Расчет трехфазного разъединителя

Задание

Рассчитать  трехфазный разъединитель для внутренней установки.

Основные  технические характеристики аппарата:

Аннотация

В данном курсовом проекте рассмотрена конструкция разъединителя РВЗ-10/400 II УХЛ 1 переменного тока внутренней установки с ручным приводом.

В работе приведены расчеты на нагрев при  длительном прохождении номинального тока, нагрев токами короткого замыкания токоведущего контура.

Курсовой проект состоит из расчетно-пояснительной записки и графической части.

Оглавление

Задание…………………………………………………..………………….……..2

Аннотация………………………………………………..………………….…….3

Введение…………………………………………………..……………..………..5

1.Устройство и принцип работы разъединителя………………………………11

2.Устройство контактной системы трехполюсного   разъединителя внутренней установки…………………………………………………………...13

2. Расчет сечения ножей и контактных стоек, выбор размеров сторон

    сечения………………………………………………………………..………..16

3. Расчет необходимого нажатие на контакты

    и определение общего активного сопротивления……..…………………....20

4. Расчет превышения температуры токоведущих частей

    (среднего) при номинальном токе / …………….……………..……….……21

5. Расчет термической стойкости (десятисекундной).

   Допустимая температура (средняя) для меди при коротком

   замыкании 300⁰ С……………………………….…………….……………….22

6. Электрический и механический расчет изолятора…………..……….…….24

Заключения……………………………..………………………………………..31

Библиографический список……………………………………………….……32

Таблица 1. Коэффициенты  теплоотдачи в  воздухе при естественной вентиляции

Таблица 2. Коэффициент поверхностного эффекта  K_R

Таблица 3.Основные размеры контактной системы  разъединителей

Введение

Разъединитель — коммутационный аппарат, предназначенный для включения  и отключения участков электрической сети свыше 1 кВ, находящихся   без  напряжения,  а также в допустимых   случаях    под напряжением переменного или постоянного тока, но без нагрузки и небольших токов нагрузки. Разъединители производятся на все классы напряжений высоковольтных сетей. Разъединители имеют ручное или дистанционное управление, количество полюсов, равное числу фаз электрической сети, с одновременным управлением всеми фазами.

В данной курсовом проекте пойдет речь о трехфазном разъединителе.

Разъединители служат для создания видимого разрыва, отделяющего выведенное из работы оборудование от токопроводящих частей, находящихся под напряжением. Это необходимо, например, при выводе оборудования в ремонт в целях  безопасного производства работ.

Разъединители не имеют дугогасительных устройств и поэтому предназначаются, главным образом, для включения и отключения электрических цепей при отсутствии тока нагрузки и находящихся только под напряжением или даже без напряжения.

При отсутствии в электрической  цепи выключателя в электроустановках 6 - 10 кВ допускается включение и отключение разъединителями небольших токов, значительно меньших номинальных токов аппаратов, о чем сказано ниже.

Требования, предъявляемые к разъединителям:

Требования, предъявляемые к разъединителям с точки зрения обслуживания их оперативным  персоналом, заключаются в следующем:

1) разъединители должны создавать  ясно видимый разрыв цепи, соответствующий  классу напряжения установки; 

2) приводы разъединителей должны  иметь устройства жесткой фиксации  ножей в каждом из двух оперативных  положений: включенном и отключенном. Кроме того, они должны иметь надежные упоры, ограничивающие поворот ножей на угол, больший заданного;

3) разъединители должны включаться  и отключаться при любых наихудших  условиях окружающей среды (например, обледенении);

4) опорные изоляторы и изоляционные  тяги должны выдерживать механические  нагрузки, возникающие при выполнении  операций;

5) главные ножи разъединителей  должны иметь блокировку с  ножами заземляющего устройства, исключающую возможность одновременного  включения тех и других.

Отечественные и зарубежные аппаратостроительные заводы изготовляют разъединители  самых разнообразных конструкций, однако все они могут быть классифицированы по тому или иному признаку.

