Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «КАЛИНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» И. Е. Кажекин ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Учебно-методическое пособие – локальный электронный методический материал по расчетно-графической работе для студентов бакалавриата по направлению подготовки 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника Калининград Издательство ФГБОУ ВО «КГТУ» 2022 УДК 641.1 (075) Рецензент: кандидат технических наук, доцент кафедры энергетики ФГБОУ ВО «Калининградский государственный технический университет» М.С. Харитонов Кажекин И.Е. Электротехнические материалы: учеб.-методич. пособие по расчетнографической работе для студ. бакалавриата по напр. подгот. 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника / И.Е. Кажекин. – Калининград: Изд-во ФГБОУ ВО «КГТУ», 2022. – 22 с. Учебно-методическое пособие является руководством по выполнению расчетнографической работы на тему расчета конденсаторов, которая предназначена для закрепления теоретического материала и приобретения навыков использования основных подходов к расчету изоляционных материалов. Табл. 3, список лит. – 3 наименования. Локальный электронный методический материал. Учебно-методическое пособие. Рекомендовано к использованию в учебном процессе методической комиссией института морских технологий, энергетики и строительства __.__.2022 г. Печ. л. 2,75. 2 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................... 4 1 СОДЕРЖАНИЕ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЫ ..................... 6 2 ОПИСАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ............................................... 8 2.1 Общие сведения о диэлектриках ............................................................ 8 2.2 Основные сведения о конденсаторах и методе их расчета ................ 11 3 ОПИСАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ ....................................... 12 3.1 Постановка задачи .................................................................................. 12 3.2 Методика выполнения ........................................................................... 13 3.3 Варианты заданий .................................................................................. 18 4 КРИТЕРИИ И НОРМЫ ОЦЕНКИ........................................................... 20 СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ .................................... 21 Приложение. Образец титульного листа ................................................... 22 3 ВВЕДЕНИЕ Целью освоения дисциплины является формирование начальных знаний в области электротехнических материалов. Задачи изучения дисциплины: изучение электротехнических материалов и их свойств; изучение студентами процессов и явлений, возникающих в электротехнических материалах под воздействием внешних электротехнических и магнитных полей; приобретение студентами навыков практического применения полученных ими знаний в области электроматериаловедения при решении инженерных и исследовательских задач. Целью расчетно-графической работы является формирование у обучающихся базовых понятий о параметрах изоляционных электротехнических материалах и их использовании в электроэнергетике. Задачами расчетно-графической работы являются: - приобретение знаний в области применения изоляционных материалов в электротехнических устройствах; - формирование умения анализировать влияния геометрических размеров и свойств материалов на электрические параметры изоляционных конструкций; - развитие навыков проектирования электрооборудования. После выполнения и защиты расчетно-графической работы студент должен овладеть следующими результатами освоения дисциплины. Знать: - классификацию электротехнических материалов, закономерности развития процессов электропроводности в проводниках, полупроводниках и диэлектриках, особенности