Конспект лекций по дисциплине Электрические и электронные аппараты

3

Введение

Электрический аппарат – это электротехническое устройство, ко-

торое используется для включения и отключения электрических цепей,

контроля, измерения, защиты, управления и регулирования установок,

предназначенных для передачи, преобразования, распределения и по-

требления электроэнергии.

Развитие полупроводниковой техники и микропроцессорных уст-

ройств позволило расширить функциональные возможности и область применения электрических аппаратов и электронных устройств.

Поэтому в настоящее время под электрическими аппаратами по-

нимается широкий круг всевозможных устройств, применяемых в быту,

промышленности и энергетике.

В учебном пособии рассмотрены основы теории, конструкция и эксплуатационные характеристики аппаратов, которые используются в электрических системах, схемах электроснабжения промышленных предприятий и при автоматизации производственных процессов и элек-

тропривода.

4

Лекция №1

Общие сведения. Нагрев электрических аппаратов при длительном режиме работы

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

Одним из основных признаков классификации электрических аппаратов является напряжение. По этому признаку различают аппараты

низкого напряжения до 1000 В (АНН) и аппараты высокого напряжения

свыше 1000 В (АВН).

Аппараты низкого напряжения принято разделять на следующие основные виды:

Аппараты управления и защиты – автоматические выключатели,

контакторы, реле, пускатели электрических двигателей, переключатели, рубильники, предохранители, кнопки управления и другие аппараты, управляющие режимами работы оборудования и его защиты.

Аппараты автоматического регулирования – стабилизаторы и ре-

гуляторы напряжения, тока, мощности и других параметров электрической энергии.

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

АНН иногда классифицируют по величине коммутационного тока

на слаботочные (до 10 А) и сильноточные (свыше 10 А). При этом ниж-

ние пределы коммутационных токов современных электрических аппаратов (ЭА) достигают 10-9 А, а напряжений – 10-5 В.

АВН, работающие в сетях с напряжением до 1150 кВ переменного тока и 750 кВ постоянного тока, также существенно различаются по своим функциям. К АВН обычно относят следующие основные виды аппаратов:

Выключатели высокого напряжения – обеспечивающие включе-

ние и отключение электрических цепей в различных режимах работы,

втом числе аварийные, например короткое замыкание (КЗ).

Реакторы: токоограничивающие - для ограничения токов КЗ и шунтирующие - для ограничения перенапряжения и компенсации реактивной мощности.

Ограничители перенапряжений на основе разрядников и элемен-

тов с нелинейной вольтамперной характеристикой (например, оксид- но-цинковые ограничители перенапряжения – ОПН).

5

Разъединители и отделители - для отключения цепи без тока при ремонте электрооборудования.

Измерительные трансформаторы – для подключения электроиз-

мерительной аппаратуры в высоковольтных цепях.

Воснове большинства электромеханических ЭА лежит контактная система с различными типами приводов – ручным, электромагнитным, механическим, пневматическим и др.

Процессы, происходящие в ЭА, описываются различными и многообразными физическими явлениями, которые изучаются в электродинамике, механике, термодинамике и других фундаментальных науках.

Наличие подвижных механических частей, явления искро- и дугообразования при коммутации, ограниченное быстродействие и другие негативные факторы, присущие электромеханическим ЭА, инициировали работы по созданию статических ЭА на базе полупроводниковых элементов. Ранее в научно-технической литературе данные ЭА назывались бесконтактными, а в последнее время - силовыми электронными аппаратами.

Для предотвращения соприкосновения обслуживающего персонала с токоведущими или подвижными частями, исключения попадания инородных тел внутрь ЭА устанавливаются защитные оболочки. Согласно ГОСТ 14254-80 защитные свойства оболочки обозначаются буквами IP и двумя цифрами. Первая цифра обозначает степень защиты от прикосновения персонала к опасным деталям, а вторая – степень защиты от попадания инородных тел и жидкостей. Например:

IP 00 – открытое исполнение. IP 20 – защищенное исполнение.

IP 60 – пылезащищенное исполнение.

IP 65 – пылеводозащищенное исполнение. IP 66 – пылеводонепроницаемое исполнение. IP 67 – герметичное исполнение.

Воздействия механических и климатических факторов на ЭА регламентируются стандартами (ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15543-70).

Под климатическими факторами внешней среды понимаются температура и влажность окружающего воздуха; солнечное излучение; ветер

ипыль, снег и т.д.

Втехнической документации всегда оговариваются значения климатических факторов, в пределах которых обеспечивается нормальная эксплуатация изделия. Эти значения принято называть номинальными.

Различают также рабочие и предельные значения факторов. Значения климатических факторов, при которых обеспечивается

сохранение номинальных параметров и гарантийный срок службы, называются рабочими.

