При цьому
4.9. Допустиме нагрівання електроустановок та його контроль
Ш ЕЕС
10 кВ
0,4 кВ
ШМ
ШР КЛ1 КЛ2
А1
К1
А2 Т
Рис. 4.22. Схема електропостачання промислового підприємства Для випадку короткого замикання у точці К1 приймаємо опір контактних зєднань середнім між його нижньою і верхнею межами – 22 мОм. Опорами шин високої напруги та елементів ЕЕС нехтуємо. Тоді сумарні активний і реактивний опори схеми між джерелом напруги і точкою короткого замикання будуть такими:
92 , 25 22 4 , 0 12 , 0 7 , 1 7 ,
1
R мОм;23 , 10 4 , 0 08 , 0 15 , 1 6 ,
8
X мОм.Струм трифазного короткого замикання в точці К1 дорівнює
35 , 8 23 , 10 92 , 25 3
400 )
( ) (
3 2 2 2 2
R
XIK UCP кА.
Без врахування опору контактних зєднань розрахункова величина струму трифазного короткого замикання становила б 21,0 кА, тобто вона була б різко завищеною.
Різке зниження напруги впливає на роботу апаратів, порушуючи технологічний процес і номінальний режим роботи електроустановок, викликають аварії та пожежі.
їхнє перегрівання. Перегрівання особливо небезпечне для ізоляції та контактних з’єднань.
Підвищення температури вище певних значень викликає в ізоляції незворотні зміни, що проявляються у зниженні електричної та механічної міцностей і в прискореному її старінні. Наслідок цих явищ може стати пробиття ізоляції та виникнення пошкоджень чи аварій, які за повних умов спричинюють пожежу. Недопустимі нагрівання контактних з’єднань виникають внаслідок зменшення поверхні дотику (збільшення опору) і можуть також мати важкі наслідки.
Характерним для теплового режиму електроустановок є його пряма залежність від режиму навантаження. Тому умовами нагрівання ізоляції визначаються допустимі перевантаження електроустановок. Режими перевантажень встановлюються державними стандартами, вказівками заводів- виготовлювачів, інструкціями з експлуатації і не повинні порушуватися.
Проте перегрівання електроустановок можуть бути викликані і нережимними чинниками. якщо тепловий режим електроустановки порушується, а електричне навантаження перебуває в нормі, то це свідчить про наявність певних несправностей. Тому контроль теплового режиму електроустановок дозволяє виявити наявність дефектів чи несправностей, що зумовили не розрахункове підвищення температури, і, таким чином, попередити виникнення пошкоджень чи аварій з пожежними наслідками.
Технічними та протипожежними критеріями допустимості перевантажень електроустановок є допустима температура і задане значення ізоляції. У процесі роботи електроустановки її температура не повинна перевищувати допустимого значення доп .
доп охол
,
де охол - температура охолоджувального середовища; - перевищення температури установки над температурою охолоджувального середовища; доп - допустима температура нагрівання.
Значення доп залежить від нагрівостійкості обладнання, яка у більшості випадків визначається нагрівостійкістю його ізоляції. Нагрівостійкість ізоляції – це її здатність витримувати температуру заданого рівня без пошкоджень та погіршень основних властивостей. Згідно зі стандартом всі електроізоляційні матеріали, що використовуються в електричних машинах, трансформаторах, електричних апаратах, кабелях та ізольованих проводах, відносяться до одного з класів нагрівостійкості, наведених в табл.4.7.
Таблиця 4.7.
Допустима температура ізоляції Клас
нагрівостійкості Y A E B F H 200 220 250
Допустима
температура, 0С 90 105 120 130 155 180 200 220 250 Класи нагрівостійкості включають різні матеріали з відповідними характеристиками.
Клас Y – волокнисті матеріали з целюлози, бавовни і натурального шовку, не просочені та не занурені в рідкий електроізоляційний матеріал.
Клас А - волокнисті матеріали з целюлози, бавовни та натурального шовку, просочені або занурені в рідкий електроізоляційний матеріал.
Клас Е – синтетичні органічні матеріали (плівки, волокна, смоли, компаунди).
Клас В – матеріали на основі слюди, азбесту та скловолокна, що застосовуються з органічними зв’язуючими і просочуючими речовинами.
