Введение к работе
:.::,^ І
Актуальность. Непрерывный рост потребности народного хозяйства (н/х) в электроэнергии требует, с одной стороны, наращивания установленной мощности, а с другой - решения задач ресурсосбережения, которое обеспечивается эффективным функционирован]">м отдельных подсистем и энергосистемы в целом. Первое направление ограничено возникающими проблемами экологического и ресурсного характера, что особенно подчеркивает развернувшаяся в настоящее время дискуссия по поводу строительства АЭС, мощных тепловых и гидроэлектростанций. Во втором направлении особенно актуальным становится сокращение потерь энергии на всех стадиях ее преобразования, транспортировки и использования. Экономия конечной энергии достигается созданием и применением новых энергосберегающих технологій, устранением в н/х непроизводительных потерь продукции всех видов, что непосредственно приводі.]? к снижению и энергоемкости производимой продукции. Для экономии электроэнергии также важен правильный выбор системы и параметров электроснабжения.
Вместе с тем известно, что основной целью энергосистемы является своевременное, бесперебойное и качественное снабжение электроэнергией всех отраслей н/х и отдельных его предприятий. На достижение этой цели оказывает влияние не только функционирование каждой из подсистем (источник энергии, нагрузка, сеть, устройство защити), составляющих энергосистему, но и их взаимное влияние.
Надежная работа каждой из подсистем обеспечивается достижениями соответствующих отраслей науки и техшпш. Взаш.шое влияние таких подсистем как источник-нагрузка, источник-сеть, нагрузка-сеть довольно хорошо изучены. Взаимосвязь устройства защиты с остальными подсистемами оказалась мало изученной, хотя оказывает заметное влияние на нормальное функционирование энергосистемы за счет необходимости согласования защитных характеристик устройств защиты с предельно-допустимыми нагрузками по току и времени, достоверные сведения о которых отсутствуют в связи с многообразием видов потребителей электроэнергии и особенностями их эксплуатации.
Вместе с тем, одним из основных и обязательных узлов различных устройств защиты является исполнительный механизм, который в основном и определяет форлу защитной характеристики. Поэтому с лласова-ние защитных характеристик устройств защиты с предельно-допустимы-
ми нагрузками по току и времени рационально вести за счет модернизации исполнительных механизмов.
Учитывая, что при производстве устройств защиты до 50$ трудоемкости и материалоемкости занимают исполнительные механизмы, можно утвордать, что модернизация исполнительных механизмов это поиск компромисса между требованиями производства устроййств защиты и их потребителями, направленного на экономно конечной энергии.
Ежегодно промышленностью выпускаются сотни млн. штук разнообразных исполнительных механизмов, на изготовление которых расходуются остродефицитные материалы. Многие из применяемых материалов довольно дорогостоящие. Кроме того, не существует идеальных исполнительных механизмов, полностью отвечающих современным требованиям уровня технико-экономических показателей. Поэтому снижение энергоемкости, трудоемкости, материалоемкости, массо-габаритных показателей и улучшение технических параметров представляет проблему, имеющую важное народно-хозяйственное значение.
В связи с необходимостью создания устройств защиты для вновь вводимых объектов со специальными требованиями и повышения надежности защиты существующих- объектов в условиях интенсивного развития народного хозяйства и стал актуальным вопрос о создании и исследовании исполнительных механизмов, основанных на традиционных и малораспространенных принципах.