явлений поляризации в диэлектриках и намагничивания в магнитных материалах: - виды и особенности использования различного вида диэлектрических конструкций электрооборудования, выполненных из полимерных, неорганических и композиционных материалов; - основные направления развития электротехники в области совершенствования электротехнических материалов и повышения на этой основе эксплуатационной надёжности, безопасности и экономичности электроэнергетического оборудования; - строение и основные свойства конструкционных и электротехнических материалов, применяемых при ремонте, эксплуатации и техническом обслуживании оборудования; - сущность явлений, происходящих в материалах в условиях эксплуатации изделий; 4 - способы эффективного использования материалов в оборудовании систем. Уметь: - анализировать структуру и свойства электротехнических и конструкционных материалов; применять физико-математический аппарат при решении профессиональных задач в области электротехники и конструкционного материаловедения; - осуществить правильный подбор материалов для использования в электротехнических устройствах. Владеть: - методами анализа и моделирования электрических цепей при решении профессиональных задач в области электротехники и конструкционного материаловедения; - навыками подбора необходимых материалов, определения качества проведения технического обслуживания. 5 1 СОДЕРЖАНИЕ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЫ Пояснительная записка к расчетно-графической работе должна включать следующие структурные элементы: – титульный лист; – задание на расчетно-графическую работу; – содержание; – введение; – основная часть с разбивкой по разделам; – заключение; – список использованных источников; – приложения. Титульный лист Форма титульного листа и образец его заполнения приведены в Приложении 8. Задание на расчетно-графическую работу Расчетно-графическая работа должна выполняться на основе индивидуального задания. Содержание Содержание должно отражать все разделы, включённые в пояснительную записку с указанием страниц записки, на которых они начинаются. Введение В разделе «Введение» кратко формулируются цель и задачи работы, указываются особенности, техническое и практическое значение, основные направления предлагаемых решений. Во введении следует раскрыть актуальность вопросов темы, охарактеризовать проблему, к которой относится тема, перечислить методы и средства, с помощью которых будут решаться поставленные задачи. Основная часть Основная (расчетная) часть работы включает следующие вопросы: Расчет емкости; Расчет размеров и числа параллельных секций; Определение числа последовательно включенных секций; Вычисление удельных потерь в секциях конденсатора. Заключение В заключении сообщаются основные результаты выполненной работы, рекомендации по использованию результатов работы. 6 Список использованных источников В список использованных источников включаются непосредственно использованные источники, на которые имеется ссылки в текстовом документе. Источники в списке нумеруют в порядке их упоминания в тексте. Приложения В приложения следует включать материалы вспомогательного характера. В приложения могут быть помещены: ‒ таблицы и рисунки большого формата; ‒ дополнительные расчеты. 7 2 ОПИСАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ 2.1 Общие сведения о диэлектриках Согласно зонной теории твердого тела диэлектрики - это вещества, у которых запретная зона настолько велика, что в нормальных условиях электропроводность в них отсутствует. По назначению диэлектрические материалы можно разделить на электроизоляционные материалы и активные диэлектрики. По агрегатному состоянию диэлектрические материалы подразделяют на твердые, жидкие и газообразные. Особую группу составляют твердеющие материалы, которые в исходном состоянии являются жидкостями, а в процессе изготовления изоляции отверждаются и в период эксплуатации представляют