Пособие Теория электрических аппаратов

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральноегосударственноебюджетноеобразовательноеучреждение высшегопрофессиональногообразования

«Магнитогорский государственныйтехнический университет им. Г.И. Носова»

Институт энергетики и автоматизированных систем Кафедра электроснабжения промышленных предприятий

А.А. Николаев Н.Т. Патшин Ю.Н. Кондрашова И.Р. Абдулвелеев

«ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ»

Утверждено редакционно-издательским советом института энергетики

и автоматизированных систем в качестве учебного пособия

Магнитогорск

2015

УДК 621.31 (075) ББК 31.264я7 П 209

Рецензенты:

Рецензенты:

Проректор по учебной работе, председатель научнометодического совета ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет),профессор, доктор технических наук

А.А.Радионов

Начальник цеха электрических сетей и подстанций ОАО «ММК», кандидат технических наук

Н.А. Николаев

Николаев А.А., Патшин Н.Т., Кондрашова Ю.Н., Абдулвелеев И.Р.

Учебное пособие «Основы теории электрических аппаратов»: учебное пособие для студентов направления 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника», профили подготовки «Электроснабжение» и «Электропривод и автоматика». Магнитогорск: ФГБОУ ВПО «МГТУ». 2015. 118 с.

ISBN 000-0-0000-0000-0

В учебном пособии приведены основные теоретические сведения об динамических усилиях, нагреве, магнитных системах электрических аппаратов, их конструкции и классификации. Предназначено для студентов направления 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника», профили подготовки «Электроснабжение» и «Электропривод и автоматика».

УДК 621.31 (075) ББК 31.264я7

© ФГБОУ ВПО «МГТУ», 2015 г. © А.А. Николаев,

Н.Т. Патшин, Ю.Н. Конрашова,

И.Р. Абдулвелеев, 2015 г.

2

ВВЕДЕНИЕ

При выполнении лабораторного практикума по дисциплине «Электрические аппараты» и их защите одним из основных источников для подготовки и получения теоретической базы является разработанное учебное пособие «Основы теории электрических аппаратов». Основными разделами пособия являются электродинамические усилия, магнитные системы, нагрев электрических аппаратов, их конструкция, электрическая дуга, контактная система электрических аппаратов. Знакомство студентов с классификацией электрических аппаратов по области применения, роду тока и.т.д. Авторы раскрывают взаимодействие с магнитными полями токоведущих частей аппарата с другими с учетом различных конфигураций в зависимости от рода тока.

Одним из важных вопросов надежной работы электрооборудования является повышение температуры и нагрев проводников в различных режимах: продолжительном, повторно-кратковременном, кратковременном режимах. При этом происходит старение изоляции проводников и сокращается срок их службы, а также уменьшается механическая прочность токоведущих частей при возникновении короткого замыкания, что может привести к механическому разрушению элементов аппарата.

Помимо этого представлены современные типы конструкции контактных систем: рычажные и мостиковые контакты, врубные и кольцевые контакты, стыковые и герметичные контакты, жидкометаллические, которые используются в коммутационных аппаратах и дана сравнительная характеристика используемых для их изготовления материалов (алюминия, меди, серебра ,платины, вольфрама, металлокерамики). Дана подробная характеристика и способы гашения электрической дуги, а также построение вольт-амперной характериски дуги.

Данное учебное пособие дает не только общее представление об электрических аппаратах, но и рассматривает физические процессы и явления, которые происходят в эксплуатационных и аварийных режимах при работе электрических аппаратов на переменном и постоянном токе.

Особенно важными теоретическими сведениями, которыми должен владеть студент электротехнической специальности является петля гистерезиса, получение статических и динамических вольт-амперные характеристик дуги, владеть знаниями об особенностях отключения дуги переменного тока, о магнитных цепях переменного и постоянного тока, о принципе работы короткозамкнутого витка в электромагнитах и области применения, а также знать параметры, влияющие на ускорение и замедление срабатывания электромагнитов. Полученные теоретические сведения и практические навыки будут использоваться в процессе дальнейшего обучения при изучении специальных дисциплин.

