Электрические сети и системы

12. Коэффициент теплообмена излучением

kт.и = 5,673.10-8..(ном4-04)/ = 5,673.10-8.0,25.(3304-3134)/17 = 1,887 Вт/(м2.К).

13. Суммарный коэффициент теплообмена

kт.с = kт.к + kт.и = 10,565 + 1,887 = 12,452 Вт/(м2.К).

(Значение используется в программном расчёте токоведущего контура для Г2).

14. Площадь поверхности подвижных контактов, общей длиной S = 3.l.2..r = = 3.0,175.2..0,0125 = 0,04123 м2 (см. данные из п. 3.4.).

15. Активное сопротивление ТЭ при ном = 57С (см. данные из п. 3.4.)

R=kд.п.0.(1+cu.ном).l/S=1,034.1,62.10-8.(1+4,33.10-3.57).0,175/4,909.10-4=7,446.10-6 Ом.

16. Суммарный тепловой поток, выделяющийся в трёх подвижных контактах при номинальном токе Ф = 3.Iном2.R = 3.6302.7,446.10-6 = 8,866 Вт (см. п. 3.4.).

17. Температура поверхности ТЭ

ном = Ф/(kт.с.S) + 0 = 8,886/(12,452.0,04123) + 40 = 57,3 С.

Кроме нагрева подвижных контактов имеет место нагрев в контактных узлах (самый значительный по сути!), неподвижных контактах, алюм. шинах, соединяющих выводы проходных изоляторов с неподвижными контактами. Всё это рассматривается и учитывается в программном расчёте токоведущей системы высоковольтных выключателей {5}.

3.6. ПОРЯДОК ТЕПЛОВОГО РАСЧЁТА ТОКОВЕДУЩИХ СИСТЕМ

МЕТОДОМ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ

1. Разработка тепловой модели токоведущих систем (ТС) аппарата в виде стержневой системы, в которой выделяются участки однородности.

2. По тепловой модели строится тепловая схема. Несовершенство теплового и электрического контакта на стыке стержней учитывается в тепловой схеме источниками теплового потока и теплового сопротивления.

3. Расчёт всех сопротивлений и источников, входящих в тепловую схему.

4. Тепловая схема рассчитывается по методам, применяем в электротехнике, и находятся температуры на границах каждого участка.

5. По уравнениям связи для каждого участка определяются параметры, необходимые в дальнейшем для построения графика распределения теплового потока вдоль токоведущей системы.

3.7. ПОСТРОЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ МОДЕЛИ ТОКОВЕДУЩЕЙ СИСТЕМЫ

Для теплового расчёта ТС ВГБ-35 программой {5}, необхо­димо упростить исходную токоведущую систему до системы коаксиальных ци­линдров, что в принципе возможно, при замене корпуса бака выключателя экви­валентным цилиндром того же объёма, имеющим ось симметрии, совпадающую с осью симметрии одного из шести проходных изоляторов выключателя. (Рассматриваем только одну фазу и в силу вертикальной симметрии конструкции бака с проходными изоляторами, ограничиваемся следующей цепочкой: ввод проходного изолятора  токопровод изолятора  алюминиевая шина, соединяющая вывод изолятора с неподвижным контак­том  контактный узел  подвижный контакт половинной длины  элегаз). Алюминиевая шина прямоугольного сечения заменяется эквивалентным стержнем, имеющим такое же сечение и длину.

График распределения теплового потока данной модели (см. приложение) необходимо зеркально отразить по горизонтали из-за причин, обрисованных выше. Схема тепловой модели показана на рис. 3.7.

Где 1 - токопровод проходного изолятора; 2 - воздушный промежуток; 3 - фарфор; 4 - винипол; 5 - стеклоэпоксид; 6 - сталь колпака трансформатора тока; 7 - изоляция трансформатора тока; 8 - подвижный контакт половиной длины; 9 - алюминиевая шина; 10 - элегаз под давлением 0,45 МПа; 11 - стальной корпус бака; I..VIII - участки однородности токоведущей системы; КУ -контактный узел.

3.8. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ МАШИННОГО РАСЧЁТА

Исходные данные для расчёта токоведущего контура пр-мой {5} приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3

Где L - длина участка с однородной изоляцией, м; S - периметр токоведущего стержня на участке однородности, 10-6 м, F - сечение токопровода на участке однородности, 10-6 м2; 0 - удельное сопротивление материала токопровода при 0С, Ом.м.10-8;  - коэффициент теплопроводности материала токопровода на участке при 0С, Вт/(м.С);  - температурный коэффициент сопротивления материала токопровода, 10-3 К-1; P -абсолютное давление слоёв изоляции, МПа; 1..4 - слой однородной изоляции на участке; r2/r1..r5/r4 - внешний/внутренний диаметры слоёв изоляции. I..VIII - участки однородности токоведущей системы.

