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
Электрические аппараты
К.т.н. Ляшук В.М.
Электрические аппараты (ЭА) – это электротехнические устрой ства, применяемые при использовании электрической энергии, начи ная от ее производства, передачи, распределения и кончая потребле нием. Разнообразие видов ЭА и различие традиций мировых элект ротехнических школ затрудняют их классификацию.
В настоящее время под ЭА понимают электротехнические уст ройства управления потоком энергии и информации. При этом речь может идти о потоках энергии различного вида: электрической, механической, тепловой и др. Например, потоком механической энергии от двигателя к технологической машине может управлять электромагнитная муфта. Потоками тепловой энергии можно управ лять при помощи электромагнитных клапанов и заслонок. Таких примеров использования ЭА можно привести большое количество. Примером использования ЭА для управления информацией является применение реле в телефонии. Например, при создании телеграфного аппарата П.Л. Шиллинг в 1820г. применил впервые электромагнит ное реле. Простейшая формально-логическая обработка дискретной информации также была реализована на реле.
Однако наибольшее распространение получили ЭА для управления потоками электрической энергии для изменения режимов работы, регулирования параметров, контроля и защиты электротехнических систем и их составных частей. Как правило, функции таких ЭА осуществляются посредством коммутации (включения и отключения) электрических цепей с различной частотой, начиная от относительно редких, нерегулярных значений до периодических высокочастотных, например, в импульсных регуляторах напряжения.
Одним из основных признаков классификации ЭА является напря жение. Различают аппараты низкого напряжения (АНН) – до 1000 В и аппараты высокого напряжения (АВН) – свыше 1000 В.
Большинство аппаратов низкого напряжения условно можно разделить на следующие основные виды:
аппараты управления и защиты – автоматические выключатели, контакторы, реле, пускатели электродвигателей, переключатели, рубильники, предохранители, кнопки управления и другие аппараты, управляющие режимом работы оборудования и его защитой;
аппараты автоматического регулирования – стабилизаторы и регуляторы напряжения, тока, мощности и других параметров элек трической энергии;
аппараты автоматики – реле, датчики, усилители, преобразо ватели и другие аппараты, осуществляющие функции контроля, усиления и преобразования электрических сигналов.
Следует отметить, что АНН иногда классифицируют по величине коммутируемого тока: слаботочные (слаботоковые) – до 10 А и сильноточные (сильнотоковые) – свыше 10 А. При этом нижние пределы надёжно коммутируемых современными электрическими аппаратами токов достигают 10-9 А, а напряжений - 10-5 В.
Аппараты высокого напряжения работают в сетях с напряжением до 1150 кВ переменного тока и 750 кВ постоянного тока и также существенно различаются по своим функциям. В настоящем учебном пособии аппараты высоко напряжения не рассматриваются.
Электрические аппараты как низкого, так и высокого напряжения обычно являются конструктивно законченными техническими уст ройствами, реализующими определенные функции и рассчитанными на разные условия эксплуатации.
В основе большинства электромеханических ЭА лежит контактная система с различными типами приводов - ручным, электромагнит ным, механическим и др. Процессы, протекающие в ЭА, определя ются различными и многообразными физическими явлениями, которые изучаются в электродинамике, механике, термодинамике и других фундаментальных науках.
Одной их наиболее сложных задач, решаемых при разработке электромеханического электронного аппарата, является обеспечение работоспособности электрических контактов, в том числе и при гашении электрической дуги, возникающей при выключении ЭА.
По принципу работы электрические аппараты подразделяются на контактные и бесконтактные. Первые имеют подвижные контактные части, и воздействие на управляемую цепь осуществляется путем замыкания или размыкания этих контактов. Бесконтактные аппараты не имеют коммутирую щих контактов. Эти аппараты осуществляют управление путем изменения своих электрических параметров (индуктивности, ёмкости, сопротивления и т.д.).
Контактные аппараты могут быть автоматическими и неавтоматическими. Автоматические – это аппараты, приходящие в действие от заданного режима работы цепи или машины. Неавтоматические – это аппараты, действие которых зависит только от оператора. Они могут управляться дистанционно или непосредственно.
Требования, предъявляемые к электрическим аппаратам, чрезвычайно раз нообразны и зависят от назначения, условий применения и эксплуатации аппарата. Кроме специфических требований, относящихся к данному аппарату, все электрические аппараты должны удовлетворять некоторым общим требо ваниям:
1. Каждый электрический аппарат при работе обтекается рабочим током, при этом в токоведущих частях выделяется определенное количество теплоты и аппарат нагревается. Температура не должна превосходить неко торого определенного значения, устанавливаемого для данного аппарата и его деталей.
2. В каждой электрической цепи может быть ненормальный (перегрузка) или аварийный (короткое замыкание) режим работы. Ток, протекающий по аппарату в этих режимах, существенно (в 50 и более раз) превышает номинальный, или рабочий, ток. Аппарат подвергается в течение определен ного времени чрезмерно большим термическим и электродинамическим воз действиям тока, однако он должен выдерживать эти воздействия без каких-либо деформаций, препятствующих дальнейшей его работе.
3. Каждый электрический аппарат работает в цепи с определенным напряжением, где возможны также и перенапряжения. Однако электрическая изоляция аппарата должна обеспечивать надежную работу аппарата при задан ных значениях перенапряжений.
4. Контакты аппаратов должны быть способны включать и отключать все токи рабочих режимов, а многие аппараты – также и токи аварийных режимов, которые могут возникнуть в управляемых и защищаемых цепях.
5. К каждому электрическому аппарату предъявляются тре бования по надежности и точности работы, а также по быстродействию.
6. Любой электрический аппарат должен, по возможности, иметь наимень шие габариты, массу и стоимость, быть простым по устройству, удобным в обслуживании и технологичным в производстве.
I. Основные физические явления и процессы в электрических аппаратах
1. Тепловые процессы в электрических аппаратах
Электрические аппараты являются сложными электротехнически ми устройствами, содержащими много элементов, одни из которых являются проводниками электрических токов, другие - проводниками магнитных потоков, а третьи служат для электрической изоляции. Часть элементов может перемещаться в пространстве, передавая усилия другим узлам и блокам. Работа большой части аппаратов связана с преобразованием одних видов энергии в другие. При этом, как известно, неизбежны потери энергии и превращение ее в тепло. Теп ловая энергия частично расходуется на повышение температуры аппарата и частично отдается в окружаю щую среду.
При увеличении температуры происходит ускоренное старение изоляции проводников и уменьшение их меха нической прочности. Так, например, при возрастании дли тельной температуры всего лишь на 8 °С сверх допустимой для данного класса изоляции, срок службы последней сокращается в 2 раза.
При увеличении температуры меди со 100 до 250 °С механическая прочность снижается на 40 %. Следует иметь в виду, что при коротком замыкании, когда тем пература может достигать предельных значений (200-300 °С), токоведущие части подвержены воздействию больших электродинамических сил. Работа контактных соединений также сильно зависит от температуры.
Нагрев токоведущих частей и изоляции аппарата в значительной степени определяет его надежность. Поэто му, во всех возможных режимах работы температура частей аппарата не должна превосходить таких значе ний, при которых не обеспечивается его длительная работа.
1.1.1. Источники теплоты в электрических аппаратах
При протекании тока по электрическому проводнику в нём выделяется мощность P, которая для однородного проводника с равномерной плотностью постоянного тока I в единицу времени определяется как
где R – активное электрическое сопротивление проводника длиной l и поперечным сечением S
Удельное электрическое сопротивление материала проводника зависит от температуры T и в большинстве случаев (до температуры 150 – 200 °С) вычисляется
где – удельное сопротивление при температуре 0 °С; – температурный коэффициент сопротивления.
Как известно из курса теоретических основ электротехники (ТОЭ), поверхностным эффектом называется явление неравномерного распределения плотности переменного тока по поперечному сечению одиночного проводника, а эффектом близости – явление неравномерного распределения плотности переменного тока, обусловленное влиянием друг на друга близко расположенных проводников с токами.
Неравномерность распределения плотности тока приводит к возникновению дополнительных потерь мощности. При этом следует учитывать, что в проводниках из ферромагнитных материалов вышеуказанные явления проявляются значительно сильнее, чем в немагнитных проводниках.
В ферромагнитных нетоковедущих частях электрического аппарата, находящихся в переменном магнитном поле, также имеют место источники теплоты. Это обусловлено вихревыми токами, возникающими тогда, когда переменный во времени магнитный поток пронизывает ферромагнитные части аппарата.
Если магнитопровод выполнен из листовой электротехнической стали (шихтованный магнитопровод), то потери мощности в нём существенно меньше, чем в сплошном стальном магнитопроводе.
В электромеханических аппаратах, предназначенных для коммутации электрических цепей, мощным источником теплоты является электрическая дуга. В электромагнитных муфтах, предназначенных для коммутации и передачи механической мощности, потери на трение составляют существенную долю от общих потерь мощности.
1.1.2. Анализ способов распространения теплоты в электрических аппаратах
Передача теплоты всегда идёт от более нагретых тел к менее нагретым и происходит до тех пор, пока температура тел не сравняется. Чем выше температура нагретого тела, тем интенсивнее будет происходить передача тепла. Различают три способа распространения теплоты в пространстве: теплопроводностью, тепловым излучением и конвекцией.
Теплопроводность – распространение тепловой энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частиц или тел, имеющих разную температуру. Теплопроводящие свойства среды характеризуются коэффициентом теплопроводности.
Тепловое излучение – распространение внутренней энергии тела путём излучения электромагнитных волн. Совокупность процессов взаимного излучения, поглощения, отражения и пропускания энергии в системе различных тел называется теплообменом излучением. Процесс осуществляется электромагнитными колебаниями с раз личной длиной волны. В наибольшей степени переносят тепловую энергию инфракрасные лучи (длина волны 0,8 – 40 мкм), в меньшей степени – световые лучи (длина волны 0,4 – 0,8 мкм).
Конвекция – распространение теплоты при перемещении объёмов жидкостей или газов в пространстве из областей с одной температурой в области с другой температурой.
Различают естественную и вынужденную (искусственную) конвекцию. При вынужденной конвекции жидкость или газ движутся за счёт внешних сил (под действием насоса, вентилятора и т.п.). При естественной конвекции движение происходит за счёт выталкивающих (Архимедовых) сил, возникающих из-за различных плотностей холодных и горячих частиц жидкости или газа.
Коэффициент теплопередачи конвекцией определяет количество теплоты, которая отдаётся в секунду с 1 м2 нагретой поверхности при разности температур поверхности и охлаждающей среды 1 °С. Он зависит от многих факторов, главные из которых – скорость движения и теплоёмкость охлаждающей среды, температура поверхности и среды, геометрические размеры и форма нагретой поверхности.
1.1.3. Задачи теплового расчёта электрических аппаратов
При тепловом расчёте электрических аппаратов исходят из того условия, что максимальное значение температуры не должно превышать допустимое значение, которое зависит от многих факторов и устанавливается стандартами.
В общем случае, задачей теплового расчёта является определение мощности источников теплоты и расчёт параметров температурного поля.
Для уменьшения мощности источников теплоты в электрических аппаратах придерживаются следующих правил:
Температуру поверхности тела можно уменьшить за счёт увеличения коэффициента теплоотдачи или площади охлаждающей поверхности. Такой способ уменьшения температуры называется интенсификацией охлаждения.
При вынужденной конвекции коэффициент теплоотдачи возрастает на порядок по сравнению с естественной конвекцией. Жидкостное охлаждение при естественной, а тем более при вынужденной конвекции также существенно повышает коэффициент теплоотдачи.
Интенсификация охлаждения путём увеличения площади охлаждающей поверхности достигается увеличением геометрических размеров аппарата или применением радиаторов охлаждения, т.е. искусственным увеличением площади охлаждающей поверхности.
1.1.4. Режимы работы электрических аппаратов
При эксплуатации электрических аппаратов могут иметь место следующие режимы работы:
1.1.5. Продолжительный, кратковременный, повторно-кратковременный и
перемежающийся режимы работы электрических аппаратов
Обычно электрические аппараты могут работать в одном из следующих режимов, для которых характерно определённое изменение во времени t тока нагрузки Iн и превышение температуры нагрева(разность между температурой аппарата и температурой окружающей среды): продолжительном, кратковременном, повторно-кратковременном и перемежающемся.
В продолжительном режиме (рис. 1.1.) достигается установившееся превышение температуры нагрева , значение которого в любом случае должно быть меньше, чем допустимое превышение температуры. Скорость изменения температуры характеризуется тепловой постоянной времени . Касательная к кривой отсекает на линии установившейся температуры как раз отрезок, равный по длительности.
Рис. 1.1. Продолжительный режим работы
В кратковременном режиме (рис. 1.2, а) в период наличия тока Io температура аппарата не успевает достичь установившегося значения, а за время паузы тока tП температура аппарата снижается практически до температуры окружающей среды Токр. Это позволяет осуществлять форсирование аппарата по току с тем условием, что за время нагрузки tНГ не будет достигнуто.
Рис. 1.2. Режимы работы аппаратов
В повторно-кратковременном режиме (рис 1.2, б) температура аппарата так же не достигает установившегося значения в период tНГ, а во время паузы тока не успевает снизиться до Токр. Этот режим характеризуется относительной продолжительностью включения:
где tНГ и tП – время нагрузки и время паузы. Стандартные значения ПВ составляют 15, 25, 40 и 60%.
Коэффициент перегрузки по мощности показывает, во сколько раз можно увеличить мощность источников теплоты в электрическом аппарате при повторно-кратковременном режиме работы по сравнению с мощностью при продолжительном режиме при условии равенства допустимой температуры в том и другом случаях.
Если , то в этом случае, с погрешностью не более 5% можно определить
Поскольку, при прочих равных условиях, мощность источников теплоты в большинстве случаев пропорциональна квадрату тока, то вводится коэффициент перегрузки по току kI, который равен
Наиболее общим является перемежающийся режим (рис. 1.2, в) когда в период t1 проходит ток I1, а в период t2 – ток I1, причём . В установившемся состоянии температура перегрева имеет максимум и минимум . Если по аппарату длительное время проходит ток I1, то установившаяся температура перегрева равна . Аналогично, току I2 соответствует температура перегрева . По прошествии некоторого времени и соседних циклов станут одинаковыми. Наступит так называемый квазистационарный («мнимостационарный») режим работы с неизменными значениями и .
1.1.6. Термическая стойкость электрических аппаратов
Термической стойкостью электрических аппаратов называется способность их выдерживать без повреждений, препятствующих дальнейшей работе, термическое воздействие протекающих по токоведущим частям токов заданной длительности. Количественной характеристикой термической стойкости является ток термической стойкости, протекающий в течение определённого промежутка времени. Наиболее напряжённым является режим короткого замыкания, в процессе которого токи по сравнению с номинальными могут возрастать в десятки раз, а мощности источников теплоты – в сотни раз.
Термическая стойкость электрического аппарата зависит при этом не только от режима короткого замыкания, но и от теплового состояния, предшествующего режиму короткого замыкания.
При коротком замыкании электрические аппараты подвергаются значительным термическим воздействиям. Как правило, это аварий ный режим работы и поэтому время его действия ограничивается до минимально возможного значения. Для большинства электрических аппаратов это время , т.е. не превосходит времени нагрева при адиабатическом процессе (нагрев без теплообмена с окружающей средой). Другими словами, режим короткого замыкания можно рассматривать как кратковременный режим работы, при котором температура элек трического аппарата может достигать значений, превосходящих до пустимую температуру в продолжительном режиме. Это возможно, поскольку время кратковременного режима обычно небольшое, за которое не может произойти существенных изменений в старении изоляции и других элементах, которые ограничивают температуру в продолжительном режиме работы.
Тем не менее, и в этом случае существуют ограничения, которые в основном диктуются температурой рекристаллизации материала токоведущих частей. В электрических аппаратах приняты следующие значения максимальной температуры при кратковременном режиме работы:
Расчётное время короткого замыкания стандартизовано и принято равным 1, 5 и 10 секундам. Допустимые плотности тока (А/мм2) для типичных проводниковых материалов в зависимости от расчётного времени короткого замыкания приведены в табл. 1.1.
Таблица 1.1.
|
Расчётное время кор. замыкания – |
1 секунда |
5 секунд |
10 секунд |
|
Материал проводника |
|||
|
Медь |
152 |
67 |
48 |
|
Алюминий |
89 |
40 |
28 |
|
Латунь |
73 |
38 |
27 |
1.2. Контактные явления в электрических аппаратах
Электрический контакт – соприкосновение тел, обеспечивающее протекание тока в электрической цепи. Соприкасающиеся тела называются также контактами или контакт-деталями.
1.2.1. Классификация электрических контактов
Виды контактных соединений, наиболее часто встречающиеся в электрических аппаратах, классифицируются по различным признакам. По виду соединения электрические контакты могут быть:
|
Рис. 2.1. Виды размыкающихся контактов |
1.2.2. Контактная поверхность и контактное сопротивление
Для выяснения сущности явления электрического контакта рас смотрим механический контакт двух металлических твердых тел. При любой, сколь угодно чистой обработке два металлических тела соприкасаются не по всей видимой поверхности, а лишь в отдельных точках по микровыступам. Обычно, для обеспечения надежного протекания электрического тока, контакты сжимают силой, которая называется силой контактного нажатия. Эта сила может создаваться при затяжке болтов, при обжатии контактного наконеч ника на конце провода или кабеля или из-за деформации пружин контактной системы. При этом мик ровыступы, по которым произошел начальный контакт, деформируют ся; в соприкосновение могут прийти другие выступы и они также могут деформироваться. На поверхности образуются площадки, которые и воспринимают усилие контактного нажатия (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Контакт твёрдых тел
Давление в разных точках поверхности контактных площадок в общем случае не одинаково и может вызывать как упругие, так и пластические деформации.
Таким образом, механический контакт двух тел происходит не по всей видимой поверхности, а лишь в отдельных точках, а при сжатии их силой - по отдельным площадкам.
Общая поверхность тел, с которой производится контакт, называ ется кажущейся контактной поверхностью. На этой поверхности можно увидеть площадки, полученные в результате деформации микровыступов, которые воспринимают усилие. Эта часть кон тактной поверхности называется поверхностью, воспринимающей усилие.
Очевидно, что электрический ток может проходить только в точках контактной поверхности, в которых имеет место механиче ский контакт, т. е. через точки поверхности, воспринимающие уси лие. Однако условие механического контакта является необходимым, но недостаточным для протекания тока.
При ближайшем рассмотрении поверхности, воспринимающей усилие, можно видеть, что она весьма неоднородна, а именно: в общем случае одна часть ее покрыта плёнками оксидов, другая – адгезионными слоями атомов кислорода и, наконец, третья часть представляет собой чисто металлическую поверхность.
Для прохождения электрического тока поверхность, покрытая оксидными пленками, обладает большим электрическим сопротивле нием, поскольку удельное сопротивление оксидов на несколько по рядков выше удельного сопротивления чистых металлов.
Через поверхность, покрытую адгезионными слоями кислорода, электрический ток может протекать за счет туннельного эффекта, заключающегося в проникновении электронов через потенциальный барьер. Этот участок поверхности имеет квазиметал лический характер проводимости.
И, наконец, третья часть поверхности проводит свободно электри ческий ток благодаря чисто металлической проводимости.
Квазиметаллические и металлические поверхности контакта при нято называть -пятнами. Это именно те части контактной поверхности, через которые в электрических контактах протекает ток.
В электрических контактах ток проходит только через небольшую часть кажущейся контактной поверхности, и, следовательно, он должен испытывать сопротивление при прохождении через зону контакта.
Рассмотрим однородный линейный проводник постоянного попе речного сечения (рис. 2.3), по которому протекает постоянный ток I. Между точками а и б, находящимися на расстоянии l, измерим разность потенциалов U1. Тогда активное сопротивление участка проводника R1 = U1/I.
Рис. 2.3. К определению переходного сопротив ления контактов: а - проводник;
б - проводник с контактом.
Разрежем проводник в средней части l и затем снова соединим его, сжав силой Р. При протекании того же тока I получим разность потенциалов между точками а и б равную U2 и отличную от разности потенциалов U1. В этом опыте сопротивление R2 = U2/I. Разность сопротивлений Rпер = R2 – R1 называется переходным сопротивлением контакта.
Следует отметить, что если на некотором удалении от -пятна линии тока параллельны друг другу, то в непосредственной близости от него они искривляются и «стягиваются» к -пятну. Область электрического контакта, где линии тока искривляются, стягиваясь к -пятну, называется областью стягивания.
В областях стягивания поперечное сечение проводника используется не полностью для протекания электрического тока, что и приводит к появлению дополнительного сопротивления. Это сопротивление называется сопротивлением стягивания.
Переходное сопротивление контакта зависит от обработки поверхности. Шлифовка ведёт к тому, что на поверхности остаются более пологие выступы с большим сечением. Смятие таких выступов затруднено, поэтому сопротивление шлифованных контактов выше, чем контактов с более грубой обработкой.
Наличие окисных плёнок приводит к тому, что при небольшом напряжении замыкаемой цепи или недостаточной силе нажатия на контакты протекание электрического тока становится невозможным. В связи с этим контакты на малые токи или на малые усилия нажатия изготовляются из благородных металлов, не поддающихся окислению (золото, платина и др.).
В сильноточных контактах окисная плёнка разрушается либо благодаря большим усилиям нажатия, либо путём самозачистки при включении за счёт проскальзывания одного контакта относительно другого.
1.2.3. Зависимость переходного сопротивления от свойств материала контактов
Переходное сопротивление чрезвычайно чувствительно к окислению поверхности ввиду того, что окислы многих металлов (в частности, меди) являются плохими проводниками. У медных открытых контактов вследствие их окисле ния с течением времени переходное сопротивление может возрасти в тысячи раз.