Црль работы.Определение предельно-допустимых токовых и тепловых нагрузок низковольтных потребителей электроэнергии с последующей их координацией с защитными характеристиками устройств защиты путем варьирования время-токовыми характеристиками исполнительных механизмов модернизацией существующих и разработкой новых, основанных на традиционных и малораспространенных принципах и различных материалах.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
систематизация и классификация потребителей электроэнергии, а также существующих исполнительных механизмов и определение их достоинств и недостатков;
-
исследования предельно-допустимых нагрузок по току и времени выделенных основных групп потребителей электроэнергии и определение требований для выбора устройства защиты для каждой группы
в отдельности;
3) анализ свойстз материалов не тлевших широкого применения
в электроаппаратостроении, выбор наиболее перспективных и исследования возможностей их применения в исполнительных механизмах. Модернизация существующих исполнительных механизмов и разработка новых, основанных на применяемых и не имевших широкого применения материалах, а также на традиционных и нетрадиционных принципах действия. Определение достоинств и недостатков предлагаемых исполнительных механизмов;
-
создание математических моделей и разработка методов тасче-та различных исполнительных механизмов;
-
выяснения влияния различных факторов на стабильность работы терлобпметаллических исполнительных механизмов и исследования автоматических выключателей с предложенными исполнительными механизмами в качестве максимальных расцепителей тока, создание прогрессивных технологических процессов при производстве автоматических ЕЫКЛЮЧ-ТелеЙ.
Методы исследования. Поставленные задачи решались на основе анализа научно-технической и патентной литературы, посвященной устройствам защиты и общим физическим процессам в исполнительных механизмах.
Для получения пакета требований к устройствам защиты различных потребителей электроэнергии использованы методы анализа сложных систем (микроподход). При решении'комплекса поставленных задач использованы взаимосвязанные экспериментальные и теоретические исследования с последующим внедрением в серийное производство полученных результатов. При анализе физических процессов в исполнительных механизмах и устройствах защиты, определяющих их поведение под воздействием магнитного и температурного полей использовались классические методы математической физики и теории упругости, электродинамики и теоретической электротехники (метод тепловых источников, операторный, с использованием уравнений Кирхгофа, метод контурных токов и т.п.). Критерием истины служили экспериментальные исследования с последующей их обработкой методами теории вероятности и математической статистгаш, реализуемые на ЭШ.
Научная новизна. I. Разработан системный подход к созданию защитных устройств, основанный на предложенной классифшсации основных потребителей электроэнергии по функциональным признакагл, гределены их предельно-допустимые нагрузки по току и времени и сформированы рекомендации по их координации с характеристиками устройств защити.
-
Разработаны оригинальные конструкции магнитострикционных, тер.юмагнитных исполнительных механизмов, исполнительных механизмов из материалов с обратимой механической памятью фор,ш (Ш5) и другие, основанные на примошемых и не имевших широкого применения в электроаппаратостроении материалах, а также на традиционных и нетрадиционных принципах действия и их сочетаниях, способы регулировки предложенных исполнительных механизмов.
-
Определены характеристики предложенных исполнительных механизмов на основе комплексных исследований, включающих:
выяснение характера деформаций магнитострикционного биметалла в зависимости от величины магнитного поля с учетом технологии его изготовления;
возможные способы термокомпенсацш магнитострикционного биметалла;
определение времени деформаций магнитострикционного биметалла;
выяснение характера деформаций и развиваемых при итом усилий элементов из 1Ш от величины тока, технологии термообработки, длительности работы.
-
Созданы методы расчета магнитострикционных, терломагнитных исполнительных механизмов и исполнительных механизмов с использованием НПЗ.
-
Разработан и проведен комплекс исследований, позволивший с помощью трех зависимых агрегированных факторов описывать стабильность работы тер.юбшеталлических исполнительных механизмов и создать новую практику их проектирования.
Автор защищает. I. Системный подход к созданию устройств защиты, основанный на координации их защитных характеристик с предельно-допустимыми нагрузками по току и времени различных потребителей электроэнергии путем варьирования время-токовыми характеристиками исполнительных механизмов.
-
Классификацию потребителей электроэнергии, анализ особенностей их защиты и рекомендации по выбору устройств защиты.
-
Статические и динамические характеристики магнитострикционных элементов и влияние на них технологии изготовления.
-
Нетрадиционные принципы построения исполнительных механизмов, основанные на применяемых и не имевших широкого применения в электроаппаратостроении материалах.
-
Пакет разработанных вариантов исполнительных механизмов по
каждому нетрадициоиному принципу и пакет модернизированных конструкций по традиционным принципам.
-
Методы расчета предложенных исполнительных механизмов.
-
Комплекс исследований стабильности работы термобиметалл:--ческих исполнительных механизмов по трем агрегированным зависимым факторам и практику проектирования таких механизмов.
-
Согласование разработанных исполнительных механизмов с конструкцией и работой автоматических выключателей и метод определения степени влияния различных причин на стабильность их раб">ты, а также способы калибровки.
Практическая ценность. I. Определены предельно-допустимые нагрузки по току и времени выделенных групп потребителей электроэнергии и сфорлулированы рекомендации по выбору устройств защиты.
-
Разработаны нетрадиционные принципы построения исполнительных механизмов и проведено исследование их характеристик.
-
Спроектирован ряд исполнительных механизмов, основанных на ранее не используемых в электроаппаратостроении материалах и нетрадиционных принципах, имеющих по фор.іе отличные друг от друга время-токовые характеристики, что позволяет расширить возможности выбора устройств защиты для многообразных объектов народного хозяйства.
-
Разработаны способы регулировки термомагнитных, термобиметаллических исполнительных механизмов и исполнительных механизмов из МШ, обладающие уменьшенной энергоемкостью и трудоемкостью производства и эксплуатации.
-
Спроектирована серия тэрмобиметаллических исполнительных механизмов, использование которых в качестве максимальных расцепи-телей тока прі производстве автоматических выключателей позволило снизить энергоемкость, материалоемкость и трудоемкость их производства и эксплуатации.
-
Созданы математические и физические модели для исследований и разработки исполнительных механизмов, основанных на различных принципах.
-
Создан способ очистки и металлических покрытий МПЗ (75Г25Д), позволивший широко их использовать в исполнительных механизмах.
-
Проведена разработка общих и частных методов анализа и расчета отдельных характеристик различных исполнительных механизмов.
-
Разработан метод определения степени влияния разг. г-гных прі-чин нестабильной работы автоматических выключателей по времени срабатывания в зоне токов перегрузки и методы их калибровки, в том
.числе и бестоковые.
10. Предложена новая практика создания термобиметаллических
исполнительных механизмов.
11, В результате проведенных в диссертации работ защищены S'O
авторскими свидетельствами конструкции исполнительных механизмов,
устройства защиты, способы их регулировки и испытательное оборудо
вание.
Внедрение результатов работы. I. Материалы исследований по четырем магнитострикционным и одному комбинированному (сочетание ин-дукционно-динамических сил с тепловыми деформациями термобиметаллов) исполнительным механизмам (а.с. 1?№: 448 509; 479 173; 494 796; 542 259; 502 414) переданы в документации странам членам Интер-электро в порядке научно-технического и экономического сотрудничества по разработке перспективной серии автоматических выключателей на номинальные токи от 25 до 1600 А.
2. Термобиметаллический исполнительный механизм по
а.с. !'' I4I5267 (СССР) в качестве максимального расцепителя тока внедрен в массовое производство автоматических выключателей типа АЕ-2046М с номинальными токами 25-63 А на Черсесском заводе НВА с годовым экономическим эффектом в народном хозяйстве 250 000 руб. и на заводе "Дагэлектроаппарат". Такие автоматические выключатели, выпускаемые только на Черкесском заводе НВА позволят сэкономить в течение одного года 2,5 млн. кВт/ч электроэнергии.
3. Тер.юбиметаллический исполнительный механизм по а.с.
№ 137І6І9 (СССР) внедрен в кассовое производство автоматических выключателей типа АЕ-204Ш с 1986 г. с годовым экономическим эффектом 638000 руб. на Черкесском заводе НВА, который получен за счет снижения трудоемкости и материалоемкости и на заводе "Дагэлектроаппарат".
4..Термобиметаллический исполнительный механизм по а.с. № 1453472 (СССР) внедрен в массовое производство автоматических выключателей типа АЕ-204Ш с номинальными токами 0,8 - 20 А в 1990 г. на Черкесском заводе НВА. Подобные выключатели, выпускаемые только Черкесским заводом НВА позволят сэкономить в течение одного года 3,0 млн.кВт/ч электроэнергии.
