Высоковольтные электрические аппараты (стр. 1 )

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Чувашский государственный университет имени »

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

АППАРАТЫ

Методические указания к лабораторным

и расчетно-графическим работам

Чебоксары

2013

УДК 621.311.2.06

Составители: ,

Высоковольтные электрические аппараты: метод. указания к лабораторным и расчетно-графическим работам / сост. , . Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та 2013.

Дана методика выполнения лабораторных работ по темам: высоковольтные коммутационные аппараты и их дугогасительные устройства; защитные аппараты; измерительные трансформаторы тока; измерительные трансформаторы напряжения; методика выполнения расчетно-графической работы на тему «Проверка выключателей по переходному восстанавливающемуся напряжению», а также приложение с вариантами заданий к расчетно-графической работе.

Для студентов электроэнергетического факультета III курса дневной формы обучения и II курса заочной формы обучения по направлению 140400 Электроэнергетика и электротехника; профиль подготовки 07 – Электроснабжение и 05 – Электроэнергетические системы и сети, 03 – Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем.

Ответственный редактор канд. техн. наук

доцент

Утверждено Учебно-методическим советом университета

1. Общие указания к лабораторным работам

Целью работ является самостоятельное изучение студентами вопросов дисциплины «Высоковольтные электрические аппараты», которые дополняют теоретическую часть, прежде всего изучение элементов конструкции высоковольтных электрических аппаратов.

План выполнения работ

На выполнение каждой работы отведено 4-часовое занятие в лаборатории «Высоковольтные аппараты РУ», используемое следующим образом:

1) проверка самостоятельной подготовки к занятиям;

2) изучение конструкций электрических аппаратов в соответствии с заданием к работе в лаборатории;

3) окончательное оформление отчета и сдача зачета по работе.

Подготовку к лабораторной работе и оформление предварительного отчета следует выполнять дома или в читальном зале. Очередность работ бригад студентов определяет график лабораторных работ, задаваемый преподавателем.

1. Самостоятельная подготовка к работе дома

Каждая лабораторная работа имеет раздел указаний, в которых студентам по теме предстоящей работы предлагается прочесть соответствующие параграфы глав учебников и учебных пособий и ответить на вопросы.

Список литературы приводится в конце методических указаний.

После изучения рекомендованных разделов литературы студент составляет предварительный отчет, включающий в себя ответы на поставленные вопросы, сопровождаемые рисунками, и представляет преподавателю в начале занятия при проверке им подготовленности студентов к занятию. Сам факт представления студентом отчета не является допуском его к работе, свою готовность к выполнению работы он должен доказать правильными ответами на предложенные преподавателем вопросы.

2. Оформление работ

Оформление работ рекомендуется выполнять на отдельных листах бумаги формата А4. Текст следует писать на обеих сторонах листа. Титульный лист должен иметь: в самом верху страницы название вуза и кафедры; ниже – номер лабораторной работы и ее наименование, а также дисциплины, по которой выполняется работа; в нижней правой части указывается номер группы, фамилия студента, написавшего отчет, и преподавателя, ведущего занятия.

Окончательный отчет представляет собой предварительный с добавлением материала, полученного при работе в лаборатории: рисунков конструкций, схем. Графические зависимости и векторные диаграммы рекомендуется вычерчивать на вкладных листах миллиметровки.

Если бригада защищает работу в день ее выполнения, то ответы на вопросы второго пункта и графики достаточно привести в одном отчете.

3. Правила техники безопасности

При выполнении работ необходимо строго выполнять правила техники безопасности, которые следует тщательно изучить.

Без предварительного инструктажа на рабочем месте, проводимого преподавателем, и проверки им собранной схемы подавать напряжение на стенд не разрешается. Факт проведения инструктажа фиксируется в журнале по технике безопасности (ТБ).

