Метода по лабам ап.ВН

Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет − УПИ»

А.А. Грицук, С.Р. Яковенко

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Учебное электронное текстовое издание Подготовленокафедрой«Техникавысокихнапряжений» Научный редактор: доц., канд. техн. наук А.А. Грицук

Методическая разработка к лабораторным работам для студентов всех форм обучения специальностей 180200 – электрические и электронные аппараты и 071600 – высоковольтные электроэнергетика и электротехника.

Содержит описание 5 лабораторных работ по курсу «Электрические аппараты высокого напряжения». Кратко излагаются основные теоретические сведения, описываются лабораторные установки, схемы и методикипроведениялабораторныхработ.

© ГОУ ВПО УГТУ−УПИ, 2006

Екатеринбург

2005

ОГЛАВЛЕНИЕ

Лабораторная работа № 1
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ МАЛОМАСЛЯНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ..........................	3
Лабораторная работа № 2
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИВОД ВЫСОКОВОЛЬТНОГО
ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ........................................................................................................	8
Лабораторная работа № 3
ИССЛЕДОВАНИЕ ДУГОГАСИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА МАСЛЯНОГО
БАКОВОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ...............................................................................	14
Лабораторная работа № 4
ВЫПРЯМЛЯЮЩИЕ МЕХАНИЗМЫ МАСЛЯНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ
ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ .................................................................................	19
Лабораторная работа № 5
ИССЛЕДОВАНИЕ ВАКУУМНОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ......................................	26
ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ ......................................................................................	32
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК......................................................................	32

А.А. Грицук, С.Р. Яковенко

Электрические аппараты высокого напряжения

Лабораторная работа № 1

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ МАЛОМАСЛЯНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ

Цель работы – изучение конструкции и характеристик малообъемного масляного выключателя высокого напряжения.

Предмет исследования

Выключатели высокого напряжения (ВН) – аппараты, предназначенные для оперативных и аварийных коммутаций в энергосистемах. При оперативных операциях в электрической сети формируются такие схемы, которые кроме основных функций передачи и распределения электрической энергии обеспечивают возможность текущей эксплуатации всего электрооборудования высокого напряжения (проведение регламентных, ревизионных и ремонтных работ). Аварийными коммутациями обеспечивается защита от термических и электродинамических воздействий токов короткого замыкания.

В данной работе исследуется маломасляный выключатель ВМП-10, в котором трансформаторное масло служит только для гашения электрической дуги, функции изоляции выполняют в основном детали из твердых диэлектриков. Это трехполюсный аппарат с общим отдельно расположенным приводом, соединенным с выключателем передаточным механизмом, рассчитанный на работу в закрытом помещении.

На рис. 1.1 показан общий вид выключателя ВМП-10. Выключатель смонтирован на сварной заземленной раме 3. Внутри рамы установлены отключающие пружины, масляный буфер отключения 6, пружинный буфер включения, приводной механизм, передающий движение от привода к выпрямляющим механизмам полюсов.

	Рис. 1.1. Общий вид выключателя
ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006	стр. 3 из 33

Грицук А.А., Яковенко С.Р.

Электрические аппараты высокого напряжения

Приводной механизм состоит из вала 5 с рычагами и изоляционных тяг 4, на валу закреплены указатели положения. Три полюса 1 выключателя подвешены к раме с помощью изоляторов 2.

Разрез полюса выключателя показан на рис. 1.2. Каждый полюс состоит из стеклоэпоксидного цилиндра 1, армированного на концах фланцами 2 и 9. На верхнем фланце с токосъемом 8 укреплен корпус механизма 4 из алюминиевого сплава, закрытый пластмассовой крышкой 20. Внутри его размещается выпрямляющий механизм 6, подвижный контакт 5 и роликовое токосъемное устройство 3, которое перемещается по направляющим 7. Нижний фланец с токосъемом 12 закрыт крышкой 11, внутри которой установлен неподвижный розеточный контакт 10. Контакты облицованы металлокерамикой.

В нижней части изоляционного цилиндра расположена дугогасительная камера продольно-поперечного дутья 15. Она представляет собой набор изоляционных пластин, стянутых в пакет изоляционными шпильками. Камера имеет три поперечных дутьевых канала с раздельными выходами вверх и специальные заполненные маслом полости – масляные карманы. Гашение дуги в камере происходит за счет ее эффективного охлаждения в потоке газопаровой смеси, образующейся в результате разло-

жения и	испарения трансформаторного
масла под действием высокой температуры
дуги, т.е. за счет энергии самой дуги. На-
правление	парогазового потока	задается
конфигурацией дутьевых каналов.
Литой нижний фланец полюса 9
снабжен воздушной полостью, так назы-
ваемой «воздушной подушкой».		Рис. 1.2. Полюс ВМП-10
ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006		Cтр. 4 из 33

Грицук А.А., Яковенко С.Р.

