Нестационарный нагрев несимметричных контактов
Несимметричными контактами называются электроды, которые являются таковыми относительно поверхности контактного пятна, т.е. электроды с разной геометрией. Упоминаемые выше электроды вакуумной дугогасительной камеры являются симметричными контактами, так как контактирующая поверхность соединяет геометрически подобные области накладок. В ряде случаев симметрии нет. Например, гибкий токосъем и цанговые соединения являются несимметричными контактными системами.
В этой части работы рассмотрим, как несимметрия контактной системы повлияет на нагрев электродов. Для этого используем модель простейшей формы цилиндр-цилиндр, которая была представлена выше, на рис. 3.11. Покажем, что даже при незначительном изменении радиуса одного из электродов максимум температуры уменьшается, и изменяется его местоположение.
Подбираем ток таким образом, чтобы в случае симметричных электродов значение максимальной температуры, которое достигается в области контактного пятна, к концу нагрева составляло, примерно, 1000 К. Длительность токового воздействия составляет 4с. Диаметр верхнего электрода остается постоянным и равным 5мм. Изменяется диаметр нижнего электрода. Радиус контактного пятна составляет 1 мм.
Для того чтобы выделить характерные особенности нагрева несимметричной системы электродов, сравним распределения с симметричной системой. На рис. 3.20 представлены распределения температуры вдоль оси симметрии электродов для симметричного случая (а), и для случая, когда диаметр нижнего электрода в два раза больше, и составляет 10 мм (б). При увеличении диаметра нижнего электрода происходит заметное уменьшение значения максимальной температуры на оси симметрии, и ее изменение составляет примерно 430К. Также видно, что максимум температуры сместился относительно контактного пятна вглубь электрода с меньшим радиусом.
|
|
|
Рис. 3.20. Распределения температуры вдоль оси симметрии электродов для симметричного случая (а), и для случая, когда диаметр нижнего электрода в два раза больше (б).
Ниже, на рис. 3.21,а, представлен контурный график распределения температуры в случае несимметричных электродов в момент времени 4с. Для удобства восприятия диапазон отображаемой температуры был ограничен. Видно, что область с максимальной температурой смещена относительно контактного пятна и имеет эллиптическую форму. Стоит отметить, что тепловой поток в области контактного направлен вглубь электрода с большим радиусом (часть тепла, выделяющегося в контактной области электрода с малым радиусом, перераспределяется в электрод с большим радиусом). Этот факт демонстрирует векторный график теплового потока на рис. 3.21,б, где векторами одинаковой длины отображается только направление.
|
|
|
Рис. 3.21. Контурный график распределения температуры в случае несимметричных электродов в момент времени 4с (а), векторный график теплового потока (б).
Рассмотрим, как повлияет увеличение радиуса нижнего электрода на нагрев электродов. Введем параметр h, который равен отношению радиусов электродов. Пусть d - смещение максимума температуры, а r - радиус контактного пятна. Введем относительное смещение максимума температуры dx=d/r. На рис. 3.22 представлен график зависимости смещения максимума температуры dx от отношения радиусов h. При увеличении h наблюдается увеличение смещения максимума dx. При h=4 смещение составляет около 1.2, что примерно равно радиусу контактного пятна.
Рис. 3.22. Зависимость смещения максимума температуры dx от отношения радиусов h .
Также, при увеличении несимметрии контактной системы, наблюдается уменьшение максимальной температуры на контактном пятне (рис. 3.23). Наибольшее изменение наблюдается при увеличении параметра h от 1 к 2, в этом промежутке максимальная температура уменьшается на 490K, при дальнейшем увеличении параметра h ее значение изменяется незначительно. При больших h максимальная температура на контактном пятне соответствует случаю, когда нижний электрод является практически полупространством.
|
|
|
Рис. 3.23. Зависимость максимальной температуры от отношения радиусов h .
Примерно такие же зависимости получаются и в том случае, если при изменении параметра h подбирать ток таким образом, чтобы максимальная температура к 4 секундам достигала одинакового значения и равнялась примерно 1000К. На рис. 3.24 представлен график зависимости смещения максимума температуры от h. В этом случае также при увеличении h наблюдается смещение максимума, но его значения для соответствующих значений h немного меньше, в отличие от предыдущей задачи.
Рис. 3.24. Зависимость смещения максимума температуры от h .
На рис. 3.25 представлен график зависимости разницы максимальной температуры электродов и максимальной температуры на контактном пятне от h. При h≥4 значение становится постоянным и разница составляет примерно 120K.
Рис. 3.25. График зависимости разницы максимальной температуры электродов и максимальной температуры на контактном пятне от h .
|
|
|
Рассмотрим результаты для задачи с фиксированным параметром h=4. Длительность нагрева постоянная и равна 4с. Изменяем силу тока, и, как следствие, значение достигаемой максимальной температуры. Наблюдается обратная зависимость смещения максимума температуры от максимального значения (рис. 3.26). При небольших температурах перегрева положение максимума в этом случае смещается на расстояние около двух радиусов контактного пятна и с увеличением нагрева приближается к контактному пятну.
Рис. 3.26. Зависимость смещения максимума температуры от максимального значения температуры.
Примером влияния несимметрии контактной системы на распределение температуры может служить нагрев гибкого токосъема выключателя. Так как ламели контактируют с внешним массивным кольцом токосъема, то здесь следует ожидать смещения области с максимальной температурой относительно контактной области. На рис. 3.27 представлено распределение температуры в области контакта ламели и внешнего кольца. Максимум температуры расположен не на контактной области, а несколько смещен вглубь ламели гибкого токосъема.
Рис. 3.27. Распределение температуры в области контакта ламели и внешнего кольца.
Выводы к главе 3
. При моделировании нагрева токоведущей системы током термической стойкости допустимо задание условия адиабаты на всей поверхности проводников. В том случае, если постановка задачи не предполагает расчета дальнейшего нагрева изоляции, например, при оптимизации конструкции электродов вакуумной дугогасительной камеры или гибкого токосъема, элементы изоляции могут быть вообще исключены из расчетной модели.
. В результате прохождения тока термической стойкости токоведущая система оказывается нагретой чрезвычайно неравномерно. В рассмотренном случае коммутационного аппарата на 15кВ перепад температуры вдоль токоведущей системы составляет величину около 500К. Наиболее нагретыми элементами являются электроды и лепестки гибкого токосъема.
. При расчете нагрева вакуумной дугогасительной камеры следует моделировать токопрохождение через реальные контактные поверхности в том случае, если интерес представляет нагрев элементов самой камеры (накладки и розетки). Если при создании нового коммутационного аппарата используется уже существующая камера, для которой проблемы с нагревом системы током термической стойкости уже решены, то при расчете нагрева коммутационного аппарата в целом можно использовать описанный выше способ задания эквивалентного тепловыделения на кажущейся контактной поверхности, что упрощает расчетную модель без заметного уменьшения точности решения.
. Несимметрия контактов приводит к проявлению двух эффектов: к изменению температуры контактного пятна (по сравнению со случаем одинаковых по форме и размеру контактов) и смещению расположения максимально нагретой области вглубь контакта с меньшей площадью сечения. Это обстоятельство стоит учитывать при конструировании контактов.
Дата добавления: 2018-10-26; просмотров: 242; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!