Типичные случаи
Отключение трёхфазной цепи трехполюсный аппаратом	1,5
Тоже, но при глухом заземлении нейтрали, источника и приёмника	1
Отключение однофазной цепи двухполюсным аппаратом	0,865
Тоже, но однополюсным аппаратом	1,73

8 Определяется индуктивность отключаемой цепи:

где: – начальный угол сдвига фаз между током и напряжением;

– угловая частота:

9 Определяется коэффициент :

10 Определяется коэффициент , характеризующий скорость роста восстанавливающейся прочности между контактными промежутками для медных контактов.

11 В случае использования контактов из серебра, металлокерамических контактов при определении вводится поправочный коэффициент .

12 Определяется коэффициент , характеризующий максимальную скорость восстановления напряжения при апериодическом процессе восстановления напряжения:

13 Определяется длина дуги на один разрыв.

При токах до 80 А длина дуги на одном разрыве должна приниматься равной конечному раствору контактов , если , то должна быть равна 1 см.

Для токов в диапазоне от 80 до 200 А определяется по формуле:

Для токов более 200 А определяется по формуле:

где: – отключаемый ток в А, в соответствии с рекомендациями п.3;

– конечный раствор контактов, см

Время горения дуги на данном этапе расчёта принимается ориентировочно с учётом категории применения проектирования аппарата. Например,;

;

14 Определяется начальная восстанавливающаяся прочность промежутка от величины отключаемого тока, отнесённую к моменту перехода тока через 0.

Например, см. [1, стр.168, расчёт 4.23]

15 Определяется усреднённая величина эквивалентная сопротивлению дуги , приходящаяся на один сантиметр длины дуги.

16 Определяется число разрывов при апериодическом процессе восстановления напряжения:

В реальной конструкции аппарата число разрывов на полюс может быть равно лишь конечным значениям: поэтому расчётные значенияокругляются до целого числа в большую сторону.

17 Проверяем условие возможности перехода колебательного процесса восстановления напряжения в апериодический по формуле:

Если условие выполняется, то в рассматриваемом случае наблюдается апериодический процесс восстановления напряжения и число разрывов на полюс аппарата может быть принято .

18 Определяем каким бы было число разрывов при колебательном процессе восстановления напряжения:

Полученное расчётное значение округляется до целого числа в большую сторону.

19 После указанных расчётов выполняют мотивированное заключение:

а) – если число разрывов или > 1, но < 2 , то принимают мостиковые контакты. Если они не предусматривались ранее в токоведущем контуре, то соответственно в него вносятся коррективы.

б) – если число разрывов или < 1, то целесообразно принимать рычажные контакты, но с оговоркой. Однако если требуется упрощённая кинематическая схема аппарата, предпочтение отдаётся мостиковым контактам.

в) – если число разрывов или > 2, то приступают к расчёту специального дугогасительного устройства (дугогасительной решётки или щелевой камеры). К расчёту специального дугогасительного устройства приступают и в том случае, если > 30.

16.11 Гашение дуги постоянного тока в камере с продольной щелью в поперечном магнитном поле

1) Производится выбор вида дугогасительной камеры с учётом имеющихся конструкций, [1, стр.134].

2) Выбирается ширина щели и рекомендуемые значения:

3) Выполняется эскизная проработка конструкции дугогасительного устройства в определённом масштабе. По эскизу с учётом масштаба определяется площадь пластин магнитопровода системы магнитного дутья и расстояния между ними

При определении величины учитывают возможную траекторию движения дуги, чтобы она надёжно входила в щель камеры под действием внешнего магнитного поля

При определении величины учитывают ширину подвижного контакта, а также зазоры между ним и стенками камеры и также учитывают толщину стенок камеры. Здесь же предварительно выбирается материал для изготовления щелевой камеры из рекомендуемых. Впоследствии уточняется материал после расчёта нагрева камеры.

Рисунок 1.41 – Эскизная проработка конструкции дугогасительного устройства

4 Производится выбор величины напряжённости магнитного поля в зоне размыкания контактов для номинального тока, см. [1, стр.158, рис.6.14].

