MV1962-Лабы

11

напрямку діє і різниця температур ствола дуги і оточуючого середовища. Заряджені частки, які вийшли за межі дуги, там рекомбінують.

Встабілізованій дузі, яка вільно горить, дифузія відіграє дуже незначну роль.

Удузі, яка обдувається стисненим повітрям, а також у відкритій дузі, що швидко рухається, деіонізація за рахунок дифузії може наближатися до деіонізації за рахунок рекомбінації. У дузі, яка горить у вузькій щілині або у закритій камері, деіонізація проходить, головним чином, за рахунок рекомбінації.

Наукові дослідження процесів іонізації та деіонізації свідчать, що у залежності від своїх фізичних констант різні гази володіють різною дугогасною спроможністю. Гази з більшою теплопровідністю і теплоємністю володіють більшою охолоджуючою спроможністю, а значить, і більшою дугогасною властивістю. Так кисень, вуглекислий газ, водяна пара і водень мають по відношенню до повітря теплопровідність (середню в межах 0 – 6000 К) відповідно 1,8; 2,5; 5 і 17 і дугогасні властивості відповідно 1,8; 2,6; 3,8 і 7.

Для того, щоб успішно погасити дугу, очевидно, треба порушити рівновагу між процесами іонізації і деіонізації на користь останніх. Цього можна досягнути при напрузі вище 1 кВ за допомогою використання таких засобів: гашення дуги у маслі (рисунок 1.2, а); повітряне дуття: поперечне (рисунок 1.2, б) і повздовжнє (рисунок 1.2, в); гашення дуги у вакуумі; гашення дуги у газах високого тиску.

Крім того, необхідно чітко засвоїти конструкцію і розрізняти призначення та використання кожного виду комутаційного апарата.

Роз’єднувач (QS) – це контактний комутаційний апарат, який призначений для вимикання та вмикання електричного ланцюга без струму або з незначним за величиною струмом і який служить для забезпечення безпеки при ремонтах основного обладнання електроустановки, бо має між контактами у вимкненому стані достатній ізоляційний проміжок. Основне призначення роз’єднувача – створення надійного видимого повітряного проміжку вимкненого ланцюга для забезпечення безпечного проведення ремонтних робіт на струмоведучих частинах електроустановки.

За числом полюсів роз’єднувачі можуть бути однота триполюсними; за конструкцією

–рублячого, поворотного, викатного і підвісного типу; за засобом монтажу – з вертикальним і горизонтальним розташуванням ножів; за родом установки – для внутрішніх і зовнішніх електроустановок.

Короткозамикачі та відділювачі застосовують на підстанціях без вимикачів на стороні вищої напруги. За звичаєм вони застосовуються разом і призначені для зовнішньої установки.

Короткозамикач (QN) – це контактний комутаційний апарат, який призначається для створення надійного штучного короткого замикання (КЗ) у тих випадках,коли струм ушкодження в основному силовому обладнанні може бути недостатнім для надійного спрацьовування релейного захисту, який розташовується на системній підстанції, що знаходиться на значній відстані від місця утворення ушкодження. Короткозамикач вмикається автоматично під дією пружинного механізму приводу при спрацьовуванні релейного захисту, а вимикається вручну.

Відділювач (QR) – це двоколонковий роз’єднувач з ножами заземлення або без них, який має пружинний привод для вимикання. Відділювачі можуть вимикати тількі знеструмлені ланцюги, струм намагнічення трансформатора певної потужності або зарядний струм лінії електропередачі певної напруги і певної довжини. Вимикати струм нормального режиму навантаження і струм КЗ вони не спроможні. Вмикатися можуть тільки лише вручну, а вимикатися - вручну або автоматично, тільки лише під час безструмної паузи електричної мережі.

