Кафедра электроснабжения промышленных предприятий

 

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ

УСТРОЙСТВ ДО И ВЫШЕ 1000 ВОЛЬТ

 

Методические указания и задания  к выполнению

лабораторных работ для студентов всех форм

обучения специальности 050718- Электроэнергетика 

 

 

Алматы 2008

СОСТАВИТЕЛЬ: В.Б. Фадеев. Электрооборудование распределительных устройств до и выше 1000 вольт.

 Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов всех форм  обучения специальности 050718 – Электроэнергетика. - Алматы: АИЭС, 2008. – .16 с.  

Методические указания  содержат рекомендации по подготовке к выполнению лабораторных работ, выполняемых как с использованием реальных физических объектов, так и компьютерного моделирования.        Приведены варианты индивидуальных  заданий по выполнению работ. Дана методика проведения работ и методика обработки экспериментальных данных, имеющих  стохастический характер с применением ЭВМ, перечень рекомендуемой литературы и контрольные вопросы.

Все лабораторные работы составлены с использованием элементов НИРС.

Ил. 9, табл. 3, библиогр.- 2 назв.

Содержание

 

1Лабораторная работа №1. Исследование защитных характеристик плавких предохранителей...................

4

2.Лабораторная работа №2. Исследование защитных характеристик автоматических выключателей.

12

Литература

16

 

1 Лабораторная работа № 1. Исследование защитных характеристик плавких предохранителей

Цель работы:  изучение конструкций низковольтных  плавких предохранителей  и снятие  защитных характеристик предохранителя.

Программа работы:

1.     Ознакомиться с конструкциями и техническими данными низковольтных предохранителей  ПР-2 и ПН-2.

2.     Используя компьютерную программу провести исследование защитных характеристик предохранителя ПН-2  в соответствии с вариантом задания.

3.     На основе  пакета анализа Excel, выполнить  статистическую обработку полученных экспериментальных данных.

4.      По результатам исследования построить  защитную  (времятоковую)  характеристику предохранителя  с нанесением  на ней  найденного диапазона разброса временных значений при уровне надежности 95%.

5.     Провести численные исследования зависимости температуры защищаемого предохранителем  кабеля  от тока нагрузки и номинального  тока плавкой вставки.

  Порядок выполнения работы

При подготовке к работе   необходимо:

 1. Предварительно  ознакомиться с  теоретическими сведениями по теме работы [1, глава 16, 2, глава 12];

 2. Ознакомиться с   конструкциями   предохранителей  ПН-2 и ПР-2, имеющихся в лаборатории.

После теоретического и практического знакомства с плавкими предохранителями, и ответов на вопросы, приведенных в конце методических указаний   студент  получает допуск к выполнению работы.

В виду того, что  определение времятоковой характеристики предохранителя связано с определенными  материальными затратами,   для ее  исследования  разработана компьютерная программа.

Для придания стохастического характера времени перегорания плавкой вставки, что имеет место в реальных предохранителях, в  программе  использован генератор случайных чисел.

Работа с программой

Для начала работы необходимо открыть файл « Лабораторные работы по ЭА»

На появившемся электронном листе нажать на кнопку « Запустить программу « Лабораторные работы».

В результате  откроется меню   программ    по  выполнению  виртуальных лабораторных работ  по электрическим аппаратам, приведенное на рисунке 1

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

  

Рисунок 1 - Меню   лабораторных работ 

В открывшемся меню выбираем  пункт Исследование защитных характеристик плавких предохранителей,  и нажимаем   кнопку ОК.

В появившемся окне, приведенном на рисунке 2,    устанавливаем  в соответствии с вариантом задания необходимые параметры  и  выполняем исследования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

Рисунок 2 -  Интерфейс  программы  к лабораторной  работе №1 

Рабочие задания

Варианты заданий к работе  приведены в  таблице 1

Лабораторная работа № 1  включает в себя два  задания

Задание №1.