В процессе длительного пребывания под током на поверхности замкнутых контактов также возникают окисные, плохо проводящие ток плёнки. Они проникают к площадкам контактирования и, увеличивая тем самым переходное сопротивление, могут вывести контакты из строя. Повышение температуры ускоряет степень окисления поверхности контактов. Повышение силы контактного нажатия, наоборот, затрудняет проникновение окисных плёнок к площадкам контакти рования, повышая тем самым срок службы контактов.
Окислы серебра имеют электрическую проводимость, близкую к проводи мости чистого серебра. При повышенных температурах окислы серебра разру шаются. Поэтому переходное сопротивление контактов из серебра практически не изменяется с течением времени. Оно даже может понизиться вследствие медленной пластической деформации материала в площадках контактирования. Для медных контактов применяются специальные меры по уменьшению окисления их рабочих поверхностей.
В разборных соединениях производят антикоррозионные покрытия рабочих поверхностей – серебрят, лудят, покрывают кадмием, никелируют и цинкуют. Применяют покрытие рабочих поверхностей нейтральной смазкой после их технического обслуживания.
Коммутирующие контакты, длительно работающие под током не выклю чаясь, выполняются, как правило, из серебра или металлокерамики на основе серебра. Для медных контактов снижается значение тока нагрузки по сравне нию с допустимым значением. Тем самым снижаются нагрев контактов и интенсивность их окисления.
Возникающая при отключении дуга сжигает окислы, и переходное сопротивление снижается. Во многих аппаратах кинематическая схема предусматривает при замыкании некоторое проскальзывание одного контакта по другому. Образовавшаяся окисная пленка при этом разрушается.
Материалы большей твердости имеют большее переходное сопротивление и требуют большего контактного нажатия. Чем выше электрическая проводи мость и теплопроводность материала, тем ниже переходное сопротивление.
1.2.4. Влияние переходного сопротивления контактов на нагрев проводников
Наличие переходного сопротивления контактов неизбежно приво дит к тому, что в зоне контакта выделяется тепло, т. е. всякий электрический контакт является дополнительным источником тепла. В контактном соединении можно выделить зону стягивания, т. е. ту часть проводников, прилегающих к поверхности контакта, в которой сосредоточено сопротивление стягивания. Разумеется, сопротивле ние, обусловленное наличием окисных пленок, также сосредото чено в этой зоне, непосредственно между поверхностями контакта.
Ввиду того, что наружная поверхность зоны стягивания невелика, в первом приближении можно пренебречь количеством теплоты, отдаваемой в окружающую среду непосредст венно этой поверхностью, и считать, что теплота, генерируемая в этой зоне, распространяется в части проводника, прилегающей к этой зоне, а далее с поверхности проводников - в окружающую среду.
При прохождении тока нагревается само тело проводника, что приводит к увеличению падения напряжения на этом участке электрической цепи. Кроме этого, изменяется сопротивление стягивания и увеличивается падение напряжения на переходном сопротивлении контакта
Известно, что для каждого материала существуют определённые падения напряжения на контактах, при которых температура контактного пятна достигает значений, характеризующих фазовое состояние материала. Так, температуре рекристаллизации соответствует напряжение размягчения. Температуре плавления материала соответствует напряжение плавления, а температуре кипения – напряжение кипения. Для некоторых металлов значения этих напряжений приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1.
|
Название металла |
Uразмягчения, (Uр), В |
Uплавления, (Uпл), В |
Uкипения, (Uкип), В |
|
Медь (Cu) |
0, 12 |
0, 43 |
0, 79 |
|
Серебро (Ag) |
0, 09 |
0, 37 |
0, 68 |
|
Платина (Pt) |
0, 25 |
0, 65 |
1, 50 |
|
Вольфрам (W) |
0, 40 |
1, 10 |
2, 10 |
|
Золото (Au) |
0, 08 |
0, 43 |
0, 90 |
Зависимость сопротивления контакта от падения напряжения на нём (R – U характеристика) представлена на рис. 2.4.
Рис. 2.4. R – U характеристика контакта
С ростом падения напряжения на контакте Uк переходное сопротивление вначале растёт, а затем, при напряжении Uр происходит резкое падение механических свойств материала. При том же усилии нажатия увеличивается площадь контактирования и переходное сопротивление резко уменьшается. В дальнейшем оно снова линейно возрастает, а при напряжении Uпл электрический контакт сваривается – переходное сопротивление снова резко уменьшается.
1.2.5. Сваривание электрических контактов
Использование контактов при условии, что напряжение Uк не превзойдёт напряжения Uр возможно лишь в слаботочных аппаратах. В сильноточных аппаратах, предназначенных для работы в режимах короткого замыкания, условие или привело бы к необходимости создания чрезмерно больших усилий сжатия контактов. Поэтому в сильнотоковых аппаратах не исключено расплавление -пятна в замкнутом состоянии контактов, что может привести к свариванию контактов так, как это происходит при точечной электросварке.
1.2.6. Износ контактов
Под износом контактов понимают разрушение рабочей поверхности ком мутирующих контактов, приводящее к изменению их геометрической формы, размера, массы и т.д.
Износ, происходящий под действием электрических факторов, называется электрическим износом – электрической эрозией контактов. Износ под действием механических факторов здесь не рассматривается, он обычно много меньше электрического.
При размыкании сила, сжимающая контакты, снижается до нуля, резко возрастают переходное сопротивление контакта и плотность тока в последней площадке контактирования. Площадка сильно разогревается, и между расходящимися контактами образуется контактный перешеек (мостик) из расплавленного металла, который в дальнейшем рвется. При этом в промежутке между контактами могут возникнуть различные формы электрического разряда.
Мостиковую эрозию контактов можно объяснить термоэлек трическими эффектами, приводящими к асимметрии расплавлен ного металлического мостика (рис. 2.5), что в конечном счете приводит к переносу материала с одного контакта на другой.
В результате термоэлектрических эффектов максимум темпе ратуры приходится не на середину расплавленного мостика М а смещен от нее на в сторону переноса теплоты. При разрыве он нарушается по изотерме с темпе ратурой T max и на одном участке остается больше металла, чем на другом. Застывший металл при большом числе отключений образует неправильные формы контактов. Эффектные меры борьбы с эрозией состоят в создании симметрич ных тепловых режимов мостика, например, подбором соответст вующих контактных пар.
Электрическая эрозия наблюдается при небольших токах; при больших токах характерен дуговой износ контактов. Он опреде ляет коммутационную износостойкость аппарата, его способность выполнять определенное число коммутаций тока контактами в заданных условиях отключения цепи. Она выражается предель ным для аппарата числом коммутационных циклов. Механическая износостойкость аппарата определяется его способностью выпол нять определенное число операций отключения и отключения без тока в цепи главных контактов.
Рис. 2.5. Фазы мостиковой эрозии контактов
Дуговой износ контактов – это выгорание материала контактов под воздействием электрической дуги.
Энергия, сосредоточенная в небольших объемах, разогревает металл, плавит его и доводит до температуры кипения. Материал контактов выбрасывается в виде паров металла и капель.
1.2.7. Параметры контактных конструкций
Раствор контактов представляет собой кратчайшее расстояние между разомкнутыми контактными поверхностями подвижного и неподвижного контактов (см. рис. 2.1). Зазор контактов обычно выбирается из условия гашения малых токов.
При работе контакты изнашиваются. Чтобы обеспечить надежное их соприкосновение на длительный срок, кинематика аппарата выполняется таким образом, что контакты соприкасаются раньше, чем подвижная система (система перемещения подвижных контактов) доходит до упора. Контакт крепится к подвижной системе через пружину. Благодаря этому, после соприкосновения с неподвижным контактом, подвижный контакт останавливается, а подвижная система продвигается еще вперед до упора, сжимая дополнительно при этом контактную пружину.
Таким образом, если при замкнутом положении подвиж ной системы убрать неподвижно закрепленный контакт, то подвижный контакт сместится на некоторое расстояние, называемое провалом. Провал определяет запас на износ контактов при заданном числе срабатываний. При прочих равных условиях больший провал обеспечивает более высокую износостойкость, т.е. больший срок службы. Но больший провал, как правило, требует и более мощной приводной системы.
Контактное нажатие – сила, сжимающая контакты в месте их соприкосновения. Различают начальное нажатие в момент начального соприкосновения контактов, когда провал равен нулю, и конечное нажатие при полном провале контактов. По мере износа контактов уменьшается провал, а, следовательно, и допол нительное сжатие пружины. Конечное нажатие приближается к начальному. Таким образом, начальное нажатие является одним из основных параметров, при котором контакт должен сохранять работоспособность.
1.3. Основные материалы, применяемые в аппаратостроении
1.3.1. Общие сведения о материалах
Материалы, применяемые в аппаратостроении, могут быть разбиты на следующие группы:
1.3.2. Материалы для контактных соединений
К материалам контактов предъявляются следующие требования:
Для контактных соединений применяются следующие материалы, свойства которых рассмот рены ниже.
Медь. Положительные свойства: высокие электрическая прово димость и теплопроводность, достаточная твердость, что позволяет применять при частых включениях и отключениях.
Недостатки: низкая температура плавления, на воздухе образуется плёнка прочных окислов, имеющих высокое сопро тивление, требует больших сил нажатия. Для защиты меди от окисления поверхность контактов покрывается электролитическим способом слоем серебра толщиной 20—30 мкм. На главных контак тах иногда ставятся серебряные пластинки (в аппаратах, включае мых относительно редко). Применяется как материал для плоских и круглых шин, контактов аппаратов высокого напряжения, контак торов, автоматов и др. Вследствие низкой дугостойкости нежелатель но применение в аппаратах, отключающих мощную дугу и имеющих большое число включений в час.
Серебро. Положительные свойства: высокая электропроводность и тепло проводность, плёнка окислов серебра имеет малую механическую проч ность и быстро разрушается при нагреве контактной точки. Устойчивость контакта и малое переходное сопротивление являются характерными свойствами серебра.
Отрицательные свойства: малая дугостойкость и недостаточная твердость серебра препятствуют использованию его при наличии мощной дуги и при частых включениях и отключениях. Применяется при токах до 20 А.
Алюминий. Этот материал имеет достаточно высокую электри ческую проводимость и теплопроводность. Благодаря малой плот ности токоведущая часть круглого сечения из алюминия на такой же ток, как и медный проводник, имеет почти на 48% меньшую массу. Это позволяет уменьшить массу аппарата.
Недостатки алюминия: образование на воздухе и в актив ных средах плёнок с высокой механической прочностью и высоким сопротивлением; низкая дугостойкость (температура плавления значительно меньше, чем у меди и серебра); малая механическая прочность; при контакте с медью образуется пара, подверженная сильной электрохимической коррозии. В связи с этим при механическом соединении с медью алюминий должен покрываться тонким слоем меди электро литическим путем либо оба металла необходимо покрывать се ребром.
Алюминий и его сплавы (дюраль, силумин) применяются глав ным образом как материал для шин и конструкционных деталей ап паратов. Для коммутирующих контактов алюминий непригоден.
Вольфрам. Положительными свойствами вольфрама являются высокая дугостойкость, большая стойкость против эрозии и сварива ния. Высокая твердость вольфрама позволяет применять его при частых включениях и отключениях.
Недостатками вольфрама являются: высокое удельное сопротив ление, малая теплопроводность, образование прочных оксидных и сульфидных пленок. В связи с высокой механической прочностью и образованием пленок вольфрамовые контакты требуют большой силы на жатия.
Платина, золото, молибден. Применяются для коммутирующих контактов на очень малые токи при малых нажатиях. Платина и золото не образуют окисных плёнок. Контакты из этих металлов имеют малое переходное сопротивление. Для повышения износостойкости применяют сплавы из платины с иридием, молибденом или палладием.
Металлокерамические материалы. Рассмотрение свойств чистых металлов показывает, что ни один из них не удовлетворяет полно стью всем требованиям, предъявляемым к разрывным контактам.
Материалы, обладающие желаемыми свойствами, получают методом порошковой металлургии. Металлокерамика – это механическая смесь двух практически не сплавляющихся металлов, получаемая методом спекания смеси их порошков при высокой температуре и давлении. Физические свойства металлов при изготовлении металлокерамических контак тов сохраняются. Дугостойкость керамике сообщается такими ме таллами, как вольфрам, молибден. Для получения низкого переход ного сопротивления контакта в качестве второго компонента используют серебро или медь. Наиболее распространёнными композициями металлокерамики являются: серебро – вольфрам; серебро – молибден; серебро – никель; серебро – окись кадмия; серебро – графит; серебро – окись меди и др.
1.4. Электромагнитные явления в электрических аппаратах
1.4.1. Источники и распространение электромагнитного поля
Функционирование любого электрического или электронного аппарата сопровождается электромагнитными явлениями, которые воспроизводят основные и вспомогательные функции устройства, а также, возможно, создают нежелательные паразитные эффекты. Многообразие происходящих явлений подчиняется известным законам, обобщающим знания о возникновении, распространении и взаимодействии электромагнитных полей со средой. На основании этих законов строятся математические модели для анализа поля, т.е. замкнутые системы расчётных уравнений, учитывающие условия конкретной задачи.
Математическое описание физически определённого векторного поля базируется на фундаментальном постулате о существовании двух элементарных составляющих – вихревой и потенциальной. С помощью них можно воссоздать любую топографию распределения векторов в пространстве.
Примером, подтверждающим вышеизложенное, является опыт с железными опилками в магнитном поле. Вихревая составляющая образует замкнутые цепочки, а потенциальная – сходящиеся или расходящиеся не замкнутые на себя цепочки.
Физические поля создаются источниками. Из теоремы разложения следует, что эти источники располагаются в части пространства с отличными от нуля ротором или дивергенцией вектора поля. Значение ротора – это объёмная плотность векторного источника вихревой составляющей поля, а значение дивергенции – объёмная плотность скалярного источника потенциальной составляющей поля.
При анализе электрических аппаратов используются приближения, позволяющие разделить общее понятие электромагнитного поля и рассматривать отдельные идеализированные компоненты: неизменные во времени стационарные электростатическое и магнитное поля и переменное во времени, распространяющееся мгновенно во всём пространстве квазистационарное электромагнитное поле. Волновые процессы при этом во внимание не принимаются.
В нелинейных средах относительная диэлектрическая проницаемость и вектор поляризации зависят от напряженности. В анизотропных средах зависимость проницаемости имеет тензорный характер, а вектор поляризации – вид векторной функции напряжённости.
1.4.2. Силовые взаимодействия в электромагнитном поле
Анализ силовых взаимодействий в электромеханических устройствах требуется для установления количественной связи между электрическими и механическими параметрами. В частности, для электромагнитов электрических аппаратов одной из основных характеристик является зависимость электромагнитной силы от положения якоря для различных постоянных значений напряжения, подведённого в обмотке или тока в обмотке. Такую характеристику называют тяговой. Возникающая при преобразовании электрической энергии в механическую электромагнитная сила полностью определяется параметрами электромагнитного поля.
Для любой конструкции магнитной системы электрического аппарата с различными электрофизическими свойствами используемых материалов всегда может быть построена расчётная математическая модель с однородной средой, в которой размещены источники полей. Сами источники исходно определены физическими понятиями плотностей зарядов, токов и намагниченностью вещества. Силовые взаимодействия в электромагнитном поле проявляются в возникновении сил, воздействующих на эти источники.
На распределённые в пространстве электрические объёмные заряды плотностью и поверхностные заряды плотностью воздействует электростатическая сила (закон Кулона для распределённых зарядов)
где: V и S – объём и площадь поверхностей, занимаемые зарядами, с которыми определяется силовое взаимодействие поля; E – напряжённость внешнего, по отношению к текущей точке интегрирования, электрического поля, т.е. поля, созданного всеми внешними, по отношению к данной точке, зарядами.
Если несущие заряды объём и поверхность представляют собой жёсткую конструкцию, то силовые взаимодействия зарядов между собой будут скомпенсированы реакцией механических связей.
Движущийся электрический заряд взаимодействует с магнитным полем. Возникающая сила Лоренца определяется как
где – вектор скорости заряда q.
Закон Ампера для силовых взаимодействий магнитного поля с токами, распределёнными в объёме V с плотностью J и на поверхности S плотностью i записывается в виде:
где В – магнитная индукция внешнего, по отношению к текущей точке, интегрированного поля, для которой справедливы те же замечания, что и для Е.
1.4.3. Намагничивание и магнитные материалы
Наличие у вещества магнитных свойств проявляется в изменении параметров магнитного поля по сравнению с полем в немагнитном пространстве. Происходящие физические процессы в микроскопическом представлении связывают с возникновением в материале под воздействием магнитного поля магнитных моментов микротоков, объёмная плотность которых называется вектором намагниченности.
Возникновение намагниченности в веществе при помещении его в магнитное поле объясняется процессом постепенной преимущественной ориентации магнитных моментов циркулирующих в нём микротоков в направлении поля. Подавляющий вклад в создание микротоков в веществе вносит движение электронов: спиновое и орбитальное движение связанных с атомами электронов, спиновое и свободное движение электронов проводимости.
По магнитным свойствам все материалы подразделяются на парамагнетики, диамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферриты. Принадлежность материала к тому или иному классу определяется характером отклика магнитных моментов электронов на магнитное поле в условиях сильных взаимодействий электронов между собой в многоэлектронных атомах и кристаллических структурах.
Диамагнетики и парамагнетики относятся к материалам со слабы ми магнитными свойствами. Значительно более сильный эффект намагничивания наблюдается у ферромагнетиков. Магнитная восп риимчивость (отношение абсолютных значений векторов намагни ченности и напряженности поля) у таких материалов положительная и может достигать нескольких десятков тысяч. У ферромагнетиков образуются области самопроизвольной спонтанной однонаправленной намагниченности - домены. Ферромагнетизм наблюдается у кристал лов переходных металлов: железа, кобальта, никеля и у ряда сплавов. При наложении внешнего магнитного поля с возрастающей напря женностью векторы спонтанной намагниченности, изначально ориен тированные в разных доменах по-разному, постепенно выстраиваются в одном направлении. Этот процесс называется техническим намаг ничиванием. Он характеризуется кривой начального намагничивания (рис. 4.1) - зависимостью индукции или намагниченности от напря женности результирующего магнитного поля в материале. При отно сительно небольшой напряженности поля (участок I) происходит быстрое возрастание намагниченности преимущественно из-за уве личения размеров доменов, имеющих ориентацию намагниченности в положительной полусфере направлений векторов напряженности поля. Одновременно пропорционально сокращаются размеры доменов в отрицательной полусфере. В меньшей степени изменяются размеры тех доменов, намагниченность которых ориентирована ближе к пло скости, ортогональной вектору напряженности.
При дальнейшем увеличении напряженности преобладают процес сы поворота векторов намагниченности доменов по полю (участок II) до достижения технического насыщения (точка S). Последующему возрастанию результирующей намагниченности и достижению оди наковой ориентации всех доменов по полю препятствует тепловое движение электронов. Область III близка по характеру процессов к парамагнетикам, где увеличение намагниченности происходит из-за ориентации немногих спиновых магнитных моментов, дезориентиро ванных тепловым движением. С увеличением температуры дезори ентирующее тепловое движение усиливается и намагниченность ве щества уменьшается.
Для конкретного ферромагнитного материала существует определенная температура, при которой ферромагнитное упорядочение доменной структуры и намагниченности исчезают. Материал становится парамагнитным. Эта температура носит назва ние точки Кюри. Для железа точка Кюри соответствует 790 °С для никеля - 340 °С, для кобальта - 1150 °С.
Снижение температуры ниже точки Кюри вновь возвращает ма териалу магнитные свойства: доменную структуру с нулевой резуль тирующей намагниченностью, если при этом отсутствовало внешнее магнитное поле. Поэтому разогрев изделий из ферромагнитных ма териалов выше точки Кюри используют для их полного размагничи вания.
Рис. 4.1. Кривая начального намагничивания
Процессы намагничивания ферромагнитных материалов подразделя ются на обратимые и необратимые по отношению к изменению магнитного поля. Если после снятия возмущения внешнего поля намагниченность материала возвращается в исходное состояние, то такой процесс обратимый, в противном случае - необратимый. Обратимые изменения наблюдаются на малом начальном отрезке участка I кривой намагничивания (зона Релея) при малых смещениях доменных стенок и на участках II, III при повороте векторов намаг ниченности в доменах. Основная часть участка I относится к необра тимому процессу перемагничивания, который в основном определяет гистерезисные свойства ферромагнитных материалов (отставание из менений намагниченности от изменений магнитного поля).
Петлей гистерезиса (рис. 4.2) называют кривые, отражающие изменение намагниченности ферромагнетика под воздействием цик лически изменяющегося внешнего магнитного поля. При испытаниях магнитных материалов петли гистерезиса строятся для функций параметров магнитного поля В (Н) или М (Н), которые имеют смысл результирующих параметров внутри материала в проекции на зафик сированное направление.
Если материал предварительно был полностью размагничен, то постепенное увеличение напряженности магнитного поля от нуля до Hs дает множество точек начальной кривой намагничивания (участок 0-1 на рис. 4.2). Точка 1 - точка технического насыщения (Вs, Hs). Последующее снижение напряженности Н внутри материала до нуля (участок 1-2) позволяет определить предельное (максимальное) зна чение остаточной намагниченности Br и дальнейшим уменьшением отрицательной напряженности поля добиться полного размагничива ния B = 0 (участок 2-3) в точке Н = -НсВ - максимальной коэрцитивной силы по намагниченности. Далее материал перемагничивается в отрицательном направлении до насыщения (участок 3-4 ) при Н = - Hs. Изменение напряженности поля в положительную сторону замыкает предельный гистерезисный цикл по кривой 4-5-6-1.
Множество состояний материала внутри предельного гистерезисного цикла может быть достигнуто при изменении напряженности магнитного поля, соответствующем частным симметричным и несим метричным гистерезисным циклам.
Рис. 4.2. Магнитный гистерезис: 1 – кривая начального намагничивания; 2 – предельный гистерезисный цикл; 3 – кривая основного намагничивания; 4 – симметричные частные циклы; 5 – несимметричные частные циклы
Частные симметричные гистерезисные циклы опираются вершинами на кривую основного намагничивания, которая и определяется как множество точек вершин этих циклов до совпадения с предельным циклом.