12

Рисунок 1.2 – Гашення дуги в електричних апаратах напругою вище 1кВ: а) гашення дуги в маслі:

1 - нерухомий контакт; 2 – рухомий контакт; 3 – бак; 4 – масло; 5 – дуга; 6 – воднева оболонка; 7 – зона розпаду; 8 – зона газу; 9 – зона пари; 10 – зона випаровування;

б) поперечне повітряне дуття; в) повздовжнє повітряне дуття: 1 – нерухомий контакт; 2 – ізоляційні перегородки; 3 – дуга; 4 – рухомий контакт; 5 – корпус камери;

6 – металеве сопло

Плавкий запобіжник вискої напруги (F) – це комутаційний апарат, який призначений для автоматичного однократного вимикання електричного ланцюга з метою його захисту при КЗ або при перевантаженні. Плавкі запобіжники широко застосовують для захисту силових трансформаторів відносно невеликої потужності (до 1000 кВА), батарей конденсаторів (до 400 квар), електродвигунів, розподільних мереж і вимірювальних трансформаторів напруги.

Вимикачі високої напруги (Q) призначені для вимикання і вмикання ланцюгів у нормальних і аварійних режимах. Вони повинні забезпечити комутацію струмів КЗ і гашення потужної електричної дуги. Це один із найбільш відповідальних апаратів у електроустановках. За конструкцією і засобами гашення дуги розрізнюють вимикачі: масляні бакові (великооб’ємні), маломасляні (малооб’ємні), повітряні, електромагнітні, вакуумні, елегазові.

Вимикачі навантаження (QW) призначені для вмикання і вимикання робочих струмів. Їх широко застосовують в установках з номінальною напругою 6 – 10 кВ на РП і цехових трансформаторних підстанціях (ТП). При об’єднанні вимикача навантаження з плавким запобіжником типу ПКТ утворюються комутаційні апарати ВНП – 16 і ВНП – 17. При КЗ спрацьовує плавкий запобіжник який вимикає ушкоджений ланцюг від електричної мережі. Відмінність вимикача навантаження типу ВНП – 16 від ВНП – 17 полягає у тому, що у

13

останнього є додатковий пристрій у вигляді котушки електромагніту, який вмонтовано у ручний привод вимикача для його автоматичного вимикання при згоранні плавкої вставки запобіжника у будь – якій фазі. Це можливо тому, що вимикач навантаження встановлюють після запобіжника.

Привод вимикача призначений для вмикання вимикача, утримування у ввімкненому стані та для його вимикання. У залежності від джерела енергії для роботи існують приводи: ручні, електромагнітні, пружинні та пневматичні.

1.5.Зміст звіту про роботу

Узвіті про цю роботу необхідно привести ескізи конструкції згаданих вище електричних апаратів, що рекомендовано до вивчення, а також схеми і результати досліджень, номінальні параметри та розрахунки, які було проведено під час її виконання.

Контрольні запитання

1 Що таке електрична дуга і які процеси в ній відбуваються ?

2 Перерахуйте засоби гашення дуги в апаратах з напругою вище 1 кВ. 3 Яку роль відіграє газ і його тиск у дугогасній камері?

4 Як впливає вакуум у дугогасній камері на процес гашення дуги? 5 Яке призначення роз’єднувачів, їх будова та принцип дії?

6 Призначення, будова та принцип дії короткозамикача і відділювача.

7 Якими основними параметрами характеризуються вимикачі?

8 Призначення масла у вимикачах з великим і малим його об’ємом.

9 Яка конструкція вимикачів 6 – 20 кВ серії ВМП – 10, ВК – 10, ВВ і ВКЭ? 10 Опишіть принцип дії повітряних вимикачів.

11 Будова і принцип дії вимикачів навантаження ВНП – 17 та ВНП – 16. 12 Типи приводів вимикача, основні його частини.

13 Опишіть будову та поясніть роботу електромагнітного приводу. 14 Конструкція і типи плавких запобіжників з напругою вище 1 кВ.

14

Лабораторна робота №2 ВИВЧЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ З НАПРУГОЮ ДО 1 кВ

Мета роботи – ознайомитися з призначенням і конструкцією основних типів електричних комутаційних апаратів, які застосовуються В електричних мережах з номінальною напругою до 1 кВ.

