Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор математических моделей контактно-дугогасительных устройств электрических аппаратов и постановка задачи 9
1.1. Основные параметры, определяющие конструкцию и качество работы дугогасительных устройств 9
1.2. Анализ математических моделей дугогасительных устройств II
1.3. Выводы и постановка задачи 19
2. Исследования энерговыделения в электрических коммутационных аппаратах и разработка систем коммутации с отсечкой источника питания 21
2.1. Теоретические исследования энерговыделения в дуге отключения 21
2.2. Экспериментальные исследования энерговыделения в электрических аппаратах 30
2.3. Общие принципы построения систем коммутации с отделением источника питания 36
2.4. Системы коммутации на базе двухполюсных и двухступенчатых контактных систем 40
2.5. Системы коммутации на базе однополюсных контактных отключающих аппаратов 46
2.6. Выводы 51
3. Разработка математических моделей контактно-дугогасительных устройств коммутационных аппаратов со щелевыми камерами 53
3.1. Анализ основных этапов процесса отключения 53
3.2. Математическое моделирование процессов на первом этапе отключения 58
3.3. Математическое моделирование процессов на втором этапе отключения 71
3.4. Математическое моделирование процессов на третьем этапе отключения 89
3.5. Выводы 96
4. Разработка математических моделей контактно-дугогасительных устройств коммутационных аппаратов с дугогасительными решетками 98
4.1. Основные этапы процесса отключения электрической цепи аппаратами с дугога-сительными решетками 98
4.2. Учет влияния пластин на магнитное поле дугогасительного устройства 101
4.3. Математическая модель процесса вхождения
дуги в дугогасительную решетку НО
4.4. Выводы 121
5. Экспериментальная проверка разработанных математических моделей ДУ и сравнение их с существующими математическими моделями 122
5.1. Исследование процесса движения контактной системы 123
5.2. Исследование магнитного поля дугогасительной системы 126
5.3. Исследование процесса распространения электрической дуги в щелевой камере 132
5.4. Исследования времени дуги и энерговыделения в щелевой камере 136
5.5. Выводы 138
6 Практические приложения разработанных математических моделей 139
6.1. Оптимизация параметров системы магнитного дутья в СКОИП с помощью разработанной мате матической модели 139
6.1.1. Выбор коммутирующей емкости 139
6.1.2. Выбор шунтирующего диода 143
6.1.3. Оптимизация параметров магнитного дутья 146
6.2. Применение разработанной математической модели для расчета времени задержки дуги на контактах автоматического выключателя серии А 3700 149
6.3. Применение разработанной математической модели для расчета процесса отключения электрической цепи контактором серии КГУ 155
Заключение
Библиографический указатель
Приложение I
Приложение 2
Приложение 3
Приложение 4
Приложение 5
- Основные параметры, определяющие конструкцию и качество работы дугогасительных устройств
- Теоретические исследования энерговыделения в дуге отключения
- Анализ основных этапов процесса отключения
- Основные этапы процесса отключения электрической цепи аппаратами с дугога-сительными решетками
- Исследование процесса движения контактной системы
Введение к работе
В одиннадцатой пятилетке перед народным хозяйством страны поставлена важнейшая задача экономии и рационального использования сырьевых, топливно-энергетических и других материальных ресурсов. Одним из путей решения этой задачи в электротехнической промышленности является разработка коммутационных аппаратов с высокими технико-экономическими показателями.
В данной диссертации разрабатываются гибридные аппараты с отсечкой источника питания, в которых существенно снижается энерговыделение в дуге и в нагрузке в период отключения. Применение таких аппаратов может принести народному хозяйству значительный экономический эффект.
Наряду с созданием новых типов коммутационных аппаратов, существует другой путь экономии и рационального использования энергетических и материальных ресурсов. Это создание в ведущих отраслях промышленности и строительства системы автоматизированного проектирования, конструирования и технологической подготовки производства /САПР/ на основе применения математических методов и средств вычислительной техники.
Автором данной работы делается попытка внести вклад в создание таких систем в области электроаппаратостроения. САПР коммутационных аппаратов базируются на различных типах математических моделей отключения электрических цепей с током. В диссертации анализируются существующие математические модели и на основе анализа предлагаются пути их усовершенствования с целью получения более эффективной САПР.