Частные несимметричные гистерезисные циклы образуются, если начальная точка не находится на кривой основного намагни чивания при симметричном изменении напряженности поля, а также при несимметричном изменении напряженности поля в положитель ном или отрицательном направлении.
В зависимости от значений коэрцитивной силы ферромагнитные материалы разделяют на магнитомягкие и магнитотвёрдые.
Магнитомягкие материалы используются в магнитных системах как магнитопроводы. Эти материалы имеют малую коэрцитивную силу, высокую магнитную проницаемость и индукцию насыщения.
Магнитотвёрдые материалы имеют большую коэрцитивную силу и в предварительно намагниченном состоянии используются как постоянные магниты – первичные источники магнитного поля.
Существуют материалы, которые по магнитным свойствам относятся к антиферромагнетикам. У них оказывается энергетически более выгодным антипараллельное расположение спинов соседних атомов. Созданы антиферромагнетики, обладающие значительным собственным магнитным моментом из-за асимметрии кристаллической решётки. Такие материалы называются ферримагнетиками (ферритами). В отличие от металлических ферромагнитных материалов, ферриты – полупроводники и в них значительно меньшие потери энергии на вихревые токи в переменных магнитных полях.
II. Основные электромеханические процессы
2.1. Коммутация электрической цепи
Коммутация электрической цепи – процесс замыкания или размыкания цепи с током.
Коммутация может происходить под воздействием внешних или внутренних для данного устройства источников напряжения или тока.
При анализе и расчёте процессов коммутации необходимо учитывать общий закон коммутации:
Под глубиной коммутации понимают отношение сопротивления Rотк коммутирующего органа в отключенном состоянии к сопротивлению Rвкл во включенном состоянии
Контактные электрические аппараты, у которых сопротивление межконтактного промежутка в отключенном состоянии измеряется мегомами, а сопротивление замкнутых контактов – микроомами, обеспечивают глубину коммутации
Для бесконтактных аппаратов, которые по глубине коммутации уступают контактным аппаратам, обычно
2.1.1. Отключение электрической цепи контактными аппаратами
Отключение цепи контактным аппаратом характеризуется воз никновением плазмы, которая проходит разные стадии газового разряда в процессе преобразования межконтактного промежутка из проводника электрического тока в изолятор.
При токах выше 0,5-1 А возникает стадия дугового разряда (область 1) (рис. 2.1.); при снижении тока возникает стадия тлеющего разряда у катода (область 2); следующая стадия (область 3)– таунсендовский разряд, и наконец, область 4 – стадия изоляции, в которой носители электричества – электроны и ионы – не образуются за счет ионизации, а могут поступать только из окружающей среды.
Рис. 2.1. Вольтамперная характеристика стадий электрического разряда в газах
Первый участок кривой – дуговой разряд (область 1) –характе ризуется малым падением напряжения у электродов и большой плотностью тока. С ростом тока напряжение на дуговом промежутке сначала резко падает, а затем изменяется незначительно.
Второй участок (область 2) кривой, представляющий собой область тлеющего разряда, характеризуется высоким падением напряжения у катода (250 – 300 В) и малыми токами. С ростом тока возрастет падение напряжения на разрядном промежутке.
Таунсендовский разряд (область 3) характеризуется чрезвычайно малыми значениями тока при высоких напряжениях.
Электрическая дуга сопровождается высокой температурой и связана с этой температурой. Поэтому дуга – явление не только электрическое, но и тепловое.
В обычных условиях воздух является хорошим изолятором. Так, для пробоя воздушного промежутка в 1 см требуется приложить напряжение не менее 30 кВ. Для того чтобы воздушный промежуток стал проводником, необходимо создать в нем определенную концентрацию заряженных частиц: отрицатель ных – в основном свободных электронов, и положительных – ионов. Процесс отделения от нейтральной частицы одного или нескольких электронов с обра зованием свободных электронов и ионов называется ионизацией.
Ионизация газа может происходить под действием света, рентгеновских лучей, высокой температуры, под влиянием электрического поля и ряда дру гих факторов. Для дуговых процессов в электрических аппаратах наибольшее значение имеют: из процессов, происходящих у электродов, – термоэлектрон ная и автоэлектронная эмиссии, а из процессов, происходящих в дуговом промежутке, – термическая ионизация и ионизация толчком.
2.1.2. Электрическая дуга
В коммутационных электрических аппаратах, предна значенных для замыкания и размыкания цепи с током, при отключении возникает разряд в газе либо в виде тлеющего разряда, либо в виде дуги. Тлеющий разряд возникает тогда, когда отключаемый ток ниже 0,1 А, а напряжение на контактах достигает величины 250 – 300 В. Такой разряд встречается либо на контактах ма ломощных реле, либо как переходная фаза к разряду в виде электрической дуги.
Основные свойства дугового разряда:
В дуговом разряде можно различить три характер ные области: околокатодную, область столба дуги (ствол дуги) и околоанодную (рис. 2.2.).
В каждой из этих областей процессы ионизации и деионизации протекают по-разному в зависимо сти от условий, которые там существуют. Поскольку ре зультирующий ток, проходящий через эти три области, одинаков, в каждой из них происходят процессы, обес печивающие возникновение необходимого количества за рядов.
Рис. 2.2. Распределение напряжения и напряжённости электрического поля
в стационарной дуге постоянного тока
Термоэлектронная эмиссия. Термоэлектронной эмиссией называется явление испускания электронов из накаленной поверхности.
При расхождении контактов резко возрастают переходное сопротивление контакта и плотность тока в последней площадке контактирования. Эта площадка нагревается до температуры плавления и образования контактного перешейка из расплавленного металла, который при дальнейшем расхождении контактов рвется. Здесь происходит испарение металла контактов. На отрицательном электроде образуется так назы ваемое катодное пятно (раскаленная площадка), которое служит основа нием дуги и очагом излучения элект ронов в первый момент расхождения контактов. Плотность тока термо электронной эмиссии зависит от тем пературы и материала электрода. Она невелика и может быть достаточной для возникновения электрической ду ги, но она недостаточна для ее го рения.
Автоэлектронная эмиссия. Это – явление испускания электронов из ка тода под воздействием сильного электрического поля.
Место разрыва электрической цепи может быть представлено как конден сатор переменной емкости. Емкость в начальный момент равна бесконеч ности, затем убывает по мере расхождения контактов. Через сопротивление цепи этот конденсатор заряжается, и напряжение на нем растет постепенно от нуля до напряжения сети. Одновременно увеличивается расстояние между контактами. Напряженность поля между контактами во время нарастания напряжения проходит через значения, превышающие 100 МВ/см. Такие значения напряженности электрического поля достаточны для вырывания электронов из холодного катода.
Ток автоэлектронной эмиссии также весьма мал и может служить только началом развития дугового разряда.
Таким образом, возникновение дугового разряда на расходящихся контак тах объясняется наличием термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий. Преобладание того или иного фактора зависит от значения отключаемого тока, материала и чистоты поверхности контактов, скорости их расхождения и от ряда других факторов.
Ионизация толчком. Если свободный электрон будет обладать достаточной скоростью, то при столкновении с нейтральной частицей (атом, а иногда и молекула) он может выбить из неё электрон. В результате получатся новый свободный электрон и положительный ион. Вновь полученный электрон может, в свою очередь, ионизировать следующую частицу. Такая ионизация носит название ионизации толчком.
Для того чтобы электрон мог ионизировать частицу газа, он должен двигаться с некоторой определенной скоростью. Скорость электрона зависит от разности потенциалов на длине его свободного пробега. Поэтому обычно указывается не скорость движения электрона, а то минимальное значение разности потенциалов, какое необходимо иметь на длине свободного пути, чтобы электрон к концу пути приобрел необходимую скорость. Эта разность потенциалов носит название потенциала ионизации.
Потенциал ионизации для газов составляет 13 – 16 В (азот, кислород, водород) и до 24,5 В (гелий), для паров металла он примерно в два раза ниже (7,7 В для паров меди).
Термическая ионизация. Это – процесс ионизации под воздействием высокой температуры. Поддержание дуги после ее возникновения, т.е. обеспечение возникшего дугового разряда достаточным числом свободных зарядов, объяс няется основным и практически единственным видом ионизации – термической ионизацией.
Температура столба дуги с среднем равна 6000 – 10000 К, но может достигать и более высоких значений – до 18000 К. При такой температуре сильно возрастает как число быстро движущихся частиц газа, так и скорость их движения. При столкновении быстро движущихся атомов или молекул большая часть их разрушается, образуя заряженные частицы, т.е. происходит иони зация газа. Основной характеристикой термической ионизации является сте пень ионизации, представляющая собой отношение числа ионизированных атомов в дуговом промежутке к общему числу атомов в этом промежутке. Одновременно с процессами ионизации в дуге происходят обратные процессы, т. е. воссоединение заряженных частиц и образование нейтральных частиц. Эти процессы носят название деионизации.
Деионизация происходит главным образом за счет рекомбинации и диф фузии.
Рекомбинация. Процесс, при котором различно заряженные частицы, при ходя во взаимное соприкосновение, образуют нейтральные частицы, называется рекомбинацией.
В электрической дуге отрицательными частицами являются в основном электроны. Непосредственное соединение электронов с положительным ионом ввиду большой разности скоростей маловероятно. Обычно рекомбинация происходит при помощи нейтральной частицы, которую электрон заряжает. При соударении этой отрицательно заряженной частицы с положительным ионом образуется одна или две нейтральные частицы.
Диффузия. Диффузия заряженных частиц представляет собой процесс выноса заряженных частиц из дугового промежутка в окружающее пространство, что уменьшает проводимость дуги.
Диффузия обусловлена как электрическими, так и тепловыми факторами. Плотность зарядов в столбе дуги возрастает от периферии к центру. Ввиду этого создается электрическое поле, заставляющее ионы двигаться от центра к периферии и покидать область дуги. В этом же направлении действует и разность температур столба дуги и окружающего пространства. В стабилизированной и свободно горящей дуге диффузия играет ничтожно малую роль.
Падение напряжения на стационарной дуге распределяется неравномерно вдоль дуги. Картина изменения падения напряжения UД и напряжённости электрического поля (продольного градиента напряжения) ЕД = dU/dx вдоль дуги приведена на рисунке (см. рис 2.2). Под градиентом напряжения ЕД по нимается падение напряжения на единицу длины дуги. Как видно из рисунка, ход харак теристик UД и ЕД в приэлектродных областях резко отличается от хода характе ристик на остальной части дуги. У электродов, в прикатодной и прианодной об ластях, на промежутке дли ны порядка 10– 4 см имеет место резкое падение напря жения, называемое катод ным Uк и анодным Uа. Значение этого падения на пряжения зависит от мате риала электродов и окружа ющего газа. Суммарное зна чение прианодного и прикатодного падений напряжений составляет 15 – 30 В, градиент напряжения достигает 105 – 106 В/см.
В остальной части дуги, называемой столбом дуги, падение напряжения UД практически прямо пропорционально длине дуги. Градиент здесь приблизительно постоянен вдоль ствола. Он зависит от многих факторов и может изменяться в широких пределах, достигая 100 – 200 В/см.
Околоэлектродное падение напряжения UЭ не зависит от длины дуги, падение напряжения в столбе дуги пропорционально длине дуги. Таким образом, падение напряжения на дуговом промежутке
UД = UЭ + ЕД lД,
где: ЕД – напряжённость электрического поля в столбе дуги;
lД – длина дуги; UЭ = Uк + Uа.
В заключение следует ещё раз отметить, что в стадии дугового разряда преобладает термическая ионизация – разбиение атомов на электроны и положительные ионы за счёт энергии теплового поля. При тлеющем – возникает ударная ионизация у катода за счет соударения с электронами, разгоняемыми электри ческим полем, а при таунсендовском разряде ударная ионизация пре обладает на всём промежутке газового разряда.
2.1.3. Статическая вольтамперная характеристика электрической
дуги постоянного тока
Важнейшей характеристикой дуги является зависимость напряжения на ней от величины тока. Эта характерис тика называется вольтамперной. С ростом тока i уве личивается температура дуги, усиливается термическая ионизация, возрастает число ионизированных частиц в разряде и падает электрическое сопротивление дуги rд.
Напряжение на дуге равно irд. При увеличении тока сопротивление дуги уменьшается так резко, что напря жение на дуге падает, несмотря на то, что ток в це пи возрастает. Каждому значению тока в установившем ся режиме соответствует свой динамический баланс числа заряженных частиц.
При переходе от одного значения тока к другому тепловое состояние дуги не изменяется мгновенно. Дуго вой промежуток обладает тепловой инерцией. Если ток изменяется во времени медленно, то тепловая инерция разряда не сказывается. Каждому значению тока со ответствует однозначное значение сопротивления дуги или напряжения на ней.
Зависимость напряжения на дуге от тока при мед ленном его изменении называется статической вольтамперной характеристикой дуги.
Статическая характеристика дуги зависит от рас стояния между электродами (длины дуги), материала электродов и параметров среды, в которой горит дуга.
Статические вольтамперные характеристи ки дуги имеют вид кривых, изображенных на рис. 2.3.
Рис. 2.3. Статические вольтамперные характеристики дуги
Чем больше длина дуги, тем выше лежит ее статическая вольтамперная характеристика. С ростом давления среды, в которой горит дуга, также увеличивается на пряженность ЕД и поднимается вольтамперная характе ристика аналогично рис. 2.3.
Охлаждение дуги существенно влияет на эту ха рактеристику. Чем интенсивнее охлаждение дуги, тем больше от нее отводится мощность. При этом должна возрасти мощность, выделяемая дугой. При заданном токе это возможно за счет увеличения напряжения на дуге. Таким образом, с ростом охлаждения вольтампер ная характеристика располагается выше. Этим широко поль зуются в дугогасительных устройствах аппаратов.
2.1.4. Динамическая вольтамперная характеристика электрической
дуги постоянного тока
Если ток в цепи изменяется медленно, то току i1 со ответствует сопротивление дуги rД1, а большему току i2 соответствует меньшее сопротивление rД2, что отражено на рис 2.4. (см. статичес кую характеристику дуги – кривая А).
Рис. 2.4. Динамическая вольтамперная характеристика дуги.
В реальных установках ток может меняться довольно быстро. Вследствие тепловой инерции дугового столба изменение сопротивления дуги отстает от изменения то ка.
Зависимость напряжения на дуге от тока при быст ром его изменении называется динамической вольтамперной характеристикой.
При резком возрастании тока динамическая характеристика идет выше статической (кривая В), так как при быстром росте тока сопротивление дуги падает мед леннее, чем растет ток. При уменьшении – ниже, по скольку в этом режиме сопротивление дуги меньше, чем при медленном изменении тока (кривая С).
Динамическая характеристика в значительной степе ни определяется скоростью изменения тока в дуге. Если в цепь ввести очень большое сопротивление за время, бес конечно малое по сравнению с тепловой постоянной вре мени дуги, то в течение времени спада тока до нуля со противление дуги останется постоянным. В этом случае динамическая характеристика изобразится прямой, про ходящей из точки 2 в начало координат (прямая D), т. е. дуга ведет себя как металлический проводник, так как напряжение на дуге пропорционально току.
2.1.5. Условия гашения дуги постоянного тока
Чтобы погасить электрическую дугу постоянного тока, необходимо создать такие условия, чтобы в дуговом промежутке при всех значениях тока процессы деионизации протекали бы интенсивнее, чем процессы ионизации.
Рис. 2.5. Баланс напряжений в цепи с электрической дугой.
Рассмотрим электрическую цепь, содержащую сопротивление R, индуктивность L и дуговой промежуток с падением напряжения UД, к которой приложено напряжение U (рис. 2.5, а). При дуге, имеющей неизменную длину, для любого момента времени будет справедливо уравнение баланса напряжений в этой цепи:
где падение напряжения на индуктивности при изменении тока.
Стационарным режимом будет такой, при котором ток в цепи не меняется, т.е. а уравнение баланса напряжений примет вид:
Для погасания электрической дуги необходимо, чтобы ток в ней всё время уменьшался, т.е. , а
Графическое решение уравнения баланса напряжений представлено на рис. 2.5, б. Здесь прямая 1 представляет собой напряжение источника U; наклонная прямая 2 – падение напряжения на сопротивлении R (реостатная характеристика цепи), вычитаемое из напряжения U, т.е. U – iR; кривая 3 – вольтамперную характеристику дугового промежутка UД.
2.1.6. Особенности электрической дуги переменного тока
Если для гашения дуги постоянного тока необходимо создать такие усло вия, при которых ток упал бы до нуля, то при переменном токе ток в дуге независимо от степени ионизации дугового промежутка переходит через нуль каждый полупериод, т.е. каждый полупериод дуга гаснет и зажигается вновь. Задача гашения дуги существенно облегчается. Здесь необходимо создать условия, при которых ток не восстановился бы после прохождения через нуль.
Рис. 2.6. Процесс отключения цепи переменного тока
Вольтамперная характеристика дуги переменного тока за один период приведена на рис. 2.7. Поскольку, даже при промышленной частоте 50 Гц, ток в дуге меняется достаточно быстро, то представленная характеристика является динамической. При синусоидальном токе напряжение на дуге сначала увеличивается на участке 1, а затем, в связи с ростом тока, падает на участке 2 (участки 1 и 2 относятся к первой половине полупериода). После прохождения тока через максимум динамическая ВАХ возрастает по кривой 3 в связи с уменьшением тока, а затем уменьшается на участке 4 в связи с приближением напряжения к нулю (участки 3 и 4 относятся ко второй половине этого же полупериода).
Рис. 2.7. Вольтамперная характеристика дуги переменного тока
При переменном токе температура дуги является величиной переменной. Однако тепловая инерция газа оказывается довольно значительной, и к моменту перехода тока через нуль температура дуги хотя и уменьшается, но остаётся достаточно высокой. Всё же имеющее место снижение температуры при переходе тока через нуль способствует деионизации промежутка и облегчает гашение электрической дуги переменного тока.
2.1.7. Электрическая дуга в магнитном поле
Электрическая дуга является газообразным про водником тока. На этот проводник, так же как на метал лический, действует магнитное поле, создавая силу, про порциональную индукции поля и току в дуге. Магнитное поле, действуя на дугу, увеличивает ее длину и переме щает элементы дуги в пространстве.
Поперечное перемещение элементов дуги создает ин тенсивное охлаждение, что приводит к повышению гради ента напряжения на столбе дуги.
При движении дуги в среде газа с большой скоро стью возникает расслоение дуги на отдельные парал лельные волокна. Чем длиннее дуга, тем сильнее проис ходит расслоение дуги.
Дуга является чрезвычайно подвижным проводником. Известно, что на токоведущую часть действуют такие силы, которые стремятся увеличить электромагнит ную энергию контура. Поскольку энергия пропорцио нальна индуктивности, то дуга под действием своего собственного поля стремится образовывать витки, петли, так как при этом возрастает индуктивность цепи. Эта способность дуги тем сильнее, чем больше ее длина.
Движущаяся в воздухе дуга преодолевает аэродина мическое сопротивление воздуха, которое зависит от ди аметра дуги, расстояния между электродами, плотности газа и скорости движения. Опыт показывает, что во всех случаях в равномерном магнитном поле дуга движется с постоянной скоростью. Следовательно, электродинами ческая сила уравновешивается силой аэродинамического сопротивления.
С целью создания эффективного охлаждения дуга с помощью магнитного поля втягивается в узкую (диаметр дуги больше ширины щели) щель между стен ками из дугостойкого материала с высокой теплопровод ностью. Из-за увеличения теплоотдачи стенкам щели гра диент напряжения в столбе дуги при наличии узкой щели значительно выше, чем у дуги, свободно перемещающей ся между электродами. Это дает возможность сократить необходимую для гашения длину и время гашения.
2.1.8. Способы воздействия на электрическую дугу в коммутационных аппаратах
Цель воздействия на столб возникающей в аппарате дуги состоит в увеличении её активного электрического сопротивления вплоть до бесконечности, когда коммутационный орган переходит в изоляционное состояние. Практически всегда это достигается путем интенсивного охлаждения столба дуги, уменьшения её температуры и теплосодержания, в результате чего снижается степень ионизации и количество носителей электричества и ионизированных частиц и повышается электрическое сопротивление плазмы.
Для успешного гашения электрической дуги в коммутационных низковольтных аппаратах необходимо выполнить следующие условия:
3. Определение, назначение, принцип работы и устройство контактора
постоянного тока
Контакторы постоянного тока предназначены для ком мутации цепей постоянного тока и, как правило, приводятся в действие электромагнитом постоянного тока.
Общие технические требования к контакторам и усло вия их работы регламентированы ГОСТ 11206—77. Ниже описываются категории применения современных контак торов и приводятся параметры коммутируемых ими цепей в зависимости от характера нагрузки.
Контакторы постоянного тока:
ДС-1 — активная или малоиндуктивная нагрузка.
ДС-2—пуск электродвигателей постоянного тока с парал лельным возбуждением и их отключение при но минальной частоте вращения.
ДС-3—пуск электродвигателей с параллельным возбуж дением и их отключение при неподвижном состо янии или медленном вращении ротора.
ДС-4—пуск электродвигателей с последовательным воз буждением и их отключение при номинальной час тоте вращения.
ДС-5—пуск электродвигателей с последовательным воз буждением, отключение неподвижных или мед ленно вращающихся двигателей, торможение про тивотоком.
Общие требования к контакторам:
1.Высокая включающая и отключающая способность – не ниже 10Iном, а в отдельных случаях до 20Iном ;
2. Длительная работа при большой частоте отключений;
3. Высокая коммутационная износостойкость – до 3 млн. циклов с учетом отключений пусковых токов;
4. Высокая механическая износостойкость;
5. Технологичность конструкции, малая масса и габариты;
6. Высокая надёжность в эксплуатации.
