Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
«Ижевский государственный технический университет
им. М.Т.Калашникова»
Факультет «Приборостроительный»
Кафедра «Электротехника»
Лабораторная работа
Тема: «Исследование динамических характеристик вакуумного контактора»
Выполнил:
студент группы: Б05-832-1 Любимов Р.В.
Проверил: Морозов В.А.
2013г.
Цель: Исследование динамических характеристик вакуумного контактора.
Оборудование: Блок защиты, полюс выключателя, генератор, монитор, системный блок, АЦП USB-6009.
Теоретические сведения:
Любая коммутация (включение или отключение) какого-либо элемента сети (трансформатора, электродвигателя, конденсаторной батареи, воздушной или кабельной линии и т.д.) вызывает переходный процесс. Это связано с тем, что сеть является, содержит индуктивности и емкости основного электротехнического оборудования, поэтому подключение или отключение некоторого элемента сопровождается выделением запасенной в установке энергии, представляющей собой отношение величин амплитуд перенапряжения и рабочего напряжения, другими словами переход сети от режима до коммутации к режиму после коммутации сопровождается изменениями токов в элементах и напряжений на них. Как правило, этот переход имеет вид затухающих колебаний, в процессе которых напряжение на емкостях оборудования относительно земли или между фазами может достигать величин значительно больших, чем номинальные и оказывающих стрессовые воздействия на коммутационный аппарат и систему в целом. Это и называется перенапряжениями.
Характеристики коммутационных перенапряжений
Важнейшей характеристикой перенапряжений является их кратность, т. е. отношение максимального значения напряжения Uмакс к амплитуде наибольшего рабочего напряжения на данной элементе √2Uном.раб. Следует отметить, что при измерении кратности перенапряжений или при ее расчете Uмакс обычно относят не к величине √2Uном.paб, а к фактической амплитуде рабочего напряжения, имеющего место непосредственно перед появлением перенапряжения или установившегося после него. Это не противоречит данному выше определению кратности по формуле (1), поскольку предполагается, что величина Uмакс пропорциональна рабочему напряжению и при повышении напряжения до наибольшего рабочего значения величина кратности не изменится. Амплитуда допустимых перенапряжений на изоляции высоковольтных электрических машин определяется по следующей формуле: Un=.√2*1,7*Uном (2)
где Uном - номинальное напряжение, Un - допустимое напряжение.
Допустимая кратность перенапряжений на изоляции машин составляет не более 2,6 - 2,9 по отношению к номинальному фазному напряжению и 2,2 - 2,4 по отношению к максимальному фазному рабочему напряжению.
Un = δВП * КПВ*Um„ (3)
где δВП=1,3 - коэффициент импульса при внутренних перенапряжениях для класса напряжений 6-35 кВ;
КВП=0,9 - коэффициент кумулятивности.
Величины, числено характеризующие внутренние перенапряжения, оказываются зависимыми от ряда случайных обстоятельств: от схемы сети, ее режима, ее параметров, от наличия средств борьбы с перенапряжениями и эффективности этих средств, а также от некоторых других факторов, например мгновенного значения тока и т.д. Поэтому количественные характеристики внутренних перенапряжений оказываются величинами случайными, требующими при их рассмотрении привлечении методов математической статистики.
Можно найти такие сочетания переходных процессов, которые дают перенапряжения очень высокой кратности. Однако если такое сочетание весьма маловероятно, то его обычно не принимают в расчет.
Причины перенапряжения
Основными причинами перенапряжений на изоляции отдельного присоединения (и только его, а не всей сети) при отключении нагрузки, связанными с особенностями дугогасящей среды и конструкцией выключателя, являются срез тока и эскалация напряжения.
Срез тока. Любой выключатель отключает ток при прохождении его через ноль , когда подвод энергии к дуге со стороны сети уменьшается. В околонулевой области тока возможен быстрый распад канала дуги и принудительный спад тока от некоторого значения (как правило, единицы - десятки ампер) до нуля за очень малое время (значительно раньше естественного нуля тока). Это явление называется срезом тока. Возникает оно при отключении малых индуктивных токов (например, токов холостого хода трансформаторов и электродвигателей), неустановившихся токов включения трансформаторов, пусковых токов электродвигателей, токов шунтирующих реакторов.
Срез тока характерен для выключателей любого применяющегося в настоящее время типа (маломасляных, электромагнитных, воздушных, вакуумных, элегазовых). В вакуумных выключателях причиной среза тока является неустойчивость дуги при малых токах, так как она горит в парах металла контактов.