Целью работы является повышение технико-экономических показателей коммутационных аппаратов и совершенствование методики их расчета.
Основная идея работы заключается в том, что существенное снижение энерговыделения в электрической дуге отключения обеспечивает повышение срока службы, надежности и снижение потерь электроэнергии в дугогасительном устройстве контактных коммутационных аппаратов.
Методика выполнения исследований. В работе использованы теория электромагнитного поля, теория нелинейных дифференциальных уравнений, методы математического стохастического программирования при решении задач поиска минимума, экспериментальные методы исследования энерговыделения в электрической дуге отключения, методы математической статистики при обработке экспериментальных данных.
Основные научные положения, защищаемые в работе:
Величины энергий, поступающих в электрическую дугу отключения от источника питания и от электромагнитного поля индуктивности нагрузки, определяются взаимным расположением элементов отключаемой электрической цепи.
Введение в структуру коммутационного аппарата специального ключа на базе емкости существенно ограничивает поступление энергии от источника питания в электрическую дугу отключения и в нагрузку.
Разработанные математические модели для определения характеристик магнитных полей в области горения электрической дуги.
Разработанные математические модели процессов движения электрических дуг в щелевых камерах и дугогаеительных решетках.
Система зависимостей между параметрами источника питания, сети, нагрузки и коммутационного аппарата, позволяющая производить расчеты по оптимальному определению параметров контактно-дугогаси-тельных узлов.
Научная новизна работы.
Установлено, что количественное соотношение величин энергий, поступающих в электрическую дугу отключения от источника питания и электромагнитного поля нагрузки, обуславливаются взаимным расположением элементов отключаемой цепи.и ее геометрией.
Показано, что ограничение поступления энергии от источника питания практически до нуля может быть достигнуто с помощью системы коммутации с емкостной отсечкой источника питания.
Предложена структура системы коммутации с емкостной отсечкой источника питания.
Реализован применительно к системам магнитного дутья метод вторичных источников тока для определения параметров магнитного поля и оценки влияния на них пластин дугогасительной решетки.
Получена аналитическая зависимость для определения напряженности магнитного поля, создаваемого элементами токоведущего контура с учетом размеров поперечного сечения.
Предлагаются математические модели, позволяющие рассчитывать форму и положение электрической дуги по отношению к дугогаси-тельному устройству в процессе отключения.
Получена система зависимостей между параметрами источника питания, сети, нагрузки и коммутационного аппарата, позволяющая определять оптимальные параметры дугогасительного устройства.
Практическая ценность работы. Предложена структура построения гибридных аппаратов с отсечкой источника питания, которая позволила разработать схемы коммутации, повышающие срок службы и надежность коммутационных аппаратов и сократить потери электроэнергии в них.
Разработана методика расчета параметров дугогасительных уст- ройств коммутационных аппаратов, позволяющая на стадии проектирования обосновать их выбор.
Реализация работы. Разработанная методика применена для расчета дугогасительного устройства контактора КПВ-602 с ограниченным энерговыделением. Это устройство обеспечило надежную работу контактора в тяжелом режиме работы на Коммунарском металлургическом заводе и позволило увеличить межремонтный срок контактно-дугогасительной системы в два раза.
Методика расчета контактно-дугогасительных систем внедрена во ВНИИВЭ при проектировании новой серии коммутационных аппаратов на базе контакторов серии КІУ. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения составит 24 тыс.руб.
Методика расчета времени задержки электрической дуги на контактах и ее вхождения в дугогасительную решетку внедрена в САПР автоматических выключателей, выполненной во ВНИИ Электроаппарат. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения составит 32 тыс. рублей.
Основные разработки диссертации базируются на научных трудах советских ученых: заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, д.т.н., профессора О.Б.Брона, д.т.н., профессора Г.В.Бут-кевича, профессора A.M.Занесеного, д.т.н. Р.С.Кузнецова, к.т.н., профессора Г.А.Іфкекова, д.т.н., профессора К.К.Намитокова, д.т.н., профессора О.Я.Новикова, д.т.н., профессора И.С.Таева.
