Специальный курс электрических аппаратов: Рабочая программа, задания на контрольные работы, методические указания к выполнению контрольных работ

Государственное образовательное учреждение высшего и профессионального образования Северо-Западный государственный заочный технический университет

КАФЕДРА ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИКИ

СПЕЦИАЛЬНЫЙ КУРС ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Рабочая программа Задания на контрольные работы Методические указания к выполнению контрольных работ Факультет энергетический Направление и специальность подготовки дипломированного специалиста: 654500 – электротехника, электромеханика и электротехнология; 180200 – электрические и электронные аппараты

Санкт-Петербург 2003 1

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 621.312.316 Специальный курс электрических аппаратов: Рабочая программа, задания на контрольные работы, методические указания к выполнению контрольных работ – СПб.: СЗТУ, 2003 – 25 с. Методический комплекс содержит рабочую программу дисциплины «Специальный курс электрических аппаратов», задания на контрольные работы и методические указания по решению входящих в это задание задач. Рабочая программа составлена на основании государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению и специальности подготовки дипломированного специалиста: 654500 – электротехника, электромеханика и электротехнология, 180200 – электрические и электронные аппараты. Рассмотрено на заседании кафедры электротехники и электромеханики 20 января 2003 г., одобрено методической комиссией энергетического факультета 14 февраля 2003 г. Р е ц е н з е н т ы:

кафедра электротехники и электромеханики СЗТУ (заведующий кафедрой В.И. Рябуха, канд. техн. наук, проф.); Н.Н.Дзекцер, канд. техн. наук, директор ИЭЦ-«Контакт»

С о с т а в и т е л и:

В.Л. Беляев, канд. техн. наук, доц.; Ю.В. Куклев, канд. техн. наук, доц.

© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2003

2

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ Практически вся электроэнергия распределяется и доводится непосредственно до потребителя через электрические аппараты. С помощью электрических аппаратов осуществляется управление различными механизмами и машинами на промышленных предприятиях, транспорте, сельском хозяйстве. Это предопределяет высокие требования к функциональным характеристикам и к качеству электрических аппаратов, что должно гарантироваться в значительной мере правильной организацией испытаний аппаратов с момента их разработки до освоения серийного производства и затем регулярным проведением испытаний в процессе их промышленного выпуска. Целью дисциплины «Специальный курс электрических аппаратов» является получение студентами, обучающихся на 6 курсе, углубленных знаний в области аппаратостроения. Основными задачами дисциплины являются: развитие у студентов творческого мышления для способности использования полученных знаний на практике, получение навыков в эксплуатации электрических аппаратов и умение выбора электрических аппаратов с учетом технико-экономических показателей. Для изучения дисциплины необходимы знания по физике, высшей и вычислительной математике, теоретическим основам электротехники, теоретической механики, основам метрологии, стандартизации, сертификации и другим ранее освоенным дисциплинам. Весь материал дисциплины разбит на 7 разделов, изучаемых на шестом курсе. В методическом пособии приведены вопросы для самопроверки по разделам, тематический план лекций, перечень лабораторных работ, литература, задание и методические указания к выполнению двух контрольных работ. После получения зачетов по контрольным работам и лабораторному практикуму студент допускается к сдаче экзаменов по данной дисциплине.

3

2. СТРУКТУРА ДИСЦИПЛИНЫ

Эксплуатация и профилактические испытания электрических аппаратов

Вибро- и ударостойкость электрических аппаратов специального назначения

Приводные устройства и механизмы электрических аппаратов

Изоляция электрических аппаратов и условия ее работы

Электродинамические усилия в электрических аппаратах

Электрическая дуга отключение и ее гашение

Контакты электрических аппаратов

Специальный курс электрических аппаратов

3. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 3.1. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА (120 часов) ВВЕДЕНИЕ (2 часа) Краткое изложение целей и задач курса. Основные вопросы, рассматриваемые в данном курсе. Важность понимания изучаемых в курсе явлений и эффектов для создания новейших видов электрических аппаратов, в том числе, специального назначения.

4

3.1.1. КОНТАКТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ (20 часов) [1], c.274…332; [2], c.5…45; 69…102; [3], c.7…76; 80…89; 191…218; [4], c.101…243; [10], c.5…55; 135…321 3.1.1.1. Основные вопросы теории электрического контакта Микрошероховатость контактирующих металлических поверхностей. Кажущаяся, контурная и действительная поверхность соприкосновения контактов. Переходное сопротивление контакта как результат эффекта стягивания линий тока. Шаровая и эллипсоидная модели контакта. Контактная разность потенциалов. Поверхностные пленки и их влияние на сопротивление контактов. Рост поверхностных пленок в зависимости от температуры и времени. Прогнозирование срока службы замкнутых контактов. Фриттинг и механическое разрушение поверхностных пленок. Самоочищение контактов. Туннельный эффект. Термоэлектрический эффект. Залипание контактов. Особенности работы контактов в вакууме, в диэлектрической жидкости, в инертном газе. Жидкометаллические контакты. Переходное сопротивление жидкометаллического контакта. Фриттинг жидкометаллического контакта. 3.1.1.2. Явления тепло- и массопереноса в электрических контактах Виды теплообмена. Формула Ньютона. Основы теории теплопередачи в окружающую среду при естественном охлаждении. Основы теории подобия и её применение для изучения явлений конвективного переноса. Критерии Рейнольдса, Нуссельта, Прандля, Грасгофа. Теплоотдача при вынужденном движении жидкости (газа) и при движении в результате тепловой конвекции. Моделирование тепловых процессов. Распределение температур в охлаждаемом контактном соединении. Температура контактной площадки. Тепловое сопротивление контактов. Нагревание контактов, несимметричных в тепловом отношении. Сваривание контактов и методы уменьшения сил сваривания. Термическая стойкость контактов и токоподводов к ним. Механический и электрический (коммутационный) износ контактов. Мостиковая и дуговая эрозия контактов. Способы повышения износостойкости контактов. Сокращение времени пребывания дуги на контактах. Износостойкие композиционные контактные материалы. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Изложите современные физические представления о контактном переходе и его сопротивлении. 2. Какова микроструктура контактной поверхности? 3. Какие пленки имеют место на поверхности контакта? Как они влияют на проводимость тока через контакт? От чего зависит их рост? 5

