Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обоснование направлений разработок и исследований 11
1.1 Особенности работы автоматического быстродействующего выключателя постоянного тока в составе подвижных объектов городского наземного электротранспорта с учетом факторов, влияющих на их работу 11
1.2 Обзор существующих конструкций автоматических быстродействующих вы ключателей для подвижных объектов городского наземного электротранс порта 16
1.3 Обоснование новых разработок автоматических быстродействующих вы ключателей, обеспечивающих быстродействующую защиту подвижных объектов городского наземного электротранспорта 23
1.3.1 Состояние изоляции троллейбуса как фактор электробезопасности 25
1.3.2 Критическая коммутационная способность электрического аппарата 29
1.4 Методики исследований автоматических быстродействующих выключателей постоянного тока для подвижных объектов городского наземного электро транспорта 35
1.5 Выводы 45
Глава 2 Разработка и исследование электромагнитных приводов 47
2.1 Разработка и исследование быстродействующих электромагнитных механиз мов 48
2.1.1 Рабочий цикл электромагнитного механизма и закономерности процесса срабатывания 50
2.1.2 Силовые характеристики быстродействующих выключателей 57
2.1.3 Динамические процессы в электромагнитных механизмах 60
2.1.4 Быстродействие отключения электромагнитного механизма 64
2.1.5 Закономерности изменения тока намагничивающей катушки в размагничивании магнитной системы 68
2.1.6 Процесс затухания магнитного потока
2.1.7 Потери энергии в магнитных материалах - фактор размагничивания 80
2.1.8 Динамика выбора провала контактов 91
2.2 Разработка и исследование привода быстродействующего выключателя с ме
ханизмом свободного расцепления 99
2.2.1 Предвключенное положение контактов 99
2.2.2 Разработка и исследование привода быстродействующего выключателя с механизмом свободного расцепления 104
2.3 Разработка и исследование контактных соединений коммутационных аппара
тов с быстродействующими электромагнитными приводами 113
2.4 Выводы 131
Глава 3 Разработка и исследование дугогасительных систем 136
3.1 Исследования процессов дугогашения 137
3.1.1 Разработка и исследование дугогасительных систем с последовательным магнитным дутьем 143
3.1.2 Разработка и исследование дугогасительных систем с параллельным магнитным дутьем 148
3.1.3 Разработка и исследование дугогасительных систем с комбинированным магнитным дутьем 157
3.2 Разработка и исследование оптимальной конструкции дугогасительной камеры 159
3.2.1 Дугогасительная решетка в системе дугогашения 162
3.2.2 Дугогасительные камеры 165
3.3 Прикладное значение исследований 170
Глава 4 Разработка и исследование автоматических систем управления 177
4.1 Разработка и исследование датчика тока 177
4.1.1 Датчики тока на эффекте Холла 179
4.1.2 Модифицированные датчики на эффекте Холла 180
4.1.3 Функциональная схема электронного датчика тока для автоматических быстродействующих выключателей 186
4.2 Разработка и исследование автоматических систем управления для повышения эффективности работы быстродействующих выключателей 188
4.2.1 Электронная система управления выключателей типа ВБ 11 190
4.2.1.1 Управление коммутациями 197
4.2.1.2 Работоспособность и надежность электронной системы управления выключателя ВБ 11 198
4.3 Разработка и исследование гибридных выключателей 200
4.3.1 Гибридный быстродействующий автоматический выключатель постоянного тока ВБ 15-250/6 205
4.4 Выводы 207
Глава 5 Использование и реализация автоматических быстродействующих выключателей для подвижных объектов наземного городского электро транспорта 209
5.1 Требования нормативных документов 209
5.2 Испытательное оборудование 214
5.3 Результаты испытаний выключателей 217
5.4 Экономическая оценка 223
5.5 Выводы 225
Заключение 226
Список сокращений 227
Список литературы
- Обоснование новых разработок автоматических быстродействующих вы ключателей, обеспечивающих быстродействующую защиту подвижных объектов городского наземного электротранспорта
- Разработка и исследование привода быстродействующего выключателя с механизмом свободного расцепления
- Разработка и исследование дугогасительных систем с последовательным магнитным дутьем
- Результаты испытаний выключателей
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Наземный городской электротранспорт (ГЭТ) является важнейшим звеном городской инфраструктуры и в основном состоит из троллейбусов и трамвайных вагонов, которые во время работы никаких вредных примесей в атмосферу не выделяют. Они являются экологически чистым видом транспорта, и в этом видится их неоспоримая перспектива. Защита подвижных объектов ГЭТ от токов КЗ и от тепловых воздействий тех токов, которые возникают в режиме перегрузки во время эксплуатации, является актуальной задачей. Изношенность подвижных объектов ГЭТ создает серьезную проблему - это низкая электрическая прочность самих объектов. В этом случае необходимо обеспечить быстродействующую защиту (БЗ) от токов утечки и прикосновений. Нерешенность этих проблем приводит к тяжелым последствиям, включая человеческие жертвы.
