Нагрев электрических аппаратов при коротком замыкании

Токоведущие элементы аппарата, рассчитанные для длительного режима, должны быть проверены, на способность противостоять токам аварийного режима. Наиболее тяжелый режим – короткое замыкание (КЗ) в электрической сети.

Допустимую температуру токоведущих частей Q_КЗдля коротких замыканий обычно принимается в 2-4 выше, чем при нормальном режиме. Это объясняется следующим:

КЗ возникают довольно редко и на непродолжительный отрезок времени (до момента отключения защитой). Далее аппарат имеет возможность восстановить свою температуру. Вводится понятие термическая стойкость - это способность электрического аппарата не переходить в состояние отказа при протекании тока определённой величины и длительности без превышения Q_ДОП короткого замыкания.

В справочниках приводится величина В - тепловой импульс:

.

Зная В и время действия защиты, можно рассчитать ток, который способен пропустить данный электрический аппарат в режиме КЗ и сравнить его с расчетным током КЗ в данной точке электрической схемы:

.

 

Нагрев аппарата при коротком замыкании: 1 – момент короткого замыкания; 2 – момент отключения короткого замыкания; Т >> 0,5 c

 

 

Так как действие релейной защиты в среднем равно 0,5 с (длительность интервала между моментом 1 и 2 составляет 0,5 с), то можно допустить, что за период от начала короткого замыкания до момента его отключения защитой, вся энергия идет только на нагрев электрического аппарата, а теплопередача в окружающую среду составляет 1 – 3% от всей энергии выделяемой в аппарате.

Понятие продолжительности включения (ПВ)

ПВ – является характерной величиной для кратковременного и повторно - кратковременного режима:

где , - соответственно время работы и время паузы.

 

 

В данном режиме аппарат также можно перегрузить:

ПВ - паспортная величина аппаратов, работающих в кратковременном и повторно-кратковременном режиме. Связь между величинами токов при кратковременном и длительном режиме получается из соотношения равенства мощности, выделяемой в проводнике за период работы (при длительном режиме) и за период работы и паузы (при кратковременном режиме).

Для составления уравнения возьмем отрезок времени, равный времени цикла t _Ц = t _Р + t _П.

Понятие ПВ

 

 

Исходя из равенства мощностей, выделяемых в проводниках при кратковременном и продолжительном режимах работы, получим:

 

4) Материалы, применяемые для изготовления контактов.

Контакт электрический - это поверхность соприкосновения составных частей электрической цепи, обладающая электрической проводимостью.

Требования к материалам контактов

- Высокая электропроводимость и теплопроводность;

- Стойкость против коррозии;

- Стойкость против образования плёнок с высоким удельным электрическим

сопротивлением r.

- Малая твёрдость материала (для уменьшения возможности силы нажатия).

- Высокая твёрдость (для уменьшения механического износа при частых ВО).

- Малая эрозия.

- Высокая дугостойкость (высокая температура плавления).

- Высокие значения тока и напряжения, необходимых для дугообразования.

- Простота обработки и низкая стоимость.

    В природе нет материалов, которые удовлетворяли бы всем требованиям одновременно:

Медь. Удовлетворяет всем требованиям, кроме 2 и 3, поэтому в слаботочных контактах при малых нажатиях не рекомендуется. К недостаткам можно отнести достаточно низкую температуру плавления, при работе на воздухе, медь покрывается слоем прочных оксидов, имеющих высокое сопротивление, требует довольно больших сил нажатия. Для защиты меди от окисления поверхности контактов покрываются электролитическим способом слоем серебра толщиной 20-30- мкм.

Серебро. Удовлетворяет всем требованиям, кроме 7. Используется для накладок на рабочие поверхности контактов из меди. К недостаткам можно отнести малую дугостойкость и недостаточную твердость, препятствующую использованию серебра при наличии мощной дуги и частых включениях и отключениях.

Платина, золото, молибден. Используются на малые токи при малых нажатиях, так как не образуют оксидных плёнок. Для увеличения износостойкости используется сплав платины с иридием.