собой твердые вещества, например компаунды, клеи, лаки и эмали. К электрическим свойствам диэлектриков относят поляризацию, электропроводность, диэлектрические потери и пробой. Диэлектрик, помешенный между электродами, к которым подводится электрическое напряжение, поляризуется. Поляризация - это процесс, состоящий в ограниченном смещении или ориентации связанных зарядов в диэлектрике при воздействии на него электрического поля. В любом веществе, в том числе и в диэлектрике, независимо от наличия или отсутствия в нем свободных электрических зарядов всегда имеются связанные заряды: электроны оболочек атомов, атомные ядра, ионы. Под действием внешнего электрического поля связанные электрические заряды в диэлектрике смещаются со своих равновесных положений: положительные в направлении вектора напряженности поля Е (к отрицательному электроду), а отрицательные в обратном. Рисунок 1 - Схема расположения зарядов в поляризованном диэлектрике: 1 - диэлектрик; 2 - обкладки электродов: S - площадь каждой обкладки; h расстояние между электродами (толщина слоя диэлектрика). 8 Относительная диэлектрическая проницаемость е представляет собой отношение заряда Q конденсатора с данным диэлектриком к заряду Q0 вакуумного конденсатора тех же размеров, той же конфигурации электродов, при том же напряжении. В зависимости от строения диэлектрика и его агрегатного состояния различают электронную, ионную, дипольную, миграционную, спонтанную и резонансную поляризацию. Электронная поляризация - это смещение электронных орбит относительно положительно заряженного ядра под действием внешнего электрического поля. Она устанавливается за очень короткое время после наложения электрического поля и составляет 10-14...10-15 с. При увеличении размеров атома электронная поляризуемость увеличивается. Значение диэлектрической проницаемости колеблется в небольших пределах и не зависит от частоты тока. Электронная поляризация происходит во всех атомах любого вещества и, следовательно, во всех диэлектриках независимо от наличия в них других видов поляризации. Для веществ ионного строения существенна электронная поляризуемость не атомов, а ионов. Запаздывание в установлении статического равновесия перемещающихся зарядов по отношению к электрическому полю называется релаксационной поляризацией. Электронно-релаксационная поляризация проявляется в материалах, имеющих дефекты в электронном строении (например, титаносодержащая керамика); она связана с ориентацией электронов. Ионная поляризация - это смещение друг относительно друга из положения равновесия разноименно заряженных ионов на расстояние, меньшее постоянной кристаллической решетки, в веществах с ионными связями. Она устанавливается также за малое, но все же большее, чем при электронной поляризации, время 1013 ...10-14 с. Ионная поляризация, как и электронная, не связана с потерями энергии и нс зависит от частоты, даже инфракрасного диапазона. Ионная поляризация характерна для кристаллических диэлектриков ионной структуры с плотной упаковкой ионов, она больше у тех веществ, где ионы плохо связаны друг с другом и несут большие электрические заряды. Ионно-релаксационная поляризация присуща ионным диэлектрикам со сравнительно слабым закреплением структурных частиц (например, изоляторный фарфор, нагревостойкая керамика, щелочные изоляционные стекла). Она сопровождается рассеиванием электрической энергии и зависит от температуры и частоты тока. 9 Дипольная поляризация заключается в повороте (ориентации) дипольных молекул в направлении внешнего электрического поля. Более строго дипольную поляризацию можно объяснять не как непосредственный поворот полярных молекул под действием внешнего электрического поля, а как внесение этим полем некоторой упорядоченности в положение полярных молекул, которые непрерывно совершают хаотические тепловые движения. Следовательно, дипольная поляризация связана с тепловыми движениями молекул. Дипольная поляризация проявляется в газах, жидкостях и аморфных веществах; в кристаллах (при температурах ниже точки плавления) диполи молекул обычно «заморожены», т.