3

1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАЗНАЧЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Электрический аппарат - это электротехническое устройство, предназначенное для включения и выключения электрических цепей, измерения и контроля электрических и неэлектрических параметров различных устройств и механизмов, защиты и управления установок передачи, преобразования и распределения электроэнергии. Таким образом, аппараты включают в себя широкий круг всевозможных устройств, применяемых в быту, промышленности и энергетике.

При изучении данного курса главным образом будут рассматриваться устройство, принципы работы и технические характеристики аппаратов, которые применяются в системах электроснабжения промышленных предприятий и в электроприводе.

1.1. Классификация электрических аппаратов

По назначению электрические аппараты делятся на:

1.Коммутационные аппараты, которые предназначены для включения и отключения электрических цепей. Главной особенностью таких аппаратов является наличие контактов, рассчитанных на определенную силу. К ним относят: выключатели, разъединители, отделители, короткозамыкатели, рубильники и т.д.

2.Ограничивающие аппараты, предназначенные для ограничения токов короткого замыкания и перенапряжений в электрических сетях. К ним относятся реакторы и разрядники. Особенность этих аппаратов - это наличие элементов, сглаживающих переходные процессы при коротком замыкании и перенапряжении (индуктивность и искровой промежуток).

3.Защитные аппараты, которые используются для защиты электрооборудования и кабельных линий от протекания через них токов коротких замыканий (КЗ). К ним относят предохранители и автоматические выключатели.

4.Пускорегулирующие аппараты, которые используются для управления электродвигателями. К ним относят: магнитные пускатели, командоконтроллеры и добавочные резисторы.

5.Контролирующие аппараты, предназначенные для контроля значений электрических и неэлектрических величин. К ним относят датчики

иреле. Особенностью таких аппаратов является наличие функциональной зависимости между входными и выходными величинами. Для реле характерно плавное изменение входной величины, которое вызывает скачкообразное изменение выходного сигнала поступающего в систему автоматики. В датчиках выходная величина, как правило, находятся в пропорциональной зависимости с входной величиной.

Характеристика датчика предполагает функциональную зависимость, представленную на рис.1.1.

4

Характеристика реле имеет следующую особенность: реле включается при воздействии одной величины (значение срабатывания), а отключается уже при воздействии другой (значение возврата). Характеристика показана на рис. 1.2.

6.Измерительные аппараты, предназначенные для преобразования токов и напряжений большой величины в значения удобные для измерения, а также для гальванической развязке силовой электрической цепи от цепей управления и защиты. Примеры таких электрических аппаратов: трансформаторы напряжения и тока, делители напряжения (резистивные

иемкостные), измерительные шунты.

7.Электрические регуляторы, предназначенные для регулирования заданного параметра по определенному закону. К ним относят: регуляторы напряжения, регуляторы температуры, регуляторы частоты и т.д.

По принципу действия электрические аппараты делятся на:

1.Электрические аппараты, работа которых основана на электромагнитных процессах. К ним относят: электромагнитные реле, магнитные пускатели, трансформаторы тока и напряжения.

2.Электрические аппараты, работа которых основана на взаимодействии тока и магнитного поля. Примеры таких электрических аппаратов: индукционные, магнитоэлектрические, электродинамические и ферродинамические реле.

3.Электрические аппараты, использующие тепловые явления. К ним относят: тепловые реле.

4.Электрически аппараты с нелинейными элементами. К ним относят: разрядники, нелинейные ограничители перенапряжения, магнитные усилители.

По уровню напряжения электрические аппараты разделяют на:

5

1.Электрические аппараты до 1000 Вольт.

2.Электрические аппараты свыше 1000 Вольт.

По области применения электрические аппараты делятся на:

1.Электрические аппараты распределительных устройств систем электроснабжения.

