Електричні апарати

Щоб запобігти пробою електроізоляції, вона повинна витримувати ці перенапруги. Однак при цьому габаритні розміри устаткування мали б бути надзвичайно великими. Щоб полегшити умови роботи ізоляції, перенапруги обмежують за допомогою розрядників, і ізоляцію устаткування вибирають по цьому обмеженому значенню перенапруги.

Перенапруги поділяють на:

1) внутрішні комутаційні;

2) зовнішні атмосферні.

Комутаційні характеризуються відносно низькою частотою (порядку 1 кГц) і тривалістю до 1с. Атмосферні характеризуються високою частотою, імпульсним характером і тривалістю порядку мкс. При імпульсному характері електрична міцність залежить від форми, амплітуди, тривалості імпульсу. Їх залежність від часу називається вольт-секундною характеристикою (рис. 22.5).

Для розрядника основним елементом є іскровий проміжок. Вольт-секундна характеристика розрядника повинна лежати нижче вольт-секундної характеристики об'єкту, який захищається. При появі перенапруги проміжок повинен пробиватися раніше, ніж ізоляція об'єкта, що захищається. Під час пробою через розрядник протікає імпульс струму, а лінія після пробою розрядника заземлюється через його опір.

Вольт-секундна характеристика розрядника повинна бути максимально пологою, а іскровий проміжок повинен мати гарантовану електричну міцність при промисловій частоті і при імпульсах. Напруга, що лишається на розряднику при протіканні імпульсу струму, називається залишковою. Вона не повинна досягати небезпечних для ізоляції значень. Чим менша ця напруга, тим кращий розрядник.

Розрядники є :

1) трубчасті (із повітряним проміжком всередині). Трубки виготовлені із вініпласта або фібри.

2) Вентильні. Основними елементами якого є вілітові кільця, робочі нелінійні резистори і іскрові проміжки. Іскрові проміжки знаходяться в фарфорових циліндрах. Основа віліта - карборунд SiC. Вілітові станційні розрядники розраховані на 10 кВ.

3) Магнітовентильні, розраховані на номінальні напруги 110 - 500 кВ. В таких розрядниках застосовують магніти, вони мають дугогасильну камеру, блоки нелінійних резисторів з ZnO, із високим коефіцієнтом нелінійності, в порівнянні із вілітом в 4 - 5 разів вищим. Тому їх дугогасильна і пропускна здатність іскрового проміжку є вищими.

23.Трансформатори струму

23.1 Призначення, схема вмикання, основні параметри трансформаторів струму

Трансформатори струму - це електроапарати, які призначені для вимірювання струмів в установках високої напруги, а також для ізоляції вимірювальних кіл, приладів і пристроїв релейного захисту від високої напруги. На рис 23.1 показана схема вмикання трансформатора струму.

Первинна обмотка, через яку пропус-кають вимірюваний струм, ізольована від вто-ринної; у вторинну обмотку включено вимі-рювальний прилад. В якості може служити релейна система чи вимірювальний прилад.

Вторинна обмотка заземлюється обов'язково. У випадку пробою ізоляції прилади і реле лишаються в такому випадку під потенціалом землі.

Струм ₁ , в первинній обмотці визначається опором ₁, який на декілька порядків вищий, чим вхідний опір трансформатора ТС при будь-якому навантаженні із опором ₂.

Трансформатори мають замкнутий магнітопровід з двома обмотками. Трансформатор струму характеризується наступними параметрами:

1) номінальна напруга - це лінійна напруга енергосистеми, в якій трансформатор повинен працювати; це напруга, на яку розрахована ізоляція первинної обмотки, що знаходиться під високим потенціалом.

2) номінальний первинний струм ;

3) номінальний вторинний струм .

- це струм, що може пропускати трансформатор тривалий час і не перегріватись.

- це стандартизований , струм рівний 5 А або 1 А.

Номінальний струм може бути на 20% більший, тобто трансформатор може довгий час витримувати струм на 20% більший.

4) номінальний коефіцієнт трансформації

Дійсний коефіцієнт трансформації не дорівнює номінальному внаслідок похибок, викликаних втратами в трансформаторі.

