За основу расчёта принимается условие: допустимое превышение температуры при кратковременном режиме в аппаратах общепромышленного применения, должно оставаться таким же, как и при продолжительном режиме работы, т.е.

Рисунок 1.11 – Нагрев проводника до установившейся температуры при кратковременном режиме

При этом нагрузочная способность в кратковременном режиме будет больше, чем в продолжительном режиме, что характеризуется коэффициентом перегрузки по токам

Далее по рассчитанному коэффициенту и заданному току можно определить ток продолжительного режима (эквивалентный) при протекании которого устанавливается такая же температура как и при кратковременном режиме по истечении времени . Затем расчёт сечения и размеров сечения можно производить аналогично, как для продолжительного режима работы.

11.3 Повторно-кратковременный режим работы

Рисунок 1.12 – Изменение тока во времени при ПКР

Данный режим характеризуется продолжительностью включения, которая, как правило, исчисляется в % :

(физический смысл)

Зная частоту включения-отключения в час Z можно определить время цикла

, с

Зная ПВ можно легко определить время , потом и время паузы . В соответствии с ГОСТ 12434-96 устанавливаются предпочтительные значения ПВ для аппаратов до 1000 В: 15%, 25%, 40%, 60%, 80%.

Как и в кратковременном режиме, для ПКР принимается условие

Расчёт токоведущих частей в этом режиме можно производить по аналогии, как и для кратковременного режима, т.е. определяется коэффициент перегрузки по току

По известному коэффициенту определяется эквивалентный ток продолжительного режима , по которому и рассчитывается сечение проводников .

В некоторых случаях целесообразно пользоваться упрощённой формулой для выражения эквивалентного тока:

, А,

где ПВ в относительных единицах.

11.4 Расчёт токоведущих частей в режиме КЗ или предельных токах

При работе электрического аппарата возможны случаи, когда по его токоведущей цепи проходит ток КЗ или предельный ток. В этом случае аппарат не должен разрушаться в течении некоторого времени. Способность аппарата выдерживать кратковременное тепловое действие токов КЗ или предельных токов называется термической устойчивостью аппарата. Эта способность характеризуется током термической устойчивости при определённом времени устойчивости.

Допустимая температура токоведущих частей аппарата при действии токов КЗ или предельных токов может быть значительно большая, чем при нормальных режимах. Например, для меди и латуни предельная температура может достигать 300оС, для алюминия – 200оС. Это обстоятельство в дальнейшем учитывается в расчётах. Уравнение теплового баланса для этого режима имеет следующий вид:

где: – энергия, которая выделяется в токоведущем контуре при протекании тока КЗ или предельного тока;

– энергия, которая расходуется на нагрев проводника.

Примерная энергия, которая отдаётся в окружающую среду , в этом случае незначительна, составляет 3-5 % от общей энергии, ею можно просто пренебречь.

Процесс нагрева адиабатический – отсутствие обмена с окружающей средой.

где: – масса , кг

– объём токоведущей детали, м3

– плотность, удельный вес

Уравнение теплового баланса

, и – температурные коэффициенты

(1)

где: и – значения интеграла правой части при соответственно верхнем и значениях температур.

В литературе приводятся кривые зависимости температуры от , рассчитанные по формуле (1).

Рисунок 1.13 – Зависимость

Используя эти кривые можно определить ток термической устойчивости при заданном времени термической устойчивости или наоборот. Решение задачи сводится к следующему: если задано tкз, то находится Ікз. и наоборот.

Для аппаратов низкого напряжения, как правило, определяется время термической стойкости на основании известного тока и сечения токоведущей детали Iкз и Sm. На основании известных данных Акз и Ан определяем время термической стойкости. Для аппаратов высокого напряжения, как правило, регламентируется время термической стойкости, которое в соответствии с формулой (1) позволяет определить предельный ток Кз. Из выражения (1) видно, что для одного и того же материала при одинаковых нагрузочных условиях величина постоянная, т.е. .

Используя это свойство можно легко определять значения тока термической стойкости при другом времени термической стойкости или наоборот.

Полученное время термической устойчивости для аппаратов низкого напряжения необходимо сопоставить с временем действия возможной тепловой защиты, при этом должно выполняться условие: время срабатывания защиты должно быть меньше времени термической устойчивости аппарата, чтобы был запас.