При выборе напряжения поля необходимо принимать минимально возможный линейный износ контактов.

Рисунок 1.42 – Зависимость линейного износа от напряженности магнитного поля

5 Производится проектный расчёт электромагнитной системы дугогасительного устройства. Задачами данного расчёта являются: определение диаметра сердечника системы магнитного дутья ; числа витков катушки системы магнитного дутья ; корректировка величин и . Построение зависимости напряжённости магнитного поля в магнитном зазоре от величины отключаемого тока , которая используется для определения параметров дугогасительного устройства.

В зоне размыкания контактов обычно действует суммарная напряжённость магнитного поля , которая имеет две составляющие: собственную напряжённость магнитного поля, созданную элементами токоведущего контура и рычажными контактами, а также напряжённость магнитного поля , созданную электромагнитной системой магнитного дутья, т.е. общая напряжённость будет определяться суммой этой напряжённости.

Исходную величину напряжённости устанавливают по графической зависимости, с учётом минимального линейного износа контактов для номинального тока. Собственная напряжённость магнитного поля определяется по формуле:

где – ток отключения (из принятого ряда отключаемых токов).

– это раствор контактов, в метрах

–это ширина токоведущей контактной детали (ширина подвижного контакта), в метрах

Зная величины напряжённостей магнитного поля и можно определить напряжённость магнитного поля , которую должна создать система магнитного дутья при номинальном токе . Полученное значение должно быть использовано для расчётов параметров системы магнитного дутья. Однако необходимо выполнить сопоставление перед расчётом параметров системы магнитного дутья. При достаточно больших может оказаться, что напряжённость магнитного поля уже достаточно велика и может примерно достигать значений требуемой напряжённости . Если находится в пределах , то необходимость в использовании системы магнитного дутья отпадает, в этом случае условно принимают, что и для аппарата можно использовать щелевую камеру без катушки магнитного дутья. Если величина находится в пределах: , то в практических расчётах не используется, т.е. , и считают, что необходимую величину напряжённости магнитного поля должна создать система магнитного дутья. Если значения находятся в пределах , то в расчётах учитывают обе составляющие напряжённости магнитного поля. В этом случае, расчёт параметров электромагнитной системы магнитного дутья выполняют на величину напряжённости магнитного поля, полученную по формуле: , для номинального тока, а затем для всего диапазона отключаемых токов.

16.11.1 Порядок расчёта электромагнитной системы магнитного дутья

1 – сердечник; 2 – полюс системы магнитного дутья; 3 – катушка магнитного дутья 4 – изоляционная трубка.

Рисунок 1.43 – Эскиз системы магнитного дутья

1 С учётом указанных рекомендаций определяется необходимая напряжённость магнитного поля Нб для номинального тока. С целью упрощения расчётов будем считать, что собственная проводимость поля Нс в данном случае очень мала и ей можно пренебречь Нс ≈ 0 .

2 Выбирается материал магнитопровода для сердечника и пластин полюсов с учётом имеющихся рекомендаций. Следовательно, для данного материала будет известна кривая намагничивания .

3 По нижнему значению величины Нб для номинального тока определяется число витков катушки магнитного дутья.

Число витков катушки:

где Нб – напряжённость магнитного поля в зоне размыкания контактов в зазоре;

– номинальный ток, А;

–коэффициент, который учитывает магнитное состояние системы электромагнитного дутья. Для ненасыщенных магнитопроводов, что соответствует номинальному току, Кб принимается в пределах . Полученное расчётное значение округляется до целого числа, в большую сторону, и после этого уточняется значение Нб.

4 По полученным значениям Нб и Sп определяется величина магнитного потока Фб в магнитном зазоре . Расчёт производится по формуле:

где – магнитная постоянная,

Для самоконтроля по найденному значению определяется величина индукции должна быть порядка

5 Исходя из условия, что магнитный поток , где – это магнитный поток в сердечнике (потоками рассеивания пренебрегаем) и принимая, что индукция в сердечнике для ненасыщенного состояния, соотношения номинальному току должно быть в пределах . Определяем необходимое сечение сердечника по формуле: .