5) похибка по струму (струмова похибка) - це величина, виражена в процентах, яка дорівнює:

Поява похибки регламентує клас точності. Розрізняють наступні класи точності: 0.2, 0.5, 1, 3, 5, 10. Клас точності - це відносна похибка при I₁=1-1.2.

6) номінальне навантаження трансформатора. Може означати номінальний опір ₂, а може означати номінальна потужність Номінальний опір навантаження - це опір при якому трансформатор струму працює із заданим класом точності при cos=0.8.

Оскільки стандартизоване, то дві останні характеристики автоматично зв'язані.

1) динамічна стійкість - відношення допустимого струму ударного короткого замикання, що витримує трансформатор струму без механічних пошкоджень, до амплітудного значення номінального струму .

2) термічна стійкість - це відношення допустимого на протязі 1с. струму КЗ, який може витримати трансформатор струму без пошкоджень до номінального значення первинного струму при номінальному вторинному навантаженні і температурі оточуючого середовища +35.

Вторинна обмотка працює в полегшених умовах в порівнянні з первинною, оскільки вторинний струм часто обмежується насиченням магнітопроводу.

Струм первинної обмотки задається сіткою, в яку ввімкнено трансформатор, тому первинна обмотка в першу чергу піддається впливу електродинамічної і термічної дій.

23.2 Похибки трансформаторів в залежності від різних факторів

В процесі роботи струм первинної обмотки змінюється від 0,05 до струму КЗ.

Абсолютна магнітна проникність залежить від величини струму нелінійно. Це можна схематично зобразити так:

Із ростом первинного струму з початку _а зростає, потім доходить до максимального і при подальшому збільшенні струму внаслідок насичення магнітопроводу зменшується. Оскільки похибка ДI обернено пропорційна _а, то струмова похибка має залежність від B та I (сила первинного струму), показану на рис. 23.2.

Зростання похибки ДI призведе до неправильності показу приладів. Похибки не повинні бути великими при і При відсутності компенсації ДI завжди має знак мінус із ростом струму, а кутова похибка має аналогічний хід, але додатній знак. Кутова похибка зумовлена кутом між векторами вторинного і первинного струмів, тобто їх не співпадання по фазі.

Збільшення навантаження веде до збільшення опору намагнічування і відповідно до зростання струмової похибки по закону:

~ (23.1)

Із формули (23.1) випливає, що для зниження похибки необхідно зменшувати опори r₂ і x₂ вторинної обмотки. Значить, зростає пропорційно геометричним розмірам, довжині і обернено пропорційно площі поперечного перерізу. Однак збільшення останнього не завжди раціонально, бо збільшується маса сталі, збільшується кількість міді, яка витрачається.

При інших рівних умовах перехід на матеріал із більшою магнітною проникністю зменшує похибку.

Те саме відноситься до матеріалів із покращеними ізоляційними якостями.

Для компенсації струмових похибок відмотують витки вторинної обмотки. При цьому зменшується коефіцієнт трансформації, збільшується струм I₂ (стає більшим за I_2ном). Тим самим (див. графік рис. 23.2), компенсується частково від'ємна похибка. Для зменшення кутової похибки на магнітопроводі трансформатора струму встановлюють короткозамкнутий виток.

Застосування матеріалів із великим значенням м (типу сталі 3413 та ін.) дозволяє створювати трансформатори струму з малими габаритами і невеликою струмовою похибкою без введення компенсації (оскільки із ростом зменшується).

23.3 Особливості роботи трансформаторів струму

При роботі трансформаторів в режимі розімкнення вторинної обмотки, струм в первинній лишається незмінним, і магнітнорушійна сила цілком іде на намагнічування магнітопроводу. Це приводить до його насичення і появи високої е.р.с. на розімкненій вторинній обмотці трансформатора, бо росте індуктивність в наслідок росту м і Режим розімкнення вторинної обмотки є для трансформатора струму аварійним, бо при насиченні в магнітопроводі різко зростають втрати. Щоб цього запобігти, паралельно до z₂ ставлять ключ.