Клас F – матеріали на основі слюди, азбесту та скловолокна, що застосовуються з синтетичними зв’язуючими і просочуючими речовинами.
Клас Н – матеріали на основі слюди, азбесту та скловолокна, що застосовуються з кремнійорганічними зв’язуючими і просочуючими речовинами.
До класу з доп > 180oС – відносяться слюда, керамічні матеріали, скло, кварц або їхні комбінації, що застосовуються без зв’язуючих речовин або з неорганічними і кремнійорганічними зв’язуючими речовинами.
Клас нагрівостійкості відображає максимальну тривало допустиму робочу температуру найбільш нагрітої частини установки при номінальному навантаженні та інших нормативних умовах експлуатації.
Для електроустановок державними стандартами приписується граничне значення температур, що в деякій мірі різняться від допустимих значень температур ізоляції конкретного класу нагрівостійкості, яка використовується в даній електроустановці.
Для генераторів з ізоляцією класу В (доп=130oС) залежно від системи охолодження, тиску водню та інших чинників тривало допустима температура для обмотки ротора коливається в межах 100-130oС, а статора – в межах 105 – 120oС.
Зниження допустимих температур порівняно зі значенням, заданим класом нагрівостійкості, пояснюється можливістю виникнення місцевих перегрівань, умовами роботи просочувального компаунду, недосконалістю системи вимірювань (найвища температура ізоляції виникає в точці дотику до струмопровідного елемента, до якої нема прямого доступу).
Обмотки трансформаторів виконуються звичайно з ізоляцією класу А і норми на допустимі температури різних елементів трансформатора встановлені з такою умовою, щоб гранична температура обмоток в найтепліший час року не піднімалась вище 105-110oС. Тому для трансформаторів, що працюють в умовах помірного клімату, перевищення температури магнітопроводу і конструктивних елементів над температурою охолоджувального середовища нормовано на рівні 75oС, обмотки 65oС, верхніх шарів оливи залежно від систем охолодження 60oС чи 40oС.
Норми нагрівання апаратів та електротехнічних пристроїв (вимикачів, роз’єднувачів, реакторів, прохідних ізоляторів, трансформаторів струму тощо) встановлені відповідними держстандартами та іншими директивними документами.
Найвища тривало допустима температура струмопровідних та не струмопровідних металевих частин, ще не доторкуються до ізоляційних матеріалів, дорівнює 120oС. Найвища тривало допустима температура контактів і контактних з’єднань з міді, алюмінію чи інших сплавів залежно від робочого середовища (повітря, елегаз, ізоляційна олива), характеру покриття контактної поверхні (без покриття, з покриттям оливою, сріблом, нікелем) має значення в межах 75-120oС.
Короткочасно матеріали допускають температуру вищу, ніж тривало допустима. Так обмотки трансформаторів з ізоляцією класу А при навантаженнях, що перевищують номінальні та повторюються кожну добу в години денного максимуму, допускають температуру 140oС, тобто 35oС вище від тривало допустимої. Максимальна температура обмотки трансформатора з мідного проводу з ізоляцією класу А під час КЗ обмежується значенням 250oС.
Допустимі температури для конкретних умов роботи електроустановок встановлюються дослідним шляхом і наводяться у відповідних стандартах ч технічних умовах.
Задане зношення ізоляції. Під дією температури, навіть нижчої від допустимої, ізоляція старіє, тобто змінюється її структура, розвиваються місцеві дефекти, знижується електрична та механічна міцність. Термін служби ізоляції залежить від того, з якою температурою вона працює. З підвищенням температури термін служби ізоляції знижується і його значення можна визначити за формулою
Tсл Вехр(),
де В - стала, що дорівнює терміну служби ізоляції при температурі 0oС; - коефіцієнт (=0,112); - температура, з якою ізоляція працює, oС.
Значення коефіцієнта відображає відомий з досвіду експлуатації факт, що підвищення температури на 6oС скорочує термін служби ізоляції вдвічі.
