Читайте также:
|
Глава 4. Приводные устройства элегазовых выключателей
Высокого напряжения
Общие положения
Привод ЭВ представляет собой систему взаимосвязанных устройств и механизмов, предназначенную для выполнения требуемых механических операций и их циклов, обеспечивающих работоспособность ЭВ в условиях эксплуатации. В ЭВ широко используются электромагнитные, пружинные, пневматические и гидравлические (пневмогидравлические, пружинно-гидравлические) приводы и их комбинации.
Приводные механизмы ЭВ работают при высоких динамических нагрузках, и к ним предъявляются жесткие требования. Это прежде всего относится к приводам ЭВ сверхвысокого напряжения, где приведенные массы подвижных систем составляют более 100 кг, а их скорость достигает 6-13 м/с, предельные усилия 80 кН, ход контактов равен 200-250 мм. Несмотря на значительное уменьшение числа движущихся элементов в ЭВ и повышение их надежности, количество аварий по механическим причинам составляет 70-80 % всех аварий. Поэтому зарубежные фирмы, выпускающие ЭВ, обращают особое внимание на механические элементы конструкции ЭВ с целью достижения ресурса на уровне 10000 -20000 циклов ВО.
Привод выключателя состоит из источника энергии ИЭ(рис. 4.1), пускового устройства управления УП, силового механизма СМи накопителя энергии НЭ. В электромагнитных и электродвигательных приводах источником энергии является непосредственно электрическая сеть. В пружинных, пневматических и гидравлических приводах используется энергия, предварительно запасенная в аккумуляторах (соответственно в пружинных, пневматических и пневмогидравлических). В качестве пусковых устройств применяются кнопки управления, тиристоры, электромагнитные пневматические (гидравлические) клапаны и т. п. В силовых механизмах, связанных с контактами, для передачи усилия используются твердые кинематические цепи, сжатый газ, жидкость высокого давления.
Рис. 4.1
Накопитель энергии обеспечивает выполнение одной из операций. Так, в конструкциях ЭВ пружинный приводной механизм часто применяется вместе с электромагнитным, пневматическим или гидравлическим приводным устройством, которое, совершая операцию отключения (или включения), взводит аккумулирующие пружины, а следовательно, подготавливает ЭВ для выполнения операции включения (или отключения).
Работа каждого элемента привода взаимосвязана с работой других элементов и устройств, а время срабатывания отдельных элементов в совокупности определяет нормированное время отключения (включения) выключателя.
Требования к приводу ЭВ. Мощности энергосистем и отдельных электроустановок и условия их эксплуатации определяют требования к приводам ЭВ. В частности, в ЭВ при отключении командный сигнал поступает на пусковое устройство управления, и механизмы привода разводят контакты, организуют процесс дутья для гашения дуги, удерживают контакты на расстоянии, исключающем пробой межконтактного промежутка. Одновременно осуществляется подготовка к процессу включения ЭВ. При этом надо не только развести контакты за малое время, но и обеспечить эффективное гашение дуги, а следовательно, необходимо подчинить характер движения контактов оптимальному процессу гашения дуги. При подаче сигнала на включение привод перемещает и замыкает контакты, удерживает их во включенном положении и подготавливает ЭВ к последующей операции. В таком выключателе привод, в частности, должен обеспечивать:
коммутацию электрической цепи по циклам АПВ, характеристики механизмов и устройств привода, гарантирующие малые времена отключения и включения аппарата (время отключения в ЭВ составляет 0,04–0,06 с); готовность к выполнению операций с минимальным разбросом во времени как отдельных элементов, так и полюсов независимо от климата и погодных условий, длительности бездействия ЭВ;
механическую износостойкость, измеряемую десятками тысяч циклов ВО.
Однако энергетические возможности силовых приводных механизмов ограничены не только из-за природы усилий (механических, электромагнитных, газа, жидкости), но и из-за специфических требований производства и эксплуатации ЭВ. Так, при выборе привода важными критериями являются: удельные энергетические показатели (по отношению к массе, объему привода ЭВ), КПД (отношение выходной энергии к запасенной), время подготовки к работе, стоимость изготовления и эксплуатации привода, место привода в ЭВ, конструктивные особенности ЭВ. Для ЭВ требуется обеспечить минимум отношения управляющего усилия (сигнала управления) к исходному усилию силового механизма, а также минимум времени подготовки t п привода к работе.
