Вступ

В даному конспекті лекцій стисло розглядаються основи теорії, принципи роботи, конструкції вузлів апаратів та режими їх роботи і експлуатаційні характеристики, а також рекомендації по вибору електричних апаратів і розрахунку їх окремих вузлів. Конспект написано у відповідності до робочої програми курсу „Електричні апарати” для напрямку підготовки 6.0906 „Електротехніка” спеціальності 7.000008 „ Енергетичний менеджмент”, що розрахована на 48 год. Лекцій і 32 години лабораторного практикуму на протязі одного семестру. Автор намагався викласти матеріал таким чином, щоб при відносно невеликому об’ємі посібника акцентувати увагу на розумінні фізичних процесів і явищ, що відбуваються в електричних апаратах, та основах роботи найбільш широко вживаних електричних апаратів в номінальному режимі, режимі перевантаження та режимі короткого замикання.

Рекомендована література

1. А.А.Чунихин „Электрические аппараты», М. Энергоатомиздат 1988.

2. Буркевич.Г.В. Деттярь В.Г., Славинская А.Г. Задачник по электрическим аппаратам. М. Высшая школа, 1987.

3. Л.А.Родштейн « Электрические аппараты», Л. Энергоиздат., 1981.

4. Н.С.Таев «Электрические аппараты управления» М. Энергоатомиздат 1997; 1984 (В.Ш.).

5. «Проектирование электрических аппаратов» (под ред. Г.Н.Александрова). Л. Энергоиздат.1985.

6. Р.С.Кузнецов Аппараты распределения электрической энергии на напряжение до 1000В. М. Энергия 1970.

1.Призначення курсу. Основні вимоги до електричних апаратів

1.1 Предмет курсу, його роль і місце серед інших дисциплін

Беззаперечним і усіма усвідомленим є факт, що рівень розвитку суспільства визначається рівнем його енергозабезпечення. Разом з електричними машинами електричні апарати є фундаментальними засобами, що забезпечують прогрес в області електрифікації, автоматизації і комп’ютеризації і сучасний їх стан. Саме тому дисципліна електричні апарати – одна із базових дисциплін для майбутніх спеціалістів енергетиків, в тому числі з енергетичного менеджменту.

Електричні апарати – це пристрої, що служать для керування потоком електроенергії від генератора (джерела) до споживача. Більш детальне визначення таке:

Електричні апарати – це пристрої електротехніки, що використовуються для вмикання, вимикання електрокіл, контролю, захисту, керування, регулювання роботою установок, що призначені для передачі, перерозподілу та споживання енергії.

Предмет курсу „Електричні апарати” полягає у вивченні основ функціонування електричних апаратів, їх конструкцій, та їх експлуатаційних характеристик і в першу чергу тих електричних апаратів, що використовують в енергетичних та технічних системах і при автоматизації різних технологічних і виробничих процесів.

В результаті вивчення курсу студент повинен знати:

• основні фізичні принципи роботи;

• розрахунки окремих елементів і вузлів апаратів;

• методи вибору провідників та апаратів і області їх застосування;

• Основні технічні вимоги до апаратів.

Вміти:

• виконувати розрахунки для правильного вибору автоматичних вимикачів, рубильників, пускачів і контакторів;

• визначати розрахункові умови короткого замикання;

• виконувати вмикання електричних апаратів, вимикання при короткому замиканні.

Дисципліна „Електричні апарати” базується на знаннях вищої математики, фізики, ТОЕ, елементів теорії електричних машин.

Електричні апарати застосовуються практично всюди, де необхідно керувати потоками електроенергії – починаючи від АЕС і закінчуючи побутовими приладами, наприклад, таких як пральна машина, електропраска, сучасна електролампа.

- одна із базових дисциплін для майбутніх спеціалістів енергетиків, в тому числі з енергетичного менеджменту.

1.2 Класифікація електричних апаратів

Класифікація електричних апаратів може проводитись по-різному. Це зв’язано з різноманітністю апаратів та функцій, які вони виконують, із суміщенням в одному апараті декількох функцій. По одній ознаці їх класифікувати дуже важко, бо ознак по яких можна розділяти або об’єднати апарати є багато: габарити, призначення, допустимі струми і напруги, температурні режими експлуатації, кліматичні умови та багато інших. Найбільш прийнятною є класифікація електричних апаратів по призначенню, що передбачає їх поділ на наступні великі групи:

1) комутаційні апарати – призначені для вмикання, вимикання та перемикання електричних кіл. Це рубильники, пакетні вимикачі, вимикачі навантаження, автоматичні вимикачі, перемикачі, роз’єднувачі.

2) захисні – для захисту електричних кіл від короткого замикання (запобіжники високої та низької напруги);

3) обмежуючі – для обмеження струмів короткого замикання (реактори) і перенапруги (розрядники);

4) пускорегулюючі – для пуску, регулювання частоти обертання, струму, напруги електричних машин та інших споживачів електроенергії (контактори, пускачі, силові і командні контролери, реостати);

5) контролюючі – це апарати для контролю заданих електричних і неелектричних параметрів ( реле, датчики);

6) електричні апарати для вимірювань шляхом ізолювання первинних кіл від вторинних (трансформатори струму і напруги);

7) регулюючі електричні апарати – для автоматичного неперервного регулювання заданого параметра електричної сітки або автоматичного підтримування неперервної стабілізації.

- В границях однієї групи апарати поділяються на апарати низької напруги, як правило 660 В, і високої ( вище 1000 В або 3000 В).

- По виду струму розрізняють апарати:

• змінного струму;

• постійного струму;

• промислової частоти;

• високої частоти( відбійні молотки).

- По роду захисту від оточуючого середовища апарати ділять на ті, що працюють у відкритому середовищі, закритому, водозахисному, вибухонебезпечному, на повітрі.

- По способу дії ( електромагнітні, магнітоелектричні, електродинамічні, індукційні, теплові і т.п.).

- По принципу роботи апарати розділяють на контактні і безконтактні. Контактні мають рухомі контакти; безконтактні діють на принципі зміни їх параметрів: індуктивності, ємності, електричного опору.

- Апарати можна поділити на автоматичні, що діють в залежності від заданого режиму, і ручного перемикання, що працюють від волі оператора.

1.3 Вимоги до електричних апаратів

1.3.1 Загальні поняття про вимоги до електричних апаратів

В залежності від призначення, умов експлуатації, необхідної надійності і т.д. вимоги до електричних апаратів дуже різноманітні. Однак можна сформулювати загальні вимоги до всіх апаратів:

1. При номінальному режимі роботи температура струмоведучих елементів апарата не повинна перевищувати значень, що відповідають Державному стандарту України (ДСТУ) або іншим нормативним документам. Номінальний режим – це той режим, при якому електричний апарат функціонує у відповідності до його паспортних даних.

2. В кожному електричному колі може бути ненормальний (перевантаження) або аварійний (коротке замикання) режим. В цих випадках струм в 50 і більше раз перевищує номінальний.

3. Апарат при цьому на протязі певного часу знаходиться під великим термічним та електродинамічним навантаженням. Однак ці навантаження не повинні викликати остаточних явищ, що порушують працездатність апарату після усунення перевантажень, або короткого замикання.

4. Ізоляція електричних апаратів повинна витримувати перенапруги і мати запас, що враховує погіршення властивостей ізоляції внаслідок старіння, осадження, пилу, бруду, вологи.

5. Контакти апаратів, призначених для відключення, повинні бути розраховані на струми короткого замикання.

6. До кожного апарату пред’являються специфічні вимоги, обумовлені його призначенням.

1.3.2. Основні вимоги до електричних апаратів

Розглянемо конкретніше основні вимоги до електричних апаратів. Ці вимоги визначаються державними стандартами, або поки апарат знаходиться в стадії проектування і не накопичено достатньо інформації про його можливості, технічними умовами (ТУ).

ТУ діють тоді, коли ще не накопичено достатнього досвіду проектування, експлуатації апарату і його виготовлення.

Кожен апарат повинен мати незмінні технічні параметри.

Електричні апарати оцінюються за:

1. Величиною номінальної напруги. Вона відрізняється для змінного (36 В, 127 В, 220 В, 380 В, 660 В) і постійного струму (24 В, 48 В, 110 В, 220 В, 440 В, 780 В);

1. Режимом роботи – тривалий або короткочасний. При тривалому режимі роботи струм повинен протікати не менше часу, необхідного для досягнення сталої температури всіма частинами апарату при незмінних нормальних умовах охолодження.

2. Електричною та механічною зносостійкістю. Вони визначають кількість спрацювань апарату, поки він не стане непридатним.

Електрична зносостійкість визначається тим, як зношуються контакти внаслідок вигоряння під дією електричної дуги або стирання внаслідок спрацювання.

Механічна зносостійкість – це зносостійкість, що обумовлюється зношуванням деталей під час їх обертового і поступального руху поверхонь, коли контакти вдаряються або труться.

Електрична зносостійкість, як правило, менше механічної, відповідно електрична зносостійкість менша механічної.

Комутаційна здатність – здатність відключати струми (менші струми відключаються гірше, чим великі).

Ізоляційна стійкість як в холодному, так і в нагрітому стані (при струмі 1.05 ) повинна витримувати випробувальну напругу струму з =50 Гц на протязі 1-ї хвилини (випробувальні напруги залежать від номінальних і становлять від 500 В (при =24 В) до 3 кВ (при =750 В)) і мати запас, що враховує погіршення ізоляції внаслідок старіння матеріалу або осадження пилу, бруду, вологи.

4. Термостійкість – визначається діючим значенням струму, протікання якого на протязі всієї роботи апарату не викликає його нагрівання вище допустимих температур (іноді вводять як характеристику величини ).

5. Електродинамічна стійкість визначається максимально допустимим струмом, який може витримувати апарат не руйнуючись ні електрично, ні механічно і не відключаючись самовільно. Електродинамічні зусилля досягають десятків тисяч Ньютон, внаслідок малих відстаней між струмоведучими частинами і струмів до сотень кА. Апарат повинен витримувати ці струми і зусилля. У нього не повинно бути зварювання контактів або механічного руйнування деталей.

6. Допустимі температури нагрівання елементів найбільш важливих і відповідальних видів апаратів визначаються ДСТУ на ці апарати, якщо на них немає ГОСТів, то керуються по допустимій температурі наступним: температура контактів із міді – при , із накладками з срібла .

7. Крім того:

- До кожного апарата пред’являються специфічні вимоги, обумовлені його призначенням (наприклад, вимикач повинен вимикати струм на протязі 0,04 – 0,06 с., а трансформатор струму повинен давати похибку не більше заданого значення).

- Будь-який електричний апарат повинен по можливості мати найменші габарити, масу і вартість.

- Апарат повинен бути простим по обслуговуванню, технологічним при виробництві, тобто дозволяти автоматизацію у процесі всього виробництва.

- Електричні апарати, у зв’язку з тим, що вони використовуються в складних системах енергопостачання, повинні мати високу надійність, бо від їх роботи залежить надійність роботи складної і дорогої системи.

1.4 Основні позначення апаратів та елементів в електричних системах

- обмотка трансформатора

- реактор (апарат для обмеження струмів короткого

замикання)

- котушка з виводом

- котушка з магніто-діелектричним магніто проводом

- котушка індуктивності з магнітопроводом (реактор або дроссель

- трансформатор струму

- трансформатор струму в каскадному з’єднанні

- елемент пам’яті

- електричний розрядник (трубчастий)

- електричний розрядник (кульовий)

- розімкнутий контакт (ключ)

- контакт автоматичного вимикача

- контакт із механічним зв’язком (замикаючий)

- контакт із механічним зв’язком (розмикаючий)

- кнопочний нажимочний замикаючий контакт

- термоконтакт (нормально розмикаючий) (замикаючий)

- кнопочний розмикаючий контакт (вимикач)

- вимикач-запобіжник

- реле електричне із замикаючим і розмикаючим контактами

- теплове реле з повертанням шляхом натискання кнопки

- діод

оптронна пара (діод – діод)

- оптронна пара (діод – резистор)

2. Електродинамічні зусилля в електричних апаратах та їх методи розрахунку

2.1 Загальні відомості про електродинамічну стійкість

Електродинамічна стійкість апарату – це його здатність протистояти електродинамічним зусиллям, що виникають при проходженні струмів короткого замикання (КЗ). Ця величина може вимірюватись або амплітудним значення струму КЗ () – струмом динамічним, або коефіцієнтом:

де – динамічний коефіцієнт;

– номінальний струм.

При взаємодії струмів короткого замикання з магнітним полем інших струмоведучих частин апарату виникають електродинамічні зусилля, які намагаються деформувати як провідники струмоведучих частин, так і ізолятори, на яких вони кріпляться. Тому при оцінці електродинамічної стійкості аналізують стійкість не тільки електричних, але й ізоляційних матеріалів. Властивості їх вивчені ще не до кінця. Тому розрахунки міцності конструкції апаратів проводять на максимальне значення електродинамічних зусиль, хоч вони і діють тільки деякий час.

2.2 Основні фізичні поняття, формули, закони, необхідні для розрахунку електродинамічних зусиль електричних апаратів

Нагадаємо деякі фізичні поняття, формули, закони, що зустрічаються при розрахунку електричних апаратів.

Магнітний потік через довільну поверхню S визначається формулою:

(2.1)

Для площини s (рис.2.1):

Для елементарних площадок ds, які перетинають силові лінії магнітної індукції потік магнітної індукції.

де – нормальна складова вектора

п – нормаль до площини в даній точці.

[Ф] = 1 Вб; [В] = 1 Тл.

Магнітна індукція поля провідника із струмом визначається законом Біо-Савара-Лапласа:

→ (2.2)

де І – сила струму;

dl – довжина елемента провідника; dl

μ₀ – магнітна стала;

r – радіус-вектор, проведений від елемента dl даного провідника до точки простору, в якій розглядається поле (рис. 2.2).

Вектор магнітної індукції направлений по дотичній до силової лінії, його напрямок визначається правилом правого свердлика (рис. 2.3).

Для нескінченно довгого провідника із струмом:

(2.3)

Для кругового витка, в його центрі:

(2.3.а)

або поскільки – магнітний момент,

(2.3.б)

де S – площа поперечного перерізу контуру (витка).

Напруженість магнітного поля Н – це характеристика магнітного поля, яка визначається макрострумами і не залежить від середовища, в якому струм проходить. На відміну від напруженості магнітна індукція залежить від середовища, і вона визачається не тільки макро-, але і мікро струмами.

де – відносна магнітна проникність;

– магнітна стала, =4 ·10^-7 Гн/м.;

Н – напруженість магнітного поля, А/м;

В – магнітна індукція, Тл.

Закон повного струму через поверхню, натягнуту на контур l можна записати так:

Або, коли для кожної ділянки магнітного кола B=const і H=const, його зручно виразити у вигляді:

де – кількість витків, по яких проходить струм , що створює в колі заданий робочий магнітний потік;

– магніторушійна сила, А.

Поскільки закон Біо-Савара-Лапласа записується у вигляді:

;

де, (повітря),

то часто користуються формулою:

Закон Ампера для елемента провідника dl, що знаходиться в магнітному полі з індукцією В у векторній формі виражається так:

Звідси модуль сили:

де dF – сила, що діє на провідник в магнітному полі. Часто ми говоримо про провідник, що створює поле в якому знаходиться інший провідник із струмом. При цьому виникають електродинамічні сили.

2.3 Електродинамічні сили, що діють між провідниками із струмом. Метод розрахунку електродинамічних зусиль на основі законів Ампера і Біо-Савара-Лапласа

Існують два методи розрахунку електродинамічних зусиль:

1. Метод розрахунку на основі законів Ампера і Біо-Савара-Лапласа.

2. Метод розрахунку на основі енергетичного балансу провідників із струмом. Візьмемо провідники, в яких протікають струми та (рис. 2.4). Елемент довжини першого провідника – , а другого – . Тоді на основі закону Біо-Савара-Лапласа:

Звідси – магнітна індукція створена першим струмом:

Сила що діє на елемент другого провідника

Відповідно сила, що діє на другий провідник з боку першого провідника:

(2.4)

Прийнявши, що , а запишемо:

(2.5)

Для нескінченно довгих провідників

– коефіцієнт, що залежить від форми, розмірів, розташування провідників.

Правило лівої руки визначає напрямок дії сили на провідник в магнітному полі.

4. Метод енергетичного балансу провідників із струмом

Цей метод базується на тому, що при незмінних значеннях струму при деформації струмоведучих контурів сила F визначається частковою похідною від електромагнітної енергії W даної системи по координаті:

(2.6)

Ця формула називається енергетичною.

Електромагнітна енергія системи обумовлена декількома складовими:

– енергія ізольованого провідника (І-го провідника),

– енергія ізольованого провідника (ІІ-го провідника),

– енергія, що визначається магнітним зв’язком між провідниками (контурами), де L – індуктивність.

Індуктивність – це величина, яка дорівнює відношенню магнітного потоку (потокозчеплення) до струму, що проходить по провіднику (котушці):

→

де М – коефіцієнт взаємоіндукції (взаємоіндуктивність);

– магнітний потік (потокозчеплення), Вб.

При будь-якому деформуванні системи буде змінюватись її енергія. Для зміни енергії треба виконати роботу.

За означенням

Поскільки

Отримаємо

Загальна сила взаємодії між двома провідниками (контурами) буде визначена як сума всіх цих сил (провідник (контур) уже не ізольований).

Для провідників (контурів) довжиною l маємо:

(2.6.а)

Енергетичний метод є зручним, коли відома аналітична залежність індуктивності або взаємо індуктивності від геометричних розмірів.

2.5 Електродинамічні зусилля при різних формах провідників

Два провідники, струм в яких тече в однакових напрямках, будуть притягуватись. Коли струм тече в різних напрямках, провідники – відштовхуються (рис. 2.6). Напрямок сили взаємодії провідників із струмом залежить від того, як відбувається потокозчеплення цих провідників.

Електродинамічні зусилля напрямлені так, щоб збільшувати потокозчеплення, тобто зусилля, що діють на струмоведучі частини системи направлені так, щоб електромагнітна енергія системи зростала, тобто в бік, де поле послаблено. Дійсно:

Значить, при поле послаблене там, де густина силових ліній є меншою.

Сили напрямлені так, щоб збільшувати енергію. Тому контур розтягується (рис. 2.7), коли по ньому протікає струм:

Візьмемо два витки із струмом (більший і менший). Струм у витках має протилежний напрямок. Провідники відштовхуються (рис.2.8). При неоднакових розмірах витків з’являються дві складові сили: одна складова прагне розтягнути менший виток і стиснути більший, а друга складова прагне їх розвести, якщо струм протилежного напряму, або наблизити один до другого, якщо витки зі струмом одного напряму.

Якщо провідники мають різну довжину і паралельні між собою, то сила взаємодії між провідниками знаходиться за формулою:

(2.7)

де – величина, що визначається як:

де а – відстань між провідниками (див. рис. 2.9);

D – сума довжин діагоналей “трапеції”, основи якої – провідники із струмом;

S – сума бічних сторін цієї трапеції.

2.6 Зусилля та моменти, що діють на взаємоперпендикулярні провідники

За законом Ампера, оскільки провідники взаємоперпендикулярні:

де – магнітна індукція поля на відстані від провідника;

– струм в провіднику;

(для напівскінченного провідника);

(для нескінченно довгого провідника);

Звідси (згідно з рис. 2.10):

(2.8)

Як видно із рисунка 2.11, із віддаленням від осі вертикального провідника електродинамічне зусилля спадає.

В ряді апаратів струмоведуча частина має форму петлі. Тоді величина сили є в два рази більшою, чим в попередньому випадку. Це випливає із принципу суперпозиції, коли дану систему розглядати, як суму двох попередніх. Якщо довжина перемички , то

(2.9)

3. Електродинамічні сили в різних умовах роботи, характерних для електричних апаратів

3.1 Практичне застосування метода енергетичного балансу

В якості прикладу практичного застосування методу енергетичного балансу розглянемо таку задачу:

Знайдено, що індуктивність L петлі визначається за формулою:

(3.1)

Знайти вираз для зусилля, що діє в петлі, користуючись методом енергетичного балансу.

Продиференціюємо вираз (3.1):

Поскільки , то зусилля, що діє в петлі

(3.2)

Формула (3.2) відрізняється від формули (2.9) коефіцієнтом 0.25, що враховує те, що в нашому випадку елементарні провідники являють собою замкнену петлю.

3.2 Електродинамічні сили в місці контакту двох провідників з різними діаметрами або в місці зміни перерізу провідника

Коли провідник має постійний поперечний переріз, то сила не має осьової складової, направленої вздовж провідника, поскільки лінії струму паралельні між собою.

Лінії струму викривляються при зміні перерізу провідника (рис. 3.1, 3.2).

Тому при зміні перерізу провідника, в місці перерізу, крім поперечної з’являється повздовжня складова сили. Вона є малою при номінальних струмах і великою (до десятків кілоньютон) в режимі КЗ. Її величина:

(3.2)

3.3 Зусилля при наявності феромагнетика (сили взаємодії між провідником із струмом та феромагнетичною масою)

При наближенні провідника із струмом до феромагнітної стінки магнітний потік збільшується. Провідник притягується до стінки. Відкинемо феромагнетик і поставимо другий провідник в лінії магнітного поля.

При заміні дії феромагнетика другим провідником, що розташований на такій же відстані а від стінки, картина поля не зміниться, якщо магнітна проникність → . Тоді сила взаємодії провідника і стінки може бути представлена як сила взаємодії двох провідників, що знаходяться на відстані (див. рис. 3.3).

Тому: (3.3)

де а – відстань від феромагнітної стінки до провідника.

При наявності щілини в феромагнетику, провідник зі струмом буде втягуватись у щілину (рис.3.4). Причому, якщо щілина має змінний переріз, то сила буде зростати по мірі зменшення перерізу. Решітка із набору феромагнітних пластин із пазом – приклад практичного застосування цього ефекту для гасіння дуги в апаратах низької напруги.

3.4 Електродинамічні сили при змінному струмі

3.4.1 Однофазне коло

Нехай струм в провіднику не має аперіодичної складової. Тоді при однаковому напрямку струму провідники притягуються із силою:

→

(3.4)

Як видно із формули, сила змінюється з часом. При однофазному струмі сила змінюється із частотою в два рази більшою, ніж частота струму. Крім того, зміна сили відбувається без зміни знаку, а її середнє значення за період:

→ (3.5)

де – середнє значення сили;

– для паралельних провідників.

3.4.2Трифазна сітка; сили, що виникають між провідниками різних фаз

В трифазній сітці струм фаз між собою зсунутий на 120. Сила , що діє на провідник фази 1, дорівнює сумі сил:

де – сила, що діє між провідниками фаз 1 і 2;

– сила, що діє між провідниками фаз 1 і 3.

Миттєві значення струмів в провідниках:

Звідси:

1)

2)

3)

Для 1-го і 3-го провідників, що знаходяться по краях, сили відштовхування більші, ніж сили притягання рис. 3.5.

Після відповідних підстановок отримаємо, що на відміну від однофазного струму, при трифазному струмі сила змінюється в часі, як за величиною, так і за знаком, а максимальні значення сил відштовхування і притягання провідників 1 і 3:

( – довжина провідника; – відстань між провідниками).

Коли врахувати знаки сил, то виявляється, що сила, яка діє на провідник 2, що знаходиться посередині між провідниками є більшою, чим на крайні провідники 1, 3. Сила, що діє на провідник 2 приймається за розрахункову.

При цьому (для середнього провідника 2):

(3.6)

В трифазній сітці можливі однофазне, двохфазне та трифазне коротке замикання.

Розрахунок міцності конструкцій ведуть на максимальне зусилля, що виникають при ударному струмі.

Тому електродинамічна стійкість трифазних систем розраховується для провідників середньої фази, на яку діють максимальні електродинамічні зусилля.

Механічні напруження в алюмінію не повинні перевищувати 70 МПа (марка алюмінію АТ), а в міді – 140 МПа (марка міді МТ).

При однофазному (трифазному) струмах особливо небезпечним є режим короткого замикання і вмикання, при якому можливий такий збіг фаз, що струм при вмиканні апарату зростає в 1.3 – 1.8 рази, в порівнянні з максимальним значенням в стаціонарному режимі. Мова іде про наслідок появи аперіодичної складової струму. Ця складова виникає при замиканні кола і обумовлена індуктивністю всієї системи, в яку ввімкнено апарат. В результаті струм при замиканні:

і_р=і_{аперіод}+і_стац,

де і_{аперіод} – аперіодична складова струму,

і_стац – стаціонарна, або вимушена складова струму (її також називають періодичною складовою).

Якщо результуючий струм в колі то через проміжок часу струм в колі досягає максимуму. Він називається ударним (для високовольтних апаратів). (Про ударний коефіцієнт див. п. 3.6, 3.7).

