ответы. ЭиЭА. Вопросы к экзамену по предмету Эиэа нагревание проводников постоянным и переменным током, поверхностный эффект, эффект близости
 Скачать 467.74 Kb.
|
|
Режим замыкания. В этом режиме возможны следующие процессы: 1) вибрация контактов, 2) эрозия контактов. При замыкании подвижный контакт приближается к неподвижному контакту с определенной скоростью. При соударении происходит упругая деформация материала обоих контактов Это приводит к отбросу подвижного контакта, и он отскакивает от неподвижного на десятые или сотые доли миллиметра. Под действием контактной пружины происходит повторное замыкание контактов. Этот процесс может повторяться несколько раз с затухающей амплитудой (рис. 9). При каждом отбросе между контактами возникает электрическая дуга, вызывающая износ контактов в виде оплавления и распыления материала контактов. Для уменьшения вибрации контактная пружина должна иметь предварительное сжатие при разомкнутых контактах. В момент кассания контактов сила нажатия возрастает не из нуля, а от величины предварительного нажатия. Увеличение жесткости контактной пружины способствует уменьшению вибрации. На вибрацию контактов влияет момент инерции, с ростом которого вибрация усиливается. При протекании больших токов через контакты вибрация усиливается из-за возникновения электродинамических усилий (ЭДУ), отбрасывающих контакты. Поэтому, для компенсации действия ЭДУ, необходимо увеличивать нажатие контактных пружин. В режиме замыкания контактов, по мере приближения подвижного контакта к неподвижному, возрастает напряженность электрического поля между контактами и при определенном расстоянии происходит пробой межконтактного промежутка. В аппаратах низкого напряжения пробой возникает при очень малом расстоянии и в дуговую форму разряд не переходит, так как подвижный контакт продолжает двигаться и замыкает контакт. Однако пробой промежутка вызывает перенос металла с одного контакта на другой (с анода на катод). Происходит физический износ или эрозия. В аппаратах высокого напряжения, при сближении контактов, пробой происходит при больших расстояниях. Возникшая дуга горит относительно долго, при этом возможно сваривание контактов. Для устранения пробоя применяют несколько разрывов, последовательно соединенных между собой. Режим замкнутого состояния. В этом режиме возможны два случая: 1) через контакты проходит длительное время номинальный ток; 2) через контакты проходит ток короткого замыкания. При длительном номинальном токе на переходном сопротивлении контакта выделяется мощность, которая вызывает нагрев контакта. Это приводит к размягчению и плавлению материала контактов. Поэтому, контакт характеризуется двумя точками (рис. 10): точкой размягчения (рекристаллизации) с параметрами Uк1 и θк1(Uк1 – падение напряжения, θк1 – температура) и точка плавления с параметрами Uк2 и θк2,. Для надежной работы контактов необходимо, чтобы при номинальном токе Iн падение напряжения на переходном сопротивле- нии было меньше допустимого Iн Rп < Uкдоп = (0.5 - 0.8) Uк1. (6) При коротком замыкании через контакты проходят токи в 10…20 раз превышающие номинальные значения. Из-за малой постоянной времени нагрева температура контактной площадки практически мгновенно повышается. Это может привести к свариванию контактов. Режим размыкания контактов. При размыкании сила нажатия уменьшается, переходное сопротивление возрастает и растет температура точек касания. В момент разъединения контактов температура достигает температуры плавления и между контактами возникает мостик из жидкого металла. При дальнейшем движении контактов мостик взрывается и, в зависимости от параметров отключаемой цепи, возникает либо дуговой разряд, либо тлеющий. При возникновении дугового разряда температура катодного и анодного пятен дуги достигает точки плавления материалов. Высокая температура контактов приводит к их интенсивному окислению, распылению материала контактов в окружающем пространстве, переносу материала с одного электрода на другой и образованию пленок. Все это влечет за собой износ контактов. 