Для контакторов существует еще режим редких комму таций, характеризуемый более тяжелыми условиями, чем при нормальных коммутациях. Такие режимы возникают довольно редко (на пример, при КЗ).
Основными техническими данными кон такторов являются номинальный ток главных контак тов, предельный отключаемый ток, номинальное напря жение коммутируемой цепи, механическая и коммутацион ная износостойкость, допустимое число включений в час, собственное время включения и отключения. Способность контактора, как и любого коммутационного аппарата, обе спечить работу при большом числе операций характеризу ется износостойкостью.
Различают механическую и комму тационную износостойкость. Механическая износостойкость определяется числом циклов включение-отключение кон тактора без ремонта и замены его узлов и деталей. Ток в цепи при этом равен нулю. Механическая износостойкость современных контакторов составляет (10—20)106 опера ций.
Коммутационная износостойкость определяется таким числом включений и отключений цепи с током, после кото рого требуется замена контактов. Современные контакторы должны иметь коммутационную износостойкость порядка (2—3)106 операций (некоторые выпускаемые в настоящее время контакторы имеют коммутационную износостойкость 106 операций и менее).
Собственное время включения состоит из времени нарастания потока в электромагните контактора до значения потока трогания и времени движения якоря. Большая часть этого времени тратится на нарастание магнитного потока. Для контакторов постоянного тока с номинальным током 100 А собственное время включения составляет 0,14с, для контакторов с током 630 А оно увеличивается до 0,37с.
Собственное время отключения - время с момента обесточивания электромагнита контактора до момента размы кания его контактов. Оно определяется временем спада по тока от установившегося значения до потока отпускания. Временем с начала движения якоря до момента размыка ния контактов можно пренебречь. В контакторах постоян ного тока с номинальным током 100 А собственное время отключения составляет 0,07, в контакторах с номинальным током 630 А — 0,23 с.
Номинальный ток контактора Iном представляет собой ток, который можно пропускать по замкнутым главным контактам в течение 8 часов без коммутаций, причем превышение температуры различных частей контактора не должно быть больше допустимого (прерывисто-продолжительный режим работы).
Номинальный рабочий ток контактора Iном.р - это допустимый ток через его замкнутые главные контакты в конкретных условиях применения. Так, напри мер, номинальный рабочий ток Iном.р контактора для ком мутации асинхронных двигателей с короткозамкнутым ро тором выбирается из условий включения шестикратного пускового тока двигателя.
Номинальным напряжением называется наибольшее напряжение коммутируемой цепи, для работы при котором предназначен контактор. Коммутационная износостойкость главных контактов для категорий ДС-2, ДС-4 в ре жиме нормальных коммутаций должна быть не менее 0,1, а для категорий ДС-3 не менее 0,02 механической износостойкости. Вспомогательные контакты должны ком мутировать цепи электромагнитов переменного тока, у ко торых пусковой ток может во много раз превышать устано вившийся.
Контактор имеет следующие основные узлы: контакт ную систему, дугогасительное устройство, электромагнит и систему вспомогательных контактов. При подаче напря жения на обмотку электромагнита контактора его якорь притягивается. Подвижный контакт, связанный с якорем электромагнита, замыкает или размыкает главную цепь. Дугогасительное устройство обеспечивает быстрое гашение дуги, благодаря чему достигается малый износ контактов. Система вспомогательных слаботочных контактов служит для согласования работы контактора с другими устройст вами.
Контактная система. Контакты аппарата подвержены наиболее сильному электрическому и меха ническому износу ввиду большого числа операций в час и тяжелым условиям работы. С целью уменьшения изно са преимущественное распространение получили линей ные перекатывающиеся контакты.
Для предотвращения вибраций контактов контактная пружина создает предварительное нажатие, равное при мерно половине конечной силы нажатия. Большое влия ние на вибрацию оказывает жесткость крепления непод вижного контакта и стойкость к вибрациям всего кон тактора в целом. В этом отношении очень удачна конструкция контактора серии КПВ-600 (рис.3.1). Не подвижный контакт 1 жестко прикреплен к скобе 2. Один конец дугогасительной катушки 3 присоединен к этой же скобе. Второй конец катушки вместе с выводом 4 надеж но скреплен с изоляционным основанием из пластмассы 5. Последнее крепится к прочной стальной скобе 6, кото рая является основанием аппарата. Подвижный контакт 7 выполнен в виде толстой пластины. Нижний конец пла стины имеет возможность поворачиваться относительно точки опоры 8. Благодаря этому пластина может перека тываться по сухарю неподвижного контакта 1. Вывод 9 соединяется с подвижным контактом 7 с помощью гиб кого проводника (связи) 10. Контактное нажатие созда ется пружиной 12.
При износе контактов сухарь 1 заменяется новым, а пластина подвижного контакта поворачивается на 180° и неповрежденная сторона ее используется в работе.
Для уменьшения оплавления основных контактов ду гой при токах более 50 А контактор имеет дугогасительные контакты — рога 2, 11. Под действием магнитного поля дугогасительного устройства опорные точки дуги быстро перемещаются на скобу 2, соединенную с непод вижным контактом 1, и на защитный рог подвижного контакта 11. Возврат якоря в начальное положение (пос ле отключения магнита) производится пружиной 13.
Основным параметром контактора является номи нальный ток, который определяет размеры контактора.
Рис.3.1 Контактор постоянного тока серии КПВ-600.
Характерной особенностью контакторов КПВ-600 и многих других типов является электрическое соединение вывода подвижного контакта с корпусом контактора. Во включенном положении контактора магнитопровод нахо дится под напряжением. Даже в отключенном положении напряжение может оставаться на магнитопроводе и других деталях. Соприкосновение с магнитопроводом по этому опасно для жизни.
Серия контакторов КПВ имеет исполнение с размы кающим главным контактом. Замыкание производится за счет действия пружины, а размыкание - за счет си лы, развиваемой электромагнитом.
Номинальным током контактора называется ток пре рывисто-продолжительного режима работы. При этом режиме работы контактор находится во включенном со стоянии не более 8 ч. По истечении этого промежутка ап парат должен быть несколько раз включен и отключен (для зачистки контактов от окиси меди). После этого аппарат снова включается.
Если контактор располагается в шкафу, то номи нальный ток понижается примерно на 10% из-за ухуд шающихся условий охлаждения.
В продолжительном режиме работы, когда длитель ность непрерывного включения превышает 8 ч, допусти мый ток контактора снижается примерно на 20%. В та ком режиме из-за окисления медных контактов растет переходное сопротивление, что может привести к повы шению температуры выше допустимой величины. Если контактор имеет небольшое число включений или вообще предназначен для длительного включения, то на рабочую поверхность контактов напаивается серебряная пластина. Серебряная облицовка позволяет сохранить допустимый ток контактора, равный номинальному току, и в режиме продолжительного включения. Если контактор наряду с режимом продолжительного включения исполь зуется в режиме повторно-кратковременного включения, применение серебряных накладок становится нецелесо образным, так как из-за малой механической прочности серебра происходит быстрый износ контактов.
Согласно рекомендациям завода допустимый ток повторно-кратковременного ре жима для контактора КПВ-600 определяется по формуле:
,
где п – число включений в час.
Необходимо отметить, что если при отключении в повторно-кратковременном режиме длительно горит ду га (отключается большая индуктивная нагрузка), то температура контактов может резко увеличиться за счет нагрева контактов дугой. В этом случае нагрев контак тов в продолжительном режиме работы может быть мень ше, чем в повторно-кратковре менном режиме. Как правило, контактная система имеет один полюс.
Для реверса асинхронных двигателей при большой часто те включений в час (до 1200) применяется сдвоенная кон тактная система. В этих кон такторах типа КТПВ-500, име ющих электромагнит постоян ного тока, подвижные контак ты изолированы от корпуса, что делает более безопасным обслуживание аппарата. На рис.2 показана схема вклю чения контакторов для ревер са асинхронных двигателей. По сравнению со схемой, име ющей однополюсные контакто ры, схема рис.3.2 имеет большое преимущество. При неполадках и отказе одного контактора подается напря жение только на один зажим двигателя. В схеме с од нополюсными контакторами отказ одного контактора ведет к возникновению тяжелого режима двухфазного питания двигателя.
Рис.3.2 Схема включения главных контактов контактора КТПВ-500
для реверса асинхронного двигателя.
Контакторы с двухполюсной контактной системой очень удобно использовать для закорачивания сопротив лений в цепи ротора асинхронного двигателя.
В контакторах типа КМВ-521 применяется также двухполюсная система. Эти контакторы предназначены для включения и отключения мощных электромагнитов приводов постоянного тока масляных выключателей. На личие двухполюсной контактной системы, включенной в оба провода сети постоянного тока, обеспечивает на дежное отключение индуктивной нагрузки.
3.1. Материалы контактов, раствор и провал контактов.
К материалу контактов предъявляются следующие требования:
1. Высокие электрическая проводимость и теплопро водность.
2. Стойкость против коррозии в воздухе и других газах.
3. Стойкость против образования пленок с высоким удельным сопротивлением.
4. Малая твердость для уменьшения необходимой си лы нажатия.
5. Высокая твердость для уменьшения механического износа при частых включениях и отключениях.
6. Малая эрозия.
7. Высокая дугостойкость (температура плавления).
8. Высокие значения тока и напряжения, необходи мых для дугообразования.
9. Простота обработки, низкая стоимость.
Свойства некоторых контактных материалов рассмот рены ниже.
Медь. Положительные свойства: высокие электрическая прово димость и теплопроводность, достаточная твердость, что позволяет применять при частых включениях и отключениях, довольно высокие значения Uo и Io, простота технологии, низкая стоимость.
Недостатки: низкая температура плавления, при работе на воз духе покрывается слоем прочных окислов, имеющих высокое сопро тивление, требует довольно больших сил нажатия. Для защиты меди от окисления поверхность контактов покрывается электролитическим способом слоем серебра толщиной 20—30 мкм. На главных контак тах иногда ставятся серебряные пластинки (в аппаратах, включае мых относительно редко). Применяется как материал для плоских и круглых шин, контактов аппаратов высокого напряжения, контак торов, автоматов и др. Вследствие низкой дугостойкости нежелатель но применение в аппаратах, отключающих мощную дугу и имеющих большое число включений в час.
Серебро. Положительные свойства: высокие электро- и тепло проводность, пленка окисла серебра имеет малую механическую проч ность и быстро разрушается при нагреве контактной точки. Контакт серебра устойчив, благодаря малой механической прочно сти достаточны малые нажатия (применяется при нажатиях 0,05 Н и выше). Устойчивость контакта, малое переходное сопротивление являются характерными свойствами серебра.
Отрицательные свойства: малая дугостойкость и недостаточная твердость серебра препятствуют использованию его при наличии мощной дуги и при частых включениях и отключениях.
Применяется в реле и контакторах при токах до 20 А. При боль ших токах вплоть до 10 кА серебро используется как материал для главных контактов, работающих без дуги.
Алюминий. Этот материал имеет достаточно высокие электри ческую проводимость и теплопроводность. Благодаря малой плот ности токоведущая часть круглого сечения из алюминия на такой же ток, как и медный проводник, имеет почти на 48% меньшую массу. Это позволяет уменьшить массу аппарата.
Недостатки алюминия: образование на воздухе и в актив ных средах пленок с высокой механической прочностью и высоким сопротивлением; низкая дугостойкость (температура плавления значительно меньше, чем у меди и серебра); малая механическая прочность; при контакте с медью образуется пара, подверженная сильной электрохимической коррозии. В связи с этим при соединении с медью алюминий должен покрываться тонким слоем меди электро литическим путем либо оба металла необходимо покрывать се ребром.
Алюминий и его сплавы (дюраль, силумин) применяются глав ным образом как материал для шин и конструкционных деталей ап паратов.
Вольфрам. Положительными свойствами вольфрама являются: высокая дугостойкость, большая стойкость против эрозии, сварива ния. Высокая твердость вольфрама позволяет применять его при частых включениях и отключениях.
Недостатками вольфрама являются: высокое удельное сопротив ление, малая теплопроводность, образование прочных оксидных и сульфидных пленок. В связи с высокой механической прочностью и образованием пленок вольфрамовые контакты требуют большого на жатия.
В реле на малые токи с небольшим нажатием применяются стойкие против коррозии материалы — золото, платина, палладий и их сплавы.
Металлокерамические материалы. Рассмотрение свойств чистых металлов показывает, что ни один из них не удовлетворяет полно стью всем требованиям, предъявляемым к разрывным контактам.
Основные необходимые свойства контактного материала — высо кие электрическая проводимость и дугостойкость — не могут быть получены за счет сплавов таких материалов, как серебро и вольф рам, медь и вольфрам, так как эти металлы не образуют сплавов. Материалы, обладающие желаемыми свойствами, получают методом порошковой металлургии (металлокерамики). Физические свойства металлов при изготовлении металлокерамических контак тов сохраняются. Дугостойкость керамике сообщается такими ме таллами, как вольфрам, молибден. Для получения низкого переход ного сопротивления контакта в качестве второго компонента используют серебро или медь. Чем больше в материале вольфрама, тем выше дугостойкость, механическая прочность, сопротивление свариванию. Но соответственно растет сопротивление контактов, уменьшается теплопроводность. Обычно металлокерамика с содержанием вольфрама выше 50% применяется для тяжело нагруженных аппаратов, отключающих большие токи короткого замыкания.
Для контактов аппаратов высокого напряжения наибольшее распространение получила металлокерамика КМК-А60, КМК-А61, МК-Б20, КМК-Б21.
В аппаратах низкого напряжения наибольшее распространение получила металлокерамика КМК-А10 из серебра и окиси кадмия CdO. Отличительной особенностью этого материала является диссоциация CdO на пары кадмия и кислород. Выделяющийся газ заcтавляет дугу быстро перемещаться по поверхности контакта, что значительно снижает температуру контакта и способствует деионизации дуги.
Металлокерамика, состоящая из серебра и 10% окиси меди, МК-А20 еще более стойка к износу, чем КМК-А10.
Серебряно-никелевые контакты хорошо обрабатываются, обладают высокой стойкостью против электрического износа. Контакты дают низкое и устойчивое в эксплуатации переходное сопротивление. Однако они легче свариваются, чем контакты из материала КМК-А60, КМК-Б20, КМК-А10.
Серебряно-графитовые и медно-графитовые контакты благодаря высокой устойчивости против сваривания применяются как дугогасительные контакты.
В заключение следует отметить, что хотя применение металлокерамики увеличивает стоимость аппаратуры в эксплуатации, эти «лишние» затраты быстро окупаются, так как возрастает срок службы аппарата, увеличивается время между ревизиями и значительно повышается надежность.
Под провалом контактов подразумевается величина смещения подвижного контакта на уровне точки его касания с неподвижным контактом в случае, если неподвижный будет удален.
Провал контактов обеспечивает надежное замыкание цепи, когда толщина контактов уменьшается вследствие выгорания их материала под действием электрической дуги. Величина провала определяет запас материала контактов на износ в процессе работы контактора.
После соприкосновения контактов происходит перекатывание подвижного контакта по неподвижному. Контактная пружина создает определенное нажатие в контактах, поэтому при перекаты вании происходит разрушение окисных пленок и других химиче ских соединений, которые могут появиться на поверхности кон тактов. Точки касания контактов при перекатывании переходят на новые места контактной поверхности, не подвергавшиеся воздей ствию дуги и являющиеся, поэтому более «чистыми». Все это умень шает переходное сопротивление контактов и улучшает условия их работы. В то же время перекатывание повышает механический износ контактов (контакты изнашиваются).
Раствором контактов называется расстояние между подвижным и неподвижным контактами в отключенном состоянии контактора. Раствор контактов обычно лежит в пределах от 1 до 20 мм. Чем ниже раствор контактов, тем меньше ход якоря приводного электро магнита. Это приводит к уменьшению в электромагните рабочего воздушного зазора, магнитного сопротивления, намагничивающей силы, мощ ности катушки электромагни та и его габаритов. Мини мальная величина раствора контактов определяется: тех нологическими и эксплуата ционными условиями, возмож ностью образования металли ческого мостика между кон тактами при разрыве цепи тока, условиями устранения возможности смыкания кон тактов при отскоке подвиж ной системы от упора при отключении аппарата. Раствор кон тактов также должен быть достаточным для обеспечения условий надежного гашения дуги при малых токах.
3.2. Гашение электрической дуги, устройства для создания магнитного дутья, силы, перемещающие дугу в дугогасительную камеру.
Дугогасительное устройство. В контакторах по стоянного тока наибольшее распространение получили устройства с электромагнитным дутьем. При взаимодействии магнитного поля с ду гой возникает электродинамическая сила, перемещаю щая дугу с большой скоростью. Для улучшения охлаж дения дуги ее загоняют в щель из дугостойкого материа ла с высокой теплопроводностью. При расхождении кон тактов 1 и 7 (смотреть рис.3.1) между ними возникает дуга 14. Дугу можно рассматривать как проводник с то ком. Катушка 8 создает м. д. с., под действием которой возникает поток. Этот поток проходит через сердечник катушки, полюсные наконечники 15 и воздушный зазор, в котором горит дуга. На рис.3.1 крестиками показано направление магнитного потока между полюсами систе мы, направленного за плоскость чертежа.
В соответствии с рис.3.3, чем больше отключаемый ток, тем выше идет прямая U—iR. Для обеспечения ус ловий гашения дуги необходимо с ростом тока поднимать вольт-амперную характеристику дуги. Это достигается удлинением дуги либо за счет электродинамических сил, либо за счет механического растяжения дуги.
Рис.3.3 Ток в цепи при различных сопротивлениях R и наличии дуги.
На рис.3.4 изображена зависимость раствора кон тактов, при котором происходит гашение дуги, от тока и магнитной индукции, полученная О. Б. Броном на маке те контактора.
Рис.3.4. Зависимость раствора контактов, обеспечивающего гашение дуги, от величины отключаемого тока.
При всех значениях индукции В кривые имеют один и тот же характер: при токе 5—7 А кривая достигает максимума, после чего с ростом тока необхо димый раствор падает и при токе 200 А все кривые слива ются. Такой ход кривых объясняется следующими явле ниями. Электродинамическая сила, действующая на еди ницу длины дуги, равна:
, (**)
где I — ток; В — индукция магнитного поля.
Рассмотрим случай, когда В==0 (кривая 1). При малом значении тока в дуге электродинамическая сила получается столь незначительной, что она не оказывает никакого влияния на процесс гашения. Условия, необхо димые для гашения, создаются за счет механического ра стяжения дуги подвижным контактом. При этом гашение дуги с ростом тока наступает при большей ее длине.
При токе более 7 А на дугу действует электродинами ческая сила, возникающая как за счет магнитного поля подводящих проводников, так и за счет конфигурации самой дуги (грубо можно представить, что дуга имеет форму части окружности). Эти силы являются решающи ми для гашения дуги. Чем больше ток в цепи, тем боль ше электродинамическая сила, растягивающая дугу. В результате при токе 200 А для гашения дуги достаточ но иметь раствор контактов около 1,5*10-3 м. Фактиче ски при таком токе, как только контакты разойдутся, воз никающие электродинамические силы выталкивают дугу из межконтактного зазора и перемещают со скоростью несколько десятков метров в секунду. При этом длина дуги, при которой она гаснет, достигает 0,10 м и более.
Наличие внешнего магнитного поля способствует рез кому сокращению раствора контактов в области малых токов и незначительно сказывается на процесс гашения при токах 100 А и выше. Наиболее оптимальной маг нитной индукцией является В ==0,0069 Т
В области малых токов с ростом тока увеличивается необходимый для гашения раствор контактов. При за данной скорости их движения требуется и большее время для достижения необходимого раствора. В области боль ших токов процесс гашения определяется электродинами ческими силами. Чем больше ток, тем больше скорость растяжения дуги динамическими силами, тем меньше время, необходимое для достижения дугой критической длины.
Рис.3.5. Зависимость времени дуги и силы, действующей на дугу, от величины
отключаемого тока.
Хотя при токах выше 100 А применение магнитного дутья кажется излишним (рис.3.4 и рис.3.5), во всех кон такторах на токи 100 А и выше такая система обязатель но применяется. Дело в том, что наличие внешнего маг нитного поля способствует быстрому перемещению опор ных точек дуги на контактах, перегоняя ее на дугогасительные электроды — рога и тем самым уменьшая оплавление контактов. Как показали исследования, для каждого значения тока имеется свое оптимальное значение поля. При напряженности, большей оптималь ной, наступает усиленный износ контактов за счет того, что жидкометаллический контактный мостик, образую щийся в стадии размыкания контактов, уносится и рас пыляется сильным магнитным полем.
Величина напряжения отключаемой цепи утяжеляет процесс гашения дуги только в области малых токов до 30 А. В области с токами выше 100 А, когда решающую роль играют электродинамические силы, величина пита ющего напряжения практически не влияет на раствор контактов. Раствор контактов обычно берется (10—17)*10-3 м и определяется условиями гашения малого тока.
Характер нагрузки отключаемой цепи также оказы вает влияние только при малых токах в области, где га шение дуги происходит за счет механического растяже ния дуги. В области больших токов следует опасаться больших перенапряжений и повторных пробоев из-за резкого снижения тока к нулю при сильном магнитном поле.
В случае применения катушки тока она обтекается током, проходящим в отключаемой цепи. Если прене бречь магнитным сопротивлением стали, то можно счи тать, что индукция пропорциональна отключаемому току. Тогда (**) можно преобразовать к виду:
F1=k1I2.
Таким образом, сила, действующая на единицу длины дуги, пропорциональна квадрату тока.
Как было показано ранее, наиболее важно иметь не обходимую величину магнитного поля для дутья в обла сти малых токов. Система с катушкой тока обладает как раз тем недостатком, что в этой области токов не создает необходимой индукции магнитного поля (см. зависимость электродинамической силы от тока — кривая 4 рис.5). В результате гашение дуги получается малоэффектив ным. На рис.5 изображена зависимость длительности горения дуги и электродинамической силы, действующей на нее, от тока для контактора на 150 А. Кривые времени дуги 1 — при отсутствии магнитного дутья; 2— при маг нитной системе с катушкой тока. В последнем случае при токе 10 А длительность горения дуги достигает 0,09 с. Та кая длительность горения дуги недопустима, так как возможно устойчивое горение без погасания.
