Електричні апарати Вступ В даному конспекті лекцій стисло розглядаються основи теорії, принципи роботи, конструкції вузлів апаратів та режими їх роботи і експлуатаційні характеристики, а також рекомендації по вибору електричних апаратів і розрахунку їх окремих вузлів. Конспект написано у відповідності до робочої програми курсу „Електричні апарати” для напрямку підготовки 6.0906 „Електротехніка” спеціальності 7.000008 „ Енергетичний менеджмент”, що розрахована на 48 год. Лекцій і 32 години лабораторного практикуму на протязі одного семестру. Автор намагався викласти матеріал таким чином, щоб при відносно невеликому об’ємі посібника акцентувати увагу на розумінні фізичних процесів і явищ, що відбуваються в електричних апаратах, та основах роботи найбільш широко вживаних електричних апаратів в номінальному режимі, режимі перевантаження та режимі короткого замикання. Рекомендована література 1. А.А.Чунихин „Электрические аппараты», М. Энергоатомиздат 1988. 2. Буркевич.Г.В. Деттярь В.Г., Славинская А.Г. Задачник по электрическим аппаратам. М. Высшая школа, 1987. 3. Л.А.Родштейн « Электрические аппараты», Л. Энергоиздат., 1981. 4. Н.С.Таев «Электрические аппараты управления» М. Энергоатомиздат 1997; 1984 (В.Ш.). 5. «Проектирование электрических аппаратов» (под ред. Г.Н.Александрова). Л. Энергоиздат.1985. 6. Р.С.Кузнецов Аппараты распределения электрической энергии на напряжение до 1000В. М. Энергия 1970. 1.Призначення курсу. Основні вимоги до електричних апаратів 1.1 Предмет курсу, його роль і місце серед інших дисциплін Беззаперечним і усіма усвідомленим є факт, що рівень розвитку суспільства визначається рівнем його енергозабезпечення. Разом з електричними машинами електричні апарати є фундаментальними засобами, що забезпечують прогрес в області електрифікації, автоматизації і комп’ютеризації і сучасний їх стан. Саме тому дисципліна електричні апарати – одна із базових дисциплін для майбутніх спеціалістів енергетиків, в тому числі з енергетичного менеджменту. Електричні апарати – це пристрої, що служать для керування потоком електроенергії від генератора (джерела) до споживача. Більш детальне визначення таке: Електричні апарати – це пристрої електротехніки, що використовуються для вмикання, вимикання електрокіл, контролю, захисту, керування, регулювання роботою установок, що призначені для передачі, перерозподілу та споживання енергії. Предмет курсу „Електричні апарати” полягає у вивченні основ функціонування електричних апаратів, їх конструкцій, та їх експлуатаційних характеристик і в першу чергу тих електричних апаратів, що використовують в енергетичних та технічних системах і при автоматизації різних технологічних і виробничих процесів. В результаті вивчення курсу студент повинен знати: - основні фізичні принципи роботи; - розрахунки окремих елементів і вузлів апаратів; - методи вибору провідників та апаратів і області їх застосування; - Основні технічні вимоги до апаратів. Вміти: - виконувати розрахунки для правильного вибору автоматичних вимикачів, рубильників, пускачів і контакторів; - визначати розрахункові умови короткого замикання; - виконувати вмикання електричних апаратів, вимикання при короткому замиканні. Дисципліна „Електричні апарати” базується на знаннях вищої математики, фізики, ТОЕ, елементів теорії електричних машин. Електричні апарати застосовуються практично всюди, де необхідно керувати потоками електроенергії – починаючи від АЕС і закінчуючи побутовими приладами, наприклад, таких як пральна машина, електропраска, сучасна електролампа. - одна із базових дисциплін для майбутніх спеціалістів енергетиків, в тому числі з енергетичного менеджменту. 1.2 Класифікація електричних апаратів Класифікація електричних апаратів може проводитись по-різному. Це зв’язано з різноманітністю апаратів та функцій, які вони виконують, із суміщенням в одному апараті декількох функцій. По одній ознаці їх класифікувати дуже важко, бо ознак по яких можна розділяти або об’єднати апарати є багато: габарити, призначення, допустимі струми і напруги, температурні режими експлуатації, кліматичні умови та багато інших. Найбільш прийнятною є класифікація електричних апаратів по призначенню, що передбачає їх поділ на наступні великі групи: 1) комутаційні апарати – призначені для вмикання, вимикання та перемикання електричних кіл. Це рубильники, пакетні вимикачі, вимикачі навантаження, автоматичні вимикачі, перемикачі, роз’єднувачі. 2) захисні – для захисту електричних кіл від короткого замикання (запобіжники високої та низької напруги); 3) обмежуючі – для обмеження струмів короткого замикання (реактори) і перенапруги (розрядники); 4) пускорегулюючі – для пуску, регулювання частоти обертання, струму, напруги електричних машин та інших споживачів електроенергії (контактори, пускачі, силові і командні контролери, реостати); 5) контролюючі – це апарати для контролю заданих електричних і неелектричних параметрів ( реле, датчики); 6) електричні апарати для вимірювань шляхом ізолювання первинних кіл від вторинних (трансформатори струму і напруги); 7) регулюючі електричні апарати – для автоматичного неперервного регулювання заданого параметра електричної сітки або автоматичного підтримування неперервної стабілізації. - В границях однієї групи апарати поділяються на апарати низької напруги, як правило 660 В, і високої ( вище 1000 В або 3000 В). - По виду струму розрізняють апарати: · змінного струму; · постійного струму; · промислової частоти; · високої частоти( відбійні молотки). - По роду захисту від оточуючого середовища апарати ділять на ті, що працюють у відкритому середовищі, закритому, водозахисному, вибухонебезпечному, на повітрі. - По способу дії ( електромагнітні, магнітоелектричні, електродинамічні, індукційні, теплові і т.п.). - По принципу роботи апарати розділяють на контактні і безконтактні. Контактні мають рухомі контакти; безконтактні діють на принципі зміни їх параметрів: індуктивності, ємності, електричного опору. - Апарати можна поділити на автоматичні, що діють в залежності від заданого режиму, і ручного перемикання, що працюють від волі оператора. 1.3 Вимоги до електричних апаратів 1.3.1 Загальні поняття про вимоги до електричних апаратів В залежності від призначення, умов експлуатації, необхідної надійності і т.д. вимоги до електричних апаратів дуже різноманітні. Однак можна сформулювати загальні вимоги до всіх апаратів: 1. При номінальному режимі роботи температура струмоведучих елементів апарата не повинна перевищувати значень, що відповідають Державному стандарту України (ДСТУ) або іншим нормативним документам. Номінальний режим – це той режим, при якому електричний апарат функціонує у відповідності до його паспортних даних. 2. В кожному електричному колі може бути ненормальний (перевантаження) або аварійний (коротке замикання) режим . В цих випадках струм в 50 і більше раз перевищує номінальний. 3. Апарат при цьому на протязі певного часу знаходиться під великим термічним та електродинамічним навантаженням. Однак ці навантаження не повинні викликати остаточних явищ , що порушують працездатність апарату після усунення перевантажень, або короткого замикання. 4. Ізоляція електричних апаратів повинна витримувати перенапруги і мати запас, що враховує погіршення властивостей ізоляції внаслідок старіння, осадження, пилу, бруду, вологи. 5. Контакти апаратів, призначених для відключення, повинні бути розраховані на струми короткого замикання. 6. До кожного апарату пред’являються специфічні вимоги, обумовлені його призначенням . 1.3.2. Основні вимоги до електричних апаратів Розглянемо конкретніше основні вимоги до електричних апаратів. Ці вимоги визначаються державними стандартами, або поки апарат знаходиться в стадії проектування і не накопичено достатньо інформації про його можливості, технічними умовами (ТУ). ТУ діють тоді, коли ще не накопичено достатнього досвіду проектування, експлуатації апарату і його виготовлення. Кожен апарат повинен мати незмінні технічні параметри. Електричні апарати оцінюються за: 1. Величиною номінальної напруги. Вона відрізняється для змінного (36 В, 127 В, 220 В, 380 В, 660 В) і постійного струму (24 В, 48 В, 110 В, 220 В, 440 В, 780 В); 2. Режимом роботи – тривалий або короткочасний. При тривалому режимі роботи струм повинен протікати не менше часу, необхідного для досягнення сталої температури всіма частинами апарату при незмінних нормальних умовах охолодження. 3. Електричною та механічною зносостійкістю. Вони визначають кількість спрацювань апарату, поки він не стане непридатним. Електрична зносостійкість визначається тим, як зношуються контакти внаслідок вигоряння під дією електричної дуги або стирання внаслідок спрацювання. Механічна зносостійкість – це зносостійкість, що обумовлюється зношуванням деталей під час їх обертового і поступального руху поверхонь, коли контакти вдаряються або труться. Електрична зносостійкість, як правило, менше механічної, відповідно електрична зносостійкість менша механічної. Комутаційна здатність – здатність відключати струми (менші струми відключаються гірше, чим великі). Ізоляційна стійкість як в холодному, так і в нагрітому стані (при струмі 1.05 ) повинна витримувати випробувальну напругу струму з =50 Гц на протязі 1-ї хвилини (випробувальні напруги залежать від номінальних і становлять від 500 В (при =24 В) до 3 кВ (при =750 В)) і мати запас, що враховує погіршення ізоляції внаслідок старіння матеріалу або осадження пилу, бруду, вологи. 4. Термостійкість – визначається діючим значенням струму, протікання якого на протязі всієї роботи апарату не викликає його нагрівання вище допустимих температур (іноді вводять як характеристику величини ). 5. Електродинамічна стійкість визначається максимально допустимим струмом, який може витримувати апарат не руйнуючись ні електрично, ні механічно і не відключаючись самовільно. Електродинамічні зусилля досягають десятків тисяч Ньютон, внаслідок малих відстаней між струмоведучими частинами і струмів до сотень кА. Апарат повинен витримувати ці струми і зусилля. У нього не повинно бути зварювання контактів або механічного руйнування деталей. 6. Допустимі температури нагрівання елементів найбільш важливих і відповідальних видів апаратів визначаються ДСТУ на ці апарати, якщо на них немає ГОСТів, то керуються по допустимій температурі наступним: температура контактів із міді – при , із накладками з срібла . 7. Крім того: - До кожного апарата пред’являються специфічні вимоги, обумовлені його призначенням (наприклад, вимикач повинен вимикати струм на протязі 0,04 – 0,06 с., а трансформатор струму повинен давати похибку не більше заданого значення). - Будь-який електричний апарат повинен по можливості мати найменші габарити, масу і вартість. - Апарат повинен бути простим по обслуговуванню, технологічним при виробництві, тобто дозволяти автоматизацію у процесі всього виробництва. - Електричні апарати, у зв’язку з тим, що вони використовуються в складних системах енергопостачання, повинні мати високу надійність, бо від їх роботи залежить надійність роботи складної і дорогої системи. 