4. Опишите сферическую модель контакта и ее использование для теоретической оценки сопротивления стягивания. 5. Опишите эллиптическую модель контакта и ее использование для теоретической оценки сопротивления стягивания. 6. Изложите современные представления о туннельном эффекте и Фриттинге. 7. Опишите термоэлектрические явления, происходящие в электрическом контакте: эффекты Томсона, Пельтье, Колера. 8. Выразите аналитически и графически зависимости сопротивления контакта от величины контактного нажатия и температуры. 9. В чем заключаются особенности работы контактов в вакууме, инертном газе, диэлектрической жидкости? 10. Что представляют собой жидкометаллические контакты? В чем заключаются особенности их работы, преимущества и недостатки? 11. Изложите основные процессы теплоотвода от контактов. 12. Напишите формулу Ньютона. Укажите область ее применения при расчетах теплоотвода от контактов. 13. Напишите основной закон теплопроводности (закон Фурье). В каких случаях он может быть применен при тепловых расчетах контактного соединения? 14. Приведите систему дифференциальных уравнений теплообмена. В каких случаях она может быть применена для расчета тепловых процессов в контактном соединении? 15. Изложите основы теории подобия. Какие критерии подобия применяются для расчета тепловых процессов? 16. Как рассчитывается температура контактной площадки? Каких величин она может достигать? 17. Какой вид имеет распределение температур в охлаждаемом контактном соединении? 18. Что понимается под контактами, несимметричными в тепловом отношении? Как распределяются температуры в таком контактном соединении? 19. Изложите современные физические представления о сваривании контактов? Что называется силой сваривания? Назовите виды сваривания контактов. 20. Приведите эмпирические формулы для минимального приваривающего тока. Какой характер имеют зависимости этого тока от времени его протекания, от силы контактного нажатия? 21. Что понимается под термической стойкостью контактного соединения? Какими величинами она характеризуется? 22. Какие виды электрического износа имеют место в контактах коммутационных аппаратов? Чем обусловлен износ при включении и отключении контактов? 23. Каковы способы снижения электрического износа контактов?

6

24. Что представляют собой дугостойкие композиционные контактные материалы? Чем достигается их дугостойкость? Приведите примеры таких материалов. 3.1.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА ОТКЛЮЧЕНИЯ И ЕЕ ГАШЕНИЕ (20 часов) [1], c.169…246; 332…345; [2], c.151…198; [3], c.118…190; [4], c.104…408; [5] , c.6…221; [9], c.5…34; 127…156; 175…205 3.1.2.1. Свойства и характеристики электрической дуги отключения Отличительные свойства электрической дуги, как одной из форм электрического разряда в газах. Стадии газового разряда в межконтактном промежутке при отключении электрической цепи. Виды теплоотдачи в стволе дуги. Распределение температуры в стволе, в анодной и катодной зонах электрической дуги, в стационарном режиме ее горения. Температура дугового канала в процессе его охлаждения. Характеристики дуги, движущейся в магнитном поле. Скорость движения, напряженность электрического поля и газодинамические процессы в стволе дуги, свободно движущейся и деформированной в узкой изоляционной щели. 3.1.2.2. Процессы, связанные с гашением дуги Гашение дуги переменного тока. Восстанавливающееся напряжение и восстанавливающаяся электрическая прочность дугового промежутка. Остаточные токи. Короткие и длинные дуговые промежутки. Восстановление электрической прочности в коротких и длинных промежутках. Меры, применяемые для повышения скорости восстановления электрической прочности дуговых промежутков. Процессы восстановления напряжения на дуговом промежутке при отключении цепей переменного тока. Одноступенчатый колебательный контур. Условия гашения дуги при периодическом и апериодическом процессе восстановления напряжения. Средняя скорость восстановления напряжения. Двухчастотный контур. Восстановление напряжения при отключении длинных линий и не удаленных коротких замыканий. Отключение малых индуктивных и емкостных токов. Нормирование параметров восстанавливающегося напряжения. Гашение дуги в цепях постоянного тока. Перенапряжения, возникающие при отключении цепей постоянного тока, и способы борьбы с ними. Особенности гашения дуги в вакууме, в элегазе, в диэлектрических жидкостях. Гашение дуги при низких атмосферных давлениях. Синхронное отключение цепей переменного тока. Принципы ограничения токов короткого замыкания с помощью токоограничивающих выключателей.

