2696

2696	Министерство транспорта Российской Федерации
	Федеральное агентство железнодорожного транспорта

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Электроснабжение железнодорожного транспорта»

ТЯГОВЫЕ И ТРАНСФОРМАТОРНЫЕ ПОДСТАНЦИИ

Методические указания к выполнению лабораторных и самостоятельных работ

для студентов специальности 190401 «Электроснабжение железных дорог» очной и заочной форм обучения

(3-е издание, переработанное и дополненное)

Часть I

Составители: А.Г. Пакулин О.В. Табаков

Самара

2010

УДК 621.331:621.311

Тяговые и трансформаторные подстанции : Методические указания к выполнению лабораторных и самостоятельных работ для студентов специальности 190401 «Электроснабжение железных дорог» очной и заочной форм обучения [Текст]. Часть I / составители : А. Г. Пакулин, О.В. Табаков. – Самара : СамГУПС, 2010. – 22 с.

Утверждены на заседании кафедры 03 ноября 2010 г., протокол № 4. Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.

Цикл работ связан с изучением конструкции и основных процессов, происходящих в оборудовании тяговых и трансформаторных подстанций, а также со способами управления силовым оборудованием.

Составители: Пакулин Анатолий Григорьевич Табаков Олег Валентинович

Рецензенты: Начальник службы «Электрификации и электроснабжения» Куйбышевской железной дороги – филиал ОАО «РЖД» И. А. Крестовников;

к.т.н.; доцент, профессор СамГУПС Л. С. Лабунский

Редактор: И.М. Егорова Компьютерная верстка: Н.Э. Егорова

Подписано в печать 22.12.2010 г. Формат 60х90 1/16. Усл. печ.л. 1,38. Тираж 100 экз. Заказ № 303.

♥ Самарский государственный университет путей сообщения, 2010

2

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

СПОСОБЫ ГАШЕНИЯ ДУГИ В ЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И ПУТИ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ

Цель работы: изучение процессов, происходящих в электрической дуге и способов гашениядуги.

Краткие теоретические сведения

Условия возникновения и горения дуги. При размыкании контактов в цепи высокого напряжения возникает электрический разряд в виде дуги. В дуге различают околокатодное пространство, ствол дуги и околоанодное пространство (рис. 1). Длина катодного участка составляет 10-6–10-7 м. При напряжении в дуге 10–20 В около катода имеет место высокая напряженность электрического поля (107–108 В/м). При таких высоких напряженностях возникает ударная ионизация, когда электроны, вырванные из катода силами электрического поля (автоэлектронная эмиссия) или за счет нагрева катода (термоэлектронная эмиссия), разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать один электрон с оболочки нейтрального атома, то произойдет ионизация. Образовавшиеся свободные электроны и ионы образуют плазму ствола дуги. Удельная проводимость плазмы составляет 2500 См./м. Плотность тока в дуге может достигать 105 кА/м2 и более, а температура – от 6000 до 18000 К и более при повышенных давлениях.

а)

б)

Рис. 1. Распределение в стационарной дуге постоянного тока: а – напряжения U; б – напряженности Е

Высокие температуры в стволе дуги приводят к интенсивной термоионизации, которая поддерживает большую проводимость плазмы. Термоионизация – процесс образования ионов за счет соударения молекул и атомов, обладающих большой кинетической энергией.

3

Чем больше ток в дуге, тем меньше ее сопротивление, а поэтому требуется меньшее напряжениедлягорениядуги, т. е. дугусбольшимтокомпогаситьтруднее.

При переменном токе напряжение источника питания uc меняется синусоидально, также меняется ток i в цепи (рис. 2), причем ток отстает от напряжения на 90°. Напряжение на дуге uд, горящей между контактами выключателя, непостоянно. При малых токах напряжение возрастает до величины uз (напряжение зажигания), затем по мере увеличения тока в дуге и роста термической ионизации напряжение падает. В конце полупериода, когда ток приближается к нулю, дуга гаснет при напряжении гашения uг. В следующий полупериод явление повторяется, если не приняты меры для деионизации промежутка.

Если дуга погашена тем или иным способом, то напряжение между контактами выключателя восстанавливается до напряжения питающей сети. Однако в реальной цепи имеются индуктивные, активные и емкостные сопротивления, поэтому возникает переходный процесс, появляются колебания напряжения (рис. 2), амплитуда которых uв,max может значительно превышать нормальное напряжение. Для отключающей аппаратуры важно, с какой скоростью восстанавливается напряжение на участке АВ.