1.4 Основні позначення апаратів та елементів в електричних системах - обмотка трансформатора - реактор (апарат для обмеження струмів короткого замикання) - котушка з виводом - котушка з магніто-діелектричним магніто проводом - котушка індуктивності з магнітопроводом (реактор або дроссель - трансформатор струму - трансформатор струму в каскадному з’єднанні - елемент пам’яті - електричний розрядник (трубчастий) - електричний розрядник (кульовий) - розімкнутий контакт (ключ) - контакт автоматичного вимикача - контакт із механічним зв’язком (замикаючий) - контакт із механічним зв’язком (розмикаючий) - кнопочний нажимочний замикаючий контакт - термоконтакт (нормально розмикаючий) (замикаючий) - кнопочний розмикаючий контакт (вимикач) - вимикач-запобіжник - реле електричне із замикаючим і розмикаючим контактами - теплове реле з повертанням шляхом натискання кнопки - діод оптронна пара (діод – діод) - оптронна пара (діод – резистор) 2. Електродинамічні зусилля в електричних апаратах та їх методи розрахунку 2.1 Загальні відомості про електродинамічну стійкість Електродинамічна стійкість апарату – це його здатність протистояти електродинамічним зусиллям, що виникають при проходженні струмів короткого замикання (КЗ). Ця величина може вимірюватись або амплітудним значення струму КЗ ( ) – струмом динамічним, або коефіцієнтом: де – динамічний коефіцієнт; – номінальний струм. При взаємодії струмів короткого замикання з магнітним полем інших струмоведучих частин апарату виникають електродинамічні зусилля, які намагаються деформувати як провідники струмоведучих частин, так і ізолятори, на яких вони кріпляться. Тому при оцінці електродинамічної стійкості аналізують стійкість не тільки електричних, але й ізоляційних матеріалів. Властивості їх вивчені ще не до кінця. Тому розрахунки міцності конструкції апаратів проводять на максимальне значення електродинамічних зусиль, хоч вони і діють тільки деякий час. 2.2 Основні фізичні поняття, формули, закони, необхідні для розрахунку електродинамічних зусиль електричних апаратів Нагадаємо деякі фізичні поняття, формули, закони, що зустрічаються при розрахунку електричних апаратів. Магнітний потік через довільну поверхню S визначається формулою: (2.1) Для площини s (рис.2.1): Для елементарних площадок ds , які перетинають силові лінії магнітної індукції потік магнітної індукції. де – нормальна складова вектора п – нормаль до площини в даній точці. [Ф] = 1 Вб; [В] = 1 Тл. Магнітна індукція поля провідника із струмом визначається законом Біо-Савара-Лапласа: → (2.2) де І – сила струму; dl – довжина елемента провідника; dl μ0 – магнітна стала; r – радіус-вектор, проведений від елемента dl даного провідника до точки простору, в якій розглядається поле (рис. 2.2). Вектор магнітної індукції направлений по дотичній до силової лінії, його напрямок визначається правилом правого свердлика (рис. 2.3). Для нескінченно довгого провідника із струмом: (2.3) Для кругового витка, в його центрі: (2.3.а) або поскільки – магнітний момент, (2.3.б) де S – площа поперечного перерізу контуру (витка). Напруженість магнітного поля Н – це характеристика магнітного поля, яка визначається макрострумами і не залежить від середовища, в якому струм проходить. На відміну від напруженості магнітна індукція залежить від середовища, і вона визачається не тільки макро-, але і мікро струмами. де – відносна магнітна проникність; – магнітна стала, =4 ·10-7 Гн/м.; Н – напруженість магнітного поля, А/м; В – магнітна індукція, Тл. Закон повного струму через поверхню, натягнуту на контур l можна записати так: Або, коли для кожної ділянки магнітного кола B =const і H= const, його зручно виразити у вигляді: де – кількість витків, по яких проходить струм , що створює в колі заданий робочий магнітний потік; – магніторушійна сила, А. Поскільки закон Біо-Савара-Лапласа записується у вигляді: ; де, (повітря), то часто користуються формулою: Закон Ампера для елемента провідника dl , що знаходиться в магнітному полі з індукцією В у векторній формі виражається так: Звідси модуль сили: де dF – сила, що діє на провідник в магнітному полі. Часто ми говоримо про провідник, що створює поле в якому знаходиться інший провідник із струмом. При цьому виникають електродинамічні сили. 2.3 Електродинамічні сили, що діють між провідниками із струмом. Метод розрахунку електродинамічних зусиль на основі законів Ампера і Біо-Савара-Лапласа Існують два методи розрахунку електродинамічних зусиль: I. Метод розрахунку на основі законів Ампера і Біо-Савара-Лапласа. II. Метод розрахунку на основі енергетичного балансу провідників із струмом. Візьмемо провідники, в яких протікають струми та (рис. 2.4). Елемент довжини першого провідника – , а другого – . Тоді на основі закону Біо-Савара-Лапласа: Звідси – магнітна індукція створена першим струмом: Сила що діє на елемент другого провідника Відповідно сила, що діє на другий провідник з боку першого провідника: (2.4) Прийнявши, що , а запишемо: (2.5) Для нескінченно довгих провідників – коефіцієнт, що залежить від форми, розмірів, розташування провідників. Правило лівої руки визначає напрямок дії сили на провідник в магнітному полі. 2.4 Метод енергетичного балансу провідників із струмом Цей метод базується на тому, що при незмінних значеннях струму при деформації струмоведучих контурів сила F визначається частковою похідною від електромагнітної енергії W даної системи по координаті: (2.6) Ця формула називається енергетичною. Електромагнітна енергія системи обумовлена декількома складовими: – енергія ізольованого провідника (І-го провідника), – енергія ізольованого провідника (ІІ-го провідника), – енергія, що визначається магнітним зв’язком між провідниками (контурами), де L – індуктивність. Індуктивність – це величина, яка дорівнює відношенню магнітного потоку (потокозчеплення) до струму, що проходить по провіднику (котушці): → де М – коефіцієнт взаємоіндукції (взаємоіндуктивність); – магнітний потік (потокозчеплення), Вб. При будь-якому деформуванні системи буде змінюватись її енергія. Для зміни енергії треба виконати роботу. За означенням Поскільки Отримаємо Загальна сила взаємодії між двома провідниками (контурами) буде визначена як сума всіх цих сил (провідник (контур) уже не ізольований). Для провідників (контурів) довжиною l маємо: (2.6.а) Енергетичний метод є зручним, коли відома аналітична залежність індуктивності або взаємо індуктивності від геометричних розмірів. 2.5 Електродинамічні зусилля при різних формах провідників Два провідники, струм в яких тече в однакових напрямках, будуть притягуватись. Коли струм тече в різних напрямках, провідники – відштовхуються (рис. 2.6). Напрямок сили взаємодії провідників із струмом залежить від того, як відбувається потокозчеплення цих провідників. Електродинамічні зусилля напрямлені так, щоб збільшувати потокозчеплення, тобто зусилля, що діють на струмоведучі частини системи направлені так, щоб електромагнітна енергія системи зростала, тобто в бік, де поле послаблено. Дійсно: Значить, при поле послаблене там, де густина силових ліній є меншою. Сили напрямлені так, щоб збільшувати енергію. Тому контур розтягується (рис. 2.7), коли по ньому протікає струм: Візьмемо два витки із струмом (більший і менший). Струм у витках має протилежний напрямок. Провідники відштовхуються (рис.2.8). При неоднакових розмірах витків з’являються дві складові сили: одна складова прагне розтягнути менший виток і стиснути більший, а друга складова прагне їх розвести, якщо струм протилежного напряму, або наблизити один до другого, якщо витки зі струмом одного напряму. Якщо провідники мають різну довжину і паралельні між собою, то сила взаємодії між провідниками знаходиться за формулою: (2.7) де – величина, що визначається як: де а – відстань між провідниками (див. рис. 2.9); D – сума довжин діагоналей “трапеції”, основи якої – провідники із струмом; S – сума бічних сторін цієї трапеції. 2.6 Зусилля та моменти, що діють на взаємоперпендикулярні провідники За законом Ампера, оскільки провідники взаємоперпендикулярні: де – магнітна індукція поля на відстані від провідника; – струм в провіднику; (для напівскінченного провідника); (для нескінченно довгого провідника); Звідси (згідно з рис. 2.10): (2.8) Як видно із рисунка 2.11, із віддаленням від осі вертикального провідника електродинамічне зусилля спадає. В ряді апаратів струмоведуча частина має форму петлі. Тоді величина сили є в два рази більшою, чим в попередньому випадку. Це випливає із принципу суперпозиції, коли дану систему розглядати, як суму двох попередніх. Якщо довжина перемички , то (2.9) 3. Електродинамічні сили в різних умовах роботи, характерних для електричних апаратів 3.1 Практичне застосування метода енергетичного балансу В якості прикладу практичного застосування методу енергетичного балансу розглянемо таку задачу: Знайдено, що індуктивність L петлі визначається за формулою: (3.1) Знайти вираз для зусилля, що діє в петлі, користуючись методом енергетичного балансу. Продиференціюємо вираз (3.1): Поскільки , то зусилля, що діє в петлі (3.2) Формула (3.2) відрізняється від формули (2.9) коефіцієнтом 0.25, що враховує те, що в нашому випадку елементарні провідники являють собою замкнену петлю. 3.2 Електродинамічні сили в місці контакту двох провідників з різними діаметрами або в місці зміни перерізу провідника Коли провідник має постійний поперечний переріз, то сила не має осьової складової, направленої вздовж провідника, поскільки лінії струму паралельні між собою. Лінії струму викривляються при зміні перерізу провідника (рис. 3.1, 3.2). Тому при зміні перерізу провідника, в місці перерізу, крім поперечної з’являється повздовжня складова сили. Вона є малою при номінальних струмах і великою (до десятків кілоньютон) в режимі КЗ. Її величина: (3.2) 3.3 Зусилля при наявності феромагнетика (сили взаємодії між провідником із струмом та феромагнетичною масою) При наближенні провідника із струмом до феромагнітної стінки магнітний потік збільшується. Провідник притягується до стінки. Відкинемо феромагнетик і поставимо другий провідник в лінії магнітного поля. При заміні дії феромагнетика другим провідником, що розташований на такій же відстані а від стінки, картина поля не зміниться, якщо магнітна проникність → . Тоді сила взаємодії провідника і стінки може бути представлена як сила взаємодії двох провідників, що знаходяться на відстані (див. рис. 3.3). Тому: (3.3) де а – відстань від феромагнітної стінки до провідника. При наявності щілини в феромагнетику, провідник зі струмом буде втягуватись у щілину (рис.3.4). Причому, якщо щілина має змінний переріз, то сила буде зростати по мірі зменшення перерізу. Решітка із набору феромагнітних пластин із пазом – приклад практичного застосування цього ефекту для гасіння дуги в апаратах низької напруги. 