5. Бестоковый способ калибровки по а.с. (заявка I? 4629519, пол. решение от 16.08.89 г.) внедрен, с 1990 г. на конвейере сборки Черкесского завода НВА массового производства автоматических выключателей типа АЕ2046М с экономией электроэнергии 0,6 млн.. кВт/ч в году.
6. Термобиметаллический исполнительный механизм по а.с.
№ II97992 (СССР) в качестве максимального расцепителя тока на токи перегрузки внедрен в массовое производство автоматических выключателей типа АЕ-2026 на Черкесском заводе НВА в 1987 г. и в 1990 г., там же в серийное производство автоматических выключателей типа BA5I-25, который позволил повысить надежность "їх работы.
7. Термобиметаллический исполнительный механизм по а.с.
№ 1324078 (СССР) в качестве максимального расцепителя тока на токи перегрузки внедрен в серийное производство автоматических выключателей типа АЕ-2026 с номинальными токами 1,25 и 1,6 А на Черкесском заводе НВА в 1987 г. Такое внедрение позволило повысить надежность работы подобных автоматических выключателей.
-
Система подвижных контактов по а.с. У? І5293І2 внедрена в серийное производство автоматических выключателей типа АК-25 на Черкесском заводе НВА с января 1990 г., что позволило повысить надежность их работы.
-
Электромагнитный исполнительный механизм по а.с. І339690 (СССР) в качестве максимального расцепителя тока на токи короткого замыкания внедрен в серийное производство автоматических выключателей типа АЕ-2533 на Черкесском заводе НВА в 1987 г. с годовым экономически!* эффектом 35000 руб., который получен за счет сниже-ішя материалоемкости и трудоемкости..
-
Электромагнитное реле защиты по а.с. № 670988 (СССР) внедрено на Косогорском металлургическом заводе в 1979 г.
-
Контактная система по а.с. № 1038973 (СССР) внедрена в 1985 г. на Орско-Халиловеком металлургическом комбинате в схеме управленім магнитным укладчиком травильного агрегата и в 1987 г. на Запорожском титано-магниевом комбинате.
-
Тер.юмагнитный исполнительный механизм по а.с. № 868876 (СССР) используется в цехе сетей и подстанций Дцаиовского металлургического комбината "Азовсталь" с 1982 г.
-
Способ травления деталей из медьсодержащих сплавов по а.с. № 933826 (СССР) внедрен с 1983 г. на предприятии п/я М-56 г.Москва.
-
Способ предварительной калибровки теплового максимального расцепителя тока по а.с. (заявка № 4 734 859/24-07, пол. решение от 29.06.89 г.) внедрен с 1991 г. на конвейере сборки Харьковского электромеханичес" іго завода серийного производства автоматических выключателей типа А3796 с годовым экономическим эффектом 406 000 руб.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции молодых исследователей БНИИэлектроаппарат, г.Харьков, 1973, 1974 и 1975 г.г.; на научно-техническом Совете БНИИэлектроаппарат, г.Харьков, 1975 и 1980 г.г.; на семинаре Харьковского отделения научно-технического общества электротехнической промышленности, г.Харьков, 1979 г.; на заседании 4-ой рабочей группы Интерэлект-ро, г.Харьков, 1973 г.; на научном Совете АН УССР по проблеме "Научные основы электроэнергетики (семинар "Электрические аппараты для преобразовательной техники"), г.Харьков, 1978 и 1979 г.г.; на научно-технической конференции, посвященной двадцатипятилетию Всесоюзного научно-исследовательского, проектно-конструкторского и технологического института релестроения, г.Чебоксары, 1986 г.; на Всесоюзной конференции школы-семинара по контактам, организованной АН УССР, г.Одесса, 1987 г.; на научно-технической конференции МЭИ, г.Ыосква, 1988 г.; на Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития производства аппаратов низкого напряжения", г.Дивногорск, 1990 г.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 121 печатных работах, в том числе I монографии, 31 статьях и докладах, 90 авторских свидетельствах на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (218 наименований). Диссертация содержит 300 страниц основного машинописного текста, 150 рисунков и 33 таблицы.