Розділивши попередній вираз на термін служби в разі роботи установки в номінальному режимі (ном), отримаємо вираз відносного терміну служби
)) (
exp(
.ном/ сл ном
сл Т
Т
F
Відносне зношення показує, у скільки разів реальне зношення установки під час її роботи з температурою перевищує зношення під час роботи з номінальною температурою, незалежно від проміжка часу (рік, доба), на якому це зношення розглядається. Наприклад, під час роботи з температурою =ном+6oС одержимо F=2, тобто зношення ізоляції установки у два рази перевищує нормальне.
Якщо установка на різних інтервалах ∆t проміжку часу Т працює з різними температурами i, то середнє значення відносного зношення за час Т розраховується за формулою
i ном i n
i
ср i t
t T
F T
)) (
( 1 exp
1 F
1 n
1 i
i .
Якщо Fср близьке до одиниці, то реальне зношення ізоляції відповідає зношенню ізоляції установки при номінальних умовах.
Звичайно, допустимі перевантаження електроустановок за першим критерієм (допустимою температурою) для узагальненого графіка навантаження виходять меншими, ніж за другим, бо підвищене зношення в години максимуму компенсується його зниженням в режимі номінальних навантажень. Другий критерій використовується, в основному, для трансформаторів. Номінальному відносному зношенню ізоляції трансформатора відповідає температура найбільше нагрітої точки обмотки ном=98oС.
Контроль нагрівання електроустановок. В електричних машинах і трансформаторах контролюється температура ізоляції обмоток, охолоджувального середовища, оливи, активної сталі тощо. Застосовуються три способи вимірювань: термометром, опору, термопарою.
За допомогою термометра визначають температури доступних поверхонь електроустановки чи середовища, де вона працює. Для вимірювань використовують термометри розширення (ртутні, спиртові, толуолові), термометри манометричного типу і термометри опору (терморезистори).
Термометри розширення встановлюються у спеціальних гільзах, герметично вмонтовані у кришки та кожухи обладнання. Такими термометрами вимірюють температуру оливи трансформаторів, охолоджувального середовища генераторів, оливи в підшипниках.
Термометри манометричного типу застосовуються в разі необхідності передачі вимірювального сигналу на відстань декількох метрів. Прилад складається з термобалона і герметичної трубки, що з’єднує балон з трубчастою пружиною реєструю чого приладу. Система заповнена рідким ефіром чи його парами. Під час зміни температури змінюється тиск ефіру, який передається до стрілки приладу.
Термометр опору (терморезистори) являє собою тонку мідну чи платинову дротину, намотану на каркас і механічно захищену, опір резистора залежить від температури нагрівання в точці його розміщення. Вимірюючи опір, встановлюють температуру ізоляції обмоток, сталі осердя тощо.
В обмотки трансформаторів і роторів генераторів терморезистори не закладаються. Визначення температури цих обмоток здійснюють шляхом вимірювання їх опорів. Існує чітка залежність опору провідника від температури, що дозволяє, вимірюючи опір, встановлювати температуру обмоток.
Для вимірювання температури за допомогою термопари використовується термоелектричний ефект, тобто залежність електрорушійної сили в колі від
температури точки сполучення двох провідників з різних металів (наприклад, міді, та константану). Термопари закладають в точках контролю температури і приєднують до вимірювальних приладів. У генераторах за допомогою термопар вимірюють температуру різних конструктивних елементів, охолоджувального газу, пакетів активної сталі тощо.
Небезпечними з погляду виникання аварій та пожеж є контактні з’єднання, значна кількість яких міститься в розподільних установках (сполучення шин, приєднання електричних апаратів, проводів і кабелів). Температуру контактних зєднань вимірюють за допомогою електротермометра, термосвічок, термоплівок та термопокажчиків.
Електротермометр являє собою компактний неврівноважений міст, до одного з плечей якого приєднують терморезистори. Сполучені з мостом терморезистори прикріплюється на торці прикріпленої до штанги вимірювальної головки і на час вимірювання притискається до поверхні контактного з’єднання.
Використання термосвічок, термоплівок та термопокажчиків дозволяє судити про ступінь нагрівання контактних з’єднань без встановлення точного значення температури. Виявляється лише можливий діапазон її значень.
Термоплівки використовуються в закритих РУ, а термопокажчики – у відкритих.