3.5 Механічний резонанс

При розрахунку електродинамічної стійкості апарата необхідно враховувати резонанс між гармонічно змінним електродинамічним зусиллям та власними коливаннями струмоведучих деталей.

Шини під дією електродинамічних зусиль здійснюють вимушені коливання у вигляді стоячих хвиль.

Частота власних коливань

де – корені характеристичного рівняння вільних коливань шини;

– довжина вільного „прольоту” шин між ізоляторами;

– момент інерції перерізу шин;

– маса одиниці довжини шини;

к – коефіцієнт, що залежить від характеру кріплення шин к=112 при жорсткому кріпленні шин і ізоляторів, к=49, якщо шини лежать на опорах, к=78, коли шина вільно лежить на 1-ій опорі і кріпиться жорстко до 2-ої. Якщо f_вл>200 Гц, то розрахунок навантаження на ізолятори проводиться для статичного режиму, без врахування резонансу.

Якщо 200 Гц, то значення частоти наближено до частоти електродинамічних зусиль (50-100 Гц) і електродинамічні зусилля зростають в 10-ки разів.

3.6 Процес вмикання електричного кола змінного струму. Ударний коефіцієнт

При розрахунку електричних апаратів (контакторів, автоматів захисту та інших) необхідно врахувати особливості режиму вмикання. Якщо вмикається аппарат, то змінюється струм в колі, опір контакту апарату, відстань між контактами. Залежність цих величин від часу при вмиканні показано на рис. 3.7. В момент t₁ подається команда “ввімкнути”. В момент t₂ рухома система контактів починає рухатися. В момент t_3к контакти замикаються. Як видно із кривої R_х(t) опір контактного проміжку в цей момент падає. Його коливання зв’язані їз появою невеликої короткострокової дуги.

Для схеми, що представлена на рис. 3.8 можна записати формулу:

коли джерело живлення – джерело постійного струму і при джерелі змінного струму. Розв’язавши дані диференційні рівняння, отримують аналітичні вирази струму.

Як уже відмічалось, для джерела змінного струму струм і визначається як сума аперіодичної і періодичної складових, що змінюються із часом.

Із аналізу процесу вмикання випливає, що найбільшого значення ударний струм досягає, коли момент вмикання кола відповідає максимуму періодичного струму. Якщо коло є індуктивним, і кут , тоді приймає вигляд:

(3.7)

де L – індуктивність, Гн;

R – активний опір кола, Ом.

Величина залежить від того яка це схема. При малих напругах в низьковольтних енергетичних установках ця величина буде коливатись в межах 0.05с при яких =1.3. Для апаратів високої напруги цей час із зростанням P і U збільшується до 0.3 с., а становить величину 1.8 (див. додаток 3.7).

3.7 Додаток

3.7.1 Ударний коефіцієнт . Пробій ізоляції і умови руйнування

Розглянемо детальніше, звідки береться формула (3.7)

1. Наявність в колі індуктивності викликає появу при замиканні аперіодичної складової, що змінюється в часі за законом

2. Найбільша аперіодична складова буде при умові, що при t=0, Тоді результуючий струм в колі змінюється за законом а напруга

Підстановки дають:

при

– момент, коли струм стає ударним.

залежить від сталої часу

Для низьковольтних апаратів ~1.3 поскільки _уд значно менше за рахунок зменшення .

Аперіодична складова має значну величину тільки при великих значеннях . В цьому випадку „вимушена” складова струму відстає від напруги на 90.

Таким чином, найбільше значення аперіодичної складової буде відповідати також вимиканню кола, при проходженні напруги через нульове значення.

3. Для трифазного кола, якщо вважати, що аперіодична складова є однаковою, рівна періодичній амплітуді і не змінюється в часі, тоді

При розрахунку електродинамічної стійкості для однофазного кола беруть:

Для трьохфазного кола:

де – амплітуда періодичної складової струму трифазного короткого замикання.

Ізоляція апаратів знаходиться під дією електродинамічних зусиль, а також вітру, голольоду, вологи і т.д.

Тому при розрахунках в I – му випадку зусилля в II-му

– зусилля руйнування.

При включені ємності в коло відбувається наростання струму і виникають високочастотні коливання.

Якщо включати до синусоїдної напруги трансформатор, то при холостому ході трансформатора відбувається значне зростання магнітного потоку („кидки” магнітного потоку), що приводить до кидків намагнічуючого струму трансформатора, що в багато раз може перевищити нормальний струм холостого ходу.

При вимиканні кола вся енергія , що запасається в індуктивності кола, (індуктивність завжди є в колі) повинна витратитись, бо і0.

В кожному колі є ємності ().

Енергія могла би повністю піти на заряд цієї ємності, і величина напруги при цьому досягла би значення ~ 100 кВ, що викличе пробій ізоляції. І тоді коло неможливо відключити. Тому велику роль в процесі вимикання відіграє дуга та її опір, який обмежує струм в колі.

3.7.2 Розрахунок електродинамічної стійкості шин

Нехай необхідно визначити механічні напруження в шинах та ізоляторах двохфазної шинної конструкції (рис. 3.10)

1-2 –ізолятори,

3 – шина,

l – відстань між ізоляторами.

І) На шину діє рівномірно розподілене електродинамічне зусилля. Зусилля на одиницю довжини позначимо p[p] – Н/м. В шині мах. напруження

де – мах. питомого електродинамічного навантаженні від сусідньої фази;

– мах. згинаючий момент;

– момент опору;

– довжина вільного прольоту шини, м.

де – висота ізолятора, м;

– відстань від основи ізолятора до центра тяжіння поперечного перерізу шини, м.

Розподіл моментів та поперечної сили показано на рис. 3.11.

Нехай, кА, стала часу аперіодичної складової 0,05 с, відстань м, а між фазами – 0,6 м. Шини алюмінієві, трубчасті. Опорні ізолятори із мінімальним руйнуючим навантаження 3675 Н, висотою =0,372 м. =35 кВ.

Вважаємо, що шини мають жорстке кріплення в ізоляторах.

ΙΙ) Для даної задачі максимальний згинаючий момент,

де – навантаження на одиницю довжини.

ΙΙΙ) Максимальне напруження в матеріалі шини

– момент опору згину.

ΙV) Навантаження, що діє на ізолятори

V) Умова максимальної. міцності шин та ізоляторів

VI) Для алюмінію марки АО =117·10⁶ Па.

VII) Для ізоляторів

VIII)

кА.

тому (для довгого провідника).

Для круглих провідників

IX) Звідси: р=1.02·10^-7·2(50.8·10³)²/0.6=880 Н/м;

X) р=р·l=880·1.3=1142 H<0.6·3675·0.372/0.407=2010 H, (див. формулу IV, VII).

Таким чином, конструкція шин виконана із запасом механічної міцності.

4. Основи теплових розрахунків

4.1 Втрати в електричних апаратах

Потужність та кількість теплоти, що виділяється при проходженні через провідник електричного струму визначається за законом Джоуля – Ленца:

→

Електричний опір провідника що ввімкнений в коло змінного і такого самого постійного струму, відрізняються між собою.

При постійному струмі опір легко знайти за відомою формулою:

(4.2)

де ρ – питомий опір;

l – довжина провідника;

S – площа поперечного перерізу.

При змінному струмі на активний опір провідника впливають поверхневий ефект і ефект близькості.

Тому вводиться коефіцієнт, що додатково враховує ці два ефекти – – коефіцієнт додаткових втрат.

Активним опором називають деякий фіктивний опір провідника, який будучи помноженим на квадрат діючого струму дає втрати потужності, що дійсно мають місце при даному змінному струмі.

Поверхневий ефект зумовлений тим, що змінний струм збуджує в провіднику неоднорідне по його перерізу магнітне поле, що викликає різну величину вихрового струму, напрямленого проти основного струму. Це призводить до того, що опір провідника збільшується, оскільки струм виштовхується до поверхні. З підвищенням температури провідність матеріалу зменшується, значить, поверхневий ефект спадає.

Ефект близькості полягає в тому, що магнітне поле одного провідника впливає на магнітне поле іншого провідника, розташованого поруч. Взаємовплив полів струмів цих провідників теж призводить до змін електричного опору провідника. Тому при змінному струмі:

(4.3)

де – коефіцієнт додаткових втрат;

– поверхневого ефекту (росте із ростом частоти і провідності);

– коефіцієнт близькості (росте в провідниках із феромагнетика).

4.2 Втрати в феромагнетиках, які не несуть струм

В струмоведучих елементах феромагнетик приводить до значних величин і великих енерговтрат. Так, наприклад, втрати зростають в 4 – 6 раз, якщо провідник робити із сталі.

В неструмонесучих феромагнітних деталях апаратів значну величину дістають втрати, викликані вихровими струмами, що індукуються при перетині змінним магнітним полем феромагнетика, із якого зроблені деталі апарату.

Струми, що при цьому виникають, сильно розігрівають феромагнетик. Втрати в неструмонесучому феромагнетику зумовлені як вихровими струмами, так і втратами, що зв’язані з процесами перемагнічування.

Площа петлі відповідає втратам на гістерезис (рис.4.2.).

Повні втрати магнітопроводу із сталі визначаються за формулою:

де – втрати на вихрові струми;

– втрати потужності на гістерезис;

– частота, Гц;

– магнітна індукція, Тл;

, – коефіцієнти втрат, що залежать від конструкції;

Для зменшення втрат в магніто проводах їх роблять у вигляді тонких листів, ізольованих між собою.

4.3 Способи передачі тепла в середині та з поверхні нагрітих тіл. Коефіцієнт тепловіддачі

В загальному, теплова енергія витрачається на збільшення температури електричного апарату та частково передається оточуючому середовищу.

Розрізняють три види передачі теплоти:

1. теплопровідність;

2. конвекція;

3. теплове випромінювання, м²/с.

Явище теплопровідності описується за формулою:

(4.4)

де – коефіцієнт теплопровідності;

– кількість теплоти, що проходить за час крізь площадку в напрямку x.

Важливою характеристикою процесу теплопровідності є температуропровідність, що характеризує здатність речовини вирівнювати температуру (позначається буквою а, має розмірність м²/c):

де – густина;

– питома теплоємність;

– температуропроводність.

Конвекція – це спосіб передачі теплоти при контакті нагрітого твердого тіла з газом або рідиною. При цьому молекулярний шар газу або рідини отримує енергію від твердого тіла шляхом теплопровідності, а далі перенос теплоти здійснюється більш нагрітими шарами газу або рідини (їх рухом і переміщуванням внаслідок їх меншої густини, ніж у холодних). Розрізняють вільну або природну конвекцію та вимушену (штучну). При штучній конвекції охолоджуюче середовище рухається за допомогою насосів або вентиляторів. Кількість теплоти, що віддається тілом за рахунок конвекції описується законом Ньютона-Ріхмана:

(4.5)

де – температура поверхні тіла від якого передається теплота;

– температура тіла, до якого передається теплота;

– коефіцієнт тепловіддачі.

Коефіцієнт – залежить від температури, в’язкості, густини охолоджуючого середовища, температури поверхні, а також від форми поверхні тіла, що охолоджується, і його розташування відносно середовища і поля сил тяжіння. В більшості випадків він визначається емпіричним шляхом. Деякі з емпіричних формул для визначення коефіцієнта приведені нижче.

Для горизонтальних круглих провідників діаметром 10 – 80 мм:

Для вертикальних площин в трансформаторному маслі:

Для горизонтального циліндра в трансформаторному маслі:

Теплопередача сильно нагрітих тіл здійснюється шляхом випромінювання енергії. За законом Стефана Больцмана для абсолютно чорного тіла кількість теплоти, що віддається тілом:

(4.6)

де – стала Стефана Больцмана,

Сумарна кількість теплоти, яка передається всіма видами теплообміну найбільше залежить від температури. Для розрахунків теплоти, що віддається в оточуюче середовище всіма видами теплопередачі застосовують формулу:

(4.7)

де – коефіцієнт теплообміну (теплопередачі), що враховує всі види теплопередачі.

5. Теплопередача і нагрів провідників при різних режимах роботи

5.1 Стаціонарний режим нагрівання

Стаціонарність режиму означає, що температура частин апарату вже не зміниться в часі. Практично стаціонарним вважається режим, при якому температура збільшується не більше ніж на 1°C за 1 годину нагрівання. При цьому вся теплота, що виділяється, віддається зовнішньому середовищу.

Застосуємо баланс енергії для опису цього процесу.

На основі закону Джоуля – Ленца:

1) (5.1)

Це – загальна формула балансу енергії (теплота, що виділяється в наслідок проходження струму I по провіднику з опором R іде на нагрівання провідника та передається оточуючому середовищу).

– питома густина;

– об’єм провідника;

– тепловий потік.

Коли режим стаціонарний, зміна температури дорівнює нулю. Тоді:

2) (див. формулу 4.7 та 5.1);

3) (5.2)

4) Якщо струм постійний:

5) (5.3)

Питомий опір:

Тому: (5.4)

Коли протікає змінний струм, то величина опору залежить від частоти струму і розташування між собою провідників (поверхневий ефект та ефект близькості), тому замість треба ставити

де – коефіцієнт поверхневого ефекту;

– коефіцієнт близькості;

– добавочний коефіцієнт.

Якщо врахувати, що потік проходить через деяку бічну поверхню провідника S_б, то формули запишуться так:

Поскільки і то

(5.5)

де – кінцева температура, дорівнює температурі при номінальному режимі.

5.2 Номінальна сила струму для провідника в повітрі

При струмі, що дорівнює номінальному із (5.5) можна визначити різницю температур для випадку нагрівання провідника при умові, що температура провідника лишається сталою, відповідає сталій потужності джерела. Із (5.5) отримаємо:

де – периметр поперечного перерізу провідника.

При постійному струмі питомий опір – таблична величина, звідси:

(5.6)

При змінному струмі треба враховувати, що , тому:

(5.7)

– для міді – (6 – 9)·10^-4 Вт/см², а для сталі – (10 – 14)·10^-4 Вт/см².

Номінальна сила струму, на відміну від режиму короткого замикання, не викликає сильного розігріву провідників, і може бути знайдена із формули (5.7), поскільки, втрати на теплопередачу „провідник – оточуюче повітря” в номінальному режимі цілком достатні, щоб при даному температурному коефіцієнті опору провідника практично не змінювати потужність, яка споживається елементом або апаратом.

5.3. Термічна дія струму короткого замикання. Термічна стійкість провідників

При режимі короткого замикання доля енергії, що відводиться від провідника, є невеликою у порівнянні з тією, що виділяється у провіднику. Відбувається адіабатний процес. Вся кількість теплоти іде на збільшення температури провідника.

Запишемо баланс енергії для цього випадку:

1)

2)

3)

де – початкова температура;

– кінцева температура.

(5.8)

Критерієм термічної стійкості електричних апаратів при проходженні струму короткого замикання є величина . Як видно із формули (5.8), вона залежить від фізичних властивостей матеріалу, геометрії та допустимої температури нагрівання.

Термічна дія струму короткого замикання проявляється в нагріванні провідників до високих температур. Це є небезпечним також і для ізоляції, на якій кріпляться провідники. (Наприклад, внаслідок великих температурних перепадів між поверхнею ізоляції, що знаходиться в контакті з провідником і протилежною стороною ізолятора. Ізолятор, як правило – хороший тепло ізолятор. Тому перепад досягає значної величини).

Якщо струм короткого замикання змінний, то треба врахувати вплив поверхневого ефекту та ефекту близькості на величину . Крім того, треба пам’ятати, що під струмом, який стоїть в даній формулі, розуміють діюче значення струму короткого замикання. При постійному треба підставляти в дану формулу стаціонарне значення струму КЗ.

5.4 Тривалі і короткочасні допустимі температури

Із формули (5.8) видно, що при сталому струмі кінцева температура є функцією часу. При цьому:

(5.9)

де – надлишок температури внаслідок короткого замикання;

– стаціонарна температура;

– стала часу, що залежить від властивостей матеріалу і має розмірність часу. Вона також залежить від маси провідника, його геометричних розмірів та теплоємності і коефіцієнта теплообміну.

На протязі часу, рівному 3 – 5 система виходить на стаціонарний режим.

Фізичний зміст :

– це той час, протягом якого провідник нагрівається до стаціонарної температури при повній відсутності тепловіддачі.

На рис. 5.1 показано процеси нагрівання і охолодження провідників в різних режимах, при різних струмових навантаженнях.

При тривалому режимі допустимі навантаження вибираються такі, щоб надлишок температури, що встановився, дорівнював допустимому

При тому ж навантаженні в короткочасному режимі за час надлишок температури складав би , тобто провідник не був би повністю використаний по нагріву. Тому при короткочасному режимі провідник треба навантажити так, щоб в кінці цього режиму (за час ) зміна надлишку температури йшла по кривій 2.

При цьому за час нагрівання в короткочасному режимі

Якби ми продовжували процес при тому самому струмі, то в стаціонарному режимі досягла б величини >T_доп. Коефіцієнт перевантаження по потужності втрат визначається відношенням температур:

Коефіцієнт перевантаження по струму:

(поскільки ~).

Процес охолодження відбувається по тій самій кривій і в короткочасному, і в тривалому режимі.

5.5 Допустимий періодично повторюваний режим нагрівання-охолодження

При цьому режимі апарат може в залежності від тривалості процесу нагрівання (при проходженні струму) і охолодження (паузи проходження струму) по-різному збільшувати свою температуру. Коефіцієнт, який при проходженні струму характеризує цей процес, називається параметром відновлення (ПВ) (коефіцієнт відносної тривалості вмикань).

(5.10)

де – час нагрівання при періодичному процесі;

– пауза, протягом якої відбувається охолодження;

– сумарний час нагрівання + пауза, що разом становлять час циклу.

При періодичному нагріванні – охолодженні можливе встановлення такої тривалості нагрівання і тривалості пауз та їх співвідношення, що температура апарату буде певний час підніматись і, в кінці кінців досягне стаціонарного стану, коли кількість енергії, яка підводиться і відводиться зрівнюється. В цьому випадку будуть відбуватися коливання температури апарату між максимальним і мінімальним значенням. Існують номограми, які по заданому значенню ПВ і відношенню дозволяють знайти коефіцієнт перенавантаження по струму і силу струму пере навантаження.

5.6 Розподіл температури в котушках та приклади допустимих температур провідників із різних матеріалів

При нагріванні котушок струм, що проходить через них, сприяє нерівномірному розподілу температури по їх об’єму і поверхні. В середині котушки температура вища, ніж на поверхні, оскільки там гірша тепловіддача. Характер розподілу температур залежить від конструкції котушок. Внутрішні шари нагріваються менше, якщо котушка монолітна, тому що при цьому збільшується теплопровідність між шарами і відповідно тепловіддача.

Допустима температура провідника при КЗ і при номінальному режимі вибирається в залежності від властивостей і провідників, і їх ізоляції. Температура при КЗ може досягати 300°C .

Аперіодична складова струму при визначенні величини термостійкості, як правило, не враховується.

Приклади допустимих температур для провідників із різних матеріалів:

1. для міді – 300°C (неізольована струмова частина);

2. для алюмінію – 200°C (неізольована струмова частина);

1. для сталі – 400°C (неізольована струмова частина);

2. ізольовані струмоведучі частини:

• клас У – 200°C;

• клас А – мідь 250°C; сталь 250°C; алюміній 200°C;

• клас В і С – мідь 300°C; сталь 400°C; алюміній 200°C.

Числові значення густини допустимого струму для найважливіших провідників, як функція часу, що характеризує їх термічну стійкість, приведена в таблиці 5.1.

Таблиця 5.1

Час нагрівання t	1 с	5 с	10 с
Матеріал	Густина струму
Мідь	152	67	48
Алюміній	89	40	28

6. Електричні контакти

6.1 Загальні відомості

Електричним контактом називається місце переходу струму із однієї струмоведучої деталі в іншу. Деталь, що здійснює контакт називається контакт-деталлю. Існування електричного контакту називається контактуванням. Контакти поділяються на три основні групи:

а) розбірні;

б) комутуючі;

в) ковзаючі.

Розбірні контакти – це такі контакти, що в процесі роботи не переміщаються, а лишаються надійно скріпленими. Наприклад, болтове з’єднання шин, приєднання провідників зажимами („крокодил”).

Комутуючі контакти – ті, що в процесі роботи замикають, розмикають, перемикають коло. Наприклад, контакти вимикачів, контакторів, рубильників.

Ковзаючі контакти – це різновидність комутуючих контактів. При переміщенні однієї деталі контакту відносно другої, контакт не порушується. Наприклад, контакт в реостаті, шарнірні контакти, щіточні контакти (електродвигуни). Контакти поділяються по своїх конструкціях, призначенню, допустимих напругах і струмах, а також по матеріалу, з якого вони виготовлені. Контакти поділяються в залежності від розмірів і характеру контактування об’єктів (див. рис. 6.1 – 6.3).

1. точкові;

2. лінійні;

3. поверхневі.

Точкові контакти застосовують для малих струмів (до 20 А).

Розміри площадок контактування пропорційні силі, що стискає деталі і залежать від опору зминання матеріалу деталей. Це випливає із наступного: сила контактного натискання і – напруження тимчасового опору зминанню при пластичній деформації, зв’язані між собою співвідношенням

де – площа, то

→ (6.1)

В зоні переходу струму із 1-го провідника в інший має місце більший електричний опір, що називається перехідним. По природі – це звичайний опір металічного провідника, тільки цей провідник – мікроскопічний „бугорок”, в якому і відбувається контактування.

Перехідний опір () можна уявити собі як місце звуження перерізу матеріалу і різкого підвищення густини струму, в порівнянні з густиною стуму в тілі контакту (див. рис. 6.1).

Експериментально встановлено, що існує зв’язок:

,

де - деяка величина, що залежить від матеріалу обробки і стану контактної поверхні.

- сила натискання;

n – показник, що характеризує кількість точок контактування.

Із збільшенням їх кількості контактний опір зменшується. Встановлено, що n=0.5 для одноточкового контакту, n=0.7÷1 для лінійного контакту, n=1 для поверхневого контакту.

дуже сильно залежить від степені окислення. Для неокислених має такі значення (в Ом/Н): мідь – 1.0·10^-3 латунь – 6.7·10^-3

алюміній – 1.6·10^-3 сталь – 7.6·10^-3

6.2 Фізичні явища в контактах

Контакт складається із об’ємної частини і поверхневої, яка безпосередньо знаходиться між поверхнями, що контактують. Опір контакту зумовлений двома основними причинами:

1. звуження ліній струму в місці контакту;

2. покриття його поверхні оксидною плівкою (або іншими хімічними сполуками).

Для контакту є важливим визначення умов нагрівання місця контакту і поява електродинамічних зусиль. Контакти мають певну шороховатість поверхні, що зв’язане з характером їх обробки, а місця, в яких контактують поверхні під дією сили натискання, можуть змінюватись. Існує ряд залежностей, що виражають як багатофункціональний параметр, що залежить від механічних, теплофізичних, електричних властивостей матеріалу контактів, температури контактів, прикладеної сили натискання, кількості контактуючих площадок. В результаті можуть виникнути декілька місць контакту, для яких діаметр:

,

де – напруження зминання.

= 10⁴ Н/см²÷10⁵ Н/см².

Для W – вольфраму ~ 2.9·10⁵ Н/см² є найвищим, для срібла (Ag) – на порядок менший.

У випадку двох одно точкових електродів опір контакту:

(6.2)

де – питомий опір;

– діаметр контакту;

– радіус контакту.

Підставивши формулу (6.1) в (6.2) можна виразити опір наступним чином:

– для квадратного контакту. (6.3)

Для круглого контакту:

(6.4)

Якщо подивитись в мікроскоп на профіль двох контактуючих металічних поверхонь, то побачимо картину такого виду (рис.6.6):

Як видно із рисунку, металічний контакт здійснюється не по всій поверхні, а тільки в місцях або продавлення плівки тих чи інших хімічних з’єднань, або, в іншому випадку, в місцях пробою під дією різниці потенціалів (перешийок).

В окремих точках шороховатості, де є виступи, вони дотикаються між собою. Збільшення сили контактного нажиму веде до збільшення кількості таких місць. Фактично розміри місць дотикання виступів порядка 2 – 3 мкм. Плівка має товщину ~ 10^-8 м, і ~ 10⁵ Ом·см. Вона займає основну площу поверхні контакту.

При замиканні контактів виникає явище, що називається фритинг. Якщо на контактах із ізолюючою плівкою підвищувати напругу, то перехідний опір, що вимірюється МЕГАОМАМИ буде зменшуватись. Вольт-амперна характеристика контакту в цьому стані нагадує характеристику напівпровідникових приладів.

При досягненні напругою деякого значення, що називається напруга фритинга, перехідний опір різко зменшується. Відбувається електричний пробій плівки, що завершується утворенням тонкого металічного провідника в ній. Цей металічний провідник може лишитись і після зняття напруги.

