Расчет нагрева токоведущей системы типового коммутационного аппарата

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 15Следующая ⇒

Итак, перейдем к четырехсекундному нагреву током термической стойкости токоведущей системы коммутационного аппарата серии ТЭЛ на напряжение 15кВ. Из данной задачи можно определить, достигнет ли температура элементов, непосредственно контактирующих с изоляцией, значений, которые являются максимальным для данного типа изоляционного материала. Для спайки накладки электрода с зубцами чашки используется припой, температура плавления которого составляет примерно 1100K. Если будет достигнута температура плавления припоя по всей поверхности зубцов чашки, то это может привести к отпайке накладки. Также температура элементов токоведущей системы не должна достигать температуры размягчения металла.

Расчет проведем с учетом контактных областей. На контактирующих поверхностях будем учитывать тепловые и контактные сопротивления, как было отмечено выше. Малая длительность нагрева позволяет решать задачу с адиабатическими условиями на всех поверхностях. Через токоведущую систему пропускается постоянный ток 20кА в течение 4с.

На рис. 3.5 приведено распределение температуры токоведущей системы в сечении, проходящем через середину модели. Наиболее нагретыми элементами токоведущей системы являются накладки и зубцы чашки электродов вакуумной дугогасительной камеры, а также ламели гибкого токосъема. Элементы, которые непосредственно контактируют c изоляцией, а именно, верхний вывод и нижний терминал, а также шина нижнего терминала, имеют значительно меньший перегрев.

Рис. 3.5. Распределение температуры токоведущей системы в сечении модели.

Рассмотрим распределение температуры на отдельных элементах. Максимальное значение температуры составляет 780К, и максимум находится на зубцах чашки электродов камеры вакуумной дугогасительной камеры (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Распределение температуры на поверхности чашки.

На рис. 3.7 представлено распределение температуры в области спайки накладки с чашкой электрода. Поверхность зубцов прогрета сильно неравномерно. Перепад температуры по поверхности составляет примерно 150К. Из этого можно сделать вывод о том, что даже если максимальная температура достигнет температуры плавления припоя, то, возможно, это не приведет к выводу из строя контактной системы.

Рис. 3.7. Распределение температуры в области контакта накладки и чашки.

Распределение температуры по поверхности накладки приведено на рис. 3.8. Максимум температуры равен 698К, а перепад составляет 123К.

Рис. 3.8. Распределение температуры по накладке.

Распределение температуры в сечении лепестка токосъема, расположенного напротив токоведущей трубы, приведено на рис. 3.9. Данный лепесток является наиболее прогретым, и максимальное значение температуры составляет 547К. Расположение этого лепестка следующее: слева от лепестка расположено внутреннее кольцо, а справа, после внешнего кольца и терминала, расположена токоведущая труба.

Рис. 3.9. Распределение температуры в сечении лепестка гибкого токосъема.

Определим лепесток с максимальной температурой как номер 1, а противоположный, с минимальной температурой, как номер 7. Следующие лепестки, относительно оси симметрии модели, пронумеруем по порядку. Значения максимальной температуры для различных лепестков гибкого токосъема представлены в таб. 3.1.

Таб. 3.1. Максимальная температура лепестков гибкого токосъема.

Номер	1	2	3	4	5	6	7
T_max, K	547	529	503	484	473	467	465

Ниже представлена таблица со значениями температуры в момент окончания нагрева (4с).

Таб. 3.2. Максимальная температура, 4с.

Контактное сопротивление, мкОм	T_max, K Камера	T_max, K ГТС	T_max, K Поверхность зубцов	T_min, K Поверхность зубцов
3	781	547	738	589

Особенности расчета нагрева электродов вакуумной дугогасительной камеры

В данном параграфе проводится сравнение различных подходов к проведению численного расчета нагрева электродов вакуумной дугогасительной камеры токами короткого замыкания. В частности, анализируется вопрос, как следует моделировать дополнительное тепловыделение, связанное с наличием значительного контактного сопротивления, величина которого зависит от типа вакуумной дугогасительной камеры. В работе [6] этот источник тепла равномерно распределялся по всей кажущейся поверхности соприкосновения контактов, хотя реально он локализован в окрестности контактных пятен. Покажем, что такое приближение хорошо работает, в том случае, когда интерес представляют распределения тепловых полей вдали от накладок электродов.