 Найти   и построить времятоковую характеристику предохранителя

 

где  t - время плавления  плавкой вставки;

            α - кратность тока нагрузки   к номинальному току плавкой вставки.

 

 

 

Порядок работы по 1 заданию следующий:

1) Выбираем из списка номинальный ток предохранителя  и из списка номинальный ток плавкой вставки в соответствии с заданием  номинальные  токи предохранителя и  плавкой вставки.

2)Устанавливаем   флажок стохастический характер выходных данных.

3) Вводим   в поле Ток нагрузки  необходимое значение тока и нажимаем  кнопку Пуск.

При  выполнении  этого задания ток нагрузки следует менять  таким образом, чтобы кратность тока нагрузки α, принимала ориентировочно следующие значения: 1,3; 1,6;  2;  3;  5.

Задаваясь кратностью тока, ток нагрузки находим по формуле:

 

4) Полученное значение времени  плавления  вставки,  при заданном значении  тока нагрузки, и, соответствующую  этому току нагрузки,   кратность тока α   заносим   в таблицу Excel.

5) Повторяем опыт, т.е. нажимаем  кнопку Пуск   (5 – 7) раз[1],

При выполнении опытов следует обратить внимание на то, что время плавления вставки    постоянно меняется и  носит стохастический (случайный) характер.

6) Заносим полученные данные в таблицу Excel.

Вид таблицы с полученными экспериментальными данными  показан на рисунке 3.

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3 - Таблица с данными выполненного эксперимента

 

Поскольку экспериментальные данные носят стохастический характер, то при их обработке необходимо  применять статистические методы.

В нашем случае для  статистической обработки полученных данных  мы воспользуемся инструментом   Описательная статистика  пакета  анализа Excel.

Для этого проделаем следующее:

В меню Сервис выбираем пункт Анализ данных. В открывшемся диалоговом окне выбираем пункт Описательная статистика.

В результате откроется диалоговое окно, показанное  на рисунке 4.

В этом  окне  в качестве входного интервала  указываем диапазон ячеек

с данными времени плавления вставки, а в качестве выходного интервала указываем  с помощью мышки ячейку, с которой будет осуществляться вывод результатов анализа.

Кроме того, устанавливаем флажки в полях: итоговая статистика и уровень надежности 95%.

 Результат работы пакета анализа, будет выведен на лист электронной таблицы. На рисунке 5 приведен пример обработки данных пакетом анализа.

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

Рисунок 4 -  Диалоговое окно Описательная статистика.

 

 

 

 


   

Рисунок  5 - Результат работы пакета анализа

 В выведенных на лист  данных для нас  наибольший интерес будут  представлять  2 величины [2]:

1. Среднее значение  (для примера оно равно  М= 1,454 сек).

2.  Уровень надежности (для примера он равен  ∆ =  0,33 сек.).

По этим данным  и определяем диапазон, в котором будет находиться время  плавления  вставки с доверительной вероятностью 95%.

 Диапазон  определяется по формуле

 

       

 

где n –  число опытов.

Для рассматриваемого примера минимальное и максимальное значения  диапазона будут  соответственно равны:

                                     

Считается, что  с вероятностью 95%   из 100 выполняемых опытов в 95 случаях  время плавления  вставки при кратности тока равной 5 (в нашем примере)   будет попадать в найденный  интервал  (0,584 - 2,324 сек).

И только в 5 % из всего количества проведенных опытов время плавления может не попасть в найденный   диапазон.

7) Изменяя  ток нагрузки, а  соответственно и кратность тока,   по аналогии рассмотренному выше    определяем  минимальное и максимальное значения времени плавления вставки для новой  кратности тока.

По  полученным данным строим времятоковую  характеристику предохранителя  для заданного  значения номинального тока предохранителя и одного из заданных номинальных токов плавкой вставки.

Построенная  характеристика  должна включать в себя диапазон, в котором с вероятностью 95%   будет находиться время плавления   плавкой вставки.

