Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Электроснабжение» ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ Рабочая программа, методические указания и контрольное задание для студентов заочной формы обучения М и н с к 2 0 0 9 Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Электроснабжение» ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ Рабочая программа, методические указания и контрольное задание для студентов заочной формы обучения специальностей 1-43 01 03 «Электроснабжение» и 1-53 01 05 «Автоматизированные электроприводы» М и н с к 2 0 0 9 УДК 621.31(075.8) ББК 31.264я7 Э 45 С о с т а в и т е л и: JI.B. Прокопенко, В.Н. Сацукевич Р е ц е н з е н т ы: В.Л. Булат, М.И. Фурсанов Данное издание включает рабочую программу дисциплины «Электрические аппараты» и задания к выполнению контроль- ной работы студентами заочной формы обучения специально- стей 1-43 01 03 «Электроснабжение» и 1-53 01 05 «Автомати- зированные электроприводы». Для облегчения самостоятельного изучения дисциплины по каждому ее разделу сформулированы вопросы для самопро- верки знаний студентов, приведена рекомендуемая литерату- ра, в приложениях содержатся справочные материалы, необ- ходимые для решения задач.  БНТУ, 2009 3 РАБОЧАЯ ПРОГРАММА И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО РАЗДЕЛАМ Введение Цели и задачи дисциплины. Назначение электрических ап- паратов. Общие требования, предъявляемые к ним. Условные графические обозначения аппаратов и их элементов. Литература: [1, с. 5–30]. Методические указания Во введении следует изучить цели и задачи дисциплины, усвоить основные понятия, определения и термины. Изучить условные обозначения электрических аппаратов и их элемен- тов, основные требования к электрическим аппаратам. Вопросы для самопроверки 1. Что называется электрическим аппаратом? 2. Какие общие требования предъявляются к электрическим аппаратам? 3. Как обозначаются электрические аппараты и их элемен- ты в электрических схемах? Основы теории электрических аппаратов Классификация электрических аппаратов. Электродинами- ческие силы в электрических аппаратах. Силы, действующие на элементы токоведущей цепи. Динамическая стойкость ап- паратов. Нагрев электрических аппаратов в нормальном ре- жиме и при коротком замыкании, термическая стойкость. Электрические контакты: переходное сопротивление контак- тов, зависимость этого сопротивления от различных факторов, работа коммутирующих контактов при включении, в замкну- 4 том состоянии, при отключении. Расчет и выбор контактного нажатия; материалы контактов. Конструкции контактов. Электрическая дуга. Свойства электрической дуги. Условия гашения дуги постоянного и переменного тока. Конструкции дугогасительных устройств низкого и высокого напряжения. Бездуговые отключения электрических цепей. Инновацион- ные технологии в разработке электрических аппаратов. Элек- тромагнитные механизмы. Магнитные цепи электрических аппаратов постоянного и переменного тока. Простейший рас- чет потока в рабочем зазоре электромагнита. Сила тяги элек- тромагнитов постоянного и переменного тока. Влияние маг- нитного сопротивления стали на силу тяги электромагнита. Устранение вибрации якоря электромагнита переменного то- ка. Расчет обмоток электромагнитов. Согласование тяговых ха- рактеристик электромагнита с механической нагрузкой. Время срабатывания и отпускания электромагнитов. Ускорение и за- медление времени срабатывания и отпускания электромагнитов. Литература: [1, с. 5–10, 31–245]. Методические указания Электрические аппараты можно классифицировать по ряду признаков: назначению, области применения, принципу дей- ствия, роду тока и др. Основной является классификация по назначению, которая предусматривает разделение электриче- ских аппаратов на ряд больших групп, например: коммутаци- онные, ограничивающие, пускорегулирующие и др. При проектировании и разработке электрических аппаратов в первую очередь необходимо учитывать электродинамиче- ские усилия, возникающие в них в процессе работы. Следует изучить методы расчета электродинамических уси- лий, усилия, возникающие между параллельными проводника- ми, усилия в витке, катушке и между витками, усилия в месте изменения сечения проводника, а также электродинамические 5 усилия при переменном однофазном и трехфазном токах и усвоить понятие электродинамической стойкости аппаратов. При работе электрических аппаратов все элементы их под- вергаются тепловому воздействию. Нагрев токоведущих частей и изоляции аппаратов существенно определяет надежность ра- боты. При повышении температуры сокращается срок службы изоляции и уменьшается механическая прочность проводников. Необходимо изучить причины нагрева электрических аппа- ратов при постоянном и переменном токе, способы передачи тепла внутри нагретых тел и с их поверхности. Особое внима- ние уделить изучению установившегося режима нагрева, крат- ковременного и повторно-кратковременного, а также при ко- ротком замыкании. Определение электрического контакта. Режимы работы кон- тактов (включение, включенное состояние, отключение), ма- териалы, конструкции, расчет контактов. Ряд коммутационных аппаратов связан с возникновением, протеканием и гашением электрической дуги между контакта- ми. Этому явлению в теории электрических аппаратов уделяет- ся большое внимание. Следует изучить причины появления и свойства электрической дуги при постоянном и переменном токах. Особенности отключения дуги при разных видах нагруз- ки, условия гашения дуги, способы гашения. Конструкции ду- гогасительных устройств низкого и высокого напряжения. Без- дуговые отключения электрических цепей. Важным конструк- тивным элементом многих электрических аппаратов являются электромагниты постоянного и переменного тока. На основе теории магнитных цепей следует изучить методику расчета обмоток электромагнитов постоянного и переменного тока, си- лу тяги и согласование тяговых характеристик с механической нагрузкой, способы устранения вибрации якоря электромагни- та переменного тока, динамику работы и время срабатывания и отпускания электромагнитов, ускорение и замедление времени срабатывания и отпускания электромагнитов. 6 Вопросы для самопроверки 1. Какие существуют методы расчета электродинамических усилий? 2. Как определить электродинамические усилия между па- раллельными проводниками? 3. Как определить электродинамические усилия и момен- ты, действующие на взаимно перпендикулярные проводники? 4. Как рассчитываются усилия в витке, катушке и между катушками? 5. Как рассчитываются электродинамические усилия в мес- те изменения сечения проводника? 6. Что такое электродинамическая стойкость аппаратов? 7. Как определяются электродинамические усилия при од- нофазном переменном токе, трехфазном токе при отсутствии и наличии апериодической составляющей тока? 8. Что такое поверхностный эффект? Как он влияет на ве- личину сопротивления проводника на переменном токе? 9. Что такое эффект близости? Как он влияет на величину сопротивления проводника на переменном токе? 10. Способы передачи тепла внутри нагретых тел и с их по- верхности. 11. Что такое установившийся процесс нагрева? 12. Как происходит нагрев аппаратов в переходных режимах? 13. В чем особенность нагрева аппаратов при коротких за- мыканиях? 14. Пояснить понятие «термическая стойкость» аппарата. 15. Что называется электрическим контактом? Опишите ос- новные конструкции контактов, материалы контактов. 16. Поясните режимы работы контактов при включении, во включенном состоянии, при отключении цепи. 17. Что такое переходное сопротивление контакта, как оно зависит от величины протекающего тока? 18. Каковы меры борьбы с эрозией и коррозией контактов? 7 19. Причины появления электрической дуги в аппаратах. 