Существующие конструкции автоматических выключателей (АВ) не могут обеспечить быстродействия по ГОСТу 2585, где регламентируется основной параметр автоматических быстродействующих выключателей (АБВ) постоянного тока - собственное время отключения - с разделением его на три класса: I класс 0,006 - 0,008 с, II класс 0,003 - 0,005 с, III класс 0,001 -0,002 с. Широко применяющимся защитным аппаратом является выключатель с ручным управлением АВ-8А (производства ЗАО «Динамо-Плюс» г. Москва), но его место установки предусмотрено только внутри кабины водителя троллейбуса, что приводит к появлению в этой зоне кабелей высокого напряжения. В аппарате используется двухступенчатая щелевая дугогаси-тельная камера (ДК) без пламегасителя, работа которой сопровождается выбросом ионизированных газов за ее пределы.
Обзор существующих конструкций АВ и АБВ отечественного и зарубежного производства показал, что двухполюсные АБВ отсутствуют. Троллейбусы полностью изолированы от земли, а для трамваев рельс является минусовой шиной питания трамвайных вагонов. Для защиты электрообору-
дования (ЭО) трамвая однополюсные аппараты применимы, но применение двухполюсных аппаратов предпочтительнее тем, что при коммутации таких выключателей происходит отделение электрической схемы от обоих проводов контактной сети и, тем самым, напряжение снимается полностью, что обеспечивает надежное отключение цепи и гальваническую развязку. Многие аппараты имеют критическую зону гашения дуги, особенно дуги малых индуктивных токов (МИТ), а также неотключаемые токи. По ГОСТу 12.1.038 «Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновений и токов» полное время отключения токов любых значений защитной аппаратурой не должно превышать 80 мс. Таким образом, известные отечественные конструкции АБВ постоянного тока для наземного ГЭТ не полностью удовлетворяют всем требованиям нормативных документов, а их зарубежные аналоги при сопоставимой мощности имеют высокую цену, и это определяет необходимость разработки новых конкурентоспособных АБВ для ГЭТ, что в конечном итоге определяет актуальность выбранной темы:
-
Защита пассажиров и самих подвижных объектов ГЭТ от токов КЗ, утечки и прикосновения; от тепловых воздействий тех токов, которые возникают в режиме перегрузки во время эксплуатации; защита современной электронной аппаратуры, установленной в подвижных объектах ГЭТ.
-
Разработка принципов таких коммутационных аппаратов для увеличения надежности защиты пассажиров и техники.
-
Применение автоматической быстродействующей защиты, притом -дистанционного управления.
-
Исключение неотключаемых токов в АБВ.
Целью работы является разработка и исследование конкурентоспособных АБВ постоянного тока для наземного ГЭТ с повышенной надежностью для обеспечения пожаро- и электробезопасности пассажиров, что формирует следующие задачи разработки и исследования:
-
Обоснование разработок и исследований новых АБВ для ГЭТ.
-
Разработать и исследовать новые электромагнитные приводные механизмы АБВ для ГЭТ.