15. Электродинамические усилия в контактах и способы их компенсации. Явление дребезга контактов, его последствия. При коротком замыкании происходит не только резкое увеличение тока, но и увеличение переходного сопротивления контакта из-за ослабления контактного нажатия, вызываемого электродинамическими силами- электродинамического отброса. Возникающая при отбросе контактов дуга вызывает большое оплавление рабочих поверхностей и их сваривание при замыкании. В аппаратах на большие токи, в частности в автоматических выключателях, стремятся так выполнить контактную систему, чтобы компенсировать или ослабить действие электродинамических сил за счёт рычажных контактов, пружин, компенсаторов, удерживающих контакты за счёт усилий. Для погасания дуги необходимо, чтобы при любом значении тока вольт-амперная характеристика дуги должна на всем своем протяжении лежать вьше характеристики U - iR не иметь с этой характеристикой ни одной точки соприкосновения. Следует иметь в виду, что под вольт-амперными характеристиками дуги здесь надо понимать динамические характеристики. Для каждого материала существуют определённые, характерные для него падения напряжения на контактах, при которых температура контактного пятна достигает значений, определяющих фазовое состояние материала. Так как температуре рекристаллизации соответствует напряжение размягчения материала U р , а температуреплавления.-U пл Для надёжной работы контактов необходимо, чтобы при номинальном токе падение напряжения на переходном сопротивлении R конт. было меньше U р:: для расчета контактов на малые токи используется формула : I ном R конт ≤ (0,5…0,8) U р Использование контактов при условииU к Поэтому в аппаратах, работающих на больших номинальных токах и в режиме КЗ, не исключено расплавление контактного пятна в замкнутом состоянии, что может привести к свариванию контактов. В конструкциях всех электромеханических устройств, предназначенных для замыкания-размыкания цепей, существует одна или несколько контактных пар. С их помощью происходит коммутация соответствующих электрических компонентов. Существенным недостатком электромеханических контактов являются произвольные неконтролируемые многократные повторы коммутации, вследствие упругости элементов контактной системы. Это явление получило название – дребезг контактов, а борьбу с ним ведут практически с того момента когда появились первые элементы автоматизированных систем. При взаимодействии упругих тел возникает деформация. Сила упругости возвращает первоначальную форму деформированного предмета, в результате чего он получает некий импульс движения. Иллюстрацией может служить металлический шарик, падающий на стальную плиту. Сила упругости возвращает его в положение, близкое к изначальному, откуда шарик снова падает на плиту и процесс повторяется. Происходит колебательное движение с затухающей амплитудой. Аналогичные колебания происходят при соприкосновении твердых контактов, с той лишь разницей, что вместо силы тяжести на них действует упругость пружины или пластины. Амплитуда колебаний подвижных контактов, естественно, очень незначительная, но её вполне достаточно для провоцирования серии процессов кратковременного размыкания цепи. Результатом колебаний являются импульсы, в промежутке после нажатия и следующие сразу за отпусканием кнопки. 16. Конструкции и особенности контактов 1) Неразмыкаемые контакты. Применяются для жесткого соединœения между собой отдельных токоведущих частей. Конструктивно обеспечивают надежное прижатие и минимальное переходное сопротивление. 2) Коммутирующие контакты. Основной элемент коммутирующих аппаратов – переключатели. В контактах на малые токи стремятся иметь одноточечное контактирование, чтобы при малых нажатиях получить высокое контактное давление в контактной точке. При более значительных токах конструкция должна обеспечить многоточечное контактирование. Контактные узлы при средних и больших токах: 1) Рычажные 2) Мостиковые 3) Врубные 4) Роликовые 5) Торцовые 6) Розеточные Могут быть одноступенчатыми и много ступенчатыми. Одноступенчатыми – когда контактная пара служит как для продолжительного проведения тока во включенном положении, так и для разрыва дуги при размыкании. Многоступенчатые контактные системы состоят из параллельно включенных главных и дугогасительных контактов. Главные – из серебра и служат для продолжительного проведения тока. Дугогасительные контакты выполняют из дугостойких материалов, так как они принимают на себя всю тяжесть размыкания и замыкания. Замыкаются сначала дугогасительные, затем