МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПРИВОДНЫХ МЕХАНИЗМОВ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ
11-1. КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПРИВОДНЫХ МЕХАНИЗМОВ
В высоковольтных выключателях перемещение подвижных контактных систем пр заданному пути и с заданной скоростью при включении и отключении осуществляется посредством механизмов, приводимых в действие от привода за счет подводимой к нему энергии.
В зависимости от типа выключателя и типа привода кинематическая связь контактной системы с рабочим элементом привода (якорь электромагнита, поршень, регистр пружины и др.) может осуществляться различными способами.
Наиболее характерные принципиальные кинематические схемы механизмов высоковольтных выключателей представлены на рис. 11-1, а—г. В схеме а при включении подвижная контактная система 6 приводится в движение от привода 1 одностороннего действия (ПОД) через систему промежуточных звеньев 5. Совокупность этих промежуточных звеньев составляет так называемый приводной механизм.
В отключающих пружинах 4 приводного механизма и пружинах неподвижного контакта 7 в процессе включения запасается потенциальная энергия, за счет которой контактная система и элементы этого механизма приводятся в действие при отключении.
Обычно в таких механизмах между приводом одностороннего действия и его тягой 3 встраивается механизм свободного расцепления (МСР) 2, с его помощью в нужный момент (оперативное или аварийное отключение посредством катушки КО) рабочая часть привода разобщается с приводным механизмом выключателя, после чего действие каждого из них происходит независимо друг от друга. Этим обеспечивается ускорение действия механизма выключателя.
Рис. 11-1. Принципиальные кинематические схемы механизмов выключателей
В механизмах схемы б предусматривается привод / двустороннего действия. (ПДД), здесь приводной механизм 5 вместе с подвижной контактной системой 6 приводится в действие от привода, как при включении, так и при отключении. В отличие от предыдущего в этом механизме отсутствуют отключающие пружины и механизм свободного расцепления.
В механизмах, выполненных по схемам виг, подвижная контактная система связана непосредственно с рабочим элементом привода и составляет с ним одно звено, т. е. число звеньев сведено к двум.
В схеме в посредством привода 1 одностороннего действия производится размыкание контактов и одновременно сжатие включающей пружины 8, которой осуществляется замыкание контактов после прекращения действия привода.
В схеме г двусторонним действием привода 1 обеспечивается и замыкание и размыкание контактов, включающая и отключающая пружины в ней отсутствуют.
Многозвенные механизмы типов а и б широко применяются в масляных, автогазовых, в некоторых воздушных и элегазовых выключателях.
Рис. 11-2. Кинематические схемы приводных механизмов
Механизмы типов виг применяются преимущественно в воз душных выключателях. Конструкции их были рассмотрены в гл. 5. Отличительной чертой этих механизмов является быстродействие и короткий ход подвижных контактов.
Быстродействие достигается благодаря применению пневматического привода и малому весу всей подвижной системы (контактно-поршневого блока); малый ход контактов обусловлен тем, что дугогасительные разрывы находятся в атмосфере сжатого воздуха (или какого-либо иного газа), обладающего относительно высокой электрической прочностью.
Применяемые в схемах а и б приводные механизмы в большинстве случаев выполняются в виде плоских рычажно-шарнирных [167, 181] многозвенных механизмов. В таких механизмах можно получит желаемую траекторию перемещения подвижной контактной систему, и передача усилий от привода к контактам может производиться с любым передаточным числом.
Наиболее характерные кинематические схемы таких механизмов изображены на рис. 11-2. Большинству из них свойственно наличие направляющих (рис. 11-2, бив), прямил (рис. 11-2, г, д и е) или рычага 5 (рис. 11-2, а), обеспечивающих прямолинейное поступательное движение подвижного контакта 6 на большом ходу что для многих выключателей является необходимым [168], и отключающей пружины 2. В каждом из этих механизмов имеется так называемый главный вал О с жестко закрепленными на нем рычагом І, сопрягаемым с тягой привода, и" рычагом 3, составляющим вместе с серьгой 4 и главным ведущим рычагом (или ползуном) четырехзвенник. Размеры каждого звена этого четырехзвенника и расстояние между осями О и Oi вращения вала и главного рычага выбираются такими, чтобы при включенном выключателе угол недохода р рычага 3 до полного мертвого положения был небольшим (5—10°).