Задание №2  (носит  исследовательский характер)

  Исследовать зависимость температуры  защищаемого  кабеля   от тока нагрузки при использовании   плавких вставок с различными номинальными токами:

                                

 

При выполнении задания следует обратить внимание на следующее обстоятельство:

При  кратностях тока от 1,2  до  1.75 Iн, соответствующих диапазону при котором вставка или не перегорает или перегорает в течение длительного времени, через кабель и предохранитель будет также длительно протекать ток перегрузки. В результате температура кабеля может превысить  допустимое  значение, что вызовет ускоренный износ изоляции и резкое сокращение срока службы.

Порядок работы  по выполнению 2 задания   следующий:

1) В соответствии с вариантом задания, выбрать из выпадающего списка и ввести  в программу значения:

·        Номинального тока предохранителя;

·        Номинального тока плавкой вставки;

·        Температуры окружающей среды.

2) В поле Ток нагрузки  ввести  значение тока нагрузки.

При выполнении исследования ток нагрузки  следует принимать равным следующим значениям:

 

 

  где  n=0.5; 0,75; 1,0; 2,0; 3,0.

   - допустимый ток нагрузки кабеля, при длительном протекании которого температура кабеля не превысит допустимой для нее температуры[3].

 Значения допустимого тока приведены  в таблице 2

При выполнении 2 задания  необходимо ответить на следующие вопросы:

1. Как влияет номинальный ток плавкой  вставки на нагрев кабеля?

2. Как влияет температура окружающей среды на нагрев кабеля?

3. Как влияет  увеличение сечения  кабеля на  его нагрев при сохранении токов нагрузки?

Для ответа   на 3 вопрос выбираем сечение кабеля на одну ступень выше по сравнению с заданием и, сохраняя значения тока нагрузки, которые мы вводили ранее, повторяем исследования для той плавкой вставки и той температуры окружающей среды, при которых нагрев кабеля был наибольшим.

По результатам исследования сделать вывод, при каких соотношениях  допустимого тока кабеля и номинального тока плавкой вставки гарантируется защита кабеля от перегрузки?

Для сокращения времени работы при выполнении  задания  №2 сбросить флажок Стохастический характер выходных данных.

Оформление отчета по работе

От­чет должен содержать:

1. Сведения о цели и порядке выполнения работы;

2. Таблицы с экспериментальными  данными (дать в приложении к отчету);

3.  Графики:

    - Зависимости времени плавления вставки от кратности тока цепи.

     - Зависимости температуры кабеля от тока  нагрузки.

4. Анализ полученных данных и выводы по  результатам  проделанной работы.

Защитную характеристику привести для любой из трех заданных плавких вставок.

Температурные графики привести для всех заданных  плавких вставок и в зависимости от температуры окружающей среды.

При построении защитной характеристики   ее целесообразно разбить  на такие участки по кратности тока нагрузки, на которых время плавления вставки находилось бы  в пределах одного порядка.

Контрольные вопросы

1.     Что называют времятоковой характеристикой плавкой вставки?

2.     За счет чего добиваются резкого сокращения времени срабатывания плавкой вставки?

3.     Что называют номинальным током плавкой вставки?

4.     Что называют номинальным током предохранителя?

5.     Что такое металлургический эффект и для чего его применяют?

6.     Для чего в пластинчатых плавких вставках делают суженные места?

7.     Благодаря чему происходит гашение дуги в предохранителе типа  ПР-2?

8.     Благодаря чему происходит гашение дуги в предохранителе типа  ПН-2?

9.     Какие материалы используются для изготовления плавких вставок?

10. Как обрабатываются экспериментальные данные, имеющие стохастический характер?

11. Что означает понятие доверительная вероятность 95%?  