Як уже відмічалось, перехідний опір контактів – це опір, що визначається опором звужених ділянок, по яких проходить струм до площадок стискування, а також опором плівок на поверхні контактів або опором вузьких металічних перешийків, що виникли від фриттинга.

Повний опір областей зтягування ліній струму для двох контактуючих одноточкових електродів, як відмічалось, виражається формулою (6.2).

Для багатоточкового контакту ( – точок):

(׀׀ включено опорів). (6.2.а)

Для опору зтягування (а це – опір двох контактуючих електродів)

(6.5)

Формула випливає із залежностей (6.1), (6.2.а),

де – опір контактного матеріалу зім’яттю.

=2 – для лінійного контакту; =3 – для площинного контакту;

– сила натискання в контактах;

~10÷10⁴ мкОм (=40Н); 2÷2·10² мкОм (=240 Н).

6.3 Матеріали контактів. Вимоги до них

До матеріалів контактів сучасних електричних апаратів ставляться вимоги:

1. Висока тепло- і електропровідність;

2. Висока корозійна стійкість в повітрі та інших середовищах;

3. Стійкість проти утворення плівок з високим опором електриці;

4. Мала твердість для зменшення необхідної сили натискання;

5. Висока твердість для зменшення механічного зношування при частих вмиканнях і вимиканнях;

6. Висока дугостійкість (висока температура плавлення);

7. Мала ерозія;

8. Високі значення струму і напруги необхідні для дугоутворення;

9. Простота обробки, низька вартість.

Вибір контактних матеріалів обумовлений тим призначенням, яке має даний апарат і відповідні контакти.

Найбільш широко використовують: мідь, алюміній, вольфрам, та композити ( композиційні матеріали). Розглянемо властивості деяких із них:

Мідь (Купрум) – висока електро- і теплопровідність, достатня твердість, простота технології.

Недоліки: відносно низька температура плавлення, схильність до окислення на повітрі, що збільшує питомий опір і силу натискання. Не рекомендовано застосовувати в апаратах з великою кількістю вмикань внаслідок малої дугостійкості.

Застосування: шини, контакти апаратів.

Срібло (Аргентум) – висока електро- і теплопровідність, мала механічна міцність оксиду AgO і її руйнівної сили натискання, малий перехідний опір, стабільність контакту.

Недоліки: мала лугостійкість і твердість, не рекомендовано при потужних дугах і частих вмиканнях.

Застосування: реле, контактори до 20 А.

Алюміній – як і у міді висока електро і теплопровідність плюс мала густина, що зменшує масу струмоведучої частини на той же струм, що і виготовленої із міді → на 48%.

Недоліки – мала дугостійкість (температура плавлення набагато менше температури плавлення міді і температури плавлення срібла) і твердість. Не рекомендовано при потужних дугах і частих вмиканнях, у контактах до 20 А, в головних до – 10 кА. Мала механічна міцність, утворення з міді гальванічного елемента – корозія пари. Утворення окисної плівки з великим питомим опором на повітрі і активних середовищах.

Застосування: матеріал для шин і конструкційних деталей апаратів.

Аурум (Золото), Платина, Плюмбум (Свинець) – висока корозійна стійкість плюс малий перехідний опір.

Застосування: малі струми з невеликою силою натискання.

Вольфрам – висока дугостійкість, стійкість проти корозії,зварювання. Висока твердість, що необхідне при частих вимиканнях і вмиканнях.

Недоліки: мала теплопровідність, висока густина, утворення міцних оксидних і сульфідних плівок вимагають великої сили натискання внаслідок утворення плівок і високої механічної міцності.

Застосування: дугостійкі і частовмикаючі контакти.

Основні необхідні властивості контактного матеріалу – висока електропровідність та дугостійкість не можуть бути отримані за рахунок сплавів таких матеріалів як срібло+вольфрам або мідь+вольфрам, бо вони не утворюють сплавів. Тому матеріали, що задовольняють необхідним вимогам, отримують методами порошкової металургії. Це – так звана металокераміка.

Металокерамічні контакти отримують методом спікання.

Отримані цим методом порошкові сплави:

- вольфрам плюс аргентум і вольфрам плюс купрум – мають властивості позитивні як першого (вольфрам) та і других (срібло, алюміній) складових, тобто високу дугостійкість, низьку величину сили контактного натискання, низький контактний опір. Також мають високу зносостійкість, довгий термін надійності та служби.

Недоліки: високий питомий опір, мала теплопровідність, велика необхідна сила натискання.

Висока дугостійкість + відносно добра провідність – головні якості металокераміки.

Аргентум (срібло) – графіт → дугогасящі контакти;

Купрум (мідь) – графіт → важливі завдяки високій стійкості проти зварювання.

Металокерамічні сплави марки КМК-А60, КМК-А61, КМК-Б20 застосовують для контактів матеріалів високої напруги.

Слід відмітити що, вимоги до контактів – дуже суперечливі, вони протирічать одна другій, поскільки визначаються умовами роботи в різних режимах. Розглянемо детальніше це питання.

Матеріал повинен мати найвищу електро- і теплопровідність. Тоді теплова потужність, що виділяється буде зменшуватись, а умови тепло- відведення покращуються.

Це приведе до зниження температури контактів, а, значить, зниження утворення окислів на поверхні контактів.

Скорочуються також розміри розплавленого металічного перешийка, що утворюється у контакті в момент розмикання, також знижується інтенсивність ерозії.

Добре тепловідведення перешкоджає дузі нагрівати і випаровувати контактний метал і, веде до підвищення відновлюючої міцності приелектродних ділянок.

Висока температура рекристалізації сприяє відсутності холодного зварювання контактів. Висока температура плавлення і температура кипіння збільшують зносостійкість контактів внаслідок зменшення випаровування.

Зносостійкість підвищується при збільшенні температури плавлення, але одночасно збільшується твердість, яка приводить до зменшення контактуючих площадок.

Всі необхідні якості неможливо об’єднати в одному матеріалі, тому доцільно області застосування матеріалів, що застосовуються для контактів, приблизно розділити по струмах поскільки:

1) для контактів найважливішими параметрами при розрахунках є, по-перше, сили контактного натискання, як функція матеріалу контакту , та сила струму, що по ньому протікає.

2) друга важлива характеристика – допустимі температури контакту, як функція сили струму, постійного опору, теплопровідності.

Одна із класифікацій матеріалів, класифікація по струмах, приведена на (рис.6.7).

Як видно із рисунка, струми поділяють на:

1. Слабкі;

2. Середні;

3. Сильні.

Їм відповідають певні матеріали. Особливо рідкісні і дорогі (осмій, іридій, золото, срібло) застосовують для слабких струмів.

6.4 Температура площадки контактування. Контакти в режимі проходження тривалого струму

При проходженні струму в площадці контактування внаслідок наявності перехідного опору буде виділятися енергія , що набагато більше енергії, що виділяється в об’ємі контакту. Температура, яку має площадка контактування є більшою внаслідок того, що перехідний опір (опір об’єму матеріала контакту) і того, що тепловіддача є гіршою від (бо площадка знаходиться далі від оточуючого середовища, чим контакт).

Якщо , то різниця температур

– спад напруги на перехідному опорі контакту. Ця величина при природному охолодженні ~ 10 – 20 мВ.

Розрахунок контактів в режимі тривалого струму зводиться до визначення сили натискання в контактах, при якій температура в контакті підвищується.

Для одноточкових контактів на великі струми для підрахунку сили контактного натискання рекомендується формула:

, (6.6)

де – твердість по Вікерсу.

Ця формула близька до експерименту.

Формула (6.6) дозволяє знайти силу контактного натискання для заданого номінального струму, знаючи відношення температур

Температуру об’єму легко знайти із формули: , відомої для нагрівання провідника площею перерізу і периметром перерізу (формула 5.7).

Тоді, поскільки , можна знайти . Це – перший спосіб оцінки (по ).

Температура нагрівання контактної точки при нехтуванні тепло-відведенням з контакт-деталі в оточуюче середовище описується формулою Хольма:

(6.7)

Допустима напруга на контакті звичайно приймається в межах (0.1÷0.3) , де – напруга, при якій матеріал контакту розм’якшується (рекристалізується). Важливою є також інша форма запису формули (6.6.), що враховує механічні властивості матеріалу () та кількість точок контактування і дає можливість визначити силу контактного натискання.

(6.)

де – сила контактного натискання;

=1÷3.

Дані розрахунки відносяться до випадку, при якому через контакти проходить номінальний струм, який і є тривалим струмом, або стаціонарним.

6.5 Розбірні контакти в режимі короткого замикання

З точки зору нагрівання, контакти – це найбільш навантажена ділянка струмоведучого кола. Звідси особливо необхідними є розрахунки параметрів контактів в умовах короткого замикання, коли виникають важкі умови роботи.

В розбірних контактах слабким місцем є болтове з’єднання. Болт, що стягує деталі, практично не проводить струм, його температура при короткому замиканні, внаслідок короткочасної дії не змінюється.

Теплове розширення струмоведучих деталей викликає додаткове напруження. Це додаткове напруження додається до напруження затяжки болта, що може привести до остаточних деформацій, які можуть послабити контакт з’єднання після його остигання.

Тому болтові з’єднання повинні перевірятися на додаткові механічні напруження при короткому замиканні.

7. Електромеханічні і електродинамічні сили в контактах

7.1 Контакти в режимі короткого замикання. Розмикання, замикання та зварювання контактів

Проходження струму в контакті супроводжується появою у приконтактній області сил, напружень і деформацій.

При відносно невеликих струмах їх величини є незначними, при струмах короткого замикання вони можуть досягнути великих значень.

7.1.1 Основні види сил

Основними силами, які діють в контактній системі, є сили, зв’язані із зміною густини ліній струму в місці контакту контактуючих деталей (рис.7.1).

Сила контактного настискання, яка діє в місці контакту, повинна бути такою, щоб забезпечувати надійний контакт, незважаючи на дію електродинамічної і електромагнітних сил.

1. Електродинамічна сила (), що викликає відштовхування контактів, виникає внаслідок викривлення ліній струму в контакт-деталі при підході його до місця контактування (див. рис. 7.2.) (Сила в місці звуження провідника – аналог сили на границі взаємоперпендикулярних провідників).

Згідно п.3.2 сила запишеться як:

(7.1.)

де – діаметр контакт-деталі;

– діаметр контактуючої площадки.

2. Сила електромагнітного стискання (, пінч ефект), повздовжній пінч-ефект.

Пінч-ефект (стискання електричного струмового каналу внаслідок зміни густини силових ліній магнітного поля при протіканні струму по провіднику) приводить до того, що при наявності різних діаметрів контактів в місці контакту можуть з’являтись сили, пропорційні квадрату струму і обернено пропорційні діаметру контакту. Оскільки контакти мають різні діаметри, то вздовж осі провідника з’являється повздовжня складова цієї сили, що намагається відкидати контакти один від одного при проходженні великого струму (наприклад, в умовах короткого замикання).

Чим менший діаметр контактного „перешийка”, тим більше стискаюча сила в місці контактного „перешийка”.

Крім того, внаслідок існування одночасно із поперечним звуженням повздовжнього видовження, (вони зв’язані між собою коефіцієнтом Пуассона), виникає поздовжній ефект: сила викликає появу в осьовому напрямку сили , яка може викликати розмикання контакту:

(7.2.)

де – довжина металічного перешийка в контакті;

– діаметр контакту.

Ця ж сила розтягує розігрітий „перешийок”, який втрачає механічну міцність.

3) Якщо під дією струму розплавлений контактний „перешийок” переходить в пароподібний стан, то виникає пружна сила вибуху парів металу Знаходячись у вузькому шарі між „контакт-деталями”, вибухові пари здійснюють тиск на контакт діаметра „перешийка”.

Щоб не відбувалось під дією вказаних сил самовільного розмикання контактів застосовують спеціальні компенсуючі засоби і пристрої.

Важливим фактом є те, що при розрахунках електродинамічної стійкості контактів досить точною є експериментальна формула:

(вона зрозуміла із розмірності ~) (7.3)

де – амплітуда ударного струму; ;

– контактне натискання, Н;

– коефіцієнт [А/Н], (довідкова величина, залежить від типу контакту і матеріалу);

=1000÷1900 А/Н.

7.2 Зварювання контактів

При проходженні струмів короткого замикання можливе зварювання контактів і відмова роботи апарату, як наслідок цього. Це відбувається, якщо температура замкнутих контактів досягає в місці їх дотику температури плавлення. Тому треба знати, яка температура контактів, її залежність від сили струму і величину сили контактного натискання та фізичних характеристик матеріалу контакту. Із формули Хольма (6.7) можна визначити силу струму зварювання:

Звідси отримаємо:

(7.4)

де – коефіцієнт, що коливається від 1 до 3, в залежності від кількості точок, в яких відбувається контактування;

– сила контактного натискання;

– питомий опір;

– температура контакт-деталі

– температура плавлення.

Формула (7.4) є дійсною для стаціонарного режиму протікання струму (). У короткочасному режимі нагріву температура контактної точки залежить від часу протікання струму.

При цьому основною відмінністю формули для обчислення струму зварювання у цьому випадку (з похибкою < 2%) є поява множника:

(7.5)

де – час проходження струму;

– густина контакту;

– теплоємність контакту.

Тоді формула (7.4) для короткочасного режиму буде:

(7.6)

При формула (7.6) переходить в формулу (7.4).

Якщо контакти приварились струмом, то після припинення проходження струму, охолодження місця контакту і застигання, необхідна певна сила, щоб розірвати контакти.

Сила, необхідна для того, щоб розірвати контакти, що зварилися, називається силою контактного зварювання. Сила контактного зварювання в 2 – 7 раз є більшою сили контактного натискання.

При збільшенні температури кипіння, теплопровідності, теплоємності матеріалу контакту і при зниженні катодної і анодної напруги в дузі контакти зварюються менше.

Зварювання контактів залежить від конструкції самих контактів і всієї струмоведучої частини апарату.

Для визначення сили контактного зварювання при розрахунку електродинамічної стійкості контактів ударний струм, як уже відмічалось розраховується по формулі 7.3.

7.3 Зношування контактів при їх розмиканні

7.3.1 Електрична ерозія

Під зношуванням контактів розуміють руйнування їх поверхні, що приводить до зміни їх форми, розміру, маси.

Зношування поділяють по виду ерозій на:

1. хімічну (корозія) ерозію (окислення, утворення плівок на електродах хімічних з’єднань);

2. механічну ерозію (механічне руйнування поверхні контактів);

3. електричну ерозію (перенос матеріалу з одного контакту на інший при проходженні електричного струму).

Електрична ерозія особливо небезпечна при постійному струмі. Напрямок переносу речовини в цьому випадку є постійним, що веде до швидкого виходу контактів із ладу. Якщо матеріал переноситься з аноду на катод, то така ерозія називається анодною, а якщо навпаки, то катодною.

Міра ерозії – втрата маси або об’єму контакта.

Схема процесу виглядає так:

В процесі розмикання контактів контактне натискання зменшується, перехідний опір збільшується, F_к<; R_к> і за рахунок цього зростає температура точок дотику. Площадка дотику сильно розігрівається, до температури плавлення, утворюється між контактами місток із рідкого металу. При подальшому русі контактів місток обривається і виникає дуговий або тліючий розряд. Якщо < (наприклад для міді < 0.43 A) при U=270÷330 В, виникає тліючий розряд або іскра, для вольфраму розряд спостерігається при <0.9 А.

7.3.2 Ерозія контактів при малих струмах

Ерозія контактів при малих струмах обумовлена тим, що руйнування рідкого контактного перешийка відбувається не всередині, а з одного із країв контакту. Як показують досліди розрив розплавленої маси відбувається ближче до аноду, як правило. Внаслідок цього більше зношується анод.

Величина ерозії пропорційна кількості електрики, що проходить через контакти за час іскри і залежить від властивостей матеріалу контактів.

Зниження ерозії досягають:

А. застосування ерозійно-стійких матеріалів;

б) шунтуванням контактів іскрогасящими -колами. В цьому випадку частина енергії кола іде на заряд конденсатора. Тривалість іскрового розряду суттєво зменшується. Однак, при великих ємностях, при замиканні може відбутись в такому випадку розряд конденсаторів на контактах (що ще не замкнуті, але наблизились між собою) і, як наслідок, зварювання контактів.

Для боротьби з ерозією при малих струмах застосовують:

1. використання дугостійких матеріалів, щоб не допустити розвитку дуги в процесі розмикання контактів;

1. вмикання паралельно до контакту конденсатора ( при цьому частина енергії відводиться на конденсатор).

7.3.3 Зношування контактів при великих струмах та боротьба із ерозією

Зношування контактів при великих струмах відбувається як при їх замиканні, так і при їх розмиканні, і залежить від багатьох змінних факторів. До сьогодні немає аналітичного виразу для розрахунку величини зношування.

При орієнтовних розрахунках треба пам’ятати, що зношування контактів пропорційне величині струму. При І>5 А хороші результати дає формула Кузнєцова (основним параметром зношуваного контакту є маса втраченого контакту):

де – маса зношування контакта;

– сила струму вимикання;

– кількість вмикань – вимикань контакту;

– коефіцієнт зношування ((1 – 200)·10^-6 Г/А²).

При струмах І ≤ 5 А строк служби контактів визначається формулою:

де – об’єм контакту, призначений на зношування;

– густина матеріалу контакту;

– час гасіння дуги;

– коефіцієнт зношування (К~(1 – 20)·10^-9 кг/Кл.

Для боротьби із ерозією на струми від 1А до 600А необхідно:

1. скорочувати час горіння дуги за допомогою дугогасящих пристроїв;

2. боротись із тремтінням контактів, що виникають при замиканні. Це досягається за допомогою зменшення маси рухомих контактів і швидкості їх замикання, а також збільшенням початкового натискання і жорсткості пружини. Останнє приведе до росту протидії відкиданню контактів, зменшить амплітуду відхилень.

3. застосування (як і у випадку малих струмів) дугостійких контактів.

7.4 Конструктивна форма контактів і контактних з’єднань.

7.4.1 Найважливіші параметри контактних конструкцій

Класифікація контактів проводиться по декількох напрямках. Із яких можна виділити:

1. класифікацію на розбірні і нерозбірні; рухомі контакти, що не розмикаються і рухомі контакти, що розмикаються (розривні контакти); рідко-металічні контакти;

2. контактні системи, що визначаються струмом, який проходить через контакти, і напругою сітки. У випадку (б) контактні системи електричних апаратів поділяються на три характерних групи:

1. – апаратів релейного типу (струми не > 5 A, напруги – сотні вольт);

2. – контакти апаратів керування і розподільних систем (і~сотень-тисяч А; U_сітки~тисяч B);

3. I~: десятків кА, U_c → сотень кВ.

Приклад контактів I групи – рис. 7.5 (а), ІІ групи – рис. 7.5 (б), ІІІ групи – рис. 7.5(в).

В пластинчастих пружинчастих контактах реле (застосовуються) контактні накладки 1 різної форми, що встановлені на струмоведучих пластинах 2.

Стальна пружина 3 створює попередню деформацію верхньої частини, так що уже в момент дотикання контактів створюється необхідна сила натискання на контакт. В залежності від форми контактних накладок 1 контакт здійснюється по площині, лінії або в точці.

7.4.2 Конструкції контактних вузлів і їх типи

Уже відмічалось, що класифікація контактів і вузлів проводиться по декількох напрямках, в тому числі в залежності від сили струму. В свою чергу контактні вузли на середні і великі струми можна поділити на 5 основних типів:

1. Важільні.

2. Мостикові.

3. Врубні.

4. Роликові.

5. Розеточні.

Вони можуть бути одноступінчасті і багатоступінчасті.

В одноступінчастому контакті контактна пара служить як для тривалого протікання струму, так і для розриву дуги при розмиканні.

Для багатоступінчастих контактних груп характерним є поділ на основні, що покривають сріблом (аргентумом), і служать для пропускання струму в стаціонарному режимі і дугогасящі, що виконуються із дугостійких матеріалів і відіграють основну роль при вмиканні і вимиканні. Замикаються контакти так: спочатку дугогасящі, потім – основні.

А вимикаються в зворотній послідовності: основні – дугогасящі. При розмиканні розриву спочатку не відбувається – струм тече через дугогасящі контакти, а потім розмикаються дугогасящі, на яких виникає дуга. Іноді додають паралельно ще і проміжні контакти. На рис. 7.5 – 7.7. показано різні типи контактів.

Мостикові контакти застосовують в прямоходових рухомих системах (див. рис. 7.6).

1. Слабострумовий контакт (показано на рис 7.5 (а)) складається із:

1) контактної накладки;

2) струмоведучих пластинчастих пружин;

3) стальних пружин для попередньої деформації верхньої пружини.

2. Важільний контакт (рис. 7.5 (б)). Нажим здійснюється силою контактної пружини. У важільних контактах роблять перекат, щоб зменшити вплив шороховатості контактів. Шороховатість збільшує опір контактів.

3. Розеточний контакт (рис. 7.5 (в)) утворений сегментами 2 навколо струмоведучого контакту 1, який при розриванні кола відходить від сегментів.

4. Роликовий контакт (рис. 7.5 (г)) служить для знімання струму з нерухомих деталей. Застосовують при великих переміщеннях і великих струмах.

5. Врубний контакт (рис. 7.5 (д)). Врубні контакти мають ніж (нерухомий контакт), пружину, ламель (рухомий контакт).

Контакти поділяються також на:

2. твердометалічні;

3. рідкометалічні.

Характеристикою контактів є:

1. зазор – найкоротша відстань між розімкнутими контактуючими поверхнями рухомого і нерухомого контактів; зазор вибирається із умови гасіння дуги при малих струмах;

2. провал. Оскільки при роботі контакти зношуються, то для забезпечення нормальної роботи кінематика електричних апаратів виконана таким чином, щоб забезпечити якість контакту після певного зношування. Для цього контакти дотикають раніше, ніж система доходить до упора. Якщо при замкнутому положенні рухомої системи забрати нерухомий контакт, то рухомий посунеться на відстань, що називається провалом. Провалом визначається запас на зношування контактів при заданій кількості їх спрацювань.

3. контактний нажим – сила, що стискає контакти в місці їх дотику. Ця сила по мірі зношування контактів зменшується;

4. додатковий стиск пружини – забезпечує провал. По мірі зношування додатковий стиск пружини зменшується, працездатність контакту погіршується.

Недоліки твердометалічних контактів:

1. окислення поверхні, що веде до їх зварювання і зменшення їх надійності;

2. ерозія;

3. чим більший номінальний струм, тим більша сила контактного натискання необхідна. При великих струмах КЗ контактні натискання вимагають великих значень сили, що збільшує необхідну потужність привода апарату, його габарити і масу.

Цих вад немає в рідкометалічних контактах. Вони можуть працювати в умовах зовнішніх високих тисків, температур, глибокого вакууму; в них відсутнє зношення і окислення, вони мають малий перехідний опір, а тому можуть працювати при високих густинах струмів ( А/см²).

Недоліки:

1. обмеженість температурного інтервалу (не можуть працювати при низьких температурах);

2. небезпечність з точки зору техніки безпеки (ртуть, галій).

7.5 Способи компенсації електродинамічних сил в контактах

Контакти можна представити як провідники змінного перерізу, в місці звуження яких виникають повздовжні електродинамічні зусилля, що намагаються розімкнути контакт.

В апаратах на великі струми намагаються виконати таку контактну систему, щоб компенсувати або послабити дію електродинамічних сил. Наприклад, в так званій мостиковій схемі на рис. 7.6 показано напрямок протікання струму та напрямок дії сили. В цьому випадку електродинамічні сили F, прижимають контакт до перемички.

– важільний контакт:

1,2 – нерухомий контакт (складається з двох частин);

4 – рухомий контакт;

3 – пружинний контакт.

Для електродинамічної компенсації контактів важільного типу нерухомий контакт роблять із двох частин (1,2) з’єднаних шарнірно. Рух частин в нейтральному положенні утримується двома пружинами (3), що діють одна на зустріч другій. Електродинамічна сила намагається розсунути контактні паралельні пластини (2) контакту і (1); підібравши довжину певним чином, можна зробити так, що контакт (2) буде прижиматись до рухомого контакту і контактне натискання буде зростати.

Інша конструкція мостикової схеми, для компенсації електродинамічних сил приведена на рис. 7.8.

7.6 Задача

Визначити контактне натискання при тривалому струмі 1000 А і струмі короткого замикання 30 кА, якщо контакти утворені двома торцевими поверхнями мідних циліндрів із діаметром 0.03 м.

Температура оточуючого середовища . Коефіцієнт теплопровідності міді . Твердість по Вікерсу , . Вважати, що допустима температура (номінальна) 70. Коефіцієнт – це коефіцієнт, який враховує зв’язок між ударним струмом і силою контактного прижиму.

8. Вимикання електричного кола постійного і змінного струму

Велика група електричних апаратів – комутаційні пристрої, за допомогою яких вимикаються електричні кола. Процес вимикання при різних умовах розглянуто в даному розділі.