У результаті проведення роботи студент повинен знати: призначення, будову та область застосування апаратів з номінальною напругою

до 1 кВ; уміти: класифікувати електричні апарати, читати та розробляти принципові схеми

електроустановок, де застосовуються ці апарати.

2.1. Програма виконання роботи

При підготовці до роботи необхідно вивчити.

2.1.1 Плавкі запобіжники

Призначення запобіжників, параметри запобіжників та їх часострумові характеристики. Запобіжники типу ПР2, ПН2, НПН [3, с. 186 – 192; 1,с. 192; 2, с. 130 - 133]

2.1.2 Автоматичні повітряні вимикачі (автомати)

Класифікація автоматів. Контакти. Дугогасна система. Механізм вільного розчеплювання. Розчеплювачі. Допоміжні контакти. Типи автоматів [3, с. 195 – 205; 1, с. 196 – 200; 2, с. 133 -138].

2.1.3 Безконтактні комутаційні апарати

Принципи створення безконтактних комутаторів. Транзисторні пристрої комутації, захист мереж постійного струму. Тиристорні комутатори [3, с. 291-295].

2.2. Лабораторне обладнання

Основним устаткуванням для виконання цієї роботи є планшети з електричними апаратами, а також стенд з макетами транзисторного і тиристорного комутаторів.

2.3.Методика виконання роботи

2.3.1Після попереднього вивчення перерахованих у п. 2.I апаратів студенти в лабораторії знайомляться з макетами електричних апаратів, що установлені на стендах і планшетах лабораторії, звертаючи при цьому увагу на окремі їх вузли, їх взаємодію при проведенні операцій вмикання і вимикання.

Зважаючи на великий обсяг літератури, яка рекомендується для підготовки до цієї лабораторної роботи, нижче приводиться методична розробка загальних теоретичних положень до цієї роботи.

15

2.4. Загальні теоретичні відомості

Електричні апарати, які розглядаються у даній роботі, призначені для розмикання ланцюга під навантаження (комутація струму), тому вони повинні не тільки розімкнути свої контакти, але й погасити електричну дугу, яка виникає між ними. У контактних комутаційних апаратах до 1кВ застосовують такі засоби гашення дуги: подовження дуги при швидкому розмиканні контактів; поділ відносно довгої дуги на ряд коротких; гашення дуги у вузьких щілинах і в магнітному полі. При цьому на практиці використовують, як правило, сукупність переваг декількох з них.

Передумовою для успішного гашення дуги є необхідність зменшення струму дуги до нуля. При цьому процеси іонізації будуть пригнічені і дуга згасне. Відомо, що при змінному струмі він незалежно від процесів іонізації кожного півперіода проходить через нульове значення, тобто дуга згасає і загоряється знову. Таким чином, задача гашення дуги при змінному струмі дещо полегшується. Для успішного гашення дуги необхідно створити такі умови, при яких струм не зможе поновитися після його природного проходження через нуль.

Зважаючи на вищезгадане, можна зробити висновок, що температура дуги при змінному струмі не є постійною. Однак теплова інерція іонізованого газу виявляється досить значною, і в момент переходу струму через нуль його температура не падає до нуля, а залишається досить високою. Але зниження температури дуги при переході її струму через нуль поліпшує процеси деіонізації проміжку і полегшує гашення дуги.

У дійсності при переході через нуль струм у дузі змінюється за законом, що відрізняється від синусоїдного. Трохи раніше моменту природного переходу через нуль струм у дузі падає майже до нуля, а потім після переходу через нуль скачком знову досягає відповідного значення. Схематично цей процес показано на рисунку 2.1, а.

Рисунок 2.1 – Умови гашення дуги змінного струму а – безструмова пауза; б – напруга дугового проміжку

Таким чином, при переході струму через нуль має місце безструмова пауза th=0 , під час

якої відбувається інтенсивна деіонізація дугового проміжку. При малоіндуктивному характері навантаження ця пауза більша, за більшої індуктивності – вона менша або дуже мала (порядком 0,1 мкс).