Як правило, вторинна обмотка виводиться на додаткові контакти із перемичкою (див. рис. 23.1). Перед вимиканням із вторинної обмотки вимірювального приладу, вторинна обмотка спочатку шунтується перемикачем.

Трансформатори струму - одні із основних ланок релейного захисту. Тому вони повинні бути термічно і динамічно стійкими і мати малу похибку, що забезпечує нормальну роботу релейного захисту.

При великих кратностях первинного струму магнітопровід трансформатору струму насичується і похибка зростає (рис. 23.2).

Практика показала, що якщо повна похибка досягла 10%, то при подальшому зростанні первинного струму вона так швидко зростає далі, що нормальна подальша робота релейного захисту неможлива. Тому номінальна гранична кратність трансформатору струму повинна бути вище відношення струму КЗ до номінального (кратність - це динамічна стійкість трансформатора струму, див. пункт 23.1).

Слід пам'ятати, що трансформатори із багатовитковою первинною обмоткою піддаються підвищенному електричному навантаженню, оскільки індуктивний опір такої обмотки співрозмірний із опором самого короткозамкненого кола. При цьому на таку обмотку падає суттєва частина напруги сітки. Внаслідок цього можливий міжвитковий пробій ізоляції.

23.4 Особливості конструкції трансформаторів

Конструкції ТС різноманітні. Але при цьому всі вони мають такі основні елементи:

1) замкнутий магнітопровід;

2) обмотки;

3) корпус.

Розрізняють ТС одновиткові і багатовиткові. В одновитковому ТС обмотка виконується у вигляді осердя або пакета шин.

Магнітопровід може бути:

а) шихтований, прямокутний;

б) тороїдальний, навитий із стрічки.

При напрузі кВ сам магнітопровід може служити опорою трансформатора. На струми I до 400 А первинна обмотка може бути багатовитковою.

При А первинна обмотка завжди одновиткова.

Обмотки трансформаторів на напругу більшу 35 кВ розміщують в фарфорових покришках, покритих маслом. Покришка кріпиться до стальної основи, в якій знаходиться клемна коробка із виводами вторинної обмотки. Із ростом номінальної напруги вартість ТС зростає приблизно пропорційно квадрату напруги, за рахунок ізоляції. Тому при U_ном>220 кВ застосовують каскадні ТС.

24. Методика розрахунків та вибору електричних апаратів

24.1 Основні принципи проектування електричних апаратів

Проектування слід розуміти як сукупність всіх робіт по створенню нових апаратів.

Це - комплексні роботи, починаючи від формулювання задачі та проведення вихідних наукових досліджень на фізичних моделях та макетах і до оптимізації конструкції в цілому і окремих її вузлів і деталей на основі техніко-економічних розрахунків і додаткових критеріїв, що випливають із функціональних особливостей апарату та умов його роботи.

Сюди входять також технологічна розробка, участь у виготовленні і випробовуванні лабораторних, дослідних і головних зразків установочної партії.

Конструювання при цьому - важливий етап, частина проектування.

Надзвичайно широкий спектр конструкцій апаратів, фізичних явищ, що використовуються для їх створення, та матеріалів, із яких вони створюються, вимагає того, щоб в першу чергу розглядати проектування однотипних елементів того чи іншого конструктивного виконання.

До однотипних елементів, що розраховуються, при створенні електричних апаратів відносяться:

1) струмоведучі елементи, в тому числі контакти, що забезпечують тривале протікання струму в робочому режимі, короткочасне протікання струму короткого замикання і багаторазове замикання і розмикання струмоведучого контура;

2) дугогасильні пристрої, що забезпечують гасіння дуги, яка виникає при розмиканні і замиканні контактів;

3) ізоляційні конструкції, що забезпечують ізоляцію струмоведучих частин відносно заземлених елементів і між розімкнутими контактами;

4) пристрої приводу, що забезпечують розмикання (замикання) контактів і які містять пристрої керування.

Задача конструктора - оптимізація всіх основних елементів апарату з метою забезпечення технічних вимог, пред'явлених до апарату.