Значения климатических факторов:

а) при которых сохраняется работоспособность аппарата (обеспе-

6

чиваются допустимые отклонения точности и номинальные параметры); б) после прекращения действия которых точность и номинальные

параметры восстанавливаются принято называть предельными рабочими.

С точки зрения воздействия климатических факторов поверхность земного шара делится на ряд макроклиматических районов, в зависимости от предназначения работы в которых делается исполнение ЭА:

с умеренным климатом;

с умеренным и холодным;

с влажным тропическим;

с сухим тропическим;

с сухим и влажным тропическим.

Взависимости от места размещения ЭА делятся на пять кате-

горий:

на открытом воздухе;

под навесом или в открытом помещении;

в закрытом помещении с естественной вентиляцией;

в закрытом помещении с полуестественной вентиляцией и своим микроклиматом;

в помещении с повышенной влажностью.

При заказе аппарата необходимо указать его исполнение, катего-

рию размещения, предельную высоту места установки над уровнем моря, т.к. учитывается снижение номинальной нагрузки каждые 100 или 1000 м над уровнем моря.

Например:

ВЭ – 10 – 1250 – 20 – УЗ,

где ВЭ – выключатель электромагнитный; 10 – номинальное напряжение, кВ; 1250 – номинальный ток, А; 20 – ток отключения, кА;

У – исполнение для умеренного климата; З – эксплуатация в закрытых помещениях.

Условные графические изображения и буквенная кодировка основных электрических аппаратов приведены в приложении.

К электрическим аппаратам предъявляются следующие основные требования:

При номинальном режиме работы температура токоведущих частей не должна превышать допустимую величину.

При коротких замыканиях токоведущие элементы подвергаются значительным термическим и динамическим нагрузкам, но они не должны вызывать остаточные явления, нарушающие работу аппарата после устранения причины и последствий КЗ.

7

ЭА, предназначенные для частого включения и отключения, должны иметь высокую износостойкость.

Изоляция ЭА должна выдерживать перенапряжения, которые возникают при эксплуатации, и обладать определенным запасом в связи с ухудшением ее из-за осаждения пыли, влаги и т.д.

Высокая надежность.

Масса, габариты, стоимость, время установки и обслуживания должны быть минимальными.

Нагрев электрических аппаратов при длительном режиме работы

При работе электрических аппаратов имеют место потери электроэнергии в виде тепла, которые расходуются на нагрев электрических аппаратов и рассеиваются в окружающей среде.

Врезультате нагрева электрических аппаратов происходит их старение. При недопустимых значениях нагрева происходит преждевременный выход из строя не только отдельных элементов, но и аппаратов в

целом.

Например, при превышении допустимой температуры лишь на 80С

срок службы изоляции сокращается в 2 раза. При увеличении температуры от 100 до 2500С прочность меди снижается на 40%.

Поэтому для того, чтобы электрический аппарат отработал свои нормативные часы, необходимо обеспечить его допустимый тепловой режим работы.

Ваппаратах постоянного тока нагрев происходит в основном за счет потерь в активном сопротивлении токоведущей цепи.

Энергия W, Дж, выделяющаяся в проводнике, определяется по формуле

где i – ток, А;

R – сопротивление проводника, Ом; t – длительность протекания тока, с.

Активное сопротивление проводника различно при постоянном и переменном токе из-за поверхностного эффекта и эффекта близости.

При переменном токе сопротивление проводника R~ определяется зависимостью

где R = - сопротивление при постоянном токе;

8

k доб - коэффициент добавочных потерь из-за вышеотмеченных эффектов.

Результатом поверхностного эффекта является неравномерность плотности тока по сечению проводника. Переменный ток, протекая по проводнику, создает переменное магнитное поле, которое пронизывает проводник, наводит в нем ЭДС. Эта ЭДС создает вихревые токи, которые геометрически складываются с основным магнитным потоком. В результате наибольшая плотность будет на поверхности проводника. Коэффициент добавочных потерь, обусловленных поверхностным эффектом, принято обозначать kn, он всегда больше единицы (kn > 1).

Эффект близости заключается во взаимном влиянии магнитных полей проводников на ток, протекающий по этим проводникам. В результате ток по сечению проводников распределяется неравномерно. Отношение активного сопротивления проводника R~, находящегося в магнитном поле других проводников, к сопротивлению уединенного про-

водника R~уед, называется коэффициентом близости.

Как и в случае с поверхностным эффектом коэффициент близости усиливается с частотой тока и электрической проводимостью материала.

быть и меньше единицы.