-
Разработать и исследовать новые дугогасительные системы, а также разработать и исследовать новые системы управления АБВ для ГЭТ.
-
Разработать и исследовать гибридный АБВ для ГЭТ.
-
Разработать инженерные методики для определения оптимальных параметров новых АБВ для ГЭТ.
6. Довести результаты разработок АБВ для ГЭТ до опытно-
промышленных испытаний и серийного производства.
Научная новизна выполненных исследований состоит в следующем:
-
Научно обоснованы принципы разработки и создания новых АБВ для ГЭТ.
-
Разработаны инженерно-математические модели для анализа нелинейных процессов в электромагнитных механизмах (ЭММ) новых АБВ для ГЭТ.
-
Разработаны экспериментально-математические методики для анализа нелинейных процессов в дугогасительных системах новых АБВ для ГЭТ.
4. На базе разработанных принципов синтезирован ряд новых АБВ для
наземного ГЭТ.
Теоретическая и практическая значимость работы:
-
Разработанные принципы построения новых электрических аппаратов использованы при синтезе новых АБВ для ГЭТ.
-
Разработанные инженерно-физические расчетные методики использованы для определения оптимальных параметров ЭММ новых АБВ для ГЭТ.
-
Разработанные экспериментально-математические методики использованы для определения оптимальных параметров ДС новых АБВ для ГЭТ.
-
Практическая ценность подтверждается тем, что на основании проведенных исследований получено большое количество патентов, многие из которых нашли применение в новых внедренных АБВ для ГЭТ.
Методы исследования. При теоретических исследованиях были использованы методы теории электрических аппаратов, в том числе электрических цепей, теория магнитных цепей, теория электромагнитных и динамических процессов в ЭММ, включая аналоговые и цифровые модели для ЭВМ. Основные положения и результаты, выносимые на защиту: 1. Принципы построения и новые устройства ЭММ АБВ для ГЭТ.
-
Принципы построения и новые ДС АБВ для ГЭТ.
-
Принципы построения и новые системы управления АБВ для ГЭТ.
-
Разработка и исследование гибридного АБВ для ГЭТ.
-
Разработка инженерных методик для определения оптимальных параметров новых АБВ для ГЭТ.
-
Результаты внедрения разработанных АБВ в серийное производство.
Достоверность полученных результатов обоснована корректным использованием элементов теории электрических аппаратов, многочисленными экспериментальными исследованиями, использованием результатов исследований в серийном производстве разработанных электрических аппаратов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 229 наименований, 5 приложений и содержит 317 страниц (с приложениями), 170 рисунков, 48 таблиц.
Обоснование новых разработок автоматических быстродействующих вы ключателей, обеспечивающих быстродействующую защиту подвижных объектов городского наземного электротранспорта
Одной из важных задач при создании нового подвижного объекта ГЭТ является его оснащение новой коммутационной и защитной аппаратурой, которая позволяет обеспечивать все рабочие режимы электропривода и быстро отключать при необходимости все токи, потребляемые электротранспортом от питающей сети (токи утечки, потребляемые токи вспомогательным оборудованием, номинальные токи, токи перегрузки и КЗ). Применение такой аппаратуры должно обеспечить выполнение двух важнейших требований, предъявляемых к подвижным объектам ГЭТ, а именно электро- и пожаробезопасность, которые должны повышать конкурентоспособность ГЭТ перед другими видами городского транспорта. Кроме того, надежная и обладающая высоким быстродействием АБВ, обеспечивающая оптимальную селективность аварийных отключений, позволяет существенно повысить устойчивость, долговечность и надежность всей системы электроснабжения ГЭТ, в том числе защитить от разрушительного действия тока КЗ и сам электротранспорт [5,6]. Собственное время срабатывания АБВ выбирается в диапазоне нескольких миллисекунд по условиям селективности защиты с учетом необходимости ограничения длительности аварийных воздействий на элементы собственного ЭО подвижного состава. Необходимость изменения требований к характеристикам защиты обусловлена с одной стороны увеличением тяговых нагрузок тяговой сети, а с другой - оснащением трамваев и троллейбусов новыми типами электропривода [7].