Согласно опытным данным ток, надежно отключае мый контакторами с катушкой тока, составляет 20—25% номинального тока аппарата.
Для надежного и быстрого гашения дуги в области малых токов применяются контакторы на небольшой ток (блок-контакторы) со сменными катушками магнитного дутья. Эти катушки имеют номинальный ток 1,5—40 А. При малом отключаемом токе устанавливается катушка, имеющая большое число витков, благодаря чему созда ется необходимое магнитное поле для гашения дуги за малое время.
Необходимо отметить, что за счет сильного магнит ного дутья возможен резкий обрыв тока, что приводит к возникновению перенапряжений в сильно индуктивной цепи. Предельный ток, который может отключать блок-контактор, не должен превышать трехкратного значения номинального тока катушки магнитного дутья.
Достоинствами системы с катушкой тока являются:
1. Система хорошо работает в области токов свыше 100 А. При этих токах магнитное поле быстро сдувает дугу с рабочих поверхностей контактов и обеспечивает малый их износ.
2. Работа системы не зависит от направления тока. При изменении направления тока меняет знак и магнит ное поле. Сила, действующая на дугу, не изменяет своего направления.
3. Поскольку через катушку проходит номинальный ток контактора, она выполняется из провода большого сечения. Такая катушка механически прочна и не боит ся ударов, возникающих при работе контактора. Падение напряжения на катушке составляет доли вольта. Поэто му к изоляции катушки не предъявляются высокие тре бования.
Наряду с достоинствами эта система имеет и ряд недостатков:
Несмотря на эти недостатки, благодаря высокой на дежности при гашении номинальных и больших токов система с катушкой тока получила преимущественное распространение.
В параллельной системе катушка магнитного дутья подключается к независимому источнику питания. Маг нитная индукция, создаваемая системой, постоянна и не зависит от отключаемого тока.
Сила, действующая на дугу согласно (**), пропор циональна отключаемому току
F2=k2I
На рис.5 изображена эта зависимость (кривая 5) для случая, когда м. д. с. катушки тока при номинальном токе равна м. д. с. катушки напряжения. При токах от 0 до Iн сила, действующая на дугу, при катушке напряже ния получается большей, чем при катушке тока, — пря мая 5 идет выше параболы 4. Это позволяет резко сни зить длительность горения дуги в области малых токов. При токах, больших Iн, сила, действующая на дугу, при катушке тока больше, чем при катушке напряжения. Однако для гашения это не имеет существенного значе ния, так как решающими являются силы, возникающие в самом контуре дуги.
Зависимость времени гашения дуги от тока для си стемы с катушкой напряжения приведена на рис.5 (кривая 3).
Поскольку в области малых токов катушка напряже ния действует более эффективно, чем катушка тока, при одной и той же длительности горения дуги требуется меньшая м. д. с., что дает экономию. Однако ка тушки напряжения имеют и ряд существенных не достатков:
1. Направление электродинамической силы, действу ющей на дугу, зависит от полярности тока. При измене нии направления тока дуга меняет направление своего движения. Контактор не может работать при перемене полярности тока.
2.Поскольку, к катушке прикладывается напряжение источника питания, изоляция должна быть рассчитана на это напряжение. Катушка выполняется из тонкого провода. Близость дуги к такой катушке делает ее рабо ту ненадежной (расплавленный металл контактов может попадать на катушку).
3. При коротких замыканиях возможно снижение на пряжения на источнике, питающем катушку. В результа те процесс гашения дуги идет неэффективно.
В связи с указанными недостатками системы с катуш кой напряжения в настоящее время применяются только в случаях, когда необходимо отключать небольшие то ки — от 5 до 10 А. В аппаратах на большие силы тока эта система не применяется.
Система с постоянным магнитом по существу мало отличается по своей характеристике от системы с катуш кой напряжения. Магнитное поле создается за счет по стоянного магнита. По сравнению с системами, где поле создается обмот ками, постоянный магнит имеет ряд преимуществ:
1. Нет затраты энергии на создание магнитного поля;
2. Резко сокращается расход меди на контактор;
3. Отсутству ет подогрев контактов от катушки, как это имеет место в системе с катушкой тока;
об ладает высокой надежностью и хорошо работает при лю бых токах.
В силу своих преимуществ эта система, оче видно, в дальнейшем будет широко использоваться. Магнитное поле, действующее на дугу, создает силу, которая перемещает дугу в дугогасительную ка меру. Назначение камеры — локализовать область, занятую раскаленными газами дуги, препятствовать пе рекрытию между соседними полюсами. При соприкосно вении дуги со стенками камеры происходит интенсивное охлаждение дуги, что приводит к подъему вольт-ампер ной характеристики и успешному гашению. Исследования О. Б. Брона показали, что в качестве материала необходимо применять дугостойкую керамику.
Наиболее совершенной является лабиринтно-щелевая камера. Под действием магнитного поля дуга загоняется в суживающуюся зигзагообразную щель (рис.6,б). Благодаря увеличению длины дуги и хо рошему тепловому контакту дуги со стенками камеры происходит ее эффективное гашение. По сравнению с обычной продольной щелью (рис.6, а) зигза гообразная щель уменьшает количество выброшенных из камеры раскаленных газов и, следовательно, зону вы хлопа.
Рис.3.6. Дугогасительные камеры контакторов постоянного тока.
Электромагнитная система. Электромагнитная система обеспечивает дистанционное управление контактором, т.е. включение и отключение. В контакторах с при водом на постоянном токе преимущественное распростра нение получили электромагниты клапанного типа.
С целью повышения механической износостойкости в современных контакторах применяется вращение якоря на призме. Выбранная компоновка электромагнита и контактной системы (рис.3.1), применение специальной пружины 16, прижимающей якорь к призме, позволяют повысить износостойкость узла вращения у контакто ров КПВ-600 до 20*106. По мере износа призменного узла зазор между скобой якоря и опорной призмой автоматически выбирается. В случае же при менения подшипникового соединения якоря и магнитопровода при износе подшипника возникают люфты, на рушающие нормальную работу аппарата.
Для получения вибро- и ударостойкости подвижная система контактора должна быть уравновешена относи тельно оси вращения. Типичным примером является электромагнит контактора серии КПВ-600 (рис.3.1). Якорь магнита уравновешивается хвостом, на котором укреп ляется подвижный контакт. Возвратная пружина также действует на хвост якоря. Катушка электромагнита нама тывается на тонкостенную изолированную стальную гиль зу. Такая конструкция катушки обеспечивает хорошую прочность и улучшает тепловой контакт катушки с сер дечником. Последнее способствует снижению температу ры катушки и уменьшению габарита контактора.
При включении электромагнит преодолевает действие силы возвратной и контактной пружин. Тяговая характе ристика электромагнита должна во всех точках идти вы ше характеристики противодействующих пружин при минимальном допустимом напряжении на катушке (0,85 Uн) и нагретой катушке. Включение должно про исходить при всё время нарастающей скорости. Не дол жно быть замедления в момент, замыкания главных кон тактов.
Рис.3.7. Противодействующая характеристика для контактора на рис.3.1.
Характеристика противодействующих сил, приведённых к якорю электромагнита для контактора (рис.1), приведена на рис.7 (кривая 4). Отрезки ординаты этой кривой представляют соответственно: 1 – силу тяжести, 2 – силу возвратной пружины, 3 – силу контактной пружины.
Наиболее тяжелым моментом при включении являет ся преодоление силы в момент касания главных контак тов, так как электромагнит должен развивать значитель ное усилие при большом рабочем зазоре. Важным пара метром механизма является коэффициент возврата kВ = Uотн/Uср. Для контакторов постоянного тока kВ, как правило, мал (0,2—0,3), что не позволяет исполь зовать контактор для защиты двигателя от снижения на пряжения.
Наибольшее напряжение на катушке не должно пре вышать 110% Uн, так как при большем напряжении уве личивается износ из-за усиления ударов якоря, а темпе ратура обмотки может превысить допустимую величину.
Следует отметить, что с целью уменьшения м. д. с. об мотки, а, следовательно, и потребляемой ею мощности рабочий ход якоря выбирается небольшим (8—10) 10-3м. В связи с тем, что для надежного гашения дуги при ма лых токах требуется раствор контактов (17—20)10-3 м, расстояние точки касания подвижного контакта от оси вращения подвижной системы берется в 1,5—2 раза боль ше, чем расстояние от оси полюса до оси вращения.
3.3. Особенности устройства и работы контактора переменного тока.
Коммутирующее устройство. Контакторы перемен ного тока выпускаются на токи от 100 до 630 А. Число главных контактов колеблется от одного до пяти. Это отражается на конструкции всего аппарата в целом. Наи более широко распространены контакторы трехполюсно го исполнения. Наличие большого числа контактов при водит к увеличению усилия и соответственно момента, необходимых для включения аппарата.
На рис.3.8, а представлен разрез контактора КТ-6000 по магнитной системе, а на рис.8, б — по контактной и дугогасительной системам одного полюса. Подвижный контакт 1 с пружиной 2 укреплен на изоляционном рыча ге 3, связанном с валом контактора. Вследствие более легкого гашения дуги переменного тока раствор контак тов может быть взят небольшим. Уменьшение раствора дает возможность приблизить контакт к оси вращения. Малое расстояние точки касания контактов от оси вра щения позволяет уменьшить силу электромагнита, необ ходимую для включения контактора, что дает возмож ность уменьшить габариты и потребляемую мощность магнита.
Подвижный контакт 1 и якорь 4 электромагнита связаны между собой через вал контактора. В отличие от контакторов постоянного то ка подвижный контакт в кон такторе КТ-6000 не имеет пере катывания. Отключение аппа рата происходит под действи ем контактных пружин и сил веса подвижных частей.
Рис.3.8. Контактор переменного тока серии КТ-6000.
Магнитная и контактная системы контактора КТ-6000 укреплены на стальной рейке 5, что позволяет использовать их в реечной конструкции ком плектных станций управления.
Широкое распространение получила мостиковая контакт ная система с двумя разрыва-
ми на каждый полюс (рис.9). Такая конструкция распространена в пускателях. Быстрое гашение дуги, отсутствие гибкой связи являются большим преимущест вом такой конструкции.
Применяется как прямоходовая система (рис.3.13), так и с вращением якоря (рис.3.9). В первом случае якорь движется поступательно. Подвижные контакты свя заны с якорем и совершают тот же путь, что и якорь. При передаче усилия контактных пружин к якорю из-за от сутствия рычажной
системы нет выигрыша в силе. Элек тромагнит должен развивать усилие большее, чем сумма сил контактных пружин и веса якоря (в контакторах с вертикальной установкой).
Рис.3.9. Контактор пускателя серии ПА.
В большинстве выполненных по этой схеме контак торов наблюдается медленное нарастание силы контакт ного нажатия, из-за чего имеет место длительная вибра ция контактов (до 10 мс). В результате происходит силь ный износ контактов при включении. Поэтому такая кон струкция применяется только при небольших номиналь ных токах. Более совершенным является контактор, который имеет мостиковую систему и рычажную пере дачу усилий от контактов к якорю электромагнита. Разрез такого контактора на ток 60 А показан на рис.9. Каждый полюс имеет два неподвижных кон такта 1 и один мостиковый контакт 2. Места касания контактов облицованы металлокерамическим материалом (серебро—окись кадмия). Нажатие контактов соз дается пружиной 3. Контактный мост имеет малую массу и выполнен самоустанавливающимся.
Расстояние от оси вращения до места расположения контактов в 2,5 раза меньше, чем расстояние от оси вра щения до точки крепления якоря 4. Такая кинематика позволяет увеличить силу нажатия при данных габаритах электромагнита. Близкое расположение контактов к оси вращения снижает скорость движения контактов. Малая масса моста, низкая скорость в момент касания, большая сила нажатия способствуют резкому снижению вибрации (она длится всего 0,3 мс). При этом коммутационная из носостойкость возрастает до 2*106 операций включения и отключения.
В высокочастотных контакторах (500—10000 Гц) су щественно возрастают потери в токоведущих частях из-за эффекта близости и поверхностного эффекта. Для эффек тивного отвода тепла целесообразно использование водя ного охлаждения.
Гашение дуги в контакторах переменного тока. На рис.3.10 изображены экспериментальные зависи мости раствора контактов, необходимого для гашения ду ги, от величины тока цепи. Коэффициент мощности цепи cos меняется в пределах от 0,2 до 1. Контактор имеет один разрыв на полюс и не снабжен никаким дугогасительным устройством.
Рис.3.10. Зависимость раствора контактов, обеспечивающего гашение дуги, от величины тока при различных условиях.
В случае активной нагрузки (cos=1) гашение дуги происходит при растворе контактов примерно 0,5*10-3м при любом токе и любом напряжении (до 500В), кривая 3 рис.10.
При индуктивной нагрузке (cos=0,2-0,5) такое же гашение имеет место при напряжении до 220В. Это объясняется тем, что гашение дуги происходит за счет практически мгновенного восстановления электрической прочности 200-220В около катода.
При напряжении источника питания, не превышаю щем 220В, для гашения дуги необходим всего один раз рыв на полюс. Никаких дугогасительных устройств не нужно.
Если в цепи полюса аппарата создавать два разрыва, например, за счет применения мостикового контакта, то дуга надежно гасится за счет околоэлектродной прочно сти при напряжении сети 380 В. На основании этих дан ных в настоящее время широко применяются контакторы с двукратным разрывом цепи в одном полюсе. При ин дуктивной нагрузке (cos =0,2—0,5) и напряжении ис точника свыше 380В величина восстанавливающегося напряжения становится больше околокатодной прочно сти. Кривые 1 и 2 рис.10 аналогичны кривым рис.4, полученным для постоянного тока. В области до 40—50 А гашение происходит за счет механического растяжения дуги. Максимальный раствор, требуемый для гашения, составляет 7*10-3 м. При токах более 50 А необходимый раствор уменьшается. Гашение происходит за счет дей ствия на дугу электродинамических сил. При токе более 200А гашение происходит при растворе менее 10-3 м. Таким образом, наиболее тяжелой для гашения является величина тока 40—50 А. Исследования показали, что увеличение раствора сверх 8*10-3 м не влияет на процесс гашения дуги.
Для эффективного гашения дуги, уменьшения износа контактов могут быть использованы следующие системы:
1. Магнитное гашение дуги с помощью катушки тока
и дугогасительной камеры с продольной или лабиринт ной щелью (рис.6).
2. Дугогасительная камера с деионной решеткой из стальных пластин.
В системе магнитного дутья с катушкой тока сила, действующая на дугу, пропорциональна квадрату тока. Поэтому и при переменном токе на дугу действует сила, неизменная по направлению. Сила пульсирует с двойной частотой во времени (так же, как электродинамическая сила, действующая на проводник). Средняя сила получа ется такой же, как и при постоянном токе, при условии, что постоянный ток равен действующему значению пере менного тока. Указанные соотношения справедливы, ког да потери в магнитной системе катушки дутья отсутству ют, и поток по фазе совпадает с током. Несмотря на эф фективную работу этого устройства, в настоящее время оно применяется только в контакторах, работающих в тяжелом режиме (число включений в час более 600).
Недостатками этого метода гашения являются: уве личение потерь в контакторе из-за потерь в стали маг нитной системы дугогашения, что ведет к повышению температуры контактов, расположенных вблизи дугогасительного устройства, и возможность возникновения больших перенапряжений из-за принудительного обры ва тока (до естественного нуля).
Значительное увеличение электрической износостойко сти контактов (до 15*106) можно получить, шунтируя контакты тиристорами.
Применение для гашения катушки напряжения на переменном токе исключается из-за того, что сила, дейст вующая на дугу, меняет свой знак, так как поток, созда ваемый магнитной системой дугогашения, сдвинут по фа зе относительно отключаемого тока. Если ток и поток имеют один знак, сила положительна, если же ток и по ток имеют разные знаки, то сила отрицательна.
Довольно широкое распространение получила дугогасительная камера с деионной решеткой из стальных пла стин. Принципиальная схема дугогасительного устройства дана на рис.3.11, б. Дуга 1, возникающая после расхождения контактов, втя гивается в клиновидный паз параллельно расположенных стальных пластин 2. В верхней части дуга пересекается пластинами и разбивается на ряд коротких дуг 3. При вхождении дуги в решетку возникают силы, тормозящие движение дуги. Для уменьшения этих сил дуга, смещенная относительно середины ре шетки, вначале пересекает пластины с нечетными номе рами, а потом уже с четными (рис. 3.11,6). После того как дуга втянется в решетку и разобьется на ряд ко ротких дуг, в цепи возникает дополнительное падение напряжения А на каждой паре электродов. Это падение напряжения составляет 20—30 В. Из-за наличия этого падения напряжения ток в цепи пройдет через нуль ра нее своего естественного нулевого значения. При этом уменьшается восстанавливающееся напряжение промыш ленной частоты, а, следовательно, и пик восстанавлива ющегося напряжения (рис.3.11,а).
Рис.3.11. Процесс гашения дуги в деионной решётке.
Для того чтобы пластины решетки не подвергались коррозии, они покрываются тонким слоем меди или цин ка. Несмотря на быстрое гашение дуги, при частых вклю чениях и отключениях происходит нагрев пластин до очень высокой температуры. Возможно даже прогорание пластин. В связи с этим число включений и отключений в час у контакторов с деионной решеткой не превышает 600 (контактор КТ-7000).
В новых контакторах, применяемых в пускателях се рии ПА, применяется двукратный разрыв на каждый по люс (рис.3.9). Для того чтобы уменьшить оплавление контактов, они охвачены стальной скобой. При образо вании дуги на нее действует электродинамическая сила втягивания дуги в эту скобу. Движению опорных точек дуги по контакту помогают также электродинамические силы, возникающие за счет взаимодействия дуги с током в подводящих проводниках и арматуре контактов. Здесь, так же как и в решетке для гашения дуги, используется околокатодная прочность, возникающая после прохода тока через нуль. Два разрыва и магнитное дутье за счет стальной скобы и поля подводящих проводников обеспе чивают надежную работу при напряжении до 500 В. Кон тактор на номинальный ток 60 А отключает десятикрат ный ток короткого замыкания при напряжении 450 В и cos =0,3.
Электромагнитный механизм контактора перемен ного тока. Для привода контактов широкое распростране ние получили электромагниты с Ш-образным и П-образным сердечниками.
Магнитопровод состоит из двух одинаковых частей, одна из которых укреплена неподвижно, другая связана через рычаги с контактной системой. В электромагнитах старой конструкции для устранения залипания якоря между средними полюсами Ш-образной системы делался зазор. При включении удар приходился на крайние по люсы, что приводило к их заметному расклепыванию. В случае перекоса якоря на рычаге возможно разруше ние поверхности полюса сердечника острыми кромками якоря. В современных контакторах (серии ПА) для устранения залипания в цепь введена магнитная про кладка. Во включенном положении все три зазора равны нулю. Это позволяет уменьшить износ по люсов, так как удар приходится на все три полюса. В современных контакторах для уменьшения удара неподвижный сердечник амортизирован с помощью цилин дрических пружин, что улучшает условия работы и контактной системы, поскольку при включении не возникает вибрации основания контактора.
С целью устранения вибрации якоря во включенном положении на полюсах магнитной системы устанавлива ются короткозамкнутые витки. Действие короткозамкнутого витка наиболее эффективно при малом воздушном зазоре. Поэтому для плотного при легания полюсов их поверхность должна шлифоваться. Хорошие результаты по уменьшению вибрации электро магнита достигнуты в контакторе типа ПА, где за счет эластичного крепления сердечника возможна самоуста новка якоря относительно сердечника, при которой воз душный зазор получается минимальным.
Известно, что из-за изменения индуктивного сопро тивления катушки ток в притянутом состоянии якоря зна чительно меньше, чем в отпущенном состоянии. В среднем можно считать, что пусковой ток равен десяти кратному току притянутого состояния, но для больших контакторов может достигать значения, равного 15-крат ному от тока в замкнутом состоянии. В связи с большим пусковым током ни в коем случае недопустима подача напряжения на катушку, если якорь по каким-либо при чинам удерживается в положении «отключено». Катушки большинства контакторов рассчитаны таким образом, что допускают до 600 включений в час при ПВ==40%.
В особо тяжелых условиях работают электромагниты контакторов при пяти-полюсном исполнении. Для того чтобы обеспечить нормальную работу пяти контактных пар, электромагнит имеет форсировку. Такой контактор может работать только в повторно-кратковременном ре жиме (контакторы старых серий КТ и КТЭ). Современ ные контакторы КТ-6000 и КТ-7000 могут работать в лю бом режиме (ГОСТ 11206-70).
Электромагниты контакторов переменного тока могут также питаться от сети постоянного тока. В этом случае на контакторах устанавливается специальная катушка, которая работает с форсировочным сопротивлением. Форсировочное сопротивление шунтировано размыкающим блок-контактом контактора или более мощными контак тами другого аппарата.
Параметры катушек и величины форсировочных со противлений приведены в каталогах. При уменьшении зазора тяговая характеристика элек тромагнита переменного тока поднимается менее круто, чем в электромагните постоянного тока. Благо даря этому тяговая характеристика электромагнита бо лее близко подходит к противодействующей. В результа те напряжение отпускания близко к напряжению сраба тывания.
Относительно высокий коэффициент возврата (0,6—0,7) дает возможность осуществить защиту двигателя от падения напряжения. При понижении напряжения до (0,6—0,7) Uн, происходит отпадание якоря и отключение двигателя.