Таблица 1- Задание к лабораторной работе № 1 « Исследование защитных характеристик низковольтных плавких предохранителей»

№ Варианта

Сечение кабеля

Номинальный ток предохранителя

Номинальные токи плавкой вставки

1

4

100

10, 16, 25

2

6

100

10, 16, 32

3

10

100

16,20, 32

4

16

100

20, 32, 40

5

25

100

25,40, 63

6

35

100

30, 40, 80

7

10

100

16,20, 32

8

6

100

10, 16, 32

9

4

100

10, 16, 25

 Номер варианта задания выбирается по последней цифре зачетной книжки

 Таблица 2- Значения допустимого тока для низковольтных кабелей при температуре окружающей среды равной 25°С. Допустимая температура кабеля 80°С.  

S, кв. мм

2,5

4

6

10

16

25

35

50

70

95

120

150

185

240

Iдоп, А,

22

29

35

46

60

80

95

120

155

190

220

255

290

330

 

 

 

  

2 Лабораторная работа № 2. Исследование защитных характеристик автоматических выключателей.  

Цель работы:  Изучение  конструкций современных автоматических  выключателей модульного типа и с микропроцессорным расцепителем и снятие  их защитных характеристик.

Программа   работы:

1.     Ознакомиться с  теоретическими сведениями по  теме работы

     [1, глава 17, 2, глава 13].

2.     Ознакомиться с конструкциями автоматических выключателей, имеющихся в лаборатории.

3.     Выполнить  исследования защитных характеристик установленных  на стенде автоматических выключателей[4].

4.     Используя компьютерную программу, выполнить расширенные  исследования защитных характеристик выключателя NZM2 с микропроцессорным расцепителем  в соответствии с вариантом задания, приведенного в таблице 2

5.     Построить полученные зависимости, сравнить их с  каталожными данными.  Сделать и написать выводы по работе.

Описание лабораторного стенда

Схема установки приведена на рисунке 7.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7 - Стенд к лабораторным  работам  по электрооборудованию распределительных устройств до и выше 1000 вольт 

Условные обозначения, приведенные  на стенде и на рисунке, представляют собой:

 ВА1 –ВА5 -  Автоматические выключатели;

 U - Вольтметр;

 S - Секундомер;

 Bs- Выключатель секундомера.

А – Амперметр;

Пуск, Стоп – Кнопки пульта управления;

Р – регулятор напряжения (тока).

Порядок снятия защитных характеристик  автоматических выключателей следующий:

1. С помощью автоматического выключателя ВА1 подаем напряжение сети на стенд. При  наличии напряжения  загорается сигнальная лампочка  ЛС

2. Нажимая на кнопку Пуск, подаем напряжение сети на нагрузочный трансформатор.

3. Выключаем секундомер, устанавливая выключатель секундомера в положение «откл».

4. Выключаем автоматы ВА2, ВА4, ВА5.

Включаем  автомат ВА3 для настройки тока в цепи и с помощью регулятора Р устанавливаем необходимый ток цепи,  контролируя  его значение   по амперметру А.

!Данную операцию необходимо выполнять достаточно  быстро, не допуская чрезмерного нагрева проводников  цепи током короткого замыкания.

После установки требуемого тока в цепи  автомат ВА3 отключают.

Далее снимается защитная характеристика автомата   ВА2 (Автомат С-25)  и  автомата ВА4  (Автомат  NZM2)

 Для снятия  защитной характеристики автомата необходимо

1. Включить секундомер, а затем  и   испытуемый автомат.

2. После отключения цепи расцепителем автомата снимаются и заносятся в протокол испытания ток цепи и время срабатывания  секундомера.

3. Для установленного тока цепи снимаются 5- 7 значений времени срабатывания выключателя.

4. Далее устанавливается новое значение  тока цепи и  измерения,  проделанные выше,  повторяются. Новые значения также заносятся в протокол испытания. Эксперименты повторяются  столько раз, сколько это необходимо  для построения защитной характеристики автомата.

 Полученные экспериментальные данные обрабатываем с помощью пакета анализа  Excel   Описательная статистика по аналогии с предыдущей работой по исследованию защитных характеристик предохранителей.

По полученным данным находим минимальное  и максимальное значения времени отключения  испытуемого автомата, по которым и строим зависимости времени отключения автомата от кратности тока.