20. Пояснить статическую вольтамперную и динамическую характеристики дуги постоянного тока. 21. Пояснить условие стабильного горения и гашения дуги постоянного и переменного тока. 22. Каковы причины возникновения перенапряжения при отключении дуги постоянного тока? 23. Как происходит процесс восстановления напряжения на дуговом промежутке при отключении активной нагрузки, ин- дуктивной нагрузки? 24. Какие факторы влияют на скорость восстановления напряжения на дуговом промежутке в цепи переменного тока? 25. Опишите основные способы гашения дуги в электриче- ских аппаратах. 26. Как осуществляется бездуговая коммутация электриче- ских цепей? 27. Пояснить законы Кирхгофа для магнитной цепи элек- тромагнита. 28. Пояснить методику расчета магнитной цепи электромаг- нитов постоянного тока, переменного тока. 29. Чем отличается назначение короткозамкнутого витка в электромагнитных механизмах постоянного и переменного тока? 30. Как производится расчет обмотки электромагнита по- стоянного тока, переменного тока? 31. Как рассчитывается сила тяги электромагнитов посто- янного и переменного тока? 32. Как зависит сила тяги электромагнитов постоянного и переменного тока от величины воздушного зазора? 33. Пояснить динамику работы электромагнитов и время сра- батывания (время трогания, время движения якоря, время от- пускания, ускорение и замедление срабатывания и отпускания). 8 Коммутационные аппараты низкого напряжения, реле напряжения, тока и времени, позисторная защита двигателей, автоматические воздушные выключатели (автоматы) Контакторы и магнитные пускатели: конструкция контак- торов постоянного и переменного тока; основные параметры и режимы работы контакторов. Магнитные пускатели: устрой- ство, схема включения, тепловая защита. Выбор контакторов и магнитных пускателей. Реле напряжения, тока и времени. Основные параметры ре- ле и требования, предъявляемые к ним. Электромагнитные ре- ле тока и напряжения. Коэффициент возврата реле. Конструк- ция электромагнитных реле тока и напряжения. Электромаг- нитные реле на герконах. Тепловые реле: принцип действия. Времятоковые характеристики, выбор реле. Позисторная защита двигателей. Поляризованные реле. Прин- цип действия, основные соотношения. Преимущества поляри- зованных реле. Реле времени с механическим и электромаг- нитным замедлением. Устройство, регулировка и области при- менения реле. Автоматические воздушные выключатели (автоматы): назна- чение, требования, предъявляемые к автоматам, принцип дей- ствия. Предохранители. Основные параметры и требования, предъявляемые к предохранителям. Работа предохранителей при номинальном токе и коротком замыкании. Конструкция предо- хранителей. Защита полупроводниковых приборов автоматики предохранителями. Выбор автоматов и предохранителей. Литература: [1, с. 308–403, 504–552]. Методические указания Контакторы и магнитные пускатели нашли самое широкое применение в схемах электроснабжения. 9 Контакторы – это электрические аппараты дистанционного действия, предназначенные для частых включений и отклю- чений силовых электрических цепей при нормальных режи- мах работы. Выпускаются контакторы для коммутации цепей переменного и постоянного тока. Наибольшее применение наш- ли контакторы с электромагнитным приводом, когда контакт- ная система приводится в действие при помощи электромаг- нита, реже применяются контакторы с пневматическим и гид- равлическим приводами. При изучении контакторов постоянного и переменного то- ка необходимо изучить их устройство: контактные, дугогаси- тельные и электромагнитные системы, методику выбора для практического применения, основные серии выпускаемых кон- такторов и их технические характеристики. Магнитные пускатели предназначены для пуска и отклю- чения короткозамкнутых асинхронных двигателей. Кроме кон- тактора в пускатель встроено, как правило, тепловое реле, ко- торое служит для защиты двигателя от токов перегрузки. При изучении магнитных пускателей следует обратить внимание не только на их конструкцию и устройство, а также и на схе- мы их включения (нереверсивная и реверсивная). В схемах автоматики, управления, защиты широко приме- няются различные типы реле: тока, напряжения, мощности, частоты, времени, тепловые и др. Реле представляет собой электрический аппарат, в котором при изменении входного параметра до определенной заданной величины происходит скачкообразное изменение выходного параметра. Реле может реагировать не только на входной параметр, но и на разность значений входного параметра, на изменение знака или скоро- сти изменения входного параметра. К основным характери- стикам реле относятся: параметр срабатывания (например, значение тока, напряжения, при котором срабатывает реле), параметр отпускания (значение входного параметра, при ко- тором происходит скачкообразное отпускание реле). Значения 10 параметров срабатывания или отпускания, на которые отрегу- лировано реле, называются уставкой по входному параметру. Время с момента подачи команды на срабатывание до момен- та начала возрастания выходного параметра называется вре- менем срабатывания. Значение отношения величины параметра отпускания к ве- личине параметра срабатывания называется коэффициентом возврата. Время с момента подачи команды на отключение до дости- жения минимального значения выходного параметра называ- ется временем отключения. Важным параметром для ряда реле является коэффициент усиления, определяемый как отношение максимальной мощ- ности нагрузки в управляемой цепи к минимальной мощности входного сигнала срабатывания реле. При выборе реле учитываются требования по селективно- сти, быстродействию, чувствительности и надежности. В схемах электроснабжения применяются электромагнит- ные реле серий РТ и РН. Система контактов этих реле приво- дится в действие с помощью электромагнитов постоянного и переменного тока. Противодействующие усилия в таких реле создаются возвратной и контактными пружинами. Тепловые реле предназначены для защиты оборудования от токов перегрузки. Реле имеют биметаллический элемент, со- стоящий из двух пластин с различным коэффициентом линей- ного расширения. Широкое распространение в тепловых реле получили такие материалы, как инвар (с малым значением ко- эффициента линейного расширения) и хромоникелевая сталь (с большим значением коэффициента линейного расширения). При нагревании биметаллическая пластина изгибается и воз- действует на контакты реле. Биметаллическая пластина долж- на при токе перегрузки двигателя достигнуть температуры срабатывания за такое время, в течение которого двигатель мо- жет выдержать данную нагрузку. Поэтому, одной из основных 11 характеристик теплового реле является времятоковая характе- ристика, выражающая зависимость времени срабатывания ре- ле от тока, протекающего через него. В настоящее время для защиты электродвигателей приме- няются позисторы, устанавливаемые на лобовой части обмо- ток двигателей. Позисторы являются нелинейными резисто- рами. При достижении определенной температуры сопротив- ление позистора скачкообразно увеличивается на несколько порядков. Это свойство позистора позволяет с помощью спе- циальных полупроводниковых схем сформировать управля- ющий сигнал на размыкание цепи электромагнита пускателя, после чего обмотка статора отключается от сети. Широкое применение в устройствах электросиловой авто- матики, релейной защиты, в системах телеуправления полу- чили поляризованные реле. В них действуют два магнитных потока, один из которых создается катушкой электромагнита, другой – установленным в цепи постоянным магнитом. Благодаря поляризующему потоку направление электромаг- нитного усилия на якорь изменяется в зависимости от тока в катушке. По сравнению с обычными реле поляризованные элек- тромагнитные реле имеют ряд преимуществ:  реле могут управляться кратковременными импульсами тока;  замкнутое состояние контактов может сохраняться после окончания действия управляющего импульса, что позволяет использовать реле как элемент памяти;  высокая чувствительность и высокий коэффициент уси- ления по мощности;  возможность осуществления однопозиционной, нейтраль- ной и двухпозиционной настроек. В схемах релейной защиты, различной автоматики широко применяются реле времени, создающие выдержку времени при действии различных аппаратов и устройств. Для этой цели при- меняются реле с электромагнитным замедлением (демпфером) 12 и механическим. В качестве механического замедляющего устройства чаще всего применяется часовой (анкерный) меха- низм. Автоматические воздушные выключатели (автоматы) служат для автоматического отключения цепи при перегрузках обору- дования, коротких замыканиях в цепи, редких оперативных пе- реключениях при нормальных режимах работы, при снижении напряжения питания и т.