Электромагниты контакторов обеспечивают надежную работу в диапазоне колебания питающего напряжения 85—110% Uн. Поскольку катушка контактора питается через замыкающий блок-контакт, то включение контак тора не происходит самостоятельно после подъема напря жения до номинального значения. Так же как и контакторы постоянного тока, контакто ры переменного тока имеют блок-контакты, которые при водятся в действие тем же электромагнитом, что и глав ные контакты.
В схемах автоматики часто возникает необходимость иметь контакторы с «памятью». После снятия напряже ния с электромагнита якорь остается в притянутом состо янии. Такой принцип осуществлен в контакторе залипания КМЗ. Магнитопровод собран из стали мар ки 40Х, в замкнутом состоянии магнитной системы не магнитный зазор отсутствует, катушка имеет две секции. Схема включения показана на рис.3.12.
Рис.3.12.Схема включения обмоток контактора с залипанием серии КМЗ.
При подаче переменного напряжения на вводы 1—2 обмотка 2 питается постоянным током. После притяже ния якоря блок-контакт 3 размыкается, но по обмотке 2 продолжает протекать ток через диод Д и конденса тор С до тех пор, пока конденсатор не зарядится до опре деленного напряжения. Ток конденсатора и длительность протекания выбраны такими, что обеспечивается надеж ное залипание якоря после снятия напряжения. Якорь удерживается в притянутом состоянии за счет остаточной индукции. Для отключения напряжение подается на вводы 2 и 4. Обмотка 1 размагничивает сердечник, якорь отпадает. При замыкании контакта 3 конденсатор С разря жается на резистор Rр. Блок-контакт 5 размы кает цепь размагничи вания в положении от ключено. Контактор подготавливается для следующего включе ния. Допустимая ча стота включений в час 150.
Большим достоин ством контактора с залипанием является от сутствие потребления мощности в притянутом состоянии.
Назначение и классификация электрических аппаратов.
Ряд напряжений: 6,10,35, 110, 220, 330, 500, 750, 1150 кВ.
1. Коммутационные аппараты: ВВ, выключатели нагрузки, разъединители, короткозамыкатели, отделители.
2. Измерительные: трансформаторы тока (ТТ), тр-ры напряжения (ТН)
3. Ограничивающие аппараты:
а) тока (предохранители, реакторы)
б) напряжения (разрядники, нелинейные ограничители перенапряжения).
Коммутационные аппараты.
Используются для формирования необходимых схем выдачи мощности от ЭС.
Воздушные выключатели используются для коммутации напряжений от 6 кВ до 1150 кВ.
Элегазовые выключатели — используется шестифтористая сера недостаток — используется для напряжения до 500 кВ.
Магнитные выключатели — дуга выталкивается магнитным потоком.
Вакуумные выключатели — дуга разрывается до первого перехода через ноль.
Выключатели нагрузки — для выключения больших токов (20 - 30 кА) устанавливаются после генераторов, выключают токи после отключения нагрузки на высокой стороне.
Разъединители отключают обесточенные цепи.
Отделитель — разъединитель с быстродействующим приводом.
Короткозамыкатели служат для создания к. з. в цепи высокого напряжения.
Воздушные выключатели.
Очень большой диапазон напряжений (6 - 1150 кВ).
По назначению делятся:
1. Сетевые (от 6 кВ)
2. Генераторные (6 - 24 кВ)
3. Выключатели на напряжение от 6 до 220 кВ используются для электротермических установок. Эти выключатели имеют более простое строение в связи с меньшими термическими нагрузками.
Деление выключателей по виду установки:
1. Опорные — основная изоляция относительно земли опорного типа.
2. Подвесные — на портальных устройствах.
3. Выкатные — в ячейках КРУ.
4. Встроенные — в комплектно-распределительных устройствах (КРУ).
Характеристики:
1.Номинальное напряжение и номинальное рабочее напряжение — выбираются из числа стандартных значений.
2. Номинальный уровень изоляции — определяется уровнем испытательного напряжения.
3. Номинальный ток — действующее значение наибольшего тока, допустимого по нагреву токоведущих частей.
4. Ток отключения — такой, который выключатель может выдержать кратковременно (время отключения 1-2 секунды - до 220 кВ, 1-3 секунды - свыше 330 кВ).
5. Ударный ток.
iудар.= iп.+ iа=2,55∙I0 ном.
iп=∙ I0 ном.
ia=0.8∙∙ I0 ном.
Апериодическая составляющая
проявляется при КЗ и перегрузках и
определяется параметрами ЛЭП.
Ударный ток — до 3 токов отключения.
Ток включения — очень важная характеристика при включении выключателя между ними вначале возникает дуга, и при сближении контактов напряженность в межконтактном промежутке растет, что может вызвать сваривание контактов при их смыкании, это учитывается при проектировании выключателей.
Принципиальные схемы воздушных выключателей
Переходное восстанавливающееся напряжение — важная характеристика выключателя.
(dU/dt)=I0ω χb
I0 – ток отключения;
ω – частота;
χb – волновое сопротивление.
Нормированное значение для волнового сопротивления для ЛЭП — 450 Ом.
1. Для малых мощностей и напряжений, т.к. расстояние от места подачи сжатого воздуха очень велико (9 м), и поэтому за время подачи воздуха конструкции могут обгореть.
2. Сжатый воздух располагается ближе к дуге (выключатель более быстродействующий), поэтому расчетные мощность и напряжение несколько выше (но не намного, т.к. давление воздуха на дугу невелико — фарфоровая изоляция выдерживает до двух атмосфер).
3. Корпус стальной. Создаваемое давление воздуха — до семи атмосфер. Большее давление не могут выдержать стыки фарфоровой изоляции. Контакты размыкаются в среде сжатого воздуха.
4. Полимерная изоляция. Эти выключатели предназначены для ЛЭП с очень высоким уровнем напряжения — 1150 кВ, но на каждом выключателе уровень напряжения меньший, т.к. применяется последовательное соединение из 5-7 выключателей.
Фазы расщепляют, чтобы напряженность поля проводника была более равномерной.
Если КЗ вблизи выключателя, то нарастание тока очень велико и ограничивается индуктивностями цепей питания.
Ширина между проводами и dпр имеют место (учитываются) при волновом сопротивлении.
Емкость линии задерживает появление дуги при КЗ.
Дугогасительные устройства высоковольтных воздушных выключателей.
Наиболее применимы системы продольного воздушного дутья.
Одностороннее продольное дутье. Важно соотношение между S поперечного сечения канала и расходом воздуха. Давление и количество воздуха связаны: чем больше сечение дугогасительного устройства, тем меньше эффективность дутья, но чем меньше сечение, тем лучше условия для горения дуги. Наиболее эффективная площадь сопла :
Sc=EэфlэфI/PудРс
Е — эффективная напряженность поля в сечении.
L — эффективная длина дуги.
Руд — максимальная удельная мощность, отводимая через единицу площади сечения горловины сопла, отнесенная к давлению в горловине сопла.
Рс — давление воздуха в сопле.
Это более эффективная, но сложная в
исполнении система. Давление для конструкции
фиксировано - 4 атм. Площадь необходимо
уменьшать для повышения эффективности.
За счет создания переменного давления увеличивается эффективность гашения дуги. Отключающая способность дугогасительного устройства с продольным газовым дутьем может быть характеризована зависимостью предельной скорости восстановления напряжения от давления газа в сопле и скоростью подхода газа к нулю.
По этим зависимостям характеризуется
отключающие способности выключателей.
1.Характеристика отключающей способности выключателя от давления.
2.Скорость восстановления напряжения при отключении неудаленного КЗ без шунтирующих резисторов.
3.Скорость восстановления напряжения при отключении неудаленного КЗ с шунтирующими резисторами. Чем меньше сопротивление шунтирующего резистора тем эффективнее его действие.
Полная схема разрыва одного выключателя
с шунтирующим резистором.
Rн ГК — главные контакты ОТД — отделитель.
Индуктивность защищает резисторы от разрушения. Контакты покрывают специальным составом, изолирующим их от кислорода. Сопротивления подбираются для больших нагрузок.
ВК — вспомогательные контакты.
Шр — шунтирующие резисторы.
ИП — искровой промежуток.
0,04 - 0,07с — время протекания тока через Шр.
После размыкания ГК ток начинает течь через контур Шр - ВК и уменьшается из-за сопротивления Шр. Поэтому через контур Шр - ИП (после размыкания ВК) течет уже меньший ток, еще уменьшаясь из-за еще одного резистора и ИП. Поэтому к ОТД подходит уменьшенный по значению ток, который легко разрывается ОТД, и дуга от этого тока уже менее опасна.
Шунтирующие резисторы:
1 группа — ограничение скорости восстановления напряжения на контактах ВВ в нормальном режиме и при отключении токов КЗ.
2 группа — ограничение коммутационных перенапряжений, вызванных отключением ненагруженных транзисторов.
3 группа — ограничение коммутационных перенапряжений, вызванных включением ненагруженных транзисторов.
4 группа — для выравнивания распределительного напряжения по разрывам выключателя. Сопротивление резистора 1-100 ОМ.
Изоляция выключателей высокого напряжения.
Все воздуховоды сейчас изготавливают из полимерных труб, стекловолокна. Сверху трубы накрывают специальными покрышками. Давление сжатого воздуха 3-4 МПа.
Фарфор слаб в механическом отношении. Используют фторопласт.
|
Uном, кВ |
Uраб. max, кВ |
Испытательное напряжение |
|||||
|
Промышленная частота |
Грозовой импульс |
||||||
|
Относительно земли |
Между контактами |
Относительно земли |
Между контактами |
||||
|
Выключателя |
Разъединителя |
Выключателя |
Разъединителя |
||||
|
10 35 110 220 |
12 40,5 126 252 |
45 105 280 520 |
45 105 280 520 |
53 130 355 675 |
75 185 460 900 |
75 185 460 900 |
90 220 570 1100 |
Грозовые разряды: 90% между облаками и 10% между облаком и землей. Около 20000 человек в год погибают от молнии. Мачта ЛЭП — электрод, и в непосредственной близости от нее велика напряженность поля.
Эквивалентная схема гирлянды изоляторов.
Из-за делителя напряжения напряжение
на изоляторах неодинаково.
Грозовой разряд — импульсное напряжение.
Промышленная частота — синусоидальная форма, а грозовой разряд — импульс прямоугольной формы, велико, и напряжение между изоляторами распределяется по-другому.
При промышленной частоте на контактах амплитуда напряжения может быть max, а также может быть такой сдвиг фаз. Сдвиг фаз может удвоить напряжение.
Зарядная емкость линии может сдвинуть вектор напряжения на 180 градусов.
Чем выше напряжение ЛЭП, тем выше напряженность поля, тем больше разность потенциалов, тем больше вероятность попадания грозового разряда.
Классы поверхностной проводимости изоляторов.
Класс А 5 мкСм
Класс Б 10 мкСм
Класс В 20 мкСм
Скорость подачи напряжения промышленной частоты 2-3 сек. Для 330 кВ и выше перенапряжение имитируется апериодическим импульсом с крутизной ската переднего фронта 250-500 мкс.
Тип изолятора определяется видом конструкции, материалом защитной оболочки и классом.
Класс изолятора соответствует: числитель — значению нормированной разрушающей механической силы при растяжении в килоньютонах; знаменатель — значению номинального напряжения линий электропередачи в киловольтах, и выбирается из ряда: 70/35, 70/110, 70/150, 70/220, 70/330, 120/110, 120/150, 120/220, 120/330, 160/220, 160/330, 160/500, 300/330, 300/500, 400/500, 600/330.
Условное обозначение изолятора состоит из букв и цифр, которые означают:
Л — вид конструкции изолятора: стержневой подвесной линейный;
К, Э и т. д. — материал защитной оболочки: кремнийорганическая резина, этиленпропиленовая резина и т. д.;
70/110, 70/220 ... — класс изолятора;
А, Б и т. д. — индекс модификации изолятора;
I—VII — район применения изоляторов по степени загрязненности атмосферы.
Пример условного обозначения линейного стержневого подвесного изолятора с защитной оболочкой изоляционной части из кремнийорганической резины класса 70/110, модификации А, для III степени загрязненности атмосферы:
ЛК 70/110—AIII ТУ. . . (обозначение технических условий)
При различных состояниях окружающей среды образуются слои загрязнений разной интенсивности, которые подразделяются на классы и характеризуются удельной длиной пути утечки в расчете на напряжение, равное одному киловольту:
Это значит, что в конкретной местности класс загрязняющего слоя изоляторов определяет удельную длину пути утечки, равную отношению общей длины проводящей дорожки на поверхности изолятора к максимальному рабочему напряжению.
Характер и класс слоя загрязнений фарфоровых изоляторов в системе тягового электроснабжения зависит не только от удельного расстояния утечки, но также и от формы изолятора (размеров ребер, их формы и угла наклона по отношению к горизонтали).
Сейчас найдены новые технические решения для фарфоровых изоляторов, которые покрывают гидрофобным слоем. Они могут работать в зонах с высоким уровнем загрязнений и имеют более простую в изготовлении форму.
Влияние гидрофобии поверхности изоляторов на интенсивность перекрытий при загрязнении
В эксплуатации проводимость на поверхности изоляторов возникает при наличии влаги, в которой могут быть растворены различные вещества. Когда глазурованная поверхность фарфоровых изоляторов теряет водоотталкивающие свойства, на ней создаются условия для возникновения пятен водяной пленки большой площади. На первом этапе слабые электролитические свойства могут значительно усилиться и привести к отказу изолятора, вызванному перекрытием при рабочем напряжении.
Наличие слоя загрязнений той или иной степени еще не определяет электрической прочности изоляторов. Окончательный вывод можно сделать лишь в том случае, если известна величина тока утечки по поверхности.
Изоляторы новых конструкций не должны допускаться к серийному производству без проверки специализированными лабораториями поведения загрязняющего слоя в среде солевого аэрозоля.
На рис. 1 показана зависимость тока утечки изоляторов с одинаковым изолирующим расстоянием от их формы и материала при равных действующих напряжениях и различной степени загрязнения.
|
Рис. 1. Зависимость тока утечки (Ih) изоляторов разных типов |
Из рисунка видно, что характеристика силиконового изолятора в большой степени отличается от характеристик фарфоровых. На нем даже при сильных загрязнениях не наблюдается характерного для фарфоровых изоляторов увеличения поверхностной проводимости. Лишь при достижении очень большого загрязнения сразу происходит перекрытие без предварительного нарастания проводимости. Это объясняется гидрофобными свойствами силикона, из которого изготовлен изолятор.
Гидрофобия препятствует образованию пятен водяной пленки больших размеров. Для гидрофобных поверхностей типично образование мелких водяных капель, промежутки между которыми остаются сухими и препятствуют образованию тока утечки даже при значительных загрязнениях. Для фарфоровых изоляторов такая характеристика недостижима в силу высокой смачиваемости их поверхности и образования проводящих дорожек большой длины.
В эксплуатации с определенной периодичностью проводятся работы по очистке поверхностей фарфоровых изоляторов от загрязнений с последующим нанесением силиконовой пасты. Эта операция выполняется при остановке движения на линии и отключении напряжения. При этом требуются большие затраты рабочей силы. В США в качестве альтернативы разработан метод гидрофобизации, заключающийся в нанесении на поверхность фарфорового изолятора тонкого слоя силиконового каучука. Этот же метод в порядке эксперимента применен в Германии, а также на Атлантическом побережье. Совместный проект был начат в 1992 г. компаниями VEW Dortmund, Siemens Redwitz и Wacker-Chemie Burghausen. Результаты исследований, выполненных в рамках проекта, приведены на рис. 2. Из него видно, какой резерв изолирующей способности обеспечивают изоляторы с пленкой из силиконового каучука по сравнению с обычными фарфоровыми изоляторами, особенно в области высокой проводимости загрязняющего слоя. Причиной сохранения высокой изолирующей способности изоляторов даже при сильном общем загрязнении является остаточная гидрофобия нижних, менее загрязненных поверхностей ребер, также защищенных силиконовым каучуком.
|
Рис. 2. Характеристики перекрытия штыревых изоляторов: u — приведенная величина напряжения перекрытия; k — удельная проводимость слоя загрязнений; |
В эксплуатации широкое применение этого метода потребовало бы слишком больших затрат времени, а также финансовых средств из-за высокой стоимости силиконового каучука. В связи с этим метод применяется лишь в тех случаях, когда суммарные затраты на ручную очистку изоляторов и возмещение убытков от задержки поездов оказываются еще выше.
Новые материалы покрытий
и методы их нанесения
Гидроксильные группы (ионы OH–), образующиеся на силикатных поверхностях в результате гидролиза соединений типа Si — O — Si, в значительной степени способствуют дополнительной адсорбции молекул воды за счет водородных связей. В результате этого на рассматриваемой поверхности образуется многослойная оболочка из молекул воды, которая находится в равновесии с давлением водяных паров, присутствующих в воздухе. В связи с этим чистая силикатная поверхность приобретает высокую смачиваемость.
Подобные гидрофильные поверхности обладают высокой поверхностной энергией, обусловленной большой долей поляризованных молекулярных цепочек. Для того чтобы гидрофильное состояние поверхности превратить в гидрофобное, необходимо заменить находящиеся на ней поляризованные молекулярные цепочки неполяризованными (рис. 3).
|
Рис. 3. Схематически представленная поверхность стекла с загрязнениями |
Поверхность изолятора, покрытая слоем неполяризованных молекулярных групп, имеет низкую поверхностную энергию, в результате чего изолятор приобретает гидрофобные свойства. Водяные капли сжимаются, и поверхность изолятора теряет смачиваемость. Это приводит к тому, что на ней уже не могут образовываться пятна водяной пленки большой площади.
Применение технических методов нанесения покрытий на стеклянные и другие силикатные поверхности приобретает большое практическое значение. В настоящее время разработаны самые разнообразные системы покрытий. Изучается возможность применения для гидрофобизации поверхности высоковольтных силикатных изоляторов следующих методов:
Целью применяемых и исследуемых способов является лишение силикатных поверхностей гидрофильных свойств путем нанесения на неорганический материал фарфор органических соединений. В результате этого структура поверхности изменяется таким образом, что на ней перестают задерживаться молекулы воды. Различия применяемых методов состоят лишь в технологии нанесения покрытий и механизме формирования защитного слоя.
Прозрачный лак Ormocer наносят на ребра изолятора распылением, как при покраске автомобиля. После этого необходима термообработка покрытия при температуре 160 °C в течение 2 ч, в результате которой лак твердеет.
При плазменном нанесении покрытия происходит осаждение на поверхность изолятора гидрофобного полимера, находящегося в состоянии плазмы. В плазменном реакторе, разработанном в одном из институтов научного общества Fraunhofer Gesellschaft, можно обрабатывать изоляторы длиной до 1,3 м, а также изоляторы контактной сети на рабочее напряжение 25 кВ.
Покрытие изоляторов фторалкилсиланами обеспечивает надежную гидрофобизацию их поверхности, при этом реализуется химическая связь между слоем покрытия и неорганической основой.
Компания Villeroy & Boch известна на рынке как поставщик керамики и санитарно-технических изделий, имеющих водо- и грязеотталкивающие покрытия. Компания Siemens предложила Villeroy & Boch нанести с помощью своего оборудования и по своим технологиям покрытия на высоковольтные изоляторы для установок напряжением 110 кВ и устройств тягового электроснабжения. Предусматривались также испытания покрытий компании Villeroy & Boch и сравнение их с другими гидрофобизирующими средствами.
В ходе испытаний было принято решение нанести фирменные покрытия также на образцы из различных материалов, изоляторы для тягового электроснабжения, изготовленные из фарфора (глазурованного и неглазурованного) и литьевой синтетической смолы. Оценка гидрофобных свойств покрытий производилась путем измерения краевого угла капель жидкости на их поверхности. Кроме того, ряд образцов был подвергнут различным длительным испытаниям для исследования влияния на свойства покрытий продолжительных атмосферных воздействий и определения долговечности таких покрытий.
Исследование качества
и долговечности покрытий
После нанесения покрытий на образцы проводятся исследования изменившихся свойств поверхностей. Применяются следующие стандартные испытания:
По результатам этих исследований оценивают долговечность гидрофобных покрытий и прогнозируют их поведение в эксплуатации. Изменение гидрофильного поведения поверхностей на гидрофобное при всех видах и методах нанесения покрытий должно выражаться в увеличении статического краевого угла капель жидкости до значений, превышающих 90°. Если на глазурованных поверхностях нанесенное покрытие лишь незначительно увеличивает краевой угол, то на неглазурованных (более шероховатых) покрытие увеличивает угол до 130°, т. е. значительно повышает гидрофобные свойства.
Кипячение образцов в течение 5 ч показало, что покрытия на базе лаков Ormocer теряют гидрофобные свойства. Фторалкилсиланы и плазмополимеры после кипячения приобретают повышенную водостойкость, краевой угол при этом увеличивается. Вероятно, при термообработке в воде улучшается мостикообразование поляризованных молекулярных групп внутри слоя покрытия.
Тест на длительное воздействие атмосферных факторов показал, что после выдержки образцов в течение 12 мес не было выявлено фактов ухудшения гидрофобии покрытий. Наоборот, увеличенный краевой угол покрытий, нанесенных на неглазурованные поверхности, после 10 мес воздействия атмосферных факторов стал еще больше.