8.1 Загальна характеристика вимикання електричних кіл. Відновлювана напруга та відновлювана міцність. Умова вимикання кола апарату

Характер процесів при відключенні електричного кола змінного і постійного струму показано на рис. 8.1, 8.2:

По осі абсцис відкладено час t, а по осі ординат значення напруги та струму в різні моменти часу.

Uc – напруга сітки;

I₀ – струм в колі;

U_Bм – відновлювана міцність;

МРК – момент розмикання контакту.

U_к − спад напруги на контакті (рис. 8.2);

Електричний розряд в контактних апаратах, що виникає при розмиканні контактів, приводить до зношення контактів, і в значній мірі це визначає надійність і тривалість роботи апарату. Розряд зв’язаний із електромагнітною енергією, що запасається в індуктивності при вимиканні кола. В контактних апаратах комутуючим елементом є електрична дуга або інший вид газового розряду, що виникає при вимиканні. Електромагнітна енергія кола перетворюється в цих комутуючих елементах в теплову енергію, яка розсіюється в просторі. В цьому полягає позитивна роль дуги. Якби дуга не виникала, то електромагнітна енергія поля перетворювалася би в електростатичну енергію і виникала область перенапруги недопустимої величини, а коло неможливо було б відключити. Коли апарат ввімкнений, то спад напруги на комутуючих елементах складає долі вольта – в контактних апаратах і вольти в безконтактних.

Якщо апарат розірве коло, напруга на його комутуючому елементі стане рівною напрузі джерела живлення. Таким чином, в процесі вимикання апарату напруга на комутуючому елементі буде різко зростати від дуже малих до дуже великих значень.

Напруга на комутуючому органі, що наростає в процесі вимикання апарату називається відновлюваною напругою.

При вимиканні кола комутуючий орган переходить із стану провідника електричного струму в стан діелектрика. Характерна комутуючому органу зростаюча в часі при вимиканні електрична міцність називається відновлюваною міцністю (визначається в даний момент часу максимальною напругою, що може витримати без пробою комутуючий орган). Щоб успішно відключити електричне коло, необхідно створити в вимикаючому апараті такі умови, при яких його відновлювана міцність була б вищою за наростаючу на ньому відновлювану напругу.

- умова вимикання кола.

Розглянемо трифазне коло. Припустимо, що наше коло має індуктивний характер.

Поскільки коло – чисто індуктивне, то , і при проходженні струму фази А через 0 миттєве значення е.р.с. в цій фазі дорівнює амплітуді, а е.р.с. фаз В і С – 0.5 амплітуди.

Тоді миттєве значення напруги промислової частоти на розриві А дорівнює:

Частоти коливань у верхньому та нижньому контурі однакові:

Індуктивність .

Якщо виразити струм через і напругу , то матимемо:

Підставимо у формулу такі числові значення величин і знайдемо індуктивність.

Гн

Відомо, що при підвищеній частоті індуктивність зменшується на 30%, тоді 0.7·0.126=0.088Гн.

А загальна ємність фази пФ

Частота =Гц.

Середня швидкість відновлення напруги:

.

Після вимикання фази А в наступний нуль струму гаситься дуга у фазах В і С (рис. в.). В фазах В і С приймемо, що напруга поділяється порівну. Тоді:

.

Порівняння швидкостей відновлення напруги у фазах А, В і С показує, що вимикання фаз В і С іде в більш легких умовах, ніж у фазі А: швидкість наростання напруги в рази менша.

8.2 Стадії в міжконтактному проміжку при вимиканні кола. Дуга і її властивості

При вимиканні електричного кола із струмом в міжконтактному проміжку проходять наступні стадії:

1. початок вимикання, якому відповідає стан металічного провідника (замкнутий стан контактів);

2. утворення розплавленого металічного містка в початковій стадії розходження контактів, що супроводжується, внаслідок зменшення сили натискання, збільшенням перехідного опору і ростом виділення тепла в контакті;

3. вибух металічного містка під дією великої концентрації теплової енергії в ньому;

4. утворення електричної дуги (іскри) між контактами апарату. В процесі її гасіння комутаційний орган за допомогою дугогасильної системи збільшує її електроопір;

1. перетворення проміжку в діелектрик, коли всі іонізовані частинки із проміжку розсіюються, і він стає ізолятором.

В процесі вимикання кола можливе виникнення тліючого або дугового розряду. Нагадаємо, що електричний розряд – це процес протікання електричного струму в газі. Він буває самостійним і несамостійним. Тліючий, дуговий, іскровий – це види самостійних розрядів.

Тліючий розряд виникає при розмиканні при І < 0.1 А і напругах 250 – 300 В. Це спостерігається в малопотужних реле, в більш потужних апаратах спостерігається розряд у вигляді електричної дуги. Дуговий розряд виникає в першу чергу внаслідок термоелектронної емісії. Електрони іонізують молекули газу.

Особливості дугового розряду:

1. має місце тільки при відносно великих густинах струмів і відносно невеликих напругах між електродами;

2. температура центральної частини дуги від 6000 до 25000 К;

3. густина струму при дуговому розряді від 100 до 1000;

4. спад напруги біля катода 10 – 20 В, і не залежить від струму.

Розрізняють три характерні області дугового розряду:

• прикатодна область;

• область стовпа дуги;

• прианодна область.

Області мають різну концентрацію носіїв, різну температуру, спад напруги та її градієнт. У короткої дуги, характерної для апаратів низької напруги, спад напруги на стовпі дуги є малим в порівнянні із спадом напруги (в сумі) у катода і анода. У довгої дуги, характерної для апаратів високої напруги – навпаки, тому біляелектродним спадом можна знехтувати.

8.3 Статична і динамічна вольтамперна характеристика (ВАХ) дуги. Умови стабільного горіння та гасіння дуги

На рис. 8.3 приведено типову схему кола, що вимикається, для апаратів, коли коло підключено до джерела з напругою . Послідовно з’єднані опір , комутуючий елемент апарату, індуктивність L. Опір R_Ш – опір розтікання по ізоляції, або опір комутуючого елемента в момент відновлення напруги. Ємність C включає ємність провідників, струмоведучих частин і т.д.

Як правило, R_Ш – дуже великий (кіло- і мегаоми), а C – мала – долі мікрофарад. Якщо вважати, що R_Ш → ∞, а C → 0, то отримаємо схему, представлену на рис. 8.5.

Розрізняють ВАХ статичну і ВАХ динамічну. ВАХ, що знята при повільній змінні струму називається статичною. Динамічні характеристики – це характеристики, які знімаються, коли швидкість струмозміни є великою і внаслідок теплової інерції дугового стовпа зміна опору дуги не встигає за струмом. Тому динамічних характеристик є багато, в залежності від швидкості наростання струму, а статична характеристика є одна (див. рис.8.4). Як видно із рисунка, статична характеристика іде вище і крутіше. Для схеми рис.8.5 можна записати:

1) (8.1)

2) (8.2) (а)

3) (б)

Розглянемо рис.8.6.

1– напруга джерела U_C;

2 – спад напруги на активному опорі (відраховується від прямої 1);

3 – ВАХ-дуги.

Точки а і б – точки, де виконується рівність (8.3).

При стабільно „горящій” дузі =0, тому

4) (8.3)

Проаналізуємо графічний розв’язок рівняннь (8.2), (8.3), представлені на рис. 8.6.

Стан дуги в точках (а), (б) для нашого випадку є рівноважним.

1. якщо коло складається з R, L, то для будь-якого моменту часу процес описується в загальному формулою 8.2 (а), або для дуги – 8.2 (б);

2. при стабільно горящій дузі формула 8.2 переходить у формулу 8.3;

3. для того, щоб дуга погасла необхідно, щоб струм з часом зменшувався, тобто було <0.

4. В нашому випадку це означає, що при ; ; <0 (бо <0). З урахуванням знаків це показує, що, якщо по якійсь причині струм стане менше і_а, то він впаде до нуля. Дуга погасне;

5. якщо по якійсь причині струм стане дещо більше і_а, то отримаємо . Тобто в колі з’явиться „надлишкова” напруга, яка приведе до зростання струму до значення І_б. Між точками а і б >0. Зростання струму супроводжується накопиченням енергії.

6. при струмі для підтримки цього струму напруги недостатньо, і струм впаде до значення його в т. (б). Дуга буде горіти стабільно, коли І=І_б.

Для гасіння дуги необхідно, щоб виконувалась умова:

Це означає: якщо забезпечити такий режим, що ВАХ лежить вище , то дуга обов’язково загаситься.

Це твердження відповідає загальному правилу, яке описує процес вимикання кола.

Апарат вимикає коло, а комутуючий елемент стає діелектриком, якщо його електрична міцність в процесі вимикання вища напруги на ньому.

На рис. 8.8 якісно показано залежність від часу відновлювальної міцності (U_Bм) і напруги (U_вн).

Особливості горіння і гасіння дуги змінного струму при вимиканні (попередні відомості)

Якщо навантаження в колі активне, то cos=1. При цьому залежність від часу буде такою, як показано на рис. 8.9. Опір дуги носить активний характер.

Для активного характеру навантаження процес протікає наступним чином:

1. В момент появи струму різко наростає напруга на дузі і досягає значення напруги запалювання. Із ростом струму спад напруги на дузі падає і досягає мінімуму при .

2. Після цього напруга дуги зростає і досягає напруги гасіння.

3. Якщо струм вимикається, то відбувається гасіння. Якщо струм продовжує проходити, то ця система відновлює попередній стан і, горіння дуги продовжується.

Згасне чи не згасне дуга залежить від процесу деіонізації, який в свою чергу залежить від того, які властивості має дуговий розряд (довжина дуги, величина концентрації іонів в дузі) і відношення фаз між напругою і струмом. Якщо наростання опору в проміжку стовпа дуги буде випереджувати наростання напруги в цьому проміжку, то дуга погасне. Якщо ж наростання опору в проміжку буде іти повільніше, то може відбуватися повторне запалювання дуги (рис.8.9).

При гасінні дуги процес відновлення напруги на дуговому проміжку може носити аперіодичний і періодичний характер. Зв’язане це з накопиченням та перерозподілом електромагнітної енергії в контурі, що утворено індуктивністю, ємністю кола сітки і дугою при аперіодичному характері – дуга гаситься за 1 період.

9. Відновлювана міцність та особливості горіння дуги

Розглянемо детальніше процес відновлювання електричної міцності та особливості горіння і параметри дуги при різних умовах.

9.1 Відновлювана міцність та її стадії відновлення.

Закономірності наростання в часі відновлюваної міцності міжконтактного проміжку апарату є основною характеристикою дугогасильного пристрою.

Електрична міцність, що утворюється в процесі вимикання кола, називається відновлюваною міцністю.

В процесі відновлення електричної міцності комутуючий орган і його міжконтактний проміжок перетворюється із провідника електричного струму в діелектрик.

(Перехід метал – діелектрик)

Процес розбивається на характерні стадії (див. рис. 9.1):

В стадії I – горіння дуги – міжконтактний проміжок теж має певну міцність, під якою розуміють значення напруги, необхідної для підтримання незмінної провідності дугового стовпа.

Це поняття базується на наступному: якщо потужність, яка підводиться до дуги, що дорівнює більше потужності, яка відводиться від дуги, то дуга буде існувати.

Якщо ж навпаки, відводитись буде більша потужність, ніж підводитись, то умови існування дуги порушуються, і вона гаситься. При рівності цих величин – дуга знаходиться в стійкому стані.

Звідси (9.1)

- потужність, що відводиться від дуги з одиниці її довжини.

Найбільш інтенсивне зростання і великі значення відновлюваної напруги досягають в недугових стадіях газового розряду, коли в процесі вимикання кола струм уже не проходить, а лише безпосередньо за переходом струму через нульове значення по проміжку проходить невеликий залишковий струм (~мА).

В стадії II відновлювана міцність утворюється на приелектродних ділянках, а її зростання визначається відведенням теплоти в контактні елементи. Для II стадії характерним є тліючий розряд: величини міцності співрозмірні із катодним падінням при цьому розряді.

В III стадії міцність відновлюється на довжині стовпа газового розряду, що закінчується руйнуванням стовпа і його перетворенням в ізолятор (IV стадія).

Математична теорія відновлюваної міцності ще не розроблена. Тому достовірним є лише її експериментальне визначення по величині пробивної напруги, що викликає пробій проміжку в той, чи інший момент часу в стадіях II – IV.

Варіант експерименту по дослідженню відновлюваної міцності показано на рис 9.2.

Кожна точка U₁, U₂, U₃ окремих кривих U(t) характеризує певну точку лінії пробою проміжка між електродами. Міняючи ємність С, міняємо U_пробоя і час t_пробоя , при сталому , будуємо криву U(t).

9.2 Загальні характеристики дуги

9.2.1 Електрична міцність. Теплова стала дуги. Перенапруга. Швидкість відновлення напруги

Як уже відмічалось, з інженерної точки зору найбільш важливою характеристикою апарату, що вимикає, є притаманна комутуючому елементу електрична міцність.

Вона протистоїть наростанню на комутуючому елементі напруги.

Нагадаємо ще раз загальне правило: апарат вимикає коло, а комутуючий елемент стає діелектриком, якщо його електрична міцність в процесі вимикання вище напруги на ньому. Якісно це показано на рис.9.3.

U_{В. міц} – відновлювана міцність;

U_відн – відновлювана напруга.

Після моменту t_кр відновлювана напруга, коливаючись, затухає, наближаючись до U₀.

t_кр =, (9.1)

де – власна частота кола.

Важливими характеристиками також є наступні:

а) Теплова стала часу дуги – час протягом якого дуга змінює свій опір в е раз ( ~ 10 – 1000мкс).

б) Питома відведена потужність – інтенсивність відбору тепла від одиниці довжини дуги (Р₀~ 100 – 10⁴ Вт/см).

в) Середня швидкість відновлення напруги – величина, яка визначається похідною:

, (9.2)

де – напруга, що з’являється на контактах після проходження струму через нуль.

– коефіцієнт амплітуди відновлюваної напруги = 1.0 ÷ 2.0.

– напруга джерела струму в момент переходу струму через нульове значення. Збільшення напруги на контактах відносно напруги джерела живлення називається перенапругою. Чим більші індуктивність та швидкість спаду струму, тим більша перенапруга.

,

де – кут зсуву фаз між струмом і напругою.

– коефіцієнт схеми = 1.5 для 3-ох фазної і = 1.73 для 1-о фазної схеми.

г) Власна частота кола :

Припустимо, що напруга сітки ще не відключена (генератор працює, контакти розійшлись, а навантаження – ємнісне). Якщо міцність між контактного проміжку недостатня, то відбуватимуться пробої проміжку. Повторні пробої проміжку в контактах високовольтних установок ведуть до небезпечних перенапруг на конденсаторах кола.

9.2.2 Опір і потужність дуги. Енергія, що виділяється в дузі

Опір дуги , незалежно від роду струму, можна вважати активним.

Він є змінною величиною, падає із ростом струму і може бути визначений із ВАХ дуги. .

Потужність дуги (9.3).

Енергія, що виділяється в дузі за час її горіння:

(9.4).

Для вимикаючих апаратів суттєво знати цю енергію за одне вимикання.

Із формули (8.2) відомо, що

(9.5).

Тому: ,

де ,

– початкове значення струму.

Підставимо в формулу (9.4) і отримаємо:

,

де – енергія магнітного поля кола;

– енергія, що поступає від генератора в дугу за час її горіння.

Таким чином, незалежно від способу гасіння дуги постійного струму в ній виділяється енергія, що запасена в магнітному полі кола, яке вимикаємо, плюс ще енергія, яка поступить від генератора під час горіння дуги (в стійко горящій дузі, (коли ) вся енергія, що виділяється в дузі, поступає від генератора).

Зміну струму в дузі при вимиканні можна характеризувати емпіричною формулою:

де – час гасіння;

n – деяка стала для даних умов, може бути >1 і <1, в залежності від типу дугогасящих засобів

Енергія, що виділяється в дузі при вимиканні постійного струму:

де =0 ÷ 5;

– стала часу кола, яке вимикається.

Для дуги, коли в колі тече змінний струм, якщо гасіння відбувається в момент переходу струму через нуль, виділяється тільки енергія

де – число періодів гасіння дуги;

f – частота.

9.3. Особливості горіння і гасіння дуги змінного струму при вимиканні активного навантаження

Якщо для гасіння постійного струму необхідно, щоб струм впав до нуля, то при змінному струмі струм в дузі, незалежно від ступеня іонізації дугового проміжку, переходить через нуль кожен напівперіод. Тобто кожен напівперіод дуга гаситься і запалюється знову. При цьому задача гасіння дуги дещо полегшується. Тут треба створити умови, щоб струм не поновився після проходження через 0.

Криві зміни струму і напруги на дуговому проміжку при змінному струмі показано на рис 9.4.

В момент появи струму різко зростає напруга на дузі і досягає . Із ростом струму спад напруги на дузі падає і досягає мінімуму при . При цьому зростає і досягає , коли .

Вольт-амперна характеристика дуги змінного струму за період приведена на рис. 9.5. Напруга запалювання залежить від сили струму і при більших струмах вона є меншою. При змінному струмі температура дуги – змінна величина. При переході через нуль струму відбувається зниження температури дуги; відбувається деіонізація, гасіння полегшується.

При переході через нуль струм в дузі змінюється за законом, відмінному від sin: .

Трохи раніше моменту природного переходу через нуль струм в дузі падає майже до нуля, а після переходу через нуль скачком знову досягає свого значення (рис. 9.6.).

Суцільною лінією показано дійсний хід струму за час так званої „безструмової паузи” (), коли відбувається деіонізіція дугового проміжку.

При більшій індуктивності пауза менша і навпаки (~).

Інтенсивна деіонізація приводить до зменшення провідності дугового проміжку. Чим більше проміжок деіонізується, тим більше треба напругу для його пробоя і повторного запалювання дуги.

Умова гасіння дуги змінного струму може бути сформульована так:

Якщо наростання опору проміжку, що виражено його пробивною напругою (крива 1 рис 9.7.), буде випереджувати наростання напруги на цьому проміжку (крива 2), то дуга погасне при переході струму через нуль.

Якщо ж наростання опору проміжку піде повільніше (крива 3), то в момент часу, що відповідає точці 0 відбудеться повторне запалювання дуги, в колі з’явиться струм і відповідний йому спад напруги на дузі (крива 4).

При гасінні дуги напруга на дуговому проміжку зростає від напруги гасіння дуги до відповідного значення миттєвої напруги сітки або е.р.с. джерела струму. Цей процес носить назву відновлення напруги на дуговому проміжку.

9.4 Вимикання індуктивного кола змінного струму

Процес гасіння дуги в колі з великою індуктивністю, при , відповідає випадку, коли струм відстає від напруги практично на 90. Явище є характерним для режиму короткого замикання в промислових сітках змінного струму. Процес відновлення напруги здійснюється за короткий проміжок часу ~ десятків або сотень мкс е.р.с. джерела струму, що змінюється із частотою 50 Гц (тобто T=0.02 c.=20 мс=2·10⁴ мкс.), за такий час можна приймати сталою. Миттєва е.р.с. джерела , що відповідає перехідному процесу на дуговому проміжку, носить назву відновлюваної напруги промислової частоти. Відновлення напруги на дуговому проміжку може відбуватись аперіодично (рис. 9.8.а.), або через коливальний процес (рис. 9.8.б.).

В першому випадку, при аперіодичному процесі, напруга не може бути більшою е.р.с. джерела .

В другому випадку відновлювана напруга може теоретично бути нескінченно велика, а практично вона не перевищує 2. Частота, період і амплітуда коливань залежать від індуктивності, ємності, опору джерела та сітки. Частота, як правило, лежить в межах 1–2·10³ Гц. Для активного навантаження струм і напруга співпадають по фазі із е.р.с. Струм і е.р.с. переходять через нуль одночасно – відновлювана напруга проміжку є рівною нулю. Тим самим вимикання активного навантаження проходить суттєво легше, ніж індуктивної. (рис. 9.8.в.).

9.4 Вимикання змінного струму трьохфазної сітки

При вимиканні апаратом трифазного струму особливості процесу обумовлені тим, що струми в кожній із фаз проходять через 0 не одночасно, а із зсувом в часі. Характер процесу відключення трьохфазних індуктивних кіл пояснено на рис. 9.9. Припустимо, що в момент часу t₀ усі три полюси

апарату розмикаються і на них виникають дуги.

1. Струм I фази i₁, що першим проходить через нуль, в момент часу t₁ переривається і в подальшому лишається рівним нулю. По двох інших фазах проходять струми i₂ і i₃, які мають стати рівними за величиною і знаходяться в протифазі.

2. В момент зникнення струму i₁ відбувається скачкоподібна зміна фази і двох інших струмів, що лишились. Їх вектори змінять положення і будуть протилежними.

3. Амплітуди струмів i₂ і i₃ зменшуються в раз.

4. Починаючи з моменту часу t₁, їх миттєві значення змінюються за синусоїдним законом.

5. В момент часу t_2-3 обидва струми досягають нульового значення. Відбувається остаточне вимикання трифазного кола, дуги на полюсах 2 та 3 обриваються.

6. Характер зміни напруг на полюсах наступний: в момент t₁, коли струм i₁ припиняється, вектори напруг і змінюються скачком. Вони тепер в протифазі одна до другої. Напруга , яка діє в фазі, що відключається першою, скачком зростає в 1.5, на величину .

7. Таким чином, напруга на I-му полюсі буде відновлюватись від нуля до 3/2 .

8. В момент остаточного розриву трихфазного кола (це – момент t_2-3) напруги на полюсах 2 та 3 відновлюються до значення .

9. Після вимикання двох останніх фаз векторна діаграма напруг приймає свій початковий вигляд. Причому зміна напруги відбувається скачком.

Цей опис характера процесів зроблено для трьохфазного короткого замикання. Вид навантаження Н може вплинути на характер процесів.

Так, при вимиканні двигунів в обмотках статора з’являється проти е.р.с., що знаходиться в проти фазі з напругою джерела. Це приводить до зменшення відновлюваної напруги.

В процесі гасіння дуги змінного струму до переходу його через нульове значення відновлювана міцність міжконтактного проміжку є невеликою у вимикаючого апарату і, звичайно, в цей час не створюється необхідних передумов для гасіння дуги.

Інтенсивний ріст міцності наступає за переходом струму через нуль. Тому загальна умова гасіння дуги при змінному струмі відноситься до цієї стадії процесу.

Умова гасіння дуги змінного струму, що відноситься до розрахунку дугогасящих пристроїв формулюється так: дуга змінного струму буде погашена, якщо за переходом струму через нульове значення крива відновлюваної міцності міжконтактного проміжку вимикаючого апарату буде лежати вище кривої відновлюваної напруги на цьому проміжку.

Це – фактично повторення з певними уточненнями того, що було сказано в лекції 8, та на початку даної лекції, і є основним правилом для різних типів апаратів та кіл.

10. Дугогасіння. Дугогасильні решітки та камери

10.1 Загальні принципи гасіння дуги

На рис. 10.1 показано ВАХ дуги, в послідовно з’єднаному R, L колі, та характер розподілу потенціалу вздовж дуги від аноду до катоду. Відомо, що умова – умова гасіння дуги.

Тобто, для гасіння дуги необхідно створювати такі умови, щоб спад напруги на дузі був більшим за напругу сітки. Гасити дугу можна кількома шляхами; використовуючи особливості розподілу напруги в областях між анодом і катодом. Для цього можна:

5. збільшити довжину дуги, розтягувати її;

6. діяти на повздовжній градієнт напруги на дуговому проміжку;

7. використовувати приелектродний спад напруги.

Головним іонізуючим фактором, що підтримує горіння дуги є термічна іонізація. Звідси випливає ідея гасіння дуги за рахунок її охолодження, бо при охолодженні знижується іонізація, а значить, дуговий стовп руйнується, бо існування стовпа зв’язане з термоелектронною емісією, іонізацією, рекомбінацією та дифузією частинок в стовпі дуги.

Дугу можна обдувати газом або рідиною. Можна переміщати через нерухомий газ чи рідину. Ефект охолодження буде тим самим. Переміщують дугу за допомогою магнітного поля. Гасити дугу можна також шляхом підвищення тиску в об’ємі, де розвивається (існує) дуга. Тоді енергія дуги витрачається на розігрів цього газу і відповідно до цього вона гасне.

Гасіння дуги високим тиском, що створюється дугою в щільно закритих камерах, застосовується в плавких запобіжниках.

→

Для використання приелектродного спаду напруги потрібно створити дугогасящі пристрої із багатьма електродами. Це – дугогасящі решітки.

10.2 Гасіння відкритої дуги в магнітному полі. Швидкість руху дуги на різних ділянках

На дугу діють електродинамічні сили, і дуга рухається (рис. 10.2).

Сила Ампера, коли магнітне поле є перпендикулярним до осі дуги, визначається формулою:

.

