Поиск по сайту
Начало >> Книги >> Архивы >> Исследование тепловых режимов токоведущей части взрывных предохранителей

Исследование тепловых режимов токоведущей части взрывных предохранителей

  ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ТОКОВЕДУЩЕЙ ЧАСТИ ВЗРЫВНЫХ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ
В. Л. КОРОЛЬКОВ, канд. техн. наук, В. Д. ГОЛЬДИН, В.В. РЕЙНО. инженеры, А. А. СИВКОВ, И. Н. АСТАШКИН, кандидаты техн. наук

Высокая чувствительность полупроводниковых преобразователей к перегрузкам предъявляет особые требования к быстродействию аппаратов, обеспечивающих их защиту. Известно, что в наибольшей степени Этим требованиям удовлетворяют взрывные предохранители (ВП) [1]. Рост мощностей тиристорных и вентильных преобразований ставит задачу увеличения номинального тока таких предохранителей до 10 кА. В связи с этим необходимо разработать методику расчета токопроводов ВП, так как с ростом номинального тока увеличиваются толщина стенки разрушаемого токопровода [2] и соответственно масса заряда ВВ для ее разрушения. Увеличение же массы ВВ, сверх достаточной для отключения тока, приводит к росту перенапряжений [3] и габаритов ВП.
Таким образом, все параметры взрывного предохранителя взаимосвязаны и должны выбираться комплексно с соблюдением одного из основных требований — минимальных габаритов и массы аппарата, с обеспечением заданного теплового режима и режимов отключения. Схематический разрез токоведущей части ВП показан на рис. 1,α.
Токопровод представляет собой цилиндрическое тело переменного сечения. Расчет теплового режима токопровода, без учета наличия присоединенных шин и дугогасительной жидкости, выполнен аналитически методом конечных элементов. Рассмотрим сечение, представляющее собой часть токопровода, симметричную относительно оси Ζ и плоскости Ζ=0 (рис. 1,α). Считаем, что температура постоянна вдоль границ DE и АВ, а внутри поверхностей ABDE и BCD меняется по линейному закону. Тогда на ABDE
(1)
Тепловой поток, входящий в поверхность АВ, равен Q/S, где Q — количество тепла, выделяющегося в разрушаемой части токопровода в единицу времени; S0 — площадь поперечного сечения разрушаемой части.

Рис. 1. Схематический разрез токоведущей части взрывного предохранителя (а) и температурное сечение токовода с проточками шириной 2 мм (б) и 6 мм (в)

Через поверхности ВС, CD и АЕ тепло не отводится, т. е. тепло Q, поступающее через АВ (от разрушаемой части токопровода), отводится от поверхности DE с площади S'.
На поверхности DE

где а — коэффициент теплоотдачи; То — температура окружающей среды.
В стационарных условиях

Из соображений размерности

где LΦ/λ — тепловое сопротивление; λ — коэффициент теплопроводности материала (не зависит от условий нагрева); Ф — зависит, главным образом, от геометрии.  Здесь п — направление внешней нормали к границе ABCDE.
Решение (2) есть минимум I, где

Подставив (1) в выражение для I из условия минимума, определим ТА, ТЕ, Тс и получим:
(4)
а — коэффициент теплоотдачи; λ — коэффициент теплопроводности; Ф — функция, зависящая только от геометрических параметров токопровода (рис. 1, а);

Рис. 2, Расчетные и измеренные значения перегрева токовода

Расчет совпадает с измеренным значением ∆t для случая присоединения ВП кабелем, т. е. для токов до 1 кА. Для больших значений токов расчет дает завышенное значение перегрева токопровода ∆t из-за сделанных допущений (рис. 2).
Тепловые режимы токопроводов исследовались с использованием методики тепловидения. Выбор ее был обусловлен высокой точностью измерения температуры (до 0,1 °С) и возможностью изучения полного температурного поля объекта. Кроме того, не имея непосредственного контакта с изучаемым объектом, тепловизор не влияет на его тепловые характеристики, что особенно важно при моделировании.
Для измерения и наблюдения теплового поля токопроводов и их моделей использовался тепловизор «Термовижн-780 (SW)» фирмы AGA с полем зрения 7°Х7°. Температура и поправки рассчитывались на специализированном калькуляторе НР-97 фирмы «Хьюлетт — Паккард». Измерения температуры вели прямым методом, с использованием встроенных в аппарат систем компенсации теплового фона, и для контроля с помощью температурного эталона периодически делались сравнительные измерения.
На рис. 1, а показан схематический разрез токопровода ВП и указаны характерные его сечения S1, S2, S3, причем S1>S2>S3. Сечения S1 выбирались из конструктивных соображений. Например, для ВП на номинальные токи 5—10 кА диаметр токопровода выбирается не менее 100 мм, S1=7850 мм2. При выполнении токопровода из меди обеспечивается пропускание токa до 10 кА без перегрева.
Сечения S2 и S3 оказываются самыми «слабыми» с точки зрения нагрева, и плотности тока в них достигают примерно 60 А/мм2.