е. закреплены на своих местах и не могут ориентироваться. Поляризованность при дипольной поляризации уменьшается после снятия приложенного напряжения, т.е. имеет место дипольно-релаксационная поляризованность. Полярно-релаксационная поляризация наблюдается в полярных жидкостях и твердых диэлектриках, которые содержат полярные группы молекул или соответствующие радикалы, способные при воздействии поля ориентироваться (например, совол, канифоль, изоляционные бумаги). Миграционная поляризация обусловлена наличием в технических диэлектриках проводящих и полупроводящих включений и слоев с различной проводимостью. При внесении неоднородных материалов в электрическое поле свободные электроны и ионы начинают перемещаться (мигрировать) в пределах каждого включения и накапливаться на границах, образуя поляризованные области. Процесс миграционной поляризации сравнительно медленный; он может продолжаться секунды, минуты и даже часы. Поэтому миграционная поляризация обычно наблюдается лишь на низких частотах. Спонтанная (самопроизвольная) поляризация наблюдается у диэлектриков с доменным строением, когда до приложения внешнего электрического поля в таких материалах уже имеются небольшие поляризованные области. Внешнее поле ориентирует домены, векторы электрических моментов которых ориентированы хаотично и скомпенсированы в объеме материала, и диэлектрик поляризуется. При самопроизвольной поляризации наблюдаются большие диэлектрические потери и резко выраженная зависимость диэлектрической проницаемости от температуры и напряженности электрического поля. Диэлектрическая проницаемость при этом может достигать очень высоких значений (до 100 000). 10 2.2 Основные сведения о конденсаторах и методе их расчета Конденсатор - это устройство, имеющее два или более проводника (обкладки), разделенные электрической изоляцией, м предназначенное для использования его электрической емкости. Одной из многих разнообразных задач, решаемых с применением конденсаторов, является повышение коэффициента мощности электроустановок. Принципиальная электрическая схема конденсатора исключительно проста. Вместе с тем, достижение высоких эксплуатационных характеристик (удельной емкости, удельной энергии и др.) требует знания свойств электротехнических материалов и умения правильно конструировать изоляцию. Без соответствующих расчетов удельная энергия силовых конденсаторов может отклоняться на несколько порядков. Она зависит от выбранного изоляционного материала, принятого режима работы конденсатора и требуемого срока его эксплуатации. Расчет конденсатора обычно включает в себя следующие этапы: 1) выбор электроизоляционного материала; 2) выбор рабочей напряженности поля; 3) расчет толщины изоляции и числа последовательно включенных секций, представляющих собой самостоятельные диэлектрические конструкции, обладающие электрической емкостью и являющиеся основой построения конденсатора; 4) определение размеров и числа параллельных секций; 5) компоновка секций; 6) выбор защиты от атмосферных воздействий; 7) расчет температуры в изоляции конденсатора; 8) определение срока службы конденсатора при заданной вероятности безотказной работы; 9) уточнение размеров конденсатора. 