся применять термин «чередование фаз» только в том случае, когда это связано с понятием фазы, как участка трехфазной цепи.

Под чередованием фаз понимают очередность, в котором фазы трехфазной цепи (отдельные провода линий, обмотки и выводы электрической машины и т.д.) расположены в пространстве, если обход их каждый раз начинать из одного и того же пункта (точки) и производить в одном и том же направлении, например сверху вниз, по часовой стрелке и т.д.

На основании такого определения говорят о чередовании обозначений выводов электрических машин и трансформаторов, расцветки проводов и сборных шин. В ряде случаев порядок чередования фаз строго регламентирован. ПУЭ предусматривают для закрытых РУ следующий порядок чередования окрашенных сборных шин при их вертикальном расположении: верхняя шина – желтая, средняя – зеленая, нижняя – красная. При расположении шин горизонтально наиболее удаленная шина окрашивается в желтый цвет, а ближняя – в красный.

На открытых ПС чередование окраски СШ ориентируют по силовым трансформаторам. Ближайшая к ним фаза шин окрашивается в желтый цвет, средняя – в зеленой, отдаленная – в красный.[55].

2.26. Что называется феррорезонансом ?

В цепях, содержащих катушку со стальным сердечником и конденсаторов, резонансные явления, связанные с нелинейным характером индуктивности, называют феррорезонансным. Скачкообразное изменение тока сопровождается изменением на 180 фазы тока по отношению к напряжению (опрокидывание фаз).

После точки резонанса т.е. при напряжениях источника, больших напряжения опрокидывания фаз, напряжение на катушке изменяется мало, что связано с переходом по характеристики намагничивания в область магнитного насыщения. Это используется в практике для стабилизации напряжения.

Таким образом, в последовательной феррорезонансной цепи может возникнуть явление резкого изменения тока при небольшом изменении напряжения на входе цепи, а так же при изменении значения емкости или параметров катушки со стальным сердечником. На подстанциях напряжением 220кВ и выше при оперативных переключениях могут образоваться различные последовательные или последовательно-параллельные схемы соединения индуктивности трансформатора напряжения серии НКФ и активного сопротивления его обмоток с емкостью шин и конденсаторов, шунтирующих контактные разрывы воздушных выключателей. В зависимости от соотношений между реактивными элементами в контуре могут возникнуть опасные феррорезонансные явления, при этом на шинах могут появиться повышенные напряжения, а по обмотке ВН трансформатора напряжения серии НКФ будут проходить недопустимые токи, что приводит к их повреждению.

Феррорезонанс токов возникает в схеме, образованной двумя параллельными реактивными сопротивлениями Х_L – индуктивным сопротивлением высоковольтной обмотки ТН(НТМИ) и Х _с –емкостным сопротивлением ЛЭП. В процессе эксплуатации при однофазных замыканиях наиболее часто высоковольтные обмотки ТН контроля изоляции (ТНКИ) оказываются под напряжением U _ф при металлическом замыкании и 22,2 U_ф при регулярно перемежающейся дуге. Cлучаи приложения напряжения более 2,2 Uф на ВЛ редки. Неблагополучным последствием, которой сопутствует феррорезонансному процессу в нормальном режиме является, как правило при включении силовых трансформаторов на напряжение 6-10кВ. Этот режим характеризуется недопустимыми повышениями фазных напряжений низковольтной обмотки и напряжения на выводах разомкнутого треугольника ТНКИ. Увеличение напряжений на низкой стороне ТН не является следствием перенапряжений в электрической сети 6-10кВ, а происходит за счет прохождения токов феррорезонанса в высоковольтных обмотках ТНКИ. Одним из способов понижения напряжений является включение резистора 25 Ом в обмотку разомкнутого треугольника 3Uо ТНКИ.

Феррорезонанс на ВЛ 10кВ возникает при длине от 40 до 60 км. Это хорошо подтверждают данные эксплуатации ТНКИ. Феррорезонанс в сети 6-10 кВ с изолированной нейтралью часто возникает при перегорании предохранителей, а также при обрывах проводов ВЛ с падением их на землю. Лишенные симметричного трехфазного питания потребительские трансформаторы 6-10 кВ во взаимодействии с емкостями остальной сети переходят в режим феррорезонансного преобразователя однофазного напряжения в трехфазное. Если чередование фаз во вновь образованной системе изменится на обратное, напряжение на одной из фаз сети может достичь трехкратного значения.

Условия возникновения феррорезонанса для КЛ возможны при длине 3-4 км. Повреждение ТНКИ в городских сетях (где длина кабелей превышает 3-4 км) как правило не имеют места. Условия феррорезонанса исключены, а дуговые замыкания практически мгновенно переходят в КЗ между фазами.

Условие резонанса: Х_L= Х_С

где –Х_L =2 L Ом Х_{с } Ом , здесь L- индуктивность Гн, С- емкость мкФ, ƒ- частота Гц.

При резонансе ток определяется только напряжением и активным сопротивлением.

2.27. В каких режимах рассчитываются эквивалентные сопротивления ?

Эквивалентная индуктивность любой схемы рассчитывается из опыта КЗ, а эквивалентная емкость из опыта ХХ относительно точки коммутации.[19].

2.28. Изменятся ли потери электроэнергии при изменении соs?

. При увеличении соs  0,76 до 0,96 потери энергии уменьшаются в 1,21 раза. Сечение проводов (жил) ЛЭП необходимо увеличивать при пониженном соs. Например, для трехфазной КЛ [35]:

соs 1 0,8 0,6 0,4

сечение, мм ² 50 70 95 185

2.29. В чем отличие понятий потеря напряжения и падение напряжения?

Условились называть потерей напряжения алгебраическую разность фазных напряжений в начале и конце линии. Потеря напряжения зависит от параметров сети, а также от активной и реактивной составляющих тока или мощности нагрузки. При расчете величины потери напряжений в сети активное сопротивление необходимо учитывать всегда, а индуктивным сопротивлением можно пренебречь в осветительных сетях и в сетях, выполненных сечениями проводов до 6 мм ² и кабелей до 35 мм ².

Потеря напряжения зависит от величины нагрузки и ее коэффициента мощности.

Падение напряжения – это геометрическая разность между векторами напряжений в начале и конце элемента сети.[19].

2.30. Какое направление имеет постоянный электрический ток?

За направление тока условно принимается то направление, в котором двигались бы под действием разности потенциалов положительные заряды, т.е. во внешней цепи генератора ток направлен от положительного его полюса к отрицательному. Но это вовсе не означает, что всегда и во всех проводниках движутся именно положительные заряды. Напротив, в одних случаях в проводнике фактически движутся только отрицательные заряды, в других же имеет место движение зарядов обоих знаков в противоположных направлениях. В частности в металлах могут перемещаться только электроны, несущие отрицательный заряд. При замыкании элемента металлической проволокой электрическое поле движет электроны в сторону возрастания потенциала, т.е. от отрицательного полюса к положительному. Мы видим ,что за направление тока принято направление, противоположное движению электронов. Следует признать такое определение направление тока довольно неудачным. Оно было сделано в те времена, когда представление об электронах и их свойствах еще не было введено и природа носителей заряда в металлах была еще неизвестна.[56].

2.31. Чему равны токи и напряжения при различных видах КЗ?