Зараз для діагностування теплового режиму електроустановок інтенсивно впроваджуються прилади, що вимірюють рівень інфрачервоного випромінювання нагрітого елемента, - теплові зори та поліметри (радіометри).
Ці прилади дозволяють дистанційно з безпечної відстані та без зняття напруги з установки визначити температуру нагрітого елемента або спостерігати картину теплового випромінювання досліджуваного об’єкта на екрані.
Тепловізійні методи використовуються для оцінки ступеня нагрівання технічного стану контактних з’єднань РУ, авіаінспекції повітряних ліній, тощо.
Періодичність перевірки нагрівання конструктивних елементів електроустановок встановлюється відповідними нормами їх технічного обслуговування.
Контрольні питання до розділу
1. Для чого виконують розрахунки струмів коротких замикань в електричних установках?
2. Які допущення приймаються під час виконання розрахунків струмів коротких замикань?
3. Які Ви знаєте методи розрахунку струмів коротких замикань?
4. Від чого залежить вибір методу розрахунку струму короткого замикання?
5. Які допущення приймаються під час розрахунків струмів короткого замикання у мережах та електроустановках вище 1000 В?
6. Які допущення приймаються під час розрахунків струмів короткого замикання у мережах до 1000 В?
7. Чи впливають величини опорів контактних з’єднань на результат розрахунків струмів короткого замикання в мережах вище 1000 В?
8. Яка помилка може виникнути під час розрахунку струмів короткого замикання у мережах до 1000 В, якщо не врахувати перехідних опорів контактних з’єднань?
9. Що означає іменовані одиниці параметрів електричних мереж та установок?
10. Що означає відносні одиниці параметрів електричних мереж під час розрахунків струмів короткого замикання?
11. У чому полягають переваги розрахунку струмів короткого замикання у відносних одиницях?
12. Як здійснити перерахунок опорів первинної обмотки трансформатора до напруги вторинної обмотки і навпаки?
13. Що означає основні або базові значення потужності, напруги та струму?
14. Як за основними величинами потужності, напруги та струму визначити основне значення опору?
РОЗДІЛ 5.
ЕЛЕКТРОТЕРМІЧНІ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНОЛОГІЧНІ УСТАНОВКИ 5.1. Матеріали, що застосовуються в електротермічних установках.
Під час виготовлення електротермічних установок (ЕТУ) застосовують ряд специфічних матеріалів, призначених для роботи в умовах високих температур. В їх числі є вогнетривкі та теплоізоляційні матеріали для теплоізоляції нагрітих тіл від навколишнього середовища і жаростійкі матеріали, що використовуються для виготовлення нагрівачів і елементів конструкцій печі.
Роль вогнетривів в електроенергії дуже висока, оскільки втрати теплоти через стінки агрегату складають 15-25% і можуть бути вагомо знижені шляхом застосування вогнетривкої теплоізоляції. В наш час з розробкою і промисловим випуском волокнистих вогнетривів з’явилась можливість використовувати технологічну внутрішню ізоляцію робочого простору з температурою до 2300 К.
У цьому випадку температура зовнішньої огороджуючої поверхні не перевищує 335 – 350 0К, а теплові втрати в навколишнє середовище (Т = 293 0К), не перевищують 760 Вт/м2. Одночасно значно знижується товщина стінки, маса теплоізоляції і доля теплоти, акумульована нею. Роль вогнетривів в ЕТУ не обмежується їх застосуванням для теплоізоляції. Тугоплавкі оксиди, а також без кисневі з’єднання використовують в атомній енергетиці, установках прямого перетворення теплової енергії в електричну. З’єднання вуглецю і кремнію, цирконію і кисню застосовуються в якості нагрівачів під час пропускання через них електричного струму. Електроплавлений періклаз знаходить застосування в трубчатих електронагрівачах і запобіжниках. В найближчий час будуть винайдені нові вогнетривкі матеріали для установок плазмового і електронно- пучкового нагрівання та технологічного процесу отримання із вугілля Кансько-Ачинського паливно-енергетичного комплексу (КАТЕК) рідкого палива.
Вогнетривкі матеріали. Вогнетривкими називають матеріали, які використовують для спорудження різних печей та апаратів, які працюють в умовах високотемпературного (більше 1200 0К) нагрівання.