3.4 Електродинамічні сили при змінному струмі 3.4.1 Однофазне коло Нехай струм в провіднику не має аперіодичної складової. Тоді при однаковому напрямку струму провідники притягуються із силою: → (3.4) Як видно із формули, сила змінюється з часом. При однофазному струмі сила змінюється із частотою в два рази більшою, ніж частота струму. Крім того, зміна сили відбувається без зміни знаку, а її середнє значення за період: → (3.5) де – середнє значення сили; – для паралельних провідників. 3.4.2Трифазна сітка; сили, що виникають між провідниками різних фаз В трифазній сітці струм фаз між собою зсунутий на 120 . Сила , що діє на провідник фази 1, дорівнює сумі сил: де – сила, що діє між провідниками фаз 1 і 2; – сила, що діє між провідниками фаз 1 і 3. Миттєві значення струмів в провідниках: Звідси: 1) 2) 3) Для 1-го і 3-го провідників, що знаходяться по краях, сили відштовхування більші, ніж сили притягання рис. 3.5. Після відповідних підстановок отримаємо, що на відміну від однофазного струму, при трифазному струмі сила змінюється в часі, як за величиною, так і за знаком, а максимальні значення сил відштовхування і притягання провідників 1 і 3: ( – довжина провідника; – відстань між провідниками). Коли врахувати знаки сил, то виявляється, що сила, яка діє на провідник 2, що знаходиться посередині між провідниками є більшою, чим на крайні провідники 1, 3. Сила, що діє на провідник 2 приймається за розрахункову. При цьому (для середнього провідника 2): (3.6) В трифазній сітці можливі однофазне, двохфазне та трифазне коротке замикання. Розрахунок міцності конструкцій ведуть на максимальне зусилля, що виникають при ударному струмі. Тому електродинамічна стійкість трифазних систем розраховується для провідників середньої фази, на яку діють максимальні електродинамічні зусилля. Механічні напруження в алюмінію не повинні перевищувати 70 МПа (марка алюмінію АТ), а в міді – 140 МПа (марка міді МТ). При однофазному (трифазному) струмах особливо небезпечним є режим короткого замикання і вмикання, при якому можливий такий збіг фаз, що струм при вмиканні апарату зростає в 1.3 – 1.8 рази, в порівнянні з максимальним значенням в стаціонарному режимі. Мова іде про наслідок появи аперіодичної складової струму. Ця складова виникає при замиканні кола і обумовлена індуктивністю всієї системи, в яку ввімкнено апарат. В результаті струм при замиканні: ір =іаперіод +істац , де іаперіод – аперіодична складова струму, істац – стаціонарна, або вимушена складова струму (її також називають періодичною складовою). Якщо результуючий струм в колі то через проміжок часу струм в колі досягає максимуму. Він називається ударним (для високовольтних апаратів). (Про ударний коефіцієнт див. п. 3.6, 3.7). 3.5 Механічний резонанс При розрахунку електродинамічної стійкості апарата необхідно враховувати резонанс між гармонічно змінним електродинамічним зусиллям та власними коливаннями струмоведучих деталей. Шини під дією електродинамічних зусиль здійснюють вимушені коливання у вигляді стоячих хвиль. Частота власних коливань де – корені характеристичного рівняння вільних коливань шини; – довжина вільного „прольоту” шин між ізоляторами; – момент інерції перерізу шин; – маса одиниці довжини шини; к – коефіцієнт, що залежить від характеру кріплення шин к =112 при жорсткому кріпленні шин і ізоляторів, к =49, якщо шини лежать на опорах, к =78, коли шина вільно лежить на 1-ій опорі і кріпиться жорстко до 2-ої. Якщо fвл >200 Гц, то розрахунок навантаження на ізолятори проводиться для статичного режиму, без врахування резонансу. Якщо 200 Гц, то значення частоти наближено до частоти електродинамічних зусиль (50-100 Гц) і електродинамічні зусилля зростають в 10-ки разів. 3.6 Процес вмикання електричного кола змінного струму. Ударний коефіцієнт При розрахунку електричних апаратів (контакторів, автоматів захисту та інших) необхідно врахувати особливості режиму вмикання. Якщо вмикається аппарат, то змінюється струм в колі, опір контакту апарату, відстань між контактами. Залежність цих величин від часу при вмиканні показано на рис. 3.7. В момент t 1 подається команда “ввімкнути”. В момент t 2 рухома система контактів починає рухатися. В момент t 3к контакти замикаються. Як видно із кривої Rх (t) опір контактного проміжку в цей момент падає. Його коливання зв’язані їз появою невеликої короткострокової дуги. Для схеми, що представлена на рис. 3.8 можна записати формулу: коли джерело живлення – джерело постійного струму і при джерелі змінного струму. Розв’язавши дані диференційні рівняння, отримують аналітичні вирази струму. Як уже відмічалось, для джерела змінного струму струм і визначається як сума аперіодичної і періодичної складових, що змінюються із часом. Із аналізу процесу вмикання випливає, що найбільшого значення ударний струм досягає, коли момент вмикання кола відповідає максимуму періодичного струму. Якщо коло є індуктивним, і кут , тоді приймає вигляд: (3.7) де L – індуктивність, Гн; R – активний опір кола, Ом. Величина залежить від того яка це схема. При малих напругах в низьковольтних енергетичних установках ця величина буде коливатись в межах 0.05с при яких =1.3. Для апаратів високої напруги цей час із зростанням P і U збільшується до 0.3 с., а становить величину 1.8 (див. додаток 3.7). 3.7 Додаток 3.7.1 Ударний коефіцієнт . Пробій ізоляції і умови руйнування Розглянемо детальніше, звідки береться формула (3.7) 1) Наявність в колі індуктивності викликає появу при замиканні аперіодичної складової, що змінюється в часі за законом 2) Найбільша аперіодична складова буде при умові, що при t =0, Тоді результуючий струм в колі змінюється за законом а напруга Підстановки дають: при – момент, коли струм стає ударним. залежить від сталої часу Для низьковольтних апаратів ~1.3 поскільки уд значно менше за рахунок зменшення . Аперіодична складова має значну величину тільки при великих значеннях . В цьому випадку „вимушена” складова струму відстає від напруги на 90 . Таким чином, найбільше значення аперіодичної складової буде відповідати також вимиканню кола, при проходженні напруги через нульове значення. 3) Для трифазного кола, якщо вважати, що аперіодична складова є однаковою, рівна періодичній амплітуді і не змінюється в часі, тоді При розрахунку електродинамічної стійкості для однофазного кола беруть: Для трьохфазного кола: де – амплітуда періодичної складової струму трифазного короткого замикання. Ізоляція апаратів знаходиться під дією електродинамічних зусиль, а також вітру, голольоду, вологи і т.д. Тому при розрахунках в I – му випадку зусилля в II-му – зусилля руйнування. При включені ємності в коло відбувається наростання струму і виникають високочастотні коливання. Якщо включати до синусоїдної напруги трансформатор, то при холостому ході трансформатора відбувається значне зростання магнітного потоку („кидки” магнітного потоку), що приводить до кидків намагнічуючого струму трансформатора, що в багато раз може перевищити нормальний струм холостого ходу. При вимиканні кола вся енергія , що запасається в індуктивності кола, (індуктивність завжди є в колі) повинна витратитись, бо і 0. В кожному колі є ємності ( ). Енергія могла би повністю піти на заряд цієї ємності, і величина напруги при цьому досягла би значення ~ 100 кВ, що викличе пробій ізоляції. І тоді коло неможливо відключити. Тому велику роль в процесі вимикання відіграє дуга та її опір, який обмежує струм в колі. 3.7.2 Розрахунок електродинамічної стійкості шин Нехай необхідно визначити механічні напруження в шинах та ізоляторах двохфазної шинної конструкції (рис. 3.10) 1-2 –ізолятори, 3 – шина, l – відстань між ізоляторами. І) На шину діє рівномірно розподілене електродинамічне зусилля. Зусилля на одиницю довжини позначимо p[p] – Н/м. В шині мах. напруження де – мах. питомого електродинамічного навантаженні від сусідньої фази; – мах. згинаючий момент; – момент опору; – довжина вільного прольоту шини, м. де – висота ізолятора, м; – відстань від основи ізолятора до центра тяжіння поперечного перерізу шини, м. Розподіл моментів та поперечної сили показано на рис. 3.11. Нехай, кА, стала часу аперіодичної складової 0,05 с, відстань м, а між фазами – 0,6 м. Шини алюмінієві, трубчасті. Опорні ізолятори із мінімальним руйнуючим навантаження 3675 Н, висотою =0,372 м. =35 кВ. Вважаємо, що шини мають жорстке кріплення в ізоляторах. ΙΙ) Для даної задачі максимальний згинаючий момент, де – навантаження на одиницю довжини. ΙΙΙ) Максимальне напруження в матеріалі шини – момент опору згину. ΙV) Навантаження, що діє на ізолятори V) Умова максимальної. міцності шин та ізоляторів VI) Для алюмінію марки АО =117·106 Па. VII) Для ізоляторів VIII) кА. тому (для довгого провідника). Для круглих провідників IX) Звідси: р =1.02·10-7 ·2(50.8·103 )2 /0.6=880 Н/м; X) р=р·l= 880·1.3=1142 H<0.6·3675·0.372/0.407=2010 H, (див. формулу IV, VII). Таким чином, конструкція шин виконана із запасом механічної міцності. 4. Основи теплових розрахунків 4.1 Втрати в електричних апаратах Потужність та кількість теплоти, що виділяється при проходженні через провідник електричного струму визначається за законом Джоуля – Ленца: → Електричний опір провідника що ввімкнений в коло змінного і такого самого постійного струму, відрізняються між собою. При постійному струмі опір легко знайти за відомою формулою: (4.2) де ρ – питомий опір; l – довжина провідника; S – площа поперечного перерізу. При змінному струмі на активний опір провідника впливають поверхневий ефект і ефект близькості. Тому вводиться коефіцієнт, що додатково враховує ці два ефекти – – коефіцієнт додаткових втрат. Активним опором називають деякий фіктивний опір провідника, який будучи помноженим на квадрат діючого струму дає втрати потужності, що дійсно мають місце при даному змінному струмі. Поверхневий ефект зумовлений тим, що змінний струм збуджує в провіднику неоднорідне по його перерізу магнітне поле, що викликає різну величину вихрового струму, напрямленого проти основного струму. Це призводить до того, що опір провідника збільшується, оскільки струм виштовхується до поверхні. З підвищенням температури провідність матеріалу зменшується, значить, поверхневий ефект спадає. Ефект близькості полягає в тому, що магнітне поле одного провідника впливає на магнітне поле іншого провідника, розташованого поруч. Взаємовплив полів струмів цих провідників теж призводить до змін електричного опору провідника. Тому при змінному струмі: (4.3) де – коефіцієнт додаткових втрат; – поверхневого ефекту (росте із ростом частоти і провідності); – коефіцієнт близькості (росте в провідниках із феромагнетика). 