Проектирование электромеханических устройств

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ ДОНБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра электрических машин и аппаратов ОПОРНЫЙ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по дисциплине ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

(раздел — электрические аппараты) для студентов специальности 6.92 206 — «Электрические машины и аппараты»

старший преподаватель Алчевск 2009

1 Классификация электрических аппаратов по областям применения

1.1 Электрические аппараты распределения электрической энергии высокого напряжения

1.2 Электрические аппараты распределения электрической энергии низкого напряжения

1.3 Аппараты управления

1.4 Электрические аппараты защиты

1.5 Установочные аппараты

2 Части электрических аппаратов

3 Общие требования, предъявляемые к проектируемым аппаратам

3.1 Функционально-технические требования

3.2 Эксплуатационные требования

3.3 Социальные требования

3.4 Экономические требования

4 Применяемые материалы и прогрессивные направления их выбора

4.1 Применяемые материалы в создании электрических аппаратов

4.2 Прогрессивные направления выбора материала

5 Термины, относящиеся к проектированию серии электрических аппаратов

6 Ряды предпочтительных чисел номинальных параметров

7 Определение основных размеров и параметров аппаратов серии

7.1 Общие положения

7.2 Зависимость сечения токоведущих деталей от величины номинального тока

7.3 Зависимость силы контактного нажатия аппаратов серии от величины номинального тока

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

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

8 Выбор и расчет общей электрической изоляции аппаратов

8.1 Общие положения

8.2 Аппараты низкого напряжения

8.3 Аппараты высокого напряжения

8.4 Порядок расчета общей электрической изоляции аппарата высокого напряжения

9 Проектирование оболочек электрических аппаратов электрооборудования. Степени защиты оболочками электрооборудования

10 Проектирование проводников и контактных соединений токоведущего контура электрических аппаратов

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

11.1.2 Расчёт проводника с переменным сечением по длине

11.2 Кратковременный режим работы

11.3 Повторно-кратковременный режим работы

11.4 Расчёт токоведущих частей в режиме КЗ или предельных токах

12 Расчет коммутирующих контактов

12.1 Общие требования к коммутирующим контактам

12.2 Общий порядок проектирования контактов

12.3 Выбор конструктивных форм контактов

12.4 Выбор формы контактной поверхности

12.5 Выбор материалов и определение размеров контактов

12.6 Определение размеров коммутирующих контактов и контактных

Накладок

12.7 Определение размеров рычажных контактов

12.8 Определение силы контактного нажатия коммутирующего контакта

12.9 Определение переходного сопротивления контактов

12.9.1 Определение переходного сопротивления контактов по теоретической зависимости

12.9.2 Определение по формуле, основывающейся на опытных

данных

12.9.3 Определение по графическим зависимостям

12.10 Определение напряжения и температуры нагрева коммутирующих контактов

12.11 Определение допустимого тока через коммутирующие контакты

12.12 Определение величины тока сваривания контактов

12.12.1 Общий метод определения тока сваривания

12.12.2 Расчёт начального тока сваривания контактов

12.12.3 Определение тока сваривания по экспериментальным данным

12.12.4 Определение тока сваривания по опытным данным

12.13 Мероприятия по повышению устойчивости контактов против

сваривания

12.13.1 Конструктивные мероприятия

12.13.2 Повышение устойчивости за счёт рационального выбора

материала

12.14 Износостойкость контактов

12.14.1 Общие положения

12.14.2 Расчётные зависимости для определения электрической износостойкости

13 Маломощные реле

13.1 Условия работы

14 Аппараты распределения энергии и управление её приёмниками (до 1000В)

14.1 Последовательность расчёта электрической износостойкости и провала контактов для аппаратов управления (контакторов)

14.2 Мероприятия по повышению износостойкости контактов

15 Расчет контактных пружин

15.1 Порядок проектирования

15.1.1 Эскизная проработка контактного узла в масштабе

15.1.2 Построения нагрузочной характеристики пружины

15.1.3 Выбор материала пружины

15.1.4 Определение характеристических коэффициентов пружины

15.1.5 Определение диаметра проволоки или прутка и числа витков катушки

15.1.6 Определение шага пружины сжатия и длины пружины

15.1.7 Уточнение полученных данных

15.1.8 Конструктивная проработка пружины

16 Проектирование дугогасительных устройств

16.1 Общие положения

16.2 Условие гашения дуги постоянного тока

16.3 Условия гашения дуги переменного тока

16.4 Значения токов, для которых производится расчёт дугогасительного устройства

16.5 Перенапряжения при отключении дуги постоянного тока

16.6 Учёт влияния индуктивности отключаемой цепи при расчётах дугогасительных устройств постоянного тока