Пусковые устройства приводов. Команда выполнения ЭВ операции включения или отключения в виде электрического сигнала поступает на пусковое устройство привода (электромагнитные пневмо- и гидроклапаны, защелки и т. д.).
Из всего многообразия пусковых устройств рассмотрим электромагнитные защелки. Защелка фиксирует силовое звено привода во взведенном положении (или фиксирует аппарат во включенном или отключенном состоянии). Пусковое устройство (рис. 4.2, а)имеет защелку 2, которая удерживает звено 1, являющееся элементом приводного силового механизма. Под действием момента М сна валу силового механизма защелка стремится повернуться по часовой стрелке вокруг оси О 1, но упирается в упор 4. Защелка 2 прижимается к упору под действием момента M 1 = Fd+M пр, где F=M с /l; М пр – момент, создаваемый пружиной 3; l – длина звена 1. С учетом трения [54]
(4.1)
где d» 0,3–2 мм (рис. 4.2, a); k T – приведенный коэффициент трения в шарнире O 1; r – радиус шарнира O 1; 
– коэффициент трения скольжения между звеном 1 и защелкой 2; R – радиус защелки, м;
М пр» 0,2-0,8 Н×м.
При поступлении сигнала на пусковой электромагнит ЭМякорь последнего приходит в движение и ударным силовым импульсом поворачивает защелку против часовой стрелки. Звено 1 освобождается, и силовой механизм привода приходит в движение.
Мощность пусковых электромагнитов в аппаратах ограничена, и
Рис. 4.2
поэтому одним из способов совершенствования конструкций электромагнитных защелок является достижение минимального момента M 1, необходимого для расцепления при возможно большем моменте М сна валу силового механизма.
Рассмотрим более совершенную конструкцию электромагнитной защелки (рис. 4.2, б), где существенно уменьшен момент трения М т. Здесь при расцеплении происходит перекатывание (качение) одного звена по другому (трение скольжения заменено на трение качения). Ролик 2 может быть закреплен не на защелке, а на удерживаемом звене 1.
Дальнейшее совершенствование электромагнитных защелок возможно как по пути оптимизации пускового электромагнита, схемы его питания, применения электродинамического или индукционно-динамического механизма, так и модернизации конструкции защелки (использование дополнительных звеньев, введение дополнительного механизма и т. д.).
В пневматических и гидравлических приводах в качестве пусковых устройств используются электромагнитные клапаны (рис. 4.3).
Рис. 4.3
Подвижная часть клапана 1 через шток 2 связана с электромагнитным механизмом. В полости А рабочая среда (газ или жидкость) находится под высоким давлением р 0. Открывание клапана усилием F a вызывает истечение среды в полость низкого давления р а. После прохождения заданного расстояния l тс предельной скоростью, обычно l т ≥ 0,25 d происходит торможение тарелки клапана, где d – диаметр проходного отверстия клапана.
Пусковые клапанные устройства выполняются самоуплотняющимися. Если для электромагнитных защелок критерий оптимизации был представлен как min М 1/ М с, то для пусковых клапанов он формулируется аналогично как минимум отношения электромагнитного усилия трогания подвижной части клапана к максимуму расхода рабочей среды через клапан в секунду. Расход среды пропорционален сечению проходного отверстия клапана. Для уменьшения усилия трогания подвижные части клапана стараются разгрузить от лишних нагрузок, создаваемых рабочей средой под высоким давлением. Например, в конструкции гидроклапана для гидропривода ЭВ боковой напор рабочей среды с давлением р 0=34 МПа не мешает обеспечить начало движения подвижной части клапана 1 незначительным электромагнитным усилием (см рис. 4.3). Последующее перемещение используется для торможения, при котором перемещение тарелки клапана осуществляется в закрытой полости В.
Силовые механизмы прямо или через передаточные механизмы должны перемещать контактные системы (в некоторых случаях значительной массы), преодолевать различные силы сопротивления: электродинамические, трения, отключающих (включающих) пружин накопителя энергии.