4.2 Втрати в феромагнетиках, які не несуть струм В струмоведучих елементах феромагнетик приводить до значних величин і великих енерговтрат. Так, наприклад, втрати зростають в 4 – 6 раз, якщо провідник робити із сталі. В неструмонесучих феромагнітних деталях апаратів значну величину дістають втрати, викликані вихровими струмами, що індукуються при перетині змінним магнітним полем феромагнетика, із якого зроблені деталі апарату. Струми, що при цьому виникають, сильно розігрівають феромагнетик. Втрати в неструмонесучому феромагнетику зумовлені як вихровими струмами, так і втратами, що зв’язані з процесами перемагнічування. Площа петлі відповідає втратам на гістерезис (рис.4.2.). Повні втрати магнітопроводу із сталі визначаються за формулою: де – втрати на вихрові струми; – втрати потужності на гістерезис; – частота, Гц; – магнітна індукція, Тл; , – коефіцієнти втрат, що залежать від конструкції; Для зменшення втрат в магніто проводах їх роблять у вигляді тонких листів, ізольованих між собою. 4.3 Способи передачі тепла в середині та з поверхні нагрітих тіл. Коефіцієнт тепловіддачі В загальному, теплова енергія витрачається на збільшення температури електричного апарату та частково передається оточуючому середовищу. Розрізняють три види передачі теплоти: 1) теплопровідність; 2) конвекція; 3) теплове випромінювання, м2 /с. Явище теплопровідності описується за формулою: (4.4) де – коефіцієнт теплопровідності; – кількість теплоти, що проходить за час крізь площадку в напрямку x. Важливою характеристикою процесу теплопровідності є температуропровідність, що характеризує здатність речовини вирівнювати температуру (позначається буквою а , має розмірність м2 /c): де – густина; – питома теплоємність; – температуропроводність. Конвекція – це спосіб передачі теплоти при контакті нагрітого твердого тіла з газом або рідиною. При цьому молекулярний шар газу або рідини отримує енергію від твердого тіла шляхом теплопровідності, а далі перенос теплоти здійснюється більш нагрітими шарами газу або рідини (їх рухом і переміщуванням внаслідок їх меншої густини, ніж у холодних). Розрізняють вільну або природну конвекцію та вимушену (штучну). При штучній конвекції охолоджуюче середовище рухається за допомогою насосів або вентиляторів. Кількість теплоти, що віддається тілом за рахунок конвекції описується законом Ньютона-Ріхмана: (4.5) де – температура поверхні тіла від якого передається теплота; – температура тіла, до якого передається теплота; – коефіцієнт тепловіддачі. Коефіцієнт – залежить від температури, в’язкості, густини охолоджуючого середовища, температури поверхні, а також від форми поверхні тіла, що охолоджується, і його розташування відносно середовища і поля сил тяжіння. В більшості випадків він визначається емпіричним шляхом. Деякі з емпіричних формул для визначення коефіцієнта приведені нижче. Для горизонтальних круглих провідників діаметром 10 – 80 мм: Для вертикальних площин в трансформаторному маслі: Для горизонтального циліндра в трансформаторному маслі: Теплопередача сильно нагрітих тіл здійснюється шляхом випромінювання енергії. За законом Стефана Больцмана для абсолютно чорного тіла кількість теплоти, що віддається тілом: (4.6) де – стала Стефана Больцмана, Сумарна кількість теплоти, яка передається всіма видами теплообміну найбільше залежить від температури. Для розрахунків теплоти, що віддається в оточуюче середовище всіма видами теплопередачі застосовують формулу: (4.7) де – коефіцієнт теплообміну (теплопередачі), що враховує всі види теплопередачі. 5. Теплопередача і нагрів провідників при різних режимах роботи 5.1 Стаціонарний режим нагрівання Стаціонарність режиму означає, що температура частин апарату вже не зміниться в часі. Практично стаціонарним вважається режим, при якому температура збільшується не більше ніж на 1°C за 1 годину нагрівання. При цьому вся теплота, що виділяється, віддається зовнішньому середовищу. Застосуємо баланс енергії для опису цього процесу. На основі закону Джоуля – Ленца: 1) (5.1) Це – загальна формула балансу енергії (теплота, що виділяється в наслідок проходження струму I по провіднику з опором R іде на нагрівання провідника та передається оточуючому середовищу). – питома густина; – об’єм провідника; – тепловий потік. Коли режим стаціонарний, зміна температури дорівнює нулю. Тоді: 2) (див. формулу 4.7 та 5.1); 3) (5.2) 4) Якщо струм постійний: 5) (5.3) Питомий опір: Тому: (5.4) Коли протікає змінний струм, то величина опору залежить від частоти струму і розташування між собою провідників (поверхневий ефект та ефект близькості), тому замість треба ставити де – коефіцієнт поверхневого ефекту; – коефіцієнт близькості; – добавочний коефіцієнт. Якщо врахувати, що потік проходить через деяку бічну поверхню провідника Sб , то формули запишуться так: Поскільки і то (5.5) де – кінцева температура, дорівнює температурі при номінальному режимі. 5.2 Номінальна сила струму для провідника в повітрі При струмі, що дорівнює номінальному із (5.5) можна визначити різницю температур для випадку нагрівання провідника при умові, що температура провідника лишається сталою, відповідає сталій потужності джерела. Із (5.5) отримаємо: де – периметр поперечного перерізу провідника. При постійному струмі питомий опір – таблична величина, звідси: (5.6) При змінному струмі треба враховувати, що , тому: (5.7) – для міді – (6 – 9)·10-4 Вт/см2 , а для сталі – (10 – 14)·10-4 Вт/см2 . Номінальна сила струму, на відміну від режиму короткого замикання, не викликає сильного розігріву провідників, і може бути знайдена із формули (5.7), поскільки, втрати на теплопередачу „провідник – оточуюче повітря” в номінальному режимі цілком достатні, щоб при даному температурному коефіцієнті опору провідника практично не змінювати потужність, яка споживається елементом або апаратом. 5.3. Термічна дія струму короткого замикання. Термічна стійкість провідників При режимі короткого замикання доля енергії, що відводиться від провідника, є невеликою у порівнянні з тією, що виділяється у провіднику. Відбувається адіабатний процес. Вся кількість теплоти іде на збільшення температури провідника. Запишемо баланс енергії для цього випадку: 1) 2) 3) де – початкова температура; – кінцева температура. (5.8) Критерієм термічної стійкості електричних апаратів при проходженні струму короткого замикання є величина . Як видно із формули (5.8), вона залежить від фізичних властивостей матеріалу, геометрії та допустимої температури нагрівання. Термічна дія струму короткого замикання проявляється в нагріванні провідників до високих температур. Це є небезпечним також і для ізоляції, на якій кріпляться провідники. (Наприклад, внаслідок великих температурних перепадів між поверхнею ізоляції, що знаходиться в контакті з провідником і протилежною стороною ізолятора. Ізолятор, як правило – хороший тепло ізолятор. Тому перепад досягає значної величини). Якщо струм короткого замикання змінний, то треба врахувати вплив поверхневого ефекту та ефекту близькості на величину . Крім того, треба пам’ятати, що під струмом, який стоїть в даній формулі, розуміють діюче значення струму короткого замикання. При постійному треба підставляти в дану формулу стаціонарне значення струму КЗ. 5.4 Тривалі і короткочасні допустимі температури Із формули (5.8) видно, що при сталому струмі кінцева температура є функцією часу. При цьому: (5.9) де – надлишок температури внаслідок короткого замикання; – стаціонарна температура; – стала часу, що залежить від властивостей матеріалу і має розмірність часу. Вона також залежить від маси провідника, його геометричних розмірів та теплоємності і коефіцієнта теплообміну. На протязі часу, рівному 3 – 5 система виходить на стаціонарний режим. Фізичний зміст : – це той час, протягом якого провідник нагрівається до стаціонарної температури при повній відсутності тепловіддачі. На рис. 5.1 показано процеси нагрівання і охолодження провідників в різних режимах, при різних струмових навантаженнях. При тривалому режимі допустимі навантаження вибираються такі, щоб надлишок температури, що встановився, дорівнював допустимому При тому ж навантаженні в короткочасному режимі за час надлишок температури складав би , тобто провідник не був би повністю використаний по нагріву. Тому при короткочасному режимі провідник треба навантажити так, щоб в кінці цього режиму (за час ) зміна надлишку температури йшла по кривій 2. При цьому за час нагрівання в короткочасному режимі Якби ми продовжували процес при тому самому струмі, то в стаціонарному режимі досягла б величини >Tдоп . Коефіцієнт перевантаження по потужності втрат визначається відношенням температур: Коефіцієнт перевантаження по струму : (поскільки ~ ). Процес охолодження відбувається по тій самій кривій і в короткочасному, і в тривалому режимі. 5.5 Допустимий періодично повторюваний режим нагрівання-охолодження При цьому режимі апарат може в залежності від тривалості процесу нагрівання (при проходженні струму) і охолодження (паузи проходження струму) по-різному збільшувати свою температуру. Коефіцієнт, який при проходженні струму характеризує цей процес, називається параметром відновлення (ПВ) (коефіцієнт відносної тривалості вмикань). (5.10) де – час нагрівання при періодичному процесі; – пауза, протягом якої відбувається охолодження; – сумарний час нагрівання + пауза, що разом становлять час циклу. При періодичному нагріванні – охолодженні можливе встановлення такої тривалості нагрівання і тривалості пауз та їх співвідношення, що температура апарату буде певний час підніматись і, в кінці кінців досягне стаціонарного стану, коли кількість енергії, яка підводиться і відводиться зрівнюється. В цьому випадку будуть відбуватися коливання температури апарату між максимальним і мінімальним значенням. Існують номограми, які по заданому значенню ПВ і відношенню дозволяють знайти коефіцієнт перенавантаження по струму і силу струму пере навантаження. 