Сила тертя, що діє при русі дуги, пропорційна квадрату швидкості:

,

де – коефіцієнт пропорційності.

Звідси – швидкість руху дуги. (10.1)

В радіальному магнітному полі (рис. 10.3) дуга буде рухатись по спіралі, дуга не стабільна.

Чим швидше рухається дуга, тим більший градієнт напруги в стволі дуги.

Для забезпечення переміщення дуги магнітне поле повинне бути перпендикулярним до осі дуги. Рівняння (10.1) дає якісну картину швидкості руху дуги, як функцію сили струму і магнітного поля. Як видно із 10.1, швидкість руху дуги прямопропорційна кореню квадратному із добутку сили струму на магнітну індукцію.

Розглянемо залежність швидкості руху від довжини дуги. Вона поділяється на три ділянки (рис. 10.4):

1. ділянка: прикатодна (її довжина від 0.5 до 2 мм.) тут існує не дуга, а перешийок із розплавленого металу; l_I ≥ 0.5 мм. Залежить від типу електродів. Для мідних ~ 1 мм, для стальних – 2 мм;

2. ділянка: перехідна. На ній існує крапельно-рідкий стан і плюс дуга. Якщо на першій ділянці швидкість дуже мала, то на другій швидкість різко зростає, що сприяє умовам гасіння дуги і зменшує руйнування контактів;

3. ділянка: „власне дуга”. Під дією власного магнітного поля дуга намагається звернутись в спіраль, а зустрічний потік повітря намагається її розщепити. Гальмуюча дія цих факторів впливає на швидкість руху дуги.

10.3 Повздовжня щілина. Щілина з декількома перегородками

Дугу потрібно не просто гасити, а гасити в малому об’ємі, за короткий час, при малому зношуванні апарату.

На рис. 10.5 представлена схематично повздовжня щілина, яка широко застосовується в сучасних апаратах.

І – зона охолодження дуги.

ІІ – зона розширення.

Вісь щілини співпадає по напряму із віссю дуги.

Щілина являє собою камеру між двома теплоізоляційними стінками. У вузькій верхній частині камери на ділянці І дуга віддає свою енергію ізоляційним стінкам і охолоджується.

ІІ ділянка більш широка – служить для втягування дуги в щілину. Якщо зробити декілька щілин, то отримаємо гребінку. Щілина з декількома перегородками більш ефективна при великих струмах.

Форма щілин може бути різною (рис.10.6. а,б).

Для гасіння найбільш ефективною є щілина лабіринт (хвилястої форми) (рис. 10.6.б). Лабіринтні камери, наприклад, застосовують в дугових пристроях контакторів постійного струму.

10.4 Системи магнітного дуття

Магнітне дуття, тобто переміщення електричної дуги, може бути отримане декількома шляхами:

1. за допомогою котушки, що вмикається послідовно з контактами, між якими виникає дуга (рис. 10.7);

2. за допомогою котушки, що вмикається паралельно до напруги (рис. 10.8);

3. за допомогою постійних магнітів (рис. 10.9).

1 – стальний магнітопровід;

2,3 – рухомий і нерухомий контакт.

10.5 Дугогасильна решітка

Дугогасильна решітка – це одна із найбільш поширених дугогасильних камер.

Складається із ряду металічних пластин, закріплених в ізоляційних стінках. Дуга, що виникає на контактах, видувається на пластини решітки і внаслідок хорошої теплопровідності підвищується інтенсивність охолодження дуги.

Під дією електромагнітних сил дуга „вганяється” в решітку і розбивається на ряд коротких дуг. Біля кожної пластини виникає спад напруги. Гасіння дуги відбувається за рахунок сумування приелектродних напруг анодів. Ефективність дії в 7 – 8 раз більша для змінного струму в порівнянні із постійним.

10.6 Гасіння дуги в маслі

На рис. 10.11 представлена схема гасіння дуги в маслі

1 – електроди;

2 – бак;

А – стовбур дуги (серцевина);

Б – зона водневої оболонки;

В – зона розпаду;

Г – зона газу та пари.

Оскільки дуга має високу температуру (5000 – 6000), то вона випаровує оточуюче масло із утвореної навколо дуги газової оболонки, що складається на 70 – 80 % із водню. При чому водень має найвищі дугогасильні властивості серед всіх газів і найбільш тісно контактує із стовбуром дуги.

Гази, що виділяються із величезною швидкістю, забирають енергію дуги, викликають перемішування гарячого і холодного газу і, крім охолодження, викликають деіонізацію. Для підвищення процесу гасіння масло переміщують відносно дуги. В результаті цього збільшується градієнт напруги і прискорюється процес гасіння. Сам процес розкладання масла з утворенням газоподібної суміші відбирає від дуги до 35% енергії.

Середня температура парів та газоподібної суміші в камері ~ 2000 – 2500 К, а якщо без камери, то 800 – 1000 К, тобто в камері відведення енергії в 2.5 – 3 рази більше ніж у випадку, коли об’єм газової бульбашки не обмежений.

Сучасні масляні вимикачі використовують :

1. принцип дугогасіння із автодуттям (за рахунок енергії дуги);

2. дугогасіння з вимушеним дуттям, коли масло в зону гасіння подається за допомогою спеціальних гідравлічних механізмів, що працюють за рахунок стороннього джерела енергії.

10.7 Розрахункові формули дугогасильної системи

Нижче наведено найбільш вживані формули для розрахунку дугогасильних систем.

Формули розрахунку довжини дуги:

;

– напруга джерела;

– струм. що вимикається.

ВАХ дуги, що переміщається вільно в повітрі визначається за формулою:

;

≈2.12≈1.5 (при I<200 A);

≈37 (при I>200 A).

Час розтягу дуги до критичного значення (до гасіння).

– швидкість розходження контактів.

11. Електричні апарати низьковольтних схем.

11.1 Загальні відомості про апарати автоматичного дистанційного управління

Серед найбільш важливих апаратів, призначених для керування виділяють:

1. рубильники, перемикачі;

2. реле безконтактні;

3. командоапарати (кнопки пуску і вимикання);

4. електромагнітні контактори;

5. магнітні пускачі;

6. реле контактні;

7. контролери;

8. кнопки „ пуск”, „стоп”.

Основні задачі дистанційного керування:

1. Керування електричними колами електродвигунів постійного і змінного струму;

2. Керування комутацією в колах енергосіток.

Типовий приклад застосування одночасно всіх цих апаратів – це керування вмиканням і вимиканням електродвигунів, захист асинхронних двигунів, схеми обмеження ходу верстатів і т.д.

КУ, ЛК – контактори;

П – кнопка пуск;

С – кнопка стоп;

РН – реле напруги;

Я – якір;

К – контакт (ключ);

БК – блок-контакти контактора ЛК

На рис. 11.1 приведено приклад схеми керування двигуном постійного струму із незалежним збудженням.

Порядок вмикання двигуна:

1. Натискання кнопки П (пускової) приводить до спрацювання контактора ЛК.

2. При цьому якір двигуна виявляється під струмом, величина якого обмежена опором R₁.

3. В необхідний момент часу замикаються контакти К задаючого органу.

4. Вмикається контактор КУ, контакти якого шунтують опір R₁.

Момент замикання контактів К можна задавати різними способами, наприклад, по принципу часу (за допомогою реле часу, що не показано на схемі), коли контактор КУ включається цим реле часу через певну витримку часу після спрацювання контактора ЛУ.

5. Таким чином, двигун запускається.

11.2 Рубильники і перемикачі. Пакетні вимикачі

Рис.11.2. Рубильник із дугогасильною камерою

1. ніж рубильника;

2. нерухомий контакт;

3. дугогасильна камера;

4. ізоляційна основа;

5. важіль ручного приводу.

Рубильники застосовують при напругах до 400 В, номінальних струмах до сотень Ампер. Якщо необхідно застосовувати рубильники на 10 кА, то ставлять 10 паралельних ножів на полюс.

Рубильник з дугогасильною камерою на постійну напругу 400 В розрахований на постійний струм 0.5, а для змінної напруги при 380 В рубильником вмикають. I = і при 500 B – 0.5 (при наявності дугогасильної камери).

При відсутності дугогасильної камери при 220 В, постійний струм І=0.2, тобто в 5 раз менший.

Розраховуються рубильники на основі формул, відомих із теорії розрахунку стаціонарного режиму нагрівання провідників:

(для постійного струму)

На рис.11.3. показано пакетний вимикач. Він дозволяє одночасно здійснювати комутацію декількох працюючих кіл.

„Пакетник” складається із наступних частин:

1. основа;

2. вивід;

3. загальний вал;

4. кріпильна деталь;

5. корпус;

6. штоки;

7. пружини;

8. контактні містки;

9. контакт;

10. важіль.

Це – компактні електричні прилади, що призначені для складних перемикань в декількох колах.

Набираються із пакетів, із ізоляційних матеріалів, всередині знаходиться комутуючий прилад із загальним валом.

Контакти комутуючого пристрою приводяться в дію рукою. Це – апарати закритого типу. Дуга в них гаситься у закритому об’ємі V за рахунок внутрішньої енергії часу, що знаходиться в даному об’ємі.

, , звідси тиск .

Для покращення гасіння дуги всередину вміщують газогенеруючий матеріал.

Кількість операцій пакетника (вмикань і вимикань) 6 – 10 тисяч, іноді до 100 тис.

11.3 Командоапарати

Командоапарати – це одно або багатоступінчасті перемикаючі апарати, призначені для комутації розгалужених кіл. До них відносяться:

1. контролери (барабанні, кулачкові);

2. кнопки;

3. ключі керування;

4. шляхові і кільцеві вимикачі.

Контролери застосовують в схемах керування двигунами постійного і змінного струму. Можуть комутувати, як силові кола двигунів, так і кола котушок керування апаратів (котушок керування контакторів).

Розрізняють контролери таких типів:

1. барабанного;

2. кулачкового;

3. плоского.

Застосовуються барабанні контролери для комутування силових кіл двигунів постійного струму до 45 кВт і змінного струму до 75 кВт.

Барабанний контролер показано на рис. 11.4.

1– пружина;

2 – нерухомий контакт;

3,5,6 – рухомі контакти;

4 – вал.

Більш досконалим з точки зору зношення і комутації є кулачкові контролери, які дозволяють робити до 600 операцій за годину.

Шляхові і кінцеві вимикачі здійснюють комутацію кіл керування і автоматики на заданій ділянці шляху, по якій проходить керований механізм.

На рис. 11.5 показано кінцевий вимикач.

В його склад входять:

4,1 – рубильник;

2 – важіль;

3 – деталь (коромисло);

5 – фасонний кулачок;

6 – контактний місток;

7 – нерухомий контакт.

Він відноситься до типу командоапаратів, що застосовуються, наприклад, для зупинки верстату, або зміни напрямку руху його різця.

Контакти 6-7 розмикають коло в момент дотикання рубильника 1 до обмежувача М.

12.1. Контактори та їх вибір

Контактори – це електричні апарати, призначені для комутації силових кіл; замикання і розмикання контакторів здійснюється під дією електромагнітного привода. Вони призначені на струми від 1 А до 4000 А. Для комутації менших струмів використовують реле. Номінальні напруги контакторів: 220, 440, 750 В – при постійному струмі; 380, 660 В при змінному струмі.

При більших напругах використовують вимикачі високої напруги.

Контактори поділяються на контактори постійного і змінного струму.

Контактори марки:

1) ДС – (для постійного струму) і, як правило, приводять в дію електромагнітом постійного струму;

2) АС – (для змінного струму). Їх електромагніти можуть працювати як на постійному, так і змінному струмі.

Є 5 груп ДС: ДС-1, ДС-2, ДС-3...

4 групи АС: АС-1, АС-2...АС...

ДС-1, АС-1 – це контактори призначені для комутації кіл, в яких сам процес комутації обмежений (в основному активне навантаження).

Для найскладніших умов роботи (пуск електродвигунів із коротко замкненим ротором) використовують контактори АС-4.

ДС-4 використовують для пуску електродвигунів із послідовним збуджуванням і їх вимикання при повільному обертанні.

Основні частини контактора:

1 – головні контакти із контактною системою;

2 – дугогасящий пристрій;

3 – електромагніт;

4 – система допоміжних контактів.

Головні контакти включені в силову схему (коло) двигуна.

Втягуюча котушка вмикається в коло керуваня. Послідовно вона включена разом з кнопками „пуск” і „стоп.” Паралельно до „пуску” включається контактна кнопка (12). Основними технічними даними контакторів є:

- – номінальний струм головних контактів;

- – номінальна напруга кола, що комутується;

- – граничний струм, що вимикається;

- допустима кількість вимикань в годину;

- власний час вмикання і вимикання. На рис.12.1 показано умовну

схему дії контактора.

Контактор зображено в стані, коли він вимикає силове коло двигуна. В цьому випадку:

1. Напруга із котушки 16 і рухома частина осердя 15 під дією пружини 11, що створює силу F_в, знаходиться в нормальному стані.

2. Дуга Д між нормальними контактами гаситься в камері 5, що має ізоляційні перегородки 4. Ці перегородки розтягують дугу, збільшуючи її опір і довжину. Пластини 3 стоять на виході камери, що гасить полум’я. Вони зроблені із металу. Дугогасильна камера не дає іонізованим гарячим газам вийти за межі камери. Виходу дуги в камеру сприяє ввімкнена послідовно в коло головних контактів котушка 17 із осердям 1, яке підводить магнітне поле до зони горіння дуги. Взаємодія цього поля із струмом дуги приводить до появи сил, що втягують дугу в камеру. Матеріал камери 5 – асбоцемент, кераміка, асбодін і т. п.

3. При подачі напруги на зажими 13 відбувається вмикання контактора.

4. При вимиканні контактора пускова кнопка шунтується блок-контактами 12 контактора. Тому при відпусканні кнопки коло котушки 16 не буде розірвано, і контактор лишиться ввімкнутим. Пружина 8 створює „попередній” контакт (провалювання). Накладки 6 можуть бути виготовлені для покращення проходження струму із срібла.

Кількість вмикань в деяких контакторах досягає 800 – 1000 операцій за 5 хв., тобто 1 вмикання в секунду.

Власний час спрацювання коливається від 0.14 до 0.37 с.

_{контактора} – це струм, який можна пропускати по замкнутих, головних контактах на протязі 8 год.

Контактори вибирають наступним чином:

1. переріз струмоведучої частини апарату при ; при цьому задається для даного типу ізоляції:

;

2. знаходять . Допустима температура визначається вибором температури оточуючого середовища і матеріалом провідника;

3. розраховується також термічна стійкість струмоведучих частин, для знайденого поперечного перерізу. Термічна стійкість визначається як

(див. тема контакти).

Для даного типу матеріалів контактів можна знайти силу натискання при заданому струмі.

(див. тема контакти).

В ряді випадків заводи – виготовлювачі вказують допустимі струми комутації при різних режимах роботи.

12.2 Реле. Геркони

Реле – електричний апарат, в якому при плавній зміні керуючого (вхідного) параметра до певної наперед заданої величини відбувається скачком зміна вихідного параметра, при чому хоча б один із цих параметрів має бути електричним.

Графічно характер релейного керування зображено на рис. 12.2.

Реле поділяються в залежності від вхідного параметра на реле:

1. струму;

2. напруги;

3. частоти;

4. фази;

5. часу;

6. потужності і т.д.

Найбільш розповсюджені – електромагнітні реле. В залежності від призначення сприймаючий елемент може бути різним.

Так, в струмовому реле, – це – електромагніт, в реле тиску – мембрана, в реле рівня – поплавок.

В електричних реле сприймаючий елемент може бути побудований на електромагнітному, індукційному, електродинамічному, магнітоелектричному, тепловому, електронно-іонному, резонансному та інших принципах.

Основними вимогами до реле є:

1. надійність у роботі;

2. точність і чутливість при роботі в умовах можливих коливань вхідних сигналів і змін параметрів оточуючого середовища;

3. можливість регулювання параметрів;

4. необхідна комутаційна і механічна зносостійкість;

5. мала маса і габарити;

6. просте виробництво і експлуатація.

Перерахуємо деякі основні типи реле:

1. Електромагнітні реле (реле постійного і змінного струму). При відносно малих габаритах вони мають відносно великі тягові зусилля. Це – реле захисту і керування. Реле використовується на потужності від одиниць до тисяч Вт. Потужність в колі керування коливається від долей до десятків Вт, або сотень вольт-ампер. Час спрацювання 1,2-20 мс. Витримка часу 1,2÷20 мс. Частота вмикання 1500-4000 на годину (тобто > 1-го вмикання/секунду при механічній зносостійкості до 20 млн. і комутаційній ~ декількох млн. Індукційні реле. Вони працюють на принципі взаємодії між індукованим струмом і змінним магнітним потоком. Застосовуються тільки на змінному струмі як реле захисту енергосистем.

2. Теплові реле можуть бути побудовані: а) на перетворенні теплових впливів в механічні переміщення. Переміщення і використовують в цьому випадку для приведення в дію виконавчих елементів; б) на безпосередньому перетворенні теплових дій в зміну електричних або магнітних характеристик. Це, наприклад, – позистори. При досягненні певної температури , опір позистора скачком збільшується на декілька порядків. Теплові реле часто вбудовують в магнітні пускачі.

3. Герконові реле. Це – реле із герметичними магнітокерованими контактами. Найменш надійним вузлом електромагнітних реле є контактна система. Електрична дуга, або іскра при розмиканні і замиканні контактів руйнує їх. Крім того, у звичайних реле контакти знаходяться в середовищі атмосферного повітря. Вони забруднюються, окислюються, руйнуються водяними парами і т.д. Це все понижує зносостійкість і надійність реле.

Вплив вказаних факторів на контакти послаблюється в герконах.

На рис. 12.3 представлена схема геркона.

1,6 – нерухомі контакти;

2 – рухомий контакт;

3 – капсула;

4 – магнітопровід;

5 – котушка;

7 – постійний магніт.

Скляна капсула 3 охоплена магнітопроводом 4. Якщо на котушку 5 подати постійну напругу, то магнітний потік замкнеться через рухомий контакт 2, виготовлений із сплаву Fe-Ni. Біля лівого кінця потік Ф_у розділиться на два: один замикається через верхню частину магнітопровода, а другий через нижню. Між нерухомими контактами 1 і 6, виготовленими із магнітного матеріалу, розміщений постійний магніт; магнітний потік Ф₀ (від нього) проходить через зазори і правих кінців контактів 1 і 6. При вказаному напрямку потоків Ф₀ і Ф_у їх сума через верхній зазор буде меншою (бо вони направлені один проти другого), чим через .

В результаті правий кінець контактa 2 переміститься вниз. Контакти 2 і 6 замкнуться і коло струму " буде включено.

При знятті напруги з котушки 5 Ф_у зникне, рухомий контакт повернеться в нейтральне положення.

При зміні напрямку струму котушки 5 (значить, і напрямку Ф_у) рухомий контакт перейде у верхнє положення – замкнеться коло струму .

Таким чином, можемо комутувати два оперативних кола.

Силові геркони здатні комутувати струми багатьох кіл і при номінальному струмі 6.3 А вмикати струм до 180 А і вимикати до 63 А (марка КМГ-12).

Зносостійкість при І=1 А і U=220 В – 3∙10⁶ циклів! Досліди показують, що струм можна довести до 100 А при U=380 В. Такі геркони називаються герсикони.

Геркони – дуже чутливі та прості в керуванні, перспективні для застосування в енергетиці.

12.3 Вибір реле

До всіх реле без винятку пред’являється вимога – бути надійними. До реле захисту пред’являються вимоги по термічній і динамічній стійкості.

Коефіцієнт запасу по спрацюванню – найважливіша характеристика реле.

Він визначається за формулою:

– усталене значення величини x, під дією якої сприймаючий елемент без перегрівання може знаходитись тривалий час.

– значення діючої на реле величини, при якому реле спрацьовує. Наприклад, установка реле по струму (тобто значення струму, при якому реле спрацьовує) повинно бути І_уст≥(1.3–1.5)І_пуск. Де І_пуск – пусковий струм двигуна.

Для захисту двигунів із фазним ротором І_спр вибирається із умови І_уст≥(2.25–2.5)І_ном двигуна.

Теплові реле доцільно застосовувати при тривалості вмикання двигуна більше 30 хв. Номінальним значенням напруги при цьому U можна вважати, те max U сітки при якому реле можна застосовувати. Номінальним струмом реле і нагрівача є найбільший струм, тривале протікання якого не викликає спрацювання реле.

До реле керування і автоматики пред’являється підвищена вимога відносно комутаційної і механічної стійкості. Як правило, в таких реле комутаційна стійкість нижча механічної.

Крім того, конструкція реле повинна:

• забезпечувати достатній коефіцієнт запасу по спрацюванню;

• мати мінімальне значення X спрацювання при максимальній потужності керування;

• мати мінімально-можливу масу і габарити;

• бути простим у виробництві та в експлуатації.

Спостерігається тенденція заміни контактних реле на безконтактні, на основі тиристорів, мікроелектронних пристроїв. Там, де контакти неможливо усунути, створюють реле із штепсельним приєднанням, для швидкої заміни апаратів.

Марки розповсюджених в даний час реле:

РТ – реле струму;

РН – реле напруги;

РП – проміжні реле (для керування струмами 1...4А)

РТП – теплові реле;

РВ – реле часу.

13.Запобіжники

13.1 Призначення та основні елементи запобіжника

Запобіжники – це електричні апарати, призначені для захисту електричних кіл від струмових перевантажень і короткого замикання. Це – найпростіші і найпоширеніші електричні апарати, що захищають систему від перевантажень.

Запобіжники спрацьовують, як правило, від струмів, що мають величину від мА до 1000 А. В історії електротехніки це – перші електричні апарати для захисту від короткого замикання.

Вони поділяються на:

1. запобіжники низької напруги (до 660 В при I= до 1000 A);

2. запобіжники високої напруги(до 35 кВ при I= до 15кА).

Основними елементами запобіжника є:

- плавка вставка, що включається послідовно із колом, яке захищається;

- дугогасильний пристрій;

Запобіжники при спрацюванні проходять через декілька стадій:

1. нагрівання вставки до температури плавлення;

2. плавлення і випаровування вставки;

3. поява і гасіння дуги.

На рис. 13.1 показано різновиди запобіжників низької напруги:

а) 1 – цинкова пластина (вставка); б) 1 – вставка;

2 – фібротрубка; 2 – фарфорова трубка;

3 – електроди. 3 – електрод;

4 – захисний ковпачок.

Найбільш розповсюджені матеріали вставок: Cu, Zn, Al, Pl, Ag.

Срібні вставки найбільш стабільні , але дорогі.

Zn і Pb мають високу чутливість, але і великий опір.

Якщо треба забезпечити тривалу витримку часу, наприклад, при перевантаженнях, то застосовують плавкі вставки із Zn і Pb. Вони є стабільні і мають великий потенціал іонізації, що сприяє гасінню дуги. Їх негативна сторона – значний питомий електричний опір, а значить, великі затрати матеріалу, щоб отримати потрібне невелике значення опору вставки.

Al – вставки застосовують для економії дорогих матеріалів. Великий опір окисної плівки Al затрудняє реалізацію роз’ємних контактів на цьому матеріалі.

Cu – вставки покривають шаром олова, щоб зберегти стабільність їх перерізу, інакше він зменшиться за рахунок окислення, а значить, стабільність характеристики понизиться.

Конструкція плавкої вставки

Плавкі вставки роблять у вигляді набору окремих дротів або у вигляді пластин із фігурними вирізами, – які забезпечують необхідну конфігурацію температурного поля. Наприклад, на звужених ділянках вставки виділяється більше теплоти, чим на ширших.

Така форма сприяє дугогасінню; вона необхідна для того, щоб теплота виділялася в цих звужених областях, і при перевантаженнях запобіжник перегоряв або розплавлявся в зазначених місцях.

Можлива також така конструкція запобіжника, що при певних формах плавкої вставки електродинамічні сили розривають її раніше, ніж вона розплавиться.

13.2 Плавка вставка при тривалому часі навантаження. Часово-струмова характеристика запобіжника

Розрізняють два режими роботи запобіжника:

1) режим тривалого навантаження, коли струм I має величину (1 – 1.5)І_ном;

2) режим короткого замикання, коли I= 3÷4. Процес при цьому протікає адіабатично, і все тепло, що виділяється, іде на нагрівання плавкої вставки.

Основною характеристикою запобіжника є часострумова характеристика. Це – залежність часу плавлення вставки від струму, що протікає по запобіжнику. На рис. 13.3 показано часострумову характеристику запобіжника.

А – область, де запобіжник не захищає;

Б – область, де запобіжник захищає.

В області великих перевантажень – в області Б, запобіжник захищає об’єкт. В області А його характеристика іде вище характеристики об’єкту, що захищається.

Струм, при якому плавка вставка плавиться, або згоряє при досягненні усталеної і постійної в часі температури, називається пограничним струмом.