главные. При размыкании размыкаются главные, затем дугогасительные. Рычажные контакты применяются в поворотно-подвижных системах. Мостиковые контакты применяются с прямоходовой подвижной системой, но требуется двойное контактное усилие по сравнению с рычажными контактами. Медные контакты не применяются. Используются контакты из серебра и металлокерамики. Врубные контакты используются в рубильниках и выключателях. Рассчитаны на небольшие токи. Состоят из неподвижной контактной стойки в которую входит подвижный нож. Нажатие осуществляется за счет упругих свойств материала стоек из специальной бронзы. При перегреве, а так же при частых включениях, пружинящие свойства контактов ослабевают и контакт нарушается. Для устранения этого недостатка в вырубных контактах на большие токи применяют стальные пружины. В конструкции вырубных контактов соприкосновение происходит по поверхности и небольшой перекос контактных поверхностей вызывает резкое увеличение переходного сопротивления. В высоковольтных переключателях применяют ламельные контакты. Подвижный контакт выполнен из отдельных ламелœей, ᴛ.ᴇ. пружин. Их может быть несколько пар. Неподвижный контакт выполнен клинообразным. Розеточные контакты состоят из контактного стержня – подвижного контакта и ряда сегментов с пружинами (ламелями) образующих неподвижный контакт. Розеточные контакты применяют преимущественно в качестве главных. Вырубные и розеточные конструкции не могут отключать значительные токи, возникающая при этом дуга нарушает контактные поверхности, на них появляются оплавления. Для отключения значительных токов применяют ряд параллельно включенных дугогасительных контактов. В роликовых контактах между двумя неподвижными контактами закатывается подвижный ролик, который перемыкает неподвижные контакты. Ролик может иметь цилиндрическую или сферическую поверхность, следовательно будет либо линейный, либо точечный контакт. При параллельном включении роликов получается многоточечный контакт на большие токи. Роликовый контакт применяют в качестве главного. Торцевые контакты выполняются в виде сплошных металлических стержней или полых труб. Контакты имеют большое переходное сопротивление и требуют большого усилия. Используются как дугогасительные. Скользящие контакты осуществляют передачу тока без обрыва цепи с неподвижной контактной детали на подвижную. В аппаратах низкого напряжения применяются в реостатах и контроллерах. 17. Коммутирующие контакты, в т.ч. многоступенчатые Такие контакты являются основным элементом коммутационных аппаратов. В контактах на малые токи имеется одноточечное контактирование при значительных токах конструкция должна обеспечивать многоточечное контактирование. В одноступенчатомконтакте контактная пара служит как для проведения тока во включённом положении, так и для разрыва дуги при размыкании. Многоступенчатые контактные системы состоят из параллельно включаемых основных и дугогасительных контактов. Основные контакты выполняются из серебра и служат для продолжительного протекания тока. Дугогасительные выполняются из дугостойких материалов и играют основную роль при вкл. и откл. аппаратов. Замыкаются контакты в след очередностях: сначала замыкаются дугогасительные, затем основные. Контактные узлы на средние и большие токи могут подразделятся на -рычажные(происходит перекатывание и проскальзывание контактов при замыкании и размыкании; проскальзывание приводит к стиранию оксидной плёнки и к самоочищению контактов) -мостиковые (кнопки), - врубные (рубильник), роликовые, торцовые, щёточные, розеточные. -Скользящие контакты- эти конструкции осуществляют передачу тока без обрыва цепи с неподвижной контактной детали на подвижную. Они могут выполнятся с роликовыми, рычажными, мостиковыми и другими контактами. Разновидностью скользящего является шарнирныйконтакт он одновременно обеспечивает и механическую связь между деталями. В аппаратах низкого напряжения скользящие соединения широко применяются в реостатах и контроллерах. 