5.6 Розподіл температури в котушках та приклади допустимих температур провідників із різних матеріалів При нагріванні котушок струм, що проходить через них, сприяє нерівномірному розподілу температури по їх об’єму і поверхні. В середині котушки температура вища, ніж на поверхні, оскільки там гірша тепловіддача. Характер розподілу температур залежить від конструкції котушок. Внутрішні шари нагріваються менше, якщо котушка монолітна, тому що при цьому збільшується теплопровідність між шарами і відповідно тепловіддача. Допустима температура провідника при КЗ і при номінальному режимі вибирається в залежності від властивостей і провідників, і їх ізоляції. Температура при КЗ може досягати 300°C . Аперіодична складова струму при визначенні величини термостійкості, як правило, не враховується. Приклади допустимих температур для провідників із різних матеріалів: 1) для міді – 300°C (неізольована струмова частина); 2) для алюмінію – 200°C (неізольована струмова частина); 3) для сталі – 400°C (неізольована струмова частина); 4) ізольовані струмоведучі частини: · клас У – 200°C ; · клас А – мідь 250°C ; сталь 250°C ; алюміній 200°C ; · клас В і С – мідь 300°C ; сталь 400°C ; алюміній 200°C . Числові значення густини допустимого струму для найважливіших провідників, як функція часу, що характеризує їх термічну стійкість, приведена в таблиці 5.1. Таблиця 5.1 Час нагрівання t 1 с 5 с 10 с Матеріал Густина струму Мідь 152 67 48 Алюміній 89 40 28 6. Електричні контакти 6.1 Загальні відомості Електричним контактом називається місце переходу струму із однієї струмоведучої деталі в іншу. Деталь, що здійснює контакт називається контакт-деталлю. Існування електричного контакту називається контактуванням. Контакти поділяються на три основні групи: а) розбірні; б) комутуючі; в) ковзаючі. Розбірні контакти – це такі контакти, що в процесі роботи не переміщаються, а лишаються надійно скріпленими. Наприклад, болтове з’єднання шин, приєднання провідників зажимами („крокодил”). Комутуючі контакти – ті, що в процесі роботи замикають, розмикають, перемикають коло. Наприклад, контакти вимикачів, контакторів, рубильників. Ковзаючі контакти – це різновидність комутуючих контактів. При переміщенні однієї деталі контакту відносно другої, контакт не порушується. Наприклад, контакт в реостаті, шарнірні контакти, щіточні контакти (електродвигуни). Контакти поділяються по своїх конструкціях, призначенню, допустимих напругах і струмах, а також по матеріалу, з якого вони виготовлені. Сфера-сфера Контакти поділяються в залежності від розмірів і характеру контактування об’єктів (див. рис. 6.1 – 6.3). 1) 1 точка контактування точкові; Рис. 6.1 2) лінійні; 3) поверхневі. Точкові контакти застосовують для малих струмів (до 20 А). Розміри площадок контактування пропорційні силі, що стискає деталі і залежать від опору зминання матеріалу деталей. Це випливає із наступного: сила контактного натискання і – напруження тимчасового опору зминанню при пластичній деформації, зв’язані між собою співвідношенням де – площа, то → (6.1) В зоні переходу струму із 1-го провідника в інший має місце більший електричний опір, що називається перехідним. По природі – це звичайний опір металічного провідника, тільки цей провідник – мікроскопічний „бугорок”, в якому і відбувається контактування. Перехідний опір ( ) можна уявити собі як місце звуження перерізу матеріалу і різкого підвищення густини струму, в порівнянні з густиною стуму в тілі контакту (див. рис. 6.1). Експериментально встановлено, що існує зв’язок: , де - деяка величина, що залежить від матеріалу обробки і стану контактної поверхні. - сила натискання; n – показник, що характеризує кількість точок контактування. Із збільшенням їх кількості контактний опір зменшується. Встановлено, що n =0.5 для одноточкового контакту, n =0.7÷1 для лінійного контакту, n =1 для поверхневого контакту. дуже сильно залежить від степені окислення. Для неокислених має такі значення (в Ом/Н): мідь – 1.0·10-3 латунь – 6.7·10-3 алюміній – 1.6·10-3 сталь – 7.6·10-3 6.2 Фізичні явища в контактах Контакт складається із об’ємної частини і поверхневої, яка безпосередньо знаходиться між поверхнями, що контактують. Опір контакту зумовлений двома основними причинами: 1) звуження ліній струму в місці контакту; 2) покриття його поверхні оксидною плівкою (або іншими хімічними сполуками). Для контакту є важливим визначення умов нагрівання місця контакту і поява електродинамічних зусиль. Контакти мають певну шороховатість поверхні, що зв’язане з характером їх обробки, а місця, в яких контактують поверхні під дією сили натискання, можуть змінюватись. Існує ряд залежностей, що виражають як багатофункціональний параметр, що залежить від механічних, теплофізичних, електричних властивостей матеріалу контактів, температури контактів, прикладеної сили натискання, кількості контактуючих площадок. В результаті можуть виникнути декілька місць контакту, для яких діаметр: , де – напруження зминання. = 104 Н/см2 ÷105 Н/см2 . Для W – вольфраму ~ 2.9·105 Н/см2 є найвищим, для срібла (Ag ) – на порядок менший. У випадку двох одно точкових електродів опір контакту: (6.2) де – питомий опір; – діаметр контакту; – радіус контакту. Підставивши формулу (6.1) в (6.2) можна виразити опір наступним чином: – для квадратного контакту. (6.3) Для круглого контакту: (6.4) Якщо подивитись в мікроскоп на профіль двох контактуючих металічних поверхонь, то побачимо картину такого виду (рис.6.6): Як видно із рисунку, металічний контакт здійснюється не по всій поверхні, а тільки в місцях або продавлення плівки тих чи інших хімічних з’єднань, або, в іншому випадку, в місцях пробою під дією різниці потенціалів (перешийок). В окремих точках шороховатості, де є виступи, вони дотикаються між собою. Збільшення сили контактного нажиму веде до збільшення кількості таких місць. Фактично розміри місць дотикання виступів порядка 2 – 3 мкм. Плівка має товщину ~ 10-8 м, і ~ 105 Ом·см. Вона займає основну площу поверхні контакту. При замиканні контактів виникає явище, що називається фритинг . Якщо на контактах із ізолюючою плівкою підвищувати напругу, то перехідний опір, що вимірюється МЕГАОМАМИ буде зменшуватись. Вольт-амперна характеристика контакту в цьому стані нагадує характеристику напівпровідникових приладів. При досягненні напругою деякого значення, що називається напруга фритинга, перехідний опір різко зменшується. Відбувається електричний пробій плівки, що завершується утворенням тонкого металічного провідника в ній. Цей металічний провідник може лишитись і після зняття напруги. Як уже відмічалось, перехідний опір контактів – це опір, що визначається опором звужених ділянок, по яких проходить струм до площадок стискування, а також опором плівок на поверхні контактів або опором вузьких металічних перешийків, що виникли від фриттинга. Повний опір областей зтягування ліній струму для двох контактуючих одноточкових електродів, як відмічалось, виражається формулою (6.2). Для багатоточкового контакту ( – точок): (׀׀ включено опорів). (6.2.а) Для опору зтягування (а це – опір двох контактуючих електродів) (6.5) Формула випливає із залежностей (6.1), (6.2.а), де – опір контактного матеріалу зім’яттю. =2 – для лінійного контакту; =3 – для площинного контакту; – сила натискання в контактах; ~10÷104 мкОм ( =40Н); 2÷2·102 мкОм ( =240 Н). 6.3 Матеріали контактів. Вимоги до них До матеріалів контактів сучасних електричних апаратів ставляться вимоги: 1. Висока тепло- і електропровідність; 2. Висока корозійна стійкість в повітрі та інших середовищах; 3. Стійкість проти утворення плівок з високим опором електриці; 4. Мала твердість для зменшення необхідної сили натискання; 5. Висока твердість для зменшення механічного зношування при частих вмиканнях і вимиканнях; 6. Висока дугостійкість (висока температура плавлення); 7. Мала ерозія; 8. Високі значення струму і напруги необхідні для дугоутворення; 9. Простота обробки, низька вартість. Вибір контактних матеріалів обумовлений тим призначенням, яке має даний апарат і відповідні контакти. Найбільш широко використовують: мідь, алюміній, вольфрам, та композити ( композиційні матеріали). Розглянемо властивості деяких із них: Мідь (Купрум) – висока електро- і теплопровідність, достатня твердість, простота технології. Недоліки : відносно низька температура плавлення, схильність до окислення на повітрі, що збільшує питомий опір і силу натискання. Не рекомендовано застосовувати в апаратах з великою кількістю вмикань внаслідок малої дугостійкості. Застосування: шини, контакти апаратів. Срібло (Аргентум) – висока електро- і теплопровідність, мала механічна міцність оксиду AgO і її руйнівної сили натискання, малий перехідний опір, стабільність контакту. Недоліки : мала лугостійкість і твердість, не рекомендовано при потужних дугах і частих вмиканнях. Застосування: реле, контактори до 20 А. Алюміній – як і у міді висока електро і теплопровідність плюс мала густина, що зменшує масу струмоведучої частини на той же струм, що і виготовленої із міді → на 48%. Недоліки – мала дугостійкість (температура плавлення набагато менше температури плавлення міді і температури плавлення срібла) і твердість. Не рекомендовано при потужних дугах і частих вмиканнях, у контактах до 20 А, в головних до – 10 кА. Мала механічна міцність, утворення з міді гальванічного елемента – корозія пари. Утворення окисної плівки з великим питомим опором на повітрі і активних середовищах. Застосування: матеріал для шин і конструкційних деталей апаратів. Аурум (Золото), Платина, Плюмбум (Свинець) – висока корозійна стійкість плюс малий перехідний опір. Застосування: малі струми з невеликою силою натискання. Вольфрам – висока дугостійкість, стійкість проти корозії,зварювання. Висока твердість, що необхідне при частих вимиканнях і вмиканнях. Недоліки : мала теплопровідність, висока густина, утворення міцних оксидних і сульфідних плівок вимагають великої сили натискання внаслідок утворення плівок і високої механічної міцності. Застосування: дугостійкі і частовмикаючі контакти. Основні необхідні властивості контактного матеріалу – висока електропровідність та дугостійкість не можуть бути отримані за рахунок сплавів таких матеріалів як срібло+вольфрам або мідь+вольфрам, бо вони не утворюють сплавів. Тому матеріали, що задовольняють необхідним вимогам, отримують методами порошкової металургії. Це – так звана металокераміка. Металокерамічні контакти отримують методом спікання. Отримані цим методом порошкові сплави: - вольфрам плюс аргентум і вольфрам плюс купрум – мають властивості позитивні як першого (вольфрам) та і других (срібло, алюміній) складових, тобто високу дугостійкість, низьку величину сили контактного натискання, низький контактний опір. Також мають високу зносостійкість, довгий термін надійності та служби. Недоліки : високий питомий опір, мала теплопровідність, велика необхідна сила натискання. Висока дугостійкість + відносно добра провідність – головні якості металокераміки. Аргентум (срібло) – графіт → дугогасящі контакти; Купрум (мідь) – графіт → важливі завдяки високій стійкості проти зварювання. Металокерамічні сплави марки КМК-А60, КМК-А61, КМК-Б20 застосовують для контактів матеріалів високої напруги. Слід відмітити що, вимоги до контактів – дуже суперечливі, вони протирічать одна другій, поскільки визначаються умовами роботи в різних режимах. Розглянемо детальніше це питання. Матеріал повинен мати найвищу електро- і теплопровідність. Тоді теплова потужність, що виділяється буде зменшуватись, а умови тепло- відведення покращуються. Це приведе до зниження температури контактів, а, значить, зниження утворення окислів на поверхні контактів. Скорочуються також розміри розплавленого металічного перешийка, що утворюється у контакті в момент розмикання, також знижується інтенсивність ерозії. Добре тепловідведення перешкоджає дузі нагрівати і випаровувати контактний метал і, веде до підвищення відновлюючої міцності приелектродних ділянок. Висока температура рекристалізації сприяє відсутності холодного зварювання контактів. Висока температура плавлення і температура кипіння збільшують зносостійкість контактів внаслідок зменшення випаровування. Зносостійкість підвищується при збільшенні температури плавлення, але одночасно збільшується твердість, яка приводить до зменшення контактуючих площадок. Всі необхідні якості неможливо об’єднати в одному матеріалі, тому доцільно області застосування матеріалів, що застосовуються для контактів, приблизно розділити по струмах поскільки: 1) для контактів найважливішими параметрами при розрахунках є, по-перше, сили контактного натискання, як функція матеріалу контакту , та сила струму, що по ньому протікає. 