Решим ряд модельных задач с электродами с простой геометрией, которые позволят нам выявить возможные расхождения в определении температурных полей. Рассмотрим два подхода к моделированию прохождения токов короткого замыкания.

. Решается задача, в которой учитывается прохождение тока через отдельные контактные пятна. Источником тепловыделения является джоулев нагрев. В этом случае мы учитываем конфигурацию контактных пятен, и дополнительное тепло выделяется в объеме электрода из-за эффекта стягивания, локализация которого зависит от расположения пятен.

. Во втором подходе предполагается, что токопрохождение происходит через всю контактную поверхность, и учитывается эффективное тепловыделение на кажущейся контактной поверхности. В результате суммарное тепловыделение будет складываться из двух составляющих: джоулева нагрева в результате токопрохождения через проводник без учета контактных пятен и теплового потока, который позволяет учитывать дополнительное тепловыделение, возникающее за счет эффекта стягивания тогда, когда учитывается конфигурация контактных пятен. Стоит отметить, что задача в такой постановке принципиально отличается от задачи, учитывающей реальные контактные пятна (или пятно). Здесь не учитывается тепловыделение из-за эффекта стягивания тока к контактному пятну. Тепло, которое выделялось бы в объеме при учете контактных пятен, заменяется на тепловой поток с поверхности контактной области, соответствующий контактному сопротивлению, величина которого будет изменяться в зависимости от распределения температуры на поверхности по линейному закону.

В качестве примера реализации такого подхода рассмотрим задачу о нагреве током цилиндрических медных электродов одинаковой формы с одним контактным пятном. В силу осевой симметрии решим задачу в осесимметричной постановке и для одного электрода. Будем изменять радиус модели r, геометрия которой представлена на рис. 3.10, оставляя неизменной площадь контактного пятна, радиус которого составляет 1 мм, т.е. изменять соотношения площадей кажущейся и реальной контактной поверхностей. Подбираем ток такой амплитуды, чтобы к моменту окончания токопрохождения, равному 4с, значение максимальной температуры достигло 1000К.

Рис. 3.10. Геометрия модели.

Рассмотрим полученные результаты. Обратим внимание на то, насколько сильно решение с применением второго подхода будет отличаться от решения задачи с учетом контактного пятна. Для этого посмотрим на достигаемую максимальную температуру на контактном пятне, а также на распределения вдоль оси симметрии модели. Ниже, на рис. 3.11, представлены линейные графики температуры вдоль оси симметрии для различных радиусов модели и моментов времени. В том случае, если радиус модели составляет 5 мм, наблюдается наименьшее различие распределений. К концу нагрева разница температуры на контактном пятне составляет примерно 300К, и при удалении от области контакта она уменьшается. С течением времени различия в распределениях также уменьшаются. Если радиус модели равен 10мм, то ошибка в определении температуры составляет около 550К. В этом случае к 10 секундам разница значений температуры вдоль оси симметрии становится не столь существенная, максимальное расхождение для обоих случаев составляет 40К.

Рис. 3.11. Распределения температуры вдоль оси симметрии модели.

Обобщая полученные выше данные, можно сделать вывод о том, что при расчете нагрева электродов вакуумной дугогасительной камеры необходимо учитывать особенности конфигурации контактных пятен, которые в свою очередь влияют на величину сопротивления стягивания, изменение которого существенно влияет на конечный результат. Но этот вывод справедлив, как было показано, только в том случае, если нас интересуют распределения в окрестности контактного пятна. В некоторых задачах, где интересуют распределения вдали от контактной области, конфигурация контактных пятен не столь существенно влияет на результат.