При создании нового ГЭТ, как правило, происходит внедрение новейших достижений науки и техники, а именно новых конструкционных и изоляционных материалов, новых видов электропривода, в том числе тиристорно- и транзисторно-импульсного, а также частотно-регулируемого асинхронного электропривода, широкое использование микроэлектронной и микропроцессорной техники с одновременным решением вопросов электромагнитной совместимости с питающей сетью, обширное применение режимов и устройств рекуперации, автоматизации непрерывного диагностирования отдельных блоков и оборудования электротранспорта [6]. Хотя до настоящего времени основная часть парка троллейбусов и трамвайных вагонов, оснащенных реостатно-контакторной системой управления, с защитой ЭО, построенной на использовании традиционных типов коммутационных аппаратов, благополучно эксплуатируется, особенно в провинциальных городах. Как система их электроснабжения, так и система защиты вполне соответствуют уровню техники предшествующего периода [5,9,26,27].
Однако в последнее время все более острыми становятся вопросы безопасности обслуживающего персонала и пассажиров при токах утечки на корпус и землю, особенно в троллейбусах. АБВ должен обеспечивать возможность отключения таких токов за время, безопасное для здоровья человека. Использование рекуперативного торможения предъявляет требования к неполяризованности выключателя, так как возникновение значительных обратных токов - реальность. Кроме того, отсутствие заземления корпуса делает особенно острой проблему отключения токов утечки, представляющих опасность для пассажиров и обслуживающего персонала [3].
Таким образом, АБВ должен отключать токи любого направления, от нуля до предельных токов КЗ, возможных в троллейбусе, за время, не представляющее опасности для пассажиров и обслуживающего персонала. В этом случае, согласно [2], полное отключение главной цепи должно произойти не более чем за 0,08с, причем это время включает в себя время срабатывания датчика устройства защитного отключения (УЗО), собственное время отключения защитного выключателя и время гашения дуги.
В настоящее время вопросы защиты человека от поражения электрическим током в электроустановках жилых, общественных и промышленных зданий регламентируются многочисленными нормативными документами (ПУЭ, ГОСТы, СНИПы), зачастую исходящими из устаревших понятий с использованием терминологии, неадекватно отражающей физическую природу процессов в электрических установках. Наиболее ярко это выражается в использовании понятия ток утечки [3,13]. В любой электроустановке для электрического тока создается основной путь ее ТВС, элементы которой отделяются от других токоведущих и металлических нетоковедущих частей изолирующими промежутками, узлами либо деталями. По этому пути, т.е. по ТВС, замыкаются рабочие токи электроустановки, а иногда и токи перегрузки, если они имеют место. При аварийных условиях в схеме установки, как правило, возникают дополнительные аварийные звенья пути тока, которые изменяют основную рабочую ее схему так, что аварийный ток захватывает лишь некоторую случайную часть ТВС. Таким образом, в любой электроустановке и рабочие токи, и токи перегрузки, и аварийные токи локализуются в ее ТВС, которая функционально к этому приспособлена [3,13]. Кроме этого, в любой электрической цепи имеют место дополнительные неявные пути тока, обусловленные физическими свойствами изоляционных материалов, используемых для изоляции отдельных звеньев ТВС друг от друга, от нетоковедущих конструктивных деталей оборудования из металлов разной степени электропроводности (корпуса, кожухи, детали механизмов и т.п.) и от земли.