16.7 Основные критерии правильности расчёта ДУ постоянного и переменного тока

16.8 Гашение свободной, неподвижной, открытой дуги постоянного тока механическим растяжением

16.9 Гашение свободной дуги постоянного тока, перемещающейся под действием электродинамических усилий

16.9.1 Порядок расчёта ДУ (дугогасительного устройства)

16.10 Гашение свободной открытой дуги переменного тока двукратным разрывом

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

16.11.1 Порядок расчёта электромагнитной системы магнитного дутья 100

17 Определение рациональных параметров специального дугогасительного устройства для гашения электрической дуги переменного тока

18 Гашение дуги переменного тока в камере с решёткой

19 Гашение дуги переменного тока в камере с продольной щелью в поперечном магнитном поле

19.1 Порядок расчёта

20 Некоторые особенности расчета ДУ постоянного тока с решеткой

20.1 Расчёт ЭДС, втягивающей дугу на пластины решётки

20.2 ВАХ дуги

Перечень ссылок

1 КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ПО ОБЛАСТЯМ ПРИМИНЕНИЯ

1.1 Электрические аппараты распределения электрической энергии высокого напряжения

· выключатели (воздушные, масляные, маломасляные, электромагнитные, элегазовые (баковые, автокомпрессионные, электромагнитные)), вакуумные

· разъединители

· отделители

· короткозамыкатели

· плавкие предохранители

· разрядники

· реакторы

· трансформаторы тока

· измерительные трансформаторы напряжения

· комплексные распределительные устройства

1.2 Электрические аппараты распределения электрической энергии низкого напряжения

· автоматические воздушные выключатели (автомат)

· неавтоматические выключатели и переключатели (рубильники, пакетные выключатели, плавкие предохранители, контактные разъёмы)

1.3 Аппараты управления

— контакторы

— магнитные пускатели

— реле управления

— кнопки и кнопочные посты управления

— команда контроллеры

— силовые контроллеры

— тяговые электромагниты

— путевые выключатели и переключатели

— магнитные усилители

— резисторы и реостаты

1.4 Электрические аппараты защиты

— реле тока, напряжения, мощности, сопряжения, частоты, фазы и т. д.

— трансформаторы тока

— трансформаторы напряжения

1.5 Установочные аппараты

— выключатели и переключатели

— автоматические выключатели

— плавкие предохранители

— разъёмы и др.

2 ЧАСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Деталь — это элементарная часть аппарата, изготовленная из целого куска материала без применения сборочных операций.

Узел (сборочная единица) — соединение двух или более деталей, объединённых выполнением общей функции.

Группа — соединение узлов и деталей, объединённых общностью выполняемых ими функций, например электромагнит.

Несмотря на большое разнообразие электрических аппаратов, в них можно выделить общие части — проводники токоведущего контура и их контактные соединения; коммутирующие контакты; дугогосительные устройства; механизмы электроаппаратов; электромагниты; пневмоцилиндры; изоляционные детали и узлы; корпусные детали; оболочки; резервуар.

3 ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ПРОЕКТИРУЕМЫМ АППАРАТАМ

Спроектированный электрический аппарат должен удовлетворять комплексу требований. Эти требования сформулированы в государственных и отраслевых стандартах, в технических условиях и формируются в проектном техническом задании.

3.1 Функционально-технические требования

· нагревостойкость частей аппарата при нормальном и аварийном режимах

· электрическая прочность изоляционных частей и промежутков при максимальном рабочем напряжении, а также при коммутации и при атмосферных перенапряжениях

· механическая прочность и износостойкость всех частей аппарата

· коммутационная способность при нормальном рабочем и аварийном режимах

· специфические требования (чувствительность для реле защиты, взрывозащищённость и т. д.)