п. В соответствии с назначением авто- матов к ним предъявляются следующие требования:  токоведущая цепь автомата должна пропускать номиналь- ный ток в течение длительного времени и кратковременно выдерживать большие токи короткого замыкания (КЗ);  автомат должен обеспечивать многократное отключение предельных токов короткого замыкания;  автомат должен иметь малое время отключения для обес- печения электродинамической и термической стойкости энер- гоустановок;  элементы защиты автомата должны обеспечивать селек- тивность срабатывания. К основным узлам автомата относятся: токоведущая цепь, дугогасительная система, привод, механизм свободного рас- цепления, расцепители. Автоматы выбираются по номинальному значению напря- жения сети, длительному току нагрузки и кратковременному максимальному току. Предохранители предназначены для защиты оборудования электрических цепей от токов КЗ и перегрузок. Основными элементами являются: корпус, контактное присоединительное устройство, плавкая вставка и дугогасительное устройство. Важнейшей характеристикой предохранителя является зави- симость времени перегорания плавкой вставки от тока – вре- мятоковая характеристика. К предохранителям предъявляются следующие требования:  времятоковая характеристика должна проходить ниже, но 13 вблизи времятоковой характеристики защищаемого объекта;  время срабатывания предохранителя при КЗ должно быть минимальным, особенно при защите полупроводниковых при- боров;  должна обеспечиваться селективность защиты в цепях с несколькими предохранителями;  конструкция предохранителей должна обеспечивать воз- можность безопасной и быстрой замены плавкой вставки. Предохранители выбираются по номинальному току плав- кой вставки, который должен быть больше или равен номи- нальному току электроприемника, и больше или равен крат- ковременным предусмотренным увеличениям тока в цепи, например, во время пуска двигателя. Вопросы для самоконтроля 1. Для чего применяются контакторы? Какие требования предъявляются к ним? 2. Пояснить принцип действия контакторов постоянного и переменного тока. 3. Какие дугогасительные устройства применяются в кон- такторах постоянного и переменного тока? 4. Каково назначение короткозамкнутого витка в контак- торах переменного тока? 5. Пояснить зависимость тока в катушке от воздушного за- зора в контакторах постоянного и переменного тока. 6. Как выбираются контакторы? 7. Для каких целей служит тепловое реле в магнитных пускателях? 8. Опишите конструкции тепловых реле и принцип их ра- боты. 9. Как устроен магнитный пускатель серии ПМЛ? 10. Описать схемы включения нереверсивного и реверсив- ного пускателя. 11. Каково назначение электрической и механической бло- 14 кировок в магнитном пускателе? 12. Описать схему включения тиристорного пускателя. 13. Пояснить назначение реле и основные их характеристики. 14. Каков принцип действия электромагнитных реле тока и напряжения? 15. Описать конструкции электромагнитных реле, привести их основные параметры, характеристики. 16. Пояснить принцип действия поляризованных реле, их параметры и характеристики. 17. Каково назначение и устройство реле времени (с электро- магнитным, механическим и пневматическим замедлением)? 18. Как осуществляется регулировка выдержки времени ре- ле времени? 19. Как осуществляется позисторная защита двигателей? 20. Назначение автоматических воздушных выключателей (автоматов) и требования, предъявляемые к ним. 21. Пояснить устройство и назначение основных узлов ав- томата. 22. Какие принципы гашения дуги применяются в автоматах? 23. Как осуществляется выбор автоматов? 24. Пояснить устройство и назначение предохранителей. Ти- пы предохранителей, применяемых в сети до 1 кВ. 25. Для каких целей используется металлургический эффект у плавких вставок? 26. Пояснить времятоковую характеристику предохранителей. 27. В чем особенность устройства предохранителей для за- щиты полупроводниковых приборов? 28. Как осуществляется выбор предохранителей для защи- ты электрических цепей? Бесконтактные электрические аппараты Магнитные усилители: принцип действия дроссельного маг- нитного усилителя (ДМУ) и усилителя с самонасыщением 15 (МУС), основные характеристики и соотношения ДМУ и МУС. Полупроводниковые электрические аппараты. Гибридные вы- ключатели переменного тока низкого и высокого напряжения. Тиристорные приставки к контакторам переменного тока и их характеристики. Принцип действия и параметры полностью полупроводникового коммутатора (тиристорного пускателя). Коммутаторы постоянного тока на полупроводниках (тири- сторах). Полупроводниковые реле. Бесконтактные аппараты с оптоэлектронными и магнито- полупроводниковыми приборами. Согласование коммутацион- ных аппаратов с системами микропроцессорного управления. Национальный подход к развитию микроэлектроники и полу- проводниковой техники. Литература: [1, с. 245–281, 331–334, 403–466]. Методические указания Магнитный усилитель служит для усиления электрического сигнала по току, напряжению или мощности. По конструкции они представляют собой дроссели со стальным сердечником, включаемые в сеть переменного тока. Подмагничиванием дрос- селей постоянного тока можно в широких пределах изменять переменный ток в регулируемой цепи. Из многообразия схем магнитных усилителей наибольшее распространение получила схема с самоподмагничиванием (са- монасыщением), обладающая наиболее высоким коэффициен- том усиления и быстродействием. Наиболее важными характеристиками магнитных усилите- лей являются: коэффициент усиления (по току, напряжению, мощности); крутизна характеристики управления, кратности тока нагруз- ки; быстродействие. В цепях управления и защиты широкое применение полу- чили бесконтактные полупроводниковые электрические аппа- раты. На основе применения тиристоров разработаны пуска- 16 тели для прямого пуска двигателей, плавного пуска, реверса и останова, регуляторы мощности и напряжения, автоматиче- ские выключатели переменного тока повышенного быстро- действия и др. Гибридные (комбинированные) контакторы представляют собой комбинацию тиристорного и механического контакто- ров. В них совмещены положительные свойства механическо- го контактора при установившемся состоянии «включено» с достоинствами тиристорного контактора в отношении пере- ходных процессов включения и выключения. Полупроводни- ковые приборы в таком гибридном контакторе нагружены толь- ко во время процессов включения и выключения, поэтому не рассчитываются на ток короткого замыкания. Полупроводниковые реле в отношении быстродействия, се- лективности, надежности, чувствительности превосходят элект- ромагнитные. В измерительных органах полупроводниковых реле используются следующих три принципа: 1) сравнение однородных физических величин, например, заданного напряжения с фактическим. 