Лабораторная работа 1

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ КОММУТАЦИОННЫЕ

АППАРАТЫ И ИХ ДУГОГАСИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Цель: изучение принципа действия, конструкций и области применения высоковольтных выключателей, выключателей нагрузки и их дугогасительных устройств, разъединителей, короткозамыкателей, отделителей.

1. Подготовка к работе

При подготовке к лабораторной работе необходимо изучить теоретические положения по применению указанных выше электрических аппаратов и ответить на вопросы, используя [1. Гл. 12, § 12.1–12.6; Гл. 14, § 14.1, 14.2]; [2. Гл. 3, 4, 5, 6, 7]; [3. Гл. 4, § 4.5, 4.6].

1. Назначение коммутационных аппаратов: выключателей, выключателей нагрузки, разъединителей, отделителей и короткозамыкателей, используя [2. Гл. 2; Гл. 3, § 3.1, 3.9, 3.10, 3.12, 3.14]; [3. Гл. 4].

2. Условное графическое и буквенное обозначение коммутационных аппаратов на электрических схемах.

3. Места включения коммутационных аппаратов в схемах электроустановок и системах электроснабжения.

4. Номинальные параметры, характеризующие коммутационные аппараты.

5. Назначение дугогасительных устройств.

6. Способы гашения дуги в электрических аппаратах высокого напряжения.

7. Отключающая способность разъединителей, выключателей нагрузки.

Предварительный отчет должен содержать рисунки и однолинейные схемы электроустановок, поясняющие ответы на вопросы.

2. Работа в лаборатории

При выполнении работы в лаборатории студенты изучают конструкции выключателей, разъединителей, выключателей нагрузки, короткозамыкателей по имеющимся в лаборатории оригиналам аппаратов, вывешенным плакатам, а также по рисункам в учебниках, указанных в списке.

Предварительный отчет дополняется ответами на следующие вопросы:

1. Классификация высоковольтных выключателей по способу гашения дуги.

2. Классификация масляных выключателей.

3. Гашение дуги в масляных выключателях.

4. Сравнить конструкции и номинальные параметры маломасляных выключателей типа ВМГ–133, ВМП–10, ВМК–10, представленных на стенде в лаборатории.

5. Номинальные параметры и контактная система маломасляных выключателей типа МГГ и МГ.

6. Маломасляные выключатели на напряжение 110 и 220 кВ.

7. Чем вызвана замена маломасляных выключателей 6 –10 кВ на вакуумные и элегазовые выключатели?

8. Баковые масляные выключатели, их конструкция, достоинства, недостатки, область применения.

9. Конструкции воздушных выключателей, их достоинства, недостатки, область применения.

10. Конструкция вакуумных выключателей, их достоинства, недостатки, область применения.

11. Элегазовые выключатели: их конструкция, способ гашения дуги. Особенности элегаза (SF6). Область применения, достоинства и недостатки элегазовых выключателей.

12. Электромагнитные выключатели: способ гашения дуги, область применения.

13. Конструкция выключателя нагрузки, способ гашения дуги, контактная система.

14. Назначения разъединителей, их классификация.

15. Отделители и короткозамыкатели: их конструкция, назначение.

Лабораторная работа 2

ЗАЩИТНЫЕ АППАРАТЫ: ПЛАВКИЕ

ПРЕДОХРАНИТЕЛИ И РАЗРЯДНИКИ

Цель: изучение студентами назначения, принципов действия конструкций и области применения плавких предохранителей и разрядников.

1. Подготовка к работе

Каждый студент бригады самостоятельно изучает соответствующие разделы учебника по плавким предохранителям и разрядникам [1. Гл. 14, §14.3; Гл.15, §15.4]; [3. Гл. 21, §21.5]; [2. Гл.8; 12, §12.1–12.3] и письменно отвечает на вопросы:

1. Назначение плавких предохранителей и разрядников.

2. Принцип действия плавких предохранителей и разрядников.

3. Защитная характеристика плавкого предохранителя. Понятие минимального и номинального токов плавкой вставки.

4. Определение номинального тока предохранителя.