· простота конструкции, малая масса, габаритные размеры

3.2 Эксплуатационные требования

· учёт, влияние окружающих условий (температура, влажность, запылённость)

· надёжность, безопасность

· долговечность, большой срок службы

· ремонтопригодность, простота и удобство наблюдения, осмотра и замены частей

· низкие эксплуатационные расходы (малое потребление электрической энергии)

3.3 Социальные требования

· безопасность в производстве, монтаже и эксплуатации

· обеспечение условий труда обслуживающего персонала

· эстетичность конструкции

3.4 Экономические требования

· низкая себестоимость

· малые капиталовложения при установке, монтаже и вводе в эксплуатацию

· низкие эксплуатационные расходы

· должна обеспечиваться технологичность конструкции

4 ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ПРОГРЕССИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИХ ВЫБОРА

4.1 Применяемые материалы в создании электрических аппаратов можно разбить на три группы по выполняемым ими функциям

1 Конструкционные материалы

2 Электротехнические материалы (проводниковые, контактные, магнитные сплавы высокого электрического сопротивления, изоляционные материалы и т. д.)

3 Вспомогательные материалы

4.2 Прогрессивными направлениями выбора материалов являются

1 Сокращение номенклатуры материалов

2 Выбор материалов с учётом технологичности конструкции и объёма производства (единичное, мелкосерийное, серийное, крупносерийное, массовое)

3 Экономия материалов (безотходное производство)

4 Экономия электротехнических материалов

5 ТЕРМИНЫ, ОТНОСЯЩИЕСЯ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ СЕРИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Вид — это совокупность аппаратов, объединённых общим назначением (например, предохранители, контакторы).

Типаж — это совокупность аппаратов одного вида, состоящая из ряда серий аппаратов.

Серия — это совокупность электрических аппаратов одного вида общего назначения сходных по конструкции.

Типоразмер — это представитель серии, отличающийся от других некоторыми параметрами, оказывающими влияние на габаритные размеры.

Типоисполнение — это вариант типоразмера, отличающийся исполнением какой-либо детали, узла, группы, не влияющих на габаритные размеры.

6 РЯДЫ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ЧИСЕЛ НОМИНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ

Аппараты представляющие серии имеют, как уже отмечалось, сходную конструкцию большинства деталей и узлов, но отличаются номинальными параметрами. У большинства электрических аппаратов главными параметрами считаются: номинальное напряжение и ток, влияющие на размеры аппарата.

В процессе проектирования необходимо принимать градации параметров и размеров, а также отдельных числовых величин. Для этой цели необходимо использовать ГОСТ 8032–80 «Ряды предпочтительных чисел». Например, ряд номинальных токов серии следует принимать по ГОСТ 6827–76, который построен в соответствии с ГОСТ 8032–80:

…10, 16,25, 40, 63, 100… А и т. д.

Эти ряды, представляющие собой десятичные ряды геометрической прогрессии, можно назвать естественными, так как они присущим многим физическим и другим закономерностям в природе.

Ряды предпочтительных чисел, построенные по геометрическим прогрессиям, имеют постоянное отношение каждого последующего члена к предыдущему члену ряда. Это отношение называют знаменателем прогрессии .

Например, ряд чисел 1; 1,6; 2,5; 4; 6,3; 10; 16;… образуют геометрическую прогрессию со знаменателем .

Основные свойства геометрических прогрессий:

1) достаточно равномерное распределение членов в пределах ряда;

2) произведение и частное любых двух членов ряда является членом ряда этой же прогрессии (и т.д.)

3) любой член ряда, возведенный в целую положительную и отрицательную степень, дает число, являющееся членом этого же ряда (и т.д.)

4) площади фигур или объема тел, стороны которых равны членам геометрической прогрессии, являются членами этой же прогрессии.

Многолетним опытом установлено, что требования всех отраслей промышленности наиболее удовлетворяют ряды предпочтительных чисел, составляющих геометрические прогрессии, со знаменателями, где х — показатель степени, равный 5; 10; 20; 40 или 80. Ряды предпочтительных чисел безграничны.

Таблица 1.1- Ряды предпочтительных чисел в интервале от 1 до 10

Примечание: ряды предпочтительных чисел свыше 10 можно получить путем умножения на 10, 100 и т. д. предпочтительных чисел исходного ряда, а числа меньше 1 — делением на 10, 100 и т. д.

В СССР для электрических сетей общего назначения приняты следующие номинальные напряжения постоянного тока и переменного тока .

· для аппаратов постоянного тока низкого напряжения:

6; 12; 24; 36; 60; 110; 220 и 440 В

· для аппаратов однофазного переменного тока низкого напряжения (линейное напряжение):

36; 220; 380 (500); 660 и 1140 В (для угольных шахт).