Зная величину сечения сердечника, определяем диаметр сердечника:

Полученное значение округляем до целого числа и окончательно выбираем с учётом имеющегося сортамента на выбранный магнитный материал. После этого уточняется значение сечения сердечника .

6 Строится в масштабе кривая намагничивания для принятого магнитного материала. Полученная зависимость будет использована для анализа магнитного состояния электромеханической схемы, которая будет оцениваться по величине индукции .

Рисунок 1.44 – Кривая намагничивания

7 Производится расчёт зависимости напряжённости магнитного поля Нб от величины отключаемого тока по формуле:

Порядок расчёта зависимости Нб от Iотк рекомендуется следующий:

Для каждого тока отключаемого последовательно определяется:

По полученному значению индукции Вс устанавливается положение рабочей точки на кривой намагничивания , а именно: находится эта точка ещё на линейном участке или находится на участке перехода в насыщение (колено кривой намагничивания). Условно принимается, что индукция насыщения Вс составляет . Если рассчитанное значение Вс для какого-то принятого Iотк находится в указанном диапазоне индукции, то необходимо пересчитать величину Нб, принимая новое значение коэффициента Кб, соответствующее уже насыщенному состоянию сердечника электромагнитной системы. В этом случае Кб принимается в пределах Кб =(0,4 ÷ 0,6).

В области магнитного насыщения сердечника величину напряжённости Нб необходимо рассчитать, по крайней мере, для двух-трёх значений тока отключения, принимая для всё больших значений отключаемого тока большие значения коэффициента Кб. Для рационального проектирования электромагнитной системы насыщение сердечника должно наступать при токах отключения: Iотк =(2,5 ÷3,5)Iн

Рисунок 1.45 – Определение и

8 Если при расчётах электромагнитной системы необходимо учитывать две составляющие магнитного поля Нб и Нс в зоне размыкания контактов, то для каждого отключаемого тока, кроме зависимости выполняется расчёт зависимости .

Рисунок 1.46 – Зависимость

6 Определяется скорость движения электрической дуги для всех принятых токов отключения в зависимости от соотношения выбранной ширины щели и диаметра дуги . Расчёт выполняется по формулам:

а) если

б) если

где: – средний ток в дуге, А

– напряжённость поля в зоне размыкания контактов, которая определяется по графическим зависимостям, полученным в результате расчёта:

Расчёт диаметра дуги производится по формуле:

где – скорость движения дуги, см/с, вычисленная по формуле а) или б)

Очевидно целесообразно в начале расчёт производить по формуле: а) до тех пор, пока будет выполняться условие , а затем по формуле б).

Следует также полагать, что для каждого отключаемого тока, который изменяется от Iотк до 0, скорость перемещения дуги является средней величиной и принимается как постоянная величина.

7 Выполняется построение ВАХ для всех отключаемых токов, по которым определяется критическая длина дуги , нагрузочные характеристики строим по Uрасч и Iотк. ВАХ рассчитывают по формулам:

а) для ширины щели

б) для

где: – длина дуги, которая принимается произвольно, см;

– ширина щели, см;

– текущее значение тока в дуге, при изменении отключаемого тока от Iотк до 0.

– скорость перемещения дуги, см/с

Если в расчётах получается чрезмерно больше, , то целесообразно увеличить градиент падения напряжения на дуге. Более высокий градиент можно получить при уменьшении ширины щели . Приняв новое расчёты повторяются, начиная с п. 6.

8 Определяем время горения дуги и строится зависимость: tг = f (Iотк)

Рисунок 1.47 – ВСХ дуги

9 Определяются перенапряжения для каждого отключаемого тока и проверяется выполнимость условия:

– максимальное значение напряжения при отключении

10 Определяется стрела вылета дуги для всех отключаемых токов и корректируются размеры камеры.

11 Производится расчёт температуры нагрева камеры. Этот пункт, прежде всего, относится к проектированию аппаратов для повторно-кратковременного режима.

– температура окружающей среды, +40 0С;

Z – число включений-отключений в час;

Кт – коэффициент теплоотдачи со стенок камеры, его можно принять

;

– площадь боковой поверхности в узкой части камеры, там где дуга непосредственно контактирует со стенками камеры;

– энергия, выделяющаяся в дуге при одном цикле гашения дуги, Дж

Энергия определяется по формуле:

где – индуктивность отключаемой цепи:

– электромагнитная постоянная, определяется по таблице.