, тобто струму, при якому працює дана система. Ця умова позначається так:

Запобіжники, щоб вони не спрацьовували при , треба вибирати так, щоб не тільки виконувалась умова:

, але щоб в той же час характеристика запобіжника наближалась до характеристики об’єкту, що захищається (штрихова лінія на рис. 13.3).

При струмах, близьких до , температура плавкої вставки буде наближатися до температури плавлення.

Запобіжник при струмі , як мінімум, працює 1 годину.

13.3 Металургійний ефект

Вставки із легкоплавких металів, на жаль, не ефективні, внаслідок іонізації шарів металу і виникнення при плавленні вставки дуги. Тому часто ефективним є застосування вставок із міді з металургійним ефектом. Він полягає в тому, що на тугоплавкі метали наносять легкоплавкі, наприклад, на мідний дріт товщиною ≤1 мм. наноситься кулька із олова. При нагріванні спочатку плавиться олово (=222). В місці контакту олова із дротом починається розчинення Cu і відповідно зміни його перерізу. Це викликає збільшення опору і підвищення теплових втрат в цій точці. Процес триває доти, поки мідний дріт не розплавиться або перегорить в місці розташування кульки.

Таким чином, застосування кульки зменшує температуру плавлення до 280, а це дозволяє понизити відношення до до величини 1,2.

Цей спосіб отримання необхідної часовострумової характеристики є ефективним для тонких вставок із діаметром . При збільшенні d вставки вплив металургійного ефекту зменшується.

13.4. Нагрівання плавкої вставки при короткому замиканні

Час нагрівання вставки t в режимі короткого замикання складається з трьох складових:

1. час плавлення (нагрівання до температури плавлення)(t₁);

2. час, протягом якого вставка розплавлюється (t₂);

3. час існування дуги (t₃).

(13.1)

Весь процес іде адіабатично, тобто все тепло, що виділяється при короткому замикані, іде тільки на її нагрівання.

Із умови енергетичного балансу можна розрахувати часи t₁, t₂, які враховують теплофізичні властивості матеріалу, його геометрію та силу струму.

При розрахунках зручно користуватись формулою:

– сила струму;

– площа поперечного перерізу;

– густина струму;

– константа, що для різних металів є різною. Це – відома таблична величина, що не залежить від розмірів вставки.

Так, ,

Значить, при однакових густинах струму і розмірах час нагрівання до температури плавлення вставки із міді буде в 65 раз більше, чим цинку.

Аналогічно

– теж таблична константа.

, .

Повний час вимикання кола запобіжника можна визначити за формулою:

(13.2)

– коефіцієнт, що враховує тривалість горіння дуги.

залежить від конструкції запобіжника, від того, чи він засипний чи не засипний. Для гасіння дуги часто вводиться наповнювач, що засипається, він забирає тепло від дуги, дуга гаситься (наповнювачем може бути пісок, вапно). Якщо вставка запобіжника знаходиться в повітрі, то =1,2–1,3. Якщо запобіжник з наповнювачем, то час вимикання – більший, =1,7÷2.

Якщо говорити про ефективність запобіжників, то одна із позитивних їх сторін, – це обмеження струму короткого замикання. Струмообмеження при короткому замиканні має ту позитивну сторону, що обмежує величину електродинамічної сили, яка приводить до руйнування системи. Обмежуюча дія вставок з використанням металургійного ефекту (МЕ) нижча, ніж при інших формах струму обмеження.

Марки низьковольтних запобіжників – ПН-2, ПР-2, ПРС. В широко розповсюджуваному запобіжнику ПН-2 використовують пісок із зернами ~0,2·10^-3м і вологістю ≤3%. Вставка із Си стрічки 0,1-0,2 мм товщини.

14. Вибір та конструкція запобіжників

14.1 Вибір запобіжників

Вибір запобіжників доцільно проводити, виходячи із умов тривалої експлуатації і умов пуску, або виходячи із умов селективності, тобто таких умов, при яких вимикається із декількох встановлених між джерелом і споживачем запобіжників, той, що знаходиться біля місця пошкодження кола.

При селективному вимиканні всі запобіжники, що розміщені ближче до джерела, повинні залишатися робото здатними (рис 14.1).

14.2 Селективний метод захисту кіл

Умова: для забезпечення селективності найменший фактичний час спрацювання запобіжника FU₁ (FU₁ розраховано – на більший номінальний струм) повинен бути більшим найбільшого часу спрацювання запобіжника FU₂ (він розрахований на менший номінальний струм) (рис 14.1).

Час спрацювання внаслідок виробничих допусків може відхилятись від номінального на ±50%. Тому, врахувавши треба записати:

Значить, умова селективності – . (14.1)

При виборі запобіжника необхідно враховувати наступне:

1. патрон і плавка вставка вибираються на струм трохи більший або рівний номінальному струму установки, що захищається;

2. запобіжник не повинен вимикати установку при перенавантаженнях, коли вони є експлуатаційними;

3. пусковий струм зв’язаний із струмом вставки співвідношенням: .

Для важливих умов пуску вибирають ще більший запас: ÷.

Важливими вважаються умови, коли здійснюється повторний короткочасний пуск або коли двигун повільно розкручується (центрифуга).

Для випадку, коли запобіжник стоїть в лінії, що живить декілька двигунів, плавка вставка розраховується за формулою:

(14.2)

Різниця = береться для того двигуна, де вона найбільша.

Розрізняють найменший і найбільший (верхнє значення) випробувальний струм.

Найменший випробувальний струм – це такий випробувальний струм, який протікаючи на протязі 1 год., не призводить до перегоряння запобіжника.

Найбільший випробувальний струм – це таке значення мінімального струму, протікаючи на протязі однієї години, який викликає плавлення запобіжника.

Практично (14.3)

14.3 Конструкція запобіжників (загальні відомості)

Найбільш широко застосовують такі конструкції запобіжників:

1. з відкритою плавкою вставкою;

2. закритий запобіжник;

3. засипний (запобіжник із наповнювачем);

4. рідкометалічний;

5. інерційний.

Перший тип застосовується при малих струмах короткого замикання або невеликих напругах сітки.

Із ростом струму короткого замикання зростає ймовірність появи дуги, і тому застосовують засипку. В засипних запобіжниках в якості засипки використовують пісок SiO₂, або вапно CaCO₃, кварцовий пісок розміром 0.1 – 0.5 мм. Засипні запобіжники при напрузі сітки 380 В забезпечують надійне вимикання струмів до 50 кА.

На рис. 14.2 показано інерційний запобіжник.

Інерційні запобіжники призначені для захисту двигунів в режимі струмів короткого замикання і перевантаження, а також для здійснення пуску двигунів.

Вони мають 2 елементи, що забезпечують активність двох ділянок на часо-струмовій характеристиці.

1 – наповнювач

2 – нагрівач;

3 – пластина;

4 – сплав;

5 – ділянка захисної

характеристики

запобіжника (дріт);

6 – рухома деталь;

7 – пружина;

Нагрівач 2 передає тепло через пластину 3 легкоплавкому сплаву 4, який при розплавлені вивільняє деталь 6, яка під дією пружини 7 переміщається вліво. В результаті коло розривається. При к.з. спай 4 не встигає розплавитись, тому що раніше, ніж це станеться, перегоряє плавка вставка 5, що знаходиться в зернистому наповнювачі. Завдяки цьому ампер секундна характеристика запобіжника має дві ділянки. Як наслідок цього отримуємо, що І_ном і І_пуск є близькими і при пуску двигуна, і при перевантаженні.

Запобіжники швидкої дії захищають напівпровідникові пристрої (діоди, транзистори, тиристори), оскільки ці прилади мають малу теплову енергію і швидке нагрівання р-n переходу.

14.4 Захист напівпровідникових приладів (НП)

Особливо важливим є захист напівпровідникових апаратів,внаслідок їх чутливості до перевантажень. Захист здійснюється швидкодіючими запобіжниками, які вибирають із умови:

В розрахунках користуються величиною , ( – джоулів інтеграл – таблична величина);

– умова вибору запобіжника.

– беруть із каталогу або умови: , (14.2)

де – період змінного струму (величина, обернена до частоти).

Якщо система складається із декількох діодів, то виконується умова:

,

де – кількість діодів.

При захисті НП – приладів для селективності захисту кожен із цих приладів послідовно включають із запобіжником. (Див. детальніші роз’яснення по захисту НП в п.15.4 конспекту).

15. Високовольтні запобіжники (ВВЗ) Швидкодіючі запобіжники

15.1 Призначення (ВВЗ), вимоги до ВВЗ

При напрузі вище 3 кВ і частоті 50 Гц застосовують високовольтні запобіжники.

Процес нагрівання плавкої вставки у ВВЗ протікає так само, як і в запобіжниках низької напруги. Принцип роботи ВВЗ такий самий, як і низьковольтних запобіжників. Існують певні відмінності в конструкціях.

Основна складність при експлуатації ВВЗ – гасіння дуги.

По відношенню до часу плавлення у ВВЗ повинна виконуватись вимога, що є загальною: тривалість плавлення вставки повинна бути меншою 2 год. при струмі перевантаження 2 і більше 1 год. при струмі перевантаження 1.3 .

ВВЗ застосовують для захисту трансформаторів напруги від короткого замикання.

Струм, що тече через запобіжник в номінальному режимі, не перевищує долі ампера. В таких запобіжниках час плавлення вставки дорівнює ≈1 хвилині при І=1,25÷2,5 А.

Поскільки відновлювальна напруга є великою, процес гасіння дуги ускладнюється. В зв’язку з цим і змінюються габарити та конструкція ВВЗ. (Наприклад довжина запобіжника ПСН-35 становить 1.044 м).

15.2 Конструкції запобіжників високої напруги.

15.2.1 Запобіжники із дрібнозернистим наповнювачем серії ПК і ПКТ

Розмір зерен і матеріал запобіжників серії ПК і ПКТ – такий самий, як і в низьковольтних серії ПД і ПДС.

Довжина плавкої вставки таких запобіжників визначається емпіричною формулою:

=0,16+0,07

де – довжина, м. – номінальна напруга запобіжника, кВ.

Патрон запобіжника типа ПК має такі ж складові, що і низьковольтні запобіжники. Плавка вставка виготовляється у вигляді мідних або срібних паралельних спіралей. Їх застосування дозволяє збільшити номінальний струм до 100 А при =3 кВ. При =10 кВ, =50 А (струм змінився в 2 рази, а – в 3 рази, тобто залежність нелінійна). Про перегоряння запобіжника сигналізує якір, який після перегоряння спеціальної вставки, що його утримує, виштовхується пружиною. Запобіжники серії ПКТН на напругу 35 кВ мають плавку вставку із константана і обмежують струм величиною <1 А, тому їх переріз – малий, а струмообмежуючий ефект є великим. Запобіжники цієї серії використовують для захисту високовольтних шин трансформаторів напруг.

15.2.2 Запобіжники, що стріляють (з автогазовим і рідким гасінням). Патрон типу ПСН – 35

Для роботи на відкритому повітрі при напрузі 10 кВ і 35 кВ і струмі, що відключається до 15 кА, застосовують запобіжники, що стріляють, – ПСН-10, ПСН-35 (див. додаток А).

Суть принципу їх роботи полягає в тому, що при розплавленні (перегорянні) вставки – (спочатку мідної, потім стальної частини) дуговий проміжок подовжується за допомогою пружин або тиску газів, що утворюються в трубці.

В трубці є гнучкий зв’язок (у вигляді гнучкого провідника). По мірі вибросу гнучкого провідника довжина дуги збільшується. Це обмежує швидкість росту опору дугового проміжку і зменшує перенапруги. Дуга гаситься. Процес супроводжується викидом газів, світловим і звуковим ефектом (запобіжник стріляє).

15.2.3 Вибір запобіжників високої напруги

При виборі запобіжників необхідно врахувати наступне:

Ι) При визначенні номінального струму вставки треба виходити із умови максимального тривалого перевантаження.

Дуже часто обмотка високої напруги трансформатора приєднується через запобіжник. При вимиканні трансформатора з’являються високі струми підмагнічування, середнє значення амплітуди яких досягає 10, а тривалість проходження ≈0,1 с.

Вибраний запобіжник повинен перевірятися на проходження на протязі 0,1 с початкового намагнічуючого струму.

ΙΙ) Необхідно перевірити селективність роботи запобіжника із вимикачами, що встановлені як із боку високої, так і низької напруги:

При короткому замиканні в самому трансформаторі запобіжника повинно бути менше витримки , що встановлений з боку високої напруги, і що є найближчим до запобіжника.

При короткому замиканні з боку низької напруги запобіжник повинен мати час захисту вимикача із боку низької напруги.

Тобто виконується правило:

ΙΙΙ) Необхідне також виконання умови:

15.3 Запобіжники із рідкометалічним контактом

Вони призначені для захисту при I ≤ 250000 А і при 450 В напруги змінного струму. Запобіжники працюють багаторазово, з великим струмообмеженням. Вони виключають коло при I<<. Головна частина такого запобіжника – електроізоляційна трубка з капіляром, заповнена рідким металом. При протіканні великих струмів метал в капілярі внаслідок нагрівання випаровується, утворюється парова пробка, електричне коло розривається. Через деякий час пари металів конденсуються, контакт відновлюється (див. 15.1). Використані запобіжники вибираються із умови:

Їх головна особливість проявляється в їх призначенні, тобто:

1) великий струм, що вимикається;

2) запобіжники працюють багаторазово і з великим струмообмеженням, тобто відключають коротке замикання при струмах, набагато менших, чим струми, небезпечні з точки зору нанесення великих пошкоджень в енергомережах.

1 – електроізоляційна трубка;

2,3 – електроди;

4 – рідкий метал;

5 – корпус;

6 – ущільнення.

15.4 Швидкодіючі запобіжники для захисту напівпровідникових приладів

Захист потужних напівпровідникових приладів – діодів, транзисторів, - тиристорів, затруднений тим, що ці прилади мають малу теплову інерцію та швидке прогрівання р-п переходів.

Звичайні типи запобіжників і автоматичних вимикачів у зв’язку з їх відносно великим часом спрацювання не забезпечують захист напівпровідникових приладів від короткого замикання.

Для виконання цієї задачі розроблені спеціальні швидкодіючі запобіжники.

Якщо с (час протікання струму), то процес нагрівання можна вважати адіабатичним. Для зручності узгодження характеристик приладів та запобіжників вводять поняття інтеграл Джоуля:

;

t – тривалість протікання струму через прилад.

Для ефективного захисту необхідно, щоб повний джоулів інтеграл запобіжника був меншим джоулевого інтеграла приладу, що захищається.

Джоулевий інтеграл нагрівання до температури плавлення вставки G_пл. і джоулевого інтеграла гасіння дуги – G_гас.

Для скорочення G_пл. запобіжник повинен працювати з великим струмообмеженням.

Для цього плавка вставка: 1) виготовляється із срібла; 2) має перешийок із мінімальним перерізом і охолоджується кварцовим наповнювачем.

Для кращого охолодження при великих номінальних струмах плавка вставка виконується із стрічки товщиною 0,05 – 0,2мм. Для цього також роблять заповлення кварцевим піском під великим тиском.

Для зменшення часу горіння дуги плавка має багато перешийків. Після плавлення вставки утворюється ряд послідовно включених дуг, завдяки цьому ВАХ запобіжника піднімається.

Кількість перешийків обмежується перенапругою, яка виникає при вимиканні кола.

При постійному струмі необхідно вибирати запобіжники на більш високі напруги, ніж при змінному струмі.

Час плавлення при сталому струмі.

;

Час плавлення при змінному струмі частотою :

;

де Б – константа, що залежить від питомої теплоти плавлення і випаровування матеріалу;

S – площа перерізу перешийка плавкої вставки запобіжника.

Б_Си=8∙10⁴ А/мм²;

Б_Al=3.4∙10⁴ А/мм²;

(стала часу кола);

установлене значення струму короткого замикання кола.

Постійний максимальний струм, що пропускається запобіжником:

;

, як правило, 35 мс

Конструктивно швидкодіючі запобіжники складаються із форфорового корпуса, всередині якого знаходиться плавка вставка і кварцовий пісок.

В сучасних перетворювачах кожний напівпровідниковий прилад має свій запобіжник.

Марки найпоширеніших швидкодіючих запобіжників ПП-57 і ПП-59

Швидкодіючі запобіжники працюють тільки для захисту від короткого замикання. Захист від перевантажень здійснюється іншими типами апаратів.

15.5 Вибір швидкодіючих запобіжників для захисту напівпровідникових приладів

1. Повний джоулевий інтеграл при вимиканні запобіжника

2) – беруть із каталога, або із рівняння (14.4);

де, I_т – допустиме значення ударного струму в прямому напрямку

Т – період ~ струму.

2. Якщо є декілька діодів для захисту діодів, повинна виконуватсь умова:

с=0 при рівномірному розподілі і

с – коефіцієнт нерівномірності поділу струму по вітках;

п – кількість паралельних виток перетворювача.

При пробиванні діода D_к (рис. 15.2) струм короткого замикання замикається через D_к і закорочує фази. Запобіжник FU спрацьовує, діод вимикається, і схема продовжує роботу із деяким перевантаженням діодів.

4) Найбільше значення струму, що проходить через запобіжник, повинно бути

5) при спрацюванні запобіжника в пошкодженій вітці характеристики запобіжників в непошкоджених вітках не повинні змінюватись. Звідси:

– джоулевів інтеграл G плавлення в непошкоджених вітках.

Найменше значення джоулевого інтеграла переддугового стану можна знайти за формулою:

;

6) джоулевий інтеграл запобіжника залежить від напруги:

7) Значення джоулевого інтегралу залежить для запобіжника від кола. Чим більше cos, тим менше джоулевий інтеграл G внаслідок полегшення гасіння дуги. Так, для cos=0.95, G=0.43G_{початкове}.

16. Автоматичні повітряні вимикачі (автомати)

16.1 Призначення автоматів. Аварійні режими

Автомати – це електричні апарати, призначені для захисту електричних сіток при перевантаженнях (короткочасних коротких замиканнях, зміні напрямку потужності, зміні напруги живлення) шляхом автоматичного вимикання електричних кіл.

В електричних установках можливі режими роботи, коли електричне устаткування піддається небезпеці руйнування. До таких режимів відносяться:

- режим короткого замикання – коли струм, що протікає по установці перевищує номінальний в сотні і тисячі раз;

- режим перевантаження при пониженні напруги в сітці.

При к.з. термічні, електродинамічні впливи струмів можуть вивести із ладу електричні схеми і устаткування, в тому числі і електричні апарати.

Пониження напруги в сітках із навантаженням у вигляді двигунів означає підвищення струму (перевантаження) оскільки межі навантаження на валу двигунів залишається незмінним. Це призводить до збільшення струмів у місці к.з. на 20 – 30%. Перевантаження зв’язані також із пусковими струмами, що досягають перевищення номінальних струмів в 5 – 10 раз.

Допустимий час проходження струмів перевантаження регламентується часом досягнення допустимої температури нагрівання струмоведучих частин. При струмі перевантаження 1.5 – 2 він складає десятки хвилин, а при великих струмах перевантаження порядку секунди.

Якщо контактор розраховано лише на струми , які досягають 1000 А, електричний апарат автомат вимикає струми в 10 і 100 кА.

Це – перша відмінність автоматів від контакторів.

Друга відмінність полягає в тому, що автомати рідко вимикають електричне коло, в той час як контактор призначений для частих оперативних комутацій. Автомати повинні негайно реагувати на аварійний режим в колі.

16.2 Основні види автоматів та їх основні параметри.

16.2.1 Різновидності автоматів та їх характеристики

В залежності від виду впливаючого параметру автомати поділяються на максимальні автомати по струму, мінімальні автомати по струму, мінімальні автомати по напрузі, автомати зворотнього струму, автомати, що спрацьовують по похідній струму. Поляризовані (спрацьовують тільки при певному напрямку струму).

Всі найбільш розповсюджені автомати, що широко застосовуються в різних областях енергетики, поділяються на:

1. установчі;

2. універсальні;

Установчі автомати відрізняються тільки тим від універсальних, що мають спеціальний корпус, тому вони застосовуються в житлових приміщеннях, морських суднах, підстанціях.

Універсальні автомати мають таку саму будову, але застосовуються лише там, де доступ сторонніх осіб, крім персоналу заборонено.

Автомати поділяються також на швидкодіючі і не швидкодіючі.

Перші застосовують там, де к.з. є особливо небезпечним і час його тривання не більше 5 мкс. Вони обмежують величину струму к.з., завдяки своїй високій швидкодії.

Установочні автомати, що можуть встановлюватись в жилих будинках, приміщеннях мають пластмасовий корпус.

Ще одна різновидність автоматів – автомати гасіння магнітного поля. Вони зводять до нуля дуже швидко магнітне поле, створене обмоткою генераторів, яке зумовлене коротким замиканням в головному колі. Якщо не зняти поле збудження такого генератора, і тим самим не припинити виробіток енергії генератором, то внаслідок короткого замикання великі струми генератора викличуть пожежу в середині генератора, а значить його руйнування. Ще одна група – автомати для захисту напівпровідникових приладів. Автомати повинні, якщо вони утворюють систему, яка захищає розгалужену електричну сітку, забезпечувати захист цієї сітки селективно, тобто автомат повинен відключати від справної пошкоджену ділянку. При цьому справна ділянка не відключається.

16.2.2 Основні вузли і параметри автоматів

Кожен автомат має обов’язково такі вузли і системи:

1) струмоведуча система;

2) дугогасильна система;

3) привід автомату (служить для вмикання автоматичного вимикача по якійсь команді. Це може бути команда оператора або команда від автоматичної системи керування);

4) механізм автомату;

5) механізм вільного розчеплення і елементи захисту розчеплювачів.

До основних параметрів автоматів відносяться:

1) повний час вимикання;

2) номінальний тривалий струм;

3) номінальна напруга;

4) граничний струм вимикання.

В залежності від заданих параметрів по-різному конструюються і виглядають основні вузли і системи автомату, відрізняються їх габарити, маса матеріали, із яких виготовляються окремі деталі.

16.3 Струмоведуча система автоматів

Найбільш важливою частиною струмоведучого кола автоматів є контакти.

При номінальних струмах ≤ 200 А застосовується одна пара контактів. Вони можуть бути облицьовані для збільшення дугостійкості металокерамікою.

При номінальних струмах > 200 A застосовують двохступінчасті контакти, що перекочуються, або пари головних і дугогасильних контактів.

Основні контакти покриваються Ag, або металокерамікою (Ag⁺, Ni⁺, графіт).

Робота контактів на великі номінальні струми забезпечується тим, що застосовується декілька паралельних пар головних контактів.

У швидкодіючих апаратах застосовують виключно торцеві контакти, що мають малий провал. Розробляються системи штучного рідкого охолодження контактів. Контакти покривають Ag. Таке штучне охолодження дозволяє зменшити (або зберегти малою) масу, а швидкодію апарату (завдяки зменшенню інерційності) зберегти, або збільшити, як і тривалий струм проходження із 2.5 до 10 кА.

При амплітуді струму, що виключається, більше 30 кА – 40 кА застосовують автомати моментної дії. В цих апаратах швидкість руху контактів і контактне натискання не залежать від швидкості переміщення вмикаючого механізму.

В універсальних апаратах, що працюють селективно, створюється витримка часу при протіканні струму короткого замикання, і розмикання контактів на протязі цієї витримки часу є недопустимим.

Для виключення приварки контактів застосовується електродинамічна компенсація: струм, що протікає по провіднику АВ, що несе нерухомий дугогасильний контакт, викликає електродинамічну силу , що збільшує силу натискання контактів (див. рис. 16.1).

В установочних і швидкодіючих автоматах, в яких при короткому замиканні вимикання відбувається без витримки часу, електродинамічна компенсація не застосовується, щоб не збільшувати власний час вимикання.

16.4 Дугогасильні системи

В автоматах застосовують напівзакрите і закрите виконання дугогасильних пристроїв.

В напівзакритому виконанні апарат закритий ізоляційним кожухом із отворами для виходу газів. Об’єм ізоляційного кожуха досить великий, щоб виключити великі надлишкові тиски.

Зона викиду гарячих та іонізованих газів складає ~ декілька сантиметрів від вихлопних щілин. Таке виконання застосовується в установочних та універсальних автоматах, що монтуються поруч з іншими автоматами, в розподільних пристроях, автоматах із ручним керуванням.

Граничний струм, що відключається, не повинен перевищувати 50 кА.

В швидкодіючих автоматах і автоматах на великі граничні струми (≥100 кА) і великі напруги (>1000 В) застосовують дугогасильні пристрої відкритого виконання із великою зоною викиду.

В установочних та універсальних автоматах масового застосування широко застосовується дугогасильна решітка із стальних пластин.

Поскільки ці автомати застосовують для вимикання як постійного, так і змінного струму, то число платин вибирається як для постійного струму – на кожну пару пластин повинно припадати не більше 25 В.