5. Процесс работы предохранителя.

6. Область применения предохранителей, их достоинства и недостатки.

7. Типы предохранителей.

8. Типы разрядников, их вольт-секундные характеристики.

9. Места включения предохранителей в схемах электроустановок.

10. Места подсоединения разрядников в электрических схемах.

11. Достоинства и недостатки разрядников разных типов.

12. Номинальные параметры предохранителей и разрядников.

13. Условное графическое обозначение предохранителей и разрядников в электрических схемах.

Предварительный отчет должен содержать рисунки, поясняющие ответы на вопросы.

2. Работа в лаборатории

Работа в лаборатории заключается в изучении конструкций всех типов предохранителей и разрядников, выставленных на стендах и представленных на плакатах. После этого предварительный отчет дополняется ответами на вопросы:

1. Различие в конструкции плавких предохранителей напряжением до 1000 В и выше [1. Гл.12, §12.3; Гл.14, §14.1].

2. Кварцевые предохранители. Требования, предъявляемые к наполнителю, гашение дуги в кварцевых предохранителях.

3. Токоограничивающее действие кварцевых предохранителей.

4. Устройство, принцип действия и типы предохранителей, применяемых для защиты измерительных трансформаторов напряжения.

5. Газогенерирующие предохранители.

6. Отключающая способность предохранителей.

7. Схемы включения предохранителей для защиты трансформаторов.

8. Устройство трубчатых и вентильных разрядников. Область применения вентильных и трубчатых разрядников.

9. Гашение дуги сопровождающего тока в трубчатом разряднике.

10. Гашение дуги сопровождающего тока в вентильных разрядниках.

11. Требования, предъявляемые к рабочему сопротивлению вентильных разрядников.

12. Ограничители перенапряжения: их конструкция, принцип действия.

Лабораторная работа 3

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА

Цель: изучение студентами принципа работы, конструкции и особенностей измерительных трансформаторов тока [1. Гл. 17]; [2. Гл.9], [3. Гл.4, § 4.8].

1. Подготовка к работе

Перед студентами ставится задача самостоятельного изучения теории измерительных трансформаторов и составления предварительного отчета. Предварительный отчет составляется каждым студентом в отдельности после изучения литературы и представляет собой письменный ответ на вопросы:

1. Назначение трансформаторов тока.

2. Номинальные параметры трансформаторов тока.

3. Условное графическое и буквенное обозначение трансформаторов тока на электрических схемах.

4. Места включения трансформаторов тока в схемах электроустановок.

5. Схема замещения и векторная диаграмма трансформатора тока.

6. Особенности режима работы трансформаторов тока.

7. Почему нельзя размыкать вторичную обмотку трансформатора тока?

8. Маркировка зажимов трансформаторов тока.

9. Классификация трансформаторов тока.

10. От чего зависят погрешности в работе измерительных трансформаторов тока?

11. Как зависят погрешности трансформатора тока от первичного тока, нагрузки, конструкции и материала магнитопровода?

12. Какие меры уменьшения погрешностей в работе применяют в трансформаторах тока?

13. Привести схемы подключения амперметров к трансформаторам тока.

14. Какие приборы подключаются к измерительным трансформаторам тока в цепях: 1) отходящих кабельных линий; 2) генераторов; 3) повышающих трансформаторов; 4) трансформаторов собственных нужд; 5) воздушных линий?

15. Нарисовать схему подключения ваттметра и счетчика к трансформаторам тока.

Ответы на вопросы следует дополнять соответствующими рисунками и схемами.

2. Работа в лаборатории

За время работы в лаборатории студентам необходимо изучить конструкции трансформаторов тока: одновитковых – стержневых, шинных, встроенных; многовитковых – катушечных, петлевых и восьмерочных. При изучении конструкции трансформатора тока необходимо в окончательном отчете привести эскизы трансформаторов тока и описать особенности их выполнения.