2) друга важлива характеристика – допустимі температури контакту, як функція сили струму, постійного опору, теплопровідності. Одна із класифікацій матеріалів, класифікація по струмах, приведена на (рис.6.7). Як видно із рисунка, струми поділяють на: 1. Слабкі; 2. Середні; 3. Сильні. Їм відповідають певні матеріали. Особливо рідкісні і дорогі (осмій, іридій, золото, срібло) застосовують для слабких струмів. 6.4 Температура площадки контактування. Контакти в режимі проходження тривалого струму При проходженні струму в площадці контактування внаслідок наявності перехідного опору буде виділятися енергія , що набагато більше енергії, що виділяється в об’ємі контакту. Температура, яку має площадка контактування є більшою внаслідок того, що перехідний опір (опір об’єму матеріала контакту) і того, що тепловіддача є гіршою від (бо площадка знаходиться далі від оточуючого середовища, чим контакт). Якщо , то різниця температур – спад напруги на перехідному опорі контакту. Ця величина при природному охолодженні ~ 10 – 20 мВ. Розрахунок контактів в режимі тривалого струму зводиться до визначення сили натискання в контактах, при якій температура в контакті підвищується. Для одноточкових контактів на великі струми для підрахунку сили контактного натискання рекомендується формула: , (6.6) де – твердість по Вікерсу. Ця формула близька до експерименту. Формула (6.6) дозволяє знайти силу контактного натискання для заданого номінального струму, знаючи відношення температур Температуру об’єму легко знайти із формули: , відомої для нагрівання провідника площею перерізу і периметром перерізу (формула 5.7). Тоді, поскільки , можна знайти . Це – перший спосіб оцінки (по ). Температура нагрівання контактної точки при нехтуванні тепло-відведенням з контакт-деталі в оточуюче середовище описується формулою Хольма: (6.7) Допустима напруга на контакті звичайно приймається в межах (0.1÷0.3) , де – напруга, при якій матеріал контакту розм’якшується (рекристалізується). Важливою є також інша форма запису формули (6.6.), що враховує механічні властивості матеріалу ( ) та кількість точок контактування і дає можливість визначити силу контактного натискання. (6. ) де – сила контактного натискання; =1÷3. Дані розрахунки відносяться до випадку, при якому через контакти проходить номінальний струм, який і є тривалим струмом, або стаціонарним. 6.5 Розбірні контакти в режимі короткого замикання З точки зору нагрівання, контакти – це найбільш навантажена ділянка струмоведучого кола. Звідси особливо необхідними є розрахунки параметрів контактів в умовах короткого замикання, коли виникають важкі умови роботи. В розбірних контактах слабким місцем є болтове з’єднання. Болт, що стягує деталі, практично не проводить струм, його температура при короткому замиканні, внаслідок короткочасної дії не змінюється. Теплове розширення струмоведучих деталей викликає додаткове напруження. Це додаткове напруження додається до напруження затяжки болта, що може привести до остаточних деформацій, які можуть послабити контакт з’єднання після його остигання. Тому болтові з’єднання повинні перевірятися на додаткові механічні напруження при короткому замиканні. 7 . Електромеханічні і електродинамічні сили в контактах 7.1 Контакти в режимі короткого замикання. Розмикання, замикання та зварювання контактів Проходження струму в контакті супроводжується появою у приконтактній області сил, напружень і деформацій. При відносно невеликих струмах їх величини є незначними, при струмах короткого замикання вони можуть досягнути великих значень. 7.1.1 Основні види сил Основними силами, які діють в контактній системі, є сили, зв’язані із зміною густини ліній струму в місці контакту контактуючих деталей (рис.7.1). Сила контактного настискання, яка діє в місці контакту, повинна бути такою, щоб забезпечувати надійний контакт, незважаючи на дію електродинамічної і електромагнітних сил. 1) Електродинамічна сила ( ), що викликає відштовхування контактів, виникає внаслідок викривлення ліній струму в контакт-деталі при підході його до місця контактування (див. рис. 7.2.) (Сила в місці звуження провідника – аналог сили на границі взаємоперпендикулярних провідників). Згідно п.3.2 сила запишеться як: (7.1.) де – діаметр контакт-деталі; – діаметр контактуючої площадки. 2) Сила електромагнітного стискання ( , пінч ефект), повздовжній пінч-ефект. Пінч-ефект (стискання електричного струмового каналу внаслідок зміни густини силових ліній магнітного поля при протіканні струму по провіднику) приводить до того, що при наявності різних діаметрів контактів в місці контакту можуть з’являтись сили, пропорційні квадрату струму і обернено пропорційні діаметру контакту. Оскільки контакти мають різні діаметри, то вздовж осі провідника з’являється повздовжня складова цієї сили, що намагається відкидати контакти один від одного при проходженні великого струму (наприклад, в умовах короткого замикання). Чим менший діаметр контактного „перешийка”, тим більше стискаюча сила в місці контактного „перешийка”. Крім того, внаслідок існування одночасно із поперечним звуженням повздовжнього видовження, (вони зв’язані між собою коефіцієнтом Пуассона), виникає поздовжній ефект: сила викликає появу в осьовому напрямку сили , яка може викликати розмикання контакту: (7.2.) де – довжина металічного перешийка в контакті; – діаметр контакту. Ця ж сила розтягує розігрітий „перешийок”, який втрачає механічну міцність. 3) Якщо під дією струму розплавлений контактний „перешийок” переходить в пароподібний стан, то виникає пружна сила вибуху парів металу Знаходячись у вузькому шарі між „контакт-деталями”, вибухові пари здійснюють тиск на контакт діаметра „перешийка”. Щоб не відбувалось під дією вказаних сил самовільного розмикання контактів застосовують спеціальні компенсуючі засоби і пристрої. Важливим фактом є те, що при розрахунках електродинамічної стійкості контактів досить точною є експериментальна формула: (вона зрозуміла із розмірності ~ ) (7.3) де – амплітуда ударного струму; ; – контактне натискання, Н; – коефіцієнт [А/Н ], (довідкова величина, залежить від типу контакту і матеріалу); =1000÷1900 А/Н . 7.2 Зварювання контактів При проходженні струмів короткого замикання можливе зварювання контактів і відмова роботи апарату, як наслідок цього. Це відбувається, якщо температура замкнутих контактів досягає в місці їх дотику температури плавлення. Тому треба знати, яка температура контактів, її залежність від сили струму і величину сили контактного натискання та фізичних характеристик матеріалу контакту. Із формули Хольма (6.7) можна визначити силу струму зварювання: Звідси отримаємо: (7.4) де – коефіцієнт, що коливається від 1 до 3, в залежності від кількості точок, в яких відбувається контактування; – сила контактного натискання; – питомий опір; – температура контакт-деталі – температура плавлення. Формула (7.4) є дійсною для стаціонарного режиму протікання струму ( ). У короткочасному режимі нагріву температура контактної точки залежить від часу протікання струму. При цьому основною відмінністю формули для обчислення струму зварювання у цьому випадку (з похибкою < 2%) є поява множника: (7.5) де – час проходження струму; – густина контакту; – теплоємність контакту. Тоді формула (7.4) для короткочасного режиму буде: (7.6) При формула (7.6) переходить в формулу (7.4). Якщо контакти приварились струмом, то після припинення проходження струму, охолодження місця контакту і застигання, необхідна певна сила, щоб розірвати контакти. Сила, необхідна для того, щоб розірвати контакти, що зварилися, називається силою контактного зварювання . Сила контактного зварювання в 2 – 7 раз є більшою сили контактного натискання. При збільшенні температури кипіння, теплопровідності, теплоємності матеріалу контакту і при зниженні катодної і анодної напруги в дузі контакти зварюються менше. Зварювання контактів залежить від конструкції самих контактів і всієї струмоведучої частини апарату. Для визначення сили контактного зварювання при розрахунку електродинамічної стійкості контактів ударний струм, як уже відмічалось розраховується по формулі 7.3. 7.3 Зношування контактів при їх розмиканні 7.3.1 Електрична ерозія Під зношуванням контактів розуміють руйнування їх поверхні, що приводить до зміни їх форми, розміру, маси. Зношування поділяють по виду ерозій на: 1) хімічну (корозія) ерозію (окислення, утворення плівок на електродах хімічних з’єднань); 2) механічну ерозію (механічне руйнування поверхні контактів); 3) електричну ерозію (перенос матеріалу з одного контакту на інший при проходженні електричного струму). Електрична ерозія особливо небезпечна при постійному струмі. Напрямок переносу речовини в цьому випадку є постійним, що веде до швидкого виходу контактів із ладу. Якщо матеріал переноситься з аноду на катод, то така ерозія називається анодною, а якщо навпаки, то катодною. Міра ерозії – втрата маси або об’єму контакта. Схема процесу виглядає так: В процесі розмикання контактів контактне натискання зменшується, перехідний опір збільшується, Fк < ; Rк > і за рахунок цього зростає температура точок дотику. Площадка дотику сильно розігрівається, до температури плавлення, утворюється між контактами місток із рідкого металу. При подальшому русі контактів місток обривається і виникає дуговий або тліючий розряд. Якщо < (наприклад для міді < 0.43 A) при U =270÷330 В, виникає тліючий розряд або іскра, для вольфраму розряд спостерігається при <0.9 А. 7.3.2 Ерозія контактів при малих струмах Ерозія контактів при малих струмах обумовлена тим, що руйнування рідкого контактного перешийка відбувається не всередині, а з одного із країв контакту. Як показують досліди розрив розплавленої маси відбувається ближче до аноду, як правило. Внаслідок цього більше зношується анод. Величина ерозії пропорційна кількості електрики, що проходить через контакти за час іскри і залежить від властивостей матеріалу контактів. Зниження ерозії досягають: А. застосування ерозійно-стійких матеріалів; б) шунтуванням контактів іскрогасящими -колами. В цьому випадку частина енергії кола іде на заряд конденсатора. Тривалість іскрового розряду суттєво зменшується. Однак, при великих ємностях, при замиканні може відбутись в такому випадку розряд конденсаторів на контактах (що ще не замкнуті, але наблизились між собою) і, як наслідок, зварювання контактів . Для боротьби з ерозією при малих струмах застосовують: 1) використання дугостійких матеріалів, щоб не допустити розвитку дуги в процесі розмикання контактів; 2) вмикання паралельно до контакту конденсатора ( при цьому частина енергії відводиться на конденсатор). 