Конструктивное различие между  отдельными типами разъединителей состоит, прежде всего, в характере движения подвижного контакта (ножа). По этому признаку различают разъединители:

вертикально-поворотного (врубного) типа с вращением ножа в плоскости, параллельной осям поддерживающих изоляторов данного полюса;

 горизонтально-поворотного  (поворотного) типа, с вращением ножа в плоскости, перпендикулярной осям поддерживающих изоляторов данного полюса;

качающегося типа с вращением ножа совместно с поддерживающим его изолятором в плоскости, параллельной осям поддерживающих изоляторов данного полюса;

катящегося типа с прямолинейным движением (качением на роликах) опорного изолятора совместно с закрепленным на нем подвижным контактом в направлении неподвижного контакта;

с прямолинейным движением ножа в плоскости, параллельной осям поддерживающих изоляторов данного полюса, вдоль размыкаемого промежутка , либо поперек;

со  складывающимся ножом, со сложным движением (поворот и складывание) ножа в плоскости, параллельной осям поддерживающих изоляторов;

подвесного  типа с перемещением ножа вместе с поддерживающими изоляторами в плоскости, параллельной осям неподвижных подвесных изоляторов.

Кроме того, разъединители классифицируются по следующим признакам:

по роду установки (разъединители внутренней или наружной установки; каждое из этих исполнений классифицируется еще несколькими категориями размещения, обусловленными климатическими факторами, см. ГОСТ 15543—70);

по числу полюсов (разъединители однополюсные, двухполюсные и трехполюсные; полюсы двух и трехполюсных разъединителей могут размещаться на одной общей раме или каждый полюс — на отдельной раме);

по способу управления (разъединители  с ручным приводом — оперативной штанге, рычажным или штурвальным — и с двигательным приводом — электрическим, пневматическим или гидравлическим);

по  наличию или отсутствию заземляющих  ножей;

по  способу установки: (разъединители, устанавливаемые на горизонтальной плоскости, либо на вертикальной плоскости; разъединители, устанавливаемые как на горизонтальной, так и на вертикальной, а также на наклонной плоскости).

Расстояние между разомкнутыми контактами одного и того же полюса разъединителя должно быть несколько  большим, чем расстояние между выступающими частями соседних полюсов, находящимися под напряжением, а также между частями разъединителя, находящимися под напряжением, и заземленными частями. Лишь в этом случае при возникновении перенапряжений разряд будет происходить между частями, находящимися под напряжением, и заземленными частями, а не между разомкнутыми контактами данного полюса. Это необходимо для обеспечения безопасности людей, работающих на линии, но не всегда выполнимо.

Для разъединителей с управлением посредством механического привода, согласно требований Межотраслевых правил по охране труда при работах в электроустановках (ПОТ Р М-016-2001) , необходимо наличие запирающего устройства, препятствующего самопроизвольному или ошибочному включению коммутационного аппарата.

Различие в конструкциях разъединителей наружной и внутренней установки объясняется разными условиями их работы. Разъединители наружной установки должны надежно работать в любых атмосферных условиях, а также при гололеде, когда контакты покрываются слоем льда, препятствующего их включению и отключению, и поэтому должны иметь, в частности, приспособления, разрушающие корку льда или защищающие от него кожухи на контактах.

Разъединители наружной установки  должны допускать оперирование (включение и отключение) в условиях гололеда при толщине корки льда до 10 мм и скорости ветра до 15 м/с. В отсутствие гололеда разъединители должны допускать оперирование при скорости ветра 30 м/с.

Как уже упоминалось, трехполюсные разъединители могут выполняться на общей раме (или же на отдельных рамах для каждого полюса В последнем случае одновременное включение или отключение всех полюсов достигается путем соединения между собой их валов. Трехполюсные разъединители на общей раме выполняются для напряжений до 35 кВ, так как при более высоких напряжениях междуполюсные расстояния достигают нескольких метров и рама получается очень громоздкой.

