книги / Электрические аппараты. Общий курс

топровод укрепляется в корпусе путем заливки специальной массой, обладающей эластичностью (смягчает удары), малой усадкой и низ­ ким коэффициентом температурного расширения.

Основные параметры тороидальных магнитопроводов, рекомен­ дуемые Междуведомственной нормалью, приведены в [Л. 6-2, 6-7].

При использовании горячекатаной (нетекстурованной) стали применяются Ш-образные магнитопроводы (рис. 6-25, а). Для умень­ шения влияния воздушного зазора сердечник собирается так, чтобы

Рис. 6-25. Магнитопроводы магнитных усилителей.

а Ш-образные; б —П-образные с косым срезом; в —ленточный тороидаль­ ный; а—ленточный броневой.

перемычка одного слоя находилась против основания Ш-образиой пластины другого слоя.

При использовании холоднокатаных текстурованных сталей ис­ пользуют сердечники П-образной формы (рис. 6-25,6). Длинные стороны магнитопровода идут вдоль проката стали. Достоинством штампованных магнитопроводов является возможность изготовле­ ния обмоток на высокопроизводительных станках. Параметры пла­ стин таких магнитопроводов приведены в [Л. 6-7, 6-8].

Хорошими свойствами обладают разрезной ленточный магнитопровод, выполненный согласно рис. 6-25, г. Сердечник наматывается из ленты на прямоугольную оправку. После отжига сердечник раз­ резается на две части. Места стыков тщательно подгоняются друг к другу с помощью шлифовки для уменьшения магнитного сопротивле­ ния. Обмотки такого усилителя изготавливаются на высокопроизво­ дительных станках. После сборки усилителя половины магнитопро­ вода надежно прижимаются друг к другу с помощью специальных стяжек. Такие сердечники применяются при средних и больших мощ­

и применяемого сердечника меняется место расположения обмоток (рис. 6-26). В МУ на двух Ш-образных сердечниках рабочая обмот­ ка и обмотка управления располагаются на среднем стержне (рис. 6-26, а). Если МУ имеет общую обмотку управления, то обмотки располагаются согласно рис. 6-26, б. Применение общей обмотки уп­ равления позволяет снизить габарит усилителя и уменьшить сопро­ тивление обмотки управления. Облегчаются требования к изоляции, так как поток рабочих обмоток не наводит большой э.д.с. в обмотке управления. Следует отметить, что при общей обмотке управления утяжеляется технология производства и ухудшаются условия тепло­

отдачи. Расположение обмоток на П-образных и тороидальных сер­ дечниках показано на рис. 6-26, в — е. В случае общей обмотки уп­ равления рабочие обмотки wv включаются встречно (рис. 6-10, а)

Рис. 6-26. Расположение обмоток на магнитопроводе.

а —Ш-образный с отдельной обмоткой х’ч.; б—Ш-образный с общей Wy ; в—П-образный с отдельной Wy\ г—П-образный с общей Wy\ 5—тороидаль­ ный с отдельной Wy ; е —«тороидальный с общей w у.

Г лава сед ьм ая

ИЗОЛЯЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ*

7-1. Условия работы изоляции и требования, предъявляемые к ней

Токоведущие части аппаратов во время работы нахо­ дятся под напряжением и должны быть изолированы со* ответствующим образом.

* При составлении этой главы частично использован материал из [Л. 1-8].

Надежность работы аппарата, его масса, габариты и стоимость в значительной степени определяются изоля­ цией. Особенно это относится к аппаратам с номиналь­ ным напряжением выше 3 кВ.

Для коммутационных аппаратов необходимо обеспе­ чить изоляцию между следующими элементами конст­ рукции: между контактами одного полюса в отключен­ ном положении; между токоведущими частями различ­ ных полюсов; между токоведущими частями и заземлен­ ными деталями.

При наличии защитных оболочек (кожухов) меняет­ ся расстояние от подвижных контактов до заземленных частей. Изоляция между токоведущими частями и зем­ лей должна проверяться как во включенном, так и от­ ключенном положениях аппарата.