Інтенсивна деіонізація дугового проміжку при переході струму через нуль призводить до зменшення його провідності. Чим більше буде деіонізовано проміжок, тим більша напруга необхідна для його пробою і повторного запалювання дуги. Умова успішного гашення дуги змінного струму може бути сформульована таким чином: якщо зростання опору проміжку, який може бути представлений його пробивною напругою Uпр (крива 1

16

рисунок 2.1,б), буде попереджати зростання напруги U на проміжку (крива 2), то дуга згасне після першого переходу її струму через нуль. Якщо ж зростання опору проміжку піде повільніше (крива 3), то у момент часу, що відповідає точці А, відбудеться повторне запалювання дуги, у ланцюзі з’явиться струм і відповідне до нього значення падіння напруги на дузі (ламана 4).

Дуже важливе значення для успішного гашення дуги змінного струму при напрузі до 1 кВ має явище, яке відбувається біля катода при переході струму через нуль. При цьому у прикатодній зоні практично раптово (за час t < 1 мкс) ізоляційна міцність проміжку зростає до величини UПРО (точка Б на початковаму участку кривих 1 і 3 рисунка 2.1, б). Наукові дослідження показують, що ця напруга досить сильно залежить від температури катода і у деяких випадках знижується до декількох десятків вольт, що значно ускладнює гашення дуги змінного струму.

При погасанні дуги напруга на дуговому проміжку зростає від напруги погасання дуги до відповідної миттєвої напруги мережі. Цей процес називається процесом встановлення напруги на дуговому проміжку.

У залежності від співвідношення активного опору, індуктивності і ємності комутуємого ланцюга процес встановлення напруги на дуговому проміжку може відбуватися за аперіодичним або коливним характером. У останньому му випадку коливання напруги

можуть досягати значення 2 U ном . Частота таких коливань лежить у межах від декількох

тисяч до одного – двох десятків тисяч герц.

Якщо комутується ланцюг з чисто активним навантаженням, то струм і напруга співпадають за фазою, проходять через нуль одночасно – напруга, що встановлюється на проміжку, дорівнює нулю. Тому вимикання активного навантаження відбувається значно легше, ніж індуктивного.

Для успішного гашення дуги змінного струму на практиці широко застосовують спосіб поділу довгих дуг на ряд коротких за допомогою дугогасної решітки. Для цього над робочими контактами апарата розміщують нерухомі ізольовані одна від одної металеві пластини товщиною до 2 мм, які утворюють дугогасну решітку (рисунок 2.2). Дуга, що виникає при розмиканні контактів, під дією аеродинамічних сил заганяється в цю решітку, де вона розбивається на ряд послідовно ввімкнених коротких дуг. При цьому біля кожної пластини решітки виникає (практично миттєво) білякатодне падіння напруги (150 – 250 В). Гашення дуги відбувається за рахунок суми цих падінь.

Ефективність дії дугогасної решітки зменшується за рахунок її аеродинамічного опору відносно дуги, що входить до неї. Ступінь зменшення швидкості руху дуги (навіть її зупинка біля нижнього краю решітки) залежить від матеріалу і форми пластин (на рисунку 2.2 – а, б, в,), відстані між ними , сил, які рухають дугу, і від загальної конструкції решітки. Так, решітка за схемою рисунка 2.2, в має певні переваги перед іншими схемами: умови входження дуги у решітку тут найбільш сприятливі.

Електромагнітної сили, які виникають в решітці з магнітного (сталевого) матеріалу, вирівнюють швидкість руху окремих дуг. Ці сили полегшують входження дуги до решітки і утруднюють їх вихід з неї. При малих струмах дуга не зупиняється під решіткою так, як це може трапитись при пластинах із немагнітного матеріалу (наприклад міді).

Чим більше число пластин вдається розмістити на одиниці довжини, тим компактнішою є дугогасна камера. Відстань між пластинами обмежується можливістю появи між ними металевого перешийку та їх сплавленням. Сталеві пластини розміщують одну від одної на відстані не більше ніж 2 мм (чим більше пластин, тим важче дузі проникати у камеру).

