Исследование высоковольтных электрических аппаратов
Покупка
Тематика:
Электроэнергетика. Электротехника
Издательство:
Издательство Уральского университета
Авторы:
Лузгин Владислав Игоревич, Лопатин Иван Евгеньевич, Рудный Виктор Владимирович, Яковенко Светлана Равилевна
Год издания: 2020
Кол-во страниц: 92
Дополнительно
Вид издания:
Учебно-методическая литература
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-7996-3094-2
Артикул: 800630.01.99
Доступ онлайн
В корзину
В пособии кратко изложены теоретические основы электрофизических процессов в исследуемых электрических аппаратах. Даны описания лабораторных установок. Поставлены задачи экспериментальных исследований. Сформулированы требования к оформлению результатов исследований и отчетов. Учебно-методическое пособие рекомендуется студентам всех форм обучения по направлению подготовки 13.04.02 — Электроэнергетика и электротехника, изучающих дисциплину «Современные высоковольтные электрические аппараты в электроэнергетике».
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Учебно-методическое пособие Рекомендовано методическим советом Уральского федерального университета для студентов вуза, обучающихся по направлению подготовки 13.04.02 — Электроэнергетика и электротехника Екатеринбург Издательство Уральского университета 2020
УДК 621.316.5(075.8) ББК 31.24-01я73 И88 Авторы: В. И. Лузгин, И. Е. Лопатин, В. В. Рудный, С. Р. Яковенко Рецензенты: кафедра энергетики Уральского государственного лесотехнического университета ( завкафедрой д-р техн. наук, проф. С. М. Шанчуров); канд. техн. наук, директор научно-технического центра НПП ООО «РЭЛ- ТЕК» С. М. Фаткуллин Научный редактор — д-р техн. наук, доц. И. В. Черных На обложке использовано изображение с сайта https://goo-gl.ru/6xOH. И88 Исследование высоковольтных электрических аппаратов : учеб.-метод. пособие / В. И. Лузгин, И. Е. Лопатин, В. В. Рудный, С. Р. Яковенко ; Мин- во науки и высшего образования РФ. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2020. — 92 с. ISBN 978-5-7996-3094-2 В пособии кратко изложены теоретические основы электрофизических процессов в исследуемых электрических аппаратах. Даны описания лабораторных установок. Поставлены задачи экспериментальных исследований. Сформулированы требования к оформлению результатов исследований и отчетов. Учебно-методическое пособие рекомендуется студентам всех форм обучения по направлению подготовки 13.04.02 — Электроэнергетика и электротехника, изучающих дисциплину «Современные высоковольтные электрические аппараты в электроэнергетике». Библиогр.: 7 назв. Рис. 43. УДК 621.316.5(075.8) ББК 31.24-01я73 ISBN 978-5-7996-3094-2 © Уральский федеральный университет, 2020
Оглавление ПРЕДИСЛОВИЕ .............................................................................................4 ВВЕДЕНИЕ ......................................................................................................6 Глава 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ .............................8 1.1. Тепловые процессы в электрических аппаратах ......................................9 1.2. Электродинамические усилия в электрических аппаратах ...................17 1.3. Контактные системы электрических аппаратов ....................................21 1.4. Дуга отключения в электрических аппаратах ........................................23 Контрольные вопросы ...................................................................................26 Глава 2. ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ .........................28 2.1. Вакуумные выключатели ........................................................................29 2.2. Элегазовые выключатели ........................................................................36 2.3. Измерительные трансформаторы тока ...................................................47 2.4. Комплектные распределительные устройства .......................................56 2.5. Механизмы высоковольтных выключателей .........................................63 Контрольные вопросы ...................................................................................66 Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ .............................68 3.1. Исследование характеристик теплового нагрева токоведущей системы высоковольтного коммутационного аппарата ........................68 Контрольные вопросы ...................................................................................71 3.2. Исследование характеристик механизмов коммутационных аппаратов .................................................................................................72 Контрольные вопросы ...................................................................................76 3.3. Исследование характеристик генераторного элегазового высоковольтного аппарата .....................................................................77 Контрольные вопросы ...................................................................................80 3.4. Исследование характеристик теплового нагрева токоведущих систем сильноточных комплектных распределительных устройств .................................................................................................80 Контрольные вопросы ...................................................................................85 3.5. Исследование характеристик высоковольтного трансформатора тока ..............................................................................85 Контрольные вопросы ...................................................................................89 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.........................................................90
ПРЕДИСЛОВИЕ Д анное учебно-методическое пособие предназначено для студентов- магистрантов, изучающих дисциплину «Современные высоковольтные электрические аппараты в электроэнергетике». В пособии приведены сведения об основах теории электрических аппаратов, их конструкциях, а также о способах и методиках исследования основных характеристик электрических аппаратов и измерения их параметров. Теория и описание устройства аппаратов даны в довольно сжатом виде, поэтому для полного освоения этих знаний необходимо прослушать курс лекций по соответствующей дисциплине. Для самостоятельной же проработки теоретических вопросов и самоподготовки в конце книги приведен список основой литературы. Пособие структурно разделено на три главы. Первая глава содержит описание основных физических процессов и явлений, которые положены в основу принципов действия электрических аппаратов. В конце главы есть список контрольных вопросов для проверки усвоенных знаний. Вторая глава содержит описания устройств и принципов действия современного коммутационного высоковольтного оборудования, трансформаторов тока, комплектных распределительных устройств и общие сведения об устройстве приводных механизмов высоковольтных аппаратов. В главе также есть список контрольных вопросов для проверки усвоенных знаний и закрепления изученного материала. Третья глава содержит практические алгоритмы и методики исследования параметров и характеристик электрических аппаратов и является основой для лабораторного практикума студентов по дисциплине «Современные высоковольтные электрические аппараты в электро- энергетике» кафедры «Техника высоких напряжений» Уральского энергетического института в составе УрФУ. В отличие от первых двух глав, которые содержат общие знания, полезные для всех изучающих
Предисловие высоковольтные электрические аппараты, третья глава описывает кон- кретную реализацию методик для исследования электрических аппа- ратов. Описания алгоритмов, методик, используемых инструментов и приборов, исследуемого оборудования даются с учетом текущего тех- нического оснащения кафедры «Техника высоких напряжений». Ла- бораторные стенды, реализующие описанные алгоритмы исследова- ний, расположены в помещениях кафедры. В главе также приведены контрольные вопросы, проработка которых поможет выполнить ла- бораторные исследования и защитить по ним результирующие отче- ты в рамках освоения соответствующей дисциплины.