Электрическая изоляция токоведущих частей имеет весьма высокое, но конечное значение активного сопротивления і?и, обусловленное свободными носителями зарядов микропримесей, и отличную от нуля емкостную проводимость, обусловленную физическими процессами поляризации молекул изоляционного материала [3,13]. Поэтому все части электрической цепи, находящиеся под напряжением, имеют дополнительные ветви связи между собой, на металлические нетоковедущие части и на землю, которые могут моделироваться параллельным соединением і?и и Си, соответственно активного сопротивления и емкости между ними. По всем этим ветвям в оборудовании с неповрежденной (исправной) изоляцией постоянно протекает небольшой электрический ток только активного характера в цепи постоянного тока, обусловленный величиной Rn, со значительной реактивной составляющей в цепи пульсирующего или тем более переменного тока, определяемой емкостью данного участка Си [3,13]. С точки зрения функционального назначения электроустановки, все токи вне ТВС являются сопутствующими, их наличие нежелательно, хотя и неизбежно; поэтому их величина должна ограничиваться выбором изоляционных материалов высокого качества и целесообразными конструктивными формами и размерами деталей оборудования. Важная особенность этих токов - рассеянный характер по всему объему изоляции; в исправном ее состоянии их нельзя контрагировать до отдельного проводящего канала, в который можно было бы включить прибор для измерения величины либо датчик для устройства прерывания. В ТВС они проявляются как микросоставляющая общего рабочего тока [3,13].
Разработка и исследование привода быстродействующего выключателя с механизмом свободного расцепления
В конструкциях АБВ могут использоваться линейные МС с односторонней [38,54,55,56] и двухсторонней нагрузкой ([7], стр. 28-37) [57,58,59]. В линейной МС с односторонней нагрузкой средняя величина потока определяет величину потокосцеплений этой МС и индуктированную в намагничивающей катушке э.д.с [7]. По эквивалентной схеме МС возможно решать как прямую, так и обратную задачу простыми методами теории цепей. В технике используются конструктивные формы МС с рабочими воздушными зазорами и у якоря, и в основании [60,61]. Для ряда конструктивных форм МС магнитные проводимости основания вместе с нерабочими зазорами значительно больше проводимостей рабочих зазоров Gxz » G8Z [7].
Количественная сторона энергетических преобразований в ЭММ. Уравнение электрического равновесия цепи катушки умножением на idt и суммированием в пределах от 0 до момента t преобразуется в соотношение, связывающее составляющие различных видов энергии, участвующие в работе ЭММ: t t ч t [u-i-dt frdt+ii-dy [7,стр.67-71]. Энергия источника Wu = \u-i-dt, поступающая 0 0 0 о в МС из сети постоянного тока, разделяется на две составляющие - тепловых по t ч терь Wn = \i2rdt и магнитного поля WM = \i-c№. Зависимость потокосцеплений от о о тока задается кривой намагничивания МС [7, стр.67-71]. Энергия, преобразуемая в ЭММ в механическую работу, проявляется в виде работы силы электромагнитного притяжения при перемещении якоря: A si = PsrA8. Чтобы определить величину силы Р при данном зазоре 5i необходимо в диаграмме (/) получить кривые намагничивания, соответствующие данному зазору 5i и его значению с приращением 5i + А5 [7, рис.23; стр.71-80]. Следует отметить, что использование диаграммы = Ді) для оценки силовых характеристик МС имеет лишь смысловое значение; практическое использование для вычисления сил сопряжено с громоздкими вычислениями криволинейных площадок в этой диаграмме. Поэтому, за исключением особых случаев, вычисление сил производят по аналитическим формулам, вытекающим из анализа энергетических преобразований при некоторых упрощающих предположениях с использованием аналитических данных по величине потокосцеплений МС [7]. Кроме того, в уравнении МЦ ЭММ Р = /"(/,8) должны учитываться явления гистерезиса и возникновения вихревых токов при изменении потокосцеплений. Обычно магнитопроводы МС ЭММ выполняют из магнитомягких материалов, в которых петля гистерезиса сравнительно узкая и её влияние мало сказывается на работе аппаратов. Для МС в АБВ шихтовка сердечников считается необходимым условием. Характер кривых намагничивания определяет величину запасаемой в МС энергии и возможности её преобразования в механическую работу [7].