‘ В аппаратах, имеющих электромагнитные элементы, обмотки электромагнитов должны быть надежно изоли­ рованы от магнитопроводов, поскольку эти магнитопро-

в которой должен работать аппарат. В аппаратах посто­ янного тока номинальное напряжение аппарата равно напряжению между зажимами источника энергии.

Т аблица 7-1

Номинальные рабочие напряжения в установках с напряжением ниже 1000 В (ГОСТ 721-74)

нофазные напря­ жения, В

Номинальное напряжение определяет свойства изо­ ляции или класс изоляции аппарата. Из-за особенностей условий работы аппаратов и требований эксплуатации они делятся на аппараты с номинальным напряжением до 1000 В и свыше 1000 В.

Ш кала стандартных номинальных напряжений аппа­ ратов первой группы приведена в табл. 7-1 и второй — в табл. 7-2.

Т аб ли ц а 7-2

Номинальные и наибольшие рабочие напряжения для трехфазных систем свыше 1000 В и частотой 50 Гц

этих источников поддерживается несколько выше номи­ нального. В связи с этим, кроме номинального напряже­ ния, устанавливается наибольшее рабочее напряжение, при котором аппарат должен работать сколь угодно долго. В аппаратах с t/H< 1000 В наивысшее рабочее на­

Впроцессе работы аппарата его изоляция подверга­ ется воздействию напряжений, значительно превышаю­ щих номинальное значение. Изоляция аппарата должна надежно выдерживать эти повышенные напряжения, ве­ личины которых приведены в ГОСТ 1516-73 [Л.7-1].

Ваппаратах на напряжение свыше 1000 В различа­ ют внутреннюю и внешнюю изоляцию.

кий, полужидкий, твердый диэлектрик или газ под дав­ лением. Электрическая прочность этой изоляции опреде-

ляется пробоем промежутков в этой среде или перекры­ тием в жидком или полужидком диэлектрике по изоли­

устройства, где изолирующей средой является атмосфер­ ный воздух и электриче­ ская прочность которой определяется пробоем воздушных промежутков или перекрытием в возду­ хе по изолирующим по­ верхностям. Основным признаком внешней изо­ ляции является зависи­ мость ее прочности от ат­ мосферных условий.

Рассмотрим в качест­ ве примера трансформа­ тор тока ТФН-35 (рис. 7-1). Его первичная об­ мотка 1 изолирована от земли по классу изоля­ ции 35 кВ. Вторичная об­ мотка 2 изолируется от сердечника 3 и имеет ис­ пытательное напряжение 2 кВ. Для обеспечения безопасности обслужива­ ния один конец вторич­ ной обмотки заземляется

В качестве изолирующего материала между первич­ ной обмоткой, находящейся под высоким напряжением, и заземленной вторичной используется кабельная бума­ га в масле 4. Изоляция между первичной и вторичной обмотками называется внутренней. При повреждении внутренней изоляции внутри аппарата возникает элект­ рическая дуга, которая ведет к разрушению аппарата, поскольку кожух не рассчитан на большие внутренние избыточные давления. Пробой внутренней изоляции обычно ведет к тяжелой аварии. Поскольку этот аппарат предназначен для работы на открытом воздухе, он защи­

щен фарфоровым кожухом 6, имеющим развитую реб­ ристую поверхность. Ребра позволяют получить необхо­ димую электрическую прочность даже в том случае, когда изолятор подвергается воздействию дождя, пыли и грязи, содержащихся в окружающем воздухе. Повреждение внешней изоляцией сопровождается возникновением дуги между выводом аппарата 5 и основанием. При появле-4 нии такого повреждения срабатывает релейная защита и отключает участок сети, на котором находится повреж­ денный аппарат. Поскольку длительность короткого за ­ мыкания невелика и дуга загорается в воздухе, после отключения цепи и погасания дуги аппарат полностью восстанавливают свою работоспособность. Иногда дуга может вызвать небольшое оплавление ребер фарфора, которое мало сказывается на прочности изоляции.

