metoda_aparati


Міністерство науки i освіти України
Чернігівський державний технологічний університет








Методичні вказівки

до лабораторних робіт з дисципліни
“Електричні апарати”

для студентів спеціальності
06.090600 “Електричні системи і мережі”




Затверджено
на засідання кафедри
електричних систем і мереж
Протокол № від . .







Чернігів ЧДТУ 2007
Методичні вказівки до лабораторних робіт з дисципліни “Електричні апарати” для студентів спеціальності 6.090600 “Електричні системи і мережі”. / Укл.: Буйний Р.О., Муравйов О.П. – Чернігів: ЧДТУ, 2007.- 51с.



Укладачі: Буйний Роман Олександрович, кандидат технічних наук,
старший викладач
Муравйов Олександр Павлович, старший викладач





Відповідальний
за випуск: Скоробогатова Валентина Іванівна, доктор технічних наук,
професор, завідувач кафедри електричних систем і мереж ЧДТУ


Рецензент: Квицинський Анатолій Олександрович, кандидат технічних
наук, доцент кафедри електропостачання сільського господарства Національного аграрного університету
ВСТУП

Ці методичні вказівки складено для проведення циклу лабораторних робіт з дисципліни “Електричні апарати” для спеціальності 6.090600 “Електричні системи і мережі”.
Лабораторні роботи проводяться в лабораторії “Електрообладнання” кафедри електричних систем і мереж. Вони дають змогу студентам, що вивчають курс, перевірити та дослідити теорію, яку подано в навчальних посібниках та лекціях, дають знання принципу дії та основних характеристик електрообладнання, яке застосовується в електроустановках споживачів, промислових підприємств та на електричних станціях та підстанціях. Під час занять студенти складають схеми, проводять вимірювання, навчаються аналізувати та оцінювати результати дослідів, вчаться коротко та ясно оформляти протоколи робіт, що дуже необхідно для підготовки майбутнього спеціаліста.
Ці методичні вказівки не замінюють підручника, а є доповненням до нього, допомагають студентам в підготовці i виконанні лабораторних робіт.

Лабораторна робота №1
Вивчення конструкції та роботи запобіжників.
Випробування плавких вставок

Мета роботи: вивчити конструкцію та принципи дії запобіжників, дослідити залежність часу спрацювання запобіжника від протікаючого струму.

Порядок виконання роботи

Рисунок 1.1 – Принципова схема лабораторного стенду

Одержати зразки плавких вставок
Візуально перевірити схему на відсутність напруги
Встановити перемикач П1 у нейтральне положення
Вставити одну з плавких вставок у затискачі запобіжника X1.1 – X1.2. Закрити запобіжник кришкою, включити рубильник Р (при цьому повинна засвітитись сигнальна лампа HL1).
Перемикачем П1 ввімкнути шунт RШ, та за допомогою реостата RД встановити необхідну силу струму.
Примітка. Сила струму не повинна перевищувати 10А.
Перемикач П1 перевести в положення вимірювання “Изм.”. При цьому починає працювати електричний секундомір. Після перегорання плавкої вставки робота секундоміру припиняється та фіксується тривалість часу знаходження під напругою запобіжника та сила струму.
Виключити лабораторний стенд (напругу 220В).
Обнулити секундомір. Замінити плавку вставку на аналогічну за перерізом та повторити виміри згідно пунктів 3-7 декілька разів (5-7). Побудувати ампер-секундну характеристику.
Провести аналогічні вимірювання для декількох перерізів плавких вставок.
Побудувати залежність часу згоряння плавкої вставки від її перерізу, при постійному струмі.
Зробити висновки по роботі.


Теоретичні відомості

Загальна характеристика запобіжників
Плавким запобіжником називають електричний апарат, призначений для відключення ненормального або аварійного режиму в електричній установці. Робота цього апарата ґрунтується на тепловій дії електричного струму.
Особливо широкого застосування у практиці запобіжники набули в установках з напругою до 1кВ. В електроустановках вище 1кВ запобіжники мають обмежене застосування (їх використовують в основному для захисту силових трансформаторів, вимірювальних трансформаторів напруги та статичних конденсаторів).
Елементами конструкції запобіжників є:
плавка вставка;
контактні пристрої;
корпус.
У конструкції ряду запобіжників, крім того, передбачається пристрій для гасіння електричної дуги, яка утворюється на місці плавкої вставки. Плавка вставка – основний елемент запобіжника. Включається в електричне коло послідовно з об’єктом, який захищає.
Роботу запобіжника можна умовно поділити на три етапи. На першому етапі ненормальний або аварійний струм елемента електричної установки, для якого створено захист плавким запобіжником, нагріває плавку вставку до температури плавлення. На другому етапі тепло, що виділяється електричним струмом, витрачається на плавлення вставки (при великих струмах на її випаровування). Після розплавлення плавкої вставки на її місці в запобіжнику утворюється електрична дуга. На третьому етапі відбувається гасіння електричної дуги.
На першому етапі роботи запобіжника тепло, що виділяється у вставці електричним струмом, витрачається не тільки на нагрівання самої вставки, але й відводиться в навколишнє середовище. При великих значеннях аварійних струмів порівняно з номінальним струмом вставки відведення тепла у навколишнє середовище відіграє незначну роль. Коли ж струм ненормального режиму не набагато більший від номінального струму плавкої вставки, її нагрівання до температури плавлення відбувається повільно, і кількість теплоти, що відводиться від вставки в навколишнє середовище, відіграє значну роль.
Найбільший струм, при якому плавка вставка запобіжника може довго працювати не перегораючи називається номінальним струмом 13 EMBED Equation.3 1415. При такому струмі час нагрівання вставки до температури плавлення нескінченно великий. При зростанні величини струму цей інтервал часу скорочується. Залежність між цим часом і величиною струму через плавку вставку запобіжника називається ампер-секундною характеристикою (рисунок 1.2).

13 EMBED CorelDraw.Graphic.7 1415

Рисунок 1.2 – Ампер-секундна характеристика плавкої вставки

Мінімальний плавильний струм плавкої вставки на 20-25% більший від її номінального струму.
Номінальним струмом запобіжника 13 EMBED Equation.3 1415 називають струм на який розраховані струмоведучі та контактні частини самого запобіжника.
Ампер-секундна характеристика плавкої вставки дуже нестабільна. Вона може істотно змінюватись залежно від температури навколишнього середовища, часу роботи запобіжника в експлуатації (ефект старіння матеріалу плавкої вставки) та інших факторів. Тому ампер-секундну характеристику запобіжника зображують не одною кривою, а досить широкою зоною.
Для зменшення можливих температур нагрівання запобіжника зменшують температуру плавлення плавкої вставки, тобто виготовляють її з металів з порівняно низькими температурами плавлення (олово, свинець, цинк). Проте цей прийом не завжди доцільний, оскільки легкоплавкі метали мають високі питомі електричні опори. При великих номінальних струмах плавка вставка має значний переріз, масивні плавкі вставки потребують значних затрат тепла на розплавлення металу і його випаровування. В результаті помітно збільшується повний час роботи запобіжника.
Застосування для плавких вставок тугоплавких металів (мідь, срібло), які мають високу електропровідність, різко зменшує переріз вставок і сприяє скороченню часу спрацювання запобіжника (таблиця 1.1). Проте це призводить до дуже високих температур нагрівання елементів конструкції запобіжника в режимі роботи, близькому до номінального струму вставки 13 EMBED Equation.3 1415.

Таблиця 1.1 – Основні характеристики матеріалів плавких вставок
Матеріал
Густина, кг/дм3
Температура плавлення при нормальному тиску, (С
Опір при 15(С, Ом/мм2
Максимальна допустима температура вставки, (С