При проведении отдельных теоретических и экспериментальных исследований были использованы также работы к.т.н. В.В.Клейменова, к.т.н. Л.К.Сушкова, к.т.н. Ю.С.Ткаченко и др.
Основные параметры, определяющие конструкцию и качество работы дугогасительных устройств
Известно, что наиболее важными факторами, влияющими на выбор материалов и конструкции дугогасительных устройств коммутационных аппаратов являются: усилия в токоведущем контуре, давление в дугогасительной устройстве и его температура, перенапряжения на контактах при отключении тока, энергия дуги отключения и т.д.
Особую важность для выбора конструкции и расчета различных элементов электрических аппаратов эти факторы приобретают при отключении электрических цепей в ненормальных режимах работы (например, при коротком замыкании). Максимальные значения величин перечисленных факторов прямо связаны с отключающей способностью аппарата. Отключающая способность определяется конструкцией аппарата и, в первую очередь, конструкцией дугогасительного устройства (ДУ).
Таким образом, при конструировании, расчетах и сравнительном анализе ДУ нужно учитывать большое количество факторов. Это создает существенные трудности при решении такого типа задач. Поэтому целесообразно считать рациональным - путь снижения количества определяющих факторов.
Известно, что указанные выше факторы являются сложными функциями тока отключения. Следует также отметить, что среди всех функций тока отключения наиболее важной является энерговыделения на коммутирующем элементе. В конечном итоге от этой энергии зависят и температура дугогасительного устройства, и давление развиваемое в нем, и усилия в токоведущем контуре, и перенапряжения на контактах и другие факторы. Поэтому имеет смысл перейти от нескольких определяющих факторов к одному: энергии дуги отключения.
Это позволит значительно упростить конструктивные разработки, расчетные работы и сравнительный анализ различных ДУ.
В подтверждении того, что энерговыделения в дуге отключения может быть использовано в качестве определяющего обобщенного параметра при разработке ДУ приведем следующие примеры.
В работах /8,54,63/ приведена аналитическая зависимость, определяющая необходимую площадь охлаждения дугогасительного устройства. Эта поверхность прямо пропорционально зависит от энергии дуги отключения - Wg .
В работе /33/ указывается, что масса пластины дугогасительной решетки рассчитывается из условий ее допустимого перегрева и при этом прямо зависит от величины WQ
В результате анализа работы аппаратов зарубежного и отечественного производства многие исследователи /12,54,68/ пришли к выводу, что допустимую частоту, размеры и форму ДУ необходимо определять, исходя из количества энергии дуги отключения.
В работах /33/ неоднократно отмечается, что основным фактором, определяющим предельную коммутационную способность автоматов, является также энергия дуги отключения.
Во многих литературных источниках расчеты ДУ базируются на постоянной времени нагрузки I нг.
Теоретические исследования энерговыделения в дуге отключения
Для количественной оценки энергии дуги отключения справедлива до момента отключения; Iот - ток, протекающий в электрической цепи до момента размыкания контактов аппарата; 11ц - напряжение источника питания; экономическое сопротивление нагрузки; Lцг " индуктивность нагрузки; Т - время дуги.
Основываясь на (2.1), обычно дают следующую трактовку относительно качественного распределения энергии в отключаемой цепи: в электрической дуге отключения выделяется энергия источника питания за вычетом потерь в омическом сопротивлении нагрузки (т.е. часть энергии источника питания) плюс вся энергия запасенная в электромагнитном поле нагрузки, но если перепишем формулу (2.1) то можно сказать иначе: в электрической дуге отключения выделяется электромагнитная энергия, запасенная в нагрузке, за вычетом потерь в омическом сопротивлении нагрузки.
Следовательно и первая и вторая формулировки противоречивы, хотя формального точки зрения математики. Формулы (2.1) и (2.2) верны. Таким образом вопрос о том, какая энергия (источника питания или электромагнитная энергия нагрузки) и в каком количестве выделяется в дуге отключения является и требует исследования и уточнения. В последующем изложении приводятся исследования автора по данному вопросу.
Прежде чем проводить исследования энерговыделения в различных элементах электрической цепи оговорим принципы, на которых эти исследования базируются.