7.3.3 Зношування контактів при великих струмах та боротьба із ерозією Зношування контактів при великих струмах відбувається як при їх замиканні, так і при їх розмиканні, і залежить від багатьох змінних факторів. До сьогодні немає аналітичного виразу для розрахунку величини зношування. При орієнтовних розрахунках треба пам’ятати, що зношування контактів пропорційне величині струму. При І >5 А хороші результати дає формула Кузнєцова (основним параметром зношуваного контакту є маса втраченого контакту): де – маса зношування контакта; – сила струму вимикання; – кількість вмикань – вимикань контакту; – коефіцієнт зношування ((1 – 200)·10-6 Г/А2 ). При струмах І ≤ 5 А строк служби контактів визначається формулою: де – об’єм контакту, призначений на зношування; – густина матеріалу контакту; – час гасіння дуги; – коефіцієнт зношування (К~(1 – 20)·10-9 кг/Кл. Для боротьби із ерозією на струми від 1А до 600А необхідно: а) скорочувати час горіння дуги за допомогою дугогасящих пристроїв; б) боротись із тремтінням контактів, що виникають при замиканні. Це досягається за допомогою зменшення маси рухомих контактів і швидкості їх замикання, а також збільшенням початкового натискання і жорсткості пружини. Останнє приведе до росту протидії відкиданню контактів, зменшить амплітуду відхилень. в) застосування (як і у випадку малих струмів) дугостійких контактів. 7.4 Конструктивна форма контактів і контактних з’єднань. 7.4.1 Найважливіші параметри контактних конструкцій Класифікація контактів проводиться по декількох напрямках. Із яких можна виділити: а) класифікацію на розбірні і нерозбірні; рухомі контакти, що не розмикаються і рухомі контакти, що розмикаються (розривні контакти); рідко-металічні контакти; б) контактні системи, що визначаються струмом, який проходить через контакти, і напругою сітки. У випадку (б) контактні системи електричних апаратів поділяються на три характерних групи: I. – апаратів релейного типу (струми не > 5 A, напруги – сотні вольт); II. – контакти апаратів керування і розподільних систем (і ~сотень-тисяч А; Uсітки ~тисяч B); III. I ~: десятків кА, Uc → сотень кВ. Приклад контактів I групи – рис. 7.5 (а), ІІ групи – рис. 7.5 (б), ІІІ групи – рис. 7.5(в). В пластинчастих пружинчастих контактах реле (застосовуються) контактні накладки 1 різної форми, що встановлені на струмоведучих пластинах 2. Стальна пружина 3 створює попередню деформацію верхньої частини, так що уже в момент дотикання контактів створюється необхідна сила натискання на контакт. В залежності від форми контактних накладок 1 контакт здійснюється по площині, лінії або в точці. 7.4.2 Конструкції контактних вузлів і їх типи Уже відмічалось, що класифікація контактів і вузлів проводиться по декількох напрямках, в тому числі в залежності від сили струму. В свою чергу контактні вузли на середні і великі струми можна поділити на 5 основних типів: 1. Важільні. 2. Мостикові. 3. Врубні. 4. Роликові. 5. Розеточні. Вони можуть бути одноступінчасті і багатоступінчасті. В одноступінчастому контакті контактна пара служить як для тривалого протікання струму, так і для розриву дуги при розмиканні. Для багатоступінчастих контактних груп характерним є поділ на основні, що покривають сріблом (аргентумом), і служать для пропускання струму в стаціонарному режимі і дугогасящі, що виконуються із дугостійких матеріалів і відіграють основну роль при вмиканні і вимиканні. Замикаються контакти так: спочатку дугогасящі, потім – основні. А вимикаються в зворотній послідовності: основні – дугогасящі. При розмиканні розриву спочатку не відбувається – струм тече через дугогасящі контакти, а потім розмикаються дугогасящі, на яких виникає дуга. Іноді додають паралельно ще і проміжні контакти. На рис. 7.5 – 7.7. показано різні типи контактів. Мостикові контакти застосовують в прямоходових рухомих системах (див. рис. 7.6). 1. Слабострумовий контакт (показано на рис 7.5 (а)) складається із: 1) контактної накладки; 2) струмоведучих пластинчастих пружин; 3) стальних пружин для попередньої деформації верхньої пружини. 2. Важільний контакт (рис. 7.5 (б)). Нажим здійснюється силою контактної пружини. У важільних контактах роблять перекат, щоб зменшити вплив шороховатості контактів. Шороховатість збільшує опір контактів. 3. Розеточний контакт (рис. 7.5 (в)) утворений сегментами 2 навколо струмоведучого контакту 1, який при розриванні кола відходить від сегментів. 4. Роликовий контакт (рис. 7.5 (г)) служить для знімання струму з нерухомих деталей. Застосовують при великих переміщеннях і великих струмах. 5. Врубний контакт (рис. 7.5 (д)). Врубні контакти мають ніж (нерухомий контакт), пружину, ламель (рухомий контакт). Контакти поділяються також на: 1) твердометалічні; 2) рідкометалічні. Характеристикою контактів є : 1) зазор – найкоротша відстань між розімкнутими контактуючими поверхнями рухомого і нерухомого контактів; зазор вибирається із умови гасіння дуги при малих струмах; 2) провал . Оскільки при роботі контакти зношуються, то для забезпечення нормальної роботи кінематика електричних апаратів виконана таким чином, щоб забезпечити якість контакту після певного зношування. Для цього контакти дотикають раніше, ніж система доходить до упора. Якщо при замкнутому положенні рухомої системи забрати нерухомий контакт, то рухомий посунеться на відстань, що називається провалом. Провалом визначається запас на зношування контактів при заданій кількості їх спрацювань. 3) контактний нажим – сила, що стискає контакти в місці їх дотику. Ця сила по мірі зношування контактів зменшується; 4) додатковий стиск пружини – забезпечує провал. По мірі зношування додатковий стиск пружини зменшується, працездатність контакту погіршується. Недоліки твердометалічних контактів: 1) окислення поверхні, що веде до їх зварювання і зменшення їх надійності; 2) ерозія; 3) чим більший номінальний струм, тим більша сила контактного натискання необхідна. При великих струмах КЗ контактні натискання вимагають великих значень сили, що збільшує необхідну потужність привода апарату, його габарити і масу. Цих вад немає в рідкометалічних контактах. Вони можуть працювати в умовах зовнішніх високих тисків, температур, глибокого вакууму; в них відсутнє зношення і окислення, вони мають малий перехідний опір, а тому можуть працювати при високих густинах струмів ( А/см2 ). Недоліки: 1) обмеженість температурного інтервалу (не можуть працювати при низьких температурах); 2) небезпечність з точки зору техніки безпеки (ртуть, галій). 7.5 Способи компенсації електродинамічних сил в контактах Контакти можна представити як провідники змінного перерізу, в місці звуження яких виникають повздовжні електродинамічні зусилля, що намагаються розімкнути контакт. В апаратах на великі струми намагаються виконати таку контактну систему, щоб компенсувати або послабити дію електродинамічних сил. Наприклад, в так званій мостиковій схемі на рис. 7.6 показано напрямок протікання струму та напрямок дії сили. В цьому випадку електродинамічні сили F , прижимають контакт до перемички. – важільний контакт : 1,2 – нерухомий контакт (складається з двох частин); 4 – рухомий контакт; 3 – пружинний контакт. Для електродинамічної компенсації контактів важільного типу нерухомий контакт роблять із двох частин (1,2) з’єднаних шарнірно. Рух частин в нейтральному положенні утримується двома пружинами (3), що діють одна на зустріч другій. Електродинамічна сила намагається розсунути контактні паралельні пластини (2) контакту і (1); підібравши довжину певним чином, можна зробити так, що контакт (2) буде прижиматись до рухомого контакту і контактне натискання буде зростати. Інша конструкція мостикової схеми, для компенсації електродинамічних сил приведена на рис. 7.8. 7.6 Задача Визначити контактне натискання при тривалому струмі 1000 А і струмі короткого замикання 30 кА, якщо контакти утворені двома торцевими поверхнями мідних циліндрів із діаметром 0.03 м. Температура оточуючого середовища . Коефіцієнт теплопровідності міді . Твердість по Вікерсу , . Вважати, що допустима температура (номінальна) 70 . Коефіцієнт – це коефіцієнт, який враховує зв’язок між ударним струмом і силою контактного прижиму. 8. Вимикання електричного кола постійного і змінного струму Велика група електричних апаратів – комутаційні пристрої, за допомогою яких вимикаються електричні кола. Процес вимикання при різних умовах розглянуто в даному розділі. 8.1 Загальна характеристика вимикання електричних кіл. Відновлювана напруга та відновлювана міцність. Умова вимикання кола апарату Характер процесів при відключенні електричного кола змінного і постійного струму показано на рис. 8.1, 8.2: По осі абсцис відкладено час t, а по осі ординат значення напруги та струму в різні моменти часу. Uc – напруга сітки; I0 – струм в колі; UBм – відновлювана міцність; МРК – момент розмикання контакту. Uк − спад напруги на контакті (рис. 8.2); Електричний розряд в контактних апаратах, що виникає при розмиканні контактів, приводить до зношення контактів, і в значній мірі це визначає надійність і тривалість роботи апарату. Розряд зв’язаний із електромагнітною енергією, що запасається в індуктивності при вимиканні кола. В контактних апаратах комутуючим елементом є електрична дуга або інший вид газового розряду, що виникає при вимиканні. Електромагнітна енергія кола перетворюється в цих комутуючих елементах в теплову енергію, яка розсіюється в просторі. В цьому полягає позитивна роль дуги. Якби дуга не виникала, то електромагнітна енергія поля перетворювалася би в електростатичну енергію і виникала область перенапруги недопустимої величини, а коло неможливо було б відключити. Коли апарат ввімкнений, то спад напруги на комутуючих елементах складає долі вольта – в контактних апаратах і вольти в безконтактних. Якщо апарат розірве коло, напруга на його комутуючому елементі стане рівною напрузі джерела живлення. Таким чином, в процесі вимикання апарату напруга на комутуючому елементі буде різко зростати від дуже малих до дуже великих значень. Напруга на комутуючому органі, що наростає в процесі вимикання апарату називається відновлюваною напругою . При вимиканні кола комутуючий орган переходить із стану провідника електричного струму в стан діелектрика. Характерна комутуючому органу зростаюча в часі при вимиканні електрична міцність називається відновлюваною міцністю (визначається в даний момент часу максимальною напругою, що може витримати без пробою комутуючий орган). Щоб успішно відключити електричне коло, необхідно створити в вимикаючому апараті такі умови, при яких його відновлювана міцність була б вищою за наростаючу на ньому відновлювану напругу. - умова вимикання кола. Розглянемо трифазне коло. Припустимо, що наше коло має індуктивний характер. Поскільки коло – чисто індуктивне, то , і при проходженні струму фази А через 0 миттєве значення е.