Если при нагреве электродов вакуумной дугогасительной камеры нас интересуют области, удаленные от контакта, то для упрощения процедуры численного расчета, как было сказано выше, контактные пятна можно не учитывать. Вместо этого на поверхности накладки электродов, т.е. на кажущейся контактной поверхности, достаточно задать тепловой поток, соответствующий контактному сопротивлению. Также, для учета джоулева тепловыделения в объеме электрода, задается токопрохождение через всю контактную поверхность.

Вид электродов наиболее распространенной камеры серии ТЭЛ приведен на рис. 3.12. Основными частями являются накладка, розетка и токоведущий штырь. В данной конструкции реализован принцип распараллеливания полного тока на несколько частей с целью снижения токовой нагрузки на отдельное контактное пятно. Для этого в чашке и крышке сделаны вырезы, разделяющие полный ток на 6 частей. Ток, проходя по зубцу чашки и далее по соответствующему сегменту крышки, перетекает через контактное пятно в другой электрод. Заметим, что вырезы в чашке выполнены под определенным углом по отношению к оси электродов. Это выполняется для того, чтобы при прохождении тока через зубцы чашки генерировалось неоднородное аксиальное магнитное поле, которое в свою очередь улучшает отключающую способность электродов.

Кроме того, зубцы чашки играют роль пружин, которые позволяют смягчать удар при замыкании контактов. Подвижный электрод приводится в движение приводом, который позволяет развивать скорость сведения порядка 1 м/с [23]. При соударении электродов с такой скоростью без использования зубцов возможен отскок, который означает нарушение контакта и возникновение дуги между электродами, что в свою очередь может вызвать разрушение электродов.

Рис. 3.12. Электрод.

Одним из способов уменьшения токовой нагрузки на контактное пятно является увеличение силы контактного нажатия, что в свою очередь приводит к увеличению радиуса контактного пятна, и, следовательно, к уменьшению плотности тока. Но использование данного способа не всегда позволяет достичь сколько-нибудь существенного результата. Причиной тому могут являться как геометрия контактной системы, так и свойства материала, из которого она выполнена. Ниже проиллюстрируем это на примере электродов вакуумной дугогасительной камеры, накладки у которых выполнены из CuCr, а также на примере двух цилиндрических электродов, выполненных из меди.

На рис. 3.13 представлены зависимости контактного сопротивления от силы контактного нажатия для двух типов контактных систем, отмеченных выше. Значения сопротивления нормированы на максимальные значения. Из графика видно, что с увеличением силы контактного нажатия уменьшение контактного сопротивления для системы цилиндрических электродов значительно существеннее, чем для системы электродов вакуумной дугогасительной камеры. Это связанно с тем, что материал, из которого выполнены накладки электродов вакуумной дугогасительной камеры, более жесткий, чем медь. Уменьшение сопротивления связано с увеличением радиуса контактного пятна, что в результате приводит к уменьшению плотности тока, протекающего через поверхность пятна.

Рис. 3.13. Зависимости контактного сопротивления от силы контактного нажатия для двух типов контактных систем.

Электроды вакуумной дугогасительной камеры сконструированы таким образом, чтобы контактирование происходило по шести пятнам. В действительности количество контактных пятен может изменяться от трех до шести. Опишем причины возникновения такого изменения конфигурации контактных пятен. Изначально контактирующая поверхность гладкая, но в процессе эксплуатации, в результате прохождения токов короткого замыкания и последующего разрыва приводом электродов после возникновения сварки, могут возникнуть изменения поверхности. Также, при разрыве электродов, не исключается и деформация зубцов чашки. Все это может привести к уменьшению количества контактных пятен. Также на контактирование может повлиять и перекос электродов. В идеальной ситуации, когда поджатие электродов происходит без перекосов, контактирование происходит по шести пятнам. В том случае, если возникает перекос, то количество пятен может быть и меньше, но сопротивление стягивания, в основном, как следует из имеющихся экспериментальных данных, будет изменяться незначительно. Каким образом тот факт, что возможно различное количество контактных пятен, может повлиять на динамику нагрева электродов вакуумной дугогасительной камеры, и вообще, нужно ли рассматривать токопрохождение через ограниченное число пятен? Для того чтобы ответить на этот вопрос рассмотрим несколько задач, в которых ток пропускался через электроды вакуумной дугогасительной камеры с различными конфигурациями контактных пятен.