Мідь
8,93
1083
0,0175
250

Свинець
11,34
327
0,21
150

Цинк
7,1
419
0,06
200

Срібло
10,05
561
0,016...0,0175
залежить від конструкції запобіжника


Дуже ефективним методом зниження температури плавлення вставки з тугоплавкого металу, є застосування плавких вставок з “металургійним ефектом”. Такі вставки з міді або срібла виготовляють, накладаючи на них кульки з легкоплавкого металу. Коли вставка нагрівається до температури. що перевищує температуру плавлення кульки, вона розплавляється і розчиняє в собі тугоплавкий метал вставки. В цьому місці утворюється електрична дуга. Подальше плавлення і випаровування вставки відбувається вже внаслідок високої температури дуги. “Металургійний ефект” проявляється тільки при струмах, близьких до номінального струму вставки.
Якщо струм, що протікає через запобіжник, в багато разів перевищує величину номінального струму 13 EMBED Equation.3 1415, вставка плавиться і випаровується практично зразу на всій її довжині. Процес руйнування вставки має характер вибуху. При цьому струм у колі різко обривається і виникає перенапруга, яка пробиває утворений проміжок, заповнений паром металу, загорається електрична дуга.
Величина напруги, а також тривалість горіння електричної дуги і метод її дугогасіння визначаються конструкцією запобіжника. На величину перенапруги вирішальний вплив має довжина плавкої вставки. Щоб зменшити величину перенапруги у сучасних конструкціях запобіжників зменшують довжину плавкої вставки. Цього досягають застосуванням проміжку змінної величини в момент згорання плавкої вставки, який утворюється дуже коротким (3-5см), а потім швидко збільшується до кількох десятків сантиметрів внаслідок механічного переміщення одного з елементів.
Великого поширення набули конструкції запобіжників в яких електрична дуга гаситься газами, що виділяються з твердого дугогасильного матеріалу (фібра, органічне скло, вініпласт тощо) під дією високої температури електричної дуги. При цьому гази, що виділяються у великій кількості, використовуються або для гасіння дуги за рахунок створення інтенсивного поздовжнього дуття, або до різкого підвищення тиску в запобіжнику, що веде до збільшення електричної міцності проміжку на місці плавкої вставки.
З точки зору умов гасіння електричної дуги запобіжники класифікують на:
струмообмежуючі;
без струмообмеження.
У струмообмежуючих запобіжниках після розплавлення плавкої вставки опір проміжку дуже швидко збільшується. До числа струмообмежуючих запобіжників відносять конструкції з дрібнозернистим наповнювачем, який оточує плавку вставку (кварцовий пісок, крейда).
Найпростішими конструкціями запобіжників на напругу до 1кВ є пробкові і пластинчаті. Пробкові запобіжники в основному використовуються для захисту освітлювальних електричних мереж та електродвигунів невеликої потужності з напругою до 380В включно. У пробкових запобіжниках плавкі вставки зроблені з легкоплавких металів, і жодних пристроїв для гасіння електричної дуги в них не передбачено. Тому такі запобіжники не забезпечують ефекту струмообмеження і час горіння дуги в них досить великий. Завдяки застосуванню порівняно масивних плавких вставок з легкоплавкого металу (свинець), які мають теплову інерцію, ці запобіжники нечутливі до порівняно великих (5-7 кратних) короткочасних перевантажень.
Переважна більшість конструкцій запобіжників, для заміни перегорівши плавких вставок, потребує наявності якого-небудь комутаційного апарата (рубильник, роз’єднувач) з боку живлення перед запобіжником.

Конструкція запобіжників
На рисунку 1.3 зображено розріз запобіжника типу ПР з закритою фібровою трубкою. Такі запобіжники випускаються на номінальні струми від 15 до 1000А.
13 EMBED CorelDraw.Graphic.7 1415

Рисунок 1.3 – Запобіжник з фібровою трубкою

Фібровий патрон 1 з двох боків закритий латунними ковпачками 2, які затискають контактні ножі патрона 4. До ножів всередині трубки гвинтами прикріплюється плавка вставка 3, штампована з листового цинку. Вставка 3 має звуження перерізу по довжині, що знижує перенапруги, які виникають під час плавлення і випаровування вставки.
У запобіжниках типу ПР час горіння дуги дуже малий, а сам запобіжник забезпечує ефект струмообмеження. Такі запобіжники мають великі струми вимикання (у 30-100 раз більші від номінальних струмів). Вони працюють безшумно, без викидання гарячих газів і полум’я. Їх використання підвищує безпеку обслуговування, їх можна заміняти під напругою, що виключає потребу в додаткових комутаційних апаратах. Недоліком запобіжників цього типу є складність конструкції, що позначається на їх вартості. Крім того, після вимикання значних аварійних струмів у таких запобіжниках треба заміняти фібровий патрон.
Останнім часом альтернативою плавких запобіжників є запобіжники з термомеханічним руйнуванням вставки за допомогою термопривідного елемента виготовленого із сплаву з “ефектом пам’яті форми”. Такий запобіжник зображений на рисунку 1.4.
13 EMBED CorelDraw.Graphic.7 1415

Рисунок 1.4 - Термомеханічний запобіжник

При протікання певного струму через запобіжник (струм перевантаження, струм к.з.) термочутливий елемент нагрівається і відновлює свою форму (стискається) і механічно руйнує вставку. Час руйнування вставки залежить від величини струму і може складати 0,001с. Недоліком даного запобіжника є його собівартість.
На напругах 35 та 110кВ застосовують газогенеруючі плавкі запобіжники з вихлопом газу. Запобіжник такого типу зображений на рисунку 1.5.










Рисунку 1.5 – Плавкий запобіжник ПСН-35

При розплавленні плавкої вставки провідник 5 витягується із патрону. При цьому дуга розтягується і торкається газогенеруючого матеріалу. Гази які виділяються завдяки термічній дії електричної дуги виштовхують провідник із трубки з великою швидкістю, що сприяє швидкій де іонізації дугового проміжку.

Вибір запобіжників
Для споживачів електроенергії навантаження яких не має коливань в сторону підвищення споживаного струму (освітлювальне навантаження) при виборі плавкої вставки необхідно керуватися тим, що номінальний струм цієї вставки 13 EMBED Equation.3 1415 повинен бути більшим або дорівнювати робочому струму навантаження:

13 EMBED Equation.3 1415

При виборі плавких вставок для роботи з двигунами, а особливо з асинхронними короткозамкнутими, у яких в момент пуску (або самозапуску) виникають струми, які перевищують по величині номінальні робочі струми, необхідно щоб виконувалася така умова:

13 EMBED Equation.3 1415,

де 13 EMBED Equation.3 1415 - пусковий струм двигуна; 13 EMBED Equation.3 1415 - коефіцієнт який враховує режим пуску.
Коефіцієнт 13 EMBED Equation.3 1415 при тривалості пуску до 8с приймається рівним 13 EMBED Equation.3 1415. При більш тривалих пусках 13 EMBED Equation.3 1415.
Під легким режимом розуміють рідкі пуски з тривалістю до 10с або самозапуски ненавантажених електродвигунів, під важким – часті пуски з тривалістю більше 10с або самозапуски при напружених механізмах.
Якщо припускається вибір плавкої вставки з матеріалу з великим питомим опором (свинець), необхідно керуватись такою умовою (для легкого режиму роботи):

13 EMBED Equation.3 1415,

так як такі вставки не перегорають від пускового струму.
Якщо передбачається робота запобіжника на декілька електродвигунів, то номінальний струм вставки беруть рівним:

13 EMBED Equation.3 1415,

де 13 EMBED Equation.3 1415 - коефіцієнт одночасної роботи електродвигунів; 13 EMBED Equation.3 1415- сума робочих струмів двигунів без одного, який має найбільший пусковий струм; 13 EMBED Equation.3 1415 - найбільший пусковий струм.
В розгалужених розподільчих мережах установлюють декілька послідовно включених запобіжників. Наприклад: на головному щиті – для захисту магістралі, та на відгалуженнях. В цьому випадку плавкі вставки запобіжників повинні бути підібрані так, щоб першою перегорала та, що знаходиться ближче до місця пошкодження, тобто повинна додержуватись селективність дії запобіжників.


Рекомендована література

Баптиданов Л.Н., Тарасов В.И. Электрооборудование электрических станций и подстанций. – М.: Энергия, 1960. – 426с.
Гессен В.Ю., Григор'єв Ю.О. Електричні станції і підстанції. – К.: Вища школа, 1970 – 479с.


Контрольні запитання

Призначення запобіжників, основні функції, галузь застосування.
Основні елементи запобіжника.
Основні характеристики запобіжника. Ампер-секундна характеристика.
Основні вимоги до запобіжника.
Конструкція і матеріали плавких вставок.
Конструкція запобіжників.
Запобіжники з наповнювачем.
Основні параметри запобіжників.
Умови вибору запобіжників.

Лабораторна робота №2
Вивчення апаратури контакторного управління

Мета роботи: вивчити будову та принцип дії основних елементів нереверсивних та реверсивних магнітних пускачів.



Порядок виконання роботи

Розібратись з принципом роботи нереверсивного та реверсивного магнітного пускача.
Зібрати схему нереверсивного магнітного пускача згідно рисунка 2.1.



Рисунок 2.1 – Принципова схема нереверсивного магнітного пускача


Включити стенд за допомогою трифазного вимикача напруги. Натиснути кнопку “Назад”. При цьому повинен спрацювати контактор К2 (на пристрої порядку чергування фаз повинні засвітитись лампи HL1 та HL2).
Кнопкою “Стоп” вимкнути магнітний пускач.
Зібрати схему реверсивного магнітного пускача згідно рисунка 2.2.



Рисунок 2.2 – Принципова схема реверсивного магнітного пускача


Провести реверсування порядку чергування фаз за допомогою кнопок “Вперед” та “Назад”, контролюючи реверс по зміні яскравості свічення ламп HL1 та HL2.
Кнопкою “Стоп” вимкнути магнітний пускач.
Зробити висновки по роботі.