При срезе тока в индуктивности нагрузки "запирается" энергия, которая затем освобождается на емкость присоединения и может вызывать перенапряжения. Как известно, кратность перенапряжений при этом определяется индуктивностью нагрузки, емкостью присоединения (в основном длиной кабельной или воздушной линии) и величиной тока среза. Последний параметр различается для выключателей с разными дугогасящими средами. На рис.1 приведена диаграмма относительных токов среза для выключателей разного типа.
Одной из причин неприятия вакуумных выключателей стали перенапряжения, которые были вызваны большим срезом тока в первых партиях вакуумных аппаратов при отключении нагрузки индукционного типа. В этих моделях выключателей для изготовления контактов использовался вольфрам. Преимущество этого металла в виде тугоплавкости, а также малая истираемость изготовленных из него контактов нивелировались большим контактным сопротивлением и резким спаданием плотности паров металла при приближении тока к нулю. Появлялся срез тока и возникало перенапряжение на индуктивную нагрузку. Ситуация была разрешена с помощью
применения сплавов на медной основе, легированной различными добавками, а именно, хромом. В настоящее время кратность перенапряжения, которое вызывается при коммутации вакуумными аппаратами не больше кратности других моделей выключателей.
Как видно из рис.1, современные вакуумные выключатели с хром-медными контактами имеют низкий уровень тока среза, ниже чем у прочих выключателей (среднее значение порядка 3-4 А, предельное 5 - 6 А). [8]
Большинство производителей вакуумных выключателей используют для изготовления контактов именно хром-медные композиции. Однако выключатели с вольфрамовыми контактами были способны создавать значительные срезы тока, порядка 20-30 А.
Кроме величины тока, на перенапряжения при срезе, как уже указывалось выше, влияют индуктивность нагрузки (или мощность) и емкость присоединения (длина воздушной или кабельной линии). При значительной длине присоединения перенапряжений из-за среза тока в выключателе вообще не возникает. Наличие даже небольшой активной нагрузки на вторичной стороне отключаемого силового трансформатора также исключает возникновение перенапряжений по причине среза. Использование таких современных защитных аппаратов, как ОПН, вообще снимает вопрос перенапряжений вне зависимости от типа используемого выключателя.
Следует отметить, что в настоящее время в сетях эксплуатируются тысячи маломасляных выключателей с токами среза гораздо больше, чем у вакуумных выключателей. То есть потенциально маломасляные выключатели также способны создавать перенапряжения и причем более высокие, чем вакуумные.
Эскалация напряжения. Рассмотрим теперь вторую причину перенапряжений при отключениях нагрузки: эскалацию напряжения (многократные повторные пробои). Это явление характерно только для вакуумных выключателей. . Это явление вызвано двумя следующими существенными отличиями вакуумных выключателей от выключателей других типов: способность гасить высокочастотные токи со скоростью перехода через нуль до 50-100 А/мкс и почти мгновенно восстанавливать электрическую прочность промежутка между контактами после гашения (на уровне 15-60 кВ/мс ). Однако оно возникает крайне редко, только при отключении пускового тока не успевших развернуться или заторможенных электродвигателей (причем из 100 отключений пусковых токов только 5-10 могут сопровождаться эскалацией напряжения). Физическая сущность этого явления описана в [4]. Перенапряжения в этом (и только в этом) случае могут достигать 6-7 кратных. Осциллограмма иллюстрирующая подобный процесс, приведена на рис.2.
Рис.2. Экспериментальная осциллограмма отключения пускового тока электродвигателя 6,3 кВ, 736 кВт, вакуумным выключателем с возникновением эскалации напряжения с кратностью 4,0 о.е. в первой отключаемой фазе выключателя
Масштаб: 100 мксек 5 кВ.
Еще раз отметим, что рассмотренный случай отключения пускового тока - достаточно редкое событие, а в некоторых случаях практически невозможное.
Одним из главных параметров, который влияет на обеспечение надежности отключения вакуумным контактором, является первичная скорость восстановления электропрочности в междуконтактном промежутке после гашения дуги промышленной частоты. Компания Siemens, гарантирует скорость восстановления не менее 4,8 кВ/мкс. При подобных величинах повторных зажиганий дуги, не будет и эскалации напряжения.
Процесс коммутации.
На Рис.3 показана схема замещения при отключении аварийного участка выключателем. Нагрузка, которая питается через выключатель, на схеме не показана, поскольку возникшее короткое замыкание отсекает ее от источника энергии.