7

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Что такое электрическая дуга отключения? Назовите ее отличительные свойства и характеристики. 2. Изложите современные физические представления о явлениях ионизации и деионизации дугового промежутка. 3. Как происходит теплообмен в стволе дуги? Как распределяется температура в стволе дуги, в анодной и катодной ее зонах? 4. Изложите современные физические представления о механизме переноса тока в катодной зоне дуги. Как влияют околокатодные процессы на горение и гашение дуги? 5. Охарактеризуйте продольные плазменные потоки в электрической дуге. Каковы причины их возникновения? Как они влияют на пространственную стабилизацию дуги, ее движение и гашение? 6. Какими силами обусловлено движение дуги в электрических аппаратах? Сделайте вывод уравнения для определения скорости движения свободной дуги. 7. Как зависит скорость движения свободной дуги от напряженности магнитного поля, от величины тока? 8. Изложите картину вихревого движения плазмы в стволе движущейся дуги. Чем она обусловлена? 9. Выразите аналитически и графически условия гашения дуги постоянного тока. Как повлияет на эти условия шунтирование дуги активным сопротивлением? Приведет ли такое шунтирование к снижению перенапряжений и вероятности повторного зажигания дуги? 10. Приведите формулы для энергии дуги постоянного и переменного тока. Как влияет на гашение дуги электромагнитная энергия, запасенная в отключаемой цепи? 11. Какие процессы протекают при гашении дуги переменного тока? Изложите условие гашения дуги переменного тока. 12. Охарактеризуйте процесс восстановления электрической прочности промежутка для различных случаев отключения электрических цепей. 13. Каковы причины возникновения перенапряжения при отключении малых индуктивных и емкостных токов? Изложите методы борьбы с этими перенапряжениями. 14. Какие параметры восстанавливающегося напряжения нормируются и почему? 15. Изложите особенности гашения дуги в вакууме , в элегазе, в диэлектрических жидкостях. В каких аппаратах предпочтительно применение этих сред? 16. В чем будут заключаться особенности гашения дуги, если выключатель установить в условиях высокогорья? 17. Каковы основные проблемы синхронного отключения цепей переменного тока? 8

3.1.3. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ УСИЛИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТАХ (8 часов) [1], c.130…161; [2], c.46…68; [3], c.89…117; [7]; [10], c.56…94 Закон Био-Савара-Лапласа. Общие методы определения электродинамических сил. Электродинамические силы между проводниками конечной и бесконечной длины, расположенными параллельно, взаимно перпендикулярно или под любым углом друг к другу; силы, действующие на перемычку П-образного и Z-образного контуров. Применяя метод изменения запаса энергии, следует рассмотреть: силы, действующие в круговом витке; силы взаимодействия между двумя коаксиальными витками различного радиуса; силы, действующие между витками катушки, и силы взаимодействия цилиндрических катушек. Электродинамические силы при стягивающем эффекте. Электродинамические силы в местах сужения сечения проводника. Теорема Двайта. Электродинамические силы отброса в электрических контактах и способы их компенсации. Использование электродинамических сил для ускорения процесса отключения. Электродинамическая стойкость аппарата. Взаимодействие токоведущих частей с ферромагнитными деталями электрических аппаратов. Взаимодействие электрической дуги со стальными пластинами дугогасительной решетки и другими ферромагнитными частями дугогасительных устройств. Графоаналитические методы расчета электродинамических сил. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Изложите физические представления о возникновении электродинамических сил в электрических аппаратах. Приведите примеры. Как определить направление этих сил? 2. Сформулируйте метод расчета электродинамических сил по закону Био-Савара-Лапласа. 3. Сформулируйте метод расчета электродинамических сил по изменению энергии контуров. 4. Приведите выражение для сил взаимодействия между параллельными проводами конечной длины и укажите, чем оно отличается от аналогичного выражения для проводов бесконечной длины. 5. Найдите силы взаимодействия между перпендикулярными проводами, образующими Z-образный контур. 6. Найдите силы и моменты, действующие на перемычку в Побразном и Z-образном контурах. Постройте диаграмму распределения сил вдоль перемычки. 7. Как влияют поперечные размеры проводников на силу взаимодействия между ними в случае параллельных проводников? 8. Как найти силы, пытающиеся разорвать круглый виток с током? 9

9. Как найти силу взаимодействия между двумя круговыми витками с током, расположенными коаксиально на некотором расстоянии друг от друга? 10. Что представляет собой “стягивающий эффект” и какими соотношениями определяются вызванные им явления? 11. Напишите уравнение Двайта. Как с помощью уравнения Двайта определить электродинамические силы, стремящиеся разомкнуть контакты? 12. Как найти силы взаимодействия между прямым проводником и ферромагнитными массами, ограниченными плоскостью? 13. Какие силы действуют на проводник с током в прямоугольной и клинообразной ферромагнитной щели? 14. Что такое электродинамическая стойкость электрического аппарата? Как оценивается электродинамическая стойкость аппарата? 15. В чем заключается графоаналитический метод расчета электродинамических сил? Почему этот метод является универсальным? 3.1.4. ИЗОЛЯЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ И УСЛОВИЯ ЕЕ РАБОТЫ (8 часов) [2], c. 103…150; [6], c. 259…280 Классификация изоляции электрических аппаратов. Старение изоляции и его причины. Перенапряжения, воздействующие на изоляцию в процессе эксплуатации аппаратов. Электрическая прочность различных видов изоляции. Методы управления электрическим полем изоляционных конструкций аппаратов. Тороидальные экраны. Защитные разрядники, трубчатые и вентильные ограничители перенапряжений. Внешняя изоляция электрических аппаратов. Воздушные промежутки. Аппаратные изоляторы. Разрядные напряжения в разных условиях эксплуатации и состояния изоляции. Основные виды внутренней изоляции и их характеристики. Внутренние перенапряжения, уровни перенапряжений, статистические характеристики. Координация и испытания изоляции, методы и схемы испытаний, неразрушающий контроль изоляции. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Как можно классифицировать изоляцию электрических аппаратов? 2. В чем заключается процесс старения изоляции? Назовите основные причины этого старения. 3. Какие внешние и внутренние перенапряжения воздействуют на изоляцию электрических аппаратов? Какие меры применяются для защиты изоляции от перенапряжений? 4. Изложите современные физические представления о электрической прочности газовой изоляции в однородных электрических полях. При каких условиях в этом случае возникает самостоятельный электрический разряд? 10