2) проявление физического эффекта, возникающего при определенном значении измеряемой величины напряжения; скачок в нелинейной характеристике туннельного диода, ре- лейная характеристика триггера Шмидта и др.; 3) преобразование входного сигнала и заданного в цифро- вую форму. На основе полупроводниковых элементов выполняются раз- личные виды реле: реле тока в схемах защиты при замыкании на землю генерато- ров, двигателей и линий с малыми токами замыкания на землю; реле защиты асинхронных двигателей; реле напряжения; реле времени. Если гальваническая связь между цепью управления и цепью нагрузки недопустима, то применяются оптоэлектронные при- 17 боры. В этих приборах установлен излучающий элемент, чаще – это фотодиод, и фотовоспринимающий элемент – фототранзи- стор, фототиристор или фоторезистор. При подаче сигнала на фотодиод он начинает светиться и воздействовать на восприни- мающий элемент, который меняет свой режим работы. Вопросы для самопроверки 1. Пояснить принцип работы магнитных усилителей ДМУ, МУС и их основные характеристики. 2. Как определяются их коэффициенты усиления по току, мощности? 3. Пояснить, в чем отличие магнитного усилителя с само- подмагничиванием и дроссельного. 4. Для чего служат обмотки обратной связи, смещения и как они влияют на параметры магнитного усилителя? 5. Назначение и преимущества бесконтактных полупровод- никовых электрических аппаратов. 6. Как влияет сопротивление обратной связи на характери- стики полупроводниковых реле? 7. Пояснить схему силового блока тиристорного пускателя. 8. Как осуществляется защита от перегрузок двигателя в тиристорном пускателе? 9. Принцип действия полупроводниковых реле и области их применения. Электрические аппараты высокого напряжения Высоковольтные выключатели: назначение, основные пара- метры. Устройство воздушных, элегазовых, масляных, электро- магнитных и вакуумных выключателей: краткая характеристи- ка, область применения, выбор. Охрана труда при работе с ап- паратами высокого напряжения. Разъединители, отделители, короткозамыкатели: назначение, устройство. Высоковольтные 18 предохранители: устройство, основные параметры, выбор. Вы- ключатели нагрузки: устройство, выбор. Трансформаторы тока (ТТ), напряжения (ТН): назначение, устройство ТТ и ТН на раз- личные классы напряжения, режимы работы, основные парамет- ры, выбор ТТ и ТН. Реакторы: назначение, устройство одинар- ных и сдвоенных реакторов, основные параметры, выбор реак- торов. Инновационные пути развития электроаппаратостроения. Литература: [1, с. 526–530, 552–628, 640–680]. Методические указания Выключатели являются важнейшими коммутационными аппаратами. Они служат для включения и отключения токов нагрузки, токов короткого замыкания, токов холостого хода силовых трансформаторов, емкостных токов конденсаторных батарей, линий электропередачи. К основным параметрам вы- ключателя относятся: номинальное напряжение, номинальный (длительный) ток, номинальный ток термической стойкости, номинальный ток электродинамической стойкости, номиналь- ный ток отключения, номинальная мощность отключения, номинальный ток включения, собственное время включения и отключения, полное время включения и отключения. В масляных выключателях дуга, образующаяся между кон- тактами, горит в трансформаторном масле. Под действием энергии дуги масло разлагается и образующиеся при этом га- зы и пары используются для гашения дуги. В зависимости от изоляции токоведущих частей различают баковые выключа- тели и маломасляные (малообъемные). В баковых выключате- лях масло используется для гашения дуги и изоляции токове- дущих частей соседних фаз друг от друга и от земли, а в ма- лообъемных выключателях трансформаторное масло исполь- зуется только для гашения дуги. В воздушных выключателях в качестве гасящей среды используется сжатый воздух, нахо- дящийся в баке под давлением. При отключении сжатый воз- 19 дух из бака подается в дугогасительное устройство, обдувая дугу. В элегазовых выключателях гашение дуги осуществля- ется за счет охлаждения ее движущимся с большой скоростью элегазом, который используется и как изолирующая среда. В электромагнитных выключателях гашение дуги происходит за счет увеличения ее сопротивления вследствие интенсивного удлинения и охлаждения. В вакуумных выключателях контак- ты расходятся в вакууме. Возникающая при расхождении кон- тактов дуга быстро гаснет благодаря интенсивной диффузии зарядов в вакууме. При сравнительно небольшом токе нагрузки (400–600 А) в сетях 6–10 кВ применяются выключатели нагрузки. Они име- ют дугогасительные устройства небольшой мощности для от- ключения токов нагрузки. Для гашения дуги применяются ка- меры с автогазовым, электромагнитным, элегазовым дутьем и вакуумными элементами. Для отключения токов короткого за- мыкания применяются высоковольтные предохранители. Разъединители используют в системах электроснабжения для разъединения и переключения участков сети, находящихся под напряжением. Они создают необходимый видимый разрыв элек- трической цепи, требуемый условиями эксплуатации. Разъеди- нители не имеют специальных устройств для гашения дуги, и с помощью их можно отключать небольшие токи, например, токи холостого хода трансформаторов, зарядные токи шин, линий. Отделители – коммутационные аппараты, выполненные на базе разъединителей. Их назначение такое же, как и разъеди- нителей. Отделители оснащены быстродействующим автома- тическим приводом, с помощью которого производится быст- рое размыкание цепи, например, в бестоковую паузу при дей- ствии автоматического повторного включения. Короткозамыкатели служат для искусственного создания ко- роткого замыкания, когда ток при повреждениях в трансфор- маторе может оказаться недостаточным для срабатывания ре- лейной защиты. Они применяются на подстанциях без вы- 20 ключателей со стороны высшего напряжения. Высоковольтные предохранители чаще всего применяются для защиты силовых трансформаторов небольшой мощности, электродвигателей, распределительных сетей, трансформато- ров напряжения. Наибольшее распространение получили предохранители с мелкозернистым наполнителем и стреляющие. Предохранители характеризуются следующими парамет- рами: номинальным напряжением, наибольшим рабочим напряжением, номинальными токами предохранителя и плав- кой вставки, номинальным и наименьшим токами отключе- ния. Трансформаторы тока имеют замкнутый магнитопровод с двумя обмотками. Через первичную обмотку проходит изме- ряемый ток, вторичная обмотка подключается к измеритель- ным приборам или реле. Один вывод вторичной обмотки транс- форматора обязательно заземляется. Основными параметрами трансформатора являются: номинальное напряжение, номиналь- ный первичный и вторичный токи, номинальный коэффици- ент трансформации, номинальная мощность нагрузки. Класс точности трансформатора определяется его погрешностью по току в процентах при первичном токе, равном 100–120 % от номинального. Трансформаторы тока могут иметь классы точ- ности: 0,2; 0,5; 1; 3; 10. Трансформаторы напряжения служат для преобразования высокого напряжения в низкое, стандартное напряжение. Обыч- но за номинальное вторичное напряжение принимается напряжение 100 В или 3100 В. Первичная обмотка транс- форматора напряжения изолируется от вторичной в соответ- ствии с классом напряжения установки. Для безопасности об- служивания один вывод вторичной обмотки заземляется. Та- ким образом, трансформатор напряжения изолирует измерительные приборы и реле от цепи высокого напряжения и делает безопасным их обслуживание. 