Для воздушных промежутков величина энергии магнитного поля определяется выражением WM = 0,544 и условием статичности / = 1У [7], поэтому ЭМС Р = 0,5Iy-{c№ldb). Независимо от типа МС Р = П = Ыу, и первая общая форма практических целей используются более конкретные формы зависимости с учетом особенностей функции Р =/(/,8) для основных типов МС [7]. При согласовании ЭМС с характеристикой противодействующих сил в ЭММ часто появляется необходимость видоизменять ход ТХ. Существует ряд мер, которые позволяют деформировать естественную ТХ МС. Эти меры зависят от типа ЭММ и требований к механической характеристике [7, стр. 88-94].
Естественный ход ТХ ЭММ наиболее полно соответствует требованиям к приводу коммутационных аппаратов, предназначенных для защиты электрических установок от аварийных режимов. Уже при его включении должна обеспечиваться гарантированная возможность работы на отключение аварийного процесса без использования энергии аварийной электрической цепи. Поэтому на стадии включения, кроме основной функции достаточно быстрого замыкания электрической цепи, должен возбуждаться автономный независимый источник энергии, за счет которого будет происходить его отключение [7]. В такой функции и с 58 пользуются предварительно активированные отключающие пружины, которые также удерживают подвижную систему аппарата в отключенном положении, создавая начальную силу сопротивления ЭММ Р0.яач = Рс.яач- Её величина в типовых сериях АБВ составляет всего несколько десятков ньютон, например, в приводе ВБ 11-26,1 Н [7,59,62].
Работоспособность выключателей под воздействием внешних механических факторов - предотвращение самопроизвольного размыкания цепи при аварийных торможениях и других предельных динамических нагрузках, требует учета предельных нормируемых значений динамических сил. ГОСТ 17516.1-90 для городского рельсового и безрельсового электрифицированного транспорта нормирует максимальную величину динамического ускорения в 1,0 g. Поскольку величина массы всех подвижных частей аппарата, приведенной к якорю ЭМ, не превышает 5,0 кг, полное предельное значение динамической силы Рд.Мах может составлять до 50 Н, т.е. будет сопоставимой с силой контактного нажатия.
Разработка и исследование дугогасительных систем с последовательным магнитным дутьем
Механическая составляющая времени срабатывания на отпускание. При срабатывании ЭМ привода выключателя на отключение момент начала размыкания контактов дистанцируется от момента начала движения якоря на интервал времени, необходимый для выбора избыточного хода, который ранее был определен как механическая составляющая времени размыкания tMex. По характеру физических процессов в приводе на этой стадии его следует рассматривать как этап частичного движения элементов механизма, обусловленного изменением баланса действующих сил [7]. Начинается этот этап задолго до полного размагничивания МС, когда ЭМС снизится примерно до половины от исходного значения силы удержания, а индукция спадет всего лишь до 0,7 Ву (см рис. 18). Поэтому электромагнитные процессы размагничивания МС продолжаются и с началом движения якоря, оставаясь важным действующим фактором на временные параметры работы выключателя [7]. Остаточной величины ЭМС проявляется как тор 87 мозящая рост ускорения якоря. В колебательном процессе перемагничивания уже через доли миллисекунды наступает полное размагничивание, магнитное поле исчезает, и тормозящее действие ЭМС прекращается. Это является характерной положительной особенностью метода колебательного размагничивания; и на данном этапе метод действует в направлении уменьшения tMex [7].
В отличие от этого, при апериодическом размагничивании рассеянием энергии на активных сопротивлениях индукция по нисходящей ветви петли гистерезиса плавно асимптотически снижается до остаточного значения, сохраняя значительную величину на всем этапе; значительным остается и тормозящее действие остаточной ЭМС, удлиняя временной интервал до начала расхождения контактов. Значительной величины остаточный поток может быть причиной «залипання» якоря; для предотвращения этого в конструкции системы необходимы специальные меры. Следует обратить внимание на то, что при колебательном характере перемагничивания после полного размагничивания наступает возвращение в МС части энергии от заряженного конденсатора. Но этот процесс легко тормозится блокировкой изменения направления намагничивающего тока катушки диодом определенной полярности включения. Во внутренних контурах МП этого сделать не удается, поэтому тормозящее действие ЭМС восстанавливается, хотя и в заметно ослабленном виде. Ослабление действия этих сил обусловлено также и непрерывным возрастанием воздушных зазоров в МС после начала движения. В итоге, тем не менее, в решении задачи динамики движения якоря на этом этапе действие остаточной электромагнитной силы Рэ остается основным тормозящим движение фактором [7].