За специфікою умов роботи вони повинні задовольняти наступні умови:
1. Вогнетривкість. Це здатність без деформації і оплавлення протистояти впливу високих температур. В залежності від степеня вогнетривкості їх поділяють на три класи: вогнетривкі (вогнетривкістю 1580 – 1770 0К);
високовогнетривкі (1770 – 2000 0К включно); найбільшої вогнетривкості (понад 2000 0К).
Матеріали з вогнетривкістю до 1580 0К називають теплоізоляційними.
2. Механічна витривалість. При високих температурах вона має особливо важливе значення, тому що вогнетривкі матеріали в процесі роботи підлягають впливу значних механічних навантажень в умовах високих температур. Механічна стійкість вогнетривких матеріалів визначає верхню температурну границю їх застосування. Максимальною робочою температурою вогнетривкого матеріалу є температура, за якої починається деформація матеріалу до навантажень 20 кПа.
3. Термічна стійкість. Це здатність матеріалу без руйнування витримувати різкі коливання температури. Вивантаження з печі нагрітого і наступне завантаження холодного матеріалу утворюють в печах різке коливання температури, яке призводить до термічних напружень, здатних руйнувати вогнетривкий матеріал.
4. Хімічна нейтральність. По відношенню до нагрітого матеріалу та внутрішньої кладки печі вогнетривкі матеріали повинні бути хімічно нейтральними, щоб не засмічувати нагріту продукцію і не руйнувати її шляхом хімічної ерозії.
5. Мала електропровідність. Вогнетривкий матеріал в електричних печах часто одночасно виконує роль електроізоляційного матеріалу. На ньому монтуються електронагрівальні елементи, він є тепло- й електроізолятором ванни печі від корпуса. З цієї причини вогнетривкий матеріал повинен мати хороші електроізоляційні властивості в умовах робочих температур.
6. Мала теплопровідність. Вона допомагає зниженню теплових втрат через стінки електричної печі без надмірного збільшення їх товщини.
Вогнетривкі і теплоізоляційні матеріали повинні бути дешеві, легко оброблятися.
Найбільш повно викладеним умовам задовольняють вогнетривкі матеріали на основі кремнезему SiO2 (2000 0К), глинозему Al2O3 (2300 0К), оксиду магнію
MgO (2600 0К). Найкращими вогнетривкими матеріалами для електропечей є динас (2000 0К), магнезит (2570 0К), хромомагнезит, доломіт та шамот (2000 0К).
Для печей опору основним вогнетривким матеріалом є шамот, який являє собою глибоко обпалену вогнетривку глину. Високотемпературні печі футерують з середини високо глиноземистими матеріалами – мулітом, алундом, а також вугіллям та графітом.
Для виплавки тугоплавких матеріалів та сплавів застосовуються високоякісні і відносно дорогі вогнетривкі матеріали – діоксид цирконію ZrO2 (температура плавлення 2800 0К), оксид берилію BeO (температура плавлення 2870 0К), діоксид торія ThO2 (3300 0К).
В останнє десятиліття в світовій практиці почали застосовувати штучні високотемпературні волокна у вигляді вати і різних гнучких виробів. При температурі більше 1300 0К теплопровідність волокнистих матеріалів в два рази менша ніж матеріалів які мають комірки. Вогнетривкість волокнистих матеріалів з SiO2ZrO2, SiO2HfO2, SiO2ThO2, AlH2O3 SiO2, становить 1800 – 2000 0К, їх робоча температура 1300 – 1800 0К.
Теплоізоляційні матеріали. Вони повинні мати малу теплопровідність при достатній вогнетривкості. При цьому теплоізоляційні матеріали – це як правило рихлі, легкі маси, сильно пористі вироби або крупнозернисті порошки.
В якості теплоізоляційних матеріалів найбільш розповсюдженим є діатоміт, шлакові та мінеральні вати, піноскло, зоноліт, а також комбіновані матеріали на основі азбесту.