Теоретичні відомості

Для дистанційного та автоматичного управління електроприводами зазвичай застосовують апаратуру контакторного управління, основним елементом якої є контактор. Контактор використовується для частого включення та відключення навантаження в колах постійного та змінного струму. Основним недоліком контактора є те, що він не захищає електричні кола від ненормальних режимів роботи: короткого замикання та перевантаження.
На рисунку 2.3 приведена схема контактора.
При замиканні ключем 7 кола котушки електромагніта 4, якір 3 притягується до його осердя, в наслідок чого контакти 1 замикаються. Для відключення контактора достатньо розімкнути ключ управління 7, при цьому якір 3 під дією відключаючої пружини 2 відпадає від котушки електромагніта. Зазвичай контактори комплектуються дугогасильною камерою 6. Також виготовляються контактори які містять як нормально розімкнуті, так і нормально замкнуті контакти.


а) б)

в) г)

а) конструкція
б) схема включення
в) контактор в положенні “включено”
г) контактор в положенні “виключено”

Рисунок 2.3 – Контактор

Магнітний пускач представляє собою трифазний контактор змінного струму з тепловими реле у двох фазах і з системою блокувальних контактів (рисунок 2.4). Магнітні пускачі застосовуються для дистанційного вмикання і вимикання короткозамкнутих асинхронних двигунів.
При натисканні на кнопку КВ, замикається коло електромагніта контактора 1 через кнопку розмикання КО і контакти 4 теплових реле. При цьому якір котушки 1 притягується, замикає головні контакти 3 пускача та його блок-контакти 2. Останні шунтують кнопку КВ, яка розмикає свої контакти при її відпускання. Для вимикання пускача досить натиснути кнопку КО. Вимикання відбудеться також, якщо при перевантаженні перегріються нагрівальні елементи 4 теплових реле. Різке зниження напруги в живлячій мережі (до 50-60% від номінальної) також спричинює вимикання пускача, оскільки котушка електромагніта 1 не може вдержати якір пускача у ввімкнутому положенні.







Рисунок 2.4 – Магнітний пускач з кнопковим керуванням

Котушка електромагніта магнітного пускача в залежності від її типу може живитися на постійному або змінному струмі (рід струму та величина номінальної напруги вказується на корпусі магнітного пускача).



Рекомендована література

Рожкова Л.Д., Козулин В.С. Электрооборудование станций и подстанций. М.: Энергия, 1975. – 704с.
Гессен В.Ю., Григор'єв Ю.О. Електричні станції і підстанції. – К.: Вища школа, 1970 – 479с.


Контрольні запитання

Конструкція та призначення контакторів.
Конструкція магнітних пускачів та їх застосування.
Принцип реверсування навантаження.
Лабораторна робота №3
Вивчення конструкції та роботи повітряного
вимикача навантаження

Мета роботи: вивчити принцип дії та конструкцію повітряного вимикача навантаження типу ВНП–16.

Порядок виконання роботи

Вивчити конструкцію та принцип роботи вимикачів навантаження.
Розібрати полюс вимикача навантаження та вивчити конструкцію дугогасильної камери.
Вивчити принцип роботи приводу вимикача навантаження


Теоретичні відомості

Вимикачі навантаження ВН-16, ВНП-10, ВНП-16, ВНП-17 відносяться до автогазових вимикачів. Їх використовують в установках невеликої потужності, замість дорогих вимикачів потужності. Вимикачі навантаження ВН-16 виготовлені на базі триполюсних роз'єднувачів РВ-10/400 та призначені для внутрішньої установки. Так само, як і роз’єднувачі, вони забезпечують видимий розрив кола. Проте, роз’єднувачі не можуть вимикати струми навантаження.
Вимикачі типу ВН на 10 кВ забезпечують комутування струму холостого ходу та номінального струму навантаження силових трансформаторів потужністю від 160 до 1600 кВА. Гасіння електричної дуги, що виникає між контактами вимикача при відключенні струму навантаження здійснюється в дугогасній камері, що має вкладиші з органічного скла. Під дією високої температури електричної дуги, яка утворюється в камері під час розриву струму навантаження, органічне скло частково розкладається з виділенням великої кількості газу. При виділені газу в дугогасній камері значно підвищується тиск, який створює повздовжнє дуття газу, під дією якого з дугогасної камери видувається іонізований газ, що призводить до згасання дуги та розриву кола.
Дугогасні камери виконують із термостійкої пластмаси. Вони мають дугоподібну форму, тому рухомі дугогасні контакти легко входять у камери. При включенні вимикача спочатку замикаються дугогасні контакти, потім – головні контакти. Процес вимкнення проходить навпаки – спочатку розмикаються головні, а потім дугогасні контакти. У вимкненому положенні рухомий дугоподібний контакт утворює видимий розрив з дугогасною камерою.
Для захисту високовольтного електроустаткування від аварійних режимів роботи використовують запобіжники типу ПКТ, які включаються послідовно з вимикачем навантаження в кожній фазі. Вимикач навантаження, конструктивно доповнений трьома запобіжниками, утворює апарат типу ВНП. При цьому комутування робочих струмів здійснюється за допомогою вимикача, а відключення струмів короткого замикання – плавкою вставкою запобіжників ПК.
Вимикач ВНП-17 являє собою конструктивний варіант вимикача ВНП-16 і відрізняється від нього тим, що має механізм автоматичного відключення при спрацюванні запобіжників.
Для виконання заземлення установки при відключеннях, вимикачі навантаження можуть бути обладнані ножами заземлення, що приварюються до окремого валу. У такому виконанні вимикачі навантаження позначаються ВНПз-16 або ВНПз-17. Ножі заземлення встановлюються зверху або знизу вимикача навантаження. Вали ножів заземлення і вимикача зв’язані блокуванням, завдяки якому не можна включити ножі заземлення при включеному вимикачі. Операції із заземлюючими ножами можна виконувати тільки при відключеному вимикачі навантаження.


1 – дугогасильний ніж
2 – стальні пластини
3,6 – робочі контакти
4 – кварцовий запобіжник
5 – дугогасильна камера
7 – рама
8 – вал
9 – відключаюча пружина
10 – буфер
11 – привідний важіль
Рисунок 3.1 – Вимикач навантаження типу ВНП-16 із запобіжниками ПКТ-10
Керування ножами заземлення здійснюється окремими ручними приводами ПР-1 або ПР-2, а керування вимикачем навантаження – приводами ПР-17 або приводами ПРА-12, ПРА-17 з дистанційним (автоматичним) відключенням (обладнані електромагнітами відключення).
Вимикачі навантаження серії ВН-10 забезпечують гасіння дуги за допомогою камер з газогенеруючими вкладишами. Їх комплектують ручними приводами (ВНР-10), запобіжниками, призначеними для захисту електричних мереж від струмів коротких замикань та розташованими зверху або знизу вимикачів (ВНРп-10), із заземлюючими ножами, розташованими перед (ВНРп-10з) або (ВНРп-10зп) запобіжниками.
Автогазові вимикачі навантаження розглянутих типів монтуються в закритих установках станцій, підстанцій та розподільчих пристроях.


Рекомендована література

Гессен В.Ю., Григор'єв Ю.О. Електричні станції і підстанції. – К.: Вища школа, 1970 – 479с.
Рожкова Л.Д., Козулин В.С. Электрооборудование станций и подстанций. М.: Энергия, 1975. – 704с.


Контрольні запитання

Які функції виконують вимикачі навантаження?
З яких конструктивних елементів складаються вимикачі навантаження ВНП-10, ВНП-16, ВНП-17?
Як здійснюється гасіння електричної дуги в автогазових вимикачах?
Якими конструктивними елементами відрізняється вимикач ВНП-16 від вимикача ВНП-17?
Чи буде відключатись вимикач навантаження ВНРп-10 при перегоранні запобіжника?
З якою метою послідовно з вимикачем навантаження встановлюють запобіжники?
В яких електроустановках застосовуються автогазові вимикачі?



13 EMBED Equation.3 1415
Лабораторна робота №4
Конструкція та принцип дії вакуумного
вимикача ВВВ-10

Мета роботи: вивчення принципу дії та конструкції вакуумного вимикача напругою 10кВ.

Порядок виконання роботи
Вивчити відомості про вимикачі в електромережах: призначення, основні елементи, класифікація.
Вивчити особливості роботи та конструкцій вакуумних вимикачів, переваги цих апаратів перед масляними вимикачами.
Ознайомитися з конструкцією вакуумного вимикача ВВВ-10-2/320.
Провести включення та відключення ВВВ-10-2/320:
а) вручну, за допомогою важеля;
б) кнопками управління на панелі вимикача.