Рассчитаем импульсный нагрев одного электрода током 20 кА (действующее значение), протекающим в течение 4-х секунд. Будем интересоваться следующими величинами:

· значение максимальной температуры поверхности контактов: оно не должно превышать температуру плавления наименее тугоплавкой компоненты накладки - меди;

· значение температуры в плоскости соприкосновения накладки и розетки: эта температура не должна превышать температуру плавления материала припоя, которая составляет около 1100К;

· значение максимальной температуры зубцов: она не должна превышать температуру размягчения бронзы.

Т.к. при этом происходит нагрев до значительных температур, порядка 1000К, то при расчете необходимо учитывать зависимость плотности, теплоемкости, теплопроводности и удельного сопротивления от температуры. В силу того, что рассматривается нагрев в течение четырех секунд, а за это время механизмы теплопереноса, такие как конвекция и излучение, работать еще не начнут, то на всех поверхностях зададим условие адиабатичности.

Получить информацию о размере, форме и расположению контактных пятен на поверхности накладки можно из решения механической контактной задачи в приближении холодных контактов. Предполагается, что электроды вакуумной дугогасительной камеры расположены соосно друг другу. Из решения такой задачи становится понятно, что контактных пятен шесть, и расположены они по одному пятну между вырезами на накладке. Приближение холодных контактов можно использовать также и при рассмотрении нагрева электродов. Такое возможно благодаря тому, что для материала, из которого выполнена накладка, нет эффекта размягчения. Это существенно упрощает расчет, так как в этом случае не нужно учитывать эффект увеличения площади контактного пятна при повышении температуры материала, т.е. предполагается что его форма и размеры остаются неизменными. Поэтому достаточно знать только лишь начальную геометрию и расположение пятен. Данный способ позволяет провести моделирование нагрева электродов без использования экспериментальных данных.

В том случае, если известны значения переходного сопротивления из эксперимента, то можно определить размер контактного пятна. Из произведенных ранее расчетов известно, что форма и местоположение пятна незначительно влияет на сопротивление стягивания, и, следовательно, на нагрев. Поэтому достаточно подобрать радиус контактных пятен таким, чтобы полное сопротивление модели совпало с экспериментальным значением.

Подберем радиус пятен таким образом, чтобы суммарное значение контактного и собственного сопротивления электродов при различном количестве контактных пятен примерно равнялось экспериментальному значению сопротивления - 15 мкОм. Для 6 пятен это условие выполняется при радиусе контактных пятен 0.5 мм, а в случае 4-х пятен при радиусе 1 мм полное сопротивление для одного электрода составляет 7.76 мкОм. Собственное сопротивление электрода равно 6.29 мкОм. Из этого следует, что сопротивление стягивания равно 1.45 мкОм. На рис. 3.14 приведены контурные графики распределения температуры для этих двух случаев. Как видно, значения максимальной температуры и сами распределения различны. В случае 4-х пятен максимальные значения температуры локализованы на поверхности накладки и на зубцах чашки, расположенных под токопроводящими пятнами. Значение максимальной температуры составляет 848К. В том случае, если пятен 6, максимум температуры локализован на самих пятнах, и составляет 934К. Для задачи с 4 пятнами максимальное значение температуры меньше на 86К по сравнению с токопрохождением через 6 пятен, что составляет примерно 10% от максимального значения.

Рис. 3.14. Контурные графики распределения температуры.

Рис. 3.15. Контурные графики распределения температуры на поверхности чашки.