21 Основными параметрами трансформаторов напряжения яв- ляются: номинальное напряжение первичной и вторичной об- моток, номинальный коэффициент трансформации, номиналь- ная вторичная нагрузка, класс точности (0,2; 0,5; 1; 3), зави- сящий от нагрузки. Реакторы предназначены для ограничения тока короткого замыкания. Они представляют собой катушку с большим ин- дуктивным и малым активным сопротивлением и характери- зуются номинальным током, номинальным напряжением, ин- дуктивным сопротивлением, токами термической и динамиче- ской стойкости. Чтобы индуктивность катушек реакторов не зависела от величины тока, протекающего по обмоткам, реакторы выпол- няют без стальных сердечников. Для уменьшения падения напряжения в нормальном режиме применяют сдвоенные ре- акторы, в которых реакторы соседних ветвей сближены так, что между ними существует сильная магнитная связь. В нор- мальном режиме магнитные поля реакторов направлены встречно и оказывают взаимно размагничивающее действие. В результате индуктивное сопротивление ветви падает. Ос- новные параметры сдвоенного реактора: номинальный ток каждой ветви, индуктивное сопротивление одной ветви в про- центах, коэффициент связи, электродинамическая стойкость каждой вет-ви, термическая стойкость одной ветви. Вопросы для самопроверки 1. Назначение и основные параметры высоковольтных вы- ключателей. 2. Поясните устройство и принцип действия баковых мас- ляных и маломасляных выключателей. 3. Какие приводы масляных выключателей применяются? Поясните их принципы действия. 4. Как устроены воздушные выключатели? 22 5. Как устроены элегазовые выключатели и вакуумные? 6. Как устроены электромагнитные выключатели? 7. Какие способы гашения дуги применяются в высоко- вольтных выключателях? 8. Поясните назначение, принцип действия и устройство выключателя нагрузки? 9. Как осуществляется выбор высоковольтных выключа- телей? 10. Назначение и устройство разъединителей и отделителей. 11. Как производится выбор разъединителей и отделителей? 12. Для каких целей служат короткозамыкатели? Поясните принцип работы и методику выбора короткозамыкателей. 13. Поясните принцип действия и устройство предохрани- телей с мелкозернистым наполнителем и стреляющего типа. 14. Как выбираются высоковольтные предохранители? 15. Поясните назначение, устройство и режимы работы транс- форматоров тока. 16. От каких факторов и как зависит погрешность трансфор- маторов тока? 17. Как осуществляется выбор трансформаторов тока? 18. Поясните назначение, устройство и режимы работы трансформаторов напряжения. 19. От каких факторов и как зависит погрешность транс- форматоров напряжения? 20. Как осуществляется выбор трансформаторов напряжения? 21. Поясните назначение, принципиальное устройство и ос- новные параметры реакторов. 22. Как устроены сдвоенные реакторы? Какими параметра- ми они характеризуются? 23 Литература 1. Чунихин, А.А. Электрические аппараты / А.А. Чунихин. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 720 с. 2. Чунихин, А.А. Аппараты высокого напряжения / А.А. Чу- нихин. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 432 с. 3. Основы теории электрических аппаратов / Б.К. Буль [и др.]. – М.: Высшая школа, 1970. – 600 с. 4. Задачник по электрическим аппаратам / Г.В. Буткевич [и др.]. – М.: Высшая школа, 1987. – 231 с. 5. Миловзоров, В.П. Электромагнитные устройства авто- матики / В.П. Миловзоров. – М.: Высшая школа, 1983. – 408 с. 24 Контрольное задание Каждый студент должен выполнить контрольную работу, состоящую из решения задач по семи темам, содержание ко- торых приведено ниже. Контрольная работа оформляется в школьной тетради или на листах формата А4 с приложением необходимых рисунков и схем, которые могут выполняться на миллиметровой бумаге или с помощью компьютерной графи- ки. Текст контрольных задач переписывать не требуется, до- статочно указать свой шифр и номер выполняемого варианта. Порядковый номер задачи в первой, второй и четвертой темах определяется суммой двух последних цифр шифра, а в осталь- ных задачах – последней цифрой шифра. Температуру окру- жающей среды при решении задач принять равной 20 °С. В приложениях приведены справочные материалы, позво- ляющие упростить поиск необходимых данных для решения поставленных задач. 1. Электродинамические усилия 1.0. Определить усилие, действующее на проводник длиной 4 м, по которому протекает постоянный ток 20 кА, находя- щийся в магнитном поле с индукцией 0,2 Тл; угол между век- тором индукции и направлением тока 30°. 1.1. Определить величину и направление усилия, действу- ющего между двумя параллельными проводниками длиной 6 м, находящимися на расстоянии 2 м друг от друга, по которым протекают постоянные токи 5 и 10 кА. 1.2. Определить силу, возникающую между двумя шинами се- чением 0,20,02 м, по которым протекает постоянный ток 20 кА; расстояние между узкими сторонами шин 0,2 м, длина 5 м. 1.3. Параллельные прямоугольные шины сечением 0,3x0,03 м, длиной 3 м обращены друг к другу широкими сторонами, рас- 25 стояние между ними 0,1 м. Найти электродинамическую силу, если по шинам протекает ток 40 кА. 1.4. По двум проводникам диаметром 0,02 м, соединенным под углом 90°, протекает постоянный ток 20 кА; длина про- водников 1 м. Определить силу, действующую на проводник, и построить ее график в зависимости от длины проводника. 1.5. Определить электродинамическую силу, действующую на перемычку, соединяющую два параллельных бесконечных проводника диаметром 0,01 м, если расстояние между про- водниками 0,2 м и по ним протекает ток 10 кА. Построить за- висимость силы от длины перемычки. 1.6. Вычислить значение ЭДУ и построить график силы по длине перемычки длиной 0,2 м, диаметром 0,02 м, соединяю- щей параллельные проводники длиной 3 м, если по ним про- текает ток 25 кА. 1.7. Какое разрывающее усилие действует на место, где про- водник изменяет свой диаметр с 0,04 до 0,02 м при протека- нии тока короткого замыкания 20 кА? 1.8. Через П-образный проводник протекает постоянный ток 6 кА. Определить полный момент относительно точки в сере- дине перемычки, если ее длина 0,4 м, диаметр 0,01 м. 1.9. Определить силу и вращающий момент, действующие на нож разъединителя, длиной 0,4 м, если диаметр вертикаль- ного проводника 0,02 м, длина 0,6 м, а ток короткого замыка- ния 50 кА. 1.10. Вычислить максимальное усилие, действующее на но- жи трехполюсного разъединителя при протекании тока 10 кА, длине ножей 0,6 м и расстоянии между ними 0,4 м. 1.11. Определить усилие, действующее на средний нож трех- полюсного разъединителя при протекании тока короткого за- мыкания 60 кА, если длина ножей 0,5 м, расстояние между ними 0,2 м. 1.12. Определить силу взаимодействия между двумя шина- ми прямоугольного сечения, расположенными горизонтально. 26 Размер шин 315 см. Расстояние между осями шин 20 см. Ток через каждую шину постоянный и равен 3000 А, длина шин 1 м. 1.13. Определить силу взаимодействия между двумя мед- ными шинами прямоугольного сечения, расположенными вер- тикально. Размер шин 15 см. Расстояние между осями шин 5 см. Ток короткого замыкания через каждую шину постоянный и равен 2500 А, длина шин 2,5 м. 1.14. Определить амплитуду и среднее значение силы, дей- ствующей на проводники однофазной сети при протекании по ним переменного тока. Амплитудное значение тока равно 200 А. Расстояние между проводниками 5 см. Длина проводников 2 м. 1.15. Определить амплитуду силы, действующую на сред- нюю шину трехфазной сети при коротком замыкании. Ампли- тудное значение тока короткого замыкания 4000 А. Размер шин 210 см. Расстояние между осями шин 15 см, длина шин 5 м. Шины алюминиевые и расположены горизонтально. 