18. Включение электрической цепи постоянного и переменного тока. Законы изменения токов Электрическая цепь – это совокупность различных объектов и устройств, которые образуют путь для нормального протекания электрического тока. Электромагнитные процессы в цепях могут описываться при помощи понятий об электродвижущей силе, электрическом токе и электрическом напряжении. Для того чтобы проводить расчеты и анализ, электрическую цепь можно представить в виде электрической схемы, которая состоит из условных обозначений ее элементов и способов их соединения. Все устройства и элементы, которые входят в состав электрической цепи, условно можно классифицировать на несколько групп: Источники электрического питания (энергии). Общее свойство всех источников питания – это преобразование любых видов энергии в электрическую. Источники, в которых осуществляется трансформация неэлектрической энергии в электрическую, называются первичными. Вторичными источниками являются те, в которых и на выходе, и на входе электрическая энергия. В качестве примера можно привести выпрямительные устройства. Потребители электроэнергии. Общее свойство всех потребителей электрической энергии – это трансформация электроэнергии в другие виды энергии. Пример – нагревательный прибор. Иногда потребители электроэнергии называют нагрузкой. Вспомогательные элементы электрической цепи. Сюда можно отнести коммуникативные устройства, соединительные провода, защитную аппаратуру, а также измерительные приборы, без которых электрическая цепь не функционирует. Все элементы электрической цепи охватываются одним электромагнитным процессом. Электрическая цепь с постоянным током В электрической цепи постоянного тока электродвижущая сила, которая направлена внутрь источника электроэнергии от отрицательного полюса к положительному, возбуждает электрический ток такого же направления. Его можно определить по закону Ома для всей цепи: I=ER+RBT, где: R - это сопротивление внешней цепи, которая состоит из соединительных проводов и приемника; RBT - сопротивление внутренней цепи, которая состоит из источника электрической энергии. Если все элементы электрической цепи и их сопротивления не зависят от направления и значения тока и электродвижущей силы, то такие элементы называют линейными. Стоит отметить, что в одноконтурной постоянной электрической цепи, что имеет один источник электрической энергии, ток прямо пропорционален электродвижущей силе и обратно пропорционален сопротивлению цепи. Из этого следует, что E−RBTL=RI, откуда: I=(E–RBTl)R или I=UR, где: U=E–RBTl - это напряжение источника электроэнергии, которое направляется от положительного полюса к отрицательному. При неизменной электродвижущей силе, напряжение зависит только от электрического тока, который определяет падение напряжения RBTl внутри источника электроэнергии, но только в том случае, если сопротивление внутренней электрической цепи RBT=const. Выражение I=UR - это закон Ома для участка электрической цепи, к зажимам которого приложено напряжение U, что совпадает с электрическим током I этого же участка цепи. Зависимость напряжения от электрического тока U(I) при E−const и RBT=const называется внешней (вольтамперной характеристикой линейного источника электроэнергии). По данной характеристике можно определить соответствующее напряжение для любого тока, а по формулам, что приведены ниже, - рассчитать мощность приемника электроэнергии: P2=RI2=E2R(R+RBT)2 Мощность источника электроэнергии: P1=(R+RBT)I2=E2R+RBT КПД установки в цепи постоянного тока: η=P2P1=RR+RBT=11+RBTR Точка Х вольтамперной характеристики источника электроэнергии соответствует режиму холостого хода при разомкнутой электрической цепи. В таком случае электрический ток lX=0, а напряжение UX=E. Точка К необходима для того, чтобы охарактеризовать режим короткого замыкания, который возникает при соединении зажимов источников электроэнергии. Внешнее сопротивление приравнивается нулю R=0. В этом случае формируется электрический ток короткого замыкания IK=ERBT, который в несколько раз превышает номинальный ток IHOM. Это случается по причине того, что внутреннее сопротивление источника электроэнергии Точка С соответствует согласованному режиму, при котором сопротивление внешней электрической цепи приравнивается сопротивлению внутренней цепи RBT источника электроэнергии. В таком режиме формируется электрический ток Ic=E2RBT внешней цепи и отвечает наибольшей мощности R2max=E24RBT. Коэффициент полезного действия в таком случае приравнивается нулю: ηc=0. Учитывая все вышеизложенное, согласован режим, при котором: P2P2max=4R2(R+RBT)2=1 и Ic=E2R=1 Режимы