Рис. 11-3. Кинематическая характеристика приводного механизма
Кинематическая характеристика такого механизма h=f (а), где а —угол поворота главного вала, имеет вид, подобный изображенному на рис. 11-3. Из этой характеристики следует, что для положений механизма, близких к включенному, производная dh/da очень мала. Это дает возможность передавать большое усилие на подвижную контактную систему во время замыкания контактов при относительно малом значении вращающего момента на главном валу, как это явствует из уравнения работы
(11-1)
Рис. 11-4. Гидравлический приводной механизм
где М0 — момент на главном валу; Рн — сила, передаваемая на контактную систему; h — ход контакта; а — угол поворота вала; Лм — к. п. д. механизма.
При выборе кинематической схемы приводного механизма необходимо ИСХОДИТЬ прежде всего из траектории и требуемой величины хода подвижной контактной системы, а также возможной -величины хода рабочего элемента привода, принимая при этом во внимание заданное время движения. При большом номинальном напряжении и малом числе дугогасительных разрывов на фазу ход контактов, например, в масляном выключателе достаточно велик. В этом случае при малом заданном времени движения ускорение подвижной системы, а следовательно, и величина инерционной силы могут оказаться настолько большими, что для их преодоления потребуются мощные отключающие пружины, более мощный привод и повышение механической прочности звеньев механизма. Поэтому при выборе конструктивной схемы масляного выключателя на очень высокие напряжения, чтобы увеличить быстродействие, целесообразно для одной фазы выключателя принимать большое число одновременно образующихся разрывов. Достигается это обычно тем, что группа последовательно включенных подвижных контактов приводится в движение одновременно от одной общей изоляционной траверсы или тяги.
В воздушных выключателях с большим числом разрывов на полюс одновременное размыкание контактов осуществляется путем одновременной подачи сжатого воздуха к пневматическим встроенным механизмам отдельных разрывов, работающим, например, по схемам рис. 11-1, в или г.
В некоторых конструкциях современных масляных выключателей вместо многозвенных рычажно-шарнирных механизмов применяются гидравлические приводные механизмы [175, 182]. Принципиальная схема одного из таких механизмов показана на рис. 11-4.
11-2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА ПРИВОДНЫХ МЕХАНИЗМОВ С ПРУЖИННЫМ ОТКЛЮЧЕНИЕМ
Расчет приводного механизма с пружинным отключением в общем случае должен содержать следующие элементы:
а) предварительный расчет основных звеньев механизма на механическую прочность;
б) динамический расчет механизма и определение характеристик отключающих пружин и буферных устройств;
в) поверочный расчет деталей механизма на механическую прочность;
г) определение конструктивных размеров отключающих пружин;
д) определение основных параметров буферных устройств;
е) расчет статического момента на главном валу выключателя при включении;
ж) определение момента на валу выключателя при заданной; скорости включения, и заданной величине предельного тока включения.
Основными исходными данными для этих расчетов являются:
а) механические свойства материалов, применяемых для изготовления деталей механизма;
б) выбранная кинематическая схема приводного механизма;
в) кинематическая характеристика h=f (а);
г) характеристика скорости подвижной контактной системы при движении в пределах и за пределами дугогасительного устройства;
д) полное время движения подвижной контактной системы;
е) механическая характеристика контактной системы (величина упругих сил контактных пружин, силы трения в контактах) ;
ж) давление газообразной среды во внутренней полости камеры;
з) параметры встроенных в дугогасители механизмов принудительного масляного дутья (если таковые имеются);
и) величина и характер изменения электродинамических сил, действующих на отдельные элементы токоведущего контура, свя-занные непосредственно с механизмом.