ВВЕДЕНИЕ Р азвитие современной российской энергетики невозможно без широкого использования эффективных высоковольтных элек- трических аппаратов. Перспективы развития коммутационной аппаратуры высокого напряжения связаны с поиском новых высоко- эффективных технических решений и замены находящихся в эксплу- атации устаревших, экономически невыгодных электрических аппа- ратов. Современные требования к электрическим аппаратам таковы: повышение надежности, снижение массогабаритных показателей, эко- логическая чистота, экономичность. Решение этих задач достигается созданием электрических аппаратов с управляемой коммутацией, по- иском альтернативных способов коммутации и новых электрических сред для изоляции и дугогашения, разработкой комбинированных электрических аппаратов, совмещающих функции различных видов аппаратов. Разработка, производство и широкое внедрение элегазо- вых и вакуумных аппаратов позволяет значительно повысить надеж- ность и экономичность их эксплуатации в энергосистемах. Элегазовые автокомпрессионные дугогасительные устройства с ав- тогенерацией давления элегаза энергией дуги позволяют значительно повысить отключающую способность выключателя и увеличить на- пряжение на один разрыв до 360–550 кВ. При этом конструкция эле- газового выключателя значительно упрощается и становится возмож- ным применение экономичных пружинных приводов. Использование одноразрывных элегазовых выключателей в ком- плектных распределительных устройствах дает существенное сниже- ние габаритных размеров и материалоемкости, что позволяет создать КРУЭ нового поколения с уменьшенными размерами и размещени- ем трех фаз в одном корпусе. Прогресс в технологии изготовления вакуумных дугогасительных камер позволяет увеличить токи отключения до 40 кА и напряжения
Введение до 145 кВ и создавать на их основе вакуумные выключатели высших классов напряжения. Ужесточение экологических требований вызывает необходимость создания комплектных распредустройств с вакуумными выключате- лями на напряжение свыше 35 кВ взамен элегазовых. Доля вакуумных выключателей и КРУ на их основе будет расти опережающими темпа- ми в классах напряжения до 220 кВ. Перспективным направлением развития коммутационной аппара- туры является разработка комбинированных аппаратов, применение которых позволяет отказаться от использования традиционных разъе- динителей. К таким аппаратам относятся выключатели-разъедините- ли. Контакты такого выключателя расположены внутри заполненно- го элегазом дугогасительного устройства и в отключенном положении выполняют функцию разъединителя. Безопасность работы персона- ла такой аппарат обеспечивает надежной системой блокировки в со- четании с встроенным выключателем и четкой фиксацией положе- ния контактов. Современная электроэнергетика в условиях либерализации рынка требует повышения точности расчетов потребляемой энергии, что вы- зывает необходимость разработки серии новых высоковольтных изме- рительных трансформаторов тока и напряжения с элегазовой изоля- цией. Создание таких трансформаторов позволит повысить точность в широком диапазоне измерений и обеспечит высокую надежность их работы при минимальных затратах на обслуживание. Создание высоковольтного оборудования нового поколения невоз- можно без проведения глубокой исследовательской работы при про- ектировании. Исследовать необходимо основные процессы и явления, сопровождающие работу высоковольтных аппаратов, а также эксплу- атационную надежность создаваемых конструкций.
Глава 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ К аждый электрический аппарат в своей конструкции содержит определенный набор систем и элементов. Наиболее распро- страненные из них перечислены ниже. Токоведущая система (ТВС) предназначена для проведения тока че- рез электрический аппарат и конструктивно может содержать в себе участки и элементы из разных материалов разной геометрической фор- мы, сечения и конструктивного исполнения. Поскольку все эти участ- ки ТВС необходимо стыковать между собой, то особое внимание тре- буется уделять зонам контактных переходов между ними. Электрические контакты входят в состав ТВС, но, помимо функции пропускания тока через себя, могут обеспечивать и функцию комму- тации (если это коммутирующие контакты). Из-за особенностей фи- зических процессов, протекающих в них при прохождении тока, кон- такты по сравнению с ТВС требуют отдельного подхода. Дугогасительная система (ДС) предназначена для ускорения пога- сания дуги и уменьшения межконтактного промежутка. Это влияет на общие габариты электрического коммутационного аппарата. Изоляционные конструкции служат для изолирования различных участков ТВС и других проводниковых элементов аппарата, находя- щихся под напряжением, друг от друга и от земли. Привод предназначен для управления процессом коммутации кон- тактов в коммутационных электрических аппаратах. Вторичные цепи предназначены для управления аппаратом и мони- торинга его состояния. Через эти же цепи аппарат связан с внешними системами измерения, контроля, диспетчеризации и т. п.