Основной активной силой, обуславливающей начало трогания якоря и характеристики его движения на этапе выбора избыточного хода, становятся отключающие и контактные пружины, активизированные на предшествующей стадии включения, когда их действие проявлялось в сопротивлении движению. Название «силы сопротивления» этим силам поэтому сохраняется для силовых характеристик пружин и на рассматриваемом периоде работы выключателя [7]. Величина этих сил определяется начальным сжатием (или растяжением), жестко 88 стью и величиной хода на этом этапе - порядка 3 мм в приведенном к зазору МС ходе пружины. Сила контактной пружины при этом может снизиться на 40 + 50 % от исходного конечного нажатия; сила возвратных пружин не более чем на 10 % [7]. Соотношение их исходных величин определяется особенностями конструктивного исполнения аппаратов. Здесь возможны самые неожиданные сочетания вплоть до совмещения функций контактного нажатия и возврата в одной пружине. В целом, результирующую составляющую силы всех пружин Рс, приведенную к одной общей точке с другими действующими силами, можно принимать как линейно падающую от начального значения Рос до величины ксР0С [7]: с= ос[1-(1- с) и
В интервале времени t от нуля до tM. коэффициент снижения силы кс в разных исполнениях аппаратов может принимать значения в пределах 0,6 + 0,85 [7]. Активными в рассматриваемый период могут проявляться и электродинамические силы контура, и силы сужения линий тока. Последние с рассматриваемых позиций всегда активны, то есть действуют в направлении возможного перемещения контактов [7].
Направление электродинамических сил зависит от конфигурации ТВС в аппарате, и они могут проявляться как активные силы (токоограничивающие аппараты) либо как нейтрализующее действие сил сужения (аппараты с повышенной динамической стойкостью). При этом следует учитывать, что начало этого этапа соответствует начальной величине аварийного тока в главной цепи - току уставки срабатывания, которая в АБВ рассматриваемого класса практически не выходит за величину 1000 А. На интервале выбора избыточного хода аварийный ток существенно возрасти не может.
Если при этом будет иметь место возрастание тока даже в несколько раз, в этом диапазоне значений величины тока электродинамические силы незначительны. Проявление инерционных сил в аппарате скорее имеет значение как фактор опасности самопроизвольного срабатывания, поскольку вероятность их совпадения с аварийной коммутацией исчезающе мала. Силы тяжести конструктивно ослабляются уравновешиванием подвижных частей [7].
Результаты испытаний выключателей
Существуют энергетические установки, которые в силу своей уникальности не могут обслуживаться обычными твердометаллическими контактными устройствами как по экономическим, так и по техническим соображениям [107], например, мощные кондукционные насосы для перекачки жидких металлов, мощные ЭМ, установки по электролизу и электрохимии, ускорители элементарных частиц, сверхпроводящие системы, мощные коммутационные аппараты и пр. [107]. В этих случаях, как указано в [107], применяются жидкометаллические контакты, в которых в качестве контактного элемента применен легкоплавкий металл или сплав, находящийся в жидком состоянии. Хоть они имеют целый ряд положительных, а иногда и уникальных свойств, например таких, как отсутствие необходимости в контактном нажатии, отсутствие вибрации, сваривания и залипання контактов, высокая механическая и электрическая износостойкости, а следовательно, и их долговечность, и прочие качества [107], но применение их в АБВ постоянного тока для подвижных объектов ГЭТ неизвестно.
Любое контактное соединение представляет собой нарушение однородности проводников ТВС выключателя. Здесь происходит резкое сужение эффективного сечения проводника для протекания тока. К тому же он проходит через зоны окисленных поверхностных слоев материала контактов с повышенным удельным сопротивлением, поскольку рост температуры ускоряет процесс образования пле 117 нок с высоким электрическим сопротивлением [108]. Все это проявляется в виде дополнительного активного сопротивления в области контактирования - так называемого переходного контактного сопротивления гк [9,103].