Силовые механизмы следует рассматривать вместе с передаточными механизмами. Последние должны иметь большой механический ресурс, простую и надежную конструкцию с малым количеством деталей и подвижных звеньев, а также выдерживать значительные внешние воздействия (электродинамические усилия, инерционные перегрузки и т. д.).
Характеристики передаточного механизма определяются прежде всего его структурой, т.е. его кинематической схемой. Когда кинематическая схема выбрана, то в зависимости от массы и размеров подвижных звеньев, углов поворота, внешних усилий можно получить различные характеристики механизма. Задача подбора параметров кинематической схемы для обеспечения заданных внешних характеристик решается в процессе динамического синтеза механизмов.
Силовые и передаточные механизмы являются наиболее слабыми звеньями в конструкциях приводных механизмов ЭВ, и велико значение натурных испытаний этих устройств, результатов эксплуатации, которые позволяют получить такие важные данные о работе механизмов в эксплуатации, как действительное быстродействие и передаточные отношения, влияние трения и зазоров в шарнирных соединениях, взаимодействие механизмов (ускоряющих, фиксирующих, противодействующих), гарантированный запас по преодолению внешних сил сопротивления в процессе выполнения операций включения и отключения.
Передаточные механизмы. В качестве таких механизмов, предназначенных для передачи усилия от силового механизма (или непосредственно от источника энергии) к контактной системе ЭВ, широко применяются рычажные (рис. 4.1, в, г) (кривошипно-шатунные, шарнирные четырехзвенные и т. п.), червячные, прерывистого движения и кулачковые механизмы. Поэтому при разработке привода выполняют расчет приведенных масс и усилий, составляют уравнение движения звена приведения. Звеном приведения служит элемент конструкции, к которому прикладывается основное усилие. В ручных приводах это ведомый рычаг (рукоятка), в электромагнитах – якорь электромагнита Я(см. рис. 4.1, в), в пневматических и гидравлических – поршень силового пневмомеханизма (гидромеханизма). Приведенная масса (момент инерции при вращательном движении) и приведенные усилия (моменты) определяют известными методами теории машин и механизмов.
Ручные приводные устройства (см. рис.4.1, в). Вэтих устройствах мускульная сила человека передается электрическому аппарату посредством рукоятки, штурвала, кнопки. Они широко применяются в пусковых устройствах, в элементах взвода рабочих пружин пружинных приводных механизмов ЭВ. Реакция и мускульная сила человека ограничены, поэтому ограничены и возможности таких устройств.
Электромагнитные приводные устройства (ЭМУ) (см. рис. 4.1, в).
ЭМУ используются в качестве силовых механизмов в высоковольтных ЭВ на средние классы напряжения. ЭМУ широко применяются как приводные устройства защелок, расцепителей, а также пусковых клапанов пневмо- и гидроустройств ЭВ.
ЭМУ имеют простую конструкцию, высокое быстродействие, малое время трогания, стабильность тяговых характеристик. В качестве базового элемента ЭМУ используются электромагнитные механизмы (ЭММ) нейтральные (постоянного и переменного тока) и поляризованные.
Пружинные приводные устройства
Пружинные приводные устройства (ПП) широко используются в ЭВ. ПП имеют высокое быстродействие, ручной (электромагнитный или электродвигательный) взвод аккумулирующих пружин, стабильность динамических характеристик и независимость их от внешних условий. Недостатками ПП являются падающая характеристика активного момента (силы) в динамике, значительные габариты, сложная регулировка отдельных узлов. В пружинных аккумуляторах используются пружины сжатия или растяжения (рис. 4.4), тарельчатые, спиральные, кручения.
Пружина – обязательный элемент любого контактного ЭВ. Она используется для создания контактного нажатия, удержания подвижных элементов аппаратов в статике, обеспечения движения (или торможения) их в динамике. Расчет пружин, пружинных аккумуляторов, выбор материалов, допустимых напряжений подробно изложены в учебниках по деталям машин. Кратко рассмотрим некоторые параметры пружин и их энергетические показатели.