5. В чем заключаются особенности формирования самостоятельного разряда в газовой изоляции при неоднородных электрических полях? 6. Чем объясняется высокая электрическая прочность вакуума? От чего и как зависит разрядное напряжение в вакууме? 7. От чего зависит разрядное напряжение в газе вдоль поверхности твердой изоляции? Какие меры следует принимать для повышения его величины? 8. Какие конструктивные мероприятия позволяют повысить электрическую прочность загрязненных и увлажненных изоляторов и почему? 9. Изложите современные физические представления о электрической прочности твердой изоляции, о причинах ее старения и о возможности прогнозирования срока службы. 10. Изложите современные физические представления о электрической прочности изоляционных промежутков в жидких диэлектриках. 11. Почему необходимо управлять электрическим полем изоляционных конструкций аппаратов? Что такое тороидальные экраны и как с их помощью можно изменять распределение напряжения? 12. Как проводится испытание электрической прочности изоляции электрического аппарата? Как связана величина испытательного напряжения с классом напряжения аппарата? 13. Как проводится измерение сопротивления изоляции? Для чего это измерение проводится при профилактических испытаниях аппаратов? Как связана нормированная величина сопротивления изоляции с классом напряжения аппарата? 3.1.5. ПРИВОДНЫЕ УСТРОЙСТВА И МЕХАНИЗМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППРАТОВ (8 часов) [2], c.278…306; [3], c.531…581 Классификация приводных механизмов электрических аппаратов. Требования к приводу. Пружинные, пневматические, гидравлические и др. виды приводных механизмов. Передаточные механизмы электрических аппаратов. Кинематика механизмов. Силы, действующие в механизмах. Приведение сил и моментов к основному звену (точке) механизма. Приведение масс и моментов инерции. Динамика механизмов. Составление и решение уравнений движения частей электрических аппаратов. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Приведите классификацию приводных механизмов электрических аппаратов. Какие основные требования предъявляются к таким механизмам?

11

2. В чем состоит назначение кинематической схемы приводного механизма? Какие величины указываются на этой схеме? Приведите пример кинематической схемы. 3. Как производится приведение сил и моментов при расчете механизмов аппарата? Покажите это на примере. 4. Как производится приведение масс и моментов инерции при расчете механизмов аппарата? Покажите это на примере. 5. Покажите на примере, как составляется уравнение движения простейшего приводного механизма. 6. Как производится решение уравнений движения графоаналитическим методом? Покажите это на примере. 7. Изложите основные этапы расчета пневматического приводного механизма. 8. Изложите основные этапы расчета гидравлического приводного механизма. 3.1.6. ВИБРО- И УДАРОСТОЙКОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ (8 часов) Необходимость эксплуатации электрической аппаратуры в условиях различных механических воздействий: ударных сотрясений, тряски и вибраций. Причины вибрации и ее виды. Силы, действующие на аппараты при вибрации. Способы снижения воздействия вибраций на аппарат. Силы, воздействующие на аппараты при ударных сотрясениях. Способы повышения ударопрочности электрических аппаратов. Кинематические схемы ударостойких электрических аппаратов. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. В каких случаях необходимо применение электрических аппаратов ударно-вибростойкого исполнения? Приведите примеры. 2. Назовите причины возникновения вибрации и ее виды. Почему опасно явление механического резонанса узлов аппарата и в чем оно состоит? 3. Как оцениваются силы, действующие на аппарат при вибрации? Как связаны между собой амплитуда смещения и амплитуда ускорения при вибрации? 4. Какими параметрами характеризуется ударное сотрясение? Почему при этом возможно ложное срабатывание электрического аппарата? 5. Какие мероприятия применяются для предотвращения ложных срабатываний аппарата при ударных сотрясениях? 6. Приведите кинематические схемы ударно-вибростойких аппаратов: с уравновешенной подвижной системой; с блокированием защелкой, с динамически стабилизированной подвижной системой. 7. Как оцениваются силы, воздействующие на аппарат при ударных сотрясениях? 12