11 3 ОПИСАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ 3.1 Постановка задачи В рамках расчетно-графической работы студентам требуется выполнить лишь часть перечисленных выше этапов расчета конденсатора, а именно, требуется: 1) рассчитать емкость конденсатора; 2) определить число последовательно включенных секций; 3) рассчитать число и размеры параллельных секций; 4) вычислить диэлектрические потери и потери в обкладках конденсатора. Расчет требуется провести в приложении к конденсатору с бумажнотрихлордифениловой изоляцией, предназначенному для работы в. электроустановках с классом напряжения Uн и имеющему реактивную мощность Q. Конденсатор состоит из 3-х сборок секций, которые соединяются между собой в звезду или в треугольник. Бумага, используемая в изоляции между обкладками конденсатора, имеет толщину Δ1, а число ее слоев между обкладками равно n1. Рабочая напряженность поля равна Eраб. Емкость конденсатора следует рассчитывать по классу напряжения электроустановки UH, а определение характеристик изоляции следует проводить по наибольшему рабочему напряжению Upаб. Класс напряжения равен номинальному линейному напряжению сети. Величина Upаб устанавливается для каждого класса напряжения. Она равна предельному значению напряжения, которое изоляция в электроустановках должна выдерживать в течение неограниченного времени воздействия. Величина наибольшего напряжения Upa6, как и величина UH, является линейным напряжением и определяется стандартом. Ниже, в таблице 1, приведены значения UH и соответствующие им Upa6. Таблица 1 – Наибольшие рабочие напряжения Класс напряжения, UH, 3 6 10 15 20 35 110 150 220 330 500 КВ Наибольшие 3.6 7.2 12 17.5 24 40.5 126 172 252 363 525 рабочие напряжения электрооборудования Upa6,кВ 12 3.2 Методика выполнения 3.2.1 Расчет емкости конденсатора При соединении сборных секций конденсатора в треугольник на каждую из них будет действовать линейное напряжение. Тогда требуемая емкость одной сборки Ссб∆ может быть найдена из следующей формулы реактивной мощности: 𝑄∆ = 3𝑈н2 𝜔Ссб∆ , (1) При соединении сборок в звезду реактивная мощность конденсатора равна: Uн 2 Q∗ = 3 · ( ) ω · Ссб∗ = 𝑈н2 · ω · Ссб∗ √3 (2) Из формул (1) и (2) следуют выражения для соответствующих емкостей Ссб∆ и Ссб∗ . Они равны: 𝐶сб∆ = 𝑄∗ 3∙𝑈н2 ·𝜔 (3) , и 𝐶сб∗ = 𝑄∗ 𝑈н2 ·𝜔 , (4) Здесь 𝜔 = 2𝜋𝑓 - угловая частота напряжения в сети 𝑓 - частота напряжения, обычно равная 50 Гц). При рассмотрении следующих этапов расчетов необходимо учитывать способ соединения сборных секций, мы далее для определенности будем полагать, что сборки секций конденсатора соединены в треугольник. Однако это не отразится ни на порядке расчета, ни на используемых при его проведении формулах. 3.2.2 Определение числа последовательно включенных секций Для заданной толщины бумаги δ1 и принятого числа ее слоев n1 между обкладками конденсатора можно по расчетной рабочей напряженности поля 𝐸раб.р. , характерной для заданного типа изоляционной конструкции, найти расчетное число последовательно включенных секций 𝑛посл.р. .. Оно равно: 𝑛посл.р. = 𝑈раб 𝐸раб.р. ·n1 ·δ1 , (5) Число 𝑛посл.р. , найденное по формуле (5), следует затем принять равным ближайшему целому числу. Замена расчетного числа 𝑛посл.р. ближайшим целым числом 𝑛посл . требует соответствующего пересчета величины 𝐸раб по формуле 𝐸раб = 𝑈раб 𝑛посл ·n1 ·δ1 . (6) Тогда с учетом 𝐸раб рабочее напряжение отдельной секции 𝑈с.раб. будет равно: 𝑈с.раб. = 𝐸раб · n1 · δ1 (7) 3.2.3 Расчет размеров и числа параллельных секций Отдельная секция конденсатора с бумажно-жидкостной изоляцией обычно представляет собой рулон из двух фольговых электродов, между которыми 13 укладывается несколько слоев бумаги (или пленки). Оптимальным считается размещение между электродами 6-10 слоев бумаги. Сначала фольга и бумага вместе сворачиваются в круглые рулоны, а затем они спрессовываются в овальные секции. Толщина спрессованной секции обозначается ∆𝐶 ; длина секции, обозначаемая b, примерно равна ширине фольги, а ширина секции обозначается h. По заданным в задании величинам ∆𝐶 , b и h определим длину закраин ∆𝐿, т.е. линейный размер, на который изоляционный материал выступает за край одной из обкладок конденсатора для предотвращения ее контакта с другой обкладкой или перекрытия по поверхности диэлектрика. Она находится по формуле: ∆𝐿 = 𝑘3 𝑈исп.с. + 𝐿1 , (8) где 𝑘3 - коэффициент закраины, при работе секции в жидком диэлектрике он принимается равным 𝑘3 =1,5 - 2,5 м/МВ (при проведении расчетов принять к3 равным 1,5 м/МВ); 𝑈исп.