В процессе эксплуатации аппарата свойства его изо­ ляции ухудшаются. В низковольтных аппаратах пыль и грязь, осаждающиеся на поверхности, вызывают пони­ жение сопротивления изоляции и появление токов утечки. Это может привести к возникновению разряда по поверхности и повреждению изоляции возникающей дугой.

Гигроскопические материалы — гетинакс, текстолит и другие слоистые пластики — поглощают влагу из окру­ жающей среды. При этом качество изоляции — ее про­ бивное напряжение — резко снижается.

Изоляционные свойства аппаратов, использующих трансформаторное масло, также ухудшаются в процессе эксплуатации.

Под действием тепла, выделяемого в токоведущих частях, масло разлагается. Продукты разложения отри­ цательно воздействуют на хлопчатобумажную и другую органическую изоляцию.

Если внутренняя полость аппарата сообщается с ат­ мосферой через большое отверстие или в эту полость по­ падает влага, то происходит увлажнение масла и резкое ухудшение его изоляционных свойств. В масляных вы­ ключателях в процессе работы образуется углерод в ви­ де сажи. Осаждаясь на изоляционных поверхностях, са­ жа может привести к ухудшению изоляции и пробою по поверхности, что, как правило, ведет к разрушению ап­ парата.

Прочность изоляции выбирается с учетом ухудшения ее свойств в процессе эксплуатации.

В специальных случаях, когда изоляция работает в условиях сильного загрязнения пылью и проводящими осадками, она должна иметь повышенные запасы элект­ рической прочности по поверхности. Токоведущие части аппаратов обычно укрепляются с помощью опорных изоляторов. При коротком замыкании на токоведущие части действуют электродинамические усилия (гл. 1).

Ввиду трудности и неточности расчетов электродина­ мической стойкости аппаратов берутся большие запасы по механической прочности. Так, для аппаратов наруж­ ной установки разрушающее усилие изоляторов должно быть в 3 раза выше максимальных нагрузок, которые ожидаются в эксплуатации. Изоляция этих аппаратов испытывает дополнительные механические нагрузки, возникающие из-за ветра, инея, гололеда и других фак­ торов. Аппараты внутренней установки подвергаются меньшим механическим нагрузкам, поэтому их изолято­ ры имеют примерно двукратный запас механической прочности. Таким образом, изоляция при работе аппа­ ратов подвергается как электрическим, так и механичес­ ким перегрузкам и должна иметь соответствующие за ­ пасы прочности.

7-2. Кратности коммутационных и атмосферных перенапряжений

при включении и отключении элементов электрической цепи, либо при повреждениях.

Природа перенапряжений при отключениях индук­ тивности и емкости рассмотрена в гл. 4.

Причиной перенапряжений могут являться феррорезонансные явления, возникающие при повреждениях на линиях с обрывом линии и перемежающейся дугой на землю. Природа этого явления подробно изложена в

[Л .4-6]. Кратность перенапряжения при феррорезонансных явлениях может достигать 3,5—4,3. На основании исследований и большого эксплуатационного опыта бы­ ли определены расчетные кратности внутренних перена­ пряжений. Эти кратности, как правило, уменьшаются с ростом номинального напряжения. Так, например, при Uh— 3 кВ наибольшая кратность равна 5,2, а при Uu=

=500 кВ эта кратность значительно ниже 2,5—3. Изоляция, безусловно, должна выдерживать указан­

ные перенапряжения, если не применяются разрядники. Что касается изменения напряжения во времени, то в большинстве случаев внутренние перенапряжения име­

ют колебательный характер с частотой до тысячи герц. Длительность существования этих перенапряжений ве­ лика и может достигать нескольких секунд.

Атмосферные перенапряжения могут появляться как от индуцированных зарядов, так и в результате прямого удара молнии в токоведущий элемент установки [Л .4-6].

гать миллионов вольт.

Основную опасность создают прямые удары молнии, когда ток в десятки и даже сотни килоампер, протекая по проводникам, создает падения напряжения, измеряе­ мые миллионами вольт. Если создать аппараты и обору­ дование, которые выдержат такие напряжения, то стоимость установок и их размеры резко возрастут.

