Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Жидкометаллические композиционные контакты и их использование в многоамперных электрических аппаратах 31
1.1. Постановка задачи 31
1.2. Исследование основных характеристик композиционных жидкометаллических контактов многоамперных электрических аппаратов 40
1.2.1. Понятие о композиционном жидкометаллическом контакте 40
1.2.2. Исследование и выбор материалов твердых электродов и основы композиционных жидкометаллических контактов 44
1.2.3. Исследование сопротивления композиционных жидкометаллических контактов 54
1.2.4. Анализ возможности замены серебряных контактов в многоамперных электрических аппаратах на композиционные жидкометаллические контакты 70
1.3. Исследование микроструктуры контактной поверхности композиционных жидкометаллических контактов 73
1.3.1. Микрофотоанализ контактной поверхности композиционного жидкометаллического контакта 73
1.3.2. Расчет действительной площади контактной поверхности композиционного жидкометаллического контакта с помощью статистических методов 95
1.3.3. Качественный фазовый рентгеноструктурный анализ поверхности твердометаллического электрода композиционного жидкометаллического контакта 104
1.4. Выводы к главе 1 107
Глава 2. Токораспределение в многоамперных электрических аппаратах и контактных системах 112
2.1. Постановка задачи 112
2.2. Влияние формы токоподводов на распределение тока между параллельными контактами в многоамперных электрических аппаратах 112
2.3. Влияние величины контактного сопротивления на распределение тока между параллельно включенными контактными мостиками 125
2.4. Распределение тока между параллельными токоподводами в многоамперных токоведущих системах 131
2.5. Выводы к главе 2 137
Глава 3. Анализ тепловых процессов в многоамперных электрических аппаратах 138
3.1. Постановка задачи 138
3.2. Тепловые процессы в многоамперных аппаратах с естественным охлаждением 142
3.2.1. Основные соотношения 142
3.2.2. Сопоставление результатов расчета и опыта при эксплуатации многоамперных выключателей с естественным охлаждением 156
3.3. Тепловые процессы в многоамперных аппаратах с искусственным жидкостным охлаждением 161
3.3.1. Основные соотношения 161
3.3.2. Сопоставление результатов расчета и опыта при эксплуатации многоамперных выключателей с принудительным жидкостным охлаждением 173
3.4. Тепловые процессы в многоамперных аппаратах с автономным жидкостным охлаждением 180
3.4.1. Основные соотношения 180
3.4.2. Сопоставление результатов расчета и опыта при эксплуатации многоамперного разъединителя с автономным жидкостным охлаждением .191
3.5. Проводимость и тепловые потери композиционных жидкометаллических контактов 198
3.5.1. Проводимость композиционного жидкометаллического контакта 198
3.5.2. Распределение тепловых потерь в композиционных жидкометаллических контактах 212
3.5.3. Пример расчета проводимости и распределения тепловых потерь в композиционных жидкометаллических контактах 217
3.5.4. Экспериментальная проверка методики расчета проводимости и тепловых потерь композиционного жидкометаллического контакта и анализ полученных результатов 221
3.6. Выводы к главе 3 229
Глава 4. Электродинамическая стойкость и коммутационные процессы в многоамперных электрических аппаратах низкого напряжения 231
4.1. Постановка задачи 231
4.2. Электродинамическая стойкость многоамперных электрических аппаратов и токоведущих систем с учетом их объемных геометрических параметров 233
4.3. Пример расчета электродинамической стойкости многоамперных электрических аппаратов и токоведущих систем 241
4.4. Исследование электродинамической стойкости композиционных жидкометаллических контактов 246
4.5. Электрический износ контактов многоамперных электрических аппаратов низкого напряжения 258
4.6. Выводы к главе 4 273
Глава 5. Анализ и систематизация конструкций многоамперных электрических аппаратов 274
5.1. Общие положения 274
5.2. Многоамперные электрические аппараты с естественным охлаждением 279
5.2.1. Выключатель шунтирующий с током нагрузки 40 кА типа ВШ-400 279
5.2.2. Выключатель шунтирующий с током нагрузки 20 кА типа Р-101 291
5.2.3. Выключатель шунтирующий с током нагрузки 150 кА типа БШРС-1500 295
5.3. Многоамперные электрические аппараты с принудительным жидкостным охлаждением 303
5.3.1. Выключатель на ток нагрузки 63 кА типа В-61 М 303
5.3.2. Выключатель на ток нагрузки 30 кА (В-30 М), 100 кА (В-ЮОМ) и 125кА(В-125М) 314
5.3.3. Выключатели модульной конструкции на токи нагрузки 100 кА (ВВМШ 1000)и150кА(ВВМШ-1500) 319
5.3.4. Малогабаритные короткозамыкатели натоки нагрузки 25 кА, 50 кА, 65 кА типа КМ 322
5.3.5. Выключатели с композиционными ЖМК на токи нагрузки 75кА(В-61КЖМК)и100кА(В 100КЖМК) 330
5.3.6. Выключатели для наружной установки 342
5.4. Многоамперные электрические аппараты с автономным жидкостным охлаждением 367
5.4.1. Принцип действия системы автономного охлаждения .'. 367
5.4.2. Разъединитель типа РВП (3) с автономным охлаждением на ток нагрузки 24 кА 368
5.4.3. Результаты исследований и опытной эксплуатации разъединителя РВП (3) с автономным охлаждением 370
5.5. Выводы к главе 5 379
Глава 6. Анализ состояния и результаты разработки экономичных многоамперных токоведущих систем электрических установок 381
6.1. Постановка задачи 381
6.2. Анализ состояния многоамперных токоведущих систем электролизных установок химических предприятий 382
6.3. Результаты разработок экономичных многоамперных токоведущих систем электролизных установок 385
6.4. Разработка методики расчета оптимизации геометрических характеристик электролизной ванны 393
6.5. Выводы к главе 6 413
Заключение 415
Литература 420
- Исследование основных характеристик композиционных жидкометаллических контактов многоамперных электрических аппаратов
- Влияние формы токоподводов на распределение тока между параллельными контактами в многоамперных электрических аппаратах
- Тепловые процессы в многоамперных аппаратах с естественным охлаждением
- Электродинамическая стойкость многоамперных электрических аппаратов и токоведущих систем с учетом их объемных геометрических параметров
Введение к работе
Низковольтные аппараты являются важнейшим звеном всего современного энергоснабжения. Развитие автоматизации производственных процессов в значительной мере определяется прогрессом в области аппаратостроения. Электрические аппараты составляют 90% всех элементов автоматизации, а на установки с низковольтной аппаратурой приходится 70% всей потребляемой в стране электроэнергии.
Появление электрических аппаратов низкого напряжения относится ко второй половине XIX в. и связано с именами выдающихся электромехаников Э.Х.Ленца, П.Н.Яблочкова, М.О.Доливо-Добровольского, В.Н.Чиколева, И.А.Вышнеградского и др. Однако промышленное производство электрических аппаратов долгое время было развито слабо, носило полукустарный характер и находилось в руках иностранных фирм.
Намеченной планом ГОЭЛРО в 1920 г. развитие электрификации потребовало большого количества аппаратов. Была поставлена задача -возродить разрушенные войной заводы, расширить их производство, воспитать кадры инженеров аппаратостроителей и этим создать самостоятельную отрасль промышленности - отечественное электроаппаратостроение. Это была нелегкая задача, потребовавшая много труда и времени. Лишь к 1927-1930 гг. Российское электроаппаратостроение вступило в фазу создания собственных конструкций и систем.
С тех пор расширилось производство, появилось большое количество принципиально новых конструкций, сформировался многочисленный отряд работников низковольтного аппаратостроения, из испытательных станций выросли большие, богато оснащенные научно-исследовательские институты. Отечественное аппаратостроение вышло на мировую арену. Основными заводами, производившими в то время электрическую аппаратуру, были: завод «Электросила», Харьковский электромеханический завод (ХЭМЗ), завод «Динамо» в Москве, завод «Электрик» в Ленинграде. На этих заводах имелись электроаппаратные цехи, а на ХЭМЗ было организовано электроаппаратное производство.
В 1925 г. началась специализация электроаппаратных заводов. Завод «Электросила», например, стал выпускать электрические аппараты для ртутных выпрямителей и некоторые вспомогательные аппараты для собственного производства.
К 1927 г. объем продукции электрических аппаратов в стране увеличился почти в четыре раза по сравнению с 1913 г. Однако в это время электротехническая промышленность не могла еще полностью удовлетворить потребностей народного хозяйства и часть аппаратов приходилось ввозить из-за границы.
Период довоенных пятилеток (1928-1941 гг.) характеризуется строительством новых и реконструкцией старых аппаратных заводов. В этот период конструкторы перешли от копирования иностранных образцов к созданию оригинальных отечественных конструкций.
1930 г. следует считать началом внедрения автоматизации в область промышленного электропривода, потребовавшей большого количества аппаратов, которые прежде вовсе не производились или изготовлялись в весьма ограниченном объеме.
В 1934 г. был сделан новый важный шаг в развитии отечественного аппаратостроения - переход от производства отдельных аппаратов к изготовлению единых общесоюзных серий.
В период Великой Отечественной войны общий прогресс в области аппаратостроения был заторможен, а выпуск аппаратов значительно сократился. Однако уже к исходу войны и в первые послевоенные годы электроаппаратостроение стало развиваться ускоренными темпами, опережающими довоенные. К 1958 г. объем производства электрических аппаратов был увеличен почти в 5 раз по сравнению с довоенным уровнем. Были восстановлены и значительно расширены электроаппаратные лаборатории и конструкторские отделы на заводах, в НИИ и высших учебных заведениях.
В Чебоксарах, Ульяновске, Уфе, Прокопьевске, Медногорске, Курске, Тирасполе, Орджоникидзе, Тбилиси, Ереване и многих других городах были организованы заводы, изготовлявшие только низковольтную аппаратуру. Все это в значительной мере подвигло вперед конструкторскую и исследовательскую мысль.
Появились новые оригинальные конструкции. Отечественными низковольтными аппаратами стали снабжаться и ряд зарубежных предприятий.
Были разработаны и освоены в производстве специальные конструкции, в частности приспособленные для работы в тропическом климате. Были организованы: Всесоюзный научно-исследовательский институт низковольтного аппаратостроения (ВНИИ «Электроаппарат»), специальное проектно-конструкторское бюро по электрооборудованию для станков (СКБ «Электростанок») в Харькове, Всесоюзный научно-исследовательский институт релестроения (ВНИИР) в Чебоксарах, построена лаборатория разрывных мощностей на заводе «Контактор» в Ульяновске, расширены и модернизированы аппаратные лаборатории завода «Электросила» в Ленинграде, созданы большие аппаратные отделы во Всесоюзном научно-исследовательском институте взрывозащитного и рудничного электрооборудования в Донецке (ВНИИВЭ).
В 70-е и 80-е годы расширение исследовательской базы и проведение больших конструкторских работ позволило в относительно короткий срок значительно обновить и расширить номенклатуру электрических аппаратов, приблизив их характеристики к современным требованиям. Одновременно с этим шло совершенствование технологии производства.
В конце 20-го столетия номенклатура отечественных низковольтных аппаратов насчитывала более 400 серий, содержащих 70000 основных типоразмеров. Среди них: рубильники и переключатели на большой диапазон номинальных токов; пакетные выключатели, позволяющие собирать малогабаритные коммутационные схемы; плавкие предохранители всех видов (обыкновенные, селективные, токоограничивающие, быстродействующие и т.д.); автоматические выключатели (универсальные с полупроводниковыми расщепит елями, установочные, быстродействующие с большой отключающей способностью, селективные и т.д.); автоматы гашения поля на номинальные токи до 10000 А, защищающие все генераторы, вплоть до самых крупных, от разрушительного действия внутренних коротких замыканий; универсальные контакторы, предназначенные для управления электроприводами как в обычных условиях, так и при тяжелых режимах работы; высоковольтные контакторы для токов до 20000 А; реле управления и автоматики; командоаппараты и контроллеры; электрические аппараты для металлообрабатывающих станков; аппараты для взрывоопасных установок; аппараты защиты и автоматики энергосистем; комплексные устройства управления электроприводами; бесконтактные электрические аппараты и т.д.
В 80-е годы объем производства электрических аппаратов составлял 12% от объема выпуска электротехнической промышленности.
В 60-е годы резкий рост мощности промышленных установок вызвал значительное повышение номинальных токов электротехнических устройств. Все убыстряющийся рост мощности электрических установок приводит к необходимости использовать не только высокое напряжение, но и очень большие токи. На крупных электростанциях это связано с ростом мощности турбо-гидрогенераторов. За последние несколько десятилетий мощность этих электрических машин возросла более чем в 30 раз (от 30 МВт в предвоенные годы до 1000 МВт и более в настоящее время), а их номинальные токи увеличились более чем в 20 раз. Если ранее они не превосходили одной-двух тысяч ампер, то теперь токи измеряются десятками тысяч ампер и имеют тенденцию к дальнейшему росту. Например, у генераторов 600 МВт они составляют 24 кА. Агрегаты на 1000 МВт - 1200 МВт имеют номинальные токи порядка 40 кА. У машин мощностью 2000 МВт и более токи измеряются уже сотнями тысяч ампер.
Однако большие токи применяются не только при генерировании электроэнергии, но и еще в большей мере при ее использовании для технологических целей. Так, в металлургических установках при выплавке металлов и в электролизных производствах химической промышленности уже существуют установки с номинальными токами 150 кА - 200 кА. Таким образом, наряду с техникой высоких напряжений в последние десятилетия быстро развивалась и техника очень больших токов. Многоамперное аппаратостроения является одной из ветвей этого направления.
В задачу настоящей работы входит рассмотрение ряда вопросов, возникающих при разработке и изготовлении электрических аппаратов с очень большими номинальными токами.
Многоамперные аппараты - это аппараты, номинальный ток которых превышает 10000 А. В основном такие аппараты применяются в технологических процессах производства таких металлов, как алюминий, магний, натрий, химических веществ таких, как хлор, каустическая сода и др., электролизным способом.
Известно, что производительность электролизных установок зависит от значения их номинального тока. Чем больше этот ток, тем выше производительность получения того или иного продукта. Поэтому за последние несколько десятилетий номинальные токи отечественных электролизных установок возросли от 10 кА до 200 кА.
Перезарядку и ремонт любого электролизера нужно производить, не нарушая работы всех остальных. В противном случае нарушается технология производства и резко падает производительность промышленных предприятий. С этой целью и используются шунтирующие многоамперные выключатели. Шунтирующий выключатель присоединяется параллельно электролизеру. Если контакты такого выключателя замкнуты, то весь ток протекает через него, а электролизер можно отключить. После перезарядки или ремонта электролизера контакты выключателя размыкаются и ток начинает идти по нормальному пути.
Шунтирующие выключатели должны не только длительно пропускать большой ток нагрузки, но и коммутировать этот ток большое количество раз. Поэтому шунтирующие многоамперные аппараты, вследствие специфики своей работы, отличаются по своей конструкции от других видов коммутационной аппаратуры.
Пионером и инициатором разработок и проектирования многоамперных электрических аппаратов на токи нагрузки 10 кА - 60 кА с жидкостным охлаждением для предприятий химической и металлургической промышленности стал патриарх отечественного аппаратостроения Заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретических основ электротехники Северо-Западного заочного политехнического института О.Б.Брон.
Разработанный О.Б.Броном со своими учениками шунтирующий многоамперный выключатель на номинальный ток 63 кА был запатентован рядом зарубежных стран (Францией, Италией, Германией, США). Лицензии на его изготовление были проданы в Румынию, Болгарию, Турцию. Этот же аппарат В-61 серийно производился Ульяновским заводом «Контактор» с 1975 г. по 1990 г. и успешно применялся на ряде химических предприятий бывшего СССР.
С 1987 г. совместным приказом № 906/130 от 17.12/11.12 1987 г. Министерства химической промышленности и Министерства среднего и высшего специального образования РСФСР в Северо-Западном заочном политехническом институте была организована Отраслевая научно-исследовательская лаборатория «Сильноточных контактных систем» (ОНИЛ СКС). Научным руководителем этой лаборатории был назначен ученик О.Б.Брона, автор настоящей работы.
Задачами научных разработок лаборатории явились:
- исследование и разработка сильноточных контактных систем без применения серебра;
- разработка, создание и внедрение новых перспективных сильноточных выключателей, в том числе и с контактами без серебра;
- модернизация существующих многоамперных выключателей с целью увеличения их срока работы и надежности;
- работа по повышению экономичности и надежности токоведущих систем электролизных установок;
- осуществление технического надзора за работой выключателей и контактных соединений на предприятиях Минхимпрома;
- исследование тепловых и электромагнитных процессов в сильноточных выключателях и электролизерах и оптимизация их контактных систем. ОНИЛ СКС являлась ведущим в РФ и странах СНГ разработчиком и изготовителем различных модификаций многоамперных выключателей на токи нагрузки 25 кА - 200 кА.
При проектировании и создании многоамперных электрических аппаратов необходимо было решить ряд характерных проблем, связанных с применением таких огромных по величине токов.
1. Осуществление многоамперных аппаратов в приемлемых габаритах вызывает необходимость повысить токовые нагрузки их частей и, в частности, контактных соединений. Номинальные токи в значительной мере определяются температурой, допустимой для контактных соединений. Превышение этой температуры ведет к прогрессирующему увеличению сопротивления контактов вследствие их окисления и к аварии аппарата. Однако существуют контактные материалы, свойства которых отступают от указанного правила. Такими материалами оказались серебро и некоторые серебросодержащие композиционные контакты. При повышенных температурах сопротивление таких контактов не растет, а наоборот, падает. Это происходит потому, что окислы серебра разрушаются при повышенных температурах, а размеры контактной площадки растут в результате пластической деформации [1].
Указанное обстоятельство послужило основанием для значительного повышения допустимых температур, а стало быть, и токовых нагрузок для серебряных и некоторых композиционных контактов.
Эта температура была доведена до 200°С вместо ранее существовавшей 125 °С, что имело большое значение для многоамперного аппаратостроения [2].
2. Известно, что мировые запасы серебра очень ограничены и быстро истощаются. Поэтому важнейшей задачей аппаратостроения становится изыскание путей экономии расходования серебра для контактов. Это особенно актуально для многоамперных электрических аппаратов, в которых используется большое количество серебра для контактных соединений.
В связи с этим возрос интерес к жидкометаллическим контактам (ЖМК), которые обладают рядом достоинств: они имеют малое переходное сопротивление, требуют незначительного контактного нажатия, в них отсутствуют явления сваривания, залипання, вибрации контактов и т.д.
Важным обстоятельством, побуждающим обращаться к ЖМК является то, что они в ряде случаев могут заменить серебро.
Однако наряду с достоинствами ЖМК имеют и недостатки, которые являются препятствием для их широкого применения. Это необходимость закрытого объема контактного узла, так как. в противном случае, ввиду большой подвижности жидкого металла, электродинамические силы способны выбросить его из зоны электрического контакта, а также зависимость работоспособности ЖМК от положения в пространстве. Этих существенных недостатков ЖМК не имеют жидкометаллические композиционные контакты (КЖМК), состоящие из пористых, слоистых, сетчатых материалов, пропитанных или смоченных жидким металлом и помещенных между двумя твердометаллическими электродами. Достоинствами КЖМК является также то, что они могут легко сочетаться с конструкциями существующих сильноточных электрических аппаратов с контактами мостикового типа и используют незначительное количество жидкого металла.
Одной из целей настоящей работы является исследование свойств и возможностей КЖМК, а также создание многоамперных электрических аппаратов с КЖМК.
3. Повышение токовых нагрузок в электрических аппаратах может быть достигнуто в результате применения в них искусственного охлаждения токоведущих частей [3].
Обдувание аппарата воздухом позволяет уменьшить вес и габариты аппарата. Однако подвод охлаждающего воздуха к токоведущим элементам не всегда возможен. Внезапный перерыв в подаче воздуха приведет к перегреву аппарата и к аварии.
Более эффективным является водяное охлаждение. В токоведущих частях аппарата делаются каналы, по которым пропускается охлаждающая вода. Водяное охлаждение позволяет создавать аппараты с номинальными токами 30 кА-200 кА в небольших габаритах.
В конструкциях, где подвод воды к контактам и токоведущим частям аппарата затруднен, эффективной оказалась комбинированная система охлаждения. Так, например, в некоторых высоковольтных генераторных выключателях, где контактная система располагается внутри немагнитного заземленного резервуара, наполненного воздухом или элегазом (SF6) при повышенном давлении, тепловой поток от токоведущих частей передается газовой среде, а от нее стенкам резервуара, которые охлаждаются водой. Газ выполняет две функции: обеспечивает гашение дуги и служит теплопроводящей средой, переносящей тепловой поток к стенкам резервуара. Такая система позволяет избежать подвода воды к токоведущим частям, находящимся под высоким напряжением [4,5].
Аналогичное решение может быть использовано в многоамперных масляных выключателях с большими номинальными токами. В этих аппаратах все токоведущие части погружены в бак с трансформаторным маслом. Водой охлаждаются только неподвижные токоведущие элементы. Подвижные контакты имеют масляное охлаждение. Тепловой поток от этих контактов передается маслу, а от него охлаждаемым водой неподвижным деталям.
В многоамперных аппаратах возможно также применение автономного жидкостного охлаждения, которое основано на переносе тепла от аппарата к расположенному над ним радиатору. В результате тепловой конвекции жидкость циркулирует по замкнутому контуру. При этом способе не нужно ни насосов, ни фильтров, ни контрольно-измерительной аппаратуры. Не возможны аварии из-за перерыва в подаче воды. Возможно применение незамерзающих жидкостей при низких температурах. Таким образом, автономная система охлаждения в ряде случаев конкурентоспособна с системой принудительного жидкостного охлаждения, хотя по интенсивности теплоотвода она ей уступает. Одной из задач настоящей работы явилось проектирование многоамперных аппаратов с искусственными системами охлаждения и разработка методик тепловых расчетов таких аппаратов с применением ЭВМ.
4. В многоамперных электрических аппаратах приходится применять большое число параллельно включенных контактов с целью увеличения контактных площадок и снижения контактного сопротивления.
Поэтому важное значение приобретает вопрос о равномерности распределения токов между контактными мостиками.
Этому вопросу посвящено ряд работ, в которых авторы рассматривают неравномерность токораспределения между параллельными контактами [6-8].
Одной из задач настоящей работы явилось рассмотрение вопроса токораспределения в параллельных мостиковых контактах многоамперных выключателей постоянного тока в зависимости от форм и геометрии токоподводов аппарата и от значения переходного контактного сопротивления.
5. Известно, что при протекании в токоведущих контурах больших токов, в них возникают значительные электродинамические усилия. Эти усилия стремятся деформировать проводники, влияют на отброс контактов и на время срабатывания электрических аппаратов.
В большей степени это относится к многоамперным электрическим аппаратам с номинальными токами, которые превышают даже токи коротких замыканий в промышленных электроустановках. Поэтому расчет электродинамической устойчивости при разработке многоамперных выключателей приобретает особую актуальность.
В [9-22] определены выражения для электродинамических сил в варианте, который не дает возможности точного анализа зависимости этих сил от объемных геометрических параметров токоподводов.
Одной из задач настоящей работы явилось рассмотрение вопроса определения электродинамических сил, которые возникают между токоподводами в зависимости от их сечения, взаимного расположения в пространстве и временного фактора.
6. Как указано выше, многоамперные электрические аппараты должны нетолько длительно пропускать большой ток нагрузки, но и коммутировать этот ток. Поэтому повышение числа коммутационных операций, которое характеризует электрическую износостойкость аппарата, является одной из важнейших задач в электроаппаратостроении.
Известно, что дуговой разряд на размыкаемых контактах возникает, если значения тока и напряжения превосходят некоторые критические значения. Из [9] критический ток должен быть не менее 0,5 А, а напряжение - не менее 10- 12В.
Шунтирующие многоамперные выключатели коммутируют электрические цепи постоянного тока при напряжении не более 6 В.
Однако при отключении больших токов в десятки килоампер в режиме расшунтирования электролизной ванны возникают перенапряжения в несколько десятков вольт, которые приводят к появлению между контактами в начальный момент их расхождения объемного мостика жидкого металла и его разрушение будет сопровождаться сильным дуговым разрядом. Это приводит к вы5росу значительной массы контактного материала, что является главной причиной износа контактов.
Поэтому одной из задач настоящей работы явилось определение условий уменьшения электрической эрозии контактов в многоамперных аппаратах при низком напряжении в зависимости от правильного выбора конструкции контактной системы и создание аппаратов с повышенным ресурсом работы.
7. В связи с ростом стоимости энергоносителей с особой актуальностью встает вопрос экономии электроэнергии на предприятиях химической и металлургической промышленностей с энергоемким производством.
Например, в одном цеху электролиза могут быть установлены более 100 электролизеров, которые соединяются последовательно с помощью большого числа винопроводов. Особое внимание следует уделять состоянию токоведущих систем электролизных ванн с целью снижения потерь электроэнергии в них.
Контроль состояния контактных соединений межеванных ошиновок осуществляется на основании ОСТ 6.01.39.83 «Соединения контактные электрических ошиновок электролизеров».
Одной из задач настоящей работы явилось проведение исследований сильноточных токоведущих систем межеванных ошиновок электролизеров крупнейших химических предприятий и разработка экономичных конструкций и мероприятий по уменьшению их контактного сопротивления.
Кроме этого, наряду с разработкой экономичных сильноточных токоведущих систем электролизеров стала задача проведения исследования токораспределения внутри самого электролизера с целью изыскания путей повышения эффективности его работы.
Огромный вклад в развитие теории проектирования сильноточных электрических аппаратов, в том числе и аппаратов с жидкометаллическими контактами, внесли ученые: Александров Г.Н., Алиевский Б.Л., Бертинов А.И., Белкин Г.С., Богуславский В.А., Брон О.Б., Будкевич Г.В., Вячкис В.В., Годжелло А.Г., Горенышев В.П., Гусев В.И., Дегтярь В.Г., Дзекцер Н.Н., Егоров Е.Г., Залесский А.Н., Кукеков Г.А., Кулаков П.А., Коковихин Н.В., Кузнецов Р.С, Молчанов В.Д., Мясникова Н.Г., Нестеров Г.Г., Намитоков К.К., Новиков О.Я., Омельченко В.Т., Приходченко В.И., Розанов Ю.К., Сахаров П.В., Таев И.С., Тонаев В.В., Филиппов Ю.А., Фрыгин В.М., Харин С.Н., Холявский Г.В., Чунихин А.А. и многие другие.
Однако большинство работ, упомянутых выше авторов, касается аспектов теории и проектирования электрических аппаратов управления и автоматики, номинальные токи которых не превышают значений сотен, нескольких тысяч ампер. Поэтому разработка основ теории, проектирования и синтеза новых перспективных модификаций многоамперных электрических аппаратов и токоведущих систем с токами нагрузки десятки, сотни тысяч ампер с применением эффективных алгоритмов расчета их конструктивных параметров является актуальной.
Таким образом, из вышесказанного можно сделать вывод об актуальности проблемы и необходимости дальнейших научных исследований и практических разработок в области создания многоамперных электрических аппаратов и сильноточных токоведущих систем.
Настоящая диссертационная работа посвящена решению указанных проблем, причем некоторые исследования, разработки и публикации были сделаны в соавторстве с профессорами О.Б.Броном, С.М.Аполлонским, В.Н.Острейко; доцентами В.Д.Молчановым, М.Е.Евсеевым, В.М.Петровым, Е.А.Савиновым, А.М.Сегалем, Л.К.Сушковым, Ю.В.Куклевым; научными сотрудниками Н.Н.Дзекцером, И.Г.Мясниковой, И.П.Мирошниковым, Л.А.Лядовой, Б.А.Лярским, В.П.Горенышевым, В.И.Гусевым, Л.А.Шифриным; инженерами И.С.Мисайловским, М.П.Румако, П.Д.Ряполо-вым, А.Г.Виллером, А.Н.Шуб, А.А.Шалагиновым, без сотрудничества с которыми было бы невозможно создание многоамперных электрических аппаратов и сильноточных токоведущих систем.
Таким образом, конечной целью настоящей работы явилось создание различных модификаций надежных, экономичных многоамперных электрических аппаратов и токоведущих систем с достаточно большим ресурсом работы, методик расчета для их проектирования, разработки и изготовления.
Представленная диссертационная работа является научно-квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований разработаны теоретические положения и изложены научно-обоснованные технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны.
Исследование основных характеристик композиционных жидкометаллических контактов многоамперных электрических аппаратов
Известно, что использование жидкого металла в электрических контактах сопряжено с рядом трудностей.
Ввиду большой подвижности жидкого металла, ЖМК должны быть защищены от воздействия электродинамических сил, способных выбросить жидкий металл из конструкции электрического аппарата. Поэтому электрические аппараты с ЖМК должны иметь герметичную конструкцию в зоне контакта.
Кроме того, работоспособность аппаратов с ЖМК зависит от их положения в пространстве из-за высокой текучести жидкого металла, который может перемкнуть полюса такого аппарата при изменении его угла наклона к горизонту. Таким образом, электрические аппараты с ЖМК должны быть строго ориентированы относительно вертикали.
В связи с тем, что многие жидкие металлы способны смачивать изоляционные материалы, то у аппаратов с ЖМК прочность изоляции ниже, чем у аппаратов с твердометаллическими контактами.
Этих существенных недостатков ЖМК не имеют композиционные ЖМК, состоящие из пористых, слоистых, сетчатых материалов, пропитанных или смоченных жидким металлом.
Такие композиции в виде губки, пропитанные ртутью, использовались ранее при физическом эксперименте. В настоящее время использование таких композиций для технических целей предложено в [32].
На рис. 1.1 изображена конструкция композиционного ЖМК мостикового типа [68,69].
В неподвижном электроде 1 сделано углубление 2, в которое помещена сетчатая основа 3 композиционного ЖМК, пропитанная или смоченная жидким металлом 4. В углубление 2 входит выступ 5 подвижного электрода 6, который соприкасается с сетчатой основой 3 композиционного ЖМК.
В качестве основы 3 композиционного ЖМК могут быть использованы различные материалы, как проводящие электрический ток (медные, латунные и другие металлические сетки), так и диэлектрики (стеклоткань, стекловолокно и другие ткани), а также пористые материалы (поролон, губка и другие) и различные мелкозернистые наполнители, которые, будучи пропитаны и смочены жидким металлом, образуют пастообразную электропроводящую массу.
Такой композиционный жидкометаллический контактный узел конструктивно может быть выполнен в виде существующей в ряде конструкций электрических аппаратов контактной системы мостикового типа, имеющий два неподвижных контакта, перемыкаемых между собой подвижными контактными мостиками с двух противоположных сторон (двойное мостиковое контактное соединение).
На рис. 1.2 изображена известная система двойного контактного мостикового соединения, где 1 - неподвижный контакт, 2 -подвижный контактный нож, 3 и 4 - верхний и нижний контактные мостики, 5 и 6 -стальные накладки электромагнитного замка, 7 -пружина, создающая нажатие на контакты.
На рис. 1.3 представлена аналогичная конструкция двойного мостикового контактного соединения, но уже с композиционным ЖМК [69]. В этом мостиковом контактном соединении на обращенных кверху поверхностях неподвижных контактов 1 и 2 и нижнего контактного мостика 4 располагаются углубления 5, в которые помещаются пропитанные жидким металлом сетчатые прокладки 6, удерживаемые в углублениях фиксирующими их положение кольцами 7. А на обращенных книзу поверхностях неподвижных контактов 1 и 2 и верхнего контактного мостика 3, против углублений, содержащих смоченные либо пропитанные жидким металлом прокладки, располагаются контактные выступы 8, которые в замкнутом положении контактной системы приходят в соприкосновение с этими прокладками, осуществляя электрический контакт с ними. Контактное нажатие создается пружиной 9.
В этом контактном соединении (рис. 1.3) жидкометаллические прокладки помещены в специально сделанных углублениях, которые расположены на горизонтальных поверхностях. Это предохраняет контактную систему от вытекания жидкого металла. Применение нажимных колец, фиксирующих положение жидкометаллических прокладок, предотвращает возможность их перемещения и предохраняет прокладки от разрушения, увеличивая тем самым механическую износоустойчивость данного контактного соединения.
В отличие от обычного двойного мостикового контактного соединения (рис. 1.2) в конструкции контактного соединения с композиционными ЖМК (рис. 1.3) не требуются стальные накладки электромагнитного замка, так как электродинамические силы отброса в них практически отсутствуют. Это подтверждается проведенными исследованиями, описанными ниже. Полное контактное сопротивление композиционного ЖМК Як отличается от контактного сопротивления ЖМК тем, что в него кроме сопротивления ТВерДЫХ ЭЛеКТрОДОВ RTB, СОПрОТИВЛеНИЯ ПОВерХНОСТНЫХ ПЛёнОК Rfjjj, сопротивления интерметаллических соединений и сплавов Лспл, сопротивления жидкого металла Яжм входит также сопротивление пористой сетчатой твердой основы Яосн, материал которой в зависимости от величины удельного электросопротивления уменьшает или увеличивает величину контактного сопротивления композиционного ЖМК, то есть
Проводимость жидкометаллической композиции, состоящей из основы смоченной или пропитанной жидким металлом, будет равна
Преимущество таких композиционных ЖМК перед обычными ЖМК заключается также в том, что в них используется незначительное количество жидкого металла, необходимого только для того, чтобы смочить и заполнить поры сетчатого, пористого основания.
Влияние формы токоподводов на распределение тока между параллельными контактами в многоамперных электрических аппаратах
В [6] приведен анализ влияния пяти различных систем токоподводов, которые могут применяться в низковольтных многоамперных выключателях (рис.2.1) на распределение тока между параллельными контактными мостиками в них. Неподвижные контакты-токоподводы А и В имеют постоянное сечение по всей длине. Они разделены изоляционным промежутком и во включенном положении аппарата перемыкаются рядом параллельных одинаковых контактных мостиков С. Подводы тока Е и F к неподвижным контактам А и В могут занимать различное положение по отношению к ним, а это оказывает влияние на распределение токов между параллельными мостиками С. На схеме 1 подводы тока Е и F расположены у одного конца неподвижных контактов А и В. На схеме II подводы тока Е и F присоединены к средней части неподвижных контактов А и В. На схеме III подводы тока Е и F расположены у противоположных концов неподвижных контактов А и В. На схеме IV подводы тока Е и F подключены к двум противоположным концам неподвижных контактов А и В. На схеме V подводы тока Е и F являются продолжением неподвижных контактов А и В и имеют одинаковую с ними ширину. На рис.2.2 приведены схемы замещения, соответствующие рассматриваемым системам. Длина неподвижных контактов / разделена на п частей соответственно числу мостиков. Электрическое сопротивление участков / неподвижных контактов на длине — между осями мостиков принято одинаковым и равным г. Сопротивление контактных мостиков также принято одинаковым и равным rk. Сопротивления г и гк включены так, как это показано на рис.2.2, и образуют электрические схемы. Схема 1. Если число контактных мостиков велико, то для расчета распределения тока в них можно воспользоваться уравнениями, относящимися к однородным линиям. Точность такого расчета возрастает с увеличением числа мостиков. Однако для этого необходимо сосредоточенные параметры (сопротивления г и проводимость g = —), например, в схеме 1 (рис.2.2) заменить параметрами, гк равномерно распределенными вдоль линии и отнесенными к единице ее длины. В этом случае r = -L- - распределенное сопротивление неподвижных контактов, где S - сечение неподвижных контактов, g = проводимость контактных мостиков, где п - число мостиков на длине /.
Используя эти величины, определяются параметры характеризующие линию [71]: где Z - характеристическое сопротивление линий. Вводятся обозначения Ux и 1Х - напряжение и ток в начале линии, т.е. у токоподводов (рис.2.2, схема 1), U2 и 12 - напряжение и ток в конце линии, т.е. за кратным правым сопротивлением гк. В этом случае ток IR (в точках с координатой X) и напряжение Uх (расстояние отсчитывается от конца линии) будут равны [71]: Схему 1 (рис.2.2) можно рассматривать как длинную линию, не имеющую нагрузки на конце (холостой ход), т.е. 12 = 0. Используя выражения (2.3) и (2.4) и принимая Х= /, получают Считая заданным ток 1Х, подставляя полученные значения U2 в (2.3) и (2.4), получают ht lx , (2-7) Эти соотношения позволяют определить значения тока и напряжения в любой точке неподвижных контактов. Для нахождения величины тока, протекающего между неподвижными контактами / , применяют соотношение На рис.2.3 приведены кривые 1 и 2 схемы 1, соответствующие уравнениям (2.7) и (2.9). Если от непрерывного распределения параметров линии перейти к сосредоточенному положению контактных мостиков, то плавные кривые 1 и 2 должны быть заменены ступенчатыми. Вертикальные отрезки кривой 3 представляют собой токи, протекающие через соответствующие мостики. Значение тока gk в мостике с номером к может быть найдено, как разность токов: Вводятся в качестве характеристики схемы отношение тока в мостике с номером п к току в мостике с номером 1. Это отношение - степень неравномерности распределения тока между мостиками ае. Используя соотношения (2.12) и (2.13), получают:
Наибольший допустимый для аппарата номинальный ток ограничивается температурой того контактного мостика, который имеет максимальную токовую нагрузку. Таким мостиком является мостик с номером п. Значение протекающего через него тока определяется соотношением (2.13). Неравномерное распределение токов между мостиками снижает значение номинального тока контактной системы. Этот ток имел бы наибольшее значение 1тах при равномерной нагрузке всех мостиков.
Вводится величина г) - коэффициент использования контактной системы по току. Она равна отношению тока 1Х к тому току /max, который протекал бы через систему, если бы все мостики имели одинаковый ток, равный току мостика с наибольшей нагрузкой. Для схемы 1 соответственно этому определению имеют Тепловые потери во всей системе находят по соотношению P = UlI], в которое место t/j подставляют его значение, найденное по уравнению (2.8) для х = I; получают Сопоставление различных систем производится, пользуясь приведенными характеристиками ае, т и Р. Наилучшей следует считать систему с равномерным распределением токов в мостиках (ае=1иг = 1)и минимальным значением тепловых потерь Р. Схема 2. Если эту систему разрезать по оси симметрии, то получаются две системы 1, однако с током —, длиною - и числом мостиков —. Для такой системы распределение тока в неподвижных контактах и мостиках Соответствующие этим уравнениям кривые приведены на рис.2.3. Расстояния х здесь отсчитываются от внешних концов неподвижных контактов. Степень неравномерности эе, коэффициент использования г и мощность тепловых потерь Р находят по уравнениям 2.14, 2.15, 2.16— 1 3. Здесь токи распределяются равномерно между всеми мостиками: Вдоль неподвижных контактов ток распределяется по следующему закону: вдоль верхнего контакта, нижнего контакта. Соответствующие этим уравнениям кривые приведены на рис.2.3. Падение напряжения между токоподводами складывается из падения
Тепловые процессы в многоамперных аппаратах с естественным охлаждением
В электротехнической практике тепловые процессы и расчет температур нагрева токоведущих элементов электрических аппаратов при естественном охлаждении рассматриваются и производятся по известным методикам и формулам, изложенным в основном в [9 - 22].
Для многоамперных аппаратов при расчете превышения температуры токоведущих элементов относительно температуры жидкой или газообразной среды, омывающей нагретую поверхность, используется известная формула Ньютона где Р - мощность, отдаваемая конвекцией и лучеиспусканием окружающей
В [139] приводится методика расчета распределения температур в мостиковых контактах и примыкающих к ним токоподводах. Анализируются возможные температурные режимы в многоамперных аппаратах.
В современных сильноточных электрических аппаратах находят широкое применение контакты мостикового типа. Общая схема такого контактного соединения приведена на рис.3.1. Здесь неподвижные контакты 2 перемыкаются подвижным контактом 1. Во многих аппаратах контактный мостик является наиболее нагретой деталью и его температура определяет предельно допустимый для аппарата ток. В связи с этим важное значение приобретает вопрос о распределении температур в описываемом контактном соединении и выяснении причин, влияющих на это распределение. При этом здесь ограничиваются установившимися тепловыми процессами, так как именно они в большинстве случаев определяют номинальный ток аппарата.
Упрощенный характер распределения температур вдоль токоподводов и контактного мостика можно проследить по кривым рис.3.1. При протекании тока через рассматриваемое устройство приходится учитывать потери энергии как в токоведущих частях 1 и 2, так и в контактных соединениях АС и BD. Наиболее высокая температура наблюдается именно в этих местах. Кроме того, мостик оказывается обычно нагретым сильнее, чем токоподводы, поэтому между ними происходит теплообмен. Тепловой поток проходит через контакты АС и BD, которые обладают тепловым сопротивлением, более высоким, чем другие токоведущие части. Поэтому в местах соприкосновения контактного мостика с токоподводами имеет место резкое изменение температур А9.
Следует отметить, что перепад температур А0 не происходит скачкообразно. Переход от температуры Qx к температуре 92 в контактном соединении происходит плавно на некотором участке рис.3.2.
Наиболее нагретым оказывается контакт, принадлежащий мостику. Его температура 9Ь а соответствующий контакт токоподвода имеет более низкую температуру 02. Перепад температур в контактном переходе А9 = 0! - 02. По мере удаления от контактного соединения температура токоподвода падает и стремится к значению 0У2, которую имел бы токоподвод при отсутствии контактного мостика. При отсутствии контактов АС и BD температура мостика также была бы более низкой и равной 0yj, как это показано на рис.3.1. На этом же рис. отмечена и температура окружающей среды 0О.
Для расчета температур в рассматриваемом устройстве необходимы приводимые ниже геометрические и теплофизические параметры. В общем случае параметры, относящиеся к мостику и к токоподводам могут быть разными. В связи с этим величины, относящиеся к мостику, снабжены индексом 1, а к токоподводам - индексом 2. Считаются заданными: F\ и F2 - периметры сечения мостика и токоподводов; S] и .% - площади сечения мостика и токоподвода; Кюх и КТог - коэффициенты теплоотдачи с поверхности;
Распределение температур вдоль проводника с током, имеющего контакт на одном из его концов, подчиняется экспоненциальному закону. Мостик имеет контакт с двух сторон, и если не учитывается изменение сопротивления с температурой, то применение принципа суперпозиций позволяет произвести здесь сложение двух экспонент, начинающихся у контактов.
В таком случае распределение температур вдоль мостика определяется соотношением Принимая во внимание, что при х — О 9Х = 0i, получается Закон распределения температур вдоль токоподводов выражается соотношением Принимая во внимание, что при х = О 0Х = 82, получается Теперь определим температуры 61 и Ог. Тепловые потери в мостике Pi складываются из потерь в самом мостике Для равномерного теплового потока тепловое сопротивление выражается соотношением где X - удельная теплопроводность; / - длина участка; S - сечение участка. При неравномерном тепловом потоке Для применения соотношения 3.12, в которое входит выражение для теплового сопротивления, необходимо, чтобы тепловой поток Р был постоянным на всем протяжении между поверхностями с разностью температур ДО. Это условие соблюдается, если контакты нагреваются не протекающим через них током, а некоторым внешним по отношению к ним источником. Распределение температур и тепловых потоков в таком контакте приведено на рис.3.2. При отсутствии контактной площадки К и сплошном касании контактов по всей их поверхности распределение температур контактов I и II имело бы прямолинейный характер и соответствовало прямым АС и DB, которые должны были бы сомкнуться между собой. Контактная площадка искривляет ход линии плотности теплового потока и приводит к появлению скачка температур Д9. Величина этого скачка связана с величиной теплового потока Р и тепловым сопротивлением RT уравнением Д6 = PRT . Здесь все количество тепла, передаваемое от одного контакта к другому, поступает через поверхность х\ с температурой 9i и уходит через поверхность х2 с температурой 6г. На всем протяжении контактного соединения тепловой поток Р сохраняет постоянную величину. Такого рода контакты имеются во многих теплотехнических устройствах.
Электродинамическая стойкость многоамперных электрических аппаратов и токоведущих систем с учетом их объемных геометрических параметров
Рассмотрим два участка параллельных проводников прямоугольного сечения q и Q длиной / и L, по которым протекают токи 1\ и 12 (рис.4.1). Если проводники расположены под углом Y друг к другу, то расчет сводится к рассмотрению их проекций на параллельные плоскости.
Введем две системы координат для каждого из проводников XYZ и tuv. Система координат XYZ выбирается так, чтобы через центр тяжести проводника проходила бы ось координат ОХ, а плоскости X0Y и X0Z делили бы толщину проводника 2h и его ширину 2Ъ на две симметричные части. При этом центр координатной системы (XYZ) 0 расположен в начале проводника длиной /.
Продольная ось второго проводника с длиной L, проходящая через его центр тяжести, перпендикулярна плоскости X0Z и совпадает с осью 0 it системы координат tuv.
Ось 0 it параллельна оси Ох и удалена от нее на расстояние п + h + Н. Плоскости tOiu и tOjv делят толщину 2# и ширину 2В второго проводника на симметричные части. Начало координат лежит на продольной оси проводника с длиной L и на плоскости uOiV, которая параллельна плоскости Y0Z и находится на расстоянии а от нее. При этом, если расстояние а между торцами проводников равна нулю, то плоскости uOiV и Y0Z совпадают.
Параллельно продольным осям рассматриваемых проводников длиной / и L произвольно выделим по одной линии тока, которые находятся на расстоянии (n+v-z) в проекции на плоскости X0Z и (у-и) в проекции на плоскости X0Y друг от друга. Магнитная индукция, создаваемая отрезком dl линии тока в проводнике длиной / в точке линии тока в проводнике длиной L, которая удалена на расстояние R от отрезка dl, определяется на основании закона Био-Савара до - единичная площадь поперечного сечения проводника длиной /.
Выражение (4.2) справедливо при отсутствии ферромагнитных сред. Из геометрических соотношений (рис.4.1) получаем где r - текущее расстояние между элементарными участками линий тока; R - расстояние между параллельными линиями тока в проводниках; (р - угол между единичным вектором R0 и линией тока; Р- угол между вектором индукции и перпендикуляром к вектору R0. Из выражений (4.3) след (4.4) Векторное произведение dl R0 дает вектор dB, который перпендикулярен плоскости, проходящей через векторы dl и R0, образует с плоскостью X0Y угол (3. Электродинамическое усилие, возникающее под воздействием элемента dl проводника с током 1\ на элемент dL проводника с током 12, будет соответствовать Переходя к объемному изображению проводников и учитывая выражение (4.4), выражение (4.5) в проекции на ось z примет вид Интегрируя выражение (4.6) no a и учитывая, что Таким образом, полученный геометрический коэффициент является универсальным выражением и учитывает электродинамическое взаимодействие токоведущих проводников в зависимости от практически всех геометрических параметров многоамперных токоведущих систем, в частности: от длины (короткие, длинные) - /, L; от расположения в пространстве под углом у; от любого смещения проводников а в пространстве относительно друг друга; от сечения проводников q, Q. Расчет электродинамической стойкости многоамперных электрических аппаратов и токоведущих систем заключается в определении способности пропускать большие токи. При этом не допустимы деформация, разрушение их конструкции и отброс контактов под действием электродинамических сил. Конструкция многоамперных электрических аппаратов и токоведущих систем обладает достаточной механической прочностью, поэтому расчет электродинамической стойкости производится в основном только для контактной системы многоамперных электрических аппаратов. Контактная система многоамперных электрических аппаратов имеет главные и дугогасительные контакты. Дугогасительные контакты при включении замыкаются раньше главных, а при отключении размыкаются последними. В связи с этим расчет электродинамической стойкости производится для дугогасительных контактов, поскольку именно они могут быть отброшены при включении электродинамическими силами. В качестве примера приведем расчет электродинамической стойкости многоамперного электрического выключателя типа В-100 М на ток нагрузки 100000А. Конструкция выключателя В-100 М рассмотрена и приведена в разделе 5.3.2 главы 5 настоящей работы. На рис. 4.2 приведена схема сил, действующих на контакты дугогасительной системы выключателя. Конструктивно дугогасительная контактная система выполнена в виде 4-х контактных мостиков (двух верхних 2 и двух нижних 3), которые перемыкают собой неподвижные контакты 1. При протекании тока нагрузки в токоведущем контуре возникают электродинамические силы. и 3 действуют следующие силы: Р - вес подвижного контактного мостика; Ffxj - усилие контактных пружин; эок и FJDK - электродинамические силы, создаваемые П-образным контуром и действующие соответственно на верхний 2 и нижний 3 мостик; F3DO - электродинамические силы отброса контактов; F3D и F3D - электродинамические силы взаимодействия между верхним и нижним контактными мостиками.
Результирующая сила, действующая на верхний контактный мостик, определяется выражением Результирующая сила, действующая на нижний контактный мостик, определяется выражением По приведенной выше методике в разделе 4.2 проведем расчет электродинамических сил F3DK{; F3DKi; F3Di_2; F3DO, На рис.4.3 приведена схема расположения подвижных дугогасительных контактных мостиков выключателя. Пример расчета геометрических коэффициентов в выражении (4.1) электродинамических сил, действующих на дугогасительные контакты (рис.4.2), приведен в приложении настоящей работы П.З. В результате расчета получено: KD = 0,87 - для параллельных проводников прямоугольного сечения; KDn = 0,41 - для П-образного контура с верхним контактным мостиком; KDn = 0,64 - для П-образного контура с нижним контактным мостиком; KD0 = 0,75 - для выражения силы электродинамического контактного отброса. Тогда электродинамические силы в выражениях (4.12) и (4.13) будут равны Результирующие силы, действующие на верхний и нижний контактные мостики, будут равны (выражения (4.12) и (4.13)) Поскольку эти силы имеют положительные значения, то можно считать, что данная дугогасительная контактная система выключателя В-100 М обладает достаточной электродинамической стойкостью. Из [9,11] коэффициент KD для параллельных проводников прямоугольного сечения определяется по формуле где / - длина проводников; а - расстояние между продольными осями параллельных проводников, проходящими через их продольное сечение; h - высота проводников. Следует отметить, что выражение (4.14) справедливо при условии, что толщина проводника очень мала по сравнению с ее высотой h (Jb«h). Кроме этого выражение (4.14) не учитывает возможную разницу в длине проводников и их сечения (величин Ь и И).
Из рис.4.3 следует, что сечение контактных мостиков имеет прямоугольную форму, в которой толщина мостика Ъ мало отличается от его высоты И, поэтому выражение (4.14) для определения коэффициента KD не может быть использовано.
Коэффициент Кг, может быть приближенно определен с помощью кривых Двайта, которые также, как и выражение (4.14), не учитывают возможную разницу в геометрических размерах и объемного расположения проводников
Для рассматриваемого примера (рис.4.3) из кривых Дваита следует, что значение KD 1,05, что весьма близко к значению KD = 0,87, определенного по приведенной выше методике, которая позволяет определить этот коэффициент при различных объемных геометрических параметрах токоведущих систем.
На основании предложенной методики разработана программа для ЭВМ, которая существенно облегчает расчет электродинамической стойкости многоамперных электрических аппаратов и токоведущих систем. Эта программа приведена в приложении настоящей работы П2.4.
Похожие диссертации на Многоамперные электрические аппараты и токоведущие системы постоянного тока. Разработка основ теории и проектирования