Электрические аппараты высокого напряжения

«Воздушная подушка» является аккумулятором энергии и одновременно выравнивает давление в подкамерном пространстве, предохраняя тем самым выключатель от возникновения в нем чрезмерных давлений. После погасания дуги за счет избыточного давления в воздушной подушке в дугогасительной камере создается поток масла, который, вымывая из каналов продукты разложения, повышает восстанавливающуюся прочность межконтактного промежутка.

В верхней части корпуса расположен центробежный маслоотделитель 19. Верхняя крышка снабжена газоотводом и маслоналивным отверстием. В нижней крышке имеется маслоспускная пробка 11. На нижнем фланце установлен маслоуказатель с обратным клапаном 14.

Для преобразования вращательного движение вала 5 (рис. 1.1) в поступательное движение подвижного контакта, используется выпрямляющий механизм смешанного типа 6.

Выпрямляющий механизм выключателя ВМП-10 и его кинематическая схема изучаются в лабораторной работе № 4 (см. рис. 4.4). На рис. 1.3 показано лишь положение основных рычагов механизма для отключенного (позиция «а») и включенного (позиция «б») положения выключателя. Полный ход Нп подвижных контактов при коммутации равен 217 мм.

Кинематической характеристикой выключателя называется зависимость хода подвижных контактов от угла поворота вала приводного механизма:

			Н = f(α).
		На основании этой характери-
		стики можно рассчитать зависи-
		мость	dH=f(α), которая	входит в
			dα
		уравнение работы:
		М · dα · η = Fк · dH, или
			М = (Fк /η)(dH/dα),
		где М – момент, создаваемый на
		валу приводного механизма,
		Fк – включающее усилие на
		подвижном контакте,
		η	– коэффициент	полезного
		действия механизма.
		Из этого следует, что значи-
	Рис. 1.3. Кинематическая схема механизма	тельные включающие усилия мож-
		но получить при сравнительно ма-
	ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006			Cтр. 5 из 33

Грицук А.А., Яковенко С.Р.

Электрические аппараты высокого напряжения

лом моменте на валу приводного механизма выключателя, если применить, например, рычажно-шарнирный механизм с «мертвым положением». В этом случае в конце хода включения, когда возрастают силы сопротивления движению, происходит приближение рычагов к «мертвому положению», характеризуемое резким уменьшением величины dH/dα.

Важной характеристикой выключателя является зависимость статического включающего момента на валу приводного механизма от угла его поворота. Она дает возможность более точно оценить работоспособность привода выключателя, выбор которого осуществляется не только по величине требуемой полной работы включения, но и по величине максимального включающего момента во всем диапазоне угла поворота вала выключателя.

Величина момента сил трения Мтр на валу приводного механизма выключателя определяется косвенно по данным измерения включающего статического момента Мвкл.с и удерживающего момента Муд:

Мтр = 0,5(Мвкл.с – Муд).

Надежная работа выключателя при включении и отключении определяется соответствием скорости движения подвижных контактов υ требуемым значениям и, прежде всего, в момент расхождения контактов. Эта характеристика может определяться либо в функции времени υ = f(t), либо в функции хода контактов υ = f(H).

Описание лабораторной установки

В лабораторной установке выключатель ВМП-10 с приводом ПЭ-11 смонтирован на рамной конструкции, позволяющей разъединять их механически, отсоединяя тягу привода от вала выключателя. Для определения силовых и кинематических характеристик выключателя на его валу укрепляется специальный приводной рычаг большой длины. Рычаг снабжен транспортиром с отвесом для определения угла поворота вала. На приводном рычаге на плече l от его оси закрепляется динамометр, при измерении сил он всегда должен располагаться перпендикулярно рычагу. На верхней крышке среднего полюса выключателя установлен указатель хода подвижного контакта Н, на верхней крышке левого полюса – устройство измерения временных параметров.

Для определения кинематической характеристики и статического включающего момента приводной рычаг из отключенного положения поворачивается на заданную величину интервала угла поворота на включение ∆α и фиксируется силой динамометра. В этом положении измеряется ход Н и выключающее усилие Fвкл.с. Статический включающий момент Мвкл.с. рассчитывается:

Мвкл.с= Fвкл.с l.