Поскольку для автоматического выключателя типа NZM2  с микропроцессорным расцепителем уставки установлены по умолчанию дальнейшие исследования защитных характеристик этого автомата проводятся на компьтерной программе индивидуально каждым студентом  в соответствии с вариантом задания, определяемого по последней цифре  его зачетной книжки.

Порядок  снятия защитных характеристик выключателя  NZM2  на компьютере следующий.

1.Перед началом работы, как  и при выполнении работы № 1,  открываем меню программ  лабораторных работ  по электрическим аппаратам.

 

 

 

 

 

 

  

Рисунок 8 - Меню для открытия  лабораторных работ 

2. Выбираем пункт  меню  Исследование защитных характеристик автоматического выключателяNZM2  и нажимаем кнопку ОК.

3. В появившемся окне программы, приведенном на рисунке 9,  устанавливаем в соответствии с заданием нужные параметры и проводим  необходимые исследования.

Оформление отчета

От­чет должен содержать:

1. Сведения о цели и порядке выполнения работы;

2. Таблицы с экспериментальными  данными (дать в приложении к отчету);

    3.  Защитные характеристики автоматов С-25 и NZM2;

    4.  Семейство защитных характеристик автомата  NZM2, найденное с помощью компьютерной модели;

5. Анализ полученных данных и выводы по  результатам  проделанной работы.

При построении защитных характеристик обязательно  нанести, учитывая стохастический характер времени срабатывания расцепителей выключателя диапазон, в котором с вероятностью 95%  находится время отключения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 9 - Интерфейс   программы  для исследования

выключателя NZM2.

Контрольные вопросы

1.     Дайте определение автоматическим выключателям.

2.     Как классифицируются   автоматические выключатели по времени срабатывания?

3.     Что такое селективная защита?

4.     Из каких основных элементов состоят автоматы?

5.     Каково назначение механизма свободного расцепления?

6.     Каково назначение и устройство  расцепителя токов короткого замыкания?

7.     Каково назначение и устройство  расцепителя токов перегрузки?

8.     Какие автоматы называются универсальными?

9.     Какие автоматы называются установочными?

10. Что называется провалом контактов в автомате, как он создается, какую роль играет?

11. Как выглядит стандартная  защитная   характеристика автоматического выключателя бытового и промышленного назначения?

12. Как выбираются автоматические выключатели?

13. Какие способы гашения дуги применяют в автоматических выключателях?

 

Таблица  3 - Варианты заданий к лабораторной работе № 3 

№  варианта

 ( Ir), о.е.

  (tr), с.

Isd, о.е.

tsd, мс.

1

0,5

2, 4,  отк

2

20, 60

2

0,6

2, 6, 8

3

40, 60

3

0,55

8, 10, 17

4

100, 200

4

0,7

6, 10 , отк

5

40, 60

5

0,8

8, 10, 17

6

100, 500

6

0,85

2, 6, 10

3

40, 60

7

0,9

 6, 10, 20

4

100, 200

8

0,95

8, 14, отк

2

40, 60

9

0,975

4, 6, отк

2

100, 200

0

1,0

10, 14, отк

3

40, 60

 

Ir - кратность номинального тока теплового расцепителя к номинальному току  выключателя;

tr -  Задержка  времени  срабатывания теплового расцепителя;

Isd - кратность тока срабатывания электромагнитного расцепителя к номинальному току теплового расцепителя;

tsd – задержка  времени срабатывания электромагнитного расцепителя.

Литература

1.     А.А. Чунихин Электрические аппараты.– М.: Энергия, 1988.

2.     Л.А Родштейн  Электрические аппараты низкого напряжения.– М.: Энергия, 1964.  

[1] Чем больше опытов, тем точнее результат

[2] В качестве примера в данной работе использован результат эксперимента при кратности тока равной 5

[3] Для низковольтных кабелей допустимая температура равна 80 град. Цельсия

[4] Параметры расцепителей выключателей  выставлены  заранее и в процессе  снятия характеристик на стенде  студентами не меняются.