Рекомендуется при подготовке ответов на данные вопросы воспользоваться книгой: Вайсман Х.Г. Электрическая аппаратура управления судовыми электродвигателями. –М: Морской транспорт, 1958, с. 120….132. 3.1.7. ЭКСПЛУАТАЦИЯ И ПРОФИЛАКТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ (6 часов) [20], c.103…114 Условия эксплуатации электрических аппаратов. Требования к электрическим аппаратам, связанные со спецификой их эксплуатации на морских кораблях, на наземных подвижных объектах, в шахтах, на прокатных станах, в условиях высокогорья и т.п. Эксплуатационные и профилактические испытания аппаратов. Виды, нормы и объемы испытаний. Их роль в повышении надежности работы аппаратов. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Как связаны условия эксплуатации аппарата с предъявляемыми к нему требованиями? Приведите примеры. 2. Как повлияют условия эксплуатации аппарата на надежность его работы и срок службы? Приведите примеры. 3. Как влияют условия эксплуатации аппарата на его конструкцию и используемые в нем материалы? Приведите примеры. 4. Какие испытания относятся к эксплуатационным? Приведите примеры эксплуатационных испытаний. 5. Какие испытания относятся к профилактическим? Приведите примеры таких испытаний. 6. Почему профилактические испытания изоляции высоковольтных аппаратов повышают надежность их работы и срок службы? 3.2. Тематический план лекций для студентов очно-заочной формы обучения (20 часов) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Введение Контакты электрических аппаратов Электрическая дуга отключения и ее гашение Электродинамические усилия в электрических аппаратах Изоляция электрических аппаратов и условия ее работы Приводные устройства и механизмы электрических аппаратов Вибро- и ударостойкость электрических аппаратов специального назначения Эксплуатация и профилактические испытания электрических аппаратов 13

2 часа 2 «-« 4 «-« 2 »-« 2 «-« 4 «-« 2 «-« 2 «-«

3.3. Перечень практических занятий для студентов очно-заочной формы обучения (8 часов) 1. 2. 3.

Расчет тепловых процессов в размыкаемых контактах электрических аппаратов и нагрев обмотки катушки 4 часа Расчет электродинамических сил 2 «-« Расчет тяговых усилий электромагнита и противодействующих сил 2 «-« 3.4. Перечень лабораторных работ (12 часов)

Работы по спецкурсу электрических аппаратов проводятся в лабораториях АО “Электросила” (аппараты низкого напряжения), и Великолукского завода высоковольтной аппаратуры (аппараты высокого напряжения). Объем работ заключается в проведении следующих испытаний: 1. Определение параметров контактной системы (провал, зазор, контактное нажатие, продолжительность отбросов при включении, одновременность замыкания, падение напряжения на контактах) 4 часа 2. Испытание на длительное нагревание 4 «-« 3. Испытания изоляции 4 «-«

4. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Основная: 1. Основы теории электрических аппаратов / Под ред. И.С. Таева -М: Высш. школа, 1987. 2. Теория электрических аппаратов / Под ред. Г.Н. Александрова – М: Высш. школа, 1985. 3. Основы теории электрических аппаратов / Под. ред. Г.В. Буткевича – М: Высш. школа, 1970. Дополнительная: 4. Таев И.С. Электрические контакты и дугогасительные устройства аппаратов низкого напряжения. –М.: Энергия, 1973. 5. Буткевич Г.В. Дуговые процессы при коммутации электрических цепей. – М.: Энергия, 1973. 6. Электрические аппараты высокого напряжения /Под ред. Г.Н. Александрова –Л.: Энергия, 1971. 7. Холявский Г.Б. Расчет электродинамических усилий в электрических аппаратах. –Л.: Энергия, 1971. 8. Брон О.Б. Электрические аппараты с водяным охлаждением. –Л. : Энергия, 1967. 9. Брон О.Б., Сушков Л.К. Потоки плазмы в электрической дуге выключающих аппаратов. –Л.: Энергия,1975. 14

10. Справочник по расчету и конструированию контактных частей сильноточных электрических аппаратов / Под ред. В.В. Афанасьева. –Л.: 1988. Для углубленного изучения курса: 11. Александров Г.Н., Иванов В.Л. Изоляция электрических аппаратов высокого напряжения. –Л. : Энергоатомиздат, 1984г. 12. Афанасьев В.В., Вишневский Ю.И. Воздушные выключатели. –Л.: Энергоиздат, 1981. 13. Афанасьев В.В., Якунин Э.Н. Приводы к выключателям и разъединителям высокого напряжения. –Л. : Энергия, 1982. 14. Залесский А.М., Кукеков Г.А. Тепловые расчеты электрических аппаратов -Л.: Энергия, 1967. 15. Электрическая эрозия сильноточных контактов и электродов / Г.В. Буткевич, Г.С. Белкин, Н.А. Ведешников, М.А. Жаворонков. –М. : Энергия, 1978. 16. Клепарская Л.Г. Синхронизированные выключатели. –М.: Энергия, 1973г. 17. Джербицки С., Вальчук Е. Токоограничивающие выключатели переменного тока. –Л. : Энергоиздат, 1982. 18. Шевченко С.М. Движение и удары в электрических аппаратах автоматического управления.-М.: Энергия, 1979. 19. Кузнецов И.Ф., Цицикян Г.Н. Электродинамические усилия в токоведущих частях электрических аппаратов и токопроводах. –Л.: Энергоатомиздат, 1989. 20. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей. –М.: Энергоатомиздат,1986. 5. ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ При выполнении контрольного задания расчетные формулы следует сначала писать в общем виде, а затем подставлять в них цифровые значения, указывая размерность полученного результата. Выбранные величины необходимо кратко обосновать. Текст контрольного задания надо выполнять чернилами (пастой), оставляя поля для пометок преподавателя. Все графические работы могут быть выполнены в карандаше на миллиметровой бумаге. В конце работы нужно привести перечень использованной литературы, указав автора книги, название, издательство и год издания. При заимствовании расчетных формул, методов расчета и так далее следует сделать ссылку на использованную литературу с указанием страницы и номера формулы.