Опорные изоляторы разъединителей могут подвергаться воздействию значительных механических нагрузок: усилия (момента), передаваемого от привода, и электродинамической силы, передаваемой на изоляторы токоведущими частями при коротких замыканиях. Изоляторы разъединителей наружной установки, помимо вышеуказанных механических нагрузок, воспринимают усилия от воздействия ветра и от тяжения проводов, подведенных к разъединителю. Механическая прочность изолятора определяется разрушающим усилием на изгиб, плавно приложенным к его верхнему торцу. Запас механической прочности изоляторов разъединителей внутренней установки и разъединителей наружной установки до 35 кВ, согласно ГОСТ 689—69, должен быть не менее 1,5, а изоляторов (колонок) разъединителей наружной установки на напряжение 35 кВ и выше —не менее 2,5. Под указанным запасом механической прочности понимается отношение статической разрушающей нагрузки изолятора (колонки) к расчетной наибольшей сумме следующих нагрузок (с учетом возможной одновременности их действия):

а)  электродинамических усилий (при наибольшем амплитудном значении тока в условиях двухполюсного короткого замыкания) ;

б)  усилий, передаваемых от привода;

в) тяжения провода (считая тяжение, направленным вдоль полюса, перпендикулярно оси изолятора) для разъединителей наружной установки;

г)   давления ветра наиболее неблагоприятного направления для  разъединителей наружной установки.

Контроль за положением ножей разъединителей осуществляется посредством контактов вспомогательной цепи, которые обычно встраиваются в привод или визуально. В однополюсных разъединителях, управление управления которых осуществляется посредством оперативной штанги, контакты вспомогательной цепи устанавливаются на раме разъединителя и соединяются с ножом изоляционной тягой. Отставание ножей отдельных полюсов друг от друга разъединителях до 35 кВ с полюсами, размещенными на общей раме, при включении не должно превышать 3 мм. Для других конструкциях разъединителей отставание подвижных контактов при включении не нормируется.

На раме (цоколе) разъединителя  должен быть отдельный болт заземления диаметром не менее 8 мм для разъединители внутренней установки и не менее 10 мм — наружной. Болт изготавливается из металла, не подверженного коррозии, или из стали, но с покрытием металлом, защищающим ее от коррозии. Вокруг болта предусматривается ровная площадка, размеры которой достаточны для присоединения шины шириной не менее 25 мм. Эта площадка обрабатывается либо защищается и предохраняется от коррозии во время транспортировки. Возле площадки наносится надпись «Земля» или знак заземления.

Винтовые (болтовые) соединения, расположенные  на подвижных частях разъединителя, а также ответственные соединения на неподвижных частях должны быть предохранены от самоотвинчивания.

В трущихся частях разъединителя, требующих  систематической смазки, должны быть предусмотрены приспособления для смазки, в том числе и незамерзающей.

Все части разъединителя, выполненные  из черных металлов, должны быть защищены от коррозии.

1. Устройство и принцип работы разъединителя

Рис. 2 Разъединитель РВЗ-10/400 II УХЛ2, вид сверху.

Рис. 2-1 Разъединитель РВЗ-10/400 II УХЛ2, вид сверху.

На рис. 2 изображен общий вид разъединителя наружной установки, поясняющиий его работу.

Трехполюсные разъединители РВЗ-10/400 II УХЛ2 представляют собой три токопровода, установленных на одной раме с основным (общим) валом и приводным рычагом. При вращении вала разъединителя с помощью привода происходит одновременное включение или отключение трех контактных ножей. Токопровод состоит из двух неподвижных контактов 8 и подвижных контактных ножей 9. Неподвижный контакт 8 представляет собой медную шину согнутую под прямым углом. Подвижный контакт 9 состоит из двух медных полос, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Для жесткости пластинам ножа придана коробчатая форма. Одна сторона неподвижного контакта 8 используется для крепления контакта к колпачку опорного изолятора 6, а также для крепления подводящей шины, а другая при включении ножа входит в зазор между его пластинами. Пластины контактного ножа 9 прижимаются к боковым поверхностям неподвижного контакта 8 посредством пружин 10. Контактный нож может поворачиваться вокруг оси, закрепленной на неподвижном контакте 8. Втулка 11 ограничивает сближение пластин контактного ножа при отключенном положении разъединителя. При каждом повороте контактного ножа сила трения, возникающая между его пластинами и неподвижным контактом 8, способствует удалению окислов с их контактных поверхностей.