Рис. 2. Изменение тока и напряжения при гашении дуги переменного тока в цепи с индуктивной нагрузкой

Вцепях переменного тока, ток в дуге каждый раз проходит через нуль, в эти моменты дуга гаснет самопроизвольно, но в следующий полупериод она может возникнуть вновь. Ток в дуге становится близким к нулю несколько раньше естественного перехода через нуль (рис. 3, а), так как при снижении тока энергия, подводимая к дуге, уменьшается, следовательно, уменьшается температура дуги и прекращается

термоионизация. Длительность бестоковой паузы tп – от десятков до нескольких сотен микросекунд, но играет важную роль в гашении дуги. Если разомкнуть контакты в бестоковую паузу и развести их с достаточной скоростью на такое расстояние, чтобы не произошел электрический пробой, то цепь будет отключена очень быстро.

Вкоммутационных аппаратах принимаются искусственные меры охлаждения дугового пространства и уменьшения числа заряженных частиц. Эти меры запускают процесс деионизации, что приводит к постепенному увеличению электрической прочности промежутка uпр (рис. 3, б).

4

Резкое увеличение электрической прочности промежутка после перехода тока через нуль происходит главным образом за счет увеличения электрической прочности околокатодного пространства.

Таким образом, задача гашения дуги сводится к созданию таких условий, чтобы электрическая прочность промежутка между контактами была больше восстанавливающегося напряжения между ними uв.

а)

б)

Рис. 3. Условия погасания дуги переменного тока:

а– погасание дуги при естественном переходе тока через нуль;

б– рост электрической прочности дугового промежутка при переходе через нуль

Если отключается цепь с преобладанием активного сопротивления, то напряжение восстанавливается по апериодическому закону; если в цепи преобладает индуктивное сопротивление, то возникают периодические колебания, частоты которых зависят от соотношения емкости и индуктивности цепи. Колебательный процесс приводит к значительным скоростям восстановления напряжения, к более вероятному пробою промежутка и повторному зажиганию дуги.

Для облегчения условий гашения дуги в цепь отключаемого тока вводятся активные сопротивления.

Способы гашения дуги и пути их реализации

Способы гашения дуги в отключающих аппаратах до 1кВ. Удлинение дуги путем быстрого разведения контактов – один из способов гашения дуги: чем длиннее дуга, тем большее напряжение необходимо для ее существования. Если напряжение источника окажется меньше, то дуга гаснет.

Деление длинной дуги на ряд коротких: если длинную дугу, возникающую при размыкании контактов, затянуть в дугогасительную решетку из металлических пластин, то она делится на n коротких дуг (рис. 4,а). Каждая короткая дуга будет иметь свое катодное и анодное падение напряжения Uэ. Дуга гаснет, если

U < n Uэ,

(1)

где U – напряжение сети; Uэ – сумма катодного и анодного падений напряжения (20–25 В – в дуге постоянного тока, 150–250 В – в дуге переменного тока) в момент прохождения тока через нуль.

5

а)

б)

в)

г)

Рис. 4. Способы гашения дуги:

а– деление длинной дуги на ряд коротких; б – затягивание дуги в узкую щель дугогасительной камеры;

в– вращение дуги в магнитном поле; г – гашение дуги в масле

Гашение дуги в узких щелях (рис. 4,б). Если дуга горит в узкой щели, образованной дугостойким материалом, то благодаря соприкосновению с холодными поверхностями происходит интенсивное охлаждение и диффузия заряженных частиц в окружающую среду. Это приводит к быстрой деионизации и гашению дуги.

Движение дуги в магнитном поле. Если дуга находится в магнитном поле, то на нее, как на проводник с током, действует сила, определяемая по правилу левой руки. В зависимости от направления магнитного поля дуга может быть вытеснена в щели дугогасительной камеры или ей придано вращательное движение (рис. 4,в). Быстрое вращение и перемещение дуги способствует ее охлаждению и деионизации.

Основные способы гашения дуги в аппаратах выше 1к В. Гашение дуги в масле.

Если контакты отключающего аппарата поместить в масло, то возникающая при размыкании дуга приводит к интенсивному газообразованию и испарению масла (рис. 4,г). Вокруг дуги образуется газовый пузырь, состоящий из водорода (70 – 80%); быстрое разложение масла приводит к повышению давления в пузыре, что способствует ее лучшему охлаждению и деионизации. Внутри газового пузыря происходит непрерывное движение газа и паров масла.