Такі дугогасильні пристрої при змінній напрузі U_~= 660 В забезпечують гасіння дуги до струму I_гас ≤ 50 кА. На постійну напругу U₌ = 440 В, I_гас ≤ 55 кА.

При великих струмах застосовують лабіринто-щілинні камери із повздовжньою щілиною. В лабіринтно-щілинній камері поступове входження дуги в зигзагоподібну щілину не створює великого аеродинамічного опору при великих струмах.

Вузька щілина підвищує градієнт напруги в дузі, що скорочує необхідну довжину для її гасіння. Зигзагоподібність зменшує габарити автомату.

Для того, щоб дуга інтенсивно охолоджувалась, матеріал має мати високу теплопровідність і температуру плавлення. В якості матеріалу для камери застосовується кераміка – кордиерит.

Газоутворюючі матеріали (фібра, органічне скло) не застосовують через їх високий аеродинамічний опір входженню дуги в камеру.

В даний час з метою спрощення конструкції знову замість потужних і складних систем магнітного „дуття” повертаються до використання деіонних стальних решіток.

Стальні ізольовані керамікою пластини, що мають паз для дугогасильних контактів, створюють зусилля, що переміщає дугу. Гасіння дуги так само, як і в камері із поперечними ізоляційними перегородками, але без спеціальної системи „магнітного дуття”.

У високочастотних апаратах ~5 – 10 кГц у феромагнетиках наводяться вихрові струми, що відштовхують дугу від решітки. Така ж сила виникає і при застосуванні латунних решіток. Тому необхідні спеціальні електромагнітні системи.

Відновлювальна міцність у латунних пластин вище – чим у феромагнетиках, тому вони застосовуються у високочастотних апаратах.

Підвищити вимикаючу здатність вимикачів можна застосовуванням паралельних контактних систем. В такому випадку вимикаюча здатність підвищується пропорційно числу паралельно ввімкнених контактів. Підвищення вимикаючої здатності також зв’язано із створенням умов, при яких основні контакти розмикаються без дуги!!! При їх розмиканні струм переходить в дугогасильні контакти. При цьому напруга на контактах

;

де – індуктивність основних контактів;

– індуктивність дугогасильних контактів;

– коефіцієнт взаємоіндукції.

Щоб виключити появу дуги на основних контактах, треба, щоб індуктивність кола

Ідеальний був би випадок

Звідси випливає, що при конструюванні контактної системи автоматів необхідно намагатись знизити індуктивність основних і дугогасильних контактів і збільшити магнітний зв’язок між вітками (тобто збільшити ).

17. Електромеханіка автоматів

17.1 Приводи та механізми установочних і універсальних апаратів

Привод служить для вмикання вимикача по команді оператора або системи автоматичного управління або інші подібні системи.

Він забезпечує необхідну для вмикання автомату силу натиску на контакти.

Залежно від номінального струму автомату застосовуються такі приводи:

4. ручний (I_ном до 200 А);

5. електромагнітний (I_ном до 1 кА);

6. електродвигунний (I_ном вище 1 кА);

7. пневматичний (I_ном вище 1 кА);

8. гідравлічний (I_ном вище 1 кА).

Вимикання вимикача здійснюється пружинами після роз’єднання розчеплюваного пристрою.

17.2 Розчеплювачі автоматів

Розчеплювач – це елемент передачі зусилля, який призначений для контролю параметрів кола, що захищається. Впливаючи на механізм розчеплення, він заставляє вимикатися вимикач при відхиленні значення параметра від заданого.

Розчеплювач представляє собою реле або елементи реле, що вбудовані у вимикачі із використанням елементів самого вимикача. В залежності від виконання розчеплювачі бувають:

1. струмові максимальної миттєвої дії і струмові максимальної сповільненої дії;

2. розчеплювачі напруги;

3. розчеплювачі зворотного струму – спрацьовують при зміні напрямку струму;

4. комбіновані (наприклад тепловий і струмовий).

Розчеплювачі виконуються на базі контактних або безконтактних реле. На сьогодні починають широко застосовуватись напівпровідникові розчеплювачі. При цьому контролюючі і порівнюючі органи розчеплювачів – на базі напівпровідників, а виконавчий орган – на незалежному електромагнітному розчеплювачі.

Електромагнітні розчеплювачі можуть забезпечити миттєву дію і можуть бути розраховані так, що вимикання іде із затримкою часу. Вони – прості за конструкцією, мають високу термічну і електродинамічну стійкість.

Теплові розчеплювачі працюють так само, як працюють теплові реле. Вони розраховані на режим перевантаження. На рис. 17.1 показано схематично електромагнітний розчеплювач магнітної дії.

1 – шина по якій проходить струм;

2 – осердя;

3 – якір струмоведучого осердя на шині;

4 – вимикаючий вал;

5 – пружина.

Коли струм досягає значення струму відсічки, магнітне поле, що створюється в сердечнику, буде притягувати якір (3), сила, що виникає, буде перевищувати силу натягу пружини, і повернеться вал. Механізм спрацює. В інших автоматах основою механізму розчеплювачів є система важелів, що „ламаються”. Розчеплення відбувається за рахунок удару, в якому основну роль відіграє кінетична енергія якоря, що накопичена при його русі. Важіль складається із ланок, які складають один жорсткий важіль при відсутності аварійної ситуації. При аварійному режимі (короткого замикання) великий струм, що протікає по обмотці електромагніта викликає втягування якоря в обмотку, його удар по важелю. Важіль ламається. При цьому рукоятка і контактний важіль, до якого кріпиться рухомий контакт, виявляються розчепленими, а контакти розмикаються.

Теплові розчеплювачі застосовують при струмах до 200 А, бо вони мають ряд недоліків, в тому числі залежність від температури оточуючого середовища і значну дисперсію по струму спрацювання. Однак за допомогою теплових розчеплювачів досягається найбільш просто затримка часу від електричного струму.

17.3 Час вимикання автоматів

Власний і повний час вимикання є найважливішими характеристиками автомату.

Повний час спрацювання складається із трьох частин:

(17.1)

де – час наростання струму до значення струму спрацювання, залежить від установки та по струму спрацювання та швидкості наростання струму;

– час, що витрачається на роботу механізму розчеплення та вибір провалу контактів. Він триває до моменту розмикання контактів та зумовлений процесами інерційності. Він називається власним часом вимикання автомату;

– час горіння дуги, з моменту розходження контактів, до моменту їх гасіння.

Оскільки основне призначення автоматів розмикати коло, то важлива їх характеристика – це повний час вимикання і власний час вимикання .

Якщо до моменту розмикання контактів кола струм досягає усталеного стаціонарного значення, то автомат називається звичайним, його час ≥ 0,01 с. Такий автомат не забезпечує струмообмеження, і його контактами вимикається струм КЗ.

Якщо ж до розмикання контактів струм не досягає усталеного значення, то автомат вимикає, як правило, струм значно менший струму КЗ. Це полегшує роботу самого автомата і зменшує рівень термічного і електродинамічного навантаження на апаратуру – це швидкодіючий автомат. В швидкодіючих автоматах ≥ 0,02 – 0,08 с.

Іноді, якщо струм наростає дуже швидко, до моменту розходження контактів він досягає великих значень. Ефект струмообмеження в даному випадку менший. Тому для досягнення струмообмеження, конструюються автомати з спеціальними пристроями, що реагують на швидкість зміни струму, а не на струм.

17.4 Напівпровідникові розчеплювачі

Електромагнітні розчеплювачі створені на електромеханічному, термомагнітному, магнітострикційному та інших принципах. В сучасних автоматичних вимикачах застосовують напівпровідникові розчеплювачі, які на відміну від електромеханічних мають вищу точність параметрів спрацювання, час спрацювання і пограничний струм, як функцію часу спрацювання ( це особливо важливо в режимі повторюваних вимикань).

На рис. 17.2 приведено блок-схему напівпровідникового розчеплювача.

Напівпровідниковий розчеплювач включає в себе :

1. – датчик режиму (трансформатор струму або дросельний магнітний підсилювач). Блок 1 – вимірює струм установки, що вимикається;

2. – Блок 2 – аналізує сигнал, що поступає із блоку 1. Якщо сигнал відповідає струму перевантаження, то включається блок 3.

3. – Блок 3 – запускає напівпровідникове реле 4. Воно створює залежну від струму витримку в часі (ділянка б-г на кривій витримки часу рис. 17.3).

4. – Блок 5 – підсилювач сигналу до рівня необхідного, щоб спрацювала електромеханічна система.

Струм з реле 4 йде на підсилювач, а далі починає працювати електромеханічна частина напівпровідникового розчеплювача.

При режимі КЗ, сигнал, який поступає на блок 2, достатній для запуску блоку 7, що відіграє роль реле відсічки. Воно виробляє сигнал миттєвого вимикання. Блок 6 при необхідності створює деяку затримку спрацювання. Це необхідно при короткочасному самостійно зникаючому короткому замиканні. Автомат „чекає”, чи не зникне КЗ, і не відключає напругу з установки миттєво. Блок 5 підсилює сигнали, що поступають з блоку 4 і 6 і подає на вимикаючу коло котушку. В якості часозадаючого елемента використовують RC – коло. Елементами реле служать транзистор, тиристор, стабілізатор.

17.5 Вимикачі гасіння магнітного поля

При несправностях в обмотках електричних машин (пробій ізоляції, замикання обмоток) необхідно як можна скоріше вимкнути магнітне поле збудження машини. Чим швидше це буде зроблене, тим меншими будуть пошкодження. Вимикачі гасіння магнітного поля відключають обмотку збудження від джерела живлення.

Як правило, вимикачі гасіння виготовляються на струми до 6.3 кА, а в окремих випадках до 12 кА і до 660 В змінного струму, 50 – 60 Гц, та 440 В постійного.

В процесах електролізу застосовуються установки, де струм досягає 100 кА. Особливість цих вимикачів в тому, що вони мають дві пари контактів: вмикаючі і вимикаючі, що працюють із затримкою. Сучасні вимикачі можуть вимикати струми 200 – 300 кА. Вимикати безпосередньо обмотку збудження електродвигуна не можна. Внаслідок великої індуктивності обмотки при її обриві буде висока напруга на її зажимах, здатна пробити ізоляцію обмотки.

Широке застосування отримав метод гасіння поля шляхом розрядки обмотки збудження на резисторі.

При замиканні контактів (3) включається обмотка збудження і паралельний їй розрядний резистор Час вмикання такий, що контакти через соті долі секунди розмикаються контактами реле (4).

При розмиканні (аварійному або оперативному) спочатку розмикаються контакти розрядного резистора, а потім котушки збудження. Цей спосіб гасіння обмежений в часі, бо:

→

Щоб ефективно регулювати в залежності від величини його струму ставлять нелінійний опір R_р.

При цьому оптимальним є такий процес гасіння, коли струм в обмотці збудження падає по лінійному закону (рис. 17.5). Це досягається застосуванням в якості опору дугогасильної решітки (рис. 17.6). Сама дуга при цьому служить нелінійним опором. Послідовне включення вимагає більшої кількості пластин у дугогасильній камері (Дк).

Марки апаратів для гасіння магнітного поля – АГП. АГП – апарат гасіння поля.

18. Автоматичні вимикачі загально-промислового застосування

18.1 Вибір і характеристики автоматичних вимикачів.

Автоматичні вимикачі вибирають виходячи із номінального струму і номінальної напруги, а також із необхідності витримки часу вимикання і величини граничних струмів вимикання.

Номінальний струм повинен задовольняти умову:

А номінальна напруга –

Для автоматів із електромагнітним розчеплювачем:

Граничний струм вимикання автомата:

1. Для автоматів захисту двигуна, що працює в повторно-короткочасному режимі, номінальний струм електромагнітного розчеплювача приймається рівним струму двигуна в режимі ПВ=25%.

2. Для автомату захисту двигунів із короткозамикнутим ротором струм уставки (тобто струм, що вважається заданим встановленим струмом) електромагнітного розчеплювача

I_устем ³ (1.5¸1.8)I_отпуск.

3) Для двигуна із фазовим ротором

4) Для групи короткозамкнутих двигунів струм уставки розчеплювача визначається так:

де – береться як різниця між струмами двигунів, де вона найбільша.

5. Для групи двигунів із фазним ротором

де – струм двигуна із найбільшим струмом

5. Вибір по струму КЗ

(для автоматів з електромагнітним розчеплювачем).

(для автоматів із комбінованим розчеплювачем).

Граничний струм вимикання автомату повинен бути не менше

18.2 Загальна характеристика серійних автоматів

Сучасні серійні автомати, що застосовуються в народному господарстві, розраховані на різні умови роботи. Тому вони помітно відрізняються по конструкції, вигляду, вартості, в залежності від свого призначення. Основний критерій, по якому розділяють автоматичні вимикачі – це номінальні струми і напруги. Як правило, автомати на невеликі струми мають ручний привід, а автомати на високі і надвисокі – електродвигунний. В них вмикаючу пружину “взводить” невеличкий двигун. Час вмикання такого апарата – 0,35 – 0,55 с. Так, в апаратах “Электрон”, розрахованих на 1000 – 6300 А, привід або ручний, або електромагнітний, або дистанційний електродвигунний.

Широкозастосовані серії апаратів і їх номінальні струми приведені нижче:

Характеристики автоматів серії 3700 різних модифікації дано в таблиці 18.1. Більш детальні дані по серійних автоматах можна знайти в довідниках та паспортних даних до кожного типу апарату.

Таблиця 18.1. Характеристики автоматів типу А3100 - А3700

Тип	Iном, А	U, В	Число полюсів	Тип розчеплювача	Струм установки розчеплювача, А	Граничний струм вимикання, кА	Час вимикання, с
А3100	50	110;120	1,2,3	Тепловий	15-20	1,6-3,6	0,025
А3120	200	220	2,3	Електро-магнітний	15-100	Постій-ний 20
А3130	200	220		Електро-магнітний	100-200	17-28	0,015
А3710Б	160-130	440;660		Тепловий, електро- магнітний, напівпро- відниковий	−	110 (із струмо- обмеже-нням)
А3710Ф	160-630	220;380		Тепловий, електро- магнітний.	−	25-50	0,03

18.3 Принцип роботи автомата А3100 та А3700

В якості прикладу розглянемо роботу автомату А3100 (А3700). Автомати по принципу роботи не відрізняються. В А3700 додатково є напівпровідниковий розчеплювач максимального струму. Він виготовляється у вигляді окремого блоку.

Щоб включити автомат, необхідно привести його пружину у взведений стан. Для цього перемістити рукоятку (4) вниз. Це заставляє фігурну деталь (3) ввійти в зачеплення із зубом (6). Автомат буде готовий до вмикання (рис. 18.1.а). Для вмикання рукоятка (4) переводиться вгору. Пружина (5) переміщується з рукояткою в таке положення, що складова її сили, прикладена до точки з’єднання важелів (11), (12) направлена вверх. Важелі (11), (12) ламаються і переміщаються вгору.

При замиканні апарату починає проходити електричний струм.

Через контакти (14), (13) гнучкий зв’язок (10), розчеплювачі (8) і (9) коло замикається. Автоматичне вимикання відбувається при спрацюванні розчеплювачів. При перевантаженні спрацьовує біметалічний розчеплювач (8). При цьому правий кінець біметалічної пластини переміщується вниз із силою заставляє повернутись навколо точки О₁ важіль (7). Зуб (6) виходить із з зачеплення з фігурною деталлю (3).

За рахунок сили пружини (5), деталь(3) повернеться вгору навколо осі О₂, так що важелі (11), (12) перейдуть вниз і складова сили пружини (5) буде направлена вниз, коло розмикається. Теж саме буде, якщо спрацює електромагнітний розчеплювач (9).

При першому КЗ якір магнітного розчеплювача притягнеться до нерухомого магнітопроводу, що охоплює струмопідводну шину.

Щоб відключити автомат вручну, треба перемістити ручку (4) вниз, так щоб важелі (11), (12) перейшли в нижнє мертве положення.

18.4 Швидкодіючийир автомат . ВАБ – 20М

Швидкодіючі автомати – особлива група вимикачів, застосовуються в основному для захисту в перетворюючих установках. Вони забезпечують підвищення швидкодії за рахунок скорочення часу спрацювання рухомої частини. Час гасіння дуги скорочується при цьому; для зменшення власного часу вимикання швидкодіючий автомат має безпосередній зв’язок якоря із електромагнітом, тобто в них не застосовуються механізми із ламаними важелями і електромагнітні розчеплювачі з великим вільним ходом якоря.

Швидкодія апаратів, відповідно до формули 17.1, може бути підвищена за рахунок скорочення власного часу вимикання і часу гасіння дуги. В даний час основна увага приділяється скороченню власного часу вимикання автоматів.

На рисунку 18.2 показано принцип роботи швидкодіючого апарату ВАБ­-20М.

1 – детальконтакт;

2 – деталь-контакт;

3,8 – якір;

4 – магнітопровід;

5 – струмоведуча шина;

6 – полюсний наконечник;

7 – важіль;

9 – вал;

10 – короткозамкнуті витки.

Принцип роботи ВАБ – 20М (принцип витиснення):

Струмоведуча шина (5) оточена магнітопроводом (4). Внаслідок цього струм, що протікає по (5) створює магнітний потік, що може замикатись через зазор б₁, або зазор б₂. З шиною механічно зв’язаний якір (8) і важіль (7), який може повертатись навколо осі О₁. Короткозамкнуті витки (10) знаходяться на полюсних наконечниках – (6).

Якщо струм в шині не змінюється в часі, то в коротко замкнутих витках (10) немає вихрових струмів, і магнітний реактивний опір, що ним створюється, рівний нулю. При цьому потік замикається через зазор б₁, оскільки він значно менший, чим б₂.

В результаті цього якір (8) притягається до полюсів (6) – це притягання передається шині (5) із жорстко зв’язаними з нею контактами головного кола.

Якщо в колі виникає коротке замикання, струм збільшується, магнітний потік викликає в (10) великі вихрові струми. Реактивний опір в цих місцях зростає, основна доля магнітного потоку замикається через контакт б₂. Результуюча сила переміщує якір і шину вправо, і відбувається вимикання апарату. Для вмикання апарату треба подати напругу на котушку W_0. Тоді осердя (3) притягнеться і контакти (1), (2) замкнуться.

19.Роз’єднувачі, відокремлювачі, короткозамикачі

При ремонті високовольтних кіл широко застосовують спеціальні апарати. До них відносять: роз’єднувачі; відокремлювачі і короткозамикачі. Їх можна назвати високовольтними апаратами безпеки.

19.1 Роз’єднувачі, їх призначення. Схеми вимикання

Роз’єднувачі – апарати призначені для вмикання і вимикання кола високої напруги при струмах значно менших номінальних або при номінальних струмах, але коли напруга на контактах апарату недостатня для утворення дуги.

Роз’єднувачі служать для аварійних вимикань, для забезпечення у високовольтних установках видимого розриву при вимиканні якоїсь ділянки кола або при перемиканні з кола одної вітки на іншу і набору потрібної схеми.

QF – високовольтний вимикач;

QS – роз’єднувачі;

QS_1-2 – нормально замкнуті.

Для безаварійної роботи відповідно до правил техніки безпеки, устаткування має бути відключено:

1. спочатку вимикають коло вимикачем QF;

2. розмикають контакти роз’єднувачів QS₁ і QS₂;

3. після вимикання QF, він повинен бути заземлений роз’єднувачами QS₃ і QS₄. Якщо ножі заземлювачів не заземлені, то можуть виникнути високі потенціали за рахунок ємнісного зв’язку із лініями високої напруги на виводах вимикача QF.

Роз’єднувачі використовуються для вимикання невеликих струмів – струмів холостого ходу трансформаторів, зарядних струмів, повітряних і кабельних ліній.

В ряді випадків роз’єднувачі використовуються для перемикання з одної лінії на другу.

При цьому QS₂ замкнутий, QS₁ розімкнутий в початковий момент. Тоді відбувається перевід навантаження з вітки А на вітку Б. Після цього вимикають QS₂. Дуга на QS₂ не утворюється, оскільки напруга на них дорівнює спаду напруги на QS₁. А напруга на QS₂ є дуже малою.

19.2 Вимоги до роз’єднувачів

Вимоги до роз’єднувачів зв’язані з їх умовами роботи та призначенням. Вимикаюча здатність роз’єднувачів визначається їх контактною системою і механізмом приводу.

Вимоги полягають у наступному:

1. контактна система повинна надійно пропускати номінальний струм скільки завгодно тривалий час;

2. контактна система, працюючи в важких умовах впливу вологи, пилу, льоду, води, повинна мати необхідну динамічну і термічну стійкість;

3. роз’єднувач і механізм його приводу повинні надійно утримуватись у ввімкнутому положенні при протіканні струму короткого замикання. Те саме відноситься до вимкненого положення. Рухомий контакт у вимкненому положенні повинен бути надійно зафіксований, інакше можуть статися аварії з жертвами;

4. у зв’язку з тим, що роз’єднувач – апарат безпеки, проміжок між розімкнутими контактами має мати підвищену електричну міцність;

5. привод роз’єднувача доцільно блокувати із вимикачем. Операції із роз’єднувачем можуть проводитись лише після того, як вимикач вимкнено.

По характеру виконання блокування може бути:

1. механічним;

2. механічно замковим;

3. електромагнітно-замковим.

19.3 Вибір роз’єднувачів

1. номінальна напруга роз’єднувача повинна відповідати номінальній напрузі сітки;

2. найбільший струм тривалого навантаження споживача не повинен перевищувати струму роз’єднувача;

3. ударний струм короткого замикання в місці установки роз’єднувача не повинен перевищувати допустиму амплітуду ударного струму короткого замикання роз’єднувача;

4. повинна виконуватись умова:

– струм термічної стійкості роз’єднувача, гарантований заводом;

– час, на протязі якого він може проходити через роз’єднувач;

– струм короткого замикання;

– час короткого замикання (0.3÷0.5 с.).

5) зовнішні умови роботи роз’єднувача (вітер, температура, вологість) повинні відповідати умовам експлуатації роз’єднувача.

19.4 Конструкції роз’єднувачів

Конструкції роз’єднувачів – різноманітні, в залежності від того, при яких напругах і струмах сітки він повинен працювати. Але обов’язковими частинами в роз’єднувачі є:

1. полюс роз’єднувача, який складається з нерухомих і рухомих контактів (ножів) (кількість ножів може доходити до 8 штук), що кріпляться на ізоляторах.

2. опорна плита (рама).

3. привід.

Бувають контакти з вертикальним розміщенням і з горизонтальним. Контакти повинні надійно працювати при всіх типах режимів і крім нагріву, динамічної і термічної стійкості, для роз’єднувачів дуже важливим є механічна і електрична стійкість ізоляції – один із головних параметрів розрахунку роз’єднувачів.

В роз’єднувачах застосовують високі контактні натискання. Коли роз’єднувачі важкі, то для керування застосовують великі електродвигуни і пневматичні приводи. Найбільш розповсюджений, при струмах А ручний червячний привід. При малих струмах до 35 кВ можна керувати вручну ізоляційною штангою. При напругах до 20 кВ (для внутрішніх установок, на які не впливає атмосфера), розповсюджені роз’єднувачі рублячого типу (рис. 19.5).

Один із засобів забезпечення надійного прижиму контакту – це використання електро-динамічних сил, що виникають при проходженні вимикаючих струмів через рухомі і нерухомі контакти. При КЗ електро-динамічна сила прижимає шини (1) до контакту (2).

Застосовують, крім того, комбіновані контакти.

Для зовнішнього використання служать роз’єднувачі, що мають систему контактів таку саму, як і відокремлювачі (рис 19.4).

1 – ніж контактний

В останні роки на високовольтних підстанціях застосовують відокремлювачі і короткозамикачі замість вхідних вимикачів. Така заміна спрощує устаткування, одночасно не погрішуючи надійності роботи підстанції.

19.5. Відокремлювачі і короткозамикачі.

Відокремлювач – апарат, призначений здійснювати під дією захисту швидке автоматичне вимикання пошкоджених ділянок електричного кола в момент відсутності в ньому струму, тобто в період паузи. За час безструмової паузи автоматичного повторного вмикання відокремлювач вмикає і вимикається пошкоджений трансформатор.

Короткозамикач – це апарат для створення швидкого під дією захисту короткого замикання при пошкодженнях в колі. Час працювання короткозамикачів і відокремлювачів 0,15 – 0,51с. В переспективі повинен бути зменшений до 0,08 – 0,12 с. при напругах до 220 кВ. По конструкції відокремлювачі і короткозамикачі представляють собою роз’єднувачі із швидкодіючими приводами, які керуються від системи захисту.