с. - испытательное напряжение, приходящееся на одну секцию конденсатора; 𝐿1 - технологическое увеличение размера закраин, обусловленное возможным смещением обкладок относительно изолирующей бумаги при изготовлении секций; величина 𝐿1 выбирается в зависимости от технологии изготовления конденсаторов в пределах от 0,5 до 10 мм (в расчетах принять 𝐿1 = 5 мм). Величина испытательного напряжения секции 𝑈исп.с. определяется по испытательному напряжению всего конденсатора 𝑈исп.к. ., которое примем равным 2,2 Uраб , тогда 𝑈исп.с = 2.2 · Uраб nпосл , (9) С учетом (9) по выражению (8) величина закраин ∆𝐿 равна: ∆𝐿 = 2.2 · Uраб nпосл ∙ 𝑘3 + 𝐿1 , (10) Относительную диэлектрическую проницаемость изоляционной бумаги, пропитанной трихлордифенилом , находим по формуле: 𝜀𝑟 = 𝜀𝑟.пр. 𝜀𝑟.пр. 𝛾 1+ 𝛿 𝑘запр. ( −1) 𝛾к , (11) 𝜀𝑟.к. где 𝜀𝑟.пр. и 𝜀𝑟.к. . - относительные диэлектрические проницаемости соответственно пропитывающего состава (трихлордифенила) и клетчатки (бумаги, поры которой пропитаны жидким диэлектриком); 𝛾𝛿 и 𝛾к соответственно плотность бумаги и плотность клетчатки; 𝑘запр. - коэффициент запрессовки. Коэффициент запрессовки 𝑘запр. . учитывает изменение толщины изоляции в результате прессования цилиндрических заготовок отдельных 14 секций и превращения их в овальные. В принятой для расчета диэлектрической конструкции конденсатора коэффициент 𝑘запр. . равен: 𝑘запр. = 𝑛1 ·𝛿1 ∆из , (12) где 𝑛1 , 𝛿1 - толщина бумаги между обкладками; ∆из = ∆1 + ∆2 – полная толщина изоляции, которая включает в себя толщину клетчатки ∆1 , и толщину пропитывающего слоя ∆2 . При этом толщина клетчатки равна: 𝛾 ∆1 = 𝑛1 · 𝛿1 ∙ ( 𝛿 ) , (13) 𝛾к а толщина пропитывающего слоя может быть найдена из выражения: ∆2 = 𝑛1 · 𝛿1 ∙ (1− 𝛾𝛿 𝑘 ) 𝛾к запр. 𝑘запр. , (14) Обычно коэффициент запрессовки 𝑘запр. . составляет величину от 0,8 до 0,95. В рамках данной работы он принимается равным величине, определенной индивидуальным заданием без - проведения соответствующих вычислений. Примем также, что в качестве конденсаторной бумаги используется бумага КOH-1, плотность которой составляет 𝛾𝛿 = 1000 клетчатки следует принять равной 𝛾к = 1550 Кг м3 ,а ее Кг м3 . Плотность относительная диэлектрическая проницаемость равна 𝜀𝑟.к. = 6,6. Учитывая, что диэлектрическая проницаемость пропитывающего жидкого диэлектрика (трихлордифенила) составляет величину 𝜀𝑟.пр. = 5.0, можно провести расчет диэлектрической проницаемости всей изоляции отдельной секции конденсатора 𝜀𝑟 по формуле (2.11). Далее следует определить расчетную электрическую емкость отдельной секции Сс.р. , а по ней - расчетное число параллельных секций, необходимых для создания в каждой фазной сборке требуемой емкости Ссб.р.. Емкость отдельной секции равна: 𝜋 2 ∆𝑐 ·𝑘запр 4 𝑛1 ·𝛿1 (𝑛1 ·𝛿1 +∆ф ) Сс.р. = 𝜀𝑟 · 𝜀0 (𝑏 − 2∆𝐿) (ℎ − ∆𝑐 + · ∆𝑐 · 𝑘запр ) · , (15) где ∆ф – толщина фольги , определяемая индивидуальным заданием по курсовой работе; 𝜀0 - электрическая постоянная ( 𝜀0 = 8,85∙10 -12 Ф/м). Расчетное число параллельных секций сборки 𝑛пар.р. , позволяющих получить требуемую емкость 𝐶сб ., найдем по формуле: 𝑛пар.р. = 𝐶сб ∙𝑛посл 𝐶с.р. . (16) Результат, полученный по формуле (16), следует округлить до ближайшего целого числа, т.е. принять 𝑛пар.р. = 𝑛пар .Тогда требуемая емкость отдельной 15 секции тоже должна быть изменена в соответствии с принятым округленным значением числа параллельных секций nпар.. Новое значение 𝐶с получим из выражения: 𝐶с = 𝐶сб ∙ 𝑛посл 𝑛пар . (17) Чтобы получить требуемую емкость 𝐶с необходимо изменить один из параметров секции, определяющих ее величину. Изменим толщину секции ∆𝑐 на новое значение ∆∗с , которую можно вычислить по выражению (15), преобразовав его к квадратному уравнению относительно искомой величины ∆∗с и взяв положительный корень в его решении. 