15

Если выполненное задание оказывается не зачтенным, необходимо представлять его на повторное рецензирование после исправления и переделки вместе с первоначально выполненной работой со всеми замечаниями рецензента. Стирать или заклеивать замечания не разрешается. Выбор варианта контрольного задания производится в соответствии с начальной буквой фамилии студента: Варианты Начальные буквы фамилии

1 А Б В

2 Г Д Е

3 Ж З И

4 К Л М

5 Н О М

6 7 8 9 10 Р У Х Ш Ю С Ф Ц Щ Я Т Ч

5.1. КОНТРОЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ № 1 ЗАДАЧА 1. Для чистых неокисленных одноточных контактов, выполненных из заданного материала, требуется: а) рассчитать и построить зависимости сопротивления Rк контактов от контактного нажатия Р и температуры θ, изменяющихся в пределах ∆Р и ∆и соответственно; б) при заданном токе I и нажатии на контакты Р определить величину контактной площадки Sк и вычислить среднюю плотность тока в ней, падение напряжения на контактном соединении Uк, перегрев контактной площадки фк над температурой контактов при их диаметре d. Исходные данные к задаче приведены в табл.1. Таблица 1 Номер 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 варианта ∆Р, Н 0000000000200 300 400 500 600 200 300 400 500 600 ∆и, С˚ 202020- 20- 20- 20- 20- 20- 2020100 120 140 160 180 80 90 100 110 120 I, А 100 200 300 400 500 100 200 300 400 500 Р, Н 50 100 150 200 250 50 100 150 200 250 D, мм 8 12 15 20 25 8 12 15 20 25 Материал серебро медь Литература: [1], c.311…320; [2], c.74…84; [3], c.194…205; [4], c.24…42. ЗАДАЧА 2. Два медных стержня диаметром d=20 мм сжаты силой Р. Торцы стержней обработаны по сферической поверхности радиуса r = 10мм. Определить, какую величину постоянного тока в течение времени t = 0,2с эти контакты могут выдержать без сваривания. Значения силы Р задаются в табл.2.

16

Номер варианта Р, Н

1

2

3

4

5

6

7

150

200

250

300

350

400

450

Таблица 2 8 9 10 500

550

600

Методические указания Величина постоянного тока, которая выдерживается контактами без сваривания в течение времени t: I свt = I св∞ F (ξ) , где Iсв∞ - величина минимального сваривающего тока; F(ξ) – поправочное значение, учитывающее время t; a cγ P ; a= ; ξ= πσ см 2 λt

с, γ, λ - теплоемкость , плотность и теплопроводность меди при 0°С; σсм =5100 Н/см2 – напряжение смятия для меди. Значения F(ξ) приведены в табл.3. Таблица 3 0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2 3,4 ξ 1 1,4 1,7 2,5 3,5 4,5 5,5 6,7 8,0 9,2 F(ξ) Величина минимально сваривающего тока: 32λθ пл I св = ma , ρ где θпл = 1083°С – температура плавления меди; λ, ρ - теплопроводность, удельное сопротивление меди при температуре θпл; ma = апл – радиус площадки плавления; m = 1,5 – коэффициент. Литература: [1], c.321…322; [2], c.84…88; [3], c. 205…207; [4], c.42…50. ЗАДАЧА 3. Определить общий объемный износ подвижного контакта воздушного выключателя за n операций отключения тока I при длительности горения дуги 0,01с и сравнить полученный результат с износом подвижного контакта при синхронизированном отключении (за 1 мс до перехода тока через нуль) выключателя при том же токе. Контакты в том и другом случае выполнены с медно-вольфрамовыми накладками. Исходные данные к задаче приведены в табл.4.

17

Номер варианта I, кА Число операций, n

1

2

3

4

5

6

7

Таблица 4 8 9 10

100 10

80 20

60 30

40 40

20 50

90 10

70 20

50 30

30 40

40 50

Методические указания 1. При нормальном режиме износ пары контактов V = pnIt , где р – удельный объемный износ на пару контактов, см3/кА·с, зависящий от тока (рис.1) 2. При синхронизированном отключении (t=0,001 c) в момент расхождения контактов соответствует углу щt1=0,9р, в момент погасания дуги -щt1=0,9р. За это время действующее значение тока 1 ⋅ (sin 2π − sin 2 ⋅ 0,9π) 2 ⋅ (π − 0,9π) При определении износа Vсинхр при синхронизированном отключении необходимо учесть зависимость р=f(I), приведенную на рис.1. 3. При сравнении износа определяется величина отношения V/Vсинхр.

Ιg = Ι ⋅

1−

р, см3 кА.с 0,8 0,6 0,4 0,2 0

20

40

60

80

кА,I

Рис.1. Зависимость удельного износа медно-вольфрамовых контактов от величины отключаемого тока Литература: [5], c.242…254. 18

Задача 4. Определить скорость перемещения дуги в воздухе между круглыми медными параллельными стержнями диаметром d, по которым протекает ток I. Расстояние между стержнями д=10мм (рис.2). Исходные данные к задаче приведены в табл.5. Таблица 5 Номер 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 варианта I,А 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 d , мм 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 Методические указания 1. Величина магнитной индукции в средней точке между стержнями, принимаемая за расчетное значение, определяется как

В ср =

µ0 ⋅ Ι

δ⎞ ⎛ 2π⎜ r + ⎟ 2⎠ ⎝

,

2.Скорость перемещения дуги может быть определена по формуле 1

2

U д = 731 3 Вср3

,

Литература: [5], c.54…55. Задача 5. Вольт-амперная характеристика электрической дуги постоянного тока задана значениями тока I и напряжения на дуге Uд, приведенными ниже в табл.6. Таблица 6 Uд , B 300 250 200 150 100 80 60 50 I,A 0 100 300 600 1000 1350 2000 3000 Пользуясь этой характеристикой, выполнить следующее: а) построить характеристику дуги, шунтированной активным сопротивлением R; б) определить величину перенапряжения, возникающего при погасании дуги, шунтированной сопротивлением R, и без этого сопротивления (напряжение сети U); в) вычислить минимально возможное значение энергии, выделяющейся в дуге при отключении цепи с током I и индуктивностью L, при постоянном токе и при условиях настоящей задачи в цепи переменного тока. Исходные данные для расчета выбрать из табл.7.