Газовоздушное дутье. Охлаждение дуги улучшается, если создать направленное движение газов – дутье. Дутье вдоль или поперек дуги (рис. 5) способствует проникновению газовых частиц в ее ствол, интенсивной диффузии и охлаждению дуги. Газ создается при разложении масла дугой (масляные выключатели) или твердых газогенерирующих материалов (автогазовое дутье). Более эффективно дутье холодным неионизированным воздухом, поступающим из специальных баллонов со сжатым воздухом (воздушные выключатели) или элегазом (элегазовые выключатели).

а) б)

Рис. 5. Газовоздушное дутье: а – продольное; б – поперечное

6

Многократный разрыв цепи тока. При отключении большого тока и большом восстанавливающемся напряжении деионизация дугового промежутка усложняется. Поэтому в выключателях высокого напряжения применяют многократный разрыв дуги в каждой фазе (рис. 6).

а)

б)

в)

Рис. 6. Распределение напряжения по разрывам выключателя:

а– распределение напряжения по разрывам масляного выключателя;

б– емкостные делители напряжения; в – активные делители напряжения

Чтобы облегчить гашение дуги, восстанавливающееся напряжение должно равномерно распределяться между разрывами. При отключении однофазного короткого замыкания (КЗ) масляным выключателем с двумя разрывами на фазу, схематически показанном на рис. 6,а, восстанавливающееся напряжение распределится между разрывами следующим образом:

U1		=	C1 + C2	,	(2)
			C
U	2
			1

где U1, U2 – напряжения, приложенные к первому и второму разрывам; С1 – емкость между контактами этих разрывов; С2 – емкость контактной системы относительно земли. Так как С1 значительно больше С2, то напряжение U1 > U2 и, следовательно, гасительные устройства будут работать в неодинаковых условиях. Для выравнивания напряжения параллельно главным контактам выключателя ГК включают подобранные емкости или активные сопротивления (рис. 6,б и 6,в). В выключателях с шунтирующими сопротивлениями после гашения дуги между ГК сопровождающий ток разрывается вспомогательными контактами.

Шунтирующие сопротивления также уменьшают скорость нарастания восстанавливающегося напряжения, что облегчает гашение дуги.

Гашение дуги в вакууме. Высокоразреженный газ (10-6-10-8 Па) обладает электрической прочностью, в десятки раз большей, чем газ при атмосферном давлении. Если контакты размыкаются в вакууме, то сразу же после первого прохождения тока в дуге через нуль прочность промежутка восстанавливается, и дуга не загорается вновь. Эти свойства вакуума используются в некоторых типах выключателей.

Гашение дуги в газах высокого давления. Воздух при давлении 2 МПа и более обладает высокой электрической прочностью. Это позволяет создавать достаточно компактные устройства для гашения дуги в атмосфере сжатого воздуха. Еще более эффективно применение высокопрочных газов, например, шестифтористой серы SF6 (элегаза). Элегаз обладает нетолькобольшейэлектрической прочностью, чем воздухиводород, ноилучшими гасящими свойствами даже при атмосферном давлении. Элегаз применяется в выключателях, отделителях, короткозамыкателях идругойаппаратуревысокогонапряжения.

7

Ход выполнения работы и содержание отчета

1.Ознакомитьсяссуществующими способамигашениядугивцепяхпеременноготока.

2.Изучить процессы, происходящие в устройствах, реализующих различные способы гашения дуги переменного тока. Законспектировать материал.

3.Ответить на контрольные вопросы письменно.

Контрольные вопросы

1.Какими процессами определяется образование электрической дуги и ее сопротивление электрическому току?

2.Почему дугу с большим током погасить труднее?

3.Влияние индуктивности цепи на процесс гашения дуги.

4.Как влияет охлаждение дуги на процесс гашения дуги?

5.Для какой цели применяют шунтирование главных контактов емкостями или активными сопротивлениями?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

МАСЛЯНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ ВМП-10

Цель работы: изучение конструкции выключателя.

Краткие теоретические сведения

Назначение, область применения и технические данные. Выключатели серии ВМП широко применяются в закрытых и комплектных распределительных устройствах 6–10 кВ. Выключатель малообъемный, подвесной, масло в нем используется только в качестве газогенерирующей среды. Для изоляции контактов от бака и друг от друга в таких выключателях применяют твердые изоляционные материалы – стеклопластик, текстолит, фарфор и др. Выключатели этой серии рассчитаны на номинальный ток 630–3150 кА и ток отключения 20–31кА. Количество масла в выключателях от 5,5 до 8 кг. Время гашения дуги при отключении больших и малых токов не превосходит 0,015–0,025 с. Бестоковая пауза при АПВ составляет 0,5 с.

