лекции по дисциплине

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ

для студентов 3 курса специальности 140603

ВВЕДЕНИЕ.

Латинское «apparatus» -техническое устройство, понятие многозначное и неопределенное.

Электрические аппараты (ЭА) – это электротехнические устройства, применяемые при использовании электрической энергии, начиная от ее производства, передачи, распределения и кончая потреблением.

В настоящее время под ЭА понимают электротехнические устройства управления потоками энергии и информации. Наибольшее распространение получили ЭА для управления потоками электрической энергии для изменения режимов работы, регулирования параметров, контроля и защиты электротехнических систем и их составляемых частей.

Функции таких ЭА осуществляются посредством коммутации (включение и отключение) электрических цепей с различной частотой.

Классификация ЭА.

Основной признак классификации ЭА – это напряжение. Различают:

• Аппараты низкого напряжения (до 1000 В);

• Аппараты высокого напряжения (свыше 1000 В).

Аппараты низкого напряжения (АНН) делят на следующие виды:

• Аппараты управления и защиты (автоматические выключатели, контакторы, реле, пускатели электродвигателей, переключатели, рубильники, предохранители, кнопки управления и другие аппараты, управляющие режимом работы оборудования и его защитой);

• Аппараты автоматического регулирования (стабилизаторы и регуляторы напряжения, тока, мощности и других параметров);

• Аппараты автоматики (реле, датчики, усилители, преобразователи и другие аппараты, осуществляющие функции контроля, усиления и преобразования электрических сигналов).

Аппараты высокого напряжения (АВН) работают в сетях с напряжением до 1150 кВ переменного тока и 750 кВ постоянного тока. К АВН относят следующие виды аппаратов:

• Выключатели высокого напряжения, обеспечивающие включение и отключение электрических цепей в различных режимах работы (КЗ, аварийных режимах);

• Токоограничивающие реакторы для ограничения токов КЗ;

• Шунтирующие реакторы для ограничивания токов перенапряжений и компенсации реактивной мощности;

• Ограничители перернапряжений (ОПН) на основе разрядников и элементов с нелинейной вольтамперной характеристикой;

• Разъединители и отделители для отключения цепи без тока при ремонте электрооборудования;

• Измерительные трансформаторы для высоковольтных цепей.

По конструктивному признаку различают:

• Электромеханические ЭА (с подвижными элементами);

• Электронные аппараты (статические);

• Гибридные ЭА

Функции ЭА

1. Включение и отключение электрических цепей;

2. Контроль и измерение параметров;

3. Защита от аварийных режимов работы;

4. Управление технологическими процессами;

5. Регулирование (поддержание на неизменном уровне или изменение по определенному закону) параметров;

6. Преобразование неэлектрических величин в электрические;

7. Создание магнитного поля с определенными параметрами и направлением

Историческая справка и перспективы развития ЭА.

В России термин «аппарат» распространен с 1879 г. электротехником П.Н. Яблочковым на следующие устройства: рубильники, переключатели, коммутаторы, реле, регуляторы.

При создании телефонного аппарата в 1820 году П.Л. Шиллинг применил впервые электромагнитное реле для управления информацией.

При разработке Электромеханических ЭА необходимо обеспечить работоспособность электрических контактов, гашения электрической дуги при размыкании. Большой вклад в развитие теории процессов на контактах и методов гашения электрической дуги внесли ученые: В.В. Петров, М.О. Доливо-Добровольский, А.Я. Буйлов, Г.Т. Третьяк, Г.В. Буткевич и др.

Теорией электромагнитного поля занимались ученые Р.Л. Аронов, Б.К. Буль, В.С. Кулебакина и др.

Первыми статическими аппаратами были дроссели насыщения, управляемые путем подмагничивания постоянным током (магнитные усилители). Наибольшее развитие эти работы получили в 50-60-е годы 20 века. При этом значительный вклад внесли отечественные ученые Е.Л. Львов, Р.А. Липман, Л.В. Шопен и др.

Начиная с 60-х годов с развитием полупроводниковых приборов (транзисторов, тиристоров) созданы различные виды быстродействующих реле, регуляторов, пускателей для АД. Однако, их развитие ограничивалось отсутствием электронной базы.