1.16. Определить силу взаимодействия между двумя мед- ными шинами прямоугольного сечения, расположенными го- ризонтально. Размер шин 15 см. Расстояние между осями шин 10 см. Ток короткого замыкания через каждую шину по- стоянный и равен 1500 А, длина шин 1,5 м. 1.17. Определить амплитуду и среднее значение силы, дей- ствующей на проводники однофазной сети при протекании по ним переменного тока. Амплитудное значение тока равно 100 А. Расстояние между проводниками 10 см. Длина проводников 3 м. 1.18. Определить амплитуду силы, действующую на сред- нюю шину трехфазной сети при коротком замыкании. Ампли- тудное значение тока короткого замыкания 2000 А. Размер шин 210 см. Расстояние между осями шин 10 см, длина шин 3 м. Шины алюминиевые и расположены вертикально. 2. Нагрев электрических аппаратов 2.0. Рассчитайте коэффициенты поверхностного эффекта (при частотах 50 и 400 Гц) для сплошного круглого проводни- 27 ка из меди с диаметром 2,1 см и для алюминиевой шины пря- моугольного сечения 62 см. 2.1. Определите, во сколько раз на переменном токе с ча- стотой 50 Гц сопротивление будет больше, чем на постоянном токе у полого круглого медного проводника. Внутренний диа- метр проводника 1,2 см, толщина стенки – 0,8 см. То же самое определить на частоте 400 Гц. 2.2. Рассчитайте коэффициент близости для медных шин прямоугольного сечения 0,3820,159 см, расположенных вер- тикально на частоте 4 кГц. Расстояние между большими сто- ронами шин 0,05 см. 2.3. Определите градиент падения температуры вдоль коор- динаты X в стальной стенке толщиной 5 см. Плотность тепло- вого потока, проходящего через стенку, составляет 20 кВт/м. Данные по удельной теплопроводности материалов приведе- ны в приложении. 2.4. Определите градиент падения температуры вдоль коор- динаты X в стальной стенке толщиной 6 см. Плотность теплово- го потока, проходящего через стенку, составляет 25 кВт/м2. Дан- ные по удельной теплопроводности материалов приведены в приложении. 2.5. Определите количество тепла, отводимого в 1 с в окру- жающую среду путем конвекции от горизонтального круглого проводника, нагретого до температуры 165 °С. Диаметр про- водника 6 см, длина – 4,2 м. Температура окружающей среды 25° С. Отводом тепла с торцов проводника можно пренебречь. 2.6. Определите количество тепла, отводимого в 1 с в окружающую среду путем конвекции от горизонтальной плоскости, нагретой до температуры 100 °С, обращенной по- верхностью вверх. Поверхность имеет прямоугольное сечение со сторонами 1 и 2 м. Температура окружающей среды 30 °С. 2.7. Определите превышение температуры плоской медной шины, поставленной на ребро, над температурой окружающей среды. Поверхность шины составляет 0,2 м2. Количество теп- 28 ла, отдаваемое в окружающую среду, равно 160 Вт. 2.8. Определите превышение температуры стальной поверх- ности над температурой окружающей среды, если площадь поверхности составляет 1,3 м2, а количество тепла, отдаваемое в окружающую среду, равно 4 кВт. 2.9. Определите ток, который можно длительно пропускать через медную шину прямоугольного сечения 153 мм. Темпе- ратура, допустимая для изоляции шины, равна 90 °С. Темпе- ратура окружающей среды 20 °С. Коэффициент теплоотдачи принять равным 10 Вт/(м2°С). 2.10. Определите, во сколько раз больший ток можно про- пустить через медный провод диаметром 8 мм при кратковре- менном режиме работы по сравнению с длительным режимом и времени включения 15 с. Допустимая температура нагрева 90 °С. Коэффициент теплоотдачи 10 Вт/(м2°С). 2.11. Определите, во сколько раз больший ток можно про- пустить через алюминиевый провод диаметром 16 мм при крат- ковременном режиме работы по сравнению с длительным ре- жимом и времени включения 30 с. Допустимая температура нагрева 90 °С. Коэффициент теплоотдачи 10 Вт/(м2°С). 2.12. Определите, какой ток можно пропустить через мед- ный провод диаметром 8 мм при кратковременном режиме ра- боты по сравнению с длительным режимом и времени вклю- чения 25 с. Допустимая температура нагрева 90 °С. Коэффи- циент теплоотдачи 10 Вт/(м2°С). 2.13. Определите, какой ток можно пропустить через алю- миниевый провод диаметром 16 мм при кратковременном ре- жиме работы по сравнению с длительным режимом и времени включения 20 с. Допустимая температура нагрева 90 °С. Ко- эффициент теплоотдачи 10 Вт/(м2°С). 2.14. Рассчитайте, во сколько раз больший ток можно пропу- стить через медную шину прямоугольного сечения 28 мм, при повторно-кратковременном режиме работы по сравнению с дли- 29 тельным режимом. Время включения 1 мин, время цикла 3 мин. Допустимая температура нагрева 120 °С. Коэффициент теплоот- дачи 10 Вт/(м2°С). Температура окружающей среды 20 °С. 2.15. Рассчитайте, во сколько раз больший ток можно про- пустить через алюминиевую шину прямоугольного сечения 312 мм при повторно-кратковременном режиме работы по сравнению с длительным режимом. Время включения 2 мин, время цикла 4 мин. Допустимая температура нагрева 120 °С. Коэффициент теплоотдачи 10 Вт/(м2С). 2.16. Определите ток короткого замыкания, который можно в течение 3 с пропускать через медный провод диаметром 1 мм (т.е. ток трехсекундной термической устойчивости). До нача- ла короткого замыкания через провод протекал ток, нагрев- ший его до температуры 90 °С. В конце короткого замыкания допускается температура 250 °С. 2.17. Определите диаметр алюминиевого проводника, по которому можно пропустить ток короткого замыкания 1000 А в течение 1 с. До начала короткого замыкания через провод протекал ток, нагревший его до температуры 100 °С. В конце короткого замыкания допустимая температура нагрева 200 °С. 2.18. Определите длительность протекания тока короткого замыкания 2000 А через алюминиевый провод диаметром 4 мм. До начала короткого замыкания через провод протекал ток, нагревший его до температуры 90 °С. В конце короткого за- мыкания допускается температура 200 °С. 3. Электрические контакты 3.0. Определить переходное сопротивление медного контак- та (сфера–сфера) при протекании через него тока 15 А и уси- лии сжатия контактов 5 Н, коэффициент ε = 3,1610–4 ОмН0,5. 3.1. Определить переходное сопротивление серебряного кон- такта (сфера–сфера) при протекании через него тока 10 А и усилии сжатия контактов 4 Н, коэффициент ε = 0,006 ОмН0,5. 3.2. Определить превышение температуры площадки кон- 30 тактирования относительно тела медных одноточечных кон- тактов при протекании тока 16 А и усилии сжатия 9 Н, коэф- фициент ε = 3,1610-4ОмН0,5. 3.3. Определить превышение температуры площадки кон- тактирования относительно тела серебряных одноточечных контактов при протекании тока 20 А и усилии сжатия 6 Н, ε = 0,006 ОмН0,5. 3.4. Определите, какой длительный ток можно пропустить через медные одноточечные контакты при усилии сжатия 3 Н, коэффициент ε = 0,014 ОмН0,5. Падение напряжения в кон- такте для точки размягчения UI = 0,12 В. 3.5. Определить силу сжатия серебряных одноточечных кон- тактов при протекании номинального тока 12 А, коэффициент ε = 0,006 ОмН0,5, падение напряжения в контакте для точки размягчения UI = 0,09 В. 3.6. Определить длительный ток, который можно пропу- стить через медные одноточечные контакты, чтобы превыше- ние температуры площадки контактирования относительно тела контактов было 10 °С, при усилии сжатия 5 Н, коэффициент ε = 0,014 ОмН0,5. 3.7. Определить необходимое усилие нажатия медных одно- точечных контактов, если длительный номинальный ток равен 20 А, а ток короткого замыкания 300 А. Принять коэффициент ε = 3,1610-4 ОмН0,5, падение напряжения в контакте для точ- ки размягчения UI = 0,12 В, значение коэффициента К при сваривании контактов принять равным 1300 А / Н0,5. 3.8. Определить длительный ток через медные контакты (сфера–сфера) при превышении температуры в месте касания 8 °С и усилии сжатия контактов 5 Н. Принять коэффициент ε = 0,014 ОмН0,5, падение напряжения в контакте для точки размягчения UI = 0,12 В. 3.9. Между двумя плоскими медными шинами находятся два медных шарика (шины и шарики покрыты серебром). Ши- ны стянуты силой 250 Н. Рассчитать сопротивление стягива- 31 ния при пластической деформации. 