ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТАХ

Омск 2007

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образованию

«Омский государственный технический университет»

А.С. Варфоломеева, Н.Н. Кургузов, Л.И. Кургузова,

Ю.А. Леньков, К.И. Никитин

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТАХ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

по дисциплине «Электрические аппараты»

для студентов электроэнергетических специальностей

Омск 2007

УДК 621.316.925(075)

ББК 31.27-05я73

Н62

Рецензенты:

В.В. Харламов, доктор техн. наук,

профессор кафедры кафедры

«Электрические машины и общая электротехника»

Омского государственного университета путей сообщения

Б.Н. Коврижин, канд. техн. наук,

начальник учебно-производственного центра

МУПЭП «Омскэлектро» г. Омска

Подготовлено на кафедрах

«Электрические станции и автоматизация энергосистем»

Павлодарского государственного университета и

«Электроснабжение промышленных предприятий»

Омского государственного технического университета

Варфоломеева а.С., Кургузов н.Н., Кургузова л.И., Леньков ю.А., Никитин к.И.

«ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТАХ»

Учебное пособие. Омск: Изд-во ОмГту, 2007. 197 с.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Омского Государственного Технического Университета.

ISBN

В учебном пособии рассмотрены вопросы нагрева электрических проводников, аппаратов и контактных соединений и вопросы электродинамических усилий, возникающих в электрических проводниках и аппаратах при различных видах короткого замыкания. Рассмотрены так же вопросы отключения цепей постоянного и переменного тока и вопросы восстановления напряжения на контактах выключателя с иллюстрацией конкретных примеров.

Учебное пособие предназначено для студентов электротехнических специальностей и может быть использовано магистрантами и аспирантами. Для студентов дистанционной, очной, вечерней и заочной форм обучения специальности 140211 «Электроснабжение». Учебное пособие может быть использовано для пополнения своих знаний инженеров и техников, занимающимися эксплуатацией, монтажом, а также проектированием электрических аппаратов.

 Авторы, 2007

 Омский государственный

технический университет, 2007

ISBN

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 8

1 НАГРЕВАНИЕ ПРОВОДНИКОВ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ 9

1.1 Допустимые максимальные температуры электрических аппаратов и проводников в нормальном режиме и при коротком замыкании 9

1.1.1Общие сведения 9

1.1.2 Изолированные проводники электрического тока в нормальном режиме 9

1.1.3 Неизолированные токоведущие части аппаратов в нормальном режиме 11

1.1.4 Изолированные и неизолированные токоведущие части аппаратов при коротких замыканиях 11

1.1.5 Нетоковедущие части аппаратов 12

1.2 Нагрев проводников и аппаратов 12

1.2.1 Общие сведения 12

1.2.2 Активные потери энергии в проводниках и электрических аппаратах 13

1.2.2.1 Потери в токоведущих частях 13

1.2.2.2 Потери в нетоковедущих ферромагнитных деталях аппаратов 15

1.2.2.3 Потери в диэлектриках 16

1.3 Способы передачи тепла внутри нагретых тел и с их поверхности 16

1.4 Установившийся режим нагрева проводников и аппаратов 20

1.4.1 Общие сведения 20

1.4.2 Тепловой расчёт неизолированных проводников в установившемся режиме 20

1.4.3 Тепловой расчёт изолированных проводников и кабелей 21

1.4.4 Нагревание аппаратов в установившимся режиме 23

1.4.5 Выбор проводников и аппаратов по условиям продолжительного режима 24

1.5 Нагрев проводников и аппаратов в переходных режимах 25

1.6 Примеры теплового расчета 27

ЗАДАНИЕ №1 31

2 ТЕРМИЧЕСКАЯ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОВОДНИКОВ И АППАРАТОВ 36

2.1 Нагрев проводников и аппаратов при коротком замыкании 36

2.2 Термическая стойкость проводников и аппаратов 36

2.2.1 Термическая стойкость неизолированных проводников 36

2.2.2 Термическая стойкость кабелей 40

2.2.3 Термическая стойкость электрических аппаратов 41

2.3 Определение импульса квадратичного тока короткого замыкания 43

2.4 Электродинамические усилия в электрических проводниках и аппаратах 48

2.4.1 Общие сведения 48

2.4.2 Методы расчёта электродинамических усилий 48

2.4.3 Усилия между параллельными проводниками 49

2.4.4 Усилия и моменты, действующие на взаимно перпендикулярные проводники 50

2.5 Электродинамические силы в трёхфазной шинной линии при различных видах короткого замыкания 52