Расчёт и выполняется для всех отключаемых токов. Одновременно проверяется выполнимость условия:

– максимально допустимая температура нагрева материала камеры.

Если указанное условие не выполняется, то необходимо производить повторный расчёт дугогасительного устройства.

12 Производится мотивированная оценка параметров спроектированного дугогасительного устройства, при этом должна учитываться выполнимость следующих условий:

17 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ СПЕЦИАЛЬНОГО ДУГОГАСИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ГАШЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Если на основании предыдущих расчётов (двухкратного разрыва) установлено, что двухкратный разрыв для гашения электрической дуги переменного тока не эффективен, то приступают к расчёту специального дугогасительного устройства. Выбор вида ДУ производится с учётом заданной категории применения аппарата и числа включений-отключений в час.

ДУ целесообразно применять в коммутационных аппаратах, рассчитываемых на лёгкий режим работы (до 600 вкл. - откл. в час).

Эффективность применения решётки должна оцениваться по температуре нагрева пластин и габаритами проектируемого ДУ.

Гашение дуги переменного тока в камере с продольной щелью в переменном магнитном поле применяется при больших номинальных токах (сотни ампер) главным образом у аппаратов, предназначенных для работы в тяжёлых условиях, т.е. данное ДУ применяется тогда, когда камера с решёткой не эффективна.

18 ГАШЕНИЕ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В КАМЕРЕ С РЕШЁТКОЙ

Помимо тех данных, которые использовались при расчёте дуги с двукратным разрывом, определяются ещё следующие данные:

а) Материал пластин (обычно низкоуглеродистая сталь)

Штампованные пластины защищаются от коррозии гальванопокрытием (медь, кадмий)

б) Принимается ориентировочно расстояние между пластинами .

Принимается обычно от 2 до 12 мм, менее 2 мм не рекомендуется. Рекомендации по конструкции пластин и их установки в камере, см.[1, стр.114].

Определяем установившуюся температуру нагрева пластин по формуле:

где – отключаемый ток, А

Z – число включений-отключений в час.

Начиная с этого пункта расчёт параметров ДУ производится дл 2-х токов (номинального и предельного).

Если установочная температура равна или больше 4000С, то применение решётки нецелесообразно и приступают к расчёту щелевой камеры. Если температура не превышает 4000С, то можно продолжить расчёт.

Определяется величина напряжения по формуле:

где – расстояние между пластинами, мм

Определяется величина напряжения:

где – расстояние между пластинами, мм

Определяется величина :

где – это расстояние между пластинами, мм

– толщина

Определяется величина по формуле:

где – индукция отключаемой цепи, Гн

Определяется коэффициент :

Определяется число разрывов для апериодического процесса восстановления напряжения:

Полученная величина округляется в большую сторону до целого числа.

Проверяется, выполняется ли условие перехода колебательного процесса восстановления напряжения в апериодический:

Если условие перехода выполняется, то => число разрывов дугогасительной решётки равно .

Если условие не выполняется, то определяют число пластин при колебательном процессе восстановления напряжения. Расчёт выполняется по формуле:

где определяется по формуле:

Полученное значение округляют в большую сторону до целого числа.

На основании данных полученных в п.8 и п.9, расчёте пластин и при колебательном процессе, принимается реальное число пластин, которое равно расчётному значению плюс несколько резервных пластин.

Так как расчёт производится для двух значений тока: и , то во внимание должно приниматься наибольшее число пластин.

Если при использовании данного способа гашения дуги предусмотреть применение мостиковых контактов (например, с целью повышения коммутационной способности или с целью упрощения кинематической схемы аппарата), то расчёт числа пластин и производится для половинного напряжения, т.е.

Определяется минимальная длина пластин , чтобы дуга не вышла за пределы дугогасительного устройства:

где – время горения дуги, с; – в мм

В реальных условиях время горения дуги в решётке может быть больше 1 полупериода, вследствие неодновременного входа частей дуги в камеру.