электрических цепей в электроэнергетических установках значительно отличаются от согласованного режима и характеризуются токами, которые обуславливают сопротивление приемников R и RBT. В результате этого работа систем на высоком КПД. Изучение явлений, которые протекают в электрических цепях, упрощается, если происходит их замена на схемы замещения. Эти схемы представлены в виде математических моделей с идеальными элементами. Данные схемы подробно отображают свойства электрической цепи и при соблюдении конкретных условий делают анализ электрического состояния цепей значительно проще. Электрическая цепь с переменным током Практически во всех случаях электрическая энергия производится, перераспределяется и потребляется в виде электрической энергии переменного тока. Электрические цепи, в которых направление электродвижущей силы, тока и напряжения периодически изменяются по синусоидальному закону, получили название «цепи синусоидального тока». Иногда их называют цепями переменного тока. Для переменного тока выбирается синусоидальная форма, поскольку она обеспечивает экономное производство, распределение, использование и передачу электрической энергии. Именно переменная форма электрических величин остается неизменной во всех участках цепи. Иными словами, все емкостные и индуктивные элементы, которые входят в состав электрической цепи, не меняют синусоидальной формы напряжения и тока. Электрические цепи с переменным током, по сравнению с цепями постоянного тока, имеют множество особенностей, которые определяются: в первую очередь тем, что в состав электрических цепей переменного тока входят новые элементы: конденсаторы, трансформаторы, индуктивные катушки; тем, что переменный ток и напряжение в данных элементах порождают переменные магнитные и электрические поля, которые приводят к формированию явления самоиндукции, токов смещения и взаимной индукции. Все вышеперечисленные особенности оказывают ощутимое воздействие на процессы, протекающие в электрической цепи. Анализ процессов в таких цепях значительно усложняется. Большое значение для цепи переменного тока играет частота f. От ее значения зависит влияние индуктивностей и емкостей на процессы в электрической цепи. Особенности цепей переменного тока обуславливают ряд специфических и новых явлений: явление резонанса; сдвиг фаз; возникновение реактивных мощностей. 19. Ток КЗ. Периодическая и апериодическая составляющая. При наступлении режима КЗ постоянные токовые величины подвергаются существенным изменениям. В самое первое мгновение появляется так называемая апериодическая составляющая тока короткого замыкания, которая достаточно быстро угасает и принимает нулевое значение. Данный временной интервал, когда наблюдаются эти перемены, представляет собой переходный период, определяемый в числовом выражении. Пока аварийное состояние тока не будет отключено, работа электрической сети производится в установившемся режиме короткого замыкания. Подобное состояние тока возникает в момент короткого замыкания. Его продолжительность и характеристики могут быть разными, в зависимости от многих факторов. Например, при наличии у двигателя демпферной обмотки, апериодическая составляющая тока короткого замыкания будет ниже, чем при ее отсутствии. Вначале возникает сверхпереходный ток, который вначале становится просто переходным, и лишь потом он начинает затухать. Во время двухфазного замыкания, в статоре не появляются скачкообразные изменения тока. В подобных ситуациях, на холостом ходе возникает апериодическая составляющая, параметры которой совпадают с начальной величиной переменной компоненты. Поскольку ток КЗ внутри статора является однофазным, в отдельных случаях появление апериодической компоненты полностью исключается. В двигателях асинхронного типа этот показатель не учитывается, поскольку данные процессы очень быстро затухают. Он не принимается во внимание даже при расчетных вычислениях ударных токов КЗ. Сама по себе апериодическая компонента не может быть рассмотрена, поскольку она является одной из составных частей тока короткого замыкания. В электрической сети присутствуют сопротивления индуктивного характера, не дающие току мгновенно изменяться в момент появления КЗ. Рост нагрузочного тока проистекает не скачкообразно, а согласно определенных законов, предполагающих