2.5.1 Общие сведения 52

2.5.2 Электродинамические силы в трёхфазной шинной линии при трёхфазном коротком замыкании 53

2.5.3 Электродинамические силы в трёхфазной шинной линии при двухфазном коротком замыкании 54

2.6 Электродинамическая стойкость проводников и электрических аппаратов 55

2.6.1 Электродинамическая стойкость проводников 55

2.6.2 Электродинамическая стойкость аппаратов 64

2.7 Примеры расчета термической и электродинамической стойкости проводников и аппаратов 64

ЗАДАНИЕ №2 72

3 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ 81

3.1 Назначения и требования к электрическим контактам 81

3.2 Сопротивление электрического контакта 82

3.3 Нагрев контактных соединений 84

3.3.1 Нагрев контактных соединений при номинальном токе 84

3.3.2 Нагрев контактных соединений при токах короткого замыкания 86

3.4 Конструкция контактных соединений и контактов 87

3.5 Пример расчета нагрева контактных соединений 94

ЗАДАНИЕ №3. 102

4 ОТКЛЮЧЕНИЕ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 107

4.1 Общие сведения 107

4.2 Электрическая дуга 107

4.3 Возбуждение атома. 108

4.4 Ионизация 109

4.4.1 Термоэлектронная эмиссия. 109

4.4.2 Автоэлектронная (электростатическая) эмиссия. 110

4.4.3 Ионизация столкновением 110

4.5 Ударная ионизация 111

4.6 Термическая диссоциация и ионизация. 111

4.7 Деионизация дугового промежутка осуществляется путем рекомбинации и диффузии. 113

4.7.1 Рекомбинация (воссоединение) 113

4.8 Диффузия 114

4.9. Подвижностью ионов (электронов) 115

4.10 Радиационный захват электрона 115

4.11 Классификация дуг 116

4.11.1 Область катодного падения напряжения 116

4.11.2 Область анодного падения напряжения. 117

4.11.3 Ствол дуги 118

4.11.4 Турбулентная конвекция. 120

4.11.5 Баланс энергии в стволе дуги. 120

4.12 Потоки плазмы в дуге 120

4.13 Воздействие внешнего магнитного поля 122

4.14 Дуга постоянного тока и ее характеристики 124

4.15 0тключение электрических цепей постоянного тока 125

4.15.1 Условия стабильного горения и гашения дуги 125

4.15.2 Открытый разрыв 127

4.15.3 Дугогасительные устройства с узкой щелью 127

4.15.4 Дугогасительные решетки 128

4.15.5 Гашение дуги под воздействием магнитного поля 128

4.16 Электрическая дуга переменного тока и ее характеристики 129

4.17 Отключение электрических цепей переменного тока 130

4.17.1 Отключение активной цепи переменного тока 130

4.17.2.Отключение индуктивной цепи переменного тока 132

4.18 Гашение электрической дуги в выключателях переменного тока 133

4.18.1 Гашение электрической дуги в потоке сжатого воздуха 133

4.18.2 Гашение электрической дуги в элегазе 135

4.18.3 Гашение электрической дуги в трансформаторном масле 138

4.18.4 Гашение электрической дуги в вакууме 140

4.18.5 Гашение электрической дуги с помощью электромагнитного поля 141

4.19 Примеры расчета отключения цепей постоянного и переменного тока 142

ЗАДАНИЕ №4 143

5 ВОССТАНАВЛИВАЮЩЕЕСЯ НАПРЯЖЕНИЕ НА КОНТАКТАХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ 147

5.1 Параметры восстанавливающегося напряжения 147

5.2 Расчет параметров восстанавливающегося напряжения в однофазной системе 147

5.3 Расчет параметров восстанавливающегося напряжения в трехфазных эффективно-заземленных сетях 150

5.4 Вторая стадия переходного процесса 153

5.5 Номинальные характеристики ПВН 155

5.6 Пример расчета параметров ПВН на полюсах выключателя 156

6 ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ 165

6.1Электромагниты постоянного тока 165

6.2 Поляризованные электромагниты и постоянные магниты 169

6.3 Электромагниты переменного тока 173

6.4 Примеры расчета электромагнитов 180

ЗАДАНИЕ №5 183

ЛИТЕРАТУРА 190

ПРИЛОЖЕНИЕ 191