19

Номер варианта U,B L , мГн I,A R , Ом

Таблица 7 9 10

1

2

3

4

5

6

7

8

120 5

140 7

150 8

160 9

170 10

180 11

190 12

200 13

210 14

1000

1500

2000

2500

3000

1000

1500

2000

2500 3000

0,04

0,05

0,05

0,07

0,08

0,06

0,07

0,08

0,09 0,10

Литература: [2] , c.172…176; [3] , c.131…139; [5] , c. 65…81. Дуга D

В

+

D

-

5,0м Ug 2r

I

A

C

I д

Рис.2

1,38м ц

0 Рис.3

20

220 15

5.2. КОНТРОЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ № 2

Задача №1. Масляный выключатель имеет токоведущие части, расположенные под углом ц, как показано на рис.3. Определить силу взаимодействия F между проводниками при токе I и при изменении угла ц от 20 до 40˚. Построить зависимость . Определить силу взаимодействия между такими же параллельными проводниками при расстоянии между ними равном расстоянию между верхними концами проводников при ц=20 и 40˚. Сравнить полученные результаты. Величину тока выбрать из табл.8. Таблица 8 Номер 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 варианта I , кА 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 Методические указания Взаимодействие проводников, расположенных под произвольным углом друг к другу встречаются в электрических аппаратах весьма редко. Как и в случае параллельных проводников электродинамическая сила взаимодействия проводников АВ и CD (рис.3) , расположенных под углом ϕ друг к другу определяются по формуле: µ F = 0 i1i 2 K к , 4π где Кк – коэффициент контура. для проводников, расположенных под углом друг к другу, Кк определяется по формуле: (CB − CD ′)( AD + DC ′) (CB + A′B )( AD − AB ′) 1 1 Кк = + ln ln , tgϕ ( AC + A′A)( BD + B ′B ) sin ϕ ( AC − CC ′)( BD + DD ′) где СВ и АD – диагонали четырехугольника ABDC; AC и BD – боковые стороны четырехугольника ABCD; (.) А′ и (.) В ′ - проекция концов С и D проводника CD на проводник АВ соответственно; (.) С ′ и (.) D ′ - проекция концов А и В проводника АВ на проводник CD соответственно. Кk для параллельных проводников конечной длины определяется по формуле: 2A ⎛ а2 а ⎞ Кк = ⎜ 1+ 2 − ⎟ , A⎟ а ⎜ A ⎝ ⎠ где A - длина проводника; а – расстояние между проводниками.

Литература: [2] , c.47….55; [10] , c.63….80. 21

Задача 2. Построить график распределения электродинамических усилий по длине частей 1 и 2 рубильника-разъединителя, изображенного на рис.4, при протекании по ним постоянного тока I. Определить величину силы, которая должна действовать между ножом 2 и губками 4, чтобы предотвратить возможность самопроизвольного отключения при постоянном и переменном токе действующим значением I. Данные для расчетов приведены в табл.9. Номер варианта I , кА а , мм 2в , мм

1

2

3

4

5

6

7

8

Таблица 9 9 10

20 25 30 35 40 20 25 30 35 40 200 250 150 150 250 150 200 200 250 150 40 40 40 50 50 40 40 40 50 50

Литература: [3], c. 96 ….98; [10], c. 74….76. Задача 3. Три прямые медные шины круглого сечения расположены на расстоянии “a” друг от друга. При коротком замыкании по ним протекает трехфазный ток “I”. Требуется: определить усилие, действующее между шинами; построить кривые, выражающие зависимость этих усилий от времени; при диаметре шин “d” и расстоянии между опорными изоляторами “l” найти резонансную частоту шин. Опоры считать жесткими. Данные для расчетов выбрать из табл.10. Таблица 10 Номер 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 варианта а, мм 200 250 300 180 150 150 180 200 250 300 I эфф, кА 30 35 40 30 25 25 30 35 40 40 d, мм 20 22 21 23 20 21 20 22 23 20 l, м 1,0 1,1 1,2 1,0 0,9 0,9 1,0 1,1 1,2 1,0 Расположение В одну линию Треугольником шин Литература: [1], c.153…160; [2], c.66…68; [7]. Задача 4. Между обмотками высокого и низкого напряжения измерительного трансформатора (рис.5) на 35 кВ имеется следующая изоляция: а) несколько слоев картона марки ЭВ (диэлектрическая проницаемость е1=4, средний пробивной градиент напряжения Епр1=120 кВ/см), покрывающих обмотку низкого напряжения и образующих цилиндр с радиусами r1 и r2 (рис.5); б) масляный канал (е2=2,3 ; Епр2=160 кВ/см) с радиусами r2 и r3 ;