Діатоміт – осадочна, гірська порода; за хімічним складом – майже чистий кремнезем
SiO2
, використовується для стін електричних печей у вигляді насипної ізоляції.Шлакові і мінеральні вати – отримують з плавких та доменних шлаків, а також із різних пустих порід шляхом розплавлення їх в печах і наступному розпиленню струменя розплаву стиснутим повітрям або парою. Отриманий матеріал має гарні тепло ізолюючі властивості. На основі шлакових і мінеральних ват отримують теплоізоляційні плити, шляхом добавки в якості зв’язуючого компонента вогнетривкої глини і азбесту.
Скловата – отримується аналогічним шляхом з відходів скляного виробництва. Максимальна температура її застосування становить 700 – 800 0К.
Піноскло – отримується шляхом добавки в розтоплене скло газоутворюючих речовин. Утворені вироби з піноскла наділені добре розвитою пористістю і великою механічною стійкістю, максимальна робоча температура їх становить 900 – 1000 0К. Однак дефіцитність і висока ціна не дозволили цьому матеріалу отримати широке застосування.
Зоноліт – легка, лузгаста маса, яку отримують з низько сортної слюди шляхом обпалення. Зоноліт має малу теплопровідність, витримує температуру до 1400 0К і використовується в вигляді засипки і для виготовлення формованих виробів.
Азбест – волокнистий матеріал з максимальною робочою температурою 900 К. Має велику щільність і невеликі теплоізоляційні властивості. В чистому вигляді застосовується в якості засипки. Звичайно служить армуючою речовиною для утворення композиційних матеріалів з кращими теплоізоляційними якостями (асбокартон, асбошнур).
Жаростійкі матеріали. Жаростійкість – якість матеріалу зберігати високу механічну міцність при високих температурах. Жаростійкість – стійкість до хімічних реакцій при високих температурах.
Деякі деталі та конструкції в електротермічних установках в процесі роботи підлягають впливу високих температур, великих механічних навантажень, різних за складом, в тому числі і агресивних середовищ. Для їх виготовлення застосовується матеріали механічно міцні при високих температурах, стійкі до корозії, які легко піддаються різним видам технологічної обробки (різання, ззварюванняа, прокатка і т.д.), дешеві і не дефіцитні.
Основні жаростійкі матеріали – це сплави заліза з спеціальними легуючими домішками. Легуючими домішками є хром, алюміній, нікель. Додавання хрому і алюмінію надають сплавам здатність протистояти високо температурним корозіям. Нікель покращує оброблюваність матеріалу, збільшує його механічну стійкість при роботі в умовах високої температури.
Жаростійкі матеріали діляться на жаростійкі та жаротривкі. Основною легуючою домішкою в першій групі сплавів є хром. Ці сплави протидіють окисленню при високих температурах. Збільшення процентного вмісту хрому в сталі збільшує його жаростійкість. Так, ненапружені або слабо навантажені деталі і конструкції (муфелі, захисні екрани, підошви плит і т.д.), які працюють при температурах до 1200 0К, виробляють із сплавів з вмістом хрому до 20%.
Збільшення вмісту хрому до 30% дозволяє застосовувати ті ж деталі при температурах до 1300 – 1400 0К.
Збільшення процентного вмісту нікелю в сплаві покращує його оброблюваність, збільшує механічну стійкість. Хромонікелеві сталі використовують для виготовлення механічно напружених конструкцій і деталей, які працюють в умовах високих температур (конвеєрні стрічки, напрямні печей і т.д.). Хромонікелеві сталі з вмістом хрому до 18% і нікелю до 9% застосовується при виробництві електричних печей з робочою температурою до 1100 0К.
Збільшення вмісту нікелю до 20 – 25% дозволяє розширити температурний діапазон застосування хромонікелевих сталей до 1300 0К.
Жаростійкі сталі досить дорогі, тому їх використання не завжди економічно вигідне. Замінниками жаростійких сталей можуть бути спеціальні сорти
хромонікелевих чавунів. Із чавунів з вмістом хрому до 25-30% виготовляють різні види литої тари, яка працює при температурах до 1300 0К.
Для високотемпературних електропечей в якості жаростійких матеріалів застосовується молібден, ніобій, вольфрам (які працюють в захисних газах – аргоній, азоті, водні), високовогнетривку кераміку, карбіди і бориди деяких матеріалів.