Теоретичні відомості
Вимикачі – основні комутаційні апарати в електричних установках, призначені для включення та відключення струму в різних режимах:
нормальному: без навантаження (холостий хід) обладнання, з навантаженням обладнання;
при перевантаженні;
аварійному – коротких замиканнях.
Останній режим є найбільш важким для вимикача.
Основні елементи вимикача:
контактна система з дугогасильними пристроями;
струмоведучі деталі;
корпус;
ізоляційні конструкції;
привідний механізм.
За конструктивними особливостями та способами гасіння дуги вимикачі розрізняють:
масляні великооб’ємні (бакові);
масляні малооб’ємні (горшкові);
вимикачі з газогенеруючим матеріалом;
повітряні;
електромагнітні;
елегазові;
вакуумні.
Основним елементом вакуумного вимикача є запаяна вакуумна камера з щільного діелектричного матеріалу – скла, фарфору, або спеціально виготовленої міцної суміші. В середині камери розташовані нерухомий та рухомий контакти. Останні виготовляються з тугоплавких металів (вольфраму) або (частіше) з металокераміки. Металокераміка є спресованою під великим тиском та високою температурою сумішшю різних металевих порошків та зв’язуючих компонентів. Такі контакти добре протистоять розплавленню від високої температури дуги, внаслідок чого не потребують ревізії та заміни.
На рухомий контакт вимикача діють через сільфон, який герметично закріплений на камері. Повний хід рухомого контакту на напрузі 10кВ дорівнює 4-5мм. В камері створюється глибокий вакуум (10-610-7мм рт.ст.), який дозволяє при такому невеликому зазорі між контактами витримувати напругу 100кВ та вище.
Використання вакууму замість гасіння дуги дає такі переваги:
швидке відновлювання діелектричної міцності проміжка після відключення струму при невеликому розходженні контактів;
невелика потужність, потрібна для включення вимикача;
малий час роботи вимикача завдяки невеликому ходу та масі контактів;
повна пожежо- та вибухобезпечність;
великий термін експлуатації та відсутність необхідності в систематичному обслуговуванні;
можливість роботи без підігріву при низьких температурах.
Якщо розміщені в вакуумі деталі ретельно вичищені та дегазовані, то вони діють як газопоглиначі. Тому в щільно закритих балонах вакуум зберігається або навіть покращується впродовж усього терміну експлуатації.
Більш детально конструкція вакуумного вимикача буде розглянута на прикладі вимикача типу ВВВ-10-2-/320, який широко розповсюджений у вітчизняних електромережах (рисунок 4.1).

Конструкція вакуумного вимикача ВВВ-10-2/320
Вимикач високовольтний вакуумний ВВВ-10-2/320 – це швидкодіючий трьохполюсний вимикач внутрішньої установки з електромагнітним приводом прямої дії. Він забезпечує багаторазове швидкодіюче автоматичне повторне включення (БАПВ) та дистанційне управління від релейного захисту та кіл оперативного управління.
Вимикач призначений для комутації трифазних кіл напругою до 10кВ промислової частоти та для розташування в комплекті розподільчі пристрої.
Основні технічні дані приведені в таблиці 4.1.
Основні параметри вимикача визначаються технічними характеристиками дугогасильних камер КДВ-21-1, які використані як комутаційні елементи.
Вимикач ВВВ-10-2/320 складається з власне вимикача та приводу, які зв’язані тягою. На рамі монтуються опорні ізолятори, на яких закріплюється вакуумні дугогасильні камери. За допомогою підпор на рамі кріпляться вали, до яких закріплюються важіль – ізолятори відповідних дугогасильних камер.

1-опорний ізолятор
2-привід
3-рама
4-шини
5-ізоляційна перегородка
6-вакуумна дугогасильна камера КВД-21
7-шини
8-важель-ізолятор
9-вали
Рисунок 4.1 – Вакуумний вимикач ВВВ-10-2/320

Таблиця 4.1 – Технічні характеристики вакуумного вимикача ВВВ-10
Номінальна напруга, кВ
10

Номінальний струм, А
320

Стійкість при прохідних струмах короткого замикання :
струм динамічної стійкості, кА
струм термічної стійкості (4сек.), кА

10
2

Комутаційна здатність :
номінальний струм включення, кА
мінімальна безструмова пауза, с, не більше

2
0,4

Електрична міцність основної ізоляції (50Гц), кВ.
42

Час відключення з приводом, с, не більше
0,05

Хід контактів вакуумних камер, мм
4-5

Напруга в колах оперативного включення–відключення, В
22013 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415

Інтервал робочих температур, (С
–40...+40

Маса, кг не більше:
вимикача
приводу

55
25



Фази вимикача відокремлені одна від одної ізоляційними перегородками.
Привод вимикача складається із звареного корпусу, який одночасно є магнітопроводом вмикаючого магніту. На корпусі розміщено котушку та гільзу вмикаючого електромагніту, всередині якої переміщується якір із товкачем; механізм вільного розчеплення, який під впливом зовнішніх сил займає два фіксованих положення. З одною із лапок механізму з’єднана тяга, пов’язана з вимикачем.
Електрична схема вимикача складається з (рисунок 4.2):
кола включення, яке містить електромагніт, що живиться через випрямляч на діодах;
трьох кіл відключення: два кола – від релейного захисту, третє – оперативне відключення .


Рекомендована література

Будзко И.А., Зуль Н.М. Электроснабжение сельского хозяйства .- М.: Агропромиздат, 1990. – 496с.
Гессен В.Ю., Григорьев Ю.О. Електричні станції і підстанції. – К.: Вища школа, 1970 – 479с.



Контрольні запитання

Призначення та принципи дії вимикачів
Основні елементи вимикачів
Класифікація вимикачів
Основні переваги вакуумних вимикачів
Склад вакуумної камери
Конструктивні особливості вакуумного вимикача
7. Основні технічні характеристики вакуумного вимикача
8. Робота приводу вакуумного вимикача.



13 EMBED Equation.3 1415
Лабораторна робота №5
Принцип дії та конструкція вакуумного вимикача ВВ/TEL

Мета роботи: вивчення принципу дії та конструкції вакуумного вимикача ВВ/TEL.


Порядок виконання роботи

Вивчити будову вакуумного вимикача, та його привода
Записати технічні паспортні дані вимикача
Скласти електричну схеми керування вимикачем згідно рисунка 5.1

Рисунок 5.1 – Схема керування ВВ/TEL

Увімкнути та вимкнути вимикач
Вивчити конструкцію вакуумної дугогасильної камери
Зробити висновки по роботі


Теоретичні відомості

1 Загальні положення

Вакуумні вимикачі ВВ/TEL призначені для роботи в комплектних розподільчих пристроях внутрішньої та зовнішньої установки класу напруги до 10кВ трифазного змінного струму 50Гц для систем з ізольованою і заземленою нейтраллю.
Вакуумні вимикачі типу ВВ/TEL – є комутаційними апаратами нового покоління. В основі конструктивного рішення вимикача лежить використання пофазних електромагнітних приводів з “магнітною засувкою”, механічно зв'язаних загальним валом. Така конструкція дозволила досягти таких переваг у порівнянні з традиційними вакуумними вимикачами (ВВ):
високий механічний ресурс;
мале споживання в колах включення та відключення;
малі габарити і вага;
можливість керування як в колах оперативного постійного, так і оперативного змінного струму (за допомогою відповідних блоків керування);
відсутність необхідності у ремонті в експлуатаційних умовах протягом усього терміну роботи;
низька трудомісткість виробництва і, як наслідок, помірна ціна.
Для керування вимикачем ВВ/TEL призначений блок керування BU/TEL.
Кожний вимикач має табличку, що містить наступну інформацію: товарний знак підприємства-виробника; найменування виробу; тип вимикача; тип кліматичного виконання і категорію розміщення; порядковий номер по системі нумерації підприємства-виробника; номінальну напругу Uном., кВ; номінальний струм Iном., А; номінальний струм відключення Iо.ном., кА; масу вимикача, кг; рід струму і номінальну напругу електромагнітного приводу Uп.ном., В, позначення стандарту ИТЕА674152.003 ТУ; рік випуску вимикача (рисунок 5.2).
Приклад запису позначення вимикача напругою 10кВ із номінальним струмом відключення 12,5кА, номінальним струмом 630А, кліматичного виконання У2, конструктивного виконання 41 по каталогу:

ВВ/TEL -10-12,5/630-У2-41 ИТЕА674152.003ТУ.




Рисунок 5.2 – Структура умовного позначення вакуумного вимикача ВВ/TEL



Таблиця 5.1 – Основні параметри вакуумного вимикача ВВ/TEL
Номінальна напруга, кВ
10

Найбільша робоча напруга, кВ
12

Номінальний струм (Iном), А
630, 1000, 1600

Номінальний струм відключення (Iо.ном), кА
12,5; 20

Прохідний струм короткого замикання:
- найбільший пік, кА, не більш
- початкове діюче значення періодичної складової

32; 52; 81
12,5; 20

Середньоквадратичне значення струму за час його протікання (струм термічної стійкості), кА
12,5; 20

Час протікання струму (час короткого замикання), с
3

Власний час відключення вимикача, с, не більше1
0,015

Повний час відключення, с, не більше
0,03

Власний час включення, с, не більше
0,07

Неодночасність замикання і розмикання контактів, с, не більше
0,004

Номінальна напруга живлення блока керування, В (постійного і змінного струму)
220

Діапазон напруги живлення привода, % від номінального значення
85-110

Ресурс по комутаційній стійкості:
- при номінальному струмі Iном, операцій
- при струмах короткого замикання I=(60-100)% від (Iо.ном), операцій

50000

1
·00

1Без врахування часу спрацьовування блока керування

Залежність комутаційного ресурсу вимикачів від величини відключаємого струму, представлена на рисунку 5.3.