22

3

4 е3 е1

е2

3

r1

d 2в

r2 3

r3 r4

Рис.4

Рис.5

в) гетинаксовый цилиндр (е3=6, Епр3=110 кВ/см) с радиусами r3 и r4, на который насажена обмотка высокого напряжения. Определить наибольшие напряженности электрического поля в картоне, масле и гетинаксе при испытательном напряжении 95 кВ (действующее значение) и оценить степень нагруженности изоляции. Данные для расчетов выбрать из табл.11. Таблица 11 Номер 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 варианта r1 , мм 50 47 52 46 53 50 48 54 49 51 r2 , мм 53 50 55 49 57 54 51 57 52 55 r3 , мм 63 60 65 60 67 65 61 66 63 64 r4 , мм 67 64 69 65 70 68 65 70 66 68 Методические указания Наибольшие напряженности электрического поля получатся на внутренних поверхностях изоляционных слоев. Для расчета наибольших напряженностей следует воспользоваться формулой U , Er = ⎛ r r r 4⎞ 2 4 ln ⎟ ln ⎜ ln ⎜ r1 ⎟ r 2 rε ⎜ + + r3 ⎟ ε3 ε3 ⎟ ⎜⎜ ε1 ⎟ ⎝ ⎠ где Еr- напряженность поля, кВ/см, в диэлектрике с диэлетрической проницаемостью е на расстоянии r от оси изоляционной конструкции, см. 23

Например, наибольшая напряженность для картона

E r1 =

U исп ⎛ r2 ⎞ ln r 3 ln r 4 ⎟ ⎜ ln ⎜ r r ⎟ r r1ε1⎜ 1 + 2 + 3 ⎟ ε2 ε3 ⎟ ⎜ ε1 ⎜ ⎝

,

⎟ ⎠

для масла

Er2 =

U исп

⎛ r2 ⎞ ln r 3 ln r 4 ⎟ ⎜ ln ⎜ r r ⎟ r r 2 ε2 ⎜ 1 + 2 + 3 ⎟ ε2 ε3 ⎟ ⎜⎜ ε1 ⎟ ⎝ ⎠

и т.д. Для оценки степени нагруженности изоляции надо соотнести значение наибольшей напряженности для данного слоя изоляции к среднему пробивному градиенту напряжения для этого вида изоляции Епр. Например, для картона:

β1 =

E r1 ⋅100 Е пр1

,%

и т.д.

Сделать вывод какой из слоев изоляции нагружен более сильно. Литература: Михайлов В.В. Расчет и конструирование высоковольтной аппаратуры. Л: Госэнергоиздат, 1955. С.80-96. Задача 5. Выключатель включен за трансформаторной группой 35/110 кВ. Мощность каждого трансформатора Рн, номинальное напряжение Uн=110 кВ, процентная реактивность обмотки ек ; емкость одной фазы обмотки высокого напряжения по отношению к земле Ст; емкость шин и подключенного к ним оборудования составляет по отношению к земле / одной фазы / Сш=5000 пФ. Требуется определить частоту восстанавливающегося напряжения на выключателе и среднюю скорость восстановления напряжения на первой рвущей дугу фазе при трехфазном коротком замыкании за выключателем / без земли /. Исходные данные для расчета выбрать из табл.12. Таблица 12 9 10

Номер 1 2 3 4 5 6 7 8 варианта Рн , кВА 20000 25000 30000 35000 40000 20000 25000 30000 35000 40000 ек , % 6 7 8 9 10 5 6 7 8 9 1800 2000 2500 2800 3000 2200 2400 2700 3200 3500 Ст , пФ

24

Методические указания 1. Индуктивность трансформатора (одной фазы) при 50 Гц 10 ек U 2H . Lф = 2 π f PH 2. Так как при высокой частоте индуктивность снижается примерно на 30% , то L1 = 0,7Lф . 3. Эквивалентная емкость фазы трансформатора С=0,5Ст . 4. Общая емкость фазы С1=С+Сш . 5. Частота восстановления напряжения на выключателя 1 . f0= 2 π L1 C1

первой

рвущей

фазе

6. Средняя скорость восстановления напряжения на первой рвущей фазе выключателя ⎛ dU ⎞ U H ⋅ −6 . B⎟ ⎜ = ⋅ ⋅ 4 1 , 5 2 f 10 0 ⎜ d t ⎟ СР 3 ⎝ ⎠ Две остальные фазы будут иметь ту же частоту f0, но возвращающееся напряжение на полюсе выключателя будет в 3 раз меньше, чем у первой рвущей фазы. Литература: [3], c.173…189; [5], c.169…187. СОДЕРЖАНИЕ 1. Цели и задачи изучения дисциплины 2. Структура дисциплины 3. Содержание дисциплины 3.1. Рабочая программа 3.2. Тематический план лекций для студентов очно-заочной формы обучения 3.3. Перечень практических занятий для студентов очно-заочной формы обучения 3.3. Перечень лабораторных работ 4. Библиографический список 5. Задания и методические указания к выполнению контрольных работ 5.1. Контрольное задание №1 5.2. Контрольное задание №2 25

3 4 4 4 13 14 14 14 15 16 21

Редактор М.Ю.Комарова Сводный темпплан 2002 г. Лицензия ЛР № 020308 от 14.02.97 Подписано в печать Б.Кн.-журн.

Формат 60*84 1/16 П.л. 1,75

Б.л. 0,875

РТП РИО СЗТУ

Тираж Заказ ________________________________________________________________________________ Северо - Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации вузов Санкт-Петербурга 191186, Санкт-Петербург, ул.Миллионная, 5

26