переходный период от нормального к аварийному значению. Расчетно-аналитическая работа значительно упрощается, когда ток КЗ во время перехода рассматривается как две составные части – апериодическая и периодическая. Если в расчетах используются многоконтурные схемы, тогда на апериодическую составляющую не действует экспоненциальный закон временного изменения. Фактически, она выглядит в виде суммы токов, каждый из которых является экспоненциальной временной функцией и угасает в различные интервалы времени. Количество таких компонентов в цепях с активными и индуктивными ветвями, совпадает с численностью независимых контуров. В этом случае апериодические составляющие могут быть вычислены с использованием специальных систем дифференциальных уравнений, учитывающих все активные и индуктивные сопротивления. Методика расчетов во многом зависит от того, как выглядит изначальная схема расчетов, и где расположена рассчитываемое место КЗ. 20. Виды электрического разряда Разряд электрического тока – это физический процесс, который характеризуется наличием потока заряженных частиц между двумя пространственными областями, имеющими разный потенциал в газовой среде. Разность потенциалов обеспечивает направленное движение заряда. Если она превышает некоторое пороговое значение, то несамостоятельный разряд переходит в самоподдерживающийся или самостоятельный. Что касается свободных носителей заряда, то в любом газе они всегда присутствуют. Их концентрация, естественно, зависит от ряда внешних факторов и свойств самого газа, но сам факт их наличия является бесспорным. Связано это с существованием таких источников ионизации нейтральных атомов и молекул, как ультрафиолетовые лучи от Солнца, космическое излучение и естественная радиация нашей планеты. Соотношение между разностью потенциалов и концентрацией носителей определяет характер разряда. Приведем список этих видов, а затем подробнее охарактеризуем каждый из них. Итак, все разряды в газовых средах принято разделять на следующие: тлеющий; искровой; дуговой; коронный. Физически они отличаются друг от друга лишь мощностью (плотностью тока) и, как следствие, температурой, а также характером их проявления во времени. Во всех случаях речь идет о переносе положительного заряда (катионы) к катоду (область низкого потенциала) и отрицательного заряда (анионы, электроны) к аноду (зона высокого потенциала). Коронный и тлеющий разряды особой опасности не представляют для человека, поскольку они характеризуются низкими токами (миллиамперы). Два других из вышеназванных разрядов являются смертельно опасными в случае прямого контакта с ними. Электрическая дуга представляет собой электрический разряд в среде (воздух, вакуум, элегаз, трансформаторное масло) с большим током, низким напряжением, высокой температурой. Это явление как электрическое, так и тепловое. Может возникать между двумя контактами при их размыкании. В начале горения дуги преобладают процессы ионизации, когда дуга устойчива, то процессы ионизации и деионизации происходят одинаково часто, как-только процессы деионизации начинают преобладать над процессами ионизации - дуга гаснет. термоэлектронная эмиссия - электроны отрываются от раскаленной поверхности катодного пятна; автоэлектронная эмиссия - электроны вырываются с поверхности из-за высокой напряженности электрического поля. ионизация толчком - электрон вылетает с достаточной скоростью и в пути сталкивается с нейтральной частицей, в результате образуется электрон и ион. термическая ионизация - основной вид ионизации, поддерживает дугу после её зажигания. Температура дуги может достигать тысяч кельвинов, а в такой среде увеличивается число частиц и их скорости, что способствует активным процессам ионизации. рекомбинация - образование нейтральных частиц из противоположно заряженных при взаимодействии диффузия - положительно заряженные частицы отправляются “за борт”, из-за действия электрического поля дуги от середины к границе Бывают ситуации, когда при размыкании контактов дуга не загорается, тогда говорят о безыскровом разрыве. Такое возможно при малых значениях тока и напряжения, или при отключении в момент, когда значение тока проходит через ноль. Дуга может возникать как при постоянном токе-напряжении, так и при переменном. Начнем рассмотрение с постоянки:  |