Конструктивное устройство выключателя. Подвижный и неподвижный контакты, а также дугогасительное устройство каждой фазы (полюс) смонтированы в бачке, изолированном от земли: каждый бачок закреплен к раме на фарфоровых изоляторах.

Полюс выключателя (рис. 1,а) представляет собой влагостойкий изоляционный цилиндр 5 (стеклоэпоксидный пластик), торцы которого армируются металлическими фланцами. На верхнем фланце изоляционного цилиндра укреплен корпус из алюминиевого сплава, внутри которого расположены приводной выпрямляющий механизм 10, подвижный контактный стержень 12, роликовое токосъемное устройство 7, маслоотделитель 8, верхний вывод 6 и верхняя крышка 9. Нижний фланец из силумина, в котором имеется воздушная подушка 3, закрывается крышкой 1, внутри которой

8

вмонтирован розеточный неподвижный контакт 2, а снаружи – пробка для спуска масла. Внутри цилиндра над розеточным контактом имеется гасительная камера 4, собранная из изоляционных пластин с фигурными отверстиями. Набором пластин создаются три поперечных канала и масляные карманы.

Рис.1. Разрез полюса выключателя ВМП-10:

а – положение «отключено»; б – положение «включено»; в – процесс отключения

Для повышения стойкости контактов к действию электрической дуги и увеличения срока их службы съемный наконечник подвижного контакта облицован дугостойкой металлокерамикой.

Работа масляного выключателя. Во включенном положении контактный стержень находится в розеточном контакте (рис. 1,б). При отключении привод освобождает отключающую пружину, находящуюся в раме выключателя, и под действием ее силы вал выключателя поворачивается, движение передается изоляционной тяге, а от нее приводному механизму 10 и контактному стержню, который движется вверх. При размыкании контактов возникает дуга, испаряющая и разлагающая масло. В первые моменты контактный стержень закрывает поперечные каналы дугогасительной камеры, поэтому давление резко возрастает, часть масла заполняет буферный объем 3,

9

сжимая в нем воздух. Как только стержень открывает первый поперечный канал, создается поперечное дутье газами и парами масла. При переходе тока через нуль давление в газопаровом пузыре снижается, и сжатый воздух буферного объема, действуя подобно поршню, нагнетает масло в область дуги (рис. 1,в).

При отключении больших токов образуется энергичное поперечное дутье, и дуга гаснет в нижней части камеры. При отключении малых токов дуга тянется за стержнем, и в верхней части камеры испаряется масло в карманах, создавая встречно-радиальное дутье. Время гашения дуги при отключении больших и малых токов не превосходит

0,015 – 0,025 с.

После гашения дуги пары и газы попадают в верхнюю часть корпуса, где пары масла конденсируются, а газ выходит наружу через отверстие в крышке. Когда камера заполнится маслом, выключатель готов для выполнения следующего цикла операции. Бестоковая пауза при АПВ довольно большая (0,5 с).

Масло практически не расходуется, однако в процессе отключения насыщается частичками металла электродов, твердыми механическими примесями, взвешенным углеродом, появившемся в результате разложения масла, и водой. Поэтому после определенного числа отключений масло меняют.

Ход выполнения работы и содержание отчета

1.Ознакомиться с назначением, областью применения и техническими данными выключателя.

2.Изучить конструктивное устройство и работу полюса выключателя. Законспектировать материал.

3.Ответить на контрольные вопросы письменно.

Контрольные вопросы

1.Для какой цели в выключателе используется масло?

2.Какие процессы происходят в масле, ухудшающие его изоляционные свойства?

3.Какие способы гашения дуги с большими и малыми токами используются в выключателе?

4.Чем объясняется довольно большая бестоковая пауза выключателя?

5.Область применения малообъемных выключателей.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

СПОСОБЫ ГАШЕНИЯ ДУГИ В ЦЕПЯХ ПОСТОЯННОГО ТОКА И ПУТИ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ

Цель работы: изучение способов гашения дуги в цепях постоянного тока.

Краткие теоретические сведения

Отключить цепь постоянного тока значительно труднее, чем цепь переменного тока той же мощности и напряжения. При отключении постоянного тока следует прежде всего каким-либо искусственным способом обеспечить спадание тока к нулю. При

10