С 80-х годов новый этап в развитии силовой электроники, организованно производство силовых интегральных модулей. Появились новые виды силовых электронных аппаратов, управляющих качеством электроэнергии и коэффициентом мощности.

Однако, электронные ЭА не могут полностью заменить электроменические, так как уступают по ряду важных параметров. Наиболее эффективным является применение гибридных ЭА.

Общие технические требования к ЭА

1. Рабочая температура не должна превышать допустимого предельного значения;

2. ЭА должны обеспечивать необходимую перегрузочную способность (1,5…2) раза;

3. Сопротивление изоляции должно быть больше предельно допустимой величины;

4. Электрическая прочность изолятора относительно корпуса должно быть больше предельно допустимого;

5. Не должны создавать помех для нормальной работы других изделий.

Кроме того к ЭА предъявляют ряд специальных требований по параметрам, надежности, габаритам, массе, условиям эксплуатации.

Раздел 1. Основные физические процессы в электрических аппаратах.

Тема 1.1. Основы теории нагревания и охлаждения.

Источники теплоты в ЭА.

1. При протекании постоянного тока по проводнику

P₌=I²·R, где P – выделяемая мощность на нагрев проводника;

I – постоянный ток;

R – активное сопротивление.

, где  – удельное сопротивление материала проводника, которое зависит от температуры:

=₀(1+α), где ₀ – удельное сопротивление при начальной температуре;

 – температура нагрева (перегрев);

α – температурный коэффициент сопротивления.

При протекании переменного тока происходит явление неравномерного распределения плотности переменного тока по поперечному сечению одиночного проводника, которое называется поверхностным эффектом.

Эффект близости – явление неравномерного распределения плотности переменного тока, обусловленное влиянием друг на друга близко расположенных проводников с токами.

Поэтому при переменном токе происходит дополнительные полери мощности, которые учитывают коэффициентом поверхностного эффекта и коэффициентом близости.

К_п≥1 и коэффициент близости К_б≥1 или К_б<1. К_п и К_б зависят от формы и размеров проводника и от отношения

, где f – частота переменного тока;

R₁₀₀ – активное сопротивление постоянному току проводника определенной длины (100 м).

Коэффициент близости еще зависит от расстояния между проводниками.

P_~=K_п·K_б·P₌= K_п·K_б·I²R,

где P_~ и P₌ потери мощности при переменном и постоянном токе соответственно.

Для ферромагнитных материалов, K_п и K_б больше, чем у немагнитных материалов.

2. Потери на вихревые токи вызывают перегрев в магнитопроводе.

Вихревые токи возникают, когда переменный магнитный поток пронизывает ферромагнитные части аппарата.

Потери больше в сплошных замкнутых магнитопроводах, поэтому применяют листовые шихтованные сердечники.

3. В коммутационных аппаратах источником теплоты является электрическая дуга.

4. Перегрев от терния подвижных частей.

5. Диэлектрические потери также вызывают перегрев ЭА.

Способы распространения тепла в ЭА

1. Теплопроводность – распространение тепловой энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частей.

2. Тепловое излучение – распространение внутренней энергии тела посредством испускания электромагнитных волн.

3. Конвекция – распространение тепла при перемещении объемов жидкости или газов.

Для уменьшения мощности источников теплоты в ЭА.

1. Применяют материалы с малым удельным сопротивлением;

2. Для уменьшения поверхностного эффекта используют трубчатые проводники;

3. При наличии составных шин их располагают таким образом, чтобы снизить эффект близости и поверхностный эффект;

4. В конструкции нетоковедущих частей вместо ферромагнитных использовать неферромагнитные материалы, например: чугун, латунь, бронза;

5. В нетоковедущих ферромагнитных деталях на пути магнитного потока выполнены прорези;

6. Применяют короткозамкнутые витки на пути магнитного потока в феромагнитных деталях;

7. Уменьшение температурного нагрева за счет увеличения коэффициента теплоотдачи или применение охлаждающей окраски, вынужденного охлаждения, применение радиаторов и т.п.