Предложено подбирать конфигурацию токопровода ВП на моделях, изготовленных из фольгированного текстолита, и путем пропускания через них тока контролировать нагрев тепловизором. При толщине медной фольги 30 мкм и моделях, выполненных в масштабе 1:1, все измерения температурных режимов удалось провести с источником тока до 20 А.


Рис. 3. Модель части токопровода в сечении (а) и зависимость температуры перегрева модели от ширины вырезанной части (б)


Рис. 4. Зависимости плотностей тока в характерных сечениях водопровода от номинального тока:
------------ S1=8100 мм2;-------- S1 = 2800 мм2; I — d = 30 мм; 2 — d = 50 мм

Кроме того, изготовление моделей нужной конфигурации существенно упростилось, так как можно использовать несложную технику изготовления печатных плат.
Следует отметить, что предложенные модели токопровода имеют наряду с достоинствами и недостаток, заключающийся в том, что теплоотводящая поверхность на единицу площади токопроводящего сечения модели существенно выше, чем у реального токопровода. Поэтому модели не могут служить его точным аналогом, но позволяют выявить закономерности нагрева токопровода переменного сечения.
На рис. 3, а приведена модель, которая исследовалась при постоянной плотности тока в самой тонкой ее части (j= 166,7 А/мм2), а на рис. 3, б изображен график изменения перегрева Δt (относительно комнатной температуры 19,5 °С) самой горячей точки модели, в зависимости от ширины вырезанной части d. Из полученной зависимости ∆t=f(d) видно, что даже при такой высокой плотности тока ширина самой «слабой» кольцевой проточки d (рис. 1, а) может быть выбрана до 3—4 мм. Поскольку технологически вполне реально обеспечить ширину проточек 1—2 мм, можно быть уверенным, что часть токопровода с самой высокой плотностью тока не станет источником интенсивного нагрева.
На рис. 1, б, в показаны температурные сечения реального токопровода ВП с проточками шириной 2 и 6 мм (рис. 1, б, в), полученные в режиме термопрофилей. Видно, что в последнем случае сечение S3 становится источником интенсивного нагрева.
Исследования моделей других конфигураций и изменение плотности тока позволили выявить некоторые закономерности нагрева токопроводов ВП и определить максимально возможные плотности тока в характерных сечениях S1, S2, S3.
В то же время зависимость перегрева ∆t=f(Q/S) (где Q — тепло, выделившееся в тоководе; S — площадь теплоотводящей поверхности), измеренная экспериментально для реального токопровода (рис. 2) отличается от аналогичной для моделей из тонкой фольги из-за различных условий охлаждения. Исследовались токопроводы двух типоразмеров с площадями сечения Si, равными 2800 мм2 и 8100 мм2 и различными значениями сечений S2 и S3, а также длины разрушаемой части I (от 30 до 50 мм). Токопроводы нагревались переменным током от 1 до 10 кА.
В результате анализа и обработки теплограмм, полученных во время испытаний большого числа токопроводов, построены зависимости (рис. 4) плотностей токов js2 и js3 в характерных сечениях S2 и S3 токопровода от номинального тока Iном для различных значений длины разрушаемой части l при фиксированном перегреве Δt=30 °С. Полученные зависимости позволяют достаточно точно, с небольшими затратами времени рассчитать токоведущую часть взрывного предохранителя на номинальный ток до 10 кА и номинальное напряжение до 5 кВ.
Для защиты полупроводниковых преобразователей электролизного производства цветной металлургии созданы макетные образцы взрывных предохранителей типа ВП-1-10, токоведущая часть которых рассчитывалась на номинальный ток 10 кА с использованием приведенных на рис. 4 графиков. Предохранитель испытан на стенде четырехчасовым нагревом переменным током 10 кА. Превышение температуры Аt составило 35 °С при температуре окружающей среды +22 °С.
Таким образом, токопроводы взрывных предохранителей на номинальные токи до 1 кА могут рассчитываться с помощью выражения (4), а предназначенные Для пропускания токов свыше 1 кА и до 10 кА — по графикам рис. 4.

Список литературы

  1. Корольков В. Л., Даценко В. А., Круглянский И. М. Результаты сравнительных испытаний взрывных коммутаторов и быстродействующих плавких предохранителей для защиты тиристорных преобразователей // Электротехническая промышленность. Сер. аппараты низкого напряжения. 1979. Вып. 4(95).
  2. Корольков В. Л., Нестеренко А. Е., Сивков А. А. Исследование и расчет процесса образования межконтактного промежутка во взрывных выключателях // Изв. вузов. Сер. Электромеханика. 1986. Вып. 1.
  3. Корольков В. Л., Сивков А. А. Ограничение перенапряжений во взрывном предохранителе // Электротехническая промышленность. Сер. аппараты низкого напряжения. 1979. Вып. 3(79).
 
« Испытания силовых конденсаторных установок   История и перспективы развития энергетики России »
Карта сайта + все метки | Контакты
© Электроэнергетика При перепечатке и цитировании активная гиперссылка на сайт обязательна.