Необходимо ответить на следующие вопросы:

1. Как достигается механическая прочность конструкции трансформатор тока типа ТПФМ?

2. Каковы достоинства одновиткового трансформатора тока типа ТПОФ-10 по сравнению с многовитковым ТПФМ и каковы его недостатки?

3. Для чего у трансформатора тока две вторичные обмотки и чем они отличаются?

4. В чем состоит отличие двух одновитковых трансформаторов тока, имеющих одинаковые классы точности, но различные номинальные первичные токи?

5. Каковы преимущества и недостатки шинных трансформаторов тока?

6. Какова конструкция трансформатора тока на напряжение 110 кВ и выше?

Лабораторная работа 4

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

НАПРЯЖЕНИЯ

Цель: изучение студентами принципа работы, конструкций и особенностей измерительных трансформаторов напряжения.

1. Подготовка к работе

Перед студентами ставится задача самостоятельного изучения теории измерительных трансформаторов напряжения и составления предварительного отчета. Предварительный отчет составляется каждым студентом в отдельности после изучения литературы и представляет собой письменные ответы на вопросы с использованием [1. Гл.16]; [2. Гл.10]; [3. Гл.4, § 4.9].

1. Назначение трансформаторов напряжения.

2. Условное графическое и буквенное обозначение трансформатора напряжения на электрических схемах.

3. Места включения трансформаторов напряжения в схемах электроустановок.

4. Схема замещения и векторная диаграмма трансформатора напряжения.

5. Особенности режимов работы трансформаторов напряжения.

6. Почему нельзя закорачивать вторичную обмотку в трансформаторе напряжения?

7. Маркировка зажимов трансформаторов напряжения.

8. Классификация трансформаторов напряжения.

9. Понятие, векторные диаграммы и особенности работы сети с изолированной нейтралью.

10. От чего зависят погрешности в работе измерительных трансформаторов напряжения?

11. Показать путем построения векторной диаграммы изменение погрешностей трансформатора напряжения в зависимости от вторичной нагрузки, первичного напряжения.

12. Какие способы снижения погрешностей в работе применяют в трансформаторах напряжения?

13. Какие напряжения подлежат измерению?

14. Каким образом можно замерять фазные, линейные напряжения и напряжения нулевой последовательности, применяя однофазные и трехфазные трансформаторы напряжения?

15. Какие приборы подключаются к измерительным трансформаторам напряжения в цепях: 1) отходящих кабельных линий; 2) генераторов; 3) повышающих трансформаторов; 4) трансформаторов собственных нужд; 5) воздушных линий? [1. Гл.32, §32.5].

16. Нарисовать схему подключения ваттметра и счетчика к трансформаторам напряжения.

Ответы на вопросы рекомендуется дополнять соответствующими рисунками и схемами.

2. Работа в лаборатории

За время работы в лаборатории студентам необходимо изучить конструкции трансформаторов напряжения. При изучении конструкций трансформаторов напряжения необходимо в окончательном отчете привести эскизы трансформаторов напряжения и описать особенности их выполнения. Изучить конструкции трансформаторов напряжения: НОМ, ЗНОЛ, НТМИ, НАМИ, НТМК, НКФ. Изучить метод контроля изоляции с помощью трансформатора напряжения НТМИ-6 в схеме, приведенной на стенде. Кроме того, необходимо ответить на следующие вопросы:

1. Почему на крышку трансформатора напряжения типа НТМК не выведена нулевая точка первичной обмотки?

2. Каково устройство магнитопровода трансформатора напряжения типа НТМИ и назначение его обмоток?

3. Область применения трансформаторов напряжения типа НТМИ, НАМИ, 3хЗНОЛ.

Эскизы и ответы на вопросы при работе в лаборатории достаточно иметь в одном окончательном отчете, если бригада защищает работу в день ее выполнения.

2. РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ работА

Проверка выключателей по переходному

восстанавливающемуся напряжению

При выборе выключателей по отключающей способности следует производить его проверку по переходному восстанавливающемуся напряжению (ПВН). Восстанавливающееся напряжение возникает на контактах выключателя при отключении переменного синусоидального тока в момент прохождения его через ноль и погасании дуги. Появление восстанавливающегося напряжения обусловлено наличием емкости в цепи отключения: когда на контактах выключателя Q горит дуга, емкость закорочена и разряжена (рис.1). При обрыве дуги емкость С расшунтировалась и начался процесс зарядки емкости от источника по цепи, состоящей из индуктивности L и резистора R. Возникает колебательный процесс восстановления напряжения на емкости С и напряжение на емкости UС – это и есть ПВН на контактах выключателя, т. е. Uвосст = UС .

Рассмотрим упрощенно процесс отключения тока трехфазного КЗ в одной из фаз идеальным выключателем, у которого сопротивление дуги равно нулю, а после ее погасания сопротивление промежутка между контактами мгновенно достигает бесконечности.

Кроме того, принимаются следующие допущения:

1) короткое замыкание достаточно удалено от источников, поэтому амплитуда ЭДС источника остается всегда постоянной величиной: Umax = const;

2) апериодическая составляющая тока КЗ затухла к моменту размыкания контактов выключателя и отключается синусоидальный ток трехфазного КЗ;

3) не учитывается активная проводимость фазы относительно земли и активное сопротивление, включаемое параллельно контактам Q (q≈0).

Расчетная схема и схема замещения приведены на рис.1,а,б.

Наряду с источником синусоидального напряжения U = Umax sin (ωt+α) (рис. 1,б) приведены: L и R — индуктивное и активное сопротивления цепи КЗ; CΣ — результирующая емкость проводников и элементов оборудования самой подстанции и кабельной (воздушной) сети, питающейся от подстанции.

а

б

Рис. 1. Расчетная схема (а) и схема замещения

(б) электрической сети

Процесс восстановления напряжения начинается, когда ток проходит через ноль. Этот момент времени мы и примем за начало отсчета (t0=0).

Левая часть, состоящая из источника и R-L-C цепочки, отделяется от закоротки, и процесс восстановления напряжения на емкости С описывается дифференциальным уравнением

где U(t) = Um sin (ωt+α) — напряжение источника питания в функции времени.

Решение дифференциального уравнения состоит из частного решения (дает принужденную составляющую) и общего решения (дает свободную составляющую), т. е.

UС t = UС пр + UС св,

где UС пр – восстанавливающееся напряжение промышленной частоты, т. е. это практически напряжение источника, если не учитывать потери напряжения в элементах схемы L и R из-за малого значения. Поэтому принимаем UС пр= U(t).

Для нахождения свободной составляющей решаем уравнение следующего вида:

Освободившись от интеграла, получаем дифференциальное уравнение 2-го порядка:

Освободившись от коэффициента L в первом слагаемом уравнения и проведя замену , получим характеристическое уравнение 2-го порядка:

,

корни которого

где b — коэффициент затухания свободной слагающей напряжения и тока; ωсв — угловая частота свободных колебаний;

(так как ).

В электрических сетях с реальными параметрами корни комплексные и сопряженные.

Решение для свободной слагающей имеет вид

UС cв t = A ℮ –bt sin (ωсв t + γ) ,

где A и γ – постоянные интегрирования, определяемые из начальных условий.

Коэффициент А легко определить, используя теорему коммутации для емкостной цепи:

А = Ucв. нач = UС (–0) – UС (+0),

где UС (–0) — мгновенное значение напряжения на емкости в установившемся режиме до коммутации (гашение дуги); UС (+0) — мгновенное значение напряжения на емкости в установившемся режиме после коммутации с учетом принятых допущений имеем

UС (–0) = 0, UС (+0) = Um.

Тогда уравнения для расчета свободной слагающей напряжения на емкости будет иметь вид

UС св = – Um ℮ –bt sin (ωсв t · 57о + γ).