Умови успішного гашення дуги при розмиканні ланцюга постійного струму можна визначити при аналізі процесів, які відбува-ються у схемі замішення на рисунку 2.3, а.

17

Для схеми зміщення ланцюга дуги за схемою рисунка 2.3, а можна записати рівнян-ня електричної рівноваги у такому вигляді

де R – активний опір ланцюга, Ом;

L didt - падіння напруги на індуктивності ланцюга при зміні величини струму, В; UД – падіння напруги на дузі, В

Рисунок 2.2 – Гашення дуги поділомна ряд коротких

Рисунок 2.3 – Гашення дуги при постійному струмі:

а – схема заміщення; б - динамічна вольтамперна характеристика дуги

Для дуги, що стійко горить, di /dt=0 і U =iR U Д , В.

Для погашення дуги необхідно, щоб її струм весь час зменшувався. Це означає, що повинно мати місце di /dt 0 , а U Д U −iR , В.

18

Графічне рішення рівняння (2.1) приведено на рисунку 2.3, б. Пряма 1 представляє собою напругу джерела живлення, пряма 2 – падіння напруги на активному опорі ланцюга (реостатна характеристика), яке відраховувається від U, крива 3 – вольтамперна характеристика дугового проміжку UД. При цьому можна виділити такі відрізки: iR – між

прямими 1і 2; L didt між прямою 2 і кривою 3; U – iR – між прямою і віссю абсцис.

Уцих точках має місце рівноважне становище. Одначе у точці а ця рівновага не стійка,

ав точці б – стійка.

стане менш ніж Ia , то він падає до нуля – дуга згасне.

Якщо за деяких обставин струм ланцюга стане більше ніж Ia , буде мати місце Ud U −iR , тобто у ланцюзі нібито з’явиться „додаткова” напруга, яка викликає

збільшення струму до величини I б . При любому значенні Ia<i<Iб струм дуги збільшиться

точки перетину (пряма 4 на рисунку 2.3, б). При цьому необхідно зважати, що під вольтамперними характеристиками дуги розуміються її динамічні характеристики, тобто U = f I при швидкій зміні струму від певного його значення до нуля.

На практиці для успішного гашення дуги постійного струму застосовують магнітне дуття, при якому збільшується її довжина, внаслідок чого зменшується переріз (кількість носіїв струму дуги обмежена), що приводить до збільшення величини R. Для цього її видувають до асбоцементної дугогасної камери з вузькими щілинами, де вона, крім того, додаткова охолоджується і швидко згасає (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 – Характерні форми щілин дугогасних камер

Якщо білякатодне падіння напруги дугогасної решітки камери при постійному струмі складає величину 20 – 25 В, то її застосування при цьому менш ефективне (в 7 – 8 разів), ніж при змінному струмі.

При вивчені апаратів до 1 кВ необхідно чітко засвоїти і розрізняти призначення і можливості кожного виду комутаційних апаратів.

19

Запобіжник (F) – це комутаційний апарат, що застосовується для автоматичного одноразового вимикання ланцюга з метою його захисту при КЗ або при перенавантаженні, тобто він має те ж саме призначення, переваги та хиби, що і плавкі запобіжники при напрузі вище 1 кВ, і діє аналогічно.

Автоматичний повітряний вимикач (QF) або автомат – це комутаційний контактний апарат, який призначений для автоматичного розмикання електричних кіл при ненормальних режимах (КЗ і перенавантаження) і для нечастих вмикань і вимикань при нормальних режимах роботи.

Крім контактних апаратів, розробляються і застосовуються безконтактні апарати комутації і захисту мереж постійного і змінного струмів, які використовують напівпровідникові пристрої типу транзисторів і тиристорів, причому у мережах постійного струму знаходять застосування переважно транзистори, а в мережах змінного струму – тиристори.

На відміну від напівпровідникового некерованого вентиля (діода), що має двошарову кремнієву структуру, основу тиристора – вентиля, що керуються, становить чотиришарова p-n-p-n - структура (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 – Принцип будови тиристора

Ці чотири шари утворюють три p-n переходи: П1, П2 та П3. При цьому вентиль має три електроди: А – анод; К – катод; У – управляючий електрод.