Вольфрам и его сплавы. Используются как на малые, так и на большие токи в качестве дугостойких контактов.

Металлокерамика - механическая смесь двух практически не сплавляющихся металлов, получаемая методом спекания их порошков или пропиткой одного расплавом другого. Один из металлов имеет большую проводимость, другой обладает дугостойкостью, механической прочностью.

Серебро - никель, серебро - кадмий, серебро - графит.

Металлокерамика применяется в качестве дугогасительных контактов и в качестве основных контактов в аппаратах на токи до 600 А.

Алюминий обладает меньшей проводимостью и механической прочностью. На поверхности образуется плохопроводящая окисная пленка, поэтому для коммутационных контактов не используется, как проводник применяется в разборных соединениях при армировании его медью и серебром.

 

Магнитоуправляемые герметичные контакты (герконы). Конструкция и область применения.

 

Контакты обычно работают на атмосферном воздухе, загрязняются пылью, покрываются окислами, возникающими при химических реакциях (под воздействием электрической дуги), подвергаются действию водяных паров и химически агрессивных газов. Все это понижает надежность контактов, особенно при малых значениях тока и напряжения, когда может прекратиться проводимость.

Для предотвращения этих явления контакты помещают в баллоны с инертным газом (азот, аргон, водород) или вакуумом (0,13 – 0,0013 Па).

Рис.8- Герметичный контакт

Контакт управляется – постоянным магнитом. Такой контакт по характеристикам приближается к бесконтактным устройствам, обладая достоинствами физического контакта:

а)быстродействие замыкания-размыкания – f = 100 Гц;

б)ресурс срабатывания отключения-включения 10⁷–10⁹ циклов ВО.

Пример: контакт в охранной сигнализации.

Недостаток: малая коммутационная мощность @ 60 Вт.

Также существуют герсиконы (герметичные силовые контакты). Ток – 180 А. Частота включений f_ВО = 1200 ВО/час.

5) Движение дуги в магнитном поле. Магнитное дутье.

 

Включает в себя 1-й и 2-й способы.

 

Рис.9-Гашение дуги с помощью магнитного дутья

 

При расхождении контактов возникает электрическая дуга. Взаимодействие магнитного поля с током приводит к образованию силы. Под действием силы дуга быстро перемещается, встречает аэродинамическое сопротивление, интенсивно охлаждается, а на рогах происходит её дополнительное растяжение. Чем больше скорость движения дуги, тем интенсивнее идёт охлаждение, и ВАХ дуги резко поднимается вверх.

 

 

Рис.10-Влияние скорости перемещения дуги на ее ВАХ

 

6) Конструктивное выполнение катушек ЭММ.

 

По роду тока, протекающего по катушке.

- электромагнитные механизмы постоянного тока;

- электромагнитные механизмы переменного тока.

 

По способу включения катушки.

- с параллельной катушкой. Ток в катушке определяется параметрами самой катушки и напряжением, подводимым к ней. Катушка выполняется с большим числом витков из тонкого проводника с большим сопротивлением. Ток, протекающий по ней, будет незначителен.

-с последовательной катушкой. Ток в катушке определяется сопротивлением устройства (элемента электрической сети), которое включено последовательно в цепь электромагнита. Катушка обладает малым сопротивлением и выполняется из небольшого числа витков провода большого сечения, и иногда имеет вид шины, проходящей через “окно” магнитной системы (т.е. представляет один виток).

По характеру движения якоря.

- поворотные ЭММ - якорь поворачивается вокруг какой-либо оси или опоры;

- прямоходовые - якорь перемещается поступательно.

 

По способу действия.

- притягивающие – совершают работу, перемещая на некоторое расстояние свой якорь, сообщив тем самым движение тому или иному исполнительному механизму;

- удерживающие – для удержания тех или иных грузов или деталей (например, электромагнитные столы станков, электромагнитные муфты сцепления вращающихся валов, электромагниты подъемных кранов, электромагнит расцепителя минимального напряжения автоматических выключателей).