Электрические аппараты

ГОУ СПО «Нижнетагильский горно-металлургический колледж имени  Е. А. и М. Е. Черепановых» 
 
 
 
 
 
 
 
 

Контрольная работа. 

Электрические аппараты. 
 
 

     Выполнил:   гр. 95-1 
      Бурдин Е. В.

     шифр  5517

     Вариант:  7 
 
 
 
 
 
 
 

                                     Нижний Тагил         2011  

Вопрос 1. Дать характеристику режимов работы контактов. Описать процессы, происходящие при выключении контактов. Чем опасна вибрация контактов. Способы уменьшения вибрации. Особенности работы контактов при включении на существующее короткое замыкание.

Ответ. При включении контактов может происходить вибрация контактов и эрозия в результате образования разряда между сходящимися контактами.

В контакторе подвижный контакт связан с контактным рычагом через контактную пружину , а неподвижный контакт жестко закреплен на опоре. При включении электромагнит контактора воздействует на контактный рычаг, в момент соприкосновения контактов происходит удар, в результате которого происходит деформация смятия контактов и отброс подвижного контакта вправо. Между контактами образуется зазор и загорается дуга. Энергия, полученная подвижным контактом, переходит в энергию сжатия пружины и возвращает подвижный контакт влево.

При вибрации контактов происходит образование  многократной короткой дуги, которая  ведет к сильному оплавлению и  распылению контактов. В связи с  износом контактов уменьшается  их взаимное нажатие в полностью  включенном положении, что приводит к повышению переходного сопротивления. При большом количестве включений  и отключений возможен быстрый выход  контактов из строя. Для уменьшения вибрации контактная пружина имеет  предварительную деформацию (натяг) при разомкнутых контактах. В  момент касания контактов сила нажатия  возрастает не с нуля, а с величины начального нажатия контактов. Однако при чрезмерно большой начальной  силе вибрация может возрасти, так  как при недостаточной мощности включающего электромагнита (привода) возможен отброс контактного рычага. Увеличение жесткости контактной пружины способствует уменьшению вибрации. Однако это влияние менее заметно, чем влияние предварительного натяга. В некоторых конструкциях между контактным рычагом и подвижным контактом вводится противовибрационный вкладыш из специального пористого материала типа губчатой резины. Этот материал увеличивает затухание колебания контакта и способствует затуханиям колебания. Этот материал увеличивает затухание колебаний и способствует уменьшению вибрации.

При включении  на существующее короткое замыкание  вибрация контактов усиливается  из-за возникновения отбрасывающих  сил в точке касания. Для того чтобы не было оплавления контактов  в момент их соприкосновения необходимо силой предварительного натяга контактной пружины компенсировать электродинамические  силы отброса и создать такое  нажатие, при котором падение  напряжения на переходном сопротивлении  не приводит к плавлению точки  касания. В аппаратах на большие  токи короткого замыкания электродинамические силы в торцевых контактах получаются столь большими, что контактные пружины должны развивать усилия в несколько тысяч ньютонов. Очевидно, что в подобных случаях необходимо переходить к другой конструкции контактов, которая дает меньшую электродинамическую силу отброса. При включении цепи по мере приближения подвижного контакта к неподвижному возрастает напряженность электрического поля и при определенном расстоянии произойдет пробой промежутка. В аппаратах низкого напряжения пробой возникает при очень малом расстоянии между контактами (сотые доли миллиметра).

 

Вопрос 2. Описать процесс возникновения дуги в электрических аппаратах. Почему важно погасить дугу как можно быстрее? К какому режиму работы это относится? Основные свойства дугового разряда, условия статического горения и гашения дуги. Дуга постоянного и переменного тока.   Описать процесс гашения дуги в выключателях нагрузки.

Ответ . В коммутационных электрических аппаратах, предназначенных для замыкания и размыкания цепи с током, при отключении возникает разряд в газе либо в виде тлеющего разряда, либо в виде дуги. Тлеющий разряд возникает тогда, когда отключаемый ток ниже 0,1 А, а напряжение на контактах достигает 250-300 В. Такой разряд встречается либо на контактах маломощных реле, либо как переходная фаза к разряду в виде электрической дуги. Если ток в цепи выше то имеет место дуговой разряд.

Основные  свойства дугового разряда:

1. Дуговой  разряд имеет место только  при токах большой величины. Минимальный  ток дуги для металлов составляет  примерно 0,5 А.