Поэтому, в расчётах время следует принимать равным двум полупериодам, т.е.

Вычерчивается эскиз камеры с решёткой, определяются габаритные размеры спроектированного дугогасительного устройства, по числу пластин, по , по ширине пластин. Ширина пластин определяется с учётом ширины подвижных контактов.

Рисунок 1.48 – Эскиз камеры с решёткой

19 ГАШЕНИЕ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В КАМЕРЕ С ПРОДОЛЬНОЙ ЩЕЛЬЮ В ПОПЕРЕЧНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

19.1 Порядок расчёта

1 Производят выбор вида ДК, задаются ширина щели , выполняются эскизные проработки ДУ, определяют число витков катушки, размеры магнитопровода, системы магнитного дутья, рассчитывают зависимость:

Порядок расчёта электромагнитной системы ЭМ дутья см. в постоянном токе.

Расчёт ДУ переменного тока выполняется для ряда отключаемых токов, в которых обязательно включают критические токи, номинальный ток и предельный.

Под отключаемым током в рассматриваемом случае следует понимать его действующее значение.

При определении основных параметров электромагнитной системы ДУ следует руководствоваться рекомендациями [1, стр. 180].

2 Определяем среднюю скорость движения дуги в камере для всех отключаемых токов:

где – действующее значение тока, принимаемое из ряда намеченных токов

Н – напряжённость поля, А/см, определяется по графику зависимости: или ,

– ширина щели , см

3 Определяется диаметр дуги, чтобы уточнить к какому типу отнести дугогасительную камеру с широкой или узкой щелью:

где – скорость движения дуги, в см/с

– определяется для всех отключаемых токов

4 С учётом полученного диаметра дуги производится расчёт градиента напряжения на дуге: а) для камер с широкой щелью:

б) для камер с узкой щелью:

В указанных формулах Iот – в Амперах, – в см.

5 Для выбранного значения и каждого значения отключаемого тока определяют величины: и см. [1, рис.6.19 стр.178].

6 Определяется коэффициент :

7 Определяется коэффициент

где угловая частота:

8 Определяется приближённое значение времени гашения дуги:

где – время от начала размыкания контактов до того момента, когда в межконтактном промежутке создаются условия для нормального распределения дуги в камере, т.е. когда между контактами исчез расплавленный мостик металла и образовалось расстояние между ними, достаточное для свободного выхода дуги в камеру. Для существующих конструкций аппаратов принимается в пределах 0,01÷0,02 с.

Вторая составляющая зависит от параметров размыкающей цепи и параметров дугогасительной камеры. Это время является одной из основных величин, которая рассчитывается.

Третья составляющая – это время гашения пламени дуги, тысячные или сотые доли секунды, в расчётах следует принимать .

Расчёт :

а) определяем время горения дуги при апериодическом законе изменения напряжения:

После определения проверяют условие выполнимости апериодического условия:

где – собственная частота, Гц

– индуктивность отключаемой цепи, Гн

Если это условие выполняется, то расчётное время

Если условие не выполняется, то определяют , т.е. время горения дуги при колебательном процессе восстановления напряжения.

б) определение времени горения дуги :

где Ксх – коэффициент схемы.

Если при расчёте получаются мнимые числа (отрицательные), то это значит, что вторая составляющая полного времени горения дуги будет меньше продолжительности 1 полупериода, или < 0,01 с.

Расчёт времени производится для всех отключаемых токов.

9 Выполняется построение зависимости

Рисунок 1.49 – Зависимость

10 Проверяют для всех отключаемых токов выполнимость условия:

в момент времени

Рисунок 1.50 – Изменение во времени

Как для колебательного, так и для апериодического процесса восстановления напряжения.

Расчёт восстанавливающейся прочности :

где – начальная восстановительная прочность, см. [1, рис.6.19, стр. 178].