р.с. в цій фазі дорівнює амплітуді, а е.р.с. фаз В і С – 0.5 амплітуди. Тоді миттєве значення напруги промислової частоти на розриві А дорівнює: Частоти коливань у верхньому та нижньому контурі однакові: Індуктивність . Якщо виразити струм через і напругу , то матимемо: Підставимо у формулу такі числові значення величин і знайдемо індуктивність. Гн Відомо, що при підвищеній частоті індуктивність зменшується на 30%, тоді 0.7·0.126=0.088Гн. А загальна ємність фази пФ Частота = Гц. Середня швидкість відновлення напруги: . Після вимикання фази А в наступний нуль струму гаситься дуга у фазах В і С (рис. в.). В фазах В і С приймемо, що напруга поділяється порівну. Тоді: . Порівняння швидкостей відновлення напруги у фазах А, В і С показує, що вимикання фаз В і С іде в більш легких умовах, ніж у фазі А: швидкість наростання напруги в рази менша. 8.2 Стадії в міжконтактному проміжку при вимиканні кола. Дуга і її властивості При вимиканні електричного кола із струмом в міжконтактному проміжку проходять наступні стадії: 1) початок вимикання, якому відповідає стан металічного провідника (замкнутий стан контактів); 2) утворення розплавленого металічного містка в початковій стадії розходження контактів, що супроводжується, внаслідок зменшення сили натискання, збільшенням перехідного опору і ростом виділення тепла в контакті; 3) вибух металічного містка під дією великої концентрації теплової енергії в ньому; 4) утворення електричної дуги (іскри) між контактами апарату. В процесі її гасіння комутаційний орган за допомогою дугогасильної системи збільшує її електроопір; 5) перетворення проміжку в діелектрик, коли всі іонізовані частинки із проміжку розсіюються, і він стає ізолятором. В процесі вимикання кола можливе виникнення тліючого або дугового розряду. Нагадаємо, що електричний розряд – це процес протікання електричного струму в газі. Він буває самостійним і несамостійним. Тліючий, дуговий, іскровий – це види самостійних розрядів. Тліючий розряд виникає при розмиканні при І < 0.1 А і напругах 250 – 300 В. Це спостерігається в малопотужних реле, в більш потужних апаратах спостерігається розряд у вигляді електричної дуги. Дуговий розряд виникає в першу чергу внаслідок термоелектронної емісії. Електрони іонізують молекули газу. Особливості дугового розряду: 1) має місце тільки при відносно великих густинах струмів і відносно невеликих напругах між електродами; 2) температура центральної частини дуги від 6000 до 25000 К; 3) густина струму при дуговому розряді від 100 до 1000 ; 4) спад напруги біля катода 10 – 20 В, і не залежить від струму. Розрізняють три характерні області дугового розряду: · прикатодна область; · область стовпа дуги; · прианодна область. Області мають різну концентрацію носіїв, різну температуру, спад напруги та її градієнт. У короткої дуги, характерної для апаратів низької напруги, спад напруги на стовпі дуги є малим в порівнянні із спадом напруги (в сумі) у катода і анода. У довгої дуги, характерної для апаратів високої напруги – навпаки, тому біляелектродним спадом можна знехтувати. 8.3 Статична і динамічна вольтамперна характеристика (ВАХ) дуги. Умови стабільного горіння та гасіння дуги На рис. 8.3 приведено типову схему кола, що вимикається, для апаратів, коли коло підключено до джерела з напругою . Послідовно з’єднані опір , комутуючий елемент апарату, індуктивність L . Опір RШ – опір розтікання по ізоляції, або опір комутуючого елемента в момент відновлення напруги. Ємність C включає ємність провідників, струмоведучих частин і т.д. Як правило, RШ – дуже великий (кіло- і мегаоми), а C – мала – долі мікрофарад. Якщо вважати, що RШ → ∞, а C → 0, то отримаємо схему, представлену на рис. 8.5. Розрізняють ВАХ статичну і ВАХ динамічну. ВАХ, що знята при повільній змінні струму називається статичною. Динамічні характеристики – це характеристики, які знімаються, коли швидкість струмозміни є великою і внаслідок теплової інерції дугового стовпа зміна опору дуги не встигає за струмом. Тому динамічних характеристик є багато, в залежності від швидкості наростання струму, а статична характеристика є одна (див. рис.8.4). Як видно із рисунка, статична характеристика іде вище і крутіше. Для схеми рис.8.5 можна записати: 1) (8.1) 2) (8.2) (а) 3) (б) Розглянемо рис.8.6. 1– напруга джерела UC ; 2 – спад напруги на активному опорі (відраховується від прямої 1); 3 – ВАХ-дуги. Точки а і б – точки, де виконується рівність (8.3). При стабільно „горящій” дузі =0, тому 4) (8.3) Проаналізуємо графічний розв’язок рівняннь (8.2), (8.3), представлені на рис. 8.6. Стан дуги в точках (а), (б) для нашого випадку є рівноважним. 1) якщо коло складається з R, L , то для будь-якого моменту часу процес описується в загальному формулою 8.2 (а), або для дуги – 8.2 (б); 2) при стабільно горящій дузі формула 8.2 переходить у формулу 8.3; 3) для того, щоб дуга погасла необхідно, щоб струм з часом зменшувався, тобто було <0. 4) В нашому випадку це означає, що при ; ; <0 (бо <0). З урахуванням знаків це показує, що, якщо по якійсь причині струм стане менше іа , то він впаде до нуля. Дуга погасне; 5) якщо по якійсь причині струм стане дещо більше іа , то отримаємо . Тобто в колі з’явиться „надлишкова” напруга, яка приведе до зростання струму до значення Іб . Між точками а і б >0. Зростання струму супроводжується накопиченням енергії. 6) при струмі для підтримки цього струму напруги недостатньо, і струм впаде до значення його в т. (б). Дуга буде горіти стабільно, коли І=Іб . Для гасіння дуги необхідно, щоб виконувалась умова: Це означає: якщо забезпечити такий режим, що ВАХ лежить вище , то дуга обов’язково загаситься. Це твердження відповідає загальному правилу, яке описує процес вимикання кола. Апарат вимикає коло, а комутуючий елемент стає діелектриком, якщо його електрична міцність в процесі вимикання вища напруги на ньому. На рис. 8.8 якісно показано залежність від часу відновлювальної міцності (UBм ) і напруги (Uвн ). Особливості горіння і гасіння дуги змінного струму при вимиканні (попередні відомості) Якщо навантаження в колі активне, то cos =1. При цьому залежність від часу буде такою, як показано на рис. 8.9. Опір дуги носить активний характер. Для активного характеру навантаження процес протікає наступним чином: 1) В момент появи струму різко наростає напруга на дузі і досягає значення напруги запалювання. Із ростом струму спад напруги на дузі падає і досягає мінімуму при . 2) Після цього напруга дуги зростає і досягає напруги гасіння. 3) Якщо струм вимикається, то відбувається гасіння. Якщо струм продовжує проходити, то ця система відновлює попередній стан і, горіння дуги продовжується. Згасне чи не згасне дуга залежить від процесу деіонізації, який в свою чергу залежить від того, які властивості має дуговий розряд (довжина дуги, величина концентрації іонів в дузі) і відношення фаз між напругою і струмом. Якщо наростання опору в проміжку стовпа дуги буде випереджувати наростання напруги в цьому проміжку, то дуга погасне. Якщо ж наростання опору в проміжку буде іти повільніше, то може відбуватися повторне запалювання дуги (рис.8.9). При гасінні дуги процес відновлення напруги на дуговому проміжку може носити аперіодичний і періодичний характер. Зв’язане це з накопиченням та перерозподілом електромагнітної енергії в контурі, що утворено індуктивністю, ємністю кола сітки і дугою при аперіодичному характері – дуга гаситься за 1 період. 9. Відновлювана міцність та особливості горіння дуги Розглянемо детальніше процес відновлювання електричної міцності та особливості горіння і параметри дуги при різних умовах. 9.1 Відновлювана міцність та її стадії відновлення. Закономірності наростання в часі відновлюваної міцності міжконтактного проміжку апарату є основною характеристикою дугогасильного пристрою. Електрична міцність , що утворюється в процесі вимикання кола, називається відновлюваною міцністю . В процесі відновлення електричної міцності комутуючий орган і його міжконтактний проміжок перетворюється із провідника електричного струму в діелектрик. (Перехід метал – діелектрик) Процес розбивається на характерні стадії (див. рис. 9.1): В стадії I – горіння дуги – міжконтактний проміжок теж має певну міцність, під якою розуміють значення напруги, необхідної для підтримання незмінної провідності дугового стовпа. Це поняття базується на наступному: якщо потужність, яка підводиться до дуги, що дорівнює більше потужності, яка відводиться від дуги, то дуга буде існувати. Якщо ж навпаки, відводитись буде більша потужність, ніж підводитись, то умови існування дуги порушуються, і вона гаситься. При рівності цих величин – дуга знаходиться в стійкому стані. Звідси (9.1) - потужність, що відводиться від дуги з одиниці її довжини. Найбільш інтенсивне зростання і великі значення відновлюваної напруги досягають в недугових стадіях газового розряду, коли в процесі вимикання кола струм уже не проходить, а лише безпосередньо за переходом струму через нульове значення по проміжку проходить невеликий залишковий струм (~мА). В стадії II відновлювана міцність утворюється на приелектродних ділянках, а її зростання визначається відведенням теплоти в контактні елементи. Для II стадії характерним є тліючий розряд : величини міцності співрозмірні із катодним падінням при цьому розряді. В III стадії міцність відновлюється на довжині стовпа газового розряду, що закінчується руйнуванням стовпа і його перетворенням в ізолятор (IV стадія). Математична теорія відновлюваної міцності ще не розроблена. Тому достовірним є лише її експериментальне визначення по величині пробивної напруги, що викликає пробій проміжку в той, чи інший момент часу в стадіях II – IV. Варіант експерименту по дослідженню відновлюваної міцності показано на рис 9.2. Кожна точка U1 , U2 , U3 окремих кривих U(t) характеризує певну точку лінії пробою проміжка між електродами. Міняючи ємність С, міняємо Uпробоя і час tпробоя