2. Температура  центральной части дуги очень  велика и в аппаратах может  достигать 6000-18000 К.

3. Плотность  тока на катоде чрезвычайно  велика и достигает 102-103 А/мм².

4. Падение  напряжения у катода составляет  всего 10-20 В и практически не  зависит от тока.

     В дуговом разряде можно различить три характерные области: околокатодную, область столба дуги и околоанодную область. В каждой из этих областей процессы ионизации и деонизации протекают по-разному в зависимости от условий, которые там протекают. Поскольку результирующий ток, проходящий через эти три области, одинаков, в каждой из них происходят процессы, обеспечивающие возникновение необходимого количества зарядов.

     Важнейшей характеристикой дуги является зависимость  напряжения от величины тока. Эта характеристика называется вольтамперной. С ростом тока I увеличивается температура дуги, усиливается термическая ионизация, возрастает число ионизированных частиц в разряде и падает электрическое сопротивление дуги. При увеличении тока сопротивление дуги уменьшается так резко, что напряжение на дуге падает, несмотря на то, что ток в цепи возрастает. Каждому значению тока в установившемся режиме соответствует свой динамический баланс числа заряженных частиц. При переходе от одного значения тока к другому тепловое состояние дуги не изменяется мгновенно.

Дуговой промежуток обладает тепловой инерцией. Если ток изменяется во времени медленно, то тепловая инерция разряда не сказывается. Каждому значению тока соответствует однозначное значение сопротивление дуги или напряжения на ней.

     Зависимость напряжения на дуге от тока при медленном  его изменении называется статической  вольтамперной характеристикой  дуги. Статическая характеристика дуги зависит от расстояния между электродами (длины дуги), материала электродов и параметров среды, в которой  горит дуга. Напряжение на дуге можно  рассматривать как сумму околоэлектродных падений напряжения и падения  напряжения в столбе дуги. Величина напряженности электрического поля в столбе дуги (Е) зависит от тока и условий, в которых горит  дуга. Статические вольтамперные  характеристики дуги имеют вид кривых. Чем больше длина дуги, тем выше лежит ее статическая вольтамперная характеристика. С ростом давления среды, в которой горит дуга, также увеличивается напряженность и поднимается вольтамперная характеристика.

     Выключатель нагрузки. Стоимость современного распределительного устройства с выключателями получается довольно высокой. Дорого стоит сам  выключатель с приводом. Кроме того, для управления выключателем нужны трансформаторы тока, релейная защита. В том случае, когда длительный ток установки невелик, выключатель с релейной защитой можно заменить двумя простыми аппаратами – выключателем нагрузки и предохранителем. Для отключения номинальных токов нагрузки используется выключатель, имеющий дугогасительное устройство небольшой мощности, а короткое замыкание отключается высоковольтным предохранителем. Мощность современных высоковольтных предохранителей приближается к мощности такого выключателя, как ВМП-10. В выключателях нагрузки для гашения дуги применяются: камеры с автогазовым дутьем, с пневматическим дутьем, камеры с элегазовым дутьем и вакуумными элементами. В камерах с автогазовым дутьем гашение дуги осуществляется газами, которые выделяются под действием высокой температуры дуги стенками камеры из газогенерирующего материала (органического стекла, винипласта и др.)

     Для примера возьму автогазовый выключатель  нагрузки типа ВН-16. Он имеет номинальное  напряжение 10 кВ и отключаемый ток 200 А. Все три полюса размещаются  на одной сварной раме. На нижнем опорном изоляторе полюса расположены  вывод полюса и шарнир подвижного контакта. На верхнем изоляторе укреплены  неподвижный главный контакт, дугогасительная  камера и второй вывод полюса. Подвижный  контакт выполнен сдвоенным: в середине укреплен дугогасительный контакт в виде изогнутой тонкой медной шины, по бокам идут две стальные пластины, образующие главный подвижный контакт. Подвижные контакты приводятся в движение валом выключателя, который соединен с контактами фарфоровой тягой. Отключение выключателя происходит под действием пружин, которые заводятся при включении аппарата. Устройство дугогасительной камеры выключателя: неподвижный дугогасительный контакт точеного типа соединен с главным неподвижным контактом, корпус выполнен из пластмассы и состоит из двух половин, стянутых стальными винтами. Внутри корпуса размещены два вкладыша из газогенерирующего материала – органического стекла. 