3.2.4 Вычисление удельных потерь в секциях конденсатора Все потери энергии в конденсаторе состоят из диэлектрических потерь и потерь от тока, протекающего в обкладках. Оба вида потерь зависят от температуры материалов конденсатора. Поэтому при расчете потерь необходимо задаться температурой в середине спрессованной секции. Выберем три уровня этой температуры: +70, +40 и +10 °С. Следует принять, что при этих температурах величина тангенса угла диэлектрических потерь составит соответственно: tgδ70,=0,0023; tgδ40=0,0019; tgδ10=0,0021. Расчет электрических потерь в отдельной секции следует провести по формуле: 2 Pgt = 𝑈𝑐.раб. ∗ 𝜔 ∗ 𝐶с ∗ 𝑡𝑔𝛿𝑡 , (18) где Pgt - диэлектрические потери в изоляции при температуре t0; 𝑈𝑐.раб. .приложенное к изоляции наибольшее рабочее напряжение на секции; 𝜔 - угловая частота; 𝐶с - емкость изоляции отдельной секции; 𝑡𝑔𝛿𝑡 - тангенс угла диэлектрических потерь при температуре t. Таким образом, в расчетах следует принять, что приложенное к секции напряжение равно наибольшему рабочему напряжению 𝑈𝑐.раб. и не зависит от времени. Нагревом изоляции от воздействия случайных перенапряжений можно пренебречь из-за их малой продолжительности и сравнительно редкого появления. Емкость электроизоляционной конструкции с некоторыми можно считать не зависящей от времени и температуры. Вместе с тем, температура изоляции, а также частота переменного тока оказывают существенное влияние на 𝑡𝑔𝛿𝑡 . Поэтому при подсчете диэлектрических потерь значение 𝑡𝑔𝛿𝑡 должно соответствовать определенной температуре и частоте переменного тока. При вычислениях будем предполагать, что напряжение в сети синусоидально и имеет частоту 50 Гц, а высшие гармоники в его составе отсутствуют. Тогда при расчетах по формуле (17) будет варьировать только величина 𝑡𝑔𝛿𝑡 , для трех значений которой получим три значения мощности Pg70 , Pg40 , Pg10 . Потери в обкладках для каждой из температур найдем по формуле: 16 1 С 6 𝑛 2 𝐿 𝑎 𝑃ф𝑡 = (𝑈𝑐 · 𝜔 · с ) ∙ ((𝑏−2·∆𝐿)·∆ ) · 𝜌0 · (1 + 2 · 𝛼ф · (𝑡 − 𝑡0 )), ф (19) где 𝐿𝑎 - активная длина обкладки секции (см. ниже); 𝑛 - число закладных отводов от одной обкладки секции, располагаемой на равном расстоянии друг от друга (в расчетах Pфt принять n=1); 𝜌0 - удельное сопротивление материала обкладок при температуре t0; 𝛼ф - температурный коэффициент сопротивления материала обкладок. Активная длина обкладок Lа находится по величине емкости секции Сc из выражения: LA = Cc ∙∆из , (20) 2∙ε0 ∙εr ∙(b−2∙∆L ) Или по формуле (21) , полученной из (20) с учетом геометрических и других характеристик секции, найденных в результате предыдущих расчетов: 𝐿𝑎 = 𝑘запр ·∆∗с 2(𝑛1 𝛿1 +∆ф ) 𝜋 · (ℎ − ∆∗с + · ∆∗с · 𝑘запр ), 3 (21) Величины 𝜌0 0 и 𝛼ф необходимые для вычисления потерь в фольге 𝑃ф𝑡 , приведены в задании. Суммарные потери, имеющие место в отдельной секции конденсатора при температурах 70, 40 и 10 °С, определяются суммированием 𝑃𝑔𝑡 и 𝑃ф𝑡 : 𝑃с𝑡 = 𝑃𝑔𝑡 + 𝑃ф𝑡 . (22) Совокупные потери во всех секциях конденсатора получим по формуле: 𝑃кт = 𝑛посл. · 𝑛пар. · 𝑃с𝑡 . (23) Удельные тепловыделения в секции, т.е. тепловыделения в единице объема секции найдем из выражения: 𝑃 𝑐𝑡 𝑞𝑐𝑡 = (𝑏−2∆𝐿)·ℎ·∆ ∗ . (24) с Этим расчет потерь в секциях конденсатора заканчивается. 17 3.3 Варианты заданий Исходные данные для расчета выбираются по указанию преподавателя. В таблицах 2 и 3 представлены примерные варианты исходных данных. Расч. раб. напряженность поля, Ерас.р. МВ/м Изоляция между обкладками конденсатора Толщина изолирующей бумаги δ, Числомкм. слоев бумаги n1 Способ соединения сборных секций Требуемая реактивная мощность, Q. кВАр Класс напряжения. Uн,kB № варианта задания Таблица 2 – Исходные данные для расчета 1 6,3 75 12 6 14 2 3 10,0 6,0 75 50 10 10 8 7 13 13 4 2,0 50 10 10 14 5 6 3,0 10,0 40 40 10 10 7 10 12 14 7 8 9 10 6,3 3,0 10,0 15,0 85 45 70 75 12 12 12 12 6 6 7 8 12 12 13 15 11 35,0 50 12 10 14 12 13 14 6,0 3,0 10,0 70 45 40 12 10 10 8 8 9 13 12 14 15 20,0 35 12 10 13 16 17 10,0 35,0 45 35 10 10 9 10 12 15 18 35,0 70 12 9 14 18 Таблица 