4. Электрическая дуга 4.0. Определите напряжение на дуге, если катодное паде- ние напряжения 20 В, анодное падение напряжения 10 В, напряженность электрического поля в столбе дуги 3103 В/м, а длина столба дуги 3 мм. 4.1. Определите напряжение на дуге, если катодное паде- ние напряжения 18 В, анодное падение напряжения 6 В, напряженность электрического поля в столбе дуги 2103 В/м, длина столба дуги 2 мм. 4.2. Определите, какое напряжение дуги достаточно для ее гашения. Напряжение источника питания 110 В, ток дуги 50 А, сопротивление цепи 1,6 Ом. 4.3. Определите, какое напряжение дуги достаточно для ее гашения. Напряжение источника питания 220 В, ток дуги 80 А, сопротивление цепи 2,2 Ом. 4.4. Рассчитайте коэффициент перенапряжения, если напря- жение источника питания 110 В, индуктивность цепи 0,02 Гн, скорость изменения тока в момент его исчезновения 2104 А/с. 4.5. Постройте зависимость восстанавливающегося напря- жения от времени, если ЭДС источника питания промышлен- ной частоты в момент нуля тока 220 В, активное сопротивле- ние цепи 510 Ом, индуктивность цепи 0,017 Гн, эквивалентная емкость 2,510–8 Ф. 4.6. Постройте зависимость восстанавливающегося напря- жения от времени, если ЭДС источника питания промышлен- ной частоты в момент нуля тока 220 В, активное сопротивле- ние цепи 540 Ом, индуктивность цепи 0,02 Гн, эквивалентная емкость 2,310–8 Ф. 4.7. Постройте зависимость восстанавливающегося напря- жения от времени, если ЭДС источника питания промышлен- ной частоты в момент нуля тока 110 В, активное сопротивле- ние цепи 340 Ом, индуктивность цепи 0,008 Гн, эквивалентная 32 емкость 2,110–8 Ф. 4.8. Постройте зависимость восстанавливающегося напря- жения от времени, если ЭДС источника питания промышлен- ной частоты в момент нуля тока 220 В, активное сопротивле- ние цепи 300 Ом, индуктивность цепи 0,01 Гн, эквивалентная емкость 1,810-8 Ф. 4.9. Рассчитайте среднюю скорость восстановления напря- жения и коэффициент пика при ЭДС источника питания про- мышленной частоты в момент нуля тока 380 В, индуктивно- сти цепи 0,02 Гн, активном сопротивлении цепи 500 Ом, экви- валентной емкости 2,210-8 Ф. 4.10. Рассчитайте среднюю скорость восстановления напряжения и коэффициент пика при ЭДС источника питания промышленной частоты в момент нуля тока 220 В, индуктив- ности цепи 0,016 Гн, активном сопротивлении цепи 470 Ом, эквивалентной емкости 2,410-8 Ф. 4.11. Рассчитайте среднюю скорость восстановления напря- жения и коэффициент пика при ЭДС источника питания про- мышленной частоты в момент нуля тока 110 В, индуктивно- сти цепи 0,012 Гн, активном сопротивлении цепи 450 Ом, эк- вивалентной емкости 2,610-8 Ф. 4.12. Определить энергию, поглощенную дугой постоянно- го тока при ее гашении, если сопротивление отключаемой це- пи 2 Ом, индуктивность цепи 150 мг, ток в дуге изменяется по линейному закону, а время гашения дуги 0,2 с. Напряжение сети 220 В. 4.13. Определить энергию, поглощенную дугой постоянно- го тока при ее гашении, если сопротивление отключаемой це- пи 1 Ом, индуктивность цепи 250 мГн, ток в дуге изменяется по линейному закону, а время гашения дуги 0,3 с. Напряжение сети 220 В. 4.14. Определить коэффициент перенапряжения при отклю- чении дуги постоянного тока. Напряжение источника питания 220 В, индуктивность цепи 0,05 Гн, скорость изменения тока в 33 момент его исчезновения 2104А/с. 4.15. Определить коэффициент перенапряжения при отклю- чении дуги постоянного тока. Напряжение источника питания 110 В, индуктивность цепи 0,06 Гн, скорость изменения тока в момент его исчезновения 3104 А/с. 4.16. Рассчитать среднюю скорость восстановления напря- жения на дуговом промежутке выключателя при ЭДС генерато- ра, равной 380 В промышленной частоты, индуктивности цепи 0,02 Гн, эквивалентной емкости 1,510-8 Ф, активном сопротив- лении цепи 150 Ом и определить восстанавливающееся напря- жение через половину периода собственных колебаний контура. 4.17. Рассчитать среднюю скорость восстановления напря- жения на дуговом промежутке выключателя при ЭДС генерато- ра, равной 220 В промышленной частоты, индуктивности цепи 0,01 Гн, эквивалентной емкости 210-8 Ф, активном сопротивле- нии цепи 100 Ом и определить восстанавливающееся напряже- ние через половину периода собственных колебаний контура. 4.18. Объясните влияние шунта на отключение цепи пере- менного тока. Определите критическое активное сопротивле- ние шунта, достаточное для перевода колебательного процес- са восстановления напряжения в апериодический, и наиболь- шую скорость восстановления напряжения. Исходные данные: ЭДС источника питания промышленной частоты в момент нуля тока 110 В, индуктивность цепи 0,011 Гн, эквивалентная емкость 1,910-8Ф. 5. Обмотки электромагнитов 5.0. Рассчитать обмотку напряжения электромагнита посто- янного тока, необходимую для создания намагничивающей силы 300 А при напряжении 220 В. Средняя длина витка рав- на 22 см, удельное сопротивление меди 1,6210-8 Омм. Пло- щадь окна катушки 50 см2, а диаметр сердечника магнитопро- вода равен 2 см. Проверить обмотку на нагрев. 5.1. Определить число витков и диаметр провода обмотки 34 напряжения переменного тока промышленной частоты по сле- дующим данным: напряжение сети равно 220 В, поток Фм = = 2,510-4 Вб, амплитуда МДС равна 300 А, сечение магнито- провода 11 см2, средняя длина витка 10 см, удельное сопро- тивление меди 1,6210-8Омм. 5.2. Рассчитать обмотку напряжения электромагнита по- стоянного тока, необходимую для создания намагничивающей силы 300 А при напряжении 220 В. Наружный диаметр обмот- ки 90 мм, внутренний диаметр 50 мм, высота обмотки 120 мм, удельное сопротивление меди 1,6210-8 Омм. Проверить об- мотку на нагрев. 5.3. Рассчитать обмотку напряжения электромагнита посто- янного тока, необходимую для создания намагничивающей силы 250 А при напряжении 220 В. Средняя длина витка рав- на 20 см, удельное сопротивление меди 1,6210-8 Омм, пло- щадь окна катушки 40 см2, а диаметр магнитопровода равен 2 см. Проверить обмотку на нагрев. 5.4. Рассчитать токовую обмотку электромагнита постоян- ного тока, необходимую для создания намагничивающей силы 150 А при токе 10 А. Средняя длина витка равна 17,5 мм, удельное сопротивление меди 1,6210-8 Омм, площадь окна катушки 90 мм2, а диаметр сердечника магнитопровода равен 1 см. Проверить обмотку на нагрев. 5.5. Определить число витков и диаметр провода обмотки напряжения переменного тока промышленной частоты по сле- дующим данным: напряжение сети равно 127 В, поток Фм = = 310-4 Вб, амплитуда МДС Iмw = 200 А, площадь окна ка- тушки 500 мм2, сечение магнитопровода 11 см2, высота ка- тушки 2 см, удельное о сопротивление меди 1,6210-8 Омм. 5.6. Рассчитать обмотку напряжения электромагнита по- стоянного тока, необходимую для создания намагничивающей силы 500 А при напряжении 220 В. Средняя длина витка рав- на 20 см, удельное сопротивление меди 1,6210-8 Омм. Пло- щадь окна катушки 60 см2, а диаметр сердечника магнитопро- 35 вода равен 2 см. Проверить обмотку на нагрев. 5.7. Определить число витков и диаметр провода обмотки напряжения переменного тока промышленной частоты по сле- дующим данным: напряжение сети равно 127, поток Фм = = 1,510-4 Вб, амплитуда МДС равна 400 А, сечение магнито- провода 11 см2, средняя длина витка 12 см, удельное сопро- тивление меди 1,6210-8 Омм. 5.8. Рассчитать обмотку напряжения электромагнита посто- янного тока, необходимую для создания намагничивающей силы 200 А при напряжении 220 В. Наружный диаметр обмот- ки 80 мм, внутренний диаметр 30 мм, высота обмотки 100 мм, удельное сопротивление меди 1,6210-8 Омм. Проверить об- мотку на нагрев. 