По своим электрическим и механическим свойствам химические соединения, образованные на поверхности контактов, сильно различаются. Они могут быть проводниками, полупроводниками и изоляторами, обладать различной твердостью, хрупкостью, могут образовывать плотные или рыхлые слои [104]. Склонность и интенсивность образования окисных, сульфидных и других пленок зависит от природы металла, концентрации газа, температуры и времени [104]. Серебро подвержено окислению незначительно, окисная пленка на нем Ag20 нестойкая и разрушается под действием механических усилий и повышенной температуры (около 200 С) [104]. Вольфрам и молибден в обычных условиях покрываются окисной нанопленкой до 10 нм. Многие окислы нестойкие при высоких температурах (окись кадмия сублимирует при 900 С) [104].
В аппаратах, предназначенных для применения в наземном ГЭТ, подвижные и неподвижные контакты, коммутирующие силовую цепь, изготавливаются в основном из меди и композитов на базе серебра. Медь и серебро характеризуются высокой пластичностью, они превосходят остальные металлы также по электрической проводимости и теплопроводности. Медь непосредственно взаимодействует с кислородом; на воздухе она постепенно покрывается плотной зелено-серой пленкой основного карбоната (СиОН)2СОз, а серебро при наличии в воздухе сероводорода покрывается черным налетом Ag2S. При нагревании меди до 400 С на воздухе образуется окись меди, до 800 С - образуется закись меди [104].
Во многих аппаратах во избежание окисления коммутирующих контактов применяются электрохимические покрытия (гальванопокрытия): оловянирование, серебрение, никелирование, золочение, сложноосажденные сплавы и т.д. Медные контакты, как правило, оловянируются. В обычных условиях олово устойчиво по отношению к воздуху, но имеет низкую температуру плавления 232 С. Этот критерий и высокая рассеивающая способность электролитов для оловянирования могут оказать благоприятное воздействие на уменьшение глубин микровпадин, тем самым сглаживая поверхность контактирования. Однако следует отметить, что лужение в кислых растворах с плохой рассеивающей способностью и горячим химическим способом не обеспечивают равномерную толщину покрытия. Минимальным расстоянием между анодом (как правило, применяются растворимые аноды из олова-сурьмы) и катодом (покрываемые контакт-детали), где ионы олова Sn2+ восстанавливаются до Sn, является расстояние между самым высоким микровыступом и поверхностью анода, обращенной к этому микровыступу. И на этих микровыступах катода в первую очередь происходит наращивание кристаллов осаждаемого элемента. Это способствует увеличению высоты микровыступов, что в конечном итоге ухудшает плоскостность контакт-детали. Кроме того, температура плавления олова находится достаточно близко к температуре размягчения меди. Эти факторы, с учетом температуры осевой части электрической дуги (5000 + 6000 С), могут вызвать разбрызгивание расплавленных капель олова в межконтактное пространство. Нагрев аппарата до температур, превышающих допустимые, может привести к уменьшению его срока службы и надежности, вызвать повреждение аппарата [108].
С помощью электрической дуги на контактной поверхности образуется тугоплавкая (1100 + 2000 С) двуокись олова [109], которая защищает медный контакт от дальнейших разрушительных действий дуги. Кроме того, олово имеет умеренную электропроводность и особо сильное влияние на переходное контактное сопротивление гк не оказывает. Теоретическая величина этого сопротивления гк для свежезачищенных контактов определяется соотношением гк = р/2па0, где р - удельное сопротивление материала контакта, п - число расчетных точек контактирования, а0 - радиус микрокруга площадки фактического контактирования. Размеры микроплощадок при этом оцениваются в допущении, что деформация сжимаемых контактной силой FK контакт-деталей имеет чисто упругий характер и зависит от величины микротвердости материалаНв форме па\Н = FK/n.