3.9. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕПЛОВОГО РАСЧЁТА

Результаты расчёта приведены в приложении.

ГЛАВА ЧЕТВЁРТАЯ

РАСЧЁТ КОНТАКТНОГО УЗЛА

Расчёт параметров контактной системы при номинальном токе сводится к определению необходимого контактного нажатия при заданном значении тока и максимальной температуре площадки контактирования применительно к разрабатываемой конструкции коммутационного аппарата.

4.1. ТИП КОНТАКТНОЙ СИСТЕМЫ ВГБ-35

Контакты ВГБ-35 относятся к ламельным (пальцевым) контактам без гибких связей (см. рис. 4.1, а; 4.1, б), в которых подвижная контакт-деталь (ПК), выполненная в виде стержня входит в неподвижную контакт-деталь (НК). Контактное нажатие создаётся двумя пружинами (П). Общее количество ламелей (Л), расположенных на НК - четыре (две сверху, две снизу), причём одна пара (верхняя и нижняя Л) имеет больший горизонтальный размер, чем другая. Эта же пара снабжена дугостойкими металлокерамическими напайками. ПК соответственно тоже снабжены наконечниками из дугостоикой металлокерамики.

Контактный узел ВГБ-35

Рис. 4.1, а Рис. 4.1, б

ПК-подвижный контакт; НК-неподвижный контакт; П-пружина; Л-ламель.

4.2. РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ КОНТАКТНОЙ СИСТЕМЫ

ПРИ НОМИНАЛЬНОМ ТОКЕ

4.2.1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЁТА

КОНТАКТНОГО НАЖАТИЯ

 Номинальный ток выключателя Iном = 630 А;

 Максимальная температура контактов из меди и

медных сплавов с покрытием серебром в элегазе {6} доп = 105C;

 Превышение температуры контакта над температурой

удалённых точек  = 5 К;

 Количество ламелей m = 4;

 Количество точек касания для линейного контакта n = 2;

 Удельное сопротивление меди при 0C {6} 0=1,62.10-8 Ом.м;

 Температурный коэффициент электрического

сопротивления меди при 0C {6} =0,00433 K-1;

 Теплопроводность меди при 0C {6} 0=388 Вт/(м.К);

 Микротвёрдость меди при 0C {6} H=730 МПа;

 Температура плавления меди {6} 0 = 1083 С;

 Температурный коэффициент электрического

сопротивления меди при 0C {6}  = 0,00433 K-1;

 Коэффициент шероховатости поверхности м =1;

 Коэффициент неравномерности по точкам касания kн = 1,11,3.

Расчёту подлежат:

 = 0.(1+cu.доп) = 1,62.10-8.(1 + 0,00433.105) = 2,357.10-8 Ом.м;

 = 0.(1 - т.доп) = 388.(1 - 1,8.10-4.105) = 381 Вт/(м.К);

н = 273 + доп = 273 + 105 = 378 К; пл = 273 + пл = 273 + 1083 = 1356 К;

H=H.[1-(н/пл)2/3]/[1-(273/пл)2/3]=730.[1-(378/1356)2/3]/[1-(273/1356)2/3]=638 МПа;

4.2.2. РАСЧЁТ КОНТАКТНОГО НАЖАТИЯ

Fк= n.[Iном.kн/(n.m)]2...H/(32..) = 2.[630.1,2/(2.4)]2.2,357.10-8..638.106/(32.381.5) = = 13,841 Н {6, стр. 267, формула (7-13а)}.

4.2.3. РАСЧЁТ КОНТАКТНОГО НАЖАТИЯ

ПО ЭЛЛИПТИЧЕСКОЙ ФОРМУЛЕ

Fк.элл = [n.(Iном/(n.m).kн)2.kл..м.Hб]/[16.2.(аrccos(Tк/Tм))2] = [2.(630/(2.4).1,2)2.2,357   10-8.3,14159.3,7.108]/[16.3812.(аrccos(378/383))2] = 7,228 H.

4.2.4. РАСЧЁТ КОНТАКТНОГО НАЖАТИЯ

ПО СФЕРИЧЕСКОЙ ФОРМУЛЕ

Fк.сфр = [n.(Iном/(n.m).kн)2...см]/[32..(Tк - Tм)] = [2.(630/(2.4).1,2)2.2,357.10-8.3,1415   3,7.108]/[32.381.(387 - 383)] = 7,636 H.