Рисунок 5.3 – Комутаційний ресурс вимикача


2 Конструкція і робота вимикача

2.1 Принцип гасіння електричної дуги
Гасіння дуги змінного струму здійснюється при розведенні контактів у глибокому вакуумі (залишковий тиск порядку 10-6 мм.рт.ст.).
У момент часу t1 (рисунок 5.4) починається розходження контактів вакуумної дугогасильної камери й у міжконтактному проміжку запалюється електрична дуга. Падіння напруги на дузі мале і звичай не перевищує 30В. У момент t2, коли струм досягає нульового значення міжконтактний проміжок заповнений іонізованими парами металу, що утворилися протягом часу горіння дуги t1–t2. Однак, у силу відсутності середовища, що перешкоджає розльоту парів металу, їхній відхід із проміжку здійснюється за надзвичайно малий час 10-5с, після чого вакуумний вимикач готовий витримати відновлювальну напругу.
Оскільки електрична міцність вакуумного проміжку надзвичайно висока ((30кВ/мм), відключення відбувається при зазорах більших 1мм.

2.2 Конструкція вимикача
Вимикач складається з трьох полюсів з вбудованими електромагнітними приводами з магнітною засувкою, розміщених у загальному корпусі.
Якорі електромагнітів механічно зв'язані загальним валом, на якому встановлені постійні магніти, які керують при повороті вала герметизованими контактами для зовнішніх допоміжних кіл.
Контакти для зовнішніх допоміжних кіл установлені на двох монтажних платах, розташованих між полюсами вимикача. Кожна плата має по дві дублюючих клемних колодки фірми WAGO, що виходять на протилежні сторони корпусу вимикача.
У вимикачах конструктивних виконань 41, 42, 45, 46, 59 вал з'єднаний з штовхачем, що використовується для приєднання кнопки ручного відключення і блокувань.
У вимикачах конструктивних виконань 43, 44, 47, 48, 60 вал виходить в обидва боки від корпусу. Кнопка ручного відключення і блокування встановлюються за допомогою спеціального перехідного шарніра з будь-якої сторони або по обидва боки.



Рисунок 5.4 – Електромагнітні процеси при відключенні вимикача

Такі конструктивні виконання дозволяють з мінімальними витратами проводити заміну масляних і маломасляних вимикачів в комірках комплектних розподільчих пристроїв.
До складу полюса входить опорний ізолятор з органічного ізоляційного матеріалу і ряд інших деталей, представлених на рисунку 5.5.

2.3 Робота приводу
Включення вимикача
У вихідному стані контакти вакуумної дугогасильної камери розімкнуті за рахунок впливу на них відключаючої пружини 7 через тяговий ізолятор 5. При прикладанні напруги позитивної полярності до котушки 9 електромагніта, у зазорі магнітної системи (рисунок 5.4) наростає магнітний потік.
У момент, коли сила тяги якоря, створювана магнітним потоком, перевершує зусилля пружини відключення 7 (лінія 1 рисунок 5.6), якір 11 електромагніта разом з тяговим ізолятором 5 і рухливим контактом 3 вакуумні камери починає рух вгору, стискаючи пружину відключення. При цьому в котушці виникає противо-ЕРС, що перешкоджає подальшому наростанню струму, і навіть трохи зменшує його. У процесі руху (проміжок між лініями 1 і 2 рисунок 5.6) якір набирає швидкість близько 1м/с, що дозволяє знизити ймовірність предпробоїв при включенні і виключити брязкіт контактів вакуумної дугогасильної камери. При замиканні контактів вакуумної камери (лінія 2 рисунок 5.6), у магнітній системі залишається зазор додаткового піджимання рівний 2мм. Швидкість руху якоря різко падає, тому що йому приходиться переборювати ще і зусилля пружини додаткового контактного піджимання 6. Однак під впливом зусилля, створюваного магнітним потоком і інерцією, якір 11 продовжує рухатися вгору, стискаючи пружину відключення 7 і пружину 6 додаткового контактного піджимання. У момент замикання магнітної системи (лінія 2а рисунок 5.6) якір стикається з верхньою кришкою привода 8 і зупиняється. ЕРС стає рівною нулю, у котушці 9 знову починається ріст струму. У проміжок часу між лініями 2а і 3 закінчується механічний перехідний процес в електромагніті і контактній системі полюса, а також формується необхідна залишкова індукція кільцевого постійного магніту 10 (запасається магнітна енергія, необхідна для утримання вимикача у включеному стані). Після закінчення процесу включення (лінія 3 рисунок 5.6) струм котушки привода відключається.



Рисунок 5.5 – Конструкція полюса вимикача

Вимикач залишається у включеному положенні за рахунок залишкової індукції, створюваної кільцевим постійним магнітом 10, що утримує якір 11 у притягнутому до верхньої кришки 8 положенні без додаткового струмового живлення.

А – стан головних контактів полюса
Б – струм в котушці привода полюса
В – переміщення якоря приводу
Г – швидкість руху якоря
Рисунок 5.6 – Діаграми електромагнітних процесів в приводі

У такому положенні якір залишається необмежено довго, поки постійний магніт не буде розмагнічений імпульсом струму негативної полярності, або магнітна система не буде розірвана механічно (ручне відключення). Даний принцип утримання комутаційного апарата у включеному положенні, відомий в електротехніці під назвою “магнітна засувка”, широко застосовується в апаратах з малим робочим струмом (поляризовані реле). Сучасні досягнення в області магнітотвердих матеріалів великих енергій дозволили реалізувати на цьому ж принципі силовий комутаційний апарат.
Запас по зусиллю утримання (сила, необхідна для відриву якоря 11 від верхньої кришки 8) складає 450(500Н для одного полюса вимикача, тобто 1350(1500Н для вимикача в цілому, що цілком достатньо для надійного утримання вимикача у включеному положенні навіть в умовах впливу на вимикач вібрацій і ударних навантажень.

Відключення вимикача
Для відключення вимикача необхідно прикласти до виводів котушки напругу негативної полярності (лінія 4 рисунок 5.6). Струм, що протікає по обмотці, розмагнічує магніт 10. Якір 11 електромагніта під тиском пружини відключення 7 і пружини додаткового контактного піджимання 6 розганяється і завдає удару по тяговому ізолятору 5, з'єднаному з рухливим контактом 3 вакуумної камери (лінія 5 рисунок 5.6). Ударне зусилля, створюване якорем електромагніта перевищує 200кгс, що сприяє розриву точок зварювання, що можуть виникати між контактами при протікання струмів короткого замикання. Крім того, рухливий контакт 3 у вакуумній камері практично миттєво здобуває високу стартову швидкість, що позитивно позначається на відключенні струмів КЗ.
Після удару якір 11 електромагніта рухається вниз разом з рухливим контактом 3 вакуумної камери і тяговим ізолятором 5 під дією пружини відключення, поки всі деталі не займуть положення, позначене на рисунку 5.5 (лінія 6 рисунок 5.6).
Привід з магнітною засувкою вимагає незначної енергії для «скидання» засувки. При відключенні від джерела постійної напруги час прикладання напруги зазвичай обмежується величиною 10мс. При цьому струм у колі відключення не перевищує 1,5А при напрузі 220В.
Якоря електромагнітів усіх трьох полюсів вимикача з'єднані між собою загальним валом 14. При русі якорів гвинт 13, що входить у проріз вала 14, повертає вал, а разом з ним і закріплений магніт 15, що керує герметизованими контактами для зовнішніх допоміжних кіл 16.

2.4 Блоки керування вимикачем
Комутація команд керування здійснюється спеціальними блоками, що призначені для установки в релейному відсіку комплектного розподільчого пристрою.
Ці блоки керування типу BU/TEL комплектуються власними блоками живлення, що забезпечують вихідну напругу 230 В постійного струму (у діапазоні вхідного живильної напруги від 187 В до 242 В), яка подається на котушки електромагнітних приводів.
Вхідна напруга для блоків живлення – 220 В постійного або змінного струму. Схема підключення блоку керування до вимикача приведена в паспорті на блок керування.

2.5 Ручне (перше) включення
Конструкція вимикача не дозволяє включити вимикач вручну без додаткового джерела живлення котушок приводу.
Увага! Спроба включити вимикач вручну шляхом впливу на вал або іншим чином може призвести до виходу його з ладу.
Для першого включення вимикача (коли на підстанції відсутнє живлення кіл оперативного струму) розроблений і випускається блок автономного включення. Більш докладна інформація про блок автономного включення представлена в посібнику з експлуатації блоку.