12 РАСЧЁТ КОММУТИРУЮЩИХ КОНТАКТОВ

12.1 Общие требования к коммутирующим контактам

Температура коммутирующих контактов не должна быть выше предельно допустимой по ГОСТу. Контакты должны быть установлены к тепловому и динамическому действию токов КЗ. При работе аппарата в номинальном рабочем режиме, а также при наиболее предельных токах электрический и механический износ контактов должен быть минимальным.

12.2 Общий порядок проектирования контактов

1 Выбор конструктивной формы контакта.

2 Выбор материала и определение размеров контактов.

3 Определение силы конечного контактного напряжения, температуры нагрева контактов, переходного сопряжения, падения напряжения на контактах при нормальном режиме работы.

4 Проверка возможностей контактного узла, по величине допустимого тока Iдоп.

5 Определение тока сваривания Iсв., силы электродинамического отброса в контактах Fэду и электродинамическую устойчивость.

6 Определение параметров вибрации контактов, разработка мероприятий по её уменьшению.

7 Определение электрической износостойкости коммутирующих контактов по заданной механической износостойкости.

8 Корректировка размеров контактов, определение провалов контактов.

9 Определение параметров надёжности коммутирующих контактов.

10 Расчёт контактных пружин.

11 Конструктивная проработка контактного узла.

12.3 Выбор конструктивных форм контактов

Существует большое разнообразие конструктивных форм контактов. Наиболее распространёнными являются

1 контакты с плоскими консольными пружинами

2 мостиковые контакты

3 рычажные контакты (пальцевые)

4 втычные контакты

5 розеточные контакты

6 двух и более ступенчатые

7 параллельные контакты на один полюс

Рисунок 1.14 – Виды конструктивных форм контактов

Из низковольтных аппаратов наибольшее распространение получили первые три вида.

Контакты с плоскими консольными пружинами применяются в слаботочных реле.

Мостиковые контакты целесообразно применять при напряжениях 24÷48 В постоянного тока и 220÷380 В переменного тока. Они обеспечивают двухкратный разрыв электрической цепи на полюс, что улучшает условия гашения дуги. Преимущества мостиковых контактов: упрощаются кинематические схемы, можно применять прямоходовые механизмы, отсутствует гибкая связь, что повышает надёжность контактного узла. Недостаток: необходимо создание удвоенной силы контактного нажатия.

Рычажные контакты применяются в сильноточных аппаратах при любых уровнях напряжения, в большинстве случаев в контакторах воздушного автоматического выключателя.

При больших токах, несколько сот ампер, и наличии дугогасительного устройства, преимущество двухкратного разрыва сказывается несущественно, поэтому с целью упрощения конструкции применяют однократный разрыв цепи.

В некоторых случаях в сильноточных аппаратах применяются многоступенчатые аппараты, содержащие дугогасительные и главные контакты. Это позволяет повысить надёжность контактного узла, но привод должен обеспечивать последовательность включения и отключения. При включении вначале замыкаются дугогасительные контакты, а затем главные. При отключении вначале размыкаются главные контакты, и на них недолжна, возникать дуга, а затем размыкаются дугогасительные контакты.

При высоких напряжениях целесообразно применять ряд последовательных разрывов на один полюс. Например, для выключения на 500 кВ может быть 12 последовательных разрывов на полюс, на 750 кВ – 16 последовательных разрывов.

12.4 Выбор формы контактной поверхности

Форма контактной поверхности (точка, линия) – это условные термины, фактически речь идёт о количестве элементарных площадей контактирования:

а) точечный контакт целесообразно применять при малых токах, т.е. доли – единицы ампер. Требуется малая сила контактного нажатия, в этом случае необходимо применение драгоценных металлов.

б) линейный контакт целесообразно применять при больших токах (сотни ампер) при одинаковых силах нажатия. Переходное сопротивление линейных контактов меньше, чем плоскостных. Узкая плёнка контактирования создаёт условия для стирания окислов контактного металла в процессе скольжения одного контакта по другому.

в) Плоскостной контакт целесообразно применять при больших токах, измеряемых в сотни ампер, условия удаления плёнки окислов с поверхности здесь хуже, чем у линейного, однако, вследствие большой силы контактного нажатия поверхность в нескольких местах очищается от плёнки окислов и образуется зона чистого металла.