Усреднённое значение силы контактного нажатия, см. п. 4.2.2 - 4.2.4:

Fк = (Fк + Fк.элл + Fк.сфр)/3 = (13,841 + 7,228 + 7,636)/3 = 9,568 Н.

4.2.5. РАСЧЁТ ПЕРЕХОДНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

КОНТАКТНОГО УЗЛА

Производится по формуле из {6, стр. 264}:

Rпер = /(0,102.Fк)m, где

Rпер - переходное сопротивление контактного соединения (КД);  - коэффициент, учитывающий физические свойства металла КД, состояние рабочей поверхности (степень её окисления) и вид контакта; Fк - контактное нажатие, Н; m - коэффициент, полученный опытным путём для контактов разного вида.

Для ВГБ-35 переходное сопротивление КД составляет:

Rпер = /(0,102.Fк)m = 0,14.10-3/(0,102.9,568)0,7 = 1,424.10-4 Ом.

4.2.6. РАСЧЁТ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА КОНТАКТНОЙ СИСТЕМЫ

Тепловой поток, приходящийся на весь контактный узел

определяем по формуле

Qк = Rпер.n.m.[Iном.kн/(n.m)]2 = 1,424.10-4.2.4.[630.1,2/(2.4)2] = 10,173 Вт.

Значение теплового потока КУ используется в программе {5}.

Т. к. в конструкции ВГБ-35 предусмотрено шесть контактных узлов, то общий тепловой поток, выделяющийся в бак, заполненный элегазом, при протекании номинального тока (включенное положение) составляет 6.10,173 = 61,038 Вт. С учётом тепловых потерь в подвижных контактах, тепловой поток, выделяющийся в бак составляет 61,038 + 10,343 = = 71,381 Вт (см. п. 3.4.).

4.2.7. РАСЧЁТ МАКСИМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ТОЧКИ

КАСАНИЯ КОНТАКТОВ

H=H.[1-(н/пл)2/3]/[1-(273/пл)2/3]=730.[1-(1000/1356)2/3]/[1-(273/1356)2/3]=204 МПа;

Tм=То/[cos((Iэфф(1)/(m.n).kн..A.H)/(4..Fк))]=378/[cos((18,75.103/(4.2).1,2.3,14.2,310-8.204.106)/ /(4.381.9,568))]=???

4.2.8. РАСЧЁТ СВАРИВАЮЩЕГО ТОКА

Iпл = mсв.(0,102.n.m.Fк)nсв.103 = 2,0.(0,102.2.4.7.432)0,5.103 = 13,931 кА.

См. {6, стр. 289}.

Параметры mсв и mсв взяты из {6, таблица 7-7}.

4.3. РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ КОНТАКТНОЙ СИСТЕМЫ

ПРОГРАММОЙ "CONT" {6}

4.3.1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Исходные данные для расчёта взяты из {1, таблица П.7.}, {3}.

 Материал контактной пары медь/медь;

 Номинальный ток 630 А;

 Номинальный ток отключения 12500 А;

 Допустимая температура в номинальном режиме 105+273=378 К;

 Допустимая температура при КЗ 250+273=523 К;

 Температура плавления 1083+273=1356 К;

 Твердость по Бринелю при 0С 5.108 Н/м2;

 Теплопроводность 388 Вт/(м.К);

 Длина ламели 0,08 м;

 Внутренний диаметр ламели 0,023 м;

 Внешний диаметр ламели 0,044 м;

 Сечение ламели 0,000289 м2;

 Число ламелей 4;

 Число точек касания 2.

4.3.2. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЁТА

 В номинальном режиме сила контактной пружины 10,887 Н;

 В режиме короткого замыкания максимальная

температура точки касания 1125 К;

 Электродинамическая сила притяжения,

действующая на одну ламель 55,331 Н;

 Электродинамическая сила отталкивания,

действующая на одну ламель 10,582 Н;

 Фактическое нажатие 50,193 Н;

 Переходное сопротивление контакта 2.31.10-5 Ом;

 Тепловые потери в контакте 9.173 Вт.

Результаты расчёта данной программы несколько отличаются от расчётов, выполненных в п. 4.2. Это объясняется тем, что данная программа в первую очередь предназначена для расчёта контактов розеточного типа, которые имеют радиальную геометрию контактной системы, отсутствующую в ВГБ-35.