Поведение слоя загрязнений
на гидрофобизированных изоляторах
Фарфоровые изоляторы
В рамках обширной программы исследований было изучено поведение слоев загрязнения на изоляторах с гидрофобизирующими покрытиями и без них. В соответствии со стандартом DIN EN 60507 проведены испытания на воздействие солевой аэрозольной среды. Кроме того, изоляторы на напряжение 123 кВ подвергали мокроразрядным испытаниям с помощью дождевальной установки по стандарту IEC 60060-1.
|
Результаты испытаний изоляторов |
||||
|
Изолятор |
Покрытие |
Испытательное напряжение, кВ |
Удельная длина пути утечки, мм/кВ |
Максимальная концентрация соли, кг/м3 |
|
Глазурованные |
||||
|
А |
Без покрытия |
15 |
18,9 |
56 |
|
D |
71 |
24,2 |
80 |
|
|
E |
Фторалкилсилан |
16,9 |
56 |
|
|
Плазмополимер |
57 |
21 |
40 |
|
|
Фторалкилсилан |
224 |
|||
|
Villeroy & Boch |
80 |
|||
|
D |
81 |
21,2 |
224 |
|
|
Неглазурованные |
||||
|
А |
Фторалкилсилан |
15 |
18,9 |
112 |
На следующем этапе испытаний концентрацию соли в аэрозольной среде ступенями с интервалом времени 1 сут увеличивали от минимальных значений до величин, при которых происходило перекрытие изолятора (концентрация перекрытия). Это в определенной степени соответствовало реальному процессу в эксплуатации, когда загрязняющий слой постепенно растет, достигая критической величины. В таблице приведены результаты этой серии опытов. Из них видно, что гидрофобизированные поверхности имеют значительно лучшие характеристики:
Для штыревого изолятора на напряжение 123 кВ наилучшие результаты, оцениваемые по увеличению концентрации перекрытия, дала гидрофобизация фторалкилсиланами.
При исследовании поверхностей гидрофобизированных изоляторов после перекрытия в зоне образования дуги были обнаружены гидрофильные участки поверхности с водяной пленкой. Они образовались в результате необратимого местного повреждения электрической дугой гидрофобного покрытия. Тем не менее остаточная гидрофобия изолятора обеспечивала достаточно высокую электрическую прочность.
Изоляторы из литьевой смолы
В рамках исследовательской программы проводились испытания двух штыревых изоляторов на рабочее напряжение 15 кВ, изготовленных из недавно разработанной синтетической литьевой смолы. Этот материал сам обладает гидрофобией, которая в случае ухудшения может восстанавливаться. Один из опытных изоляторов предварительно был подвергнут одностороннему ультрафиолетовому облучению в течение 1000 ч. Это несколько ухудшило его гидрофобию, что выразилось в снижении концентрации перекрытия до 160 кг/м3 (у второго изолятора она составила 224 кг/м3). При осмотре обоих изоляторов не было обнаружено признаков дальнейшего ухудшения гидрофобии. В ходе испытаний токов утечки не наблюдалось.
Дальнейшие исследования изоляторов этого типа показали, что после воздействия на их поверхность в течение нескольких минут токов утечки с амплитудой до 1900 мА происходит местная потеря гидрофобии, которая, однако, через 144 ч частично восстанавливается.
После длительной выдержки (90 мин) в среде концентрированного солевого аэрозоля с протеканием тока перекрытия амплитудой 2000 мА на поверхности изоляторов образовались большие гидрофильные пятна, которые не восстановились через 144 ч. Этот эксперимент проводили лишь для определения границ возможной регенерации гидрофобии. В условиях эксплуатации воздействие таких нагрузок на изоляторы исключено.По окончании испытаний на поверхности изоляторов не было обнаружено следов эрозии или иных повреждений.
Элегазовые высоковольтные выключатели.
Дугогасящая среда — элегаз. Рабочий объем изолирован от окружающей среды. Две ступени давления газа (при низком давлении элегаз создает изоляцию между токоведущими частями, а при высоком — дугогашение). Система продольного дутья — предварительно сжатый газ поступает в зону дугогашения. Автокомпрессионное дутье в элегазе осуществляется с помощью встроенного в выключатель автокомпрессионного устройства.
Электромагнитное дутье в элегазе осуществляется путем вращения дуги электромагнитным полем под действием отключаемого тока.
Система с продольным дутьем, в которой повышение давления создается за счет разогрева газа дугой, вращающейся в специальной камере.
Радиальное дугогасящее устройство элегазового выключателя.
Катушки включаются в цепь тока. Ток в дуге есть в момент дугогашения (т.е. когда есть дуга) создает магнитный поток. Чем больше ток в дуге, тем больше силы магнитного поля катушек, на нее действуют, и дуга выбрасывается.
Чем выше давление газа, тем лучше гашение дуги (обычно), но в данном случае высокое давление, а значит высокая скорость газа создает сопротивление выталкиванию дуги, и скорость дуги замедляется.
Элегаз SF6.
При контакте SF6 с О2 и водяными парами образуются четырехфтористая сера и кислота, разрушающая контакты. В среду выключателя вводят гидраты алюминия, которые связывают вещества, разрушающие контакты.
Для разложения 1 см куб. элегаза необходимо 0,36 кДж энергии.
Продольное электромагнитное дутье.
За счет короткозамкнутого витка создается непрерывное гашение дуги при переходе через ноль. Рабочие напряжения — 6 и 35 кВ.
Принцип гашения дуги с короткозамкнутым витком:
ток проходит через ноль, магнитный поток уменьшается, электромагнитное поле наименьшее и выдувать дугу нечем короткозамкнутый виток (он сделан в виде медного кольца) имеет большой запас магнитной энергии, и в момент прохода тока через ноль значение магнитной энергии будет максимальное в витке, ток в бестоковую паузу будет большой в витке и электромагнитное поле тоже. Поэтому выдувание дуги будет продолжаться и при переходе тока через ноль.
Это применяется в фидерных выключателях. Здесь давление превышает атмосферное на 0,6%.
Повышение давления:
1. Увеличение эффективности гашения дуги.
2. Уменьшение скорости выталкивания дуги.
Среднее рабочее давление — 2,5 х 100000 Па.
Недостатки схемы — наличие большого объема меди (виток больших габаритов) обуславливает разбрызгивание ее по стенкам выключателя в процессе его работы, а значит ухудшение электроизоляционных качеств.
Принципиальные схемы элегазовых ДУ с гашением дуги в радиальном (а) и продольном (б) магнитном полях
Магнитное дутье.
Рядом с дугогасительной камерой есть катушка. Когда дуга разрываясь попадает в катушку, в ней возникает магнитное поле, которое выдувает дугу.
Короткозамкнутый виток. Магнитный поток, который создается в витке, продолжает выдувать дугу при переходе через ноль.
Способы повышения отключающей способности и повышения эффективности работы газовых выключателей.
При 330 кВ и выше элегаз не используется. При высокой температуре необходимо обеспечить хороший отвод тепла. Азот имеет большую теплопроводность, чем элегаз. Элегаз разлагается. В воздухе значительное содержание азота. Азот имеет максимум теплопроводности при более высокой температуре. Поэтому выключатели 330 кВ и выше в основном воздушные.
Для эффективности гашения дуги необходимо иметь оптимальное соотношение между скоростью гашения дуги и теплопроводящей средой. Воздушная среда имеет более низкую плотность, чем элегазовая, поэтому интенсивность отбора тепла и энергии при рабочей температуре свыше 5000 К будет эффективнее в среде азота. Максимальная теплопроводность в азотной среде при 7000 К. Скорость нарастания электропрочности в азоте (воздухе) меньше, чем в элегазе, поэтому при отключении неудаленных КЗ повторное зажигание дуги вследствие теплового пробоя в элегазовых выключателях происходит спустя меньший промежуток времени после перехода тока через ноль и при меньшем напряжении, чем в ВВ.
Если выключатель предназначен для частой работы при небольшом напряжении, то используют элегазовый выключатель. Если выключатель для высоких напряжений (330 кВ и более), то используют воздушный выключатель.
Вакуумные выключатели.
Разрывают цепь и гасят дугу. Гашение дуги происходит раньше прохождения тока через ноль. Дуга горит за счет термоэлектронной эмиссии. При уменьшении контактного нажатия происходит нагрев и плавление контактов, освобождаются электроны, за счет которых и происходит кратковременное горение дуги.
Металлический экран необходим для того, чтобы пары металла контактов не оседали на стенках камеры. b = 3a, a = 1 см. Если гашение дуги происходит до перехода тока через ноль, то возникает перенапряжение — <<срез тока>>, энергия, запасенная в индуктивностях создает ЭДС с малым временем, в результате создается перенапряжение — <<срез напряжения>>. Необходимо устанавливать ограничители перенапряжения.
Использование медных контактов недопустимо. Контактный материал — молибден углерод — чтобы контакты не сваривались медь и серебро — для увеличения электропроводности. Эти составные части в виде порошка, потом они спекаются.
При переходе тока через ноль на электроде выделение энергии резко уменьшается, у дуга гаснет еще до того, как коммутируемый ток уменьшится до нуля. Скорость восстановления электропрочности межконтактного промежутка длиной в 10 мм составляет 15-20 кВ (мксек при j = 6-7 А/мм кв. Габариты вакуумных выключателей зависят от диаметра контактов. Размер контактов увеличивается до 200 мм кв. На 35 кВ при токе до 40 кА диаметр 20 мм. Руководствуются такими условиями: диаметр контактов зависит от расстояния до экрана. Межконтактное расстояние — 1/3 расстояния от контакта до экрана. Размер камеры должен быть большим.
В самом выключателе есть специальные газопоглотители, поглощающие газы, выделяющиеся за счет сильного нагревания материала контактов. Чем больше размер камеры, тем больше давление воздуха на саму камеру. Отвод тепла из контактной зоны. Чем больше размер контактов, тем больше значение коммутируемого тока. Температурное кипение всех компонентов должно быть 3500 К для того, чтобы повысить отключающую способность выключателей. Твердость по Брюннелю (НВ) не менее 1000 мПа. Материал должен содержать определенное количество электропроводящих электродов с низким сопротивлением — серебро, медь. Вольфрам и молибден обеспечивают механическую прочность. Углерод — вещество, обладающее определенной хрупкостью и предотвращающее свариваемость контактов.
Преимущества:
— быстродействие
— нечувствительность к скорости восстановления напряжения
— работа в любом положении
— износостойкость
— простота обслуживания (нет масляного хозяйства)
— широкий допустимый диапазон температур окружающей среды (-70С - 200С)
— стойкость к вибро- и ударным воздействиям
— бесшумность работы
— отсутствие выбросов в атмосферу
— малые габариты и масса (а значит и давление на фундамент)
Недостаток — сложный отвод тепла от контактов, т.к. композиционные материалы имеют низкую теплопроводность.
Полупроводниковые аппараты высокого напряжения.
Нет дугогашения, неограниченный срок службы. Отсутствует разрывание тока и нет перенапряжения. Это естественная коммутация. При принудительной коммутации ставят отделители (1) для создания видимого разрыва и для улучшения изоляции.
Скорость коммутации зависит от тиристоров (высоко-, низкочастотные) и на порядок выше чем у контактных выключателях.
Дуги нет, т.к. тиристоры закрываются принудительно и ток можно погасить в любой точке полупериода. Сначала запираются тиристоры, а потом срабатывает разъединитель. При Uраб = 35 кВ уже необходимо собирать R-C цепь (2). Если Iраб Iвентиля, то вентили собирают параллельно 12 шт. Обратные напряжения выравниваются R-C цепочками и уравнивающими резисторами (уравнивают потенциал между ветвями). Для обеспечения параллельной работы вентилей их надо подбирать, т.к. надо выравнивать по току (подбор — нерационально). Выращивают кристалл кремния. Берут 3 кристалла, равноудаленных от диаметра. Прикладывают напряжение и фиксируют Uпр. Так определяют класс вентилей. Вентили выравнивают по напряжению. Трансформаторы выравнивают по току. Индуктивный способ выравнивания позволяет выравнивать ток. Прямое сопротивление вентиля — переменно, и зависит от i и t.
Тиристоры — полу управляемые приборы. Его можно открывать, а закрывается он сам при переходе тока через ноль (реально — когда число носителей зарядов через переход уменьшено до определенного значения). Время, в течение которого тиристор закрывается зависит от величины тока. Imax — время затянется (заряды не сразу рассосутся на переходе). Происходит разбег по времени. Поэтому при подаче импульса открываются не все и напряжение будет выравниваться по R-C цепям. Таким образом R-C цепи выравнивают время включения. Падение напряжения на переходе тиристора в открытом состоянии — около 1 В.
На более высокое напряжение эти аппараты использовать нецелесообразно. 1В х 1кА = Квт большие потери.
Комбинированные полупроводниковые выключатели высокого напряжения.
Состоят механических выключателей и ПП элементов. Команда на отключение должна быть синхронна с фазой, т.е. выключатель необходимо разомкнуть, когда контакты шунтированы диодом. Когда будет второй полупериод, диод закрывается, и на контактах будет сосредоточено все напряжение. Во избежание негативных последствий одна фаза выключателя использует отделитель S2. Команда на размыкание должна подаваться раньше, чем на первом полупериоде, т.к. для срабатывания механических контактов нужно время.
В этой схеме в рабочем положении диоды закрыты. Если S1 и S2 разомкнуты, то нагрузка не питается. Увеличение I диодов. S1 — отключается в первый полупериод, S2 — во второй.
Симистор — диод (тиристор), пропускающий ток в обоих напряжениях. + — нет синхронной работы выключателей.
Здесь отпадает проблема синхронного отключения контактов, т.к. в нормальном режиме постоянно подаются управляющие импульсы на семистр. Как только необходимо отключить выключатель, отключается S1, и дуга не горит — работает семистр. При большом токе работает недолго. S2 — отделитель — срабатывает при переходе тока через ноль. Если номинальный ток тиристора 200 А, то кратковременно можно подать 20 кА. Поэтому можно обойтись без охлаждения — в изоляционную трубу помещают необходимое количество таблеточных тиристоров. Здесь не возникают проблемы с выравниванием силы тока и напряжения.
Токоограничивающие аппараты.
Реактор — самый распространенный из токограничащих аппаратов. Токограничащий реактор — это элемент, выполненный в виде катушки, имеющей определенную индуктивность, предназначенной для ограничения токов КЗ и поддержания напряжения на шинах в аварийных режимах. Реакторы бывают линейные, групповые и секционные. В реакторах нет сердечника.
Включение реактора в - шину выпрямителя — для сглаживания пульсации напряжения и ограничения тока КЗ на время, пока не сработает контактная система выключателей.
Токоограничивающие реакторы — без сердечника. Процесс ограничения тока в цепях с индуктивностью: магнитное поле замыкается по магнитному сердечнику, магнитные линии сконцентрированы, магнитный поток имеет большую напряженность поля.
Все токоограничивающие реакторы имеют линейную характеристику и строго определенную индуктивность. Обмотки должны иметь достаточную электрическую прочность. Реактор включается в цепь последовательно, его сопротивления мало.
От индуктивности зависит время нарастания тока. Чем меньше индуктивность, тем меньше время нарастания тока.
От времени зависит величина тока. Необходимо растянуть время нарастания тока, потому что реактор не может отключить большой ток (КЗ).
Изоляция рассчитывается на полное напряжение. При перекрытии изоляции ток резко возрастает.
Обмотки и каркас Р. должны иметь высокую механическую прочность для противодействия электродинамическому воздействию КЗ и предотвращения межвиткового КЗ. Должна быть низкая стоимость и простота обслуживания. Термическая стойкость.
По инструкции Р.:
1. Сухие бетонные (бетон неармированный (арматура - сердечник)). Линейность Р. обеспечивает стабильное время срабатывания устройств защиты. При изменении тока КЗ (в зависимости от места) меняется время уставки. Сердечник влияет на линейность (без сердечника индуктивность от тока не зависит).
2. Маслонаполненные.
Бак из ферромагнитного материала, влияющего на характеристики. Компактны. Очень велико поле рассеяния.
3. Сборные на каркасе из стеклопластика и стянутые латунными болтами (не ферромагнетик). Наиболее компактны, но дорогие.
Оптимизация расположения витков реактора и их намотки.
Реактор рассчитан на большой ток, он наматывается из нескольких проводников (8 штук АС). Витки, намотанные по разным диаметрам, будут иметь разное сопротивление. На индуктивность влияет расположение витков.
Применяется транспозиция витков. При больших токах может измениться расположение витков из-за электродинамических сил, что меняет индуктивность реактора.
Электрические аппараты управления режимами электропередач.
На режимы электропередач влияют трансформаторы и ЛЭП. Емкость, индуктивность ЛЭП, характер нагрузки (обычно индуктивная нагрузка) влияют на режимы электропередач. Т.о., ток отстает от напряжения, в конце линии — на 180 гр. ЛЭП должны передавать энергию с минимальным отклонением угла I от U. Для этого ставятся конденсаторные ПС с батареями конденсаторов. Напряжение на конденсаторе мгновенно возрасти не может. Возникает КЗ — большой ток, искрение, контакты привариваются. Поэтому конденсатор подключают вместе с реактором. Для плавного подключения емкости применяют реакторы с переменной индуктивностью. Для плавной компенсации Q используют конденсаторные батареи совместно с реакторами со сменной индуктивностью. Реакторы нелинейные, имеют сердечник. Чтобы менять индуктивность, надо менять насыщение — влияет воздушный зазор.
1. Если сердечник замкнут, насыщение больше, чем воздушный зазор, тем меньше насыщенность.
2. Наматывается еще одна обмотка управления. Изменение тока в обмотке управления можем делать путем изменения насыщения. При увеличении силы тока управления индуктивное сопротивление рабочей обмотки будет уменьшаться. Т.о., меняя управляющий ток, намагничивают сердечник, реактивное сопротивление рабочей обмотки падает. Индуктивное сопротивление искажается, т.к. есть влияние (нелинейное воздействие магнитного потока рабочей обмотки и управления.
Если различная форма напряжения. Гармоники проникают в сеть — в линию идет мощность (активная) меньшая, а сеть гармониками загружается.
При установке в цепь реактора:
— линейный
— насыщающийся
Насыщающийся нужен для плавной регулировки индуктивности.
Если тиристоры закрыты, то никакой компенсации нет — реактор отключен.
Реактор насыщающийся, тиристорное управление. Тиристоры управляются фазно. Меняя угол открытия тиристоров (время открытия), меняется среднее значение тока. В итоге получаются любые характеристики.
Меняя , меняется уровень компенсации энергии в кс, - угол открытия тиристоров. Назначение схемы — плавное регулирование (компенсация) реактивной энергии в сети. Схема недорога.
Запас энергии, с помощью которой можно произвести компенсацию, у шунтирующих реакторов не очень мал и дорог, поэтому не используется. Используются реакторы с сердечником, но они вносят нелинейность в сеть.
Еще применяют управляемые реакторы (это удешевляет предыдущую схему).
В этой схеме есть магнитная трансформаторная связь. За счет нее будет высокий ток и низкое напряжение. Можно применять тиристоры малого класса. Рабочая область здесь значительно шире, чем допускаемое отклонение напряжения. Искажая напряжение, можно получить семейство характеристик.
Добавление насыщающего реактора сужает область регулирования (*). Также снижается диапазон напряжения. индуктивность тиристора может быть ниже, чем в предыдущем случае. Здесь реактивная энергия поглощается, но угол между напряжением и током не компенсируется.
Это управляемо-насыщающийся реактор.
Статический компенсатор реактивной мощности.
Компенсируется угол сдвига между током и напряжением. Эта схема компенсирует реактивную мощность, а предыдущие — поглощают.
НР — зашунтирован конденсаторами. Устройство бесконтактно, но для упрощения на блочной схеме указаны контакты. Т.к. НР зашунтирован конденсаторами, то конденсатор компенсирует нелинейность. Если ток будет опережать напряжение (перекомпенсация), то двигатели и счетчики будут вращаться в другую сторону, нарушится работа привода. Чтобы этого не случилось, применяют защиту — реле очередности фаз.
Эта схема компенсирует угол сдвига тока и напряжения до нуля.
Конструкция реакторов.
1. Цилиндрический реактор без стального сердечника.
2. Тороидальный без сердечника.
Цилиндрический — очень велико поле рассеяния, низкий КПД, но простое изготовление. Витки по внутреннему и внешнему диаметру испытывают разные нагрузки. Для увеличения магнитного потока вводят сердечник, и он становится броневым (довести до насыщения можно). Тороидальный — наиболее эффективная, но дорогая схема.
3. Ярмовой без стержней.
Здесь создается поле, подобное полю в тороидальном реакторе, и поэтому поток рассеяния меньше. Ярмовой со стержнями — большая индуктивность.
4. Броневой со стержнем — для создания большой индуктивности.
Стержень делают из секций с зазорами, чтобы он был менее насыщаем, а значит и искажение формы напряжения было меньше.
5. Стержневой без ярма.
Для компенсации зарядной мощности ЛЭП служит шунтирующий реактор. Любой реактор, имеющий сердечник, можно довести до насыщения, при этом искажается форма тока.
Рабочая обмотка наматывается параллельно. Обмотка управления наматывается на половину расщепленного стержня встречно. Если намагнитить сердечник постоянным током, то домены ориентируются в определенном направлении.
Uупр — постоянное напряжение.
На рабочей катушке напряжение переменное. Вводя постоянную составляющую, мы смещаем нейтраль.
Напряжение становится асимметричным, что ведет к появлению четких гармоник. При такой конструкции реактора магнитный поток от обмотки управления замыкается по среднему стержню. Эта схема предотвращает появление четных гармоник в сети.
Соединения реакторов:
треугольником звездой
Соединение звездой и треугольником:
В данном случае нечетные гармоники — это третья гармоника — циркулируют по замкнутому треугольнику рабочей обмотки. В линейных токах и напряжениях третья гармоника отсутствует. Для ликвидации пятой и седьмой гармоник в линейных токах и напряжениях предусмотрено включение параллельного реактора. В этом случае сумма токов пятой и седьмой гармоник равна нулю. Токи пятой и седьмой гармоник циркулируют по замкнутому контуру и во внешнюю систему не входят.
В данных схемах нет элементов управления.
Существуют совмещенные схемы, совмещающие и управление зарядной мощностью.
Тиристоры находятся либо во включенном, либо в выключенном состоянии, а в промежутках — искажения. Схема дорогая.
Технические характеристики реакторов.
|
Удельные потери мощности, |
Синхронный компенсатор |
Управляемый реактор |
Насыщающийся реактор |
Насыщающийся регулировочный реактор |
|
% |
0,95 |
0,45 |
0,5 |
0,23 |
Скорость реакции реактора на изменение реактивной мощности —0,01 с, т.е. уже через период реактор установит необходимую индуктивность.