В трехфазных системах влияние соседних фаз значительно сложнее, чем в однофазных. Однако здесь имеет место минимальное расстояние между фазами, при котором эффект близости практически можно не

учитывать. Так, при цилиндрических проводах k = 1, если расстояние между фазами более 6d, где d – диаметр провода. Для прямоугольных

Как следует из вышесказанного, поверхностный эффект и эффект близости существенно влияют на сопротивление проводников, а следовательно, и величину потерь в этих проводниках.

Потери в нетоковедущих ферромагнитных деталях аппаратов

возникают в аппаратах, работающих в цепях переменного тока.

В цепях переменного тока, где имеются ферромагнитные элементы, имеют место активные потери в нетоковедущих ферромагнитных

9

деталях, т.к. переменный магнитный поток, пересекая ферромагнитные детали, наводит вихревые токи, которые и являются причиной потерь. Направление вихревых токов таково, что создаваемые ими магнитные потоки направлены встречно основному полю. По этой причине магнитный поток по сечению распределяется неравномерно, и магнитная индукция максимальна на поверхности стержня.

Распределение магнитной индукции B и плотности тока Y в ферромагнитном стержне показано на рис. 1.1.

Глубина проникновения a (м) электромагнитной волны в тело стержня и удельная мощность потерь Pуд (Вт/см2) определяются по формулам:

где ρ - удельное электрическое сопротивление материала стержня, Ом·м;

2π f - круговая частота изменения потока с -1;

μа - абсолютная магнитная проницаемость материала стержня, Гн/м;

Fуд - МДС на единицу длины стержня, А/см; f - частота, Гц;

Bm - индукция, Тл.

Рис. 1.1. Распределение магнитной индукции В и плотности тока Y в ферромагнитном стержне

10

Из (1.5) видно, что чем меньше ρ и выше f и μа , тем сильнее

эффект вытеснения потока, следовательно, больше потери.

Полные потери в стальном магнитопроводе определяются по формуле

где Вm - максимальное значение магнитной индукции в магнитопроводе, Тл;

θг и θв - коэффициенты потерь от гистерезиса и вихревых токов;

G - масса магнитопровода, кг; f - частота тока, Гц.

Для применяемых в электрических аппаратах трансформаторных сталей: θг = 1,9 - 2,6, θв = 0,4 - 1,2.

Для уменьшения потерь в магнитопроводе электроаппаратов они выполняются шихтованными из тонких изолированных друг от друга листов электротехнической стали толщиной 0,2 - 0,5 мм.

Для уменьшения потерь в массивных ферромагнитных деталях предусматриваются следующие меры:

увеличивают расстояние от проводника с током до ферромагнитных деталей;

на пути магнитного потока вводится немагнитный зазор;

при номинальных токах выше 1000 А конструкционные детали изготавливаются из немагнитных материалов (латунь, немагнитный чугун, алюминиевые сплавы и др.).

Следует отметить, что в аппаратах переменного тока высокого на-

пряжения помимо потерь в проводниках и ферромагнитных материалах учитывают также потери в изоляции проводов и изолирующих деталях

где С - емкость изоляции, ф;

U - действующее значение напряжения, В ;

tgδ- тангенс угла диэлектрических потерь в изоляции.

Изоляция аппарата нагревается как за счет этих потерь, так и потерь в токоведущей цепи.

Режимы нагрева аппаратов

Различают установившийся режим нагрева и нагрев аппаратов в переходных режимах.

11

Процесс нагрева считается установившимся, если с течением времени температура частей аппарата не изменяется. Температура считается установившейся, если за 1 ч нагрева она возрастет не более чем на 1°С. В установившемся режиме все выделяющееся тепло отдается в окружающее пространство.

Переходный процесс при нагреве и охлаждении электрического аппарата представляет собой зависимость изменения превышения температуры аппарата над температурой окружающей среды во времени.

Тепло, выделяющееся в аппарате, частично отдается в окружающее пространство, частично идет на повышение его температуры.

Количество тепла, отдаваемого в окружающее пространство, определяется с помощью уравнения теплового баланса:

где P - мощность тепловых потерь в теле, Вт; С=с М - теплоемкость тела, Вт с,

с- удельная теплоемкость единицы массы, Вт*с/(кг*0С);

М- масса тела, кг;

dθ - изменение температуры тела;

kt - коэффициент теплообмена (является сложной функцией темпе-

ратуры и других физических параметров);

где τ0 - превышение температуры в начале процесса (t=0);

τy - установившееся превышение температуры, τy P/ kt S ;

Т– постоянная времени нагрева, T = с М/ kt S .

Зависимости τ t показаны на рис. 1.2, где кривые 1 и 2 соответст-

вуют нагреву при τ0 =0 (кривая 2) и при τ0 , отличном от нуля, (кривая 1).

Зависимость τ t при отключении аппарата (кривая 3) изменяется в соответствии с выражением

12