2.6 Ручне відключення
Ручне відключення здійснюється шляхом механічного впливу на кнопку ручного відключення, що, у свою чергу, впливає через вал привода на якорі електромагнітів і розриває магнітну систему.
Увага! Користуватися кнопкою ручного відключення дозволяється тільки у випадку неможливості відключення вимикача від блоку керування.


Рекомендована література

Выключатели вакуумные серии ВВ/TEL. Руководство по эксплуатации ИТЕА674152.003РЭ, – Севастополь, 2002г.
Рожкова Л.Д., Козулин В.С. Электрооборудование станций и подстанций. М.: Энергия, 1975. – 704с.



Контрольні запитання

Принцип дії вакуумного вимикача ВВ/TEL.
Конструкція вакуумного вимикача ВВ/TEL.
Основні недоліки та переваги вакуумних вимикачів
Структура умовного позначення вакуумних вимикачів ВВ/TEL.
Конструктивні особливості приводу вакуумного вимикача ВВ/TEL.


Лабораторна робота №6
Дослідження роботи захисних апаратів напругою 380/220В

Мета роботи: Ознайомитися з роботою автоматичних вимикачів, диференційних вимикачів та реле мінімальної напруги. Навчитися будувати схеми захисту в розподільчих мережах 0,38кВ з урахуванням вимоги селективної роботи диференційних автоматів.


Порядок виконання роботи

Ознайомитися з захисними апаратами які знаходяться на лабораторному стенді.
Записати паспортні дані кожного захисного апарату, яки знаходиться на лабораторному стенді. Розібратися який з параметрів за що відповідає.
Послідовно з’єднати диференційні автомати IX, IY, IZ (у довільній послідовності). При складанні схеми треба чітко дотримуватися схеми підключення диференційних автоматів, яка приведена на їх корпусі (це пов’язано з тим, що в нашому випадку трифазні автомати працюють в однофазному режимі).



Рисунок 6.1 – Схема для визначення ступенів селективної роботи диференційних автоматів

За допомогою ЛАТРа встановити напругу рівною 220В.
За допомогою кнопки ТЕСТ перевірити працездатність кожного диференційного автомата.
Визначити ступені селективної роботи кожного з них. Забороняється вмикати стенд без дозволу викладача.
Зібрати повну схему захисту мережі, послідовно з’єднавши автоматичний вимикач та диференційний автомат. При цьому необхідно паралельно джерелу живлення підключити реле мінімальної напруги.


Рисунок 6.2 – Схема повного захисту мережі 0,38кВ

Перед вмиканням стенду знизити напругу джерела живлення до 0В. Включити лабораторний стенд. Збільшуючи напругу джерела за допомогою ЛАТРа, визначити при якій напрузі реле мінімальної напруги спрацює. Включити автоматичний вимикач, який працює паралельно з реле мінімальної напруги.
Знижуючи вхідну напругу за допомогою ЛАТРа, визначити напругу відпускання реле мінімальної напруги.
Намалювати характеристику спрацювання реле мінімальної напруги.
Зробити висновки по роботі.



Теоретичні відомості

1 Диференційні апарати
Диференційні автомати (пристрої захисного вимкнення) – це комутаційні апарати, які призначені для відключення електричного кола при прямому або непрямому доторкуванні до струмоведучих або відкритих металевих частин електроустановки, які можуть опинитися під напругою при порушенні ізоляції струмоведучих частин.
Засоби захисту від ураження електричним струмом регламентуються у стандарті МЕК60364-4-41. Згідно МЕК60364-4-41, захист від прямого доторкування до струмоведучих частин повинен передбачати такі рівні безпеки:
захист за допомогою ізоляції струмоведучих частин;
захист за допомогою огорож та бар'єрів;
розміщення за зоною досяжності;
додатковий захист за допомогою пристроїв захисного вимкнення з номінальним диференційним струмом відключення 13 EMBED Equation.3 1415.
Захист від непрямого доторкування, згідно з вищезгаданим стандартом, повинен включати наступні заходи:
автоматичне відключення живлення за визначений період часу;
використання електрообладнання з подвійною або посиленою ізоляцією, яке не має елементів для заземлення (клас II – згідно ГОСТ12.2.007.0-75)
використання ізолюючих приміщень та зон ;
використання незаземленої системи місцевого вирівнювання потенціалів;
електрична розв'язка кіл.
Крім перерахованих вище захисних мір, загальною мірою для захисту від прямого та непрямого доторкування є захист з використанням системи безпечної наднизької напруги та системи заземленої безпечної наднизької напруги.


Принцип дії пристроїв захисного вимкнення.
Пристрій захисного вимкнення складається з таких основних частин (рисунок 1):
сумуючого трансформатора струму;
чутливого відключаючого реле;
механізму відключення;
контактної системи;
кола контролю працездатності.
Через вікно трансформатора струму пропускають усі робочі провідники (А, В, С, 0). Якщо за місцем установки пристрою захисного вимкнення буде протікати струм в землю або в захисний провідник РЕ, наприклад, у випадку замикання на корпус або випадкове доторкування людини до струмоведучої частини, векторна сума струмів в робочих провідниках, які пропущені через вікно трансформатора струму буде відрізнятися від нуля. Тобто з'явиться диференційний струм.


Рисунок 6.3 – Принципова схема диференційного автомата з
трансформатором струму нульової послідовності

Наявність диференційного струму зумовлює появу е.р.с. у вторинній обмотці трансформатора струму, яка за допомогою відключаючого реле приводить в дію механізм відключення. Таким чином відбувається відключення пошкодженої частини мережі. Згідно з першим законом Кірхгофа нормальна робота пристроїв захисного вимкнення забезпечується і при несиметричному навантаженні. Те саме має місце і при неповній кількості робочих провідників (трифазні приймачі без нульового проводу).
Робота пристрою захисного вимкнення з постійним магнітом (рисунок 6.4) основана на принципі суперпозиції двох магнітних полів: магнітного поля постійного магніту та змінного магнітного поля, яке виникає в обмотці збудження. При включених контактах якір реле притягнутий до ярма котушки внаслідок дії магнітного поля постійного магніту. Протидіюча сила розтягнутої пружини направлена на відтягування якоря. Після появи на управляючій обмотці (котушці збудження) із-за наявності диференційного струму електрорушійної сили, відбувається накладання постійного та змінного магнітного полів. При перевищенні величини диференційного струму раніше встановленого значення (в момент часу від'ємного напівперіоду струму) в обмотці управління результуюча енергія магнітного поля стане менше потенціальної енергії пружини, це призведе до миттєвого відпадання якоря, який діє на механізм вільного розчеплення контактів. Потужність, яка споживається пристроєм захисного вимкнення в момент спрацювання складає біля 10-4Вт. Конструкція відключаючого реле дозволяє отримати значення споживаємої потужності біля 50мкВт. Проте при такому чутливому виконання не досягається достатньо довготривала експлуатаційна надійність.



Рисунок 6.4 – Конструкція диференційного автомата з постійним магнітом

До коротких замиканнях між робочими провідниками та до аварійних режимів пристрій захисного вимкнення не чутливий. В зв'язку з цим для захисту від аварійних режимів послідовно з пристроєм захисного вимкнення необхідно встановлювати запобіжники або автоматичні вимикачі, причому значення їх номінального струму вказується виробником пристроїв захисного вимкнення. Параметри запобіжників та автоматичних вимикачів визначають стійкість пристроїв захисного вимкнення до струмів короткого замикання. Іншим вирішенням проблеми захисту від аварійних режимів є використання пристрою захисного вимкнення з вбудованою максимальним струмовим захистом.
Пристрої захисного вимкнення класифікують:
згідно способу монтажу: для фіксованого монтажу в розподільчих щитках та мобільного монтажу (рисунок 6.5);
згідно функціональної залежності від напруги живлення: FI – функціонально незалежні, DI – функціонально залежні, HFI – функціонально умовно залежні;
згідно конструкції механізму відключення: з прямим відключенням (механізм відключення є складовою пристрою захисного вимкнення) та непрямим відключенням;
по числу полюсів: двохполюсні та чотирьохполюсні;
по затримці часу спрацьовування: без затримки часу, з затримкою часу – тип G та селективні – тип S;
по наявності захисту від аварійних струмів: без вбудованого максимального струмового захисту та з вбудованим максимальним струмовим захистом.



Рисунок 6.5 – Зовнішній вигляд диференційних автоматів

Структурна схема пристрою захисного вимкнення функціонально незалежного від джерела живлення FI приведена на рисунку 6.6.