5.9. Рассчитать обмотку напряжения электромагнита посто- янного тока, необходимую для создания намагничивающей силы 350 А при напряжении 220 В. Средняя длина витка равна 15 см, удельное сопротивление меди 1,6210-8 Омм, площадь окна катушки 50 см2, а диаметр магнитопровода равен 2 см. Проверить обмотку на нагрев. 6. Электрические аппараты распределительных устройств 6.0. Выбрать плавкую вставку предохранителя для защиты асинхронного двигателя мощностью 5,5 кВт, напряжение сети 380 В, cos φ = 0,88; η = 0,87; Kпуск = 7,0. Условия пуска легкие. 6.1. Выбрать плавкую вставку предохранителя для защиты асинхронного двигателя мощностью 7,5 кВт, напряжение сети 380 В, cos φ = 0,88; η = 0,86; Kпуск = 7,5. Условия пуска тяжелые. 6.2. Выбрать автоматический выключатель ВА 51Г, тепло- вой и электромагнитный расцепители для защиты электродви- гателя мощностью 5,5 кВт, напряжение сети 380 В, cos φ = 0,88; η = 0,87; Kпуск = 7,0. 6.3. Выбрать автоматический выключатель ВА 51Г, тепло- 36 вой и электромагнитный расцепители для защиты электродви- гателя мощностью 7,5 кВт, напряжение сети 380 В, cos φ = 0,88; η = 0,87; Kпуск = 7,5. 6.4. Выбрать плавкую вставку предохранителя для защиты асинхронного двигателя мощностью 3,0 кВт, напряжение сети 380 В, cos φ = 0,83;  = 0,82; Kпуск = 7,0. Условия пуска легкие. 6.5. Выбрать плавкую вставку предохранителя для защиты асинхронного двигателя мощностью 11,0 кВт, напряжение сети 380В, cos φ = 0,87; η = 0,88; Kпуск = 7,5. Условия пуска тяжелые. 6.6. Выбрать автоматический выключатель В А 51Г, тепло- вой и электромагнитный расцепители для защиты электродви- гателя мощностью 11,0 кВт, напряжение сети 380 В, cos φ = 0,87; η = 0,88; Kпуск = 7,5. 6.7. Выбрать автоматический выключатель ВА 51Г, тепло- вой и электромагнитный расцепители для защиты электродви- гателя мощностью 3,0 кВт, напряжение сети 380 В, cos φ = 0,83; η = 0,82; Kпуск = 7,0 6.8. Выбрать плавкую вставку предохранителя для защиты асинхронногодвигателя мощностью 15,0 кВт, напряжение сети 380 В, cos φ = 0,89; η = 0,89; Kпуск = 7,0. Условия пуска тяжелые. 6.9. Выбрать автоматический выключатель В А 51Г, тепло- вой и электромагнитный расцепители для защиты электродви- гателя мощностью 15,0 кВт, напряжение сети 380 В, cos φ = 0,89; η = 0,89; Kпуск = 7,0. 7. Магнитные усилители 7.0. ДМУ имеет следующие параметры: число витков рабо- чей обмотки Wp = 150; число витков обмотки управления Wy = 1500; ток в обмотке управления Iу = 0,01 А. Определить среднее значение тока в нагрузке. 7.1. ДМУ имеет следующие параметры: Wp = 150; Wy = 1500; Rн = 1500; Ry = 300 Ом. Определить коэффициент усиления по мощности. 7.2. Простейший магнитный усилитель имеет следующие па- 37 раметры: Wp = 50; Rн = 50 Ом; Wy = 2000; Uy = 3 В при сопротив- лении цепи управления 150 Ом. Определить среднее значение тока в нагрузке Iн.ср и коэффициент усиления по току KI. 7.3. ДМУ имеет следующие параметры: Wp = 200; Wy = 2000; Rн = 50 Ом; Ry = 100 Ом; число витков обмотки обратной связи Wо.с = 180. Как повлияет положительная обратная связь по току на величину коэффициентов усиления по току и по мощности? 7.4. Определить число витков обмотки Wо.с дроссельного магнитного усилителя с положительной обратной связью по току для получения коэффициента усиления по току KIо.с = 50. Параметры магнитного усилителя: Wp = 100; Wy = 1500. 7.5. Постоянная времени ДМУ с обмоткой управления Wy = = 3000 и сопротивлением Ry = 450 Ом равна 0,25 с. Как изме- нится постоянная времени с добавлением в усилитель второй обмотки управления с числом витков Wy = 1000 и Ry = 100 Ом? 7.6. Сколько витков необходимо иметь в обмотке внешней обратной связи Wо.с, чтобы получить коэффициент усиления по току KIо.с = 50, если без обратной связи усилитель имеет KI = 10, а число витков рабочей обмотки Wp = 50. 7.7. Обмотка внешней обратной связи Wо.с содержит 60 вит- ков, и коэффициент усиления по току KIо.с = 60. Сколько вит- ков содержит рабочая обмотка МУ, если без обратной связи усилитель имеет KI = 20? 7.8. Определить число витков обмотки Wо.с магнитного уси- лителя с положительной обратной связью по току для получе- ния коэффициента усиления по мощности KPо.с = 2000; пара- метры ДМУ: Wp = 200; Wy = 2500; Rн = 40 Ом; Ry = 100 Ом. 7.9. Определите, во сколько раз повысится коэффициент усиления по току ДМУ, если использовать положительную обратную связь; при этом число витков обмотки обратной связи Wо.с в четыре раза меньше числа витков рабочей обмот- ки Wp, последнее в десять раз меньше числа витков обмотки управления Wy. Как изменится характеристика «вход-выход»? (Построить в масштабе.) 38 ПРИЛОЖЕНИЕ Таблица П1 Физические постоянные материалов Материал П л о тн о ст ь, к г/ м 3 У д ел ьн о е со п р о ти в л ен и е п р и 0 ° С  1 0 -8 , О м м Т ем п ер ат у р н ы й к о эф - ф и ц и ен т со п р о ти в л е- н и я  1 0 -3 , 1 /г р ад у с Т еп л о п р о во д н о ст ь п р и 0 ° С , В т/ (м г р ад у с) Т еп л о ем ко ст ь, Д ж /( к г гр ад у с) Т ем п ер ат у р н ы й к о эф - ф и ц и ен т те п л о ем к о ст и  1 0 -4 , 1 /г р ад у с Т ем п ер ат у р а п л ав л ен и я, °С Алюминий 2700 2,62 4,2 210 950 4,7 660 Медь 8700 1,62 4,3 390 390 1,0 1083 Олово 7300 11,0 4,5 64 230 1,3 232 Свинец 11300 19,5 4,1 35 130 0,9 327,4 Серебро 10500 1,5 4,0 420 234 0,77 960 Сталь 7800 11,0 9,0 40 470 7,3 1350 Таблица П2 Технические данные автоматических трехполюсных выключателей серий ВА 51 и ВА 52 с комбинированным расцепителем Тип выключателя Номинальный ток, А Кратность тока отсечки по отноше- нию к Iнр выключателя расцепителя, Iнр 1 2 3 4 ВА51Г-25 25 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,15; 4; 5; 6,3; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25 14 ВА 51-25 25 6,3; 8; 10,0; 12,5; 16; 20; 25 7; 10 39 ВА 51-31 100 6,3; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25; 31,5; 40; 50; 63; 80; 100 3; 7; 10 Окончание табл. П2 1 2 3 4 ВА51Г-31 100 16; 20; 25; 31,5; 40; 50; 63; 80; 100 14 ВА 52-31 100 16; 20; 25; 31,5; 40; 50; 63; 80; 100 3; 7; 10 ВА 51-33 ВА 52-33 160 80; 100; 125; 160 10 ВА51Г-33 А52Г-33 160 80; 100; 125; 160 14 Таблица ПЗ Технические данные предохранителей Тип Номинальное напряжение, В Номинальный ток, А предохранителя плавкой вставки НПН2-63 500 63 6, 10, 16, 20, 25, 31, 40, 63 ПН2-100 380 100 31,5, 40, 50, 63, 80, 100 ПН2-250 380 250 80, 100, 125, 160, 200, 250 ПН2-400 380 400 200, 250, 315, 355, 400 ПН2-600 380 630 315, 400, 500, 630 40 Рис. П1. Кривые адиабатического нагрева проводниковых материалов Рис. П2. Значения коэффициента формы для параллельных шин Таблица П4 41 Коэффициент заполнения по меди для медного провода с эмалевой изоляцией ПЭВ-1 d, мм fм d, мм fм d, мм fм d, мм fм 0,06 0,319 0,18 0,578 0,41 0,634 0,74 0,670 0,07 0,376 0,20 0,581 0,44 0,637 0,80 0,676 0,08 0,408 0,23 0,584 0,47 0,641 0,86 0,682 0,09 0,436 0,25 0,594 0,49 0,643 0,93 0,689 0,10 0,501 0,27 0,597 0,51 0,646 1,00 0,696 0,11 0,520 0,29 0,607 0,53 0,648 1,08 0,704 0,12 0,538 0,31 0,616 0,55 0,650 1,16 0,712 0,14 0,545 0,33 0,625 0,59 0,654 1,25 0,721 0,15 0,565 0,35 0,627 0,64 0,660 0,16 0,571 0,38 0,63 0,69 0,665 Учебное издание ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ Рабочая программа, методические указания и контрольное задание для студентов заочной формы обучения специальностей 1-43 01 03 «Электроснабжение» и 1-53 01 05 «Автоматизированные электроприводы» Составители: ПРОКОПЕНКО Людмила Васильевна САЦУКЕВИЧ Валерий Николаевич Редактор Л.Н. Шалаева Компьютерная верстка Н.А. Школьниковой Подписано в печать 08.12.2009. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная Отпечатано на ризографе. Гарнитура Таймс. Усл. печ. л. 2.38. Уч.-изд. л. 1,86. Тираж 100. Заказ 1204. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. ЛИ № 02330/0494349 от 16.03.2009. Проспект Независимости, 65. 220013, Минск.