Аналогично из включенного положения при плавном повороте рычага на ∆α с удержанием в фиксированном положении измеряется удерживающая сила Fуд, по которой рассчитывается Муд:

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006

Cтр. 6 из 33

Грицук А.А., Яковенко С.Р.

Электрические аппараты высокого напряжения

Муд = Fуд · l.

Определение зависимости Н = f(t) производится с помощью вибратора, который представляет собой электромагнит с пружинным якорем. При включении обмотки вибратора на переменное напряжение якорь начинает вибрировать с двойной частотой относительно частоты сети. На конце якоря закреплен грифель карандаша. Вибратор установлен на верхней крышке левого полюса выключателя. На подвижном контакте этого полюса закреплена специальная рамка с бумагой, перемещающаяся при коммутации выключателя относительно вибратора на величину хода Нп. При этом грифель карандаша, слегка прижатый к бумаге, начертит на ней синусоиду с переменной длительностью периода – виброграмму. При частоте переменного напряжения f = 50 Гц частота вибраций якоря составляет 2f и, следовательно, расстояние ∆Н между двумя максимумами на виброграмме соответствует промежутку времени ∆t = 0,01 с.

Включение и отключение выключателя производится электромагнитным приводом ПЭ-11 при восстановленной рычажной связи выключателя с приводом. Управление приводом производится ключом УП с пульта управления, находящегося на стенде справа от выключателя. Питание схемы управления производится от источника постоянного тока 220 В.

Построение характеристик Н = f(t) производится по виброграммам, снятым при включении и отключении выключателя.

Построение кривых υвкл = f(t,H), υоткл = f(t,H) выполняется на основании полученных зависимостей Н = f(t). Скорость υср на отрезке пути ∆Н за время движения контактов ∆t определяется по формуле υср = ∆Н/∆t.

Порядок выполнения работы

1.Ознакомиться с техническими характеристиками и принципом действия маломасляного выключателя ВМП-10-20/600–1500. Изучить конструктивное исполнение всех элементов выключателя: токоведущей системы, изоляции, буферов, приводного и выпрямляющего механизмов, дугогасительной камеры, маслоотделителя, маслоуказателя.

2.Составить эскиз кинематической схемы механизма выключателя для отключенного и включенного положения (приводной и выпрямляющий механизмы от вала выключателя до подвижного контакта).

3.Определить кинематическую характеристику выключателя Н = f(α). Отметить на характеристике ход в контактах, ход масляного и пружинного буферов.

4.Снять зависимости статического включающего и удерживающего моментов на валу приводного механизма от угла его поворота.

5.Определить зависимость Н = f(t) – при включении и отключении выключателя.

6.Рассчитать по данным п. 3 зависимость dH/dα = f(α).

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006

Cтр. 7 из 33

Грицук А.А., Яковенко С.Р.

Электрические аппараты высокого напряжения

7. Определить по данным п. 4 работу, совершенную при статическом включении выключателя:

α	Ì вкл.с dα
Ас = ∫
0

8.По данным п. 4 определить величину момента трения в функции угла поворота вала:

М= 0,5(Мвкл.с – Муд).

9.Рассчитать по данным п. 5 и построить зависимости скорости движения

подвижного контакта от времени и хода при включении и отключении выключателя. Определить скорость отключения в момент размыкания контактов и скорость включения в момент замыкания контактов.

Контрольные вопросы

1.Объяснить особенности конструктивного исполнения токоведущей системы выключателя, особенности коммутирующего и токосъемного контактов, изоляции выключателя.

2.Объяснить устройство гасительной камеры, принцип гашения дуги и назначение «воздушной подушки» выключателя.

3.Пояснить необходимость применения разных по конструктивному исполнению буферных устройств, действующих при включении и отключении.

4.Как определяется уровень масла в выключателе. Почему при повышении давления не происходит выброса масла через маслоуказатель?

5.Какую роль играет «мертвое положение» выпрямляющего механизма выключателя?

Лабораторная работа № 2

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИВОД ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ

Цель работы – изучение электромагнитного привода и его функций в высоковольтном выключателе.

Предмет исследования

Для выполнения коммутационных операций (включение и отключение) выключатель высокого напряжения оснащается специальным силовым устройством, которое называется приводом. Он производит включение выключателя, удерживает его во включенном положении и создает условия отключения, которое выполняется специальными пружинами, запасающими энергию на стадии включения.