1 – сумуючий трансформатор струму
2 – електронне коло затримки часу для типів G та S
3 – реле відключення
4 – чутливий механізм відключення
Рисунок 6.6 – Принципова схема диференційного автомата функціонально незалежного від джерела живлення

Акумулювання енергії необхідної для відключення даного типу диференційного реле, відбувається за допомогою розтягу пружини механізму відключення в момент включення. Реле відключення з постійним магнітом є головною складовою частиною пристрою захисного вимкнення типу FI (рисунок 6.6). Джерелом енергії для спрацювання механізму відключення виступає вторинна обмотка трансформатора струму, при наявності в захищаємому колі струму, який протікає на землю.
Пристрої захисного вимкнення, функціонально залежні від напруги живлення (тип DI), включають електронний підсилювач, який призначений для підсилення та аналізу величини напруги на вторинній обмотці трансформатора струму при виникненні диференційного струму. Структурна схема такого пристрою зображена на рисунку 6.7.

1 – сумуючий трансформатор струму
2 – електронне коло аналізу з реле
3 – реле відключення
4 – механізм відключення
Рисунок 6.7 – Принципова схема диференційного автомата функціонально залежного від джерела живлення

В даній схемі, реле яке живиться від підсилювача, може мати невелику чутливість порівняно з відключаючим реле типу FI, тому що в схемі присутній підсилювач сигналів. Пристрої захисного вимкнення даного типу ділять на дві групи:
не відключаючі захищаєме коло при зникненні напруги живленні;
ті що відключають коло.
Властивість пристрою захисного вимкнення, який вимикає коло при зникненні живлячої напруги іноді використовується для захисту від зниження напруги.
Більш кращі експлуатаційні характеристики мають пристрої захисного вимкнення умовно залежні від напруги живлення HFI (рисунок 6.8).

1 – сумуючий трансформатор струму
2 – електронне коло аналізу та затримки часу
3 – електромагнітний пусковий механізм
4 – механізм відключення
5 – електронне реле
Рисунок 6.8 – Принципова схема диференційного автомата умовно залежного від джерела живлення

Спрацювання механізму відключення відбувається завдяки потужного електромагнітного пускового механізму. Цей механізм буде пасивним до тих пір, поки на нього не буде діяти електронне коло, яке аналізує сигнал від трансформатору струму. Електронне коло живиться від трансформатора струму. Тому електронне коло буде отримувати живлення тільки при наявності певного струму у вторинній обмотці трансформатора струму.
В деяких випадках, в зв'язку з використанням силових схем з напівпровідниковими елементами відбувається викривлення кривої змінного струму. При використанні пристроїв захисного вимкнення в колах потужних споживачів необхідно аналізувати криву струму перед вибором відповідного типу пристрою захисного вимкнення. Частіше за все використовують пристрої захисного вимкнення призначені для змінного диференційного струму (тип АС), рідше – для змінного та пульсуючого змінного струму (тип А). Найбільш дорогим є тип В – для змінного, пульсуючого постійного та згладженого постійного диференційного струму.
При виборі пристроїв захисного вимкнення необхідно забезпечити селективність їх роботи. Для цього необхідно щоб ампер-секундні характеристики пристроїв захисного вимкнення, включених послідовно, не пересікалися (рисунок 6.9).

Рисунок 6.9 – Захисні характеристики диференційних автоматів різних типів

З захисної характеристики пристроїв захисного вимкнення видно, що розміщення пристрою типу S, з вказаними на рисунку параметрами, ближче до джерела живлення забезпечить селективну роботу (при установці пристроїв захисного вимкнення типів G та безпосередньо у споживачів).

2 Реле мінімальної напруги
У схемах релейного захисту використовують реле які можна поділити на дві категорії: ті, що працюють на тих чи інших електричних принципах дії і ті, що працюють на неелектричних принципах.
До першої категорії належить переважна більшість сучасних реле.
Також реле поділяють по характеру зміни величини на яку вони реагують. Якщо реле реагує на збільшення електричної величини, воно називається максимальним, в іншому випадку – мінімальним.
Останнім часом, для захисту комунально-побутових споживачів від зниження напруги в мережі (особливо навантаження активно-індуктивного характеру) застосовують реле мінімальної напруги.
За принципом дії такі реле відносяться до електромагнітних. Типова схема ввімкнення такого реле зображена на рисунку 6.10.



Рисунок 6.10 – Типова схема ввімкнення реле мінімальної напруги

Реле мінімальної напруги підключається паралельно мережі. При номінальній напрузі котушка реле обтікається номінальним струмом, та утримує механізм відключення у вільному положенні. При зниженні напруги нижче певної величини (напруга спрацювання 13 EMBED Equation.3 1415), котушка електромагніта відпускає механічну тягу, яка під дією відключаючих пружин за допомогою механічної передачі (зв'язуючого стержня) діє на механізм розчеплення автоматичного вимикача, який у свою чергу вимикає коло навантаження від мережі.
Основними параметрами реле мінімальної напруги є:
напруга відпускання – максимальна напруга, при які реле вимикає коло навантаження;
напруга спрацювання – мінімальна напруги, при якій реле включає коло навантаження до мережі.
Зазвичай реле мінімальної напруги комплектується тільки до автоматичних вимикачів тієї ж фірми, що й саме реле.


3 Автоматичні вимикачі
Автоматичні вимикачі призначені для захисту мереж 220/380В від перевантажень та коротких замикань. Вони виконують функції двох найпростіших апаратів: рубильників та плавких запобіжників.
Автоматичний вимикач включає в себе електромагнітний розчіплювач – для захисту від коротких замикань, та тепловий розчіплювач – для захисту від перевантажень.
Автомати призначені для порівняно не частих комутацій.
Основними параметрами автоматичного вимикача є:
номінальний струм – найбільший струм, при якому автомат може працювати протягом тривалого часу;
номінальна напруга – номінальна напруга мережі для роботи в якій розрахований автомат;
струм спрацювання розчіплювача – мінімальний струм при якому розчіплювач спрацьовує і автомат відключається.



Рисунок 6.11 – Захисна характеристика автомата

Захисна характеристика автомата має залежну та незалежну частини. При перевантаженнях >1,25IH автомат спрацьовує на відключення, причому час відключення залежить від струму перевантаження (з ростом струму зменшується). При струмах >(5..6)IH, тобто при к.з. автомат спрацьовує з витримкою часу (0,001..0,004с) яка не залежить від струму. Ця частина характеристики називається відсічкою.
Для забезпеченні селективної роботи послідовно включених автоматів їх захисні характеристики не повинні пересікатися.
Останнім часом іде уніфікація багатофункціональних пристроїв, реле, у яких вбудовані основні схеми захисту: захист від аварійних режимів, від перевантаження, від просідання напруги та захист людей від прямого чи непрямого попадання під напругу.


Рекомендована література

Чунихин А.А. Электрические аппараты. – М.: Энергия, 1967.
Штепан Ф. Устройства защитного отключения управляемые дифференциальным током. – Прага, 2001 – 90с.
Рожкова Л.Д., Козулин В.С. Электрооборудование станций и подстанций. М.: Энергия, 1975. – 704с.


Контрольні запитання

Що таке диференційний автомат? Для чого він призначений ?
Класифікація диференційних автоматів.
Принцип роботи диференційних автоматів.
Конструкція диференційного автомату.
Чутливість та селективність диференційних автоматів.
Принцип дії реле мінімальної напруги.
Призначення реле мінімальної напруги.
Схема підключення реле мінімальної.
Принцип дії автоматичних вимикачів.
Чутливість та селективність автоматів.
Основні параметри автоматів. Захисна характеристика.
Лабораторна робота №7
Дослідження роботи теплового реле

Мета роботи: вивчити будову теплового реле та зняти його ампер-секундну характеристику.

Порядок виконання роботи

Підключити схему лабораторного стенда до джерела живлення 220В, 50Гц
Проконтролювати, щоб ручка автотрансформатора АТ була встановлена в положення, що відповідає мінімальній напрузі на його виході.

Рисунок 7.1 – Схема лабораторного стенда


Регулятор на корпусі теплового реле РТ1 встановити в положення “–“
Включити автоматичні вимикачі SF1, SF2
Утримуючи кнопку “Установка” за допомогою ручки автотрансформатора АТ встановити по амперметру А2 необхідну величину струму в тепловому елементі РТ1.2.
Встановити стрілку секундоміру у нульове положення.
Короткочасно натиснути кнопку “Пуск”. Після цього схема включається в роботу, нагрівається елемент РТ1.1 теплового реле РТ1. Через деякий час теплове реле РТ1 спрацює і розімкне свій контакт РТ1.3. Вимикається магнітний пускач МП, який своїми контактами відключає тепловий елемент РТ1.1 і секундомір.
Записати в таблицю струм у цьому досліді і час, за який спрацювало теплове реле.
Після охолодження теплового реле поставити контакт РТ1.3 у замкнене положення.
Повторити досліди при інших значеннях струму.
Повторити досліди, встановивши регулятор на корпусі теплового реле: а) у положення “0”; б) у положення “+”.
Встановити ручку автотрансформатора АТ в положення, що відповідає мінімальній напрузі на його виході.
Вимкнути автомати SF1, SF2.
По експериментальним даним побудувати в одних координатних осях залежність часу спрацювання теплового від струму для трьох положень регулятора теплового реле: “–”, “0”, “+”.



