Классификация электрических аппаратов. Электродинамические усилия.

Лекция 1. Классификация электрических аппаратов. Электродинамические усилия. Электрический аппарат — это электротехническое устройство, которое используется для включения и отключения электрических цепей, контроля, измерения, защиты, управления и регулирования установок, предназначенных для передачи, преобразования, распределения и потребления электроэнергии. Классификация электрических аппаратов может быть проведена по ряду признаков: назначению (основной выполняемой функции), области применения, принципу действия, роду тока, исполнению защиты от воздействий окружающей среды, конструктивным особенностям и др. Основной является классификация по назначению, которая предусматривает разделение электрических аппаратов на следующие большие группы. 1. Коммутационные аппараты распределительных устройств, служащие для включения и отключения электрических цепей. К этой группе относятся рубильники, пакетные выключатели, выключатели нагрузки, выключатели высокого напряжения, разъединители, отделители, короткозамыкатели, автоматические выключатели, предохранители. Для аппаратов этой группы характерно относительно редкое их включение и отключение. Могут быть и случаи, когда такие аппараты довольно часто включаются и отключаются (например, выключатели высокого напряжения в цепях питания электрических печей). 2. Ограничивающие аппараты, предназначенные для ограничения токов короткого замыкания (реакторы) и перенапряжений (разрядники). Режимы короткого замыкания и перенапряжений являются аварийными, и эти аппараты редко подвергаются наибольшим нагрузкам. 3. Пускорегулирующие аппараты, предназначенные для пуска, регулирования частоты вращения, напряжения и тока электрических машин или каких-либо других потребителей электрической энергии. К этой группе относятся контроллеры, командоконтроллеры, Еюнтакторы, пускатели, резисторы н реостаты. Для аппаратов этой группы характерны частые включения и отключения, число которых достигает 3600 в час и более. 4. Аппараты для контроля заданных электрических или неэлектрических параметров. К этой группе относятся реле и датчики. Для реле характерно плавное изменение входной (контролируемой) величины, вызывающее скачкообразное изменение выходного сигнала. Выходной сигнал обычно воздействует на схему автоматики. В датчиках непрерывное изменение входной величины преобразуется в изменение какой-либо электрической величины, являющейся выходной. Это изменение выходной величины может быть как плавным (измерительные датчики), так и скачкообразным (реле-датчики). С помощью датчиков могут контролироваться как электрические, так и неэлектрические величины. 5. Аппараты для измерений. С помощью этих аппаратов цепи первичной коммутации (главного тока) изолируются от цепей измерительных и защитных приборов, а измеряемая величина приобретает стандартное значение, удобное для измерений. К ним относятся трансформаторы тока, напряжения, емкостные делители напряжения. 6. Электрические регуляторы. Предназначены для регулирования заданного параметра по определенному закону. В частности, такие аппараты служат для поддержания на неизменном уровне напряжения, тока, температуры, частоты вращения и других величин. В данном курсе электрические регуляторы не рассматриваются, так как принцип их действия и характеристики связаны с теорией автоматического регулирования, которая в настоящей книге не излагается. Общие требования к электрическим аппаратам следующие: 1. Аппараты, включенные в цепь последовательно (выключатели, автоматы, контакторы), обтекаются током этой цепи. При номинальном режиме температура токоведущих элементов аппарата не должна превосходить значений, рекомендуемых соответствующим стандартом. При коротком замыкании токоведущая цепь аппарата подвергается значительным термическим и динамическим нагрузкам, вызываемым большим током. Эти нагрузки не должны вызывать остаточных явлений, препятствующих дальнейшей нормальной работе аппарата. 2. Аппараты, которые по условиям работы могут включать и отключать токи короткого замыкания, должны иметь контакты, рассчитанные на этот режим работы. Аппараты, предназначенные для частого включения и отключения номинального тока нагрузки, должны иметь высокую механическую и электрическую износостойкость. 3. Изоляция электрических аппаратов должна быть рассчитана из условия возможных перенапряжений, которые имеют место при работе установки, с некоторым запасом, учитывающим ухудшение свойств изоляции в эксплуатации вследствие осаждения пыли, грязи и влаги. 4. К каждому аппарату предъявляется ряд специфических требований, обусловленных его назначением. Так, например, выключатель высокого напряжения должен отключать ток короткого замыкания за малое время (0,04—0,06 с). Трансформатор тока должен давать токовую и угловую погрешности, не превышающие определенного значения. Контактор должен иметь высокую механическую и электрическую износостойкость. 5. В связи с широкой автоматизацией производственных процессов, применением сложных схем автоматики увеличивается число аппаратов, участвующих в работе, повышаются требования к надежности аппаратов. 6. Все без исключения аппараты должны иметь возможно малую массу, стоимость, габариты. На их установку и обслуживание должно затрачиваться немного времени. Аппараты должны иметь конструкцию, позволяющую широко внедрять автоматизацию производственных процессов при их изготовлении. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ СИЛЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТАХ При коротком замыкании в сети через токоведущую часть аппарата могут проходить токи, в десятки раз превышающие номинальный. Эти токи, взаимодействуя с магнитным полем, создают электродинамические силы, которые стремятся деформировать как сами проводники, так и изоляторы, на которых они крепятся. Электродинамической стойкостью аппарата называется его способность противостоять силам, возникающим при прохождении токов короткого замыкания. Эта величина может выражаться либо непосредственно амплитудным значением тока iдин, при котором механические напряжения в деталях аппарата не выходят за пределы допустимых значений, либо кратностью этого тока относительно амплитуды номинального тока . Иногда динамическая стойкость оценивается действующим значением ударного тока за период после начала короткого замыкания. Методы расчета электродинамических усилий (ЭДУ) и направление их действия Для расчета ЭДУ используются два метода. В первом — сила рассматривается как результат взаимодействия проводника с током и магнитного поля. Если элементарный проводник dl, м с током i, А, находится в магнитном поле с индукцией В, Т, создаваемой другими проводниками (рис. 1-1), то сила dF, Н, действующая на этот элемент, равна: , где i — ток; β — угол между векторами элемента dl и индукции В, измеряемый углом поворота вектора dl до вектора В по кратчайшему расстоянию. За направление dl принимается направление тока в элементе. Направление индукции В, создаваемой другим проводником, определяется по правилу буравчика, а направление силы — по правилу левой руки. Для определения полной силы, действующей на проводник длиной l, необходимо просуммировать силы, действующие на все его элементы: (1) В случае любого расположения проводников в одной плоскости β = 90° и уравнение (1) упрощается: (2) Описанный метод рекомендуется применять тогда, Когда можно аналитически найти индукцию в любой точке проводника, для которого необходимо определить силу. Индукцию определяют, используя закон Био- Савара-Лапласа. Второй метод основан на использовании энергетического баланса системы проводников с током. Если пренебречь электростатической энергией системы и принять, что при деформации токоведущих контуров или при их перемещении под действием ЭДУ токи во всех контурах остаются неизменными, то силу можно найти по уравнению (3) где W—электромагнитная энергия; х—возможное перемещение в направлении действия силы. Таким образом, сила равна частной производной от электромагнитной энергии данной системы по координате, в направлении которой действует сила. При расчете ЭДУ, действующих при коротком замыкании величины токов в контурах можно считать неизменными. Электромагнитная энергия системы обусловлена как энергией магнитного поля каждого изолированного контура, так и энергией, определяемой магнитной связью между контурами, и для двух взаимосвязанных контуров равна: (4) где L1 и L2 – индуктивности контуров; i1 и i2 – токи, протекающие в них; M – взаимная индуктивность. Первые два члена уравнения определяют энергию независимых контуров, а третий член дает энергию, обусловленную их магнитной связью. Уравнение (4) дает возможность рассчитать как силы, действующие в изолированном контуре, так и силу взаимодействия контура со всеми остальными. Для определения сил внутри одного независимого контура пользуемся уравнением (5) При расчете силы взаимодействия контуров мы считаем,'что энергия изменяется только в результате изменения взаимного расположения контуров. При этом энергия, обусловленная собственной индуктивностью, считается неизменной. В данном случае сила взаимодействия между контурами равна: (6) Рис. 1-2. Направление э. д. у. при различном расположении проводников. Энергетический метод удобен, когда известна аналитическая зависимость индуктивности или взаимной индуктивности от геометрических размеров. Найдем направление силы, действующей на элемент dl1 с током i1 (рис. 1-1, б). Линия индукции В2, создаваемой током i2, является окружностью с радиусом r, лежащей в плоскости, перпендикулярной l2. Направление силы dF1 определяется по правилу левой руки и показано на рис. 1-1, б. Для плоской задачи, когда все проводники лежат в одной плоскости, результирующая суммарная индукция, действующая на проводник, всегда перпендикулярна к этой плоскости, а сила лежит в плоскости. Направления ЭДУ для некоторых случаев расположения проводников в одной плоскости показаны на рис. 1-2. В том случае, когда для определения ЭДУ пользуются энергетической формулой, направление силы находят из следующих соображений. Согласно (3) положительному направлению силы соответствует возрастание энергии системы . Таким образом, сила, действующая на токоведущие части, направлена так, чтобы электромагнитная энергия системы возрастала. Для кольцевого контура где Ψ — потокосцепление; Ф — поток; w — число витков в контуре. В этом случае ЭДУ действует по радиусу, растягивая контур, так как при этом индуктивность, потокосцепление и поток возрастают. В случае двух витков или катушек с разными направлениями токов сила F направлена так, чтобы отбросить витки друг от друга, так как потокосцепление увеличивается с ростом расстояния h. Минимальное потокосцепление будет иметь место при h = 0. Если токи текут в одинаковом направлении, то витки притягиваются. Контрольные вопросы 1. Дайте определение электрических аппаратов. 2. По каким признакам классифицируют электрические аппараты? 3. Какие категории электрических аппаратов по назначению существуют? Для чего они предназначены? 4. Какие требования предъявляются к электрическим аппаратам? 5. Какие силы действуют на проводники с током в магнитом поле? Как они рассчитываются? 6. Какое усилие испытывает обмотка электрического аппарата? 7. В каком направлении действуют силы на параллельные проводники, если ток по ним протекает в одном направлении? Если встречно?