Рис.3 Схема замещения при отключении аварийного участка выключателем На схеме указаны элементы цепи:
L - индуктивность линии, ограничивающая величину тока КЗ в аварийной точке; С - паразитная емкость цени.
Активное сопротивление линии и прочие факторы, определяющие потери настолько незначительны, что ими можно пренебречь. Контакты выключателя размыкаются, отключая аварийный ток. Когда контакты, по которым протекает ток, размыкаются, независимо от типа дугогасящей среды, в которой находятся контакты (вакуум, жидкость или газ), между ними возникает электрическая дуга. Имея достаточную электрическую проводимость, возникшая между контактами дуга обеспечивает току короткого замыкания путь для его дальнейшего протекания. Для цепи, изображенной на Рис.7, ток, имея практически индуктивный характер, отстает от напряжения источника на 90°, таким образом, когда ток подходит к естественному нулю, напряжение источника достигает своего максимального значения (Рис. 4).
На рис 4 представлены ток выключателя (сплошная кривая) и напряжение на контактах выключателя при выполнении коммутации ( гармоническая кривая). До тех пор, пока между контактами выключателя существует дуга, существует и напряжение между контактами выключателя, называемое напряжением на дуге. Дуга, горящая в вакууме, характеризуется весьма низким значением напряжения на дуге, поэтому на графике ее практически не видно.
При переходе тока через естественный нуль, дуга в промежутке между контактами гаснет, исчезает мостик для протекания тока по контактам, и ток от источника переходит в паразитную емкость линии С, заряжая ее до напряжения источника (фактически на разомкнутых контактах выключателя восстанавливается напряжение источника). Поскольку цепь, образовавшаяся после размыкания выключателя (Рис. 3), содержит последовательно соединенные индуктивный и ёмкостный элементы, то восстановление напряжение на контактах выключателя имеет резонансный характер, а кривая, описывающая этот процесс, представляет собой кривую напряжения источника, на которую наложены затухающие высокочастотные (с естественной частотой цепи (Рис. 4) колебания переходного процесса. Высокочастотное напряжение, возникающее на контактах выключателя после отключения тока, носит название переходного восстанавливающегося напряжения (ПВН). Таким образом, задача отключения тока, по сути дела, сводится к быстрому превращению вещества межконтактного промежутка из проводника тока в изолятор, способный выдержать воздействие ПВН.
Если контакты, несущие ток размыкаются в вакууме, весь ток устремляется к последней оставшейся точке контакта, вызывая интенсивный местный нагрев в этой точке. При дальнейшем разведении контактов формируется мостик из расплавленного металла, который, вследствие огромной плотности тока в нем, мгновенно разогревается и взрывается, создавая дугу в среде ионизированных металлических паров, образовавшихся в результате взрыва. Ионизированный металлический пар является хорошим проводником тока, и в межэлектродном промежутке начинается устойчивый дуговой разряд. Таким образом, вакуумная дуга представляет собой, на самом деле, дугу в среде металлического пара. Носители тока попадают в межэлектродный промежуток с катода через множественные точечные источники тока, называемые катодными пятнами. Через каждое пятно протекает ток 60-100 ампер, что при размерах катодного пятна от нескольких микрон до нескольких десятков микрон создает плотность тока до ста миллионов ампер на квадратный сантиметр. Огромная плотность тока разогревает металл электрода в катодных пятнах, он кипит и испаряется, давление и этих точках достигает десятков атмосфер, а температура - нескольких тысяч градусов» При тихих температурах и давлениях из катодных пятен истекают сверхтуковые струи плотной, сильно ионизированной плазмы, через которую и протекает ток на анод.
При наблюдении за катодными пятнами кажется, что они находятся в непрерывном хаотическом движении но поверхности катода. Па самом деле эффект движения пятен создается из-за непрерывного процесса исчезновения (отмирания) одних пятен и возникновения других. Каждое пятно имеет ограниченное «время жизни», новые пятна рождаются н месте отмирания «старого» пятна, зачастую новые пятна появляются путем деления уже существующего на два и более пятен. Количество пятен, существующих на катоде в определенный момент времени, определяется амплитудой тока дуги и материалом катода. Так, например, каждое пятно на медном электроде несет ток порядка 100Л. Таким образом, дуга, образуемая на медном электроде током 1000А создаст примерно 10 катодных пятен.