Параметры пружин. В процессе упругой деформации пружины внешней нагрузкой F происходит накопление потенциальной энергии W п(рис. 4.4). Зависимость силы F отдеформации пружины l называется характеристикой пружины. Для вращающихся упругих элементов j = f(M), где j – угловая деформация, рад; М – действующий момент, Н×м. Под жесткостью пружины с монотонной характеристикой понимают z = dF / dl, Н/м, и z в = dM / dj, Н×м/рад. Для пружины с линейной характеристикой
z = F / l = const, z в = M/j = const.
Рис. 4.4
Работа пружины А= ò Fdl (для пружин с линейной характеристикой имеем А =0,5 Fl = 0,5 zl2 и А = 0,5Мj = 0,5 z вj2). Рассмотрим изменение удельной работы пружины при упругой деформации dA/dV n,где dV п– элементарный объем материала пружины. Например, при деформации плоской спиральной пружины нагружающий момент вызывает чистый изгиб витка. С учетом зависимости между деформацией и напряжением
изгиба в сечении витка пружины, изменение удельной работы
dA/dV п= 
/(2 Е п), где sи – напряжение изгиба; Е п– модуль упругости материала пружины. Отсюда
, (4.1)
где V п = const – объем, занимаемый рабочими витками пружины; sим – наибольшее напряжение изгиба; k т– коэффициент, характеризующий распределение напряжения в пружине при деформации.
Рассмотрим dA / dV пдля цилиндрической винтовой пружины сжатия. Под действием внешнего усилия на внутренней поверхности витка возникают значительные касательные напряжения. Изменение удельной работы деформации 
, где sк – касательное напряжение; Е пс – модуль сдвига.
Следовательно, в формуле (4.1), справедливой для любой пружины, в данном случае вместо sим и Е пнадо подставить наибольшее касательное напряжение sкм и модуль сдвига Е пс. Для плоской спиральной пружины коэффициент k т = 0,25; для витой цилиндрической пружины сжатия (растяжения) k т = 0,5; для стержневой пружины кручения k т = 0,5.
При анализе пружин для аккумуляторов пользуются удельными показателями:
, (4.2)
где V 0 – полный объем, занимаемый пружиной в конструкции.
Пружинные аккумуляторы ЭВ имеют следующие коэффициенты: витая цилиндрическая пружина сжатия из проволоки круглого сечения - kv» 1,5 Дж/см3, k 0 £ 0,32 Дж/см3; плоская спиральная пружина из проволоки прямоугольного сечения - k v» 0,8; k 0£0,4; стержневая пружина кручения из проволоки круглого сечения - kv»1,5; k 0» 1,5 (зарубежные данные). Однако требования к приводу, опыт проектирования и эксплуатации во многом определяют выбор того или иного упругого элемента.
Динамические характеристики ПП. При поступлении командного импульса срабатывает защелка 2, и пружина 1 освобождается (см. рис. 4.4). Будем считать массу подвижных частей 3 аппарата т ни силы сопротивления движению F cпостоянными. Усилие, развиваемое пружиной, F = F 0 (l - х)/l = F 0 - zx, где F 0– исходное усилие предварительно сжатой пружины. Суммарная масса т = m н + т п / 3, где т п – масса пружины.
Тогда уравнение движения приобретает вид
. (4.3)
Решение линейного дифференциального уравнения (4.3) известно:
,(4.4)
где k 2 = z / m, F a = F 0- F c.
При начальных условиях (t = 0, x 0 = 0, u0 = 0)
(4.5)
Изменяя жесткость пружины z и исходное усилие F 0, можно регулировать характеристики ПП.
Рассмотрим работу закрученной на угол j0 пружины при ее мгновенном освобождении. Действующий момент равен
М = М 0(j0 -j)/j0 = М 0 - z вj, где М 0 – исходный момент предварительно закрученной пружины. Определим угол поворота jt элемента аппарата с моментом инерции I н к моменту t, принимая момент сопротивления
М c= const. Решая уравнение движения, аналогичное (4.5), с начальными условиями t = 0, j = 0, dj / dt = 0, получаем
, (4.6)
где М a = М 0 - М с; 
= z в/ I; I = I н + I п/3 (I п - момент инерции пружины).
При выборе ПП для конкретного ЭВ требуют анализа и другие элементы ПП – приводный механизм (ручной, электродвигательный, электромагнитный), преобразователь (редуктор, механизