А.В. НОВИКОВ

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ

Киров 2013

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВЯТСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Электротехнический факультет

Кафедра электрических станций

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ

Учебное пособие по дисциплине

«Высоковольтные электрические аппараты»

Киров 2013

УДК 621.311(07)

Н 731

Рекомендовано к изданию методическим советом электротехнического факультета ФГБОУ «ВятГУ»

Допущено редакционно-издательской комиссией методического совета ФГБОУ ВПО «ВятГУ» в качестве учебного пособия для бакалавров для студентов направления подготовки «Электроэнергетика и электротехника»

модуля «Электроэнергетика» профилей «Электрические станции» и «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем».

Рецензенты:

Доцент кафедры электроснабжения ВятГУ Закалата А.А.

Начальник аппаратного комплекса РДУ Басов В.А.

Новиков А.В.

Н 731 Высоковольтные электрические аппараты: учебное пособие. -

Киров; ПРИП ВПО «ВятГУ», 2013 - с. 75

УДК 621.311(07)

Редактор

Новиков А.В., 2013

ФГБОУ ВПО «ВятГУ», 2013

Содержание

Предисловие………………………………………………………….…..6

1 Нагрев аппаратов и проводников длительным током в нормальном режиме……………………………………………….…7

1.1. Нагрев проводников……………………………………………..7

1.2.Определение длительного допустимого тока для неизолированной шины…………………………………………….12

2 Нагрев аппаратов и проводников, при котором замыкании……...16

2.1. Тепловой импульс……………………………………………...16

2.2. Проверка проводников на термическую стойкость при КЗ…23

3 Механическое действие электрического тока……………………..29

3.1. Электродинамическое действие тока КЗ……………………..29

3.2. Шинные конструкции распределительных устройств………35

3.3. Расчет шинных конструкций на механическую прочность при коротких замыканиях………………………………………………38

3.4. Токопроводы генераторов и трансформаторов………………42

4 Контакты электрических аппаратов………………………………..47

4.1. Основные сведения об электрических контактах……………47

4.2. Переходные сопротивления контактов…………………49 4.3. Изменение переходного сопротивления контактов в процессе эксплуатации………………………………………………………..52

4.4. Допускаемые условия работы контактов……………………..55

5 Электрическая дуга и методы ее гашения…………………………58

5.1. Процесс отключения выключателя…………………………...58

5.2. Физические процессы в дуговом промежутке выключателя при высоком давлении……………………………………………...59

5.3. Процессы в электрической дуге…………………………….…61

5.4. Вольт-амперные характеристики электрической дуги………66

5.5. Особенности горения электрической дуги переменного тока…………………………………………………………………68

Литература…………………………………………………………….75

Предисловие

Курс лекций «Высоковольтные электрические аппараты» читается для студентов, обучающихся по профилям «Электрические станции» и «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем». Параллельно с ним все студенты электротехнического факультета модуля «Электроэнергетика» изучают дисциплину «Электрические станции и подстанции» (ЭС и ПС), где основной упор делается на конструктивные особенности оборудования различного назначения.

В данном учебном пособии рассматривается физическая сущность тепловых процессов, возникающих в аппаратах и проводниках при протекании токов нагрузки и токов короткого замыкания, а также условия возникновения и гашения электрической дуги постоянного и переменного тока. Приводятся методы расчёта электродинамического и термического воздействия этих токов на различные части аппаратов и проводников.

Как дополнение это пособие может быть полезно для студентов ЭТФ всех профилей и форм обучения.

1. Нагрев аппаратов и проводников длительным током в нормальном режиме.

1.1. Нагрев проводников.

Если через проводник, имеющий температуру окружающей среды, проходит ток, то температура проводника постепенно повышается, т.к. вся энергия потерь переходит в тепло.[1]

Количество тепла, выделенного в проводнике в течение времени dt, будет составлять

где I – действующее значение тока, проходящего по проводнику А;

- активное сопротивление проводника при переменном токе, Ом;

Р – мощность потерь, переходящих в тепло, Вт.

Энергия, идущая на нагрев проводника, равна

где - вес токоведущего проводника, кг,

С - удельная теплоемкость материала проводника,

Втс/кгград;

- превышение температуры проводника над окружающей средой.

- температуры проводника и окружающей среды, .

Энергия, отводимая с поверхности проводника в течение времени dt за счет теплоотдачи, пропорциональна превышению температуры проводника над температурой окружающей среды:

где К – общий коэффициент, усиливающий все виды теплоотдачи, Вт/;

F – Поверхность охлаждения проводника, .

Уравнение теплового баланса за время неустановившегося теплового процесса можно записать в следующем виде:

Для нормального режима, когда температура изменяется в небольших пределах, можно принять, что R, C и K – постоянные величины. Кроме того до включения тока проводник имел температуру окружающей среды т.е. при t=0 .

Решением этого дифференциального уравнения нагрева проводника будет:

; (1)

где А – постоянная интегрированная, зависящая от начатых условий при t=0 , тогда для t=0 получаем

Подставляя значения постоянной интегрирования А в формулу (1), получаем:

(2)

Из этого уравнения следует, что нагрев токоведущего проводника происходит по экспоненциальной кривой.

Рис.1.

С изменением времени подъем температуры проводника замедляется и температура достигает установившегося значения.

Это уравнение дает температуру проводника в любой момент времени t сначала прохождения тока.

Величина установившегося перегрева может быть получена, если в управлении нагрева принять :

Отсюда видно, что все выделяющееся в проводнике тепло будет отдаваться в окружающее пространство.

Введя в основное уравнение нагрева (2) и обозначив, получим то же уравнение в более простом виде :

Величина называется постоянной времени нагрева и представляет собой отношение теплопоглощающей способности тела к его теплоотдающей способности.

Она зависит от размеров, поверхности, свойств проводника или тела и не зависит от времени и температуры.

Эта величина характеризует время достижения установившегося режима нагрева и принимается за масштаб измерения времени на диаграммах нагрева.

На практике время достижения установившейся температуры принимают равным (3-4) Т, т.к. при этом температура нагрева превышает 98% своего окончательного значения. Постоянную времени нагрева для простых токоведущих конструкций легко вычислить, а для аппаратов и машин она определяется путем тепловых испытаний и последующих графических построений. Графически постоянная времени нагрева определяется как подкасательная ОТ, построенная по кривой нагрева. А сама касательная ОВ к кривой характеризует подъем температуры проводника при отсутствии теплоотдачи. В том случае, когда в начальный момент до включения тока проводник уже был нагрет и имел превышение температура над температурой окружающей среды , дифференциальное уравнение нагрева следует решать при

Тогда

Если предположить, что процесс нагрева проводника происходит без отдачи тепла, то уравнение нагрева примет вид:

т.е температура перегрева будет нарастать по линейному закону пропорционального времени.

Величина постоянной времени колеблется от нескольких минут у шин до нескольких часов у трансформаторов и генераторов.

Т для электродвигателей мощностью 100-200 кВт – 2-3 часа.

Т для трансформаторов 2-4 часа.

Т для турбогенераторов 12-20 часов.

Мощные генераторы нагреваются очень медленно и установившаяся температура их достигается через несколько суток.

При отключении тока прекращается подвод энергии к проводнику, т.е. , проводник будет охлаждаться. Основное уравнение нагрева для этого случая следующее:

Отсюда

если охлаждение начинается с установившейся температуры, то оно принимает вид:

Кривая охлаждения есть та же кривая нагрева, но обращенная выпуклостью вниз ( к оси абсцисс).

Рис. 2

Постоянная времени нагрева может быть определена по кривой охлаждения как подкасательная для любой точки кривой.