В том случае, когда геометрические размеры частей механизма и материалы, из которых они изготовлены, берутся по аналогии с существующими конструкциями, надобность в ориентировочном расчете звеньев на механическую прочность отпадает.
Ниже даются соображения по выбору исходных данных при проектировании приводных механизмов.
1. Отдельные звенья механизма в наиболее ответственные моменты работы выключателя (включение на короткое замыкание, отключение короткого замыкания, работа в цикле мгновенного АПВ и др.) могут испытывать значительную механическую ударную нагрузку и по условиям надежности работы должны обладать высокой механической, прочностью. Вместе с тем по условиям быстродействия вес каждого из подвижных элементов механизма должен быть минимальным.-
Этим требованиям, очевидно, могут отвечать детали механизма, имеющие наиболее рациональные конструктивные формы и изготовленные из материалов, обладающих достаточной механической прочностью и высокой ударной вязкостью. Для изготовления деталей приводных механизмов выключателей применяются. машиностроительные материалы соответствующих марок: сталь, цветные металлы и сплавы (главным образом алюминиевые сплавы), чугун и неметаллические материалы [179].
Для изготовления изоляционных деталей механизма, несущих механическую нагрузку (изоляционные контактные рычаги, тягиг поворотные штанги Ъ др.), до последнего времени применялись слоистые пресс-материалы, изготовленные на основе феноло-форм альдегидных смол: гетинакс (ГОСТ 2718—54), текстолит (ГОСТ 2910—51) и древесно-слоистые пластики, например-ДСП-Э (ВТУ 500—54) [172], обладающие достаточно высокой механической прочностью.
В последние годы получено большое количество полимеров — пластмасс, волокон и др., на основе которых созданы изоляционные и механически высокопрочные материалы. Эти материалы в дальнейшем, по-видимому, найдут применение для изготовления деталей механизмов выключателей благодаря хорошим механическим характеристикам и малому удельному весу [179].
В уточненной кинематической схеме приводного механизма должно быть указано взаимное расположение всех элементов, влияющих на характер движения: отключающих и буферных пружин, пружин контактных систем, буферных устройств и устройств для принудительного масляного дутья дугогасителя.
На траектории точки приведения (обычно точки крепления, подвижной контактной системы к ведущему элементу механизма) должны быть отмечены точки хода, соответствующие касанию дугогасительных контактов, выходу подвижного контакта в зону интенсивного дутья в дугогасителе и др.
Кинематическая схема должна быть построена для нескольких положений механизма, в том числе для двух крайних — включенного и отключённого.
Кинематическую характеристику h=f (а) целесообразнее Определять графическим методом, на основании построения кинематической схемы механизма при различных значениях угла поворота главного вала а (обычно используются данные п. 2), так как аналитические уравнения (даже приближенные) при сложной схеме механизма (например, типа прямил) громоздки и неудобны для инженерных расчетов.
Характеристика скорости движения подвижной контактной системы v=f (t) при заданном полном времени движения и величине хода ко в общем случае должна строиться на основании уравнения
. (П-2)
где Vi (t) — переменная скорость при движении контакта в процессе гашения дуги; v2 (4) — скорость свободного движения до ввода в действие буфера; v3 (t) — скорость движения, замедляемого буфером; hu Аг, h3 — величины отдельных участков хода.
Скорость Vi (t) =f (t) устанавливают, исходя из условий дугогашения, при расчете дугогасителе.
Во многих практических случаях для этой части хода движение принимается как равнопеременное, т. е. Vi(t)=*ait, где at — постоянное ускорение.
При выборе скорости движения 02 (0 на пути hz следует исходить из условия ограничения динамической нагрузки в пределах: установленных практикой и расчетом.
Для спадающей части характеристики значения скорости; выбирают также исходя из величины максимальной допустимой динамической нагрузки для отдельных звеньев механизма, возникающей при торможении буфером.
* Номинальный ток относится к оборудованию (в том числе и к выключателям) для существующих сетей.