Рассмотрим контурные графики распределения температуры на поверхности чашки на рис. 3.15. Видно, что различия распределения температуры на розетке в случае токопрохождения через 6 пятен со случаем, когда ток проходит через 4 пятна, менее значительны. Значения максимальной температуры для четырех проводящих пятен составляет 848К, тогда как для шести пятен 793К. Разница между этими двумя значениями равна 55К. Минимальная температура для этих двух случаев одинаковая: примерно 426К. Из этого следует, что при уменьшении количества контактных пятен и при сохранении постоянным значения сопротивления стягивания, увеличивается значение достигаемой максимальной температуры зубцов чашки, а также уменьшается температура самих контактных пятен на накладке.

Рассмотрим решение задачи токопрохождения через четыре контактных пятна. Исключим из модели с шестью пятнами два пятна с целью определить влияние на перегрев модели количества контактных пятен при фиксированном радиусе. Радиус контактного пятна возьмём равным 0.5мм, что соответствует сопротивлению стягивания 1.45 мкОм для задачи с шестью контактными пятнами. Исключив два контактных пятна, получим сопротивление стягивания, равное 2.48 мкОм, что на 1.03 мкОм больше, чем при учете шести пятен. В задаче нагрева постоянным током амплитудой 20 кА электрода с четырьмя контактными пятнами температура плавления меди, которая составляет примерно 1350К, в области контактных пятен будет достигнута примерно через 1.5с после начала нагрева. В том случае, если пятен 6, то к 4 секундам максимальная температура достигает 930К. Это свидетельствует о том, что в таком случае возникнет фатальная сварка электродов, которая, вероятнее всего, сделает систему неспособной к дальнейшему функционированию.

На примере следующих двух задач проиллюстрируем замену контактных пятен на эквивалентный поверхностный тепловой поток. Через электроды в течение четырех секунд пропускается постоянный ток 20 кА в первой задаче через всю поверхность накладки, а во второй только через шесть контактных пятен. На рис. 3.16 представлены распределение температуры для случая, когда ток проходит через всю поверхность накладки и задан тепловой поток по всей поверхности (слева), и распределения для задачи токопрохождения через шесть пятен (справа). В задаче с тепловым потоком самыми перегретыми областями являются зубцы чашки. В случае шести пятен областью максимального нагрева являются сами контактные пятна.

Рис. 3.16. Контурные распределения температуры.

На рис. 3.17 представлены распределения температуры на чашке электрода. Можно заметить, что различие максимальной температуры составляет около 60К, а также сами распределения на зубцах немного отличаются. Значение максимальной температуры больше для случая токопрохождения через 6 пятен.

Рис. 3.17. Контурные распределения температуры на чашке электрода.

Рассмотрим, насколько отличаются распределения температуры на чашке электрода для этих двух задач. Ниже, на рис. 3.18,а, на линейном графике представлена зависимость температуры вдоль пути, проходящего вдоль области контактирования накладки и зубца чашки, по ребру зубца, как показано на рис. 3.18,б. Как видно, кривая, которая отображает распределение для случая токопрохождения через шесть пятен, лежит выше кривой для случая с одним пятном примерно на 70К.

Рис. 3.18. Распределение температуры вдоль пути, проходящего вдоль области контактирования накладки и зубца чашки, по ребру зубца (а); путь, вдоль которого построен график (б).

Рис. 3.19. Линейный график зависимости температуры на поверхности зубца (а), путь (б).

На рис. 3.19,а приведен линейный график зависимости температуры на поверхности зубца по пути, который обозначен на рис. 3.19,б. Вблизи накладки различие температуры составляет примерно 90К. При удалении от накладки электрода различие значений температуры практически постоянное, а в области максимального нагрева составляет около 120К. При удалении от области максимального нагрева и от накладки электрода, различие уменьшается и к концу пути составляет примерно 50К.

Дата добавления: 2018-10-26; просмотров: 305; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 789 10 11 12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!