Учет степени нелинейности.
Предохранители.
Ограничивают токи перегрузки за счет плавления специальной вставки.
Применяются до 220 кВ. Низкая стоимость, постоянная готовность к работе, компактны — преимущества. Недостаток — плавкая вставка одноразовая.
Два вида предохранителей:
1. С мелкозернистым наполнителем.
Дуга гасится из-за:
— отсутствия внутри предохранителей токопроводящих элементов
— температура плавления кварцевого песка очень высока.
Этот вид предохранителей применим для 35 кВ U.
Бытовые предохранители (может быть пружина — ускоряет разведение контактов).
Наличие шариков. При загорании плавкой вставки олово расплавляется и создает повышенное давление, что благоприятно сказывается на дугогашении.
2. Выхлопные.
Принцип действия основан на испарении ПВХ изоляции и создании повышенного давления в зоне гашения дуги.
Ток протекает по меди, у нихрома сопротивление выше. Нихром греется и плавится.
Аппараты ограничения перенапряжения.
Разряд между землей и облаком — U = 10-12 млн. В. Разряд между облаками на порядок выше.
Самый простой ограничитель состоит из сопротивления и искрового промежутка.
Только один ИП тоже является защитным средством, но тогда срок его службы будет очень мал, т.к. при дуговом разряде изменяются его геометрические размеры, а следовательно и пробивное напряжение. Поэтому к ИП добавляют нелинейное сопротивление, т.е. величина сопротивления зависит от приложенного напряжения.
При разряде разрушается ИП. Добавляется нелинейное сопротивление из карбида кремния.
Резистор набирается из таких таблеток.
α=Rпри раб.∙U/Rпри перенапр.=0.25÷0.4
Коэффициент нелинейности карбида кремния.
Рабочее напряжение — такое, при котором R как можно больше.
При применении нелинейного R стабилизируется значение сопровождающего тока. При возникновении перенапряжения пробивается ИП, и энергия рассеивается в резисторе.
ИП бывает двух видов:
1. С неподвижной дугой сопровождающего тока.
2. С магнитным дутьем.
1 - электроды, подключающиеся к соответствующим цепям. 2 - рабочая прокладка (из слюды миканита) — от нее зависит величина перенапряжения при нормальном напряжении это электрический картон.
Форма электродов способствует стабилизации Uпр и условиям гашения дуги.
3 - корпус из изоляционного материала.
При разряде миканит разрушается и металл оплавляется. Между электродами и прокладкой возникают частичные разряды. При этом возникают фотоэлектроны, которые стабилизируют величину U пробоя ИП. При частичных разрядах испускаются кванты света, попадающие в воздушный промежуток и ионизируя его, а именно от ионизации среды зависит стабильность Uпр. Наиболее стабильный ток пробой в газе.
Данные ИП маленькие, неразборные, простые, дешевые.
2. Для более мощных ИП используется электромагнитное дутье.
1 и 2 — внутренние и внешние электроды. Расстояние между ними неодинаково. Постоянный магнит создает равномерный поток, под действием которого дуга вытесняется в зону, где расстояние между электродами больше, остывает и гаснет.
Устройство надежно, разборно, ток сопровождения 500-1000 А.
В зависимости от диаметра 2:
d, мм h, мм I, А
30-40 2 300-500
70 4 1000
ОПН: = 0,02. I — единицы мА.
ОПН с высокими характеристиками. Элементы но основе окиси цинка. Окись цинка подвергается тепловой обработке (350 грС) в среде кислорода. невысок — 0,3 - 0,45 затем в смесь добавляют оксид бериллия, окиси кобальта, марганца и свинца. Все это измельчают, перемешивают и при р = = 40 МПа, t = 1300 грС запекают в таблетки.
Еще существуют материалы на основе окиси кремния. Они дешевле, но очень низок.
|
Наименование разрядника |
РВП |
РВС РВМ |
РВС |
РВМГ |
РВМК |
|
Номинальное рабочее U, кВ |
310 |
10 - 35 |
110 - 220 |
110 - 500 |
330 - 1150 |
|
Uпробоя, Uфазное |
3,6 - 4,3 |
3,2 - 3,4 |
2,7 - 2,8 |
2,3 - 2,5 |
2,1 - 2,2 |
РВ — разрядник велитовый. Простая технология, дешевы.
С — стационарный.
М — с магнитным дутьем.
Г — грозозащитный.
К — комбинированный.
Разброс Uпр/Uфаз = 3,2 - 3,4 — из-за технологии производства.
По конструкции:
* Для напряжений до 35 кВ включительно.
Фарфоровый корпус (1) в виде изолятора, внутрь закладываются таблетки (2), есть воздушные каналы (3) — чтобы устройство не взорвалось при выделении газов из-за высокой температуры.
* Для более высоких напряжений
Сам разрядник внутри корпуса.
При больших напряжениях в этой гирлянде изоляторов может возникнуть неравномерное распределение напряжения. Чтобы этого избежать, подвешивают стальное кольцо для увеличения емкости по отношению к проводу с высоким напряжением. Но при очень больших напряжениях кольцо, выравнивающее емкостное распределение напряжения не помогает.
При грозовом разряде (емкость в первый момент времени имеет нулевое значение) за счет емкостного тока происходит пробой. ИП шунтируется, часть емкости защищает гирлянду от броска емкостного тока, а затем идет процесс ограничения уровня перенапряжения с поглощением выделенной энергии в нелинейных резисторах. Каждый элемент имеет свою емкость. Элементы шунтируют ИП и выравнивают распределение напряжения на ИП.
Конструкция дорога, требует обслуживания.
Используют ограничители на основе оксида цинка:
достоинства
— стабильность характеристик
— снижение Uпр при загрязненности и увлажненности
— отсутствие поглощения энергии
— простота конструкции
недостаток — стоимость на порядок выше, чем на основе карбида кремния.
Активный ток оксидных ОПН 3 -5 мкА/см кв.
Емкостный ток 10 - 20 мкА/см кв.
Диаметр таблеток 70 - 120 мм.
Высоковольтные трансформаторы тока.
Назначение (функции):
— преобразование величины тока до значений, удобных для измерений
— использование в устройствах релейной защиты
— обеспечение необходимой изоляции от высокого напряжения в устройствах релейной защиты.
ТТ выпускаются на весь ряд напряжений. Габариты пропорциональны рабочим напряжениям, т.к. необходимо обеспечить нужную изоляцию.
В качестве первичной обмотки для трансформаторов с большим током может использоваться токоведущая шина.
Трансформаторы тока до 35 кВ.
ТТ с рабочим напряжением от 110 кВ находятся в фарфоровых стаканах.
0,2 0,5 1 3 5 10 — классы точности ТТ.
ТТ отличается от трансформатора нагрузки.
ТТ работает в режиме КЗ и не допускает включения без нагрузки, иначе вторичная обмотка будет разомкнута, не будет тока I2, не будет потока Ф2, и поток Ф1 будет не скомпенсирован.
Первичная обмотка — 1 виток, вторичная — 1000 и более.
Угловая погрешность считается продолжительной, если I2 опережает I1 (180 гр. 1) она влияет на работу диф. защиты ЛЭП.
Такое КЗ не повлияет на передачу высокочастотного сигнала связи.
ТТ — диф. защита. Защита выделяет изменение тока. При КЗ вектор тока отклонится от своего значения (угол изменится).
Бывают электромагнитные и оптические. Цена ТТ определяется уровнем напряжения, на которое он рассчитан, а значит, как следствие, габаритами. Поэтому для удешевления ТТ делают встроенными.
Последняя функция ТТ.
3. Отделение высоковольтных цепей от измерительных низковольтных. Цена ТТ определяется уровнем напряжения, на которое он рассчитан. Для удешевления ТТ их делают встроенными (т.е. уже есть обмотки, корпус и т.д.).
Поле рассеяния влияет на точность. Поэтому встроенные трансформаторы имеют малый класс точности (Ме конструкции оказывают воздействие, снижая точность трансформатора).
Типы трансформаторов.
1. ТШЛО - 20 — трансформатор шинный с литой изоляцией на 20 кВ.
Первичная обмотка — шина. Вторичная — много витков. * — для ТПОЛ - 35.
Обмотка — 1000 витков и более (в зависимости от тока). I и II — первичная и вторичная обмотки.
2. ТПОЛ - 35 — трансформатор проходной одновитковый с литой изоляцией до 35 кВ (*).
3. ТРН — фарфоровый, наружной установки.
4. ТФНУ - 66 — фарфоровый маслонаполненный, наружной установки.
5. ТРН - 500 — фарфоровая изоляция высота — 9 м,
ТРН - 750 — масса масла — 7 т, трансформатора — 9 т Рабочий ток (первичный) — 1000 А, вторичный — 1 А.
Оптоэлектронный трансформатор.
Изменение прозрачности кристалла под действием магнитного поля.
преимущества:
1. Мало меди.
2. Мало ферромагнитных материалов.
3. Нет масла.
4. Очень малы фазовые сдвиги.
Используется явление управления света магнитным потоком. При воздействии магнитного потока пучок света отклоняется, а при max магнитном потоке свет не проходит. Здесь почти отсутствуют фазовые сдвиги, т.к. нет сердечника. Магнитный поток создается витком. Рабочая частота устройства — до 10 кГц. Стоимость устройства низкая, высокая точность и отсутствие фазовых искажений — преимущества оптоэлектронного трансформатора. Единственный недостаток — неполная линейность характеристики и изменение ее при изменении температуры. Для увеличения мощности ТТ добавляют параллельные или последовательные обмотки.
Трансформаторы напряжения.
Выполняются как обыкновенные трансформаторы для высоковольтных аппаратов. Режим работы — хх. Используются для питания потребителей небольшой мощности, для измерений (подключения приборов), для изоляции от полного рабочего напряжения. Напряжение на вторичной обмотке — 100 В.
Классы точности: 0,5 1 5.
Возникают те же проблемы габаритов и стоимости. Поэтому создали оптоэлектронный ТН.
Оптоэлектронный трансформатор.
Кристалл из гидрофосфата аммония или калия.
На торцы кристалла и пластины наносят полупрозрачные Аи электроды.
Луч расщепляется на обыкновенный и необыкновенный.
Вдоль оптической оси нужно приложить напряжение до 2 кВ.
Масляные выключатели.
Возникающая дуга нагревает масло, и оно разлагается: 60% — водород 18 - 20% — ацетилен 5 - 9% — метан остальное — углерод (в виде растворенного порошка).
Эффективное гашение дуги обеспечивается водородом — он очень хорошо отбирает тепло, а именно отбор тепла оказывает наибольшее влияние на дугу. При разложении масла образуется повышенное давление.
На интенсивность гашения дуги влияет повышенное давление, особенно в конце полупериода.
Продольное дутье.
Если не удалось затушить дугу в первом полупериоде, то она будет гаснуть в другом кармане.
Поперечное дутье.
Оно более эффективно при большом токе, т.к. на гашение дуги в данном случае тратиться меньшее время, и параллельно происходит отбор тепла и выброс парогазовой среды в окружающее пространство.
После 10 - 15 срабатываний выключателя без очистки и замены контактных поверхностей он непригоден к дальнейшему использованию.
Сопротивление сухого свежего масла 10 ГОм. После 15 срабатываний — 50 ГОм и его необходимо регенерировать.
Из-за воздействия ацетилена на контактах образуется карбид меди, они становятся рыхлыми, сопротивление их становится неравномерным по поверхности, ухудшается контактное нажатие. Необходима чистка контактов.
Сейчас стали применять композиционные материалы для контактов:
— медь — улучшение переходного сопротивления
— вольфрам — улучшение механической твердости
Ресурс работы увеличивается только но 10%.
Для медных контактов:
I отключения, кА Количество срабатываний
1 400
5 30
10 8
20 3 - 4
Для композиционных — на 10% больше.
При токе 10 кА после 10 срабатываний в масляном объеме (3л) выделяется 38 гр углерода, 2 гр вольфрама, около 1 гр меди. Медь оседает на электродах, вольфрам в виде порошка распыляется в масле.
При больших токах используются много объемные выключатели.
начало середина конец
На большие напряжения применяют контактные группы.
Давление создается только дугой. Вспомогательные контакты имеют большое переходное сопротивление и зашунтированы основными контактами. Вспомогательные контакты имеют высокую электрическую и термическую прочность. Имея высокое сопротивление, они не могут пропускать весь ток и создают высокое давление, т.е. используются как генераторы газовой смеси. Т.е. дуга горит на основных и вспомогательных контактах.
Масляный выключатель без подвижного контакта.
Время срабатывания — микросекунды. Ток срабатывания — 190 кА при 20 кВ.
Преимущество масляных перед элегазовыми — позволяют локально тушить дугу высоким давлением элегазовые создают давление, разрушающее корпус.
При размыкании контура дуга не горит, весь ток идет через семистр.
Сначала размыкается Г, размыкая Д. В Д горит дуга. возникающая в Г дуга гасится давлением от Д. Контакты Д — термическая стойкость (когда горит дуга, не расплавляются и защищают Г).
Предохранители с гашением дуги в закрытом объеме. Предохранители на токи от 15 до 60 А имеют упрощенную конструкцию. Плав кая вставка 1 прижимается к латунной обойме 4 колпачком 5, который является выходным контактом (рис. 10, а). Плавкая вставка 1 штам пуется из цинка, являющегося легкоплавким и стойким к коррозии ма териалом. Указанная форма вставки позволяет получить благоприятную времятоковую (защитную) характеристику. В предохранителях на то ки более 60 А плавкая вставка 1 присоединяется к контактным ножам 2 с помощью болтов (рис. 10, б).
Вставка располагается в герметичном трубчатом патроне, который состоит из фибрового цилиндра 3, латунной обоймы 4 и латунного кол пачка 5.
Процесс гашения дуги происходит следующим образом. При отключении сгорают суженные перешейки плавкой вставки, пос ле чего возникает дуга. Под действием высокой температуры дуги фибровые стенки патрона выделяют газ, в результате чего давление в патроне за доли полупериода поднимается до 4—8 МПа. За счет увеличения давле ния поднимается вольт-амперная характеристика дуги, что способству ет ее быстрому гашению.
Плавкая вставка может иметь от одного до четырех сужений (рис 10, в) в зависимости от номинального напряжения. Суженные участки вставки способствуют быстрому ее плавлению при КЗ и созда ют эффект токоограничения.
Рис.10. Предохранитель типа ПР-2.
Поскольку гашение дуги происходит очень быстро (0,002 с), можно считать, что уширенные части вставки в процессе гашения остаются не подвижными.
Давление внутри патрона пропорционально квадрату тока в момент плавления вставки и может достигать больших значений. Поэтому фибровый цилиндр должен обладать высокой механической прочностью, для чего на его концах установлены латунные обоймы 4. Диски 6, жестко связанные с контактными ножами 2, крепятся к обойме патрона 4 с помощью колпачков 5.
Предохранители работают бесшумно, практически без выброса пламени и газов, что позволяет устанавливать их на близком расстояния друг от друга. Предохранители выпускаются двух осевых размеров — короткие и длинные. Короткие предохранители предназначены для работы на переменном напря жении не выше 380 В. Они имеют меньшую отключающую способ ность, чем длинные, рассчитанные на работу в сети с напряжением до 500 В. В зависимости от номинального тока выпускается шесть габаритов патронов различных диаметров. В патроне каждого габарита могут ус танавливаться вставки на различные номинальные токи. Так, в патроне на номинальный ток 15 А могут быть установлены вставки на ток 6, 10 и 15 А.
Различают нижнее и верхнее значения испыта тельного тока. Нижнее значение испытательного тока — это максимальный ток, который, протекая в течение 1 ч, не приводит к перегоранию предохранителя. Верхнее значение испытательного тока — это минимальный ток, который, проходя в течение 1 ч, плавит вставку предохранителя. С достаточной точностью можно принять пограничный ток равным среднеарифметическому испытательных токов.
Предохранители с мелкозернистым наполнителем. Эти предохра нители более совершенны, чем предохранители ПР-2. Корпус квадратно го сечения 1 предохранителя типа ПН-2 (рис. 11) изготавливается из прочного фарфора или стеатита. Внутри корпуса расположены ленточ ные плавкие вставки 2 и наполнитель — кварцевый песок 3. Плавкие вставки привариваются к диску 4, который крепится к пластинам 5, свя занным с ножевыми контактами 9. Пластины 5 крепятся к корпусу вин тами.
В качестве наполнителя используется кварцевый песок с содержа нием SiO2 не менее 98 %, с зернами размером (0,2—0,4)10-3 м и влаж ностью не выше 3 %. Перед засыпкой песок тщательно просушивается при температуре 120—180 °С. Зерна кварцевого песка имеют высокую теплопроводность и хорошо развитую охлаждающую поверхность.
Плавкая вставка выполняется из медной ленты толщиной 0,1— 0,2 мм. Для получения токоограничения вставка имеет суженные сечения 8. Плавкая вставка разделена на три параллельных ветви для более пол ного использования наполнителя. Применение тонкой ленты, эффектив ный теплоотвод от суженных участков позволяют выбрать небольшое минимальное сечение вставки для данного номинального тока, что обес печивает высокую токоограничивающую способность. Соединение не скольких суженных участков последовательно способствует замедлению роста тока после плавления вставки, так как возрастает напряжение на дуге предохранителя. Для снижения температуры плавления на вставки наносятся оловянные полоски 7 (металлургический эффект).
При КЗ плавкая вставка сгорает и дуга горит в канале, образован ном зернами наполнителя. Из-за горения в узкой щели при токах выше 100 А дуга имеет возрастающую вольт-амперную характеристику. Гра диент напряжения на дуге очень высок и достигает (2—6)104 В/м. Этим обеспечивается гашение дуги за несколько миллисекунд.
После срабатывания предохранителя плавкие вставки вместе с дис ком 4 заменяются, после чего патрон засыпается песком. Для гермети зации патрона под пластины 5 кладется асбестовая прокладка 6 что предохраняет песок от увлажнения. При номинальном токе 40 А и ни же предохранитель имеет более простую конструкцию. Предохранители ПН-2 выполняются на номинальный ток до 630 А. Предельный отключаемый ток КЗ, который может отключаться предохранителем, достигает 50 кА (действующее значение тока металлическо го КЗ сети, в которой устанавливается предохранитель).
Малые габариты, незначительная затрата дефицитных материалов, высокая токоограничивающая способность являются достоинствами это го предохранителя.
Рис.11. Предохранитель типа ПН-2.
Предохранители для защиты полупроводниковых приборов. В настоящее время мощные полупроводниковые диоды и тиристоры, которые ради краткости будем называть приборами, находят широ кое применение в выпрямительных установках и схемах автоматиче ского управления. Существующие до последнего времени предохра нители и автоматы из-за относительно большого времени срабаты вания не могут защитить приборы при коротких замыканиях. Для выполнения поставленной задачи разработаны специальные быстро действующие предохранители.
При временах с можно считать, что процесс нагрева прибора протекает по адиабатическому закону. Для удобства согла сования характеристик прибора и предохранителя вводится понятие джоулева интеграла
Для приборов, нагретых номинальным током, допустимый ток в течение 0,02 с равен 3,6 Iн. Тогда
Если прибор нагревается с холодного состояния, то допустимый ток равен 7 Iн, а интеграл
Для того чтобы предохранитель защитил прибор, необходимо, чтобы полный джоулев интеграл предохранителя был меньше джоу лева интеграла прибора. Джоулев интеграл предохранителя состоит из джоулева интеграла нагрева до температуры плавления Gпл вставки и джоулева интеграла гашения образовавшейся дуги Gгаш. С целью сокращения первой составляющей предохранитель должен работать с большим токоограничением. Для достижения этой цели плавкая вставка выполняется из серебра, имеет перешеек с мини мальным сечением и хорошо охлаждается кварцевым наполнителем (предохранители ПНБ). В некоторых предохранителях ПБФ плавкая вставка зажата между дисками корунда (А12О3), обладающего теп лопроводностью в 7 раз большей, чем кварцевый наполнитель. Плот ности тока в перешейке в номинальном режиме достигают 2000 А/мм2.
Джоулев интеграл Gгаш обычно учитывается коэффициентом kобщ:
В выполненных конструкциях kобщ =3-10 и пропорционален (при ).
Быстродействующий предохранитель ПНБ-3 (разработан на ба зе предохранителя ПН-2) выпускается на переменное и постоянное напряжения до 660 В и номинальные токи 40—630 А. Предельная амплитуда тока короткого замыкания сети 150 кА. Максимальный фактический ток короткого замыкания не более 15 кА. Джоулев интеграл плавления (с холодного состояния) для вставки 100 А равен (0,2—2)10-4 А2с. Полный джоулев интеграл Gобщ=(5-10) А2с (напряжение 660 В). В настоящее время отечественной промышленностью вы пускаются более совершенные предохранители серий ПП-31, ПП-41, ПП-51, ПП-61, ПП-71.
Следует отметить, что быстродействующие предохранители пред назначены только для защиты от коротких замыканий. Защита от перегрузок должна выполняться другими аппаратами.
Література :
1. Теория электрических аппаратов. / Г.Н.Александров и др, М.: Высш.шк., 1985. (Учебник для ВУЗов)
2. Чунихин А.А., Жаворонков М.А. Аппараты высокого напряжения М.:
Энергоатомиздат, 1985. (Учебное пособие для ВУЗов)
3. Родштейн Л.А. Электрические аппараты. Л.: Энергоиздат, 1981. (Учебник для техникумов)
4. Нейман Д.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. Д.: Энергоиздат, 1981.
5. Таев И.С. Электрические аппаратн. Общая теория. М.: Энергия, 1977.
6. Панченко В.В. Расчет и конструирование электрических аппаратов высокого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1991. (Учебник для техникумов)
7. Справочник по электрическим аппаратам высокого напряжения. /Под редакцией В.В. Афанасьева. - Д. Энергоатомиздат, 1987.