Приводы различаются по виду преобразуемой в работу выключателя

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006

Cтр. 8 из 33

Грицук А.А., Яковенко С.Р.

Электрические аппараты высокого напряжения

энергии. В данной работе изучается электромагнитный привод постоянного тока ПЭ-11, приводимый в действие электрической энергией. Таким приводом оснащаются маломасляные выключатели ВМП-10 (работа № 1) и некоторые другие выключатели на напряжение 10 кВ.

Общий вид привода ПЭ-11 представлен на рис. 2.1. Основные функциональные узлы его конструкции: электромагнит включения ЭВ, электромагнит отключения ЭО, шарнирно-рычажный механизм свободного расцепления с рычагами «мертвого положения» и система путевых коммутаторов для управления работой привода. Указанное на рисунке положение его элементов соответствует включенному состоянию включателя.

Рис. 2.1. Электромагнитный привод ПЭ-11

Включение выключателя происходит следующим образом. При подаче напряжения на обмотку 1 электромагнита ЭВ его сердечник 2 перемещается вверх и своим штоком 3 заводит шарнир 4 механизма привода на выступ подпружиненной упорной собачки 8. При этом главный вал 5 привода поворачивается через систему рычагов 6 и 7 на угол, необходимый для включения выключателя, преодолевая приложенные к нему противодействующие силы. На этом процесс включения заканчивается, с электромагнита ЭВ снимается напряжение и его сердечник падает вниз. Выключатель удерживается во включенном положении только упорной со-

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006

Cтр. 9 из 33

Грицук А.А., Яковенко С.Р.

Электрические аппараты высокого напряжения

бачкой. Элементы механизма привода занимают указанное на рис. 2.1 положение. Самопроизвольное отключение выключателя из-за смещения отключающими силами выключателя шарнира 4 вправо и сползание его с упорной собачки вниз, предотвращается рычагами 9 и 10 механизма свободного расщепления (МСР), которые в процессе включения подходят к состоянию «мертвого положения», жестко фиксируя шарнир 4. В этом положении МСР удерживается входящей в его состав отключающей собачкой 11. В результате МСР подготавливается для выполнения основной функции – отключения выключателя из лю-

бого положения, в том числе в процессе включения.

Отключение выключателя осуществляется силами отключающих пружин через вал привода при подаче напряжения на электромагнит отключения ЭО привода. При этом его сердечник 12 ударяет по хвостовику отключающей собачки 11, освобождая рычаги механизма для выхода из «мертвого положения». Шарнир 4 смещается вправо, сходит с упорной собачки 8 и падает на шток электромагнита включения ЭВ, создавая условия для последующего включения; главный вал 5 поворачивается в сторону отключения.

В приводе имеется рычаг ручного отключения 13, жестко связанный с отключающей собачкой. При его повороте вручную собачка 11 отклоняется так же, как и при срабатывании электромагнита ЭО, т.е. выполняется ручное отключение выключателя. Для включения вручную предусмотрен специальный съемный рычаг, которым сердечник электромагнита ЭВ механически поднимается до посадки шарнира 4 на упорную собачку 8.

Оба электромагнита привода могут работать только в кратковременном режиме. Для управления электромагнитом ЭВ применен специальный контактор постоянного тока двухполюсного исполнения.

Электрическая схема управления приводом (рис. 2.2) имеет два независимых входа. Напряжение в схему управления подается непосредственно на клеммы 10–13 панели управления; на силовую часть управления электромагнитом ЭВ – пакетным выключателем QS.

Для управления приводом предназначена система путевых коммутаторов. Коммутатор SQ1 (поз. 14, рис. 2.1) – датчик положения выключателя. Он выполняет функции подготовки привода к последующей коммутационной операции. Состояние контактов коммутатора задается положением главного вала. Контакты SQ12 (рис. 2.2) замкнуты в отключенном положении, обеспечивая готовность привода к операции включения. Контакты SQ11, наоборот, замкнуты во включенном положении, обеспечивая операцию отключения. Одновременно

переключаются сигнальные лампочки, указывающие состояние выключателя. Коммутатор SQ2 (поз. 15, рис. 2.1.) – устройство защиты от «прыгания».

Его контакты механически связаны с якорем электромагнита отключения ЭО. При обесточенной катушке ЭО замкнуты SQ22, разомкнуты SQ21, и наоборот.

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006

Cтр. 10 из 33