3 – Исходные данные для расчета Геометрические размеры спрессованной секции Толщина Длина Ширина секции, секции, секции, мм мм мм 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 20 25 20 25 20 23 22 23 22 25 23 21 22 20 24 24 24 24 280 300 250 250 200 220 280 260 300 300 260 280 210 220 230 240 200 210 160 165 155 175 180 170 155 160 165 180 175 170 160 155 155 180 160 170 0,9 0,9 0,9 0,85 0,85 0,85 0,92 0,86 0,86 0,92 0,88 0,88 0,91 0,87 0,85 0,91 0,90 0,91 19 8 10 12 10 12 10 8 10 12 8 10 12 10 8 8 10 10 12 28*10-9 28*10-9 27*10-9 27*10-9 29*10-9 29*10-9 28*10-9 27*10-9 26*10-9 26*10-9 27*10-9 28*10-9 28*10-9 29*10-9 26*10-9 27*10-9 27*10-9 28*10-9 Температурный коэффициент материала фольги, α,, Ом∙м/град Удельное сопротивление материала, ρо, Ом∙м. № варианта задания Коэффициент запрессовки секций, Кзапр. Толщина фольги, Δф, мкм Характеристики фольги 0,0042 0,0041 0,0043 0,0042 0,0040 0,0041 0,0040 0,0042 0,0043 0,0044 0,0044 0,0041 0,0042 0,0041 0,0044 0,0042 0,0042 0,0043 4 КРИТЕРИИ И НОРМЫ ОЦЕНКИ Оценивание работы происходит в два этапа: оценивание расчетной части и оценивание письменных ответов при защите. При подготовке ответов рекомендуется использовать источники [1-3]. По результатам выполнения расчетной части и последующей защиты проекта выставляется оценка по системе: зачтено или не зачтено. Зачтено получают студенты правильно выполнившие все расчеты согласно заданию, подготовившие пояснительную записку согласно требованиям и ответившие верно на вопросы во время защиты. Вопросы к защите расчетно-графической работы. 1. В чем суть процесса поляризации диэлектриков? Какие виды поляризации можно выделить и в чем их отличие друг от друга с энергетической точки зрения? Что называется относительной диэлектрической проницаемости диэлектриков? 2. Опишите процессы упругой поляризации, а также процессы дипольной, миграционной и сегнетодиэлектрической поляризации. Какие виды поляризации имеют место в изоляции рассчитываемого Вами конденсатора? В каком виде поляризации величина относительной диэлектрической проницаемости будет больше? 3. Что называется электропроводностью диэлектриков? Как оценивается электропроводность диэлектрических материалов и конструкций? Что называют током абсорбции и является ли он результатом электропроводности диэлектрика? 4. Чем обусловлены потери в изоляционной конструкции? Приведите схему замещения и объясните роль каждого ее элемента в описании процессов поляризации электропроводников. 20 СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Целебровский, Ю.В. Материаловедение для электриков в вопросах и ответах [Электронный ресурс] : учебное пособие / Ю.В. Целебровский ; Министерство образования и науки Российской Федерации, Новосибирский государственный технический университет. - 3-е изд. - Новосибирск : НГТУ, 2015. - 64 с. (ЭБС «Университетская библиотека онлайн»). 2. Привалов, Е.Е. Электротехническое материаловедение [Электронный ресурс] : учебное пособие / Е.Е. Привалов. - Москва ; Берлин : Директ-Медиа, 2015. - 234 с. (ЭБС «Университетская библиотека онлайн»). 3. Привалов, Е.Е. Основы электроматериаловедения [Электронный ресурс] : учебное пособие / Е.Е. Привалов. - 2-е изд., стер. - Москва ; Берлин : ДиректМедиа, 2017. - 301 с. (ЭБС «Университетская библиотека онлайн»). 21 Приложение. Образец титульного листа Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «КАЛИНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Институт морских технологий, энергетики и строительства Кафедра энергетики Оценка ___________ Дата ___________ Преподаватель ___________ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА «Расчет силового конденсатора для повышения коэффициента мощности электроустановок частотой 50 гц» по дисциплине «Электротехнические материалы» направления подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» Работу выполнил: студент гр. ХХ-ЭЭ Иванов И.И. Калининград 202Х 22