Если рассматривать полупериод переменного тока, то можно заметить, что одновременно с ростом уровня тока будет расти и количество катодных пятен, затем, по мере уменьшения тока, количество пятен будет уменьшаться до тех пор, пока непосредственно перед естественным переходом тока через ноль не останется только одно пятно. При достижении током предельной минимальной величины, которая называется током среза и зависит, в основном, от материала катода, последнее катодное пятно прекращает свое существование, при этом ток через межэлектродный промежуток практически перестает течь, а пары металла конденсируются на электродах за время около 10 микросекунд. После исчезновения тока на разведенных электродах начинает восстанавливаться напряжение сети, этот процесс занимает примерно 50-60 микросекунд, то есть, к моменту восстановления напряжения носители заряда в межэлектродном промежутке отсутствуют и он полностью восстанавливает свои диэлектрические свойства.
Вакуумные дуги имеют несколько форм, режимов существования. Для определения режима горения вакуумной дуги используется слово «мода». Проявление вакуумной дуги, ее вид, зависит от моды. Мода, в свою очередь, зависит от величины тока и, в известной степени, от размера контактов. При меньших токах дуга принимает диффузную моду, которая характеризуется наличием одного или нескольких катодных пятен. Остальная часть дуги светится гораздо слабее, контрастируя с ярко светящимися катодными пятнами. Дуга называется диффузной, потому что практически весь объем межэлектродного промежутка равномерно заполнен раскаленными светящимися струями конической формы, берущими начало в катодных пятнах и омывающими анод. По мере роста тока дуга расширяется, светящаяся плазма заполняет практически весь объем камеры дает общее представление о том, как выглядит дуга в диффузной моде. Экспериментальные работы, проделанные учеными многих стран дают более конкретную информацию о диффузной дуге в среде металлического пара. По сравнению с дугами в газах, напряжение вакуумной дуги довольно низкое, обычно в пределах 20- ЗОВ для токов порядка нескольких сот ампер на медных электродах, таким образом, энергия, выделяемая на электродах в процессе горения дуги (UI), очень невелика. Большая часть падения напряжения дуги приходится на прикатодную область, чрезвычайно короткий участок, начинающийся у катодного пятна в непосредственной близости к поверхности катода. Почти все остальное напряжение проявляется в прианодной области. Таким образом, в целом, объем плазмы характеризуется очень слабым электрическим полем, то есть суммарный заряд электрических частиц в объеме дуги близок к нейтральному. [8]
Опытным путем были определены параметры дуги:
Наличие катодных пятен жизненно необходимо для существования вакуумной дуги, поскольку они являются источником плазмы, без которой дуговой разряд невозможен. Анод, в отличие от катода, ведет себя как положительный зонд, вытягивающий из плазмы значительный ток, необходимый для удовлетворения потребностей внешней цепи. Межэлектродная плазма обеспечивает проводящую среду, необходимую для переноса тока от катода к аноду. Неудивительно, что в этой ситуации большинство научных исследований вакуума как коммутационной среды сфокусированы на катодных процессах, в большей даже степени, чем на самой плазме. При дальнейшем увеличении тока в дуге происходят неожиданные существенные изменения характера дуги. Плазма, вместо того, чтобы равномерно омывать анод, как было описано ранее, фокусируется на небольшой области этого электрода. Это анодное пятно, обычно находящееся на остром краю контакта и пребывающее в расплавленном состоянии, обычно играет ключевую роль в пробое промежутка при попытке восстановления напряжения. Катодные пятна, при этом, имеют тенденцию к группированию, а сама дуга принимает вид ярко светящегося жгута. Такая мода дуги называется контрагированной. Контрагированная дуга вызывает гораздо большую эрозию обоих электродов, которая в количественном отношении зависит от амплитуды тока и длительности его протекания, приблизительно можно утверждать, что в этом режиме эрозия на один или два порядка выше, нежели катодная эрозия диффузной дуги.
Ход работы:
1. Замер собственных шумов.
2. Диаграмма включения и отключения при L-нагрузке.
Графики включения и отключения вакуумного контактора при L-нагрузке.
3. Диаграмма включения и отключения при RL-нагрузке.
Графики включения и отключения вакуумного контактора при RL-нагрузке.
Вывод: В ходе работы были изучены характеристики, снятые при коммутации вакуумного контактора. Были получены графики изменения тока в цепи контактора, тока и напряжения на нагрузке во времени для L- и RL- нагрузки. Расчетным путем получены значения времени включения контактора и коэффициента кратности перенапряжения:
L-нагрузка: tвкл=0,29 с, К=1,06
RL-нагрузка: tвкл=0,106 с, К=1