В СССР принята следующая школа номинальных токов (ГОСТ 6827−76), А:

0,1; 0,125; 0,16; 0,2; 0,25; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,2; 4; 5; 6,3; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 320; 400; 500; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 2000; 2500; 3200; 4000; 5000; 6300; 8000; 10 000; 11 200; 12 500; 14 000; 16 000; 18 000; 20 000; 22 400; 25 000; 28 000; 32 000; 35 500; 40 000; 45 000; 50 000; 56 000; 63 000; 71 000; 80 000 А.

Определение ряда, а значит, количества типоразмеров являются важной народно-хозяйственной технико-экономической задачей. При проектировании не обязательно выбирать все числа подряд, в диапазоне токов. Нужно читывать, что освоение типоразмера требует значительных затрат труда и средств. Однако может быть, что при отсутствии этого промежуточного типоразмера потребитель будет вынужден применять следующий более дорогой типоразмер. Поэтому, если потребность народного хозяйства в промежуточном размере такова, что экономия за счет разницы в стоимости между большим типоразмером и промежуточным будет превышать затраты на освоение производства промежуточного типоразмера, то целесообразно предусмотреть его в серии.

7 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ И ПАРАМЕТРОВ АППАРАТОВ СЕРИИ

7.1 Общие положения

При проектировании серии аппаратов не обязательно рассчитывать размеры каждого типоразмера. Задачу можно упростить, если использовать зависимости основных размеров и параметров серии аппаратов от главных ее параметров — обычно и. Некоторые элементы аппаратов можно просто и удобно рассчитывать по пропорциональной зависимости между сходными размерами и параметрами на основании подобия.

В общем, зависимость, связывающая эти величины (с достаточной для инженерных расчетов точностью) выглядит так:

где — искомый параметр;

— параметр или размер базового типоразмера серии;

0 — постоянная величина;

— постоянная величина, характеризующая размер или параметр, независящий от главного параметра;

— число, характеризующее изменение параметров или размеров серии.

В конкретном случае данная формула может быть упрощена (например: ,) и функция может из степенной преобразоваться в линейную.

Таблица 1.2 — Примеры применения формулы

Часто также оказывается более удобным зависимость выражать посредством коэффициента нарастания величин главных параметров серии — номинального тока (коэффициент) и номинального напряжения (коэффициент), которые представляют отношение последующих величин главных параметров серии к их начальным величинам.

Таблица 1.3 — Пример изменения при изменении

Таблица составлена в соответствии с ГОСТ 8032–80

7.2 Зависимость сечения токоведущих деталей от величины номинального тока

При установлении этой зависимости принять следующее исходное положение — превышение температуры токоведущих деталей независимо от величины номинального тока должно оставаться примерно постоянным в пределах регламентированными ГОСТ.

Поэтому отношение выделяющейся в детали мощности к поверхности теплоотдачи при длине проводника должно быть постоянным:

; ;

где — коэффициент нарастания по току;

— сечение токоведущей детали;

— номинальный ток, увеличивающийся в — раз.

— поверхность теплоотдачи;

— мощность, выделяемая в детали;

Отсюда следует:

или

Таким образом, при увеличении тока в раз для сохранения прежнего превышения температуры площадь сечения токоведущей детали необходимо увеличить не в раз, а в раз, при этом плотность тока считается в раз.

Формулы применимы при постоянном токе и переменном, частотой 50Гц, так как коэффициент добавочных потерь 1. При частоте 50Гц, показатель степени у изменяется.

Если считать, что поперечное сечение квадрат, то .

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 °C, испытательное напряжение должно быть повышено на 1% на каждые 3 °C свыше 35 °C. 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 1 м 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 д — толщина изоляции, м л₁ — 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, t_п — время паузы, Т — постоянная времени нагрева:

В соответствии с ГОСТ 12 434–96 рекомендуются следующие значения для аппаратов до 1000 В: 5, 15, 30 с и 10, 30, 60 мин.

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 12 434–96 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 300^оС, для алюминия — 200^оС. 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 t_кз, то находится І_кз. и наоборот.

Для аппаратов низкого напряжения, как правило, определяется время термической стойкости на основании известного тока и сечения токоведущей детали I_кз и S_m. На основании известных данных А_кз и А_н определяем время термической стойкости. Для аппаратов высокого напряжения, как правило, регламентируется время термической стойкости, которое в соответствии с формулой (1) позволяет определить предельный ток К_з. 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 I_доп.

5 Определение тока сваривания I_св., силы электродинамического отброса в контактах F_эду 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 24ч48 В постоянного тока и 220ч380 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.

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.