Теоретичні відомості

Для захисту електроустаткування від перевантаження застосовують теплові реле.
В однофазних реле серії ТРП усередині біметалічного елемента реле, що має U-образну форму, розташований ніхромовий нагрівач.
Нагрівання термоелементів здійснюється комбінованим способом: струм проходить через нагрівач і частково через біметал.
Реле допускають регулювання струму уставки в межах (25%. Регулювання здійснюють за допомогою механізму уставки, що змінює натяг віток термоелемента.
Механізм має шкалу, на якій нанесено по п'ять поділок по обидва боки від нуля. Ціна поділки 5% для відкритого виконання і 5,5% - для захищеного.
При температурі навколишнього середовища нижче +30(С вноситься поправка в межах шкали реле: одна поділка шкали відповідає зміні температури на 10(С . При негативних температурах стабільність захисту порушується.
Ціна поділки шкали теплового реле, що відповідає струму захищаємого електродвигуна і навколишній температурі, вибирають наступним чином.
Визначається кількість поділок шкали уставок струму без температурної поправки:
13 EMBED Equation.3 1415,
де 13 EMBED Equation.3 1415 – номінальний струм електродвигуна; 13 EMBED Equation.3 1415 – струм нульової уставки реле; 13 EMBED Equation.3 1415– ціна поділки (0,05 – для відкритих пускачів і 0,055 – для захищених).
Вводиться поправка на температуру навколишнього середовища
13 EMBED Equation.3 1415
де 13 EMBED Equation.3 1415 – температура навколишнього середовища.
Поправка на температуру вводяться тільки при зниженні температури від номінальної (+40(С) на величину більш 10(С.
Результуюча розрахункова кількість поділок шкали:
13 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415
Якщо 13 EMBED Equation.3 1415 буде дробовим числом, його слід округлити до цілого в більшу або меншу сторону в залежності від характеру навантаження.

Самоповернення реле здійснюється пружиною після остигання біметалу або вручну (прискорене повернення) важелем із кнопкою.
Реле серії ТРН – двополюсні з температурною компенсацією. Кінематична схема реле серії ТРН приведена на рисунку 7.2. Термоелемент 2 нагрівається від нагрівального елемента 1. Компенсатор реле 4 виконаний з біметалу зі зворотним прогином по відношенню основного термоелемента.
Робота реле серії ТРН майже не залежить від навколишньої температури. Зміна струму уставки реле здійснюється зміною зазору між компенсатором 4 і засувкою 9.
Реле типу ТРН–10А дозволяють регулювати струм уставки в межах від –20 до +25%; реле типів ТРН–10, ТРН–25 – у межах від –25 до +30%. Реле даних типів мають тільки ручне повернення, яке здійснюється натисканням на кнопку через 1-2 хвилини після спрацьовування реле.


а) б)

а – до спрацьовування;
б – після спрацьовування;
1 – нагрівач; 2 – термобіметал; 3 – підтримувач;
4 – термобіметалевий компенсатор; 5 – ексцентрик;
6 – упор; 7 – траверса; 8 – пружина; 9 – засувка;
10 – контактний місток; 11 – нерухомі контакти;
12 – пружина траверси; 13 – пружина куліси.
Рисунок 7.2 – Кінематична схема теплового реле типу ТРН.

Відповідно до вимог ГОСТ, вбудовані в пускач теплові реле, через які протягом тривалого часу проходить номінальний струм, повинні спрацювати не більше чим через 20 хвилин після початку перевантаження на 20%.
Для настройки реле під навантаженням збирають схему, приведену на рисунку 7.4. Протягом 2 годин через контакти пускача і нагрівача теплових реле пропускають номінальний струм (котушка пускача знаходиться під номінальною напругою). Потім струм підвищують до 13 EMBED Equation.3 1415 і перевіряють час спрацьовування реле. Якщо через 20 хвилин, з моменту часу підвищення струму, реле не спрацює, то поступовим зниженням уставки знаходять таке положення, при якому реле буде спрацьовувати. Потім знижують струм до номінального, дають апарату охолонути і знову повторюють випробування при струмі 13 EMBED Equation.3 1415.
Захисні характеристики теплових реле різних серій приведені на рисунку 7.3.



1 – РТ; 2 – ТРН-10; 3 – ТРН-25; 4 – ТРН-40;
5 – ТРН-150; 6 – ТРП-600; 7 – ТРП-25;
8 – ТРН-10А; 9 – ТРП-60
Рисунок 7.3 – Захисні характеристики теплових реле різних серій

Якщо при першій перевірці реле спрацьовує занадто швидко (менше чим за 10 хвилин), струм варто знизити до номінального, збільшити уставку і після перевірки апарата повторити випробування.
Рисунок 7.4 – Схема випробування теплового реле

При налагодженні великої кількості теплових реле з однаковою уставкою рекомендується користуватися еталонними реле, попередньо настроєними описаним вище способом. Теплові реле декількох пускачів включають послідовно з еталонними реле; пускачі зі знятими кришками кожухів залишають у включеному положенні. По колу нагрівачів пропускають струм, близький до 13 EMBED Equation.3 1415, змінюючи уставку реле домагаються його спрацьовування одночасно з еталонними. Пускачі включають тільки для зручності визначення моменту спрацьовування реле.
Приєднуючи до випробувальної схеми нову партію апаратів, не слід очікувати, поки охолоне контрольний пускач. Досить попередньо прогріти всі апарати протягом 10-15 хвилин струмом, рівним 13 EMBED Equation.3 1415, а потім відключити струм на 10 хвилин.


Рекомендована література

Гессен В.Ю., Григорьев Ю.О. Електричні станції і підстанції. – К.: Вища школа, 1970 – 479с.
Чунихин А.А. Электрические аппараты. – М.: Энергия, 1967.


Контрольні запитання

Призначення теплового реле ?
Принцип дії теплового реле ?
Що треба врахувати при виборі теплового реле для вибраного по потужності двигуна ?
Чому теплові елементи реле повинні бути включені не менше ніж у дві фази двигуна ?



13 EMBED Equation.3 1415

ЗМІСТ


ВСТУП
3

1.
Лабораторна робота № 1 Вивчення конструкції та роботи запобіжників. Випробування плавких вставок
4

2.
Лабораторна робота №2 Вивчення апаратури контакторного управління
12

3.
Лабораторна робота №3 Вивчення конструкції та роботи повітряного вимикача навантаження
16

4.
Лабораторна робота №4 Конструкція та принцип дії вакуумного вимикача ВВВ-10
19

5.
Лабораторна робота №5 Принцип дії та конструкція вакуумного вимикача ВВ/TEL
24

6.
Лабораторна робота №6 Дослідження роботи захисних апаратів напругою 380/220В
33

7.
Лабораторна робота №7 Дослідження роботи теплового реле
45















13PAGE 15


13PAGE 141815





































(220В

Вхід

МП

Секундомір

ПВ2

К

МП

“Установка”

МП

К

МП

PT

“Стоп”

“Пуск”

V1

A1

AB1

XS1

SB2

SB1

ОТКЛ

ВКЛ

ВО

T1

ЭМ2

ЭМ1

БК2

БК1

TEL

ВВ/

ЭМ2

ЭМ1

БК2

БК1

БУ

-220

+220

БП

-220

+220

(220

(220

СТРУМОЗ’ЄМНИК

СТРУМОЗ’ЄМНИК

Електромагнітний привід

вакуумна дугогасильна камера
нерухомий контакт
рухомий контакт
гнучкий струмоз’ємник
тяговий ізолятор
рухома пружина
відключаюча пружина
верхня кришка
котушка
кільцевий магніт
якір
нижня кришка
гвинт
вал
постійний магніт
геркони

i – відключаємий струм
X – хід контактів
n – концентрація іонізованих парів металу
U – напруга на проміжку
UД – падіння напруги на дузі
UВ – відновлювальна напруга
t0 – момент подачі команди на відключення


Ресурс
комутацій

I, A

100000

10000

100000

10000

1000

1000

100

100

Конструктивне виконання

Кліматичне виконання та категорія розміщення

Номінальний струм, А

Номінальний струм відключення, кА

Номінальна напруга, кВ

Найменування серії

Вакуумний вимикач

ВВ/TEL–X–X/X–XX–X

(12В

Т1

АТ

ТТ

PT2

А

PT1

Кратність струму до номінального

Рисунок 4.2 – Електрична схема високовольтного вимикача ВВВ-10-2/320

























P

“Сеть”

~ 220 B

K1.1

*

Сек.

R1

X1.2

X1.1

“Уст.”

“Выкл.”

“Изм.”

HL1

П1

А







K1

T1

13 EMBED CorelDraw.Graphic.7 1415

4

3

2

1

5

6























Час спрацювання, с

МП

АТ

ТТ

PT2

А

PT1

SA1

(220В

МП

1

4

6

1

4

6

6

7

4

2

3

4

5

6

1



Root EntryEquation NativeEquation Native

Приложенные файлы

  • doc 18364320
    Размер файла: 2 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий