Учебное пособие: Проектирование электромеханических устройств

Тогда учитывая это соотношение и сократив, получим:

;  и если считать ;

При увеличении сечения линейные размеры токоведущих деталей изменяются примерно в .

Можно показать, что аналогичное соотношение имеет место и при иной конфигурации токоведущей детали.

7.3 Зависимость силы контактного нажатия аппаратов серии от величины номинального тока

Силы контактного нажатия  должны обеспечивать соответствующую величину переходного сопротивления коммутирующих контактов. Для того чтобы температура коммутирующих контактов аппаратов серии оставалась постоянной в пределах, регламентируемых государственными стандартами, необходимо снижать их переходимое сопротивление в  раз по мере увеличения тока, то есть необходимо, чтобы контактное нажатие  увеличивалось в  раз.

Это можно выразить через удельное контактное нажатие

Отсюда следует, что сила контактного нажатия аппаратов серии может быть определена по формуле:

значения  приведены в [1, табл. 5-7].

7.4 Зависимость основных (габаритных) размеров аппаратов серии от величины номинального тока

С увеличением номинального тока аппаратов серии габаритные размеры аппарата растут

где  – исходный параметр.

У аппаратов, конфигурация которых приближается к кубу, когда все три габарита близки между собой .

У аппаратов, имеющих один размер (например, высоту) значительно больший, чем другие, показатель большего размера достигает значения

Сумма показателей одного аппарата равна показателю в выражении, определяющем объем аппарата.

У аппаратов высокого напряжения величина номинального тока оказывает влияние на габаритные размеры и габаритный объем только при малых и средних величинах номинального напряжения (до 35 кВ). При более высоких напряжениях величина номинального тока практически не влияет на габаритные размеры аппарата; решающее влияние оказывает .

7.5 Зависимость основных (габаритных) размеров аппаратов серии от величины номинального напряжения

С увеличением номинального напряжения габариты (при > 35 кВ)аппарата заметно растут

где – искомый линейный размер аппарата серии, проектируемого на ;

– угловой коэффициент прямой, которая определяется на основе анализа существующих близких серий.

 – коэффициент нарастания номинального напряжения;

 – номинальное напряжение базового аппарата серии или отрезка;

 – исходный размер базового аппарата серии или отрезка.

При проектировании серий использование вышеприведенных зависимостей значительно упрощает расчеты. При этом можно пользоваться и другими зависимостями, позволяющими рассчитывать различные узлы, например электромагнитную систему, э.д.у. и т.д.

Если при проектировании серии можно использовать в качестве базовой существующую конструкцию аппарата без изменения его конструктивной схемы, целесообразно применять положения теории подобия и частного подобия.

Теория подобия применяется при трехмерной пропорциональности размеров.

8 ВЫБОР И РАСЧЁТ ОБЩЕЙ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

8.1 Общие положения

Электрическая изоляция в значительной степени влияет на конструкцию аппаратов.

Электрическую изоляцию необходимо обеспечить:

·  между частями, находящимися под напряжением и заземлёнными частями

·  между токоведущими частями соседних полюсов

·  между токоведущими деталями одного полюса, имеющими различные электрические потенциалы при полностью разомкнутых контактах

Уровень электрической изоляции в электрических аппаратах обеспечивается путём установления между частями разных потенциалов, необходимых:

·  расстояний, зазоров, промежутков в окружающей среде (в воздухе, масле, газе и т.д.)

·  размеров по поверхности и габаритных размеров изоляционных элементов, определяющих расстояние утечки, разрядные расстояния

·  толщины  изоляции деталей изоляторов, прокладок, барьеров и т.д.

8.2 Аппараты низкого напряжения

Электрическая изоляция аппаратов низкого напряжения должна выбираться такой, чтобы она выдерживала испытательное напряжение в течение одной минуты переменного тока частотой 50 Гц.

Таблица 1.4 - Испытательные напряжения аппаратов низкого напряжения

Для повышения надёжности аппарата возникает желание увеличить изоляционные расстояния, однако чрезмерное увеличение этих расстояний приводит к увеличению габаритов, массы, стоимости аппаратов. Целесообразно руководствоваться минимальными расстояниями, которые регламентированы ГОСТ, для аппаратов низкого напряжения общепромышленного применения в зависимости от назначения цепи или аппарата, в зависимости от образования дуги при номинальных напряжениях от 100 до 600 В, минимальные электрические зазоры могут быть от 4 до 7 мм, а расстояния утечки – от 5 до 22 мм.

Рисунок 1.1- Направление тока утечки

При выборе изоляционной конструкции необходимо учитывать, что изоляция зависит не только от свойств материала, но и от наличия пыли, особенно влаги на поверхности. Для уменьшения габаритных размеров аппаратов и исключения непрерывного покрова токопроводящих осадков целесообразно на изоляционных деталях предусматривать ребра, выступы, впадины.

У аппаратов, работающих в тяжёлых условиях (тяговые аппараты), для работы в условиях угольных шахт, величины расстояний необходимо предусматривать большие расстояния, чем рекомендованы в [1, табл. - 2.2].

8.3 Аппараты высокого напряжения

Общие требования – изоляция аппаратов высокого напряжения должна выдерживать испытательное напряжение и при этом должен оставаться запас электрической прочности. Рекомендуемые по выбору испытательные напряжения приведены в [1, табл. - 2.3].

Величины испытательных напряжений в таблице указаны для нормальных атмосферных условий (температура +20 °С, 0,1MПа) при установке электрического аппарата над уровнем моря не более 1000 м для аппаратов с номинальным напряжением до 330 кВ и не более 500 м  - для аппаратов с номинальным напряжением 500 кВ и более. При установке аппарата над уровнем моря на высоте, превышающей 500 и 1000 м, но не более чем на высоте 3500 м, их внешняя изоляция должна выдерживать испытательное напряжение, умноженное на корректирующий коэффициент, который определяется по формуле:

где: Н – высота над уровнем моря, м; – для аппаратов, предназначенных для установки до 1000 м; – для аппаратов, предназначенных для установки до 500 м.

Для аппаратов, работающих при максимальной температуре выше 35°С, испытательное напряжение должно быть повышено на 1% на каждые 3°С свыше 35°С. Если аппарат выдержал одномину1 мин. действия испытательного напряжения с учётом добавочных коэффициентов, то считается, что изоляция аппарата выбрана правильно. Кроме внешней изоляции в аппаратах высокого напряжения вводят понятие внутренней изоляции.

Изоляционное расстояние в аппаратах высокого напряжения можно разделить на внешнее, электрическая прочность которого зависит от атмосферных условий и на внутреннее, у которого электрическая прочность не зависти от них. В качестве примера рассмотрим баковый масляный выключатель.

Рисунок 1.2 –Баковый масляный выключатель:

S1- расстояние между внешним фланцем проходящей изоляции и крышкой бака;

S2- расстояние между токоведущими частями разных потенциалов в воздухе;

S1 и S2 – внешняя изоляция, изолирующей средой является воздух;

S3 и S6 – расстояние между токоведущими деталями и заземлённой частью аппарата;

S4 – расстояние между токоведущими частями разных потенциалов;

S5 – расстояние между разомкнутыми контактами.

При расчёте общей изоляции аппарата целесообразно предусматривать координацию уровней электрической изоляции отдельных элементов. Как указывалось ранее, изоляция аппарата должна выдерживать испытательное напряжение и при этом должен оставаться запас электрической прочности. Для воздушных промежутков это условие реализуется путём введения коэффициента запаса.

где: – испытательное сухоразрядное напряжение;  определяется с рекомендацией ГОСТа; величина – коэффициент запаса.

Для изоляционных промежутков, находящихся в масле, величина пробивного напряжения определяется с учётом корректирующего коэффициента координации уровней изоляции . Величина  принимается в пределах .

8.4 Порядок расчета общей электрической изоляции аппарата высокого напряжения

Характерные изоляционные промежутки в зависимости от конфигурации электрического поля, заменяют эквивалентной формой электродов типа: игла-игла, игла-плоскость,  плоскость-плоскость и др.

По величине номинального напряжения определяется величина испытательного сухоразрядного напряжения с учётом условий работы.

По величине испытательного напряжения и рекомендуемых значений коэффициентов  и  определяется величина пробивного напряжения.

По экспериментально полученным зависимостям  для соответствующей конфигурации электродов и среды, определяется необходимое расстояние S1 и S2 и т.д.

Рисунок 1.3 – Зависимость разрядного напряжения  от расстояния между электродами  и их формой

9 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОБОЛОЧЕК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ. СТЕПЕНИ ЗАЩИТЫ ОБОЛОЧКАМИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

Под термином электрооборудование надо понимать оборудование, предназначенное для производства, преобразования, распределения  и потребления электрической энергии, а также электроприборы управления, защиты, контроля, измерения, сигнализации и т. д. Для нормальной работы электрических аппаратов в ряде случаев требуется применение специальных мер для защиты их от влияния окружающей среды. Это достигается применением оболочек. Оболочки должны изготавливаться из негорючих материалов.

Конструкция оболочки должна соответствовать условиям эксплуатации.

Прокладки между соприкасающимися частями оболочек предназначены для защиты от проникновения воды и пыли, должны изготавливаться из прочного, влагостойкого, а при необходимости и негорючего материала.

В соответствии с заданными условиями эксплуатации, оболочки должны иметь такое крепление крышек, которое обеспечивало бы быстрое и лёгкое их открывание, при этом болты должны быть невыпадающие. Защита от проникновения внутрь оболочки электрооборудования пыли и влаги через место ввода кабеля или проводов должна обеспечиваться либо уплотнением эластичного кольца, либо заливкой затвердевающей изоляционной массой.

Для обозначения степени защиты применяется буквенное и цифровое обозначение:

Следующие за буквенным обозначением две цифры обозначают вид и степень защиты в соответствии со стандартизацией.

Первой цифрой устанавливается степень защиты персонала от соприкосновения с находящимися под напряжением и движущимися частями, расположенными внутри оболочки. А также защиты оборудования от попадания внутрь твёрдых посторонних тел.

Второй цифрой устанавливается степень защиты электрооборудования от проникновения воды.

Таблица 1.5 - Обозначение степени защиты для низковольтных электрических аппаратов

Цифры и буквы обозначения степени защиты электроаппаратов.

Первые цифры обозначения степени защиты обозначают:

0 – нет защиты

1 – защита от касания рукой

2 – защита от касания пальцем

3 – проволока диаметром 2,5 мм не проникает в оболочку

4 – проволока диаметром 1 мм не проникает в оболочку

5 – тальковый порошок, просеянный через сито с диаметром проволок 50 мкм и расстоянием между ними 75 мкм, проникший во внутрь оболочки при испытании, не нарушает удовлетворительную работу аппарата и его изоляцию, даже если порошок проводящий

6 – в условиях, указанных в п.5 тальк не проникает внутрь оболочки

Вторая цифра обозначает степень защиты:

0 – нет защиты

1 – защита от вертикально-капающих капель воды

2 – защита от вертикально-капающих капель конденсата воды, когда аппарат наклоняется на 150 от рабочего положения во все стороны

3 – защита от дождя, падающего под углом не более 600 к вертикали

4 – защита от брызг воды в любом направлении

6 – защита от условий, существующих на палубе судна, под действием морской волны вода не должна проникать внутрь оболочки

7 – защита при погружении в воду на глубину до 1м не более 30 мин.

8 – защита при неограниченно – долгом погружении в воду под определённым давлением

10 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОВОДНИКОВ И КОНТАКТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТОКОВЕДУЩЕГО КОНТУРА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Токоведущий контур большинства электрических аппаратов состоит из набора различных деталей разной формы и размеров, и, как правило, в него входят в общем случае следующие элементы:

·  коммутирующие контакты (силовые контакты), перемычки, гибкие шунты (в случае поворотной системы),

·  токовые катушки (катушки магнитного дутья),

·  термоэлементы и т.д.

При расчёте проводников токоведущего контура электрического аппарата необходимо выполнить последовательно две задачи:

1 Определить площадь и размеры сечения в нормальном рабочем режиме (продолжительный, кратковременный, повторно-кратковременный режим)

2 Провести проверку выбранного сечения в кратковременном режиме:

а) для максимальных пусковых токов (аппараты управления)

б) для аварийных токов (токов к.з.) (аппараты распределения электрической энергии)

11 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОЩАДИ И РАЗМЕРОВ СЕЧЕНИЯ ПРОВОДНИКОВ ТОКОВЕДУЩЕГО КОНТУРА В НОРМАЛЬНЫХ РЕЖИМАХ

11.1 Продолжительный режим

11.1.1 Расчет проводника с неизменным сечением по длине

Для получения расчётных формул воспользуемся уравнением теплового баланса:

где:– это энергия, выделяемая в проводнике;

– это часть энергии, расходуемая на нагрев проводника;

– это часть энергии, которая отдаётся в окружающую среду.

Рисунок 1.4 – Нагрев проводника до установившейся температуры

Для установившегося процесса нагрева уравнение теплового баланса приобретает вид:

где: – коэффициент теплоотдачи, который в свою очередь зависит от температуры ,

 - коэффициент дополнительных потерь: 

– коэффициент поверхностного эффекта;

– коэффициент эффекта близости.

Для переменного тока частотой 50 Гц –

где:  – длина элемента, м

– его сечение, м2

– удельное сопротивление приведенное к установившейся температуре: ,

- удельное электрическое сопротивление при 00С,

 – температурный коэффициент возрастания электрического сопротивления:

если медь:

если алюминий:

- температура окружающей среды, = +400 С;

,

– принимается в соответствии с рекомендациями ГОСТ с учётом материала элемента токоведущего контура и наличия покрытий, но, как правило, привязывается к классам нагревостойкости изоляции.

где: – поверхность охлаждения элемента токоведущего контура:, м2

– периметр сечения токоведущего контура, м

– длина проводника, м

, м3  (1)

Если элементы токоведущего контура имеют прямоугольное сечение, то формула (1) приобретает следующий вид:

,

Рисунок 1.5 – Проводник прямоугольного сечения

Если элементы токоведущего контура имеют круглое сечение, то формула (1) приобретает следующий вид:

, , (2)

Рисунок 1.6 – Проводник круглого сечения

, (3)

При наличии на элементах токоведущего контура изоляции в зависимости от количества слоёв расчётные формулы имеют вид:

Рисунок 1.7– Проводник с одним слоем изоляции

δ – толщина изоляции, м

λ1 – коэффициент теплопроводности,

, (4)

Рисунок 1.8– Проводник с двумя слоями изоляции

При расчётах можно выражать параметры сечения через :

, где – целое число

После получения расчётных размеров сечения, их доводят до стандартных значений, руководствуясь, ГОСТ на сортаменты либо руководствуясь конструктивными технологическими соображениями.

При расчётах параметров элементов токоведущего контура необходимо учитывать условия теплообмена с окружающей средой, т.е. уточнять .

11.1.2 Расчёт проводника с переменным сечением по длине

а)                                                                б)

 в)

Рисунок 1.9 – Фрагменты элементов токоведущего контура с переменным сечением

В данном случае, расчёт параметров проводников производится методом последовательных приближений (метод итерации).

В первом приближении определяется среднее сечение частей токоведущего контура. Затем по конструктивным соображениям принимаются необходимые формы отдельных частей токоведущего контура. Превышение температуры в отдельных частях может быть определено по формулам параграфа 12.1.1 (1).

Во втором приближении целесообразно определить среднее значение, превышения температуры для всех деталей контура, используя формулу:

В третьем приближении, для соответствующих конфигураций проводника уточняется температура в отдельных его частях. Например, вводим элемент токоведущего контура, разбиваем его на характерные участки, 1 и 2 по этому элементу протекает ток I.

Рисунок 1.10 –Элемент токоведущего контура с переменным сечением

После введения всех необходимых параметров

,

где , м , м

, – периметры сечения соответственно 1-го и 2-ого участков

,– площадь поперечного сечения 1-го и 2-ого участков

,– коэффициенты теплоотдачи при 0С0  1 и 2 участков

  – коэффициент теплопроводности металла элемента токоведущего контура

, 0С      , 0С

где ,– удельные электрические сопротивления,

Если температура не отвечает необходимым требованиям, то в конструкцию детали вносятся коррективы и расчёты температуры повторяются.

11.2 Кратковременный режим работы

Кратковременный режим характеризуется тем, что при переменном токе нагрузки рабочий период и  , – время нагрузки, tп – время паузы, Т – постоянная времени нагрева:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5