12.5 Выбор материалов и определение размеров контактов

Основные требования, предъявляемые к материалам контактов:

1 Высокая электропроводность

2 Дугостойкость

3 Стойкость против коррозии

4 Недефицитность

Материалов, удовлетворяющих всем требованиям – нет, поэтому необходимо подбирать такой материал, свойства которого в наибольшей степени отвечают требованиям в конкретных условиях.

Основные сведения о свойствах материалов контактов приводится в [2].

Рекомендации по выбору материалов для категорий аппаратов:

РЕЛЕ

Для контакта реле, работающих для токов меньших тока дугообразования, применяются драгоценные металлы и их сплавы (серебро, палладий, золото).

Для контактов реле, работающих при токах больших тока дугообразования, применяются твёрдые тугоплавкие металлы и их сплавы типа твёрдых растворов. (Вольфрам, молибден, кремний, платина-иридий, палладий-серебро)

КОНТАКТОРЫ И АВТОМАТЫ

Выбор материалов для контактов определяется:

а) величиной тока

б) напряжением на контактах

в) индуктивностью отключаемой цепи

г) частотой коммутации в час Z

д) продолжительностью включения, кратностью включения-отключения токов по отношению к номинальному значению

Выбор материалов определяется типом дугогасительного устройства и геометрией контакта. Для контакторов и автоматов при коммутируемых токах от одного до нескольких десятков ампер наиболее износостойким является серебро и сплавы серебра. Для контакторов, где коммутирующие токи несколько десятков ампер и более, являются металлокерамические композиции. Обозначение материалов, их состав, свойства приведены в [1, табл. 5.3].

Износостойкость металлокерамических композиций возрастает при увеличении процентного содержания тугоплавкого элемента, а также при уменьшении размеров частиц порошка металла (мелко дисперсная структура).

Кроме металлокомпозиций, в качестве металла контактов применяют также медь: для лёгкого режима работы – рекомендуется медь мягкая, лужёная; для средних режимов – медь средняя, лужёная; для тяжёлых режимов – медь кадмиевая, твёрдотянутая.

12.6 Определение размеров коммутирующих контактов и контактных накладок

Геометрические размеры коммутирующих контактов зависят от:

1) величины номинального тока

2) конструкции контактной системы

3) частоты коммутации тока, ПВ, времени горения электрической дуги.

Если конструкция контактного узла предусматривает применение контактных накладок, то можно пользоваться рекомендациями, приведенными в [1, табл. 5.5 – 5.6].

В [1, табл. 5.5] приводятся зависимости диаметра контактной накладки от номинального тока. В [1, табл. 5.6] приводятся величины размеров прямоугольных накладок без привязки к току. Если в конструкции контактного узла целесообразно использовать прямоугольную накладку, то поступают следующим образом: зная величину номинального тока, по [1, табл. 5.5] определяется диаметр круга накладки, затем определяется сечение круглой накладки .

Рисунок 1.15 – Размеры контактных накладок

Полученное сечение трансформируется в сечение прямоугольной накладки при выполнении условия . Затем по [1, табл. 5.6] подбирается стандартное значение размеров контактной накладки. Высота h приводится в ряду предпочитаемых чисел.

На данном этапе фактически определяются предварительные размеры контактных накладок, окончательные размеры устанавливаются после расчёта электрической износостойкости.

12.7 Определение размеров рычажных контактов

Размеры поперечного сечения подвижного контакта можно производить по электрической плотности тока, в диапазоне токов от 20. А до 1000А она может составлять

Рисунок 1.16 – Подвижный и неподвижный контакт

Принимая конкретное значение плотности тока для заданного номинального тока, производится расчёт площади поперечного сечения подвижного контакта:

Меньшее значение целесообразно применять для длительных режимов работы, а большее значение – для повторно-кратковременного и кратковременного режимов работы. Длина линии касания (ширина подвижного контакта в) может быть определена по формуле , мм,

где – это характеристический коэффициент;

– номинальный ток, А

Для проверки правильности значения в, принимаемого для дальнейших расчётов, можно ориентироваться на следующее отношение, которое получено экспериментально, эти значения сведены в таблицу 1.3.

Таблица 1.6 – Выбор ширины подвижного контакта

Iн, А	в, мм
63	14	4,5
160	18	8,9
300	25	12

В тяговых контакторах может достигать до 20 .