Изоляция разъединителя РВЗ-10/400 II УХЛ2 состоит из опорных изоляторов ИОР-10-3,75 УХЛ2 и тяг изоляционных ИТГР-10-7,5-65 УХЛ2.

На разъединителе РВЗ-10/400 II УХЛ2 заземляющие ножи установлены и со стороны шарнирных контактов и со стороны разъемных контактов.

Заземляющие ножи смонтированы на дополнительном валу, который укреплен на общей  раме разъединителя. Рама разъединителя  представляет собой сварную конструкцию из уголков. Конструкция рамы предусматривает демонтаж валов с заземляющими ножами, в случае их ремонта или замены. В конструкции разъединителей РВЗ-10/400 II УХЛ2 с заземляющими ножами предусмотрена механическая блокировка между валом контактных ножей и валом заземляющих ножей, которая исключает одновременное включение контактных и заземляющих ножей.

Управление контактными и заземляющими ножами производится отдельными приводами ПР-10. В конечных положениях рукоятка привода удерживается фиксатором. Кроме того рукоятка может запираться с помощью навесного замка.

2. Устройство контактной системы трехполюсного   разъединителя внутренней установки

В прил. 1 изображена контактная система на номинальные токи от 200 до 630 А в разъединителях вертикально-поворотного типа внутренней установки, получившие наиболее широкое распространение вследствие простоты конструкции и надежности работы.

В разъединителе (прил. 1) нож состоит из двух полос 1, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. При токе 200 А одна полоса может быть медной, а другая стальной; при токах 400—630 А обе полосы медные. Неподвижные контакты 3 представляют собой медные шины, согнутые под прямым углом. Одна сторона неподвижного контакта используется для его крепления к колпачку опорного изолятора 9. а также для присоединения к контакту подводящей шины.   Другая  сторона   неподвижного контакта охватывается пластинами ножа. Пластины 1 прижимаются к боковым поверхностям неподвижного контакта пружинами 10, насаженными на стержни 6. На концах стержней имеются кольцевые заточки, в которые входят разрезные шайбы 12, удерживающие колпачки 5, служащие опорами для пружин. Нож может поворачиваться вокруг оси 2, закрепленной в подшипнике 8 на правом неподвижном контакте. Поворот ножа на угол примерно 75° осуществляется посредством фарфоровой тяги, соединенной с вилкой 7. Втулка 11, насаженная на стержень 6, ограничивает сближение пластин ножа при отключенном положении разъединителя. При каждом повороте ножа трение, возникающее между его пластинами 1 и неподвижными контактами 3, способствует удалению окислов с контактных поверхностей.

При прохождении тока короткого  замыкания через контактную систему будет происходить: а) увеличение контактного нажатия вследствие взаимодействия токов, проходящих по пластинам ножа (пластины будут притягиваться друг к другу); б) уменьшение контактного нажатия вследствие отталкивания пластин ножа от неподвижных контактов под действием электродинамических сил сужения в месте касания контактов.

При больших токах короткого замыкания  электродинамические силы сужения могут превысить силу притяжения пластин ножа друг к другу и силу контактных пружин и, следовательно, может произойти отброс пластин ножа от неподвижного контакта, что поведет к аварии. Поэтому в большинстве случаев в конструкцию контактной системы разъединителя вводятся магнитные замки, которые повышают контактное нажатие при прохождении токов короткого замыкания, а тем самым и электродинамическую стойкость разъединителя.