– скорость роста восстановления прочности

где – собственная частота, Гц

Расчёт максимальной величины восстанавливающегося напряжения производится по формулам:

а) при колебательном процессе восстановления напряжения:

б) при апериодическом процессе восстановления напряжения:

, fо – в Гц

– электромагнитная постоянная отключаемой цепи – индуктивность цепи, Гн; см. расчёт формулы гашения дуги двукратным разрывом – эквивалентное активное сопротивление нагрева, Ом

Эти параметры рассчитываются для всех отключаемых токов.

11 Определяется длина дуги и стрела вылета дуги для всех отключаемых токов а)

где – вторая составляющая полного времени гашения дуги , с.

б)

12 Корректируются размеры дугогасительного устройства с учётом стрелы вылета дуги.

13 Расчёт нагрева стенок камеры и уточняется материал дугогасительной камеры. Расчёт выполняется по формулам аналогичным как и для ДУ постоянного тока, при расчёте энергии, выделяемой в дуге под временем следует понимать время , а под .

14 Составляется мотивированное заключение о применимости ДУ с учётом выполнения следующих условий:

; ; или ;

20 НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАСЧЁТА ДУ ПОСТОЯННОГО ТОКА С РЕШЁТКОЙ

Дугогасительная решётка является одной из наиболее распространённых дугогасительных камер в сильноточных коммутационных аппаратах. Она состоит из ряда металлических пластин, укреплённых в изоляционных стенках.

Возникающая на контактах дуга перемещается на пластины решётки и разбивается на ряд коротких дуг, включенных последовательно относительно друг друга. Пластины обладают хорошими теплопроводными свойствами и в результате интенсивного охлаждения дуги повышается эффект гашения дуги постоянного тока в решётке определяется увеличением сопротивления и напряжения дуги.

Рисунок 1.51 – Дугогасительная решётка

где – число разрывов в решётке, число коротких дуг

– приэлектродное напряжения, которые могут достигать 20 ÷ 30 В

– напряжение, приходящееся на столб дуги в одном разрыве решётки

Во избежание отрицательного эффекта перемещения дуги в зону контактов, а не из зоны контактов. Можно применять U – образные пластины решётки, при этом повышается плотность силовых линий. Магнитные поля всегда под дугами и ЭДС всегда будут направлены вверх.

Рисунок 1.52 – Дугогасительная решётка с U – образными пластинами

Применение решётки создаёт эффект повышения напряжения и сопротивления дуги с увеличением числа разрывов решёткой.

20.1 Расчёт ЭДС, втягивающей дугу на пластины решётки

В соответствие с положениями, разработанными профессором Броном:

– относительная магнитная проницательность материала пластин

– толщина пластин, см

– расстояние между пластинами, см

– коэффициент, учитывающий неравномерность магнитного поля дуги вблизи пластин решётки,

– ток дуги, А

– расстояние от столба дуги до ближнего края пластин, см

ЭДС, втягивающие дугу в решётку, могут оказаться весьма существенными, например, при токе 5000 А и а = 0,2 см => = 3,9 Н/см, для сравнения при магнитном дутье для создания такой же силы потребовалось бы напряжённость поля порядка 640 А/см.

Когда дуга находится в решётке, на неё действует сила, которая определяется по формуле:

По мере продвижения дуги вверх, сила действия на дугу ослабляется

20.2 ВАХ дуги

Напряжение дуги в решётке мало зависти от величины тока, больше зависти от приэлектродных напряжений, т.е. числа пластин.

ВАХ дуги имеет такой же вид, как и ВАХ дуги без деления её на короткие дуги, но оказывается сдвинутой в область больших падений напряжений.

Рисунок 1.53 – ВАХ дуги с решёткой и без: 1 – ВАХ дуги без деления, 2 – ВАХ с делением дуги на короткие дуги, n – число пластин решётки, – приэлектродные напряжения, Uд1 – падение напряжения без деления на короткие дуги

Если пренебречь падением напряжения на столбе дуги, то необходимое число пластин в камере может быть найдено из условия , тогда

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1 Сахаров П.В. «Проектирование электрических аппаратов»

2 Усов В.В. «Металловедение Электрических контактов», 1963 г.

3 Таев И.С. «Аппараты управления»

4 Сотсков Б.С. «Основы расчёта и проектирования электромеханических элементов автоматических и телемеханических устройств», 1965 г.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5