20. Вимикачі змінного струму високої напруги

Вони призначені для вимикання і вмикання струмів з напругою вище 3 кВ у всіх режимах, можливих при експлуатації: вмиканні і вимиканні (номінальний режим, режим короткого замикання, холостий хід силових трансформаторів, режим ємнісних струмів конденсаторів батарей та довгих ліній). Найбільш важкий режим для вимикача – режим КЗ.

20.1. Параметри високовольтних вимикачів

Розрізняють сім основних параметрів вимикачів. Є ще два дуже важливих параметри: номінальний струм вмикання і вимикання.

Вимикачі мають такі основні параметри:

1. номінальна напруга;

2. номінальний або тривалий струм;

3. номінальний струм термічної стійкості;

4. номінальна потужність вимикання;

5. номінальний струм електродинамічної стійкості;

6. власний час вмикання і вимикання вимикача;

7. повний час вмикання і вимикання.

8. номінальний струм вимикання;

9. номінальний струм вмикання;

Із найвідоміших параметрів треба виділити:

1) номінальний струм вмикання;

2) номінальний струм вимикання.

Ці параметри відрізняються у високовольтних вимикачів від інших апаратів як за величиною, так і складністю з точки зору їх аналізу.

Використовуються вимикачі на струм від 50А до 20 кА і напругу від 3 кВ до 750 кВ.

Потужність вмикання від 50 до 40 тис. МВ·А.

Основним фактором, що визначає конструкцію вимикача є спосіб гасіння дуги (7 типів).

Автоматичне (!!!) i досить швидке (!!!) вимикання кола при КЗ – основна і найбільш відповідальна операція вимикача.

20.2. Номінальний струм вимикання. Номінальна потужність

Струм вимикання досягає сотень кА в сучасних колах високої напруги. При таких умовах процес гасіння дуги є дуже складним.

Номінальний струм вимикання – це найбільший струм, який може надійно вимикати вимикач при напрузі, що рівна найбільшій робочій напрузі сітки при заданих умовах відновлення напруги на контактах вимикача.

Вимикаюча здатність вимикача часто визначається номінальною потужністю вимикання.

[МВ·А] – для трифазної сітки.

Поняття цієї потужності є умовним, оскільки номінальна напруга і номінальний струм вимикання діють в різні моменти часу.

Номінальний струм вимикача протікає в той момент, коли на затискачах апарату і приблизно складає декілька процентів від напруги сітки. Відновлення цієї напруги відбувається після припинення проходження струму. Незважаючи на те, що номінальний струм вимикання і номінальна напруга діють у різні моменти часу, потужність враховує навантаження вимикача цими двома факторами і по суті являє собою потужність, близьку до потужності короткого замикання сітки, в якій встановлено вимикач.

20.3. Автоматичне повторне вмикання вимикача (АПВ)

В більшості випадків коротке замикання носить тимчасовий характер.

Якщо ізоляція лишилася не пошкодженою, то при новому вмиканні вдається відновити подачу енергії. Відновлення подачі енергії вмиканням вимикача після певного короткого замикання називається автоматичне повторне вмикання вимикача (АПВ). Його застосування дозволяє підвищити надійність енергоспоживання. Час від моменту вимикання до моменту нового вмикання повинен бути достатньо малим, для того, щоб забезпечити неперервну роботу споживача. Одночасно цей час повинен бути достатнім для деіонізації пробитого проміжку після вимикання. Час деіонізіції 0.1 – 0.5 с., залежить від напруги сітки. Якщо до моменту АПВ коротке замикання не зникає і вимикач вмикається на існуюче коротке замикання, то після цього знову відбувається вимикання короткого замикання.

Номінальне значення струму вимикання залежить від циклу роботи вимикача. Є вимикачі без АПВ; є з одноразовим АПВ; є з двохразовим АПВ. Згідно ДСТа номінальний струм вимикача вимикається по наступних циклах:

Група А – цикл представляє собою наступне: вимикання – безструмова пауза (БП) – вмикання-вимикання – 180 с. (БП) – вмикання-вимикання.

Група Б – цикл: вимикання – 180 с. (БП) – вмикання-вимикання – 180 с. (БП) – вмикання-вимикання.

Операція безструмова пауза (БП) нормується, залежить від типу вимикача, складає 0.3 – 1.2 с.

Операція вмикання-вимикання – це операція вмикання і негайного вимикання.

180 с. – (БП) – безструмова пауза, що дорівню 180 с.

Якщо вимикач працює на напругу 220 кВ, то крім циклу А він повинен забезпечувати інший цикл: вимикання – безструмовий час – вмикання-вимикання – 20 с. – вмикання-вимикання.

Перша безструмова пауза залежить від часу дії релейного захисту і власного часу вимикання вимикача.

Власний час вимикання вимикача – це час, протягом якого сигнал з моменту подачі команди на вимикання не примусить контакт почати розходитись.

Номінальний струм вимикання – це діюче значення періодичної складової струму в момент розходження контактів. Цей струм вказується на щитку вимикача.

Номінальний струм вмикання – це найбільший ударний струм, на який вимикач вмикається без зварювання контактів і інших пошкоджень, що заважають нормальній роботі. Цей струм визначається як

де – номінальний струм, на який розрахований вимикач.

20.4 Вимоги до вимикачів та їх класифікація

Вимикач – це найбільш відповідальний апарат високовольтної системи.

При відмові роботи вимикача розвивається аварія і руйнування, матеріальні затрати зв’язані із недодачею енергії, зупинки подачі енергії. Тому основна вимога до вимикачів – їх надійність у всіх експлуатаційних режимах.

Крім того:

1 – вимикачі повинні спрацьовувати за мінімально короткий час, щоб забезпечити надійність ізоляції при перенапругах;

2 – виведення вимикача з робочого стану для ремонту і ревізії зв’язані з великими труднощами. У зв’язку з цим вимикач повинен допускати найбільш можливу кількість вимикання короткого замикання без ревізії і ремонту. Сучасні вимикачі витримують до 10 коротких замикань без ревізії.

3 – вимикання не повинно супроводжуватись викидом полум’я і розжарених газів, що може призвести до перекриття ізоляції розподільних пристроїв.

Вимикачі класифікуються кількома способами:

1. по їх методу гасіння дуги;

2. по виду ізоляції струмоведучих частин між собою і на землю;

3. по принципах, закладених в конструкцію дугогасильного пристрою.

Основна найважливіша із класифікацій – по способу гасіння дуги – вона дозволяє виділити наступні групи вимикачів:

1) повітряні вимикачі із відкритим відокремлювачем. В них гасіння дуги здійснюється потоком стиснутого повітря, що отримується від спец джерела (є декілька модифікацій);

2) масляні вимикачі. Гасіння відбувається в маслі. Вони поділяються на бакові з великим об’ємом масла і маломасляні, в яких масло використовується тільки для гасіння дуги. В той час як в бакових вимикачах масло застосовують ще й для ізоляції від землі;

3) електромагнітні. Гасіння дуги здійснюється за рахунок магнітного дуття в різного роду камерах;

4) автогазові. Гасіння дуги здійснюється за допомогою газів, що виділяються із стінок камери;

5) вимикачі із стиснутим елегазом. Газ, що застосовується для гасіння дуги – чиста фториста сірка SF₆;

6) вакуумні вимикачі. Гасіння дуги відбувається в вакуумі, відсутнє окислення контактів.

Кожен із типів має свої особливості, плюси і мінуси. Найбільш широко використовуються масляні вимикачі. Вони охоплюють діапазон напруг до 20 кВ і практично забезпечують в усьому цьому діапазоні напруг надійне вимикання. Вони – надійні і дешеві.

Повітряні мають ту особливість, що стиснуте повітря в дугогасильній системі має тиск до 4 МПа ( при чому нормальний тиск 10⁵Па).

Електромагнітні вимикачі можуть забезпечити без ревізії і ремонту при струмі I = 3600 А 5×10³ комутаційних числа. Тому вони застосовуються при великій частоті операцій.

21. Особливості високовольтних вимикачів

21.1 Масляні вимикачі

21.1.1 Принцип роботи масляного вимикача

В масляних вимикачах дуга, що утворюється між контактами, горить в трансформаторному маслі. Розрізняють бакові масляні і маломасляні вимикачі.

Під дією енергії дуги масло розкладається, гази і пари, що утворюються при цьому, використовуються для гасіння.

Бакові масляні і маломасляні вимикачі відрізняються між собою тим, що в перших струмоведучі частини ізолюються між собою і від землі за допомогою масла, що знаходиться в масляному баці, з’єднаному із землею.

1 – стальний бак;

2 – ізолятори;

3 – дугогасильна камера;

4 – ізоляція баку.

В маломасляних вимикачах ізоляція струмоведучих частин від землі і між собою здійснюється за допомогою твердих діелектриків.

Це робиться із метою зменшення габаритів і маси вимикача. Так, якщо розміри масляних бакових вимикачів на струм =40 кА і =110 кВ становлять ~ 4.6 м×2.1 м, то типові маломасляні (на струм =20 кА і =10 кВ) мають розміри 0.84 м×0.36 м. Крім того, маломасляні – більш пожежо і вибухобезпечні. Створені маломасляні вимикачі серії ВМТ на напругу 110 кВ і 220 кВ із номінальним струмом вимикання 20 кА (див. додаток 2).

21.1.2Особливості конструкції масляних бакових і маломасляних вимикачів

Масляні бакові вимикачі – це вимикачі із великим об’ємом масла. Звичайно, бак заповнюється маслом на 2/3. Найбільша потужність масляних бакових вимикачів ~ 25000 МВ·А.

Масляний баковий вимикач складається із дугогасильної системи, контактної системи і привода, що знаходиться зовні вимикача.

Вільний об’єм між камерою і кришкою бака – „повітряна подушка”, – сполучена із атмосферою через газовідвідну трубу. „Повітряна подушка” знижується, що передається на стінки бака при вимиканні, запобігає вибуху при великому тиску.

Найбільш широко в масляних бакових вимикачах застосовують торцеві і розеточні контакти. Один із рухомих контактів роблять полим (пустотілим). Газово-парова суміш, виходячи через нього, створює повздовжнє дуття і гасить дугу. Дугогасильна камера має проміжний контакт і складається з двох напівкамер – верхньої металічної і нижньої – ізоляційної. Зростання потужностей генераторів (500 – 1200 МВт) вимагає вимикачів на струми більше 10 кА. Особливість конструкції цих вимикачів – струмопровід, що має два паралельних контура: основний, контакти якого є відкритими, і дугогасильний, контакти якого розміщені в дугогасильних камерах.

Більша частина струму проходить через основні; при вимиканні спочатку вимикаються основні контакти, дуга на них не виникає.

Бакові масляні вимикачі мають високу надійність, простоту конструкції камер і механізмів, високу механічну міцність елементів.

Це дозволяє їх використовувати в самих найтяжчих умовах. По статистиці надійність цих вимикачів вища повітряних і маломасляних. Їх конструкція дозволяє користуватись вбудованими трансформаторами струму і подільниками ємності. Вони не потребують висококваліфікованих працівників для обслуговування.

Недоліки:

1. великі габарити і маса, зв’язані із великою потребою масла;

2. підвищена вибухо і пожеже небезпека.

В перспективі їх замінять на маломасляні (до 6 – 10 кВ) і елегазові та вакуумні вимикачі (при напрузі 35 – 220 кВ).

Маломасляні вимикачі ВМП – 10 мають контактну систему, ДП і пристрій, що перетворює обертовий рух важелів в поступальний рух контактів, змонтовані у вигляді єдиного блока полюса. Цей блок за допомогою ізоляторів кріпиться до стальної рами. У верхній головці полюса розташовані рухомий контакт і механізм, в нижній – нерухомий розеточний контакт (див. додаток 3).

Дуговий пристрій (ДП) заключено в склоепоксидний циліндр. ДП зібрано із пластин фібри, гетинакса, електрокартону, в яких вирізано отвори, що утворюють канали і полості для гасіння дуги.

Для обмеження тиску при великих струмах і створення необхідного тиску поблизу нульового значення струму – в наявності – спеціальний буфер, в якому повітря стискається і акумулюється енергія. Ця енергія дозволяє біля нуля струму створити тиск, необхідний для гасіння дуги.

При напругах 110, 220 кВ поки що в більшості використовують бакові вимикачі із номінальним струмом вимикання 20 – 40 кА.

В 75% випадків струм короткого замикання не перевищує 20 кА. Тому заміна бакових маломасляними вимикачами може дати великий техніко-економіний ефект.

Найбільш високовольтними із маломасляних є маломасляні вимикачі серії ВМТ. Їх параметри: =110, 220 кВ; =1000 кА; =20 кА; =0.08 с; =0.15 с.

Такий вимикач працює в циклі АПВ із часом безструмової паузи 0.3 с.

Якщо вимикач виконано в трьохфазному виконанні, то вмикання всіх трьох полюсів здійснюється одним пружинним приводом. Для забезпечення роботи при низьких температурах (до 60^°С) вимикач має електронно зігріваючий пристрій.

Переваги маломасляних вимикачів:

1. менші маса і габарити при меншій кількості масла;

1. огляд і ремонт дугогасильних камер можливий без зливу масла (зручність експлуатації);

2. шляхом застосування уніфікованих вузлів, вимикач досить легко можна виконати на напругу до 500 кВ.

Недоліки маломасляних вимикачів:

1. менша надійність, чим у бакових;

2. номінальний струм вимикання поки що нижчий, чим у бакових;

3. не допускають, як правило, установки вбудованих трансформаторів струму.

21.2 Повітряні вимикачі

21.2.1 Особливості повітряних вимикачів

Переміщення контактів і гасіння дуги в цих вимикачах здійснюється за допомогою стисненого повітря (газу).

Вимикачі виготовляють двох типів:

а) розподіляючі – на 750 кВ, 40 – 50 кА (серія ВВБ, ВНВ);

б) генераторні – на 35 кВ, 160 кА (серія ВВП-35).

Повітряні вимикачі серії ВНВ призначені для напруг 220-1150 кВ і струмів вимикання до 63 кА.

Незалежно від типу і конструкції повітряні вимикачі складаються із трьох частин, що є основними:

1. дугогасильний пристрій з відокремлювачем (або без нього);

2. система постачання стисненого повітря;

3. пневмоелектрична система керування, що створює тиск в дугових пристроях (ДП) до 4 МПа (це вимагає великих затрат на створення механічно міцної конструкції вимикача). Загальний принцип роботи такого вимикача наступний:

   1. У ввімкненому стані вимикача в дугогасильному пристрої і у відокремлювачі всі контакти замкнуті.

   2. При подачі команди на вимикання стиснене повітря із резервуара подається в дугогасильну камеру, розмикає контакти і гасить дугу. Для полегшення гасіння дуги паралельно контактам вмикають шунтуючий резистор. Після гасіння дуги на основних дугогасильних контактах розмикається відокремлювач, що вимикає остаточний струм.

   3. Після гасіння дуги на відокремлювачі подача повітря в дугогасильну камеру (а їх – декілька, послідовно з’єднаних) припиняється, і контакти під дією пружин замикаються (контакти виконуються у вигляді контактно поршневих механізмів).

21.2.2 Функціональна схема полюса генераторного вимикача із повітрянаповненим відокремлювачем

Функціональна електрична схема полюса генераторного вимикача із повітрянонаповненим відокремлювачем ВВГ – 20 (= 20 кВ, = 160 кА) приведена на рис. 21.2 (в якості прикладу).

Полюс складається із виводів 1,4 і роз’єднувача 2, основних дугогасильних контактів 7,10, які шунтовані опорами 8 і 11 відповідно, дугогасильних контактів 6 із розрядником 3 і нелінійним опором 5. Всі пристрої монтуються на баку і мають відповідні електропневматичні приводи. У ввімкненому стані струм протікає в основному через основний струмоведучий контур. При вимиканні спочатку розмикається роз’єднувач 2, і весь струм переходить в дугогасильний контур.

1,4 – основні виводи;

2 – роз’єднувач;

3 – розрядник;

5 – нелінійний резистор;

6 – допоміжні дугогасильні контакти;

7,10 – основні дугогасильні контакти;

8,11 – шунтуючі резистори цих контактів;

9 – відокремлювач.

Потім розмикаються контакти 7 і 10. Струм при цьому протікає через допоміжні дугогасильні контакти 6. Цей струм обмежений резисторами 8 і 11. Після їх розмикання і гасіння дуги коло розмикається відокремлювачем 9 повністю. Відокремлювач 9 забезпечує необхідний проміжок.

На випадок виникнення перенапруг в коло ввімкнено розрядник 3, який буде обмежувати ці перенапруги.

21.3 Електромагнітні та вакуумні вимикачі.

21.3.1 Електромагнітні вимикачі

Електромагнітні вимикачі використовуються на номінальні струми до 3600 А, =6 і 10 кВ; 31,5 кА.

Дугогасильна камера складається із ізоляційної камери і П-подібного магнітопровода навколо неї, на середню частину якого надіта дугогасильна котушка. При розмиканні дугогасильних контактів дуга, яка виникає під дією електродинамічних сил, створених котушками, і конвекційних потоків повітря переміщується вгору, затягується в ДП і рухається із швидкістю біля 100 м/с. Дуговий пристрій (ДП) складається із пакета керамічних пластин із вирізками.

Недоліки електромагнітних вимикачів – велика провідність стінок ДП. Вузькі щілини ДП нагріваються дугою до дуже великих температур, при яких вони починають проводити струм. Великий залишковий струм може привести до пробою по сильно нагрітій (розкалена) поверхні пластин.

Тому електромагнітних вимикачів обмежується 10 кВ; позитивним є те, що на відміну від масляних і повітряних вимикачів вони не потребують ні масла, ні стиснутого повітря. Електромагнітні вимикачі мають високу надійність і великий строк служби, але дорожчі за масляні вимикачі.

21.3.2 Вакуумні вимикачі

В них контакти розходяться в камерах, що представляють собою повністю запаяні скляні посудини із вакуумом 10^-4 Па. При напругах 100 кВ рухомі контакти мають хід ~ декількох мм.

Для запобігання від перекриття по поверхні в середині посудини застосовують спеціальні екрани. Перекриття може з’явитись внаслідок осідання частинок випарованого металу контактів при багаторазовій роботі.

Розміщення у вакуумі контактів виключає окислення, дозволяє застосовувати менші контактні натискання.

Позитивні сторони вимикачів даного типу:

1. швидкодія;

2. малі потужності керування;

3. великий термін служби, широкий діапазон робочих температур;

4. перспективний при вимиканні струмів високої частоти, при напругах 100 кВ;

Недоліки:

1. складність конструкцій на >100 кВ;

2. великі затрати на організацію виробництва.

При малосерійному випуску вакуумні вимикачі на ~ 5 – 15% дорожчі за маломасляні, але дешевші електромагнітних.

Економія експлуатаційних затрат обумовлює їх широке застосування, наприклад, в Японії 50% всіх вимикачів – вакуумні.

22. Реактори, конструкція і основні параметри.

22.1 Реактори. Відносний опір генератора та реактора

Реактори – це електричні апарати у вигляді котушки із незмінною індуктивністю для обмеження струмів короткого замикання та підтримки напруги на шинах при аварійному режимі. Це захищає коло від руйнуючої дії електродинамічних сил. Реактор має виключно високу надійність.

Розглянемо схему рис. 22.1.

Генератор G живить збірні шини 1, від яких відходять лінії 2 до споживача.

Візьмемо два випадки:

а) за вимикачем QF₁, де немає реактора, відбулось коротке замикання;

б) за вимикачем QF₂, в колі якого стоїть реактор L, відбулось коротке замикання.

Індуктивний опір реактора – х_р. х_р обмежує струм короткого замикання.

При трифазному короткому замиканні струм короткого замикання в колі, де стоїть QF₁, визначається в основному індуктивним опором генератора:

(22.1)

Для характеристики процесів, що відбуваються при короткому замиканні вводиться поняття відносного індуктивного опору генератора. Він виражається в процентах і рівний:

(22.2)

Якщо в колі стоїть реактор, то можна із формул (22.1) і (22.2) встановити зв’язок між величиною відносного опору і

(22.3)

В даному випадку (випадок (а)) на збірних шинах при короткому замиканні напруга буде рівною нулю і на всіх лініях, що відходять зникне напруга.

Формула (22.3) дуже зручна для оцінки величини струму короткого замикання, коли його значення визначається тільки опором одного елемента схеми. Для цього береться номінальний струм елемента установки множиться на 100 і ділиться на його опір в %.

Вимикач QF₁ повинен бути вибраний по струму короткого замикання . Струм короткого замикання в лінії із реактором визначається за формулою:

(22.4)

При цьому а при умові

Індуктивність реактора залежить від його розмірів, діаметру витків і співвідношення між діаметром і висотою реактора.

Відносний індуктивний опір реактора визначається за формулою:

(22.5)

Опір x_р>>x_г. В режимі короткого замикання >> (тому що x_р>>x_г), і напруга на шинах відносно землі мало відрізняється від номінальної фазової .

Вибір апаратури лінії здійснюється по струму при наявності реактора короткого замикання, що набагато менший чим струм короткого замикання без реактора. Це значно облегшує і здешевлює розподільний пристрій.

Розглянемо рис. 22.2.

При номінальному режимі опір реактора – опору навантаження, тому спад напруги на реакторі є незначним. Струм навантаження відстає від напруги навантаження на кут j, оскільки навантаження є індуктивно-активним.

Напруга на шинах при наявності реактора буде рівна сумі напруги навантаження і спаду напруги на реакторі.

Номінальний струм реактора вибирається рівний номінальному струму лінії. Поскільки один генератор обслуговує декілька десятків споживачів, то номінальний (довготривалий) струм лінії набагато менше струму генератора.

I_ном.р<<I_ном.г.

Величина ΔU – різниця між напругою на шині і напруги на навантаженні називається втратою напруги. При номінальному режимі, коли в колі йде номінальний струм.

(22.6)

Із (22.6) випливає, що при чисто індуктивному навантаженні (sinf=1) втрати є рівними спаду напруг на реакторі, і що взагалі вони залежать від cos тобто співвідношення активного і реактивного опору кола. Це зрозуміло із еквівалентної схеми кола рис. 22.2 і векторної діаграми, що відповідає цій схемі, які представлені на рис. 22.3. – кут між струмом і напругою. Якщо х_р%>3%, то найбільший струм, що проходить через реактор визначається формулою:

Звичайно х_р%<10%. Якщо х_р% <3%, то при розрахунку опору треба брати до уваги опір генератора, тобто джерела живлення.

22.2 Номінальні напруга та струм реактора

До основних параметрів реактора відносяться:

1. номінальна напруга;

2. номінальний струм;

3. струм термостійкості, віднесений до певного значення часу термостійкості;

4. струм динамічної стійкості;

5. реактивний опір х_р% та його індуктивність

6. 

При проходженні між окремими реакторами і всередині реактора (між витками) виникають електродинамічні сили, що намагаються його зруйнувати. Як правило, витки між собою розташовані на відстані 3,5 – 4 см, а струм досягає 10 – 100 кА.

Механічна міцність реактора характеризується ударним струмом електродинамічної стійкості.

Реактор споживає із сітки реактивну потужність, яка для трьохфазного комплекту рівна:

В номінальному режимі обмотка реактора нагрівається проходящим струмом, що проходить. Втрати у вигляді тепла на обмотці реактора при цьому – декілька кВт при струмах ~ 2000 А.

22.3 Конструкція реактора

Найбільш розповсюджені бетонні реактори. Котушки реакторів намотують із багатожильного дроту (рис 22.4). Вертикальні колони виготовлені із бетону (колони-стойки). Після затвердіння бетону реактор інтенсивно сушать у вакуумі і пропитують ізоляційним лаком. Сумарна товщина ізоляції (разом із Х/Б) ~ 1,5 мм. Дріт покривають папером. Товщина шару паперу 0.12 мм. Температура реактора 105 при тривалому режимі. Температура при короткому замиканні не вище 250 Бетонні реактори застосовують на напругах до 35 кВ. Крім бетонних реакторів на напруги вищі 35 кВ застосовують масляні реактори. Масло служить ізолюючим і охолоджуючим середовищем.

22.4 Розрядники

Розрядник – це електричний апарат, що служить для запобігання пробою ізоляції при перенапругах. Перенапруги виникають при комутаціях, а також при атмосферних розрядах, як їх наслідок. Вони можуть пробити ізоляцію, оскільки досягають величини в 6-8 раз більшої номінальної напруги.

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 I₁ , в первинній обмотці визначається опором Z₁, який на декілька порядків вищий, чим вхідний опір трансформатора ТС при будь-якому навантаженні із опором Z₂.

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 Z₂, 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 m_а зростає, потім доходить до максимального і при подальшому збільшенні струму внаслідок насичення магнітопроводу зменшується. Оскільки похибка ΔI обернено пропорційна m_а, то струмова похибка має залежність від B та I (сила первинного струму), показану на рис. 23.2.

Зростання похибки ΔI призведе до неправильності показу приладів. Похибки не повинні бути великими при і При відсутності компенсації ΔI 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 μ (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 μ 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.