При конструюванні апарату треба враховувати не тільки покращення його параметрів, але і те, як це вплине на витрати при його установці в електротехнічних системах в цілому. Наприклад, застосування охолодження струмоведучих частин апаратів на великі струми зв'язано із утворенням систем водопостачання, додаткових затрат на їх розміщення, забезпечення охолодження води і т.п.

При розробці нових апаратів важлива роль відводиться:

1) вибору матеріалів;

2) технологічності конструкції (включає крім звичайної технології конструктивних матеріалів, технологію матеріалів як провідників струму, магнітного поля і ізоляторів як діелектриків);

3) корозійній стійкості (втрати від корозії складають ?1/10 частину національного доходу. Корозія з'їдає ?1/3 всього металу, що виготовляється). При цьому треба враховувати, що існує поверхнева корозія, електроконтактна, високотемпературна, кавітаційна, „втомлювальна” (розтріскування в корозійному середовищі), ерозійна, контактна (при контакті різнорідних металів), мікробіологічна.

Виявляється, що при розробці апаратів важливим є навіть колір апарату: апарат, покрашений в світлі тона, здається більш легким, чим покрашений в темні.

Для електричних апаратів рекомендують світло-зелені, світло-сірі кольори, кремовий, бежевий.

На фоні загальної окраски, найважливіші вузли, пускові пристрої, рукоятки, рухомі частоти, що знаходяться під напругою, виділяють контрасними кольорами.

Суть контрасту: всякий колір в оточенні більш темних тонів світліє, а в оточенні більш світлих - темніє. Нижче наведені деякі формули, для оцінок параметрів електричних апаратів, що необхідно при виборі апаратів та оптимізації їх умов експлуатації. Більш детально методики розрахунків можна знайти в спеціальній літературі, присвяченій конкретним типам апаратів і конкретним випадкам їх експлуатації (див. посилання використаної літератури 1- 6, приведеній у вступі, а також пункти 3.7, 3.8 даного конспекту).

24.2 Струмоведучі системи (СВС) електричних апаратів

Під струмоведучою системою розуміють частину електричного апарату, що являє собою сукупність струмоведучих елементів, контактів, контактних з'єднань і виводів, що утворюють єдине коло, або декілька паралельних кіл.

Система (СВС) включає в себе елементи різні по призначенню, формі і розмірах. Вони виконані із різних елементів. Деякі із них можуть об'єднуватись в конструкційний вузол, що здійснює комутацію кола.

Елементи СВС можуть бути рухомими (контакти) і нерухомими (виводи для з'єднання з елементами силового кола).

Основними задачами проектування СВС апаратів є вибір матеріалів, перерізу і форми елементів в СВС, вибір системи охолодження, вибір контактів СВС.

1. Матеріали вибирають із розрахунку їх функціональної особливості елементів СВС а також ціни та дефіцитності.

Як правило, СВС і оболонки струмовпроводів виконуються із Al. Але контактні з'єднання в основному виконують із міді, а в СВС на великі струми - виключно із Cu.

Для матеріалів контактних поверхонь необхідно обмежувати температуру у зв'язку із утворенням оксидів при підвищеній температурі, а, значить, і збільшення електроопору контакту.

Слід відмітити, що у Ag оксиди при збільшенні температури руйнуються, але збільшується сила тертя. Тому температура контактів із покриттям Ag обмежується 105 - 120

2. Вибір перерізу СВС здійснюється, виходячи із оптимальної густини струму, необхідних технічних характеристик і функціональних особливостей.

3. Вибір форми перерізу і поверхні СВС здійснюється, виходячи із доцільності зменшення додаткових активних втрат, викликаних поверхневим ефектом, забезпеченням необхідного тепловідведення і необхідної механічної міцності.

Якщо по довжині елемента СВС розподіл навантаження рівномірний, то застосовують для розрахунку механічної міцності модель, згідно якої окремі елементи СВС представляють собою балки із розподіленим навантаженням, що лежать на опорі. При цьому згинаючий момент М рівний:

де - рівнодіюча всіх сил, прикладених до даного елемента;

- плече сили.