1.1. Тепловые процессы в электрических аппаратах 1.1. Тепловые процессы в электрических аппаратах Общий для всех аппаратов признак — наличие токоведущих эле- ментов, которые в зависимости от величины их сопротивления и тока нагреваются до определенных температур, обусловленных режимами работы аппаратов и условиями их охлаждения. 1.1.1. Нагрев элементов электрических аппаратов Максимальные температуры нагрева ТВС в аппарате определяют допустимую величину номинального тока аппарата. Это, в свою оче- редь, ставит перед задачей теплового расчета следующие цели: 1) достижение минимальных потерь энергии в аппарате при мини- мальных затратах проводникового материала; 2) создание наиболее благоприятных и эффективных условий для естественного теплоотвода. Использование средств и конструктивных решений для искусствен- ного и принудительного охлаждения следует применять при отсут- ствии других способов для необходимого естественного теплоотвода. Искусственный теплоотвод следует считать мерой, понижающей эф- фективность и надежность аппарата в целом. При выделении внутри аппарата теплоты и рассеивании ее в окру- жающем пространстве возможны несколько видов нагрева. Наиболее важные виды нагрева для аппаратов следующие: 1. Нестационарный нагрев. Выделяющаяся энергия расходуется на нагрев собственно аппарата и на теплообмен с окружающей сре- дой. В общем виде этот нагрев может быть описан уравнением W W W тп вн то = + D , где Wтп — энергия тепловых потерь, DWвн — изменение внутренней энергии, Wто — энергия теплоотдачи в окружающую среду. 2. Стационарный нагрев. Выделяющаяся энергия полностью рас- ходуется на теплообмен с окружающей средой. Изменение внутрен- ней энергии аппарата отсутствует. W W W тп то вн = = , . D 0
Глава 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ 3. Адиабатный нагрев. Выделяющаяся тепловая энергия полно- стью расходуется на нагрев аппарата, теплообмен с окружающей сре- дой отсутствует. Такой вид нагрева характерен для режима тока ко- роткого замыкания. W W W тп вн то = = D , . 0 О нагреве резонно рассуждать в терминах температуры, а не энер- гии. В теории об электрических аппаратах температуру в градусах Цель- сия обозначают греческой буквой «тета» — J. Тогда температура окру- жающей среды — J0 (или Jос). По ГОСТ эта температура принимается равной 40 °C. Иногда удобнее говорить о превышении температуры над темпера- турой окружающей среды, такое превышение называют перегревом и в теории аппаратов обозначают буквой «тау» — t. Тогда t = J – J0. К основным ограничительным факторам, которые влияют на ве- личину допустимой температуры нагрева, можно отнести следующие: 1. Нагревостойкость изоляционных материалов. Токоведущие и нетоковедущие элементы аппарата, которые подвергаются нагреву и соприкасаются с изоляцией, не должны приводить к превышению температуры выше допустимой по классу нагревостойкости для дан- ного изоляционного материала. 2. Механические свойства проводниковых и прочих конструкци- онных материалов, зависящие от температуры. Например, при мед- ленном нагреве (в течение 2 часов) проволок из твердотянутой меди и алюминия их предел прочности на растяжение падает в несколько раз в диапазоне от 150 до 300 °C. 3. Окисление контактов. Для большинства контактных материалов повышенная температура нагрева приводит к быстрому образованию оксидной пленки, которая обладает сниженной проводимостью, что приводит к повышению сопротивления контактов. Это, в свою оче- редь, вызывает еще больший их нагрев, происходит прогрессирующее повышение температуры контактных деталей. 4. Температура вспышки паров трансформаторного масла в сред- нем составляет 135 °C. 5. Правила техники безопасности. У персонала, работающего с элек- трическим оборудованием, при случайном и кратковременном при- косновении к открытым нагретым частям не должно быть ожогов.
1.1. Тепловые процессы в электрических аппаратах С учетом того, что элементы ТВС, корпуса, контактов и изоляции аппаратов изготавливаются из разных материалов, и того, что эти эле- менты работают в разных средах и режимах нагрева, допустимый ди- апазон рабочих температур для большинства материалов, элементов и условий составляет 90÷120 °C. 1.1.2. Основные источники тепла в электрических аппаратах Джоулево тепло. Выделение тепла в проводниках при прохождении по ним тока описывается известным законом Джоуля — Ленца: W I R dt t тп э = т 2 0 , где I — ток в цепи, А; R f t э = ( ) — сопротивление цепи в функции вре- мени, Ом; t — длительность протекания тока, с. Формулу можно применять как при постоянном, так и при пере- менном токах, если под током в цепи подразумевать действующее зна- чение тока. В случае однородного проводника при его постоянной температу- ре и неизменной величине тока (амплитуды тока) в нем формула по- терь получает вид W I R t тп э = 2 , на постоянном токе: R S э э с = r , где rэ — удельное электрическое сопротивление проводника, Ом·м; — длина проводника, м; Sс — площадь поперечного сечения прово- дника, м 2; на переменном токе: R R k э.перем э дп = Ч , где k k k дп пэ эб = Ч — коэффициент добавочных потерь, определяемый произведением коэффициентов поверхностного эффекта kпэ и эффек- та близости kэб.
Доступ онлайн
В корзину