Для номинальных токов, не указанных в таблице 1.3, отношение можно определить, построив график зависимости

Рисунок 1.17 – Зависимость ширины подвижного контакта от номинального тока

Толщина подвижного (неподвижного) контакта может быть рассчитана по формуле:

Ширина неподвижного контакта в` устанавливается с учётом возможного отклонения подвижного контакта, от нормального положения в процессе эксплуатации, и должна быть на 20÷25% больше подвижного контакта, т.е. , мм

Окончательные размеры рычажных контакторов принимаются после расчёта контактного узла, на заданную износостойкость, при этом коэффициент использования металла контактом принимается равным 0,5.

Для повышения износостойкости на рычажных контактах могут устанавливаться контактные накладки (прямоугольные, квадратные, например из металлокерамики). При расчётах на электрическую износостойкость коммутирующих контактов (мостиковых, рычажных, с контактными накладками) коэффициент использования металла контактных накладок принимается ≈ 1, т.е. .

12.8 Определение силы контактного нажатия коммутирующего контакта

Известно, что все аппараты должны иметь перегрузочную способность, поэтому, рассчитанная сила конечного контактного нажатия, должна обеспечивать нормальную работу контактного узла, при всех возможных режимах. В частности необходимо предусматривать, чтобы исключалось сваривание контактов, их отброс вследствие действия ЭДУ в контактных площадках, а также значительная вибрация, при их включении.

Расчёт производится по теоретической зависимости – по формуле Кубекова:

, кгс

где: – сила контактного нажатия, приходящаяся на одну элементарную площадку;

– число элементарных площадок

Для точечного контакта – = 1, для линейного – = 2, для плоскостного – = 3

– это ток, на который рассчитывается сила контактного нажатия, А.

Если режим работы аппарата длительный, то ток для длительного режима.

Если режим работы – повторно – кратковременный, то для расчёта силы необходимо вначале определить эквивалентный ток:

, А

где: ПВ% - продолжительность включения согласно техническому заданию;

Ζ - частота включения-отключения в час.

Под эквивалентным током понимается ток, который вызвал бы тот же нагрев токоведущих деталей, что и отключаемый реальный номинальный ток при длительном протекании, в совокупности с дополнительным нагревом контактов электрической дугой.

Если эквивалентный ток меньше номинального, то при расчётах используется номинальный ток.

Если эквивалентный ток больше номинального, то расчёт производится по эквивалентному току.

А – число Лоренца, имеющее значение

= 3,14

– твёрдость материала контакта по Бринеллю (кгс/см2)

Твёрдость материала существенно зависит от температуры нагрева контактных площадок.

Рисунок 1.17 – Зависимость твердости материала от температуры нагрева

При расчётах характеризующую твёрдость материала необходимо принимать меньшее значение в таблице.

Рисунок 1.18 – Линии стягивания тока

– удельная усредненная теплопроводность материала контактов

– температура контакта в удалённой от контактной площадки точке.

– температура нагрева контактных площадок

=+ , где - превышение температуры контактной площадки по отношению к температуре нагрева контактора.

В этой формуле , - в К, – в 0С

Величина принимается произвольно, но так, чтобы температура нагрева контактной площадки не превышала температуру рекристаллизации металла контактов, т.е. должен быть запас.

Рисунок 1.18 – Зависимость силы контактного нажатия от превышения температуры

В соответствии с рекомендациями, после расчёта , производится определение.

Рисунок 1.19 – Зависимость силы контактного нажатия от зазора

12.9 Определение переходного сопротивления контактов

Переходное сопротивление контактов, как правило, определяется несколькими методами:

12.9.1 Определение переходного сопротивления контактов по теоретической зависимости

где – удельное электрическое сопротивление материала контактов, приведённое к температуре нагрева контактных площадок

– число контактных площадок

Если материалы неподвижных контактов и подвижных разные, то определяется как

–радиус круглой элементарной площадки, зависящий от вида деформации

При пластической деформации: , см

При упругой деформации:

– радиус сферы элементарной контактной площадки, см

– модуль упругости материала, кгс/см

Вид деформации, а, следовательно, и выбор расчётной формулы для определения можно сделать на основании результатов исследований нескольких авторов (Виттенберг, Лысов, Васильев).