Магнитный замок клещевого типа, примененный в рассматриваемой системе (прил.1), состоит из двух стальных пластин 4, расположенных снаружи пластин ножа 1. С левой стороны пластины 4 имеют прорези, которые входят в проточку на осях 2, а с правого конца стягиваются пружинами 10. Пружины, стремясь разжаться, нажимают на пластины 4. При этом выступы пластин 4 прижимают пластины ножа к неподвижному контакту 3.

Магнитный поток, создаваемый током, проходящим по пластинам ножа, будет замыкаться через пластины 4 и воздушный промежуток между ними. Силовые линии этого потока будут стремиться уменьшить свою длину и, следовательно, сблизить между собой пластины 4, которые, в свою очередь, прижмут пластины ножа к неподвижному контакту. Если через Р обозначить равнодействующую магнитных сил, приложенных к пластине магнитного замка, то сила, прижимающая пластины ножа к неподвижному контакту, будет Р₁ = Р/а, т. е. магнитный замок дает возможность получить весьма большие дополнительные силы, прижимающие  пластины   ножа и неподвижные контакты друг к другу.

Рассмотренная конструкция контактной системы очень проста и технологична. Она имеет хороший внешний вид и не требует регулировки при сборке. Однако для обеспечения одного и того же контактного нажатия требуется более точное изготовление пружин и их   тарировка.

 В прил.2 изображен трехполюсный разъединитель  внутренней установки серии РВЗ, изготовляемый на напряжений 10 кВ и номинальный ток до 630 А. Каждый полюс имеет два неподвижных опорных изолятора и фарфоровую тягу 13. Включение и отключение разъединителя осуществляется поворотом вала, который перемещает тягу. Поворот вала разъединителя осуществляется ручным рычажным приводом. Разъединители серии РВЗ могут иметь заземляющие ножи с одной или с обеих сторон. Управление заземляющими ножами осуществляется ручными рычажными приводами.

Для надежной работы разъединителей кроме выбора целесообразной конфигурации токоведущих частей, обеспечивающей более или менее равномерное распределение тока по сечению ножа, важное значение имеет также число точек соприкосновения между подвижным и неподвижным контактами и контактное нажатие между ними. Это нажатие должно быть достаточно велико, чтобы обеспечить незначительное переходное сопротивление и исключить возможность отбрасывания контактов друг от друга под действием электродинамических  сил   сужения,  возникающих  при  коротких  замыканиях.

Электродинамические силы сужения в контактах разъединителей, установленных в цепях генераторов, могут достигать нескольких тысяч ньютонов.

При больших контактных нажатиях, необходимых для компенсации электродинамических сил сужения, усложняется и утяжеляется механизм разъединителя, а также и привода к нему. Силы трения между контактными поверхностями при больших контактных нажатиях приводят к быстрому износу защитных гальванических покрытий на контактных поверхностях.

3. Расчет сечения ножей и контактных стоек, выбор размеров сторон    сечения

Токоведущие элементы в виде проводников  прямоугольного и круглого сечений  применяются во многих электрических  аппаратах. При проектировании первых необходимо определять размеры проводников исходя из их электропроводности, величины тока, температур и характеристик теплоотдачи. Эта задача обычно решается на основе уравнения теплового баланса с использованием средних значений коэффициента теплоотдачи. Однако различные части указанных проводников в электрическом аппарате, как правило, находятся в совершенно разных условиях теплоотдачи: например, они могут примыкать к изоляторам, располагаться около металлических конструкций и др. В этих случаях расчеты на основе средних значений коэффициента теплоотдачи и температуры окружающей среды могут приводить к большим погрешностям.

Используем простой универсальные  алгоритм тепловых расчетов, позволяющих учесть возможные различия тепловых характеристик поверхности проводников и окружающей среды.

