Основы теории электрических аппаратов

1.1. Классификация эл.аппаратов.

Эл. аппарат – это эл. техническое устройство, которое используется для включения и отключения эл.цепей, а также контроля, измерения, защиты, управления и регулирование установок, предназначенных для передачи, преобразования, распределения и потребления эл. энергии.

Эл.аппараты по назначению подразделяются на следующие шесть больших групп:

1. коммутационные аппараты, служащие для включения и отключения эл.цепей. К ним относятся рубильники, пакетные выключатели, выключатели нагрузки, разъединители, отделители, короткозамыкатели, автоматические выключатели, предохранители. Для аппаратов этой группы характерно относительно редкое их отключение.

2. ограничивающие аппараты, предназначенные для ограничения токов короткого замыкания К3 (реакторы) и перенапряжений (разрядники). Режимы К3 и перенапряжений являются аварийными, и эти аппараты редко подвергаются наибольшим нагрузкам.

3. пускорегулирующие аппараты, предназначенные для пуска, регулирования скорости вращения, напряжения и тока эл.машин или каких – либо других потребителей эл.энергии. К этой группе относятся контроллеры, командоконтроллеры, контакторы, пускатели, резисторы и реостаты. Для этих аппаратов характерны частные включения и отключения, число которых достигает 3600 в час и более.

4. аппараты для контроля заданных электрических или неэлектрических параметров. К этой группе относятся реле и датчики.

5. аппараты для измерений. К ним относятся трансформаторы тока и напряжения, емкостные делители напряжения.

6. эл.регуляторы и стабилизаторы. Усилители и преобразователи.

По номинальному напряжению эл.аппараты разделяются на две группы: аппараты низкого напряжения НН (до 1000В) и высокого напряжения ВН (более 1000В).

Аппараты ВН управляют режимом работы эл.сетей и систем ВН 6÷1150 кВ. К таким аппаратам относятся:

- высоковольтные разрядники и предохранители;

- масляные и воздушные выключатели;

- трансформаторы тока и напряжения;

- реакторы;

- разъединители, отделители и короткозамыкатели.

Разрядники осуществляют защиту эл.установок от перенапряжений, а предохранители от сверхтоков, т.е. от токов короткого замыкания (К3).

Выключатели служат для коммутации токов в нормальных режимах и при К3. Масляные выключатели осуществляют гашеные эл.дуги в трансформатором масле. В воздушных выключателях на эл.дугу направляется интенсивный поток сжатого воздуха. В элегазовых выключателях используется вместо воздуха элегаз (электротехнический газ) – шестифтористая сера. В вакуумных выключателях контакты расходятся в среде с давлением 10^-4 Па.

Реакторы – катушки индуктивности, включаемые последовательно в цепь, индуктивное сопротивление которых существенно меньше сопротивления нагрузки. При К3 реакторы ограничивают силу тока К3 и облегчают условие его отключения.

Разъединители служат для включения и отключения цепи ВН при токах значительно меньше номинальных. Они применяются для отсоединения высоковольтного оборудования перед ревизией или ремонтом.

Короткозамыкатель – это быстродействующий аппарат, с помощью которого по сигналу релейной защиты создается искусственное К3 сети.

Отделитель представляют собой разъединитель, который отключает обесточенную цепь после подачи команды на его привод.

1.2. Защитные оболочки аппаратов и их климатическое исполнение.

Для предотвращения соприкосновения персонала с токоведущими или подвижными частями и исключения попадания в аппараты инородных тел устанавливаются специальные защитные оболочки. Защитные свойства оболочки обозначаются буквами IP и двумя цифрами IP00, IP20, IP22, IP23,IP40, IP42, IP44, IP50, IP65, IP67.

Первая цифра обозначает степень защиты от прикосновения персонала к опасным деталям аппарата. Вторая цифра характеризует защиту от попадания внутрь аппарата инородных предметов и жидкостей.

Воздействие механических и климатических факторов на аппараты в условиях эксплуатации регламентируется действующими стандартами. Под климатическими факторами внешней среды понимается температура и влажность воздуха, давление воздуха (высота над уровнем моря), солнечное излучение, дождь, ветер, пыль, солевой туман, иней, гидростатическое давление воды, действие плесневых грибков, содержание в воздухе коррозийно–активных агентов.

Климатическое исполнение аппаратов обозначаются буквами:

У – с умеренным климатом;

УХЛ – с умеренным и холодным климатом;

ТВ – с влажным тропическим климатом;

ТС – с сухим тропическим климатом;

Т – с сухим и влажным тропическим климатом;

О – общеклиматическое исполнение, кроме районов с очень холодным климатом

В зависимости от места размещения в условиях эксплуатации аппараты делятся на 5 категорий:

1 – на открытом воздухе;

2 – под навесом;

3 – в закрытых помещениях с естественной вентиляцией;

4 – в помещениях с искусственным климатом;

5 – в помещениях с повышенной влажностью.

1.3 Электродинамические усилия (ЭДУ) в аппаратах.

При взаимодействии токов К3 с магнитным полем других токоведущих частей создаются ЭДУ. Эти усилия стремятся деформировать как проводники токоведущих частей, так и изоляторы, на которых они крепятся. При номинальных токах эти усилия малы и ими можно пренебречь.

Эл.динамической стойкостью аппарата называется его способность противостоять ЭДУ, возникающим при прохождении токов К3.

Методы расчета ЭДУ.

Для расчета ЭДУ используют два метода. В первом ЭДУ определятся как результат взаимодействия проводника с током и магнитного поля по правилу Ампера P= B_i∙l∙sin β.

Второй метод основан на использовании энергетического баланса системы проводников с током.

Усилие определяется ,

где - электромагнитная энергия;

– возможное перемещение в направлении действия усилия.

Энергетический метод удобен, когда известна аналитическая зависимость индуктивности или взаимной индуктивности от геометрических размеров.

Направление действия ЭДУ.

Сила, действующая в контуре, будет направлена таким образом, чтобы индуктивность, потокосцепление и поток при деформации контура под действием этой силы возрастали. При расчете ЭДУ по правилу Ампера направление усилия определяется по правилу левой руки. Если ЭДУ определяется методом энергетического баланса, то положительному направлению усилия соответствует возрастание энергии системы . Электромагнитная энергия кольцевого контура

,

где - потокосцепление;

Ф - поток;

w - число витков в контуре.

В этом случае ЭДУ действует по радиусу, растягивая контур, так как при этом индуктивность, потокосцепление и магнитный поток возрастают. При двух витках или катушках с разными направлениями токов ЭДУ направлено так, чтобы отбросить витки друг от друга.

Если токи текут в одинаковом направлении, то витки притягиваются.

ЭДУ в катушке стремятся сжать катушку по высоте и увеличить ее средний диаметр.