Уравнение нагрева и охлаждения ЭА.

Все виды потерь преобразуются в теплоту, которая частично отдается в окружающую среду, а частично идет на нагревание ЭА. Условно считают, что нагрев происходит равномерно по всему объему, а теплота одинаково рассеивается по всей ее поверхности.

Уравнение теплового баланса: Q·dt = c·m·d + S·λ··dt

Q·dt – количество теплоты, выделенное за время dt;

c·m·d – количество теплоты, поглощенное частями ЭА и расходуемое на нагревание;

m – масса;

с – удельная теплоемкость материала;

 – превышение температуры ЭА над температурой окружающей среды (перегрев):  =_г - _х;

S·λ··dt – количество теплоты, рассеиваемой с поверхности в окружающее пространство;

S – площадь поверхности рассеяния;

λ – коэффициент теплового рассеяния.

1. В начальный период времени t = 0,  = 0.

S·λ··dt = 0, поэтому вся теплота идет на повышение температуры ЭА.

2. Затем количество теплоты, рассеиваемой в окружающее пространство, увеличивается.

3. ЭА настолько перегревается, что вся выделяющаяся при работе

Вся теплота будет рассеиваться в окружающем пространстве.

Q·dt = S·λ·_уст·dt

При этом повышение температуры ЭА прекращается: d = 0;  = _уст. Режим теплового равновесия.

Установившийся перегрев:

Уравнение нагревания: , (1)

где е – основание натурального логарифма (е≈2,718);

T= – – постоянная нагревания, показывающая то время, в течение которого данное тело нагрелось бы до наибольшей установившейся температуры, если бы не было рассеивания теплоты.

При охлаждении Q·dt = 0;

0 = c·m·d + S·λ··dt;

–c·m·d = S·λ··dt , т.е. излучение теплоты с поверхности будет происходить за счет накопленной теплоты.

Уравнение охлаждения: (2)

Допустимый уровень установившегося перегрева ограничивается классом нагревостойкости изоляции (Y,A,E,B,F,H,C)

Режимы нагрева ЭА.

• п родолжительный (S1), при котором температура нагрева аппарата достигает установившегося значения и аппарат при этом остается под нагрузкой длительное время.

• Прерывисто-продолжительный, при котором ЭА остается под нагрузкой при установившемся значении температуры ограниченное техническими условиями время.

• Кратковременный (S2), при котором в период нагрузки температура частей аппарата не достигает установившегося значения, а при отключении достигает температуры холодного состояния.

• П овторно-кратковременный (S3), при котором температура частей электрического аппарата во время нагрузки не достигает установившегося значения, а за время паузы не достигает температуры холодного состояния.

Относительная продолжительность включения

• Режим короткого замыкания – частный случай кратковременного режима работы, когда температура значительно превосходит установившееся значение температуры при нормальном режиме работы.

Термическая стойкость ЭА.

Термическая стойкость – это способность выдерживать без повреждений термическое воздействие токов заданной длительности.

Наиболее напряженным является режим к.з. Термическая стойкость в этом случае зависит не только от режима к.з., но и от температурного состояния аппарата.

Количественной характеристикой термической стойкости является ток термической стойкости, протекающий в течение некоторого времени.

В режиме к.з. токи по сравнению с номинальными возрастают в десятки раз, а мощность в сотни раз. К.з. – это аварийный режим работы, а поэтому время его воздействия ограничивается на минимально возможное (t≤0,1T, т.е. не превосходит время нагрева при адиабатном процессе). Температура ЭА может достигать значений, превосходящих допустимую в продолжительном режиме.

В ЭА приняты следующие значения максимальных температур:

• для неизолированных токоведущих частей из меди до 300ºС;

• алюминиевых частей – 200 ºС;

• токоведущих частей (кроме алюминия), соприкасающихся с изоляцией и маслом – до 250ºС.

Режим нагрева при к.з. адиабатный, поэтому теплоотдачей в окружающую среду можно пренебречь.

Адиабатный процесс – термодинамический процесс, при котором система не получает теплоты извне и не отдает ее. Быстропротекающие процессы можно рассматривать как адиабатные.