По такой шине (рис.2) протекает или постоянный ток i=I , или переменный ток i с действующим значением I. Проводник имеет температуру  J и удельное электрическое сопротивление ρ=ρ(J)=ρ₀(1+αJ), где α – соответствующий температурный коэффициент а, ρ₀=ρ(0). При этом на одной стороне длиной d прямоугольного сечения проводника коэффициент теплоотдачи равен K_d1 , а на другой – K_d2 при температуре окружающей среды, равной соответственно J_d1 и J_d2. Аналогично, на одной и другой сторонах длиной h , указанного прямоугольника коэффициент теплоотдачи равен K_h1 и K_h2  при температуре окружающей среды – J_h1 и J_h2. В соответствии с этим уравнение теплового баланса для рассматриваемого проводника на единицу его длины имеет вид

Рис.2. Поперечное сечение токоведущей шины толщиной d и шириной h

,        (2.1)

где функция 

            ,  (2.2)

R и R₀  – активные сопротивления проводника соответственно переменному и постоянному токам, а K_R  – коэффициент добавочных потерь (т.е. для переменного тока K_R >1, а для постоянного тока K_R =1).

Для ширины шины h соотношения (2.1), (2.2) дают квадратное уравнение. Его решение имеет вид

     (2.3)

где a и b определяются выражениями

    (2.4) 

при этом

    (2.5)

Алгоритм (2.3)-(2.5) позволяет найти ширину h проводника заданной толщины d, температура которого будет иметь заданное значение J при заданном токе I и достаточно общих условиях теплоотдачи, определяемых заданными параметрами K_d1 и J_d1, K_d2 и J_d2, K_h1 и J_h1, K_h2 и J_h2. При этом первоначальный расчет h осуществляется на основе произвольно выбранного значения K_R . Затем, с учетом найденной величины h, значение K_R уточняется, например, с помощью таблиц или соответствующих кривых, а расчет по алгоритму (2.3)-(2.5) повторяется до тех пор, пока получаемая величина h не будет с требуемой точностью соответствовать предыдущей величине h, использованной для указанного уточнения значения K_R.

В качестве проводника в аппарате должна использоваться стандартная  шина, то рассчитанное по алгоритму (2.3)-(2.5) значение h округляется до ближайшей стандартной величины. Это изменит её температуру J , которую, естественно, необходимо уточнить.

Нож разъединителя состоит из двух медных, параллельных друг другу

пластин .

     Ток проходящий по каждой из них равен;

                                                                                             (2.6)

Определим коэффициент теплоотдачи в воздухе при естественной циркуляции из таблицы №1

K_h1=0,00075           J_h1=35

K_h2=0,00075           J_h2=35

K_d1=0,0006             J_d1=35

K_d2=0,0006             J_d1=35

Определим с

с=0,00075*(80-35)+0,00075*(80-35)=0,0675

Определим b

К_R=3.41 для d=3.5 см корторы получены путем подбора К_R по таблице 2, который завизит от значения h

Определим а 

Определим ширину шины h

Получили  что d=35мм      h=33,75 мм

Для этого подходит стандартная шина 3,5 х 40  мм по  ГОСТ-5415-63

из табл.1 при  этом J=66.

Пластина                             3,5 х 40      мм

Контактная  стойка         10 х  29,5           

4. Расчет необходимого нажатие на контакты

Силу  нажатие на контакт определим  из условия перегрева контактов  относительно токоведущих частей на 10⁰  С.

τ_к =10⁰ С температура перегрева контактов

σ = 3200 кг/см² временное сопротивление сжатого материала контактов

λ = 3,4 Вт/см²*град  теплопроводность контактирующих материалов

Через контактную площадку проходит ток, равный половине номинального тока:

Сила  необходимая для включения и отключения разъединителя:

                         F= 6 * F_наж*K                  (3.2)

F= 6 * 0,9 * 1.25 = 7 H

Так как сила, необходимая для включения  разъединителя не превышает нормальное усилие человека, равное 45 Н, то разъединителем можно оперировать вручную.

5. Расчет превышения температуры токоведущих частей

Если  при помощи пружин в контактах  будет обеспеченно давление , то сопротивление контактов;

р_п – постоянная для расчета сопротивления контакта.

        для меди р_п=0,0001 Ом/кг.

m  – коэффициент, зависящий от вида контактов.

F   – общее давление на контактную поверхность.

Сопротивление ножа имеющего по пути тока длину 280 мм.