Представленные в данном параграфе рис.2.I ... 2.2 являются изображениями электрических цепей, в которых источники питания, омические сопротивления и соединительные провода в определенном геометрическом масштабе отображают реальные физические объекты.
Анализ основных этапов процесса отключения
Обзор литературных источников и экспериментальных данных показал, что процесс отключения электрической цепи коммутационными аппаратами со щелевой камерой можно условно разделить на три этапа. Эти этапы иллюстрируются с помощью рис.3.1 и рис.3.2.
Первый этап представляет собой промежуток времени от момента строгания подвижной контактной системы на отключение ( Т = 0) до момента схода дуги с контактов.
Второй этап представляет собой промежуток времени от момента I j до момента снижения тока в дуге ниже значения минимального тока существования дуги То Третий этап представляет собой промежуток времени от момента L2 Д момента полного восстановления диэлектрических свойств воздуха в ДУ I 3.
Рассмотрим указанные этапы отключения с целью изучения возможности их математического описания.
I этап. На этом этапе падение напряжения на контактах не превышает Ua и т.к. из Uu, коммутационный аппарат не оказывает существенного влияния на величину тока отключения. Значение тока в отключаемой цепи продолжает определяться параметрами источника питания и нагрузки. Следует отметить, что в этот период может иметь место обратное влияние тока отключения на коммутационный аппарат.
Основные этапы процесса отключения электрической цепи аппаратами с дугога-сительными решетками
Анализ работы коммутационных аппаратов с дугогасительной решеткой (ДР) показывает, что переходный процесс отключения цепи также как и в случае со щелевой камерой можно разделить на три этапа, которые проиллюстрированы на рис.4.1 и на рис.4.2. Условия разделения и определения этапов остаются такими же. Во многом качественные описания этапов совпадают. Однако, в связи с наличием в камере пластин в случае дугогасительной решетки имеются некоторые особенности, а именно:
1. при наличии пластин необходимо учитывать влияние их магнитного поля на поведение дуги в дугогасительной устройстве. Это влияние необходимо учитывать на первых двух этапах.
2. второй этап приходится разбивать на три под этапа:
1-ый под этап - от момента строгания дуги ч до ее подхода к пластинам ДР tg ;
2-ой под этап - от момента подхода дуги 2 до появления опорных точек дуги на пластинах І2 ;
3-ий под этап - движение коротких дуг по пластинам.
На 1-ом и 3-ем подэтажах математические модели дугогасительных устройств со щелевой камерой и дугогасительной решеткой практически совпадают (необходима только корректировка, учитывающая влияние пластин на движение дуги). 2-ой же под этап требует тщательной проработки, т.к. на этом этапе протекают процессы, которые отсутствуют в щелевой камере.
На основании вышеизложенного в данной главе приведены результаты исследований по учету влияния пластин на электрическую дугу, а также описана разработанная автором математическая модель П-го подэтапа П-го этапа.
Как и в предыдущей главе все данные приводятся для случая элементарной дуги.
Исследование процесса движения контактной системы
Для определения времени задержки дуги на контактах важное значение имеет зависимость движения контактов во времени.
На рис.5.1 приведена электрическая схема для исследования скорости движения контактной системы.
Работа схемы протекает следующим образом: При переводе тумблера в положение 2 на исследуемый контактор подается напряжение, и он включается. При переводе тумблера из положения 2 в положение I (момент t =0) катушка электромагнита обесточивается. Одновременно подается сигнал на осциллограф для развертки луча. Емкость С позволяет поддерживать постоянное напряжение на точках схемы О. и О в течении всего времени размыкания контактов. В результате на экране осциллографа луч рисует в масштабе кривую за-висю-остн велич, зазора ( Sc) «екдг якоре, и сердечником электромагнита от времени. В момент образования между ГК видимого разрыва, величина сигнала, поступающего на осциллограф, ограничивается резистором что позволяет четко фиксировать на осциллограмме этот момент времени.
На рис.5.2 приведена типичная осциллограмма, полученная с помощью схемы рис.5.1.
В результате обработки осциллограмм получены временные зависимости величины зазора Sc между якорем и сердечником магнитопровода и меж контактного промежутка SK , приведены на рис.5.3.