Для облегчения изоляции величину перенапряжений ограничивают с помощью специальных аппаратов, раз­ рядников. Электрическая прочность изоляции аппаратов при наличии разрядников определяется тем максималь­ ным напряжением, которое остается на разряднике при протекании импульсного тока молнии. Его называют о с- т а ю щ и м с я н а п р я ж е н и е м .

Электрическая прочность изоляции аппаратов при воздействии кратковременных импульсов напряжения зависит от длительности воздействия перенапряжений.

Зависимость амплитуды импульса, разрушающего изоля­

приведена на рис. 7-2 (кривая /) . Очевидно, что разряд­ ник должен иметь вольт-секундную характеристику, рас­ положенную ниже характеристики защищаемого объек­ та. Кривая 2 па рис. 7-2 изображает вольт-секундную характеристику вентильного разрядника.

Перенапряжение зависит от способа заземления ну­ левых точек генераторов или трансформаторов. В экс­ плуатации применяются глухое заземление, зазем­ ление через настроенные индуктивности, системы с изолированной, незаземленной нейтралью.

В первом случае нуле­ вые точки генераторов или трансформаторов со­ единяются с заземлением непосредственно или че­ рез сопротивление неболь­ шой величины, ограничи­ вающее величину тока короткого замыкания па землю. Такое соединение с землей стабилизует по­ тенциалы фаз относитель­ но земли, что ведет к рез­ кому уменьшению пере­ напряжений и снижению остающегося напряжения

на вентильных разрядниках. Это позволяет значительно облегчить изоляцию. Поэтому в сетях с напряжением 110 кВ и выше, где вопросы облегчения изоляции стоят особенно остро, эта система нашла преимущественное распространение.

Заземление одной из фаз в такой системе ведет к ко­ роткому замыканию и отключению поврежденного участ­ ка сети.

Заземление нуля через настраивающуюся индуктив­ ность способствует уменьшению емкостного тока в месте замыкания провода фазы на землю и ускоряет процесс гашения дуги, а следовательно, сокращает длительность и величину дуговых перенапряжений.

Такая система применяется в сетях напряжением 35 кВ и ниже. Применение указанного способа заземле­

ния ограничивает величину и длительность воздействия перенапряжений и позволяет продолжать работу энерго­ установки при одной заземленной фазе.

Сети с изолированной нейтралью хотя и позволяют работать при заземлении одной фазы, но они способст­ вуют развитию внутренних перенапряжений при значи­ тельной емкости фаз на землю. Такие системы применя­ ются при напряжениях ниже 35 кВ в случаях малой ем­ кости сети относительно земли. При малом номинальном напряжении легче создать необходимый запас прочности изоляции для того, чтобы она работала в условиях по­ вышенных перенапряжений.

В сети с номинальным напряжением меньше 1000 В способ заземления нейтрали определяется в основном соображениями техники безопасности.

7-3. Испытательные напряжения аппаратов. Испытание изоляции

Изучение кратности внутренних перенапряжений по­ зволяет установить напряжения, которые должен выдер­ живать аппарат при испытаниях. Испытательное напря­ жение учитывает также возможность ухудшения изоля­ ции в аппаратах.

По своему характеру внутренние перенапряжения довольно полно могут быть отражены испытательным напряжением частотой 50 Гц. Низковольтные аппараты (t/H< 1000 В) общепромышленного применения не под­ вергаются воздействию атмосферных перенапряжений. Испытательные напряжения для низковольтных аппара­

Тяговые электрические аппараты работают в более тяжелых условиях, испытательные напряжения для этих аппаратов приведены в [Л. 4-4]. Комплектные распреде­ лительные устройства, собранные из отдельных аппара­ тов, имеют испытательные напряжения на 15% ниже приведенных в таблице при условии, что все установлен­ ные аппараты прошли полное испытание в соответствии с таблицей. Мощность испытательного оборудования вы­ бирается из расчета 0,5 кВ-А на 1000 В одноминутного испытательного напряжения. Катушки аппаратов "испы­ тываются путем приложения напряжения между их за-