2.Электрические аппараты для управления электроприводами.

3.Электрические аппараты для автоматизации производственных процессов.

По способу выполнения управляющий функции выделяют:

1.Контактные электрические аппараты.

2.Бесконтактные электрические аппараты.

По роду тока электрические аппараты бывают трех типов:

1.Электрические аппараты переменного тока промышленной частоты 50 Гц.

2.Электрические аппараты переменного тока повышенной частоты.

3.Электрические аппараты постоянного тока.

1.2.Защитные оболочки электрических аппаратов

Электрические аппараты снабжены специальными защитными оболочками, которые служат для предотвращения соприкосновения обслуживающего персонала с токоведущими или подвижными деталями аппарата. Также эти защитные оболочки служат для исключения попадания инородных тел и жидкости в электрические аппараты.

Защитные свойства оболочек обозначаются буквами IP и двумя последующими цифрами (XX). Обозначения представлены в таблице 1.1.

1.3. Воздействие климатических факторов на электрические аппараты

Под климатическими факторами внешней среды понимают следующие параметры: температура и влажность окружающего аппарат воздуха, давление воздуха, солнечное излучение, дождь, ветер, пыль, солевой туман, иней, содержание в воздухе коррозийно-активных веществ.

С точки зрения воздействия климатических факторов поверхность земного шара делится на ряд климатических районов, где значение этих факторов примерно постоянное. В соответствии с этим все электрические аппараты выпускаются для работы в конкретных климатических условиях. Эти условия представлены в таблице 1.2.

В зависимости от места размещения электрических аппаратов выделяют 5 категорий размещения, представленных в таблице 1.3.

6

Таблица 1.1 Защитные свойства оболочек электрических аппаратов.

IP XX

7

Таблица 1.3 Виды категорий размещения электрических аппаратов.

Например, электрический аппарат РТ-40/10-УХЛ3, расшифровывается как - реле тока серии 40, с максимальным током срабатывания 10 А, предназначенное для эксплуатации в умеренно-холодном климате, в помещении с естественной вентиляцией.

1.4. Требования, предъявляемые к электрическим аппаратам

Требования к электрическим аппаратам весьма разнообразны и зависят от назначения, условий эксплуатации и необходимой надежности.

Можно сформулировать требования, которые являются общими для всех аппаратов:

1. При номинальном режиме работы токоведущие части электрического аппарата не должны нагреваться сверх установленных значений, т.е. выбор электрического аппарата должен осуществляться с учетом нагрева

2.Электрический аппарат должен выдерживать термическое и электродинамическое воздействие, обусловленное ненормальным режимом работы в течение определенного времени, без последствий для его дальнейшей эксплуатации, т.е. должна выполняться проверка аппарата по условию протекания токов короткого замыкания (КЗ).

3.Электрическая изоляция аппарата должна обеспечивать его надежную работу при заданных значениях перенапряжения, которые могут возникнуть в процессе работы, т.е. должно соблюдаться условие выбора аппарата по напряжению:

4. Контакты электрических аппаратов должны быть способны включать и отключать все токи рабочих режимов, а некоторые аппараты и аварийных режимов, т.е. должна быть выполнена проверка на коммутационную и отключающую способности.

8

5.Высокая надежность и срок службы электрического аппарата.

6.Малые размеры, малая масса, простота устройства, удобство обслуживания и малая стоимость.

7.К некоторым электрическим аппаратам могут предъявляться специфические требования, обусловленные их назначением. Например, для выключателей – это время отключения, для трансформаторов тока – класс точности и т. д.

Контрольные вопросы

1.Как принято обозначать климатическое исполнение электрических аппаратов?

2.Как принято обозначать категорию размещения электрических аппаратов?

3.Приведите классификацию электрических аппаратов по назначе-

нию.

4.Как принято обозначать свойства защитных оболочек электрических аппаратов?

5.Сформулируйте общие требования к электрическим аппаратам.

9