Было установлено, что при незначительных усилиях нажатия, до 0,01 Н имеет место упругая деформация микровыступов, при увеличении нажатия до 0,1 – 0,15Н, начинается уже пластическая деформация, следовательно, происходит упрочение материала, и она имеет место при увеличении силы нажатия до сотен ньютонов, после чего опять имеет место упругая деформация.

После расчёта , подтверждение о характере деформации на втором этапе расчёта, можно получить по величине среднего давления:

Если среднее давление меньше твёрдости контакта материала, , то деформация считается упругой. Если , то деформация считается пластической.

12.9.2 Определение по формуле, основывающейся на опытных данных

где: – коэффициент, учитывающий материал и состояние контактов поверхности (см. табл. значений); 0,102 – переводной коэффициент, из Н в кгс; – сила конечного контактного нажатия, Н;

– коэффициент, учитывающий конструктивную форму контактной поверхности:

- для точечного контакта - =0,5

- для линейного контакта - =0,5 ÷ 0,7

- для плоскостного контакта - = 0,7 ÷ 1,0

- температурный коэффициент возрастания сопротивления материала контактов

12.9.3 Определение по графическим зависимостям

В соответствии с рекомендациями [1, рис. 5.9, 5.10, 5.11], установлены зависимости от величины силы контактного нажатия.

Из полученных результатов по определению тремя методами, для дальнейших расчётов принимается большее значение.

Рисунок 1.20 – Эквивалентная схема замещения

На большем всегда будет большее падение напряжения, следовательно, будет и больший нагрев контактных площадок.

12.10 Определение напряжения и температуры нагрева коммутирующих контактов

Падение напряжения на контактах определяется по закону Ома: , В

В существующих конструкциях аппаратов падание напряжения на свежезачищенных контактах должно находиться в следующих пределах:

а) маломощные реле: , где – падение напряжения, соответствующее рекристаллизации материала контактов;

б) аппараты распределения и управления электрической энергией до 1000В:

- для контактов, работающих в воздухе: мВ

- для контактов, охлаждаемых водой: мВ

в) аппараты распределения энергии выше 1000 В: мВ

Предельные падения напряжения при окисленных контактах допускаются до 300мВ.

В любом случае, падение напряжения на контактах должно быть меньше напряжения рекристаллизации. Кроме напряжения рекристаллизации, используется температура рекристаллизации. По установленной величине падения напряжения на коммутирующих контактах определяется превышение температуры в контактных площадках, полученное значение сопоставляется с ранее принятым при расчёте :

12.11 Определение допустимого тока через коммутирующие контакты

Допустимый ток фактически характеризует возможности контактного узла на заданный режим работы с учётом принятого материала контактов, конструктивной формы контактной поверхности, принятого значения и др.

Величина допустимого тока рассчитывается по формуле:

Полученное значение допустимого тока необходимо сопоставить с предельным током для контактного узла в соответствии с категорией применения аппаратов (ДС1, ДС2, АС1, АС2, АС3), а также с учётом режима коммутации (нормальный, редкий). В любом случае, должно выполняться условие:

Если это условие не выполняется или допустимый ток существенно больше предельного, то контактный узел спроектирован нерационально. Для определения рациональных параметров контактного узла необходимо все расчёты повторить, начиная с пересмотра выбора материала.

12.12 Определение величины тока сваривания контактов

12.12.1 Общий метод определения тока сваривания

Предполагают, что при протекании тока постоянной величины происходит нарастание температуры контактной площадки, близкой к температуре плавления по экспоненте, при этом предельный ток сваривания определяется по формуле:

где:- общие результирующие силы контактного нажатия

t1 – это предполагаемое время протекания предельного тока

Т – постоянная времени нагрева контактной площадки

, где

– удельная теплоёмкость, теплопроводность и плотность материала контактов

– температура нагрева контактной площадки в момент времени t1

Fэду – [1, стр. 49]

12.12.2 Расчёт начального тока сваривания контактов

– коэффициент, характеризующий увеличение контактной площадки в процессе нагревания, который зависит от силы и от времени импульса тока.

находится в пределах от 2 до 4 , (см.[1]).

– характерный коэффициент, определяется по формуле:

– соответственно твёрдость материала по Бринеллю и удельное сопротивление при 0оС. НВо из таблицы значений выбираем большее значение.