Автогазовый выключатель  нагрузки ВН-16:

 а — общий  вид; б — дугогасительное устройство продольного дутья

1 — отключающие  пружины (включающие после перестановки  рычага для использования при  АВР);

2 — основные неподвижные  контакты;

3 — дугогасительные камеры;

4 — рама;

5 — опорные изоляторы; 

6 — общий приводной  вал; 

7 — дугогасительные контакты;

8 — изоляционные тяги;

9 – основные подвижные  контакты;

10 — вкладыши в  дугогасительном устройстве;

11 — щель, образуемая  вкладышами;

12 — дугогасительные неподвижные контакты:

13 — пластмассовые  щеки;

14 — дуга 
 

     При включении выключателя сначала  замыкаются дугогасительные контакты, затем главные, при отключении — наоборот. В отключенном положении подвижный дугогасительный контакт образует видимый воздушный зазор с дугогасительной камерой. Выключатели нагрузки могут снабжаться стационарными заземляющими ножами с блокировкой от неправильного включения.

 Выключатели  нагрузки получили широкое распространение  в распределительных сетях 6-10 кВ для включения и отключения  линий, трансформаторов в нормальном  режиме работы, а также в схемах  автоматического включения резерва.  При операциях, проводимых оперативным  персоналом вручную, значение  тока, проходящего через аппарат,  не должно превышать номинального  тока аппарата. В соответствии  с этим перед плановым отключением  выключателя нагрузки необходимо  проверять значение тока в  отключаемой цепи. При отсутствии  в цепи измерительного прибора  максимально возможное значение  тока в коммутируемой цепи  должно определяться заранее  и указываться в местной инструкции.

  При устранении аварийных ситуаций выключатели нагрузки используются для выделения (отключения) поврежденного участка сети. Операции выполняются действием автоматических устройств в периоды времени, когда с электроустановки снято напряжение, т.е. в так называемые «бестоковые» паузы (качество отделителя). 

Вопрос 3. Описать конструкцию, назначение, принцип  действия, условное обозначение и  изображение, особенности  конструкции и  работы разрядников  вентильных. Сравнить их с ограничителями перенапряжения.

     Ответ. Разрядник – электрический аппарат, предназначенный для ограничения перенапряжений в электротехнических установках и электрических сетях. В электрических сетях часто возникают импульсные всплески напряжения, вызванные коммутациями электроаппаратов, атмосферными разрядами и иными причинами. Несмотря на кратковременность такого перенапряжения, его может быть достаточно для пробоя изоляции, и, как следствие, короткого замыкания, приводящего к более разрушительным последствиям. Для того чтобы устранить вероятность короткого замыкания, можно применять более надежную изоляцию, но это приводит к значительному увеличению стоимости оборудования. В связи с этим в электрических сетях целесообразно применять разрядники.

     Разрядник, предназначенный для защиты электрооборудования  сетей переменного тока от различных  перенапряжений представляет собой ряд искровых промежутков, последовательно с которыми включены нелинейные сопротивления (то есть сопротивления, величина которых зависит от напряжения). Для выравнивания напряжения вдоль ИП параллельно последним включают шунтирующие сопротивления. ИП, нелинейные и шунтирующие сопротивления размещают в герметизированных фарфоровых изоляторах, что исключает влияние атмосферных условий на характеристики разрядника. Вентильные разрядники обеспечивают стабильность напряжения пробоя, вольт-секундную характеристику, характеризующуюся с вольт-секундными характеристиками защищаемой изоляции, и гашение дуги сопровождающего тока. Когда нарастающее перенапряжение достигает величины пробивного напряжения разрядника, ИП пробиваются и ток волны перенапряжения начинает протекать на землю через нелинейные сопротивления. При этом напряжение на разряднике (остающееся напряжение) определяется падением напряжения на этих сопротивлениях, которое ниже пробивного. После пробоя ИП через разрядник начинает протекать также ток промышленной частоты (50 Гц) – сопровождающий ток, который при первом его проходе через нуль должен быть отключен путем гашения дуги в ИП. Чем ниже величина сопротивления разрядника, тем ниже напряжение на нем и тем лучше его защитное действие, но вместе с тем растет сопровождающий ток, что затрудняет его отключение. В магнитно-вентильном разряднике гашение дуги сопровождающего тока обеспечивается магнитным полем, которое накладывается на ИП («магнитное дутье»). Улучшение современных вентильных разрядников достигается применением резисторов с большим коэффициентом нелинейности.