Найбільший згинаючий момент М при рівномірно розподіленому СВС навантаженні рівний:

де - сила, що діє на одиницю довжини;

- відстань між опорами на яких покоїться даний елемент.

де - момент опору елемента СВС відносно осі перпендикулярно силі, що діє.

Виявилось, що СВС із коробчастою формою перерізу має більшу електродинамічну стійкість при струмі I_кз, чим прямокутної форми або трубчастої із порожнистим перерізом круглої форми при рівних розмірах площі поперечного перерізу.

24.3 Граничний струм контактних систем електричних апаратів

Електричне коло комутується за допомогою розривних контактів.

Надійна робота, конструктивні особливості, розміри і маса комутаційного апарату в значній мірі визначається конструктивними параметрами контактної системи.

Так, в комутаційних апаратах керування (контактори, пускачі) контактний зазор і швидкість розмикання контактів визначають розміри дугогасильної камери і електромагнітної системи, необхідної для гасіння дуги і забезпечення необхідного електромагнітного зусилля.

Навпаки, для апаратів високої і надвисокої напруг міжконтактна відстань регламентується не процесами дугогасіння, а необхідною електричною міцністю міжконтактного проміжку.

Конструктивні параметри контактних систем визначаються струмом, що комутується і напругою сітки.

Крім того, вибір конструктивних параметрів контактних систем обумовлений принципом дугогасіння і процесами, що відбуваються на контактах в різних дугогасящих середовищах (повітря, масло, вакуум, елегаз, суміш елегаз + інші).

Крім сили контактного натискання при тривалому протіканні струму та сили контактного натискання при струмі короткого замикання, що визначається силою електродинамічного та електромеханічного відкидання, важливим є запобігання зварюванню.

Граничний струм зварювання сильнострумових контактів при тривалому проходженні струмів перенавантаження можна знайти по емпіричній формулі:

де - коефіцієнт зварювання, що залежить від властивостей контактного матеріалу.

Для слабострумових контактів граничний струм зварювання знаходиться з такої формули:

де - напруга плавлення;

- сила контактного прижиму;

- типомий опір матеріалу контакту;

- перехідний опір.

24.4 Розрахункові формули дугогасильних систем

У вимикаючих апаратах, що розраховані на вимикання струмів в потужних електричних колах змінного струму дугогаситель - головний елемент конструкції, в якому здійснюється основний робочий процес електродугового розмикання - гасіння дуги і відновлення електричної міцності. Нижче приведені формули, що застосовуються при аналізі роботи і розрахунках дугогасильних систем.

Швидкість дуги:

при > 200 A.

при < 200 A.

де - розходження (розчин) контактів.

Вольтамперні характеристики дуги розраховуються по формулі:

По даній залежності і заданому значенні і можна побудувати ВАХ дуги. Треба пам'ятати, що реостатна характеристика кола повинна іти нижче ВАХ дуги. Час досягнення дугою критичного значення:

Якщо і довжина дуги недопустимо високі ( t_г > 0.1с., l > 30 см.) то для підвищення інтенсивності дугогасіння використовують щілинну камеру із магнітним дуттям.

Додаток 1

Патрон стріляючого запобіжника типу ПСН - 35

1 - корпус;

2,3 - вініпластові трубки;

4 - стальний натрубок;

5 - контакт, що обертається;

6 - струмоведуче осердя;

7 - гнучкий провідник;

8 - наконечник;

9 - мембрана.

Додаток 2

Верхня частина полюса вимикача ВМТ - 10

1 - нижній струмопровід;

2 - рухомий контакт;

3 - дугогасильна камера;

4 - ізолятор;

5 - ковпак;

6 - розширюючий об'єм;

7 - масловказівник;

8 - верхній струмопровід;

9 - нерухомий контакт.

Додаток 3

Нижня частина полюса вимикача ВМП - 10

1 - розеточний контакт;

2 - нижня головка;

3 - зйомна кришка;

4 - склоепоксидний циліндр;

5, 5^/ - масляні комірки;

6 - рухомий контакт.