При подачі на тиристор напруги зворотної полярності (катод – плюс, анод - мінус) середній перехід П2 зміщується у прямому напрямку, проте два крайніх переходи П1 і П3 зміщені у зворотному напрямку і практично не пропускають струму. Тиристор стає замкненим. При цьому мається на увазі, що напруга на ньому не перевищує максимально допустимої величини. Перевищення допустимого значення напруги призводить до пробою тиристора і виходу його із ладу.

При подачі на тиристор напруги прямої полярності (анод – плюс, катод - мінус) крайні переходи П1 і П3 зміщуються у прямому напрямку, проте середній перехід П2 зміщено у зворотному напрямку, що визначає також запертий стан тиристора.

Перевести тиристор до відпертого стану можливо двома засобами: збільшенням напруги прямої полярності, збільшенням струму керування.

Щоб заперти тиристор, необхідно або зменшити його робочий струм до величини струму вимикання зменшенням анодної напруги, або зменшенням струму його керування.

При роботі тиристора на змінному струмі використовують природне вимикання тиристора під час переходу його струму через нуль.

Тиристорний вимикач змінного струму складається з двох зустрічних пара-лельно ввімкнених тиристорів (рис. 2.6, а), які мають спільну систему управ-ління, що синхронізована з напругою мережі так, як показано на рисунку 2.6, б.

Можна бачити що тиристор VSI працює в перший півперіод змінної напруги, тиристор VS2 – у другий. Їх перемикання відбувається під час переходу струму через нуль. Якщо в цей момент зняти напругу управління, то наступний тиристор не ввімкнеться і, таким чином, відбудеться вимикання ланцюга.

20

Рисунок 2.6 – Схема тиристорного вимикача змінного струму: а – принципова схема; б – організація роботи схеми управління

Очевидно, що у випадку дуже високої частоти комутації застосування тиристорних вимикачів цілком ймовірне. Але тиристорні вимикачі значно перевищують за габаритами звичайні контактні апарати, допускають менші перенавантаження, внаслідок чого вибираються за пусковими струмами, а не за

номінальними, крім того, вони потребують примусового охолодження і застосування спеціальної системи управління.

Тому для апаратів з високою частотою комутації можна рекомендувати застосування гібридних апаратів, у яких контактна система доповнюється тиристорним блоком бездугової комутації (рисунок 2.7).

Можна бачити, що тиристори VS1 і VS2 ввімкнені паралельно зустрічно контактам контактора К. При розімкнених контактах вони заперті – струм у комутуємому ланцюзі відсутній. При замиканні контактів за допомогою кнопки або іншого апарата управління (ручного або автоматичного) у трансформаторах струму ТА1 і ТА2 з’являється струм, який за допомогою діодів VD1 і VD2 утворює (відповідно до полярності півхвилі синусоїди) на електродах управління тиристорів VS1 і VS2 відпираючі сигнали.

Рисунок 2.7 – Бездугове вимикання контактора

Але струм через тиристори не протікає, бо вони шунтовані силовими контактами контактора КМ. При розмиканні цих контактів струм переходить до того тиристора, напрямок провідності якого відповідає полярності струму. Пряме падіння напруги на вимкненому тиристорі складає величину 1,5 – 2 В і дуга на контактах не виникає. При переході струму тиристора через нуль тиристор, що працював, запирається, а другий – не відпирається через відсутність сигналу на його електроді управління. Ланцюг вимикається. Електрична зносостійкість контактів при такому способі гашення дуги сильно зростає (наприклад, у контакторів серії КТ – 64 і КТ – 65 – у 10 разів).

Якщо при цьому через кожний тиристор протікає струм тільки лише півперіода, то вони можуть вибиратися на менші значення номінального струму. Габарити і ціна тиристорного блоку стають відносно невеликими.

Для транзисторних вимикачів – регуляторів застосовують спеціальні комплектні блоки з біполярними транзисторами та ізольованим затвором типу IGBT з номінальним струмом 75 – 100 А.