– температура плавления контакта материала

Этот способ даёт значительные погрешности, применяется при небольших силах нажатия.

12.12.3 Определение тока сваривания по экспериментальным данным

Эта экспериментальная формула даёт хорошее совпадение расчётных и экспериментальных данных по , для маломощных одноточечных серебряных и медных контактов.

– это напряжение, соответствующее плавлению контакта материала

12.12.4 Определение тока сваривания по опытным данным

В соответствии с рекомендациями Буткевича:

где – определяется по [1, табл. 5.9 и рис. 5.12], который получен на опытных данных.

Полученные значения тока сваривания сопоставляются между собой и для дальнейших расчётов принимают меньшее значение. Принятое это значение тока сваривания сопоставляется с возможным током к.з. при работе аппарата или с предельным током для соответствующей категории применения аппаратов, при этом должно выполняться условие: ;.

12.13 Мероприятия по повышению устойчивости контактов против сваривания

12.13.1 Конструктивные мероприятия

а) повышение силы конечного контактного нажатия.

б) уменьшение вибрации контактов при включении и выключении.

в) ускорение процесса возрастания силы нажатия после замыкания контактов.

г) компенсация отбрасывающего давления электродинамических сил:

– предельный ток для заданной категории применения аппарата или ток к.з.

S1 – поперечное сечение контактной детали

S – сечение площади смятия:

Эта сила Fэду возникает в контактных площадках при замкнутых контактах, за счёт стягивания линий тока в контактных площадках.

д) изменение формы контактной поверхности.

Точечный контакт сваривается при меньших токах, чем линейный, а линейный контакт – при меньших токах, чем плоскостной.

е) разделение контактов на ряд параллельных.

Парные контакты свариваются при токах ≈ в два раза больше чем одинарных.

При этом распределение тока в контактах следует определять по формуле:

, А

где – коэффициент неравномерности ;

– число параллельных ветвей

12.13.2 Повышение устойчивости за счёт рационального выбора материала

а) применение разнородных материалов для контактов;

б) использование металлокерамических контактов, содержащих графит;

в) использование мелкодисперсных металлокерамических контактов.

12.14 Износостойкость контактов

12.14.1 Общие положения

Износ контактов зависит от многих факторов и происходит при замыкании и размыкании.

Износостойкость зависит:

а) условия работы:

· род тока (постоянный, переменный)

· напряжение источника питания

· величина тока

· характер нагрузки (активная, слабо инд., сильно инд.)

· частота включений в час

· среда (воздух, масло, спец. газовая среда и др.)

б) конструкции аппарата:

· время коммутации

· вибрация контакта

· конструктивная форма контакта

· напряжённость магнитного поля в межконтактном промежутке (увеличение напряжения больше оптимального приводит к выбрасыванию мостика расплавленного металла ЭДУ и повышению износа)

· скорость движения контактов (скорость движения при включении и скорость движения при отключении)

Мерой износа контактов является уменьшение провала контактов (линейный износ), а также объём и масса удаляемого с контактной поверхности металла.

12.14.2 Расчётные зависимости для определения электрической износостойкости

Электрическая износостойкость или гарантируемое число коммутаций в общем случае определяется по формуле:

, или ,

где – объём изнашиваемого металла двух контактов, см3

– удельный объёмный износ при одном размыкании и одном замыкании

– плотность материала

– удельный массовый износ при одном замыкании и одном размыкании

При решении прямой задачи обычно задаются и определяют изнашиваемый объём. принимают на основании заданной механической износостойкости, которая определяется по классу механической износостойкости в рамках технического задания. В идеальном случае мы должны стремиться к выполнению условия:

т.е., чтобы электрический аппарат и все его узлы работали до полного износа (класс механического износа см.[3]).

13 МАЛОМОЩНЫЕ РЕЛЕ

13.1 Условия работы

Маломощные реле коммутируют токи до 5 А при U = до 220 В постоянного и переменного тока.

При постоянном токе

При постоянном токе существует ярко выраженный износ одного из контактов и перенос металла на другой (при переменном токе износ приблизительно одинаков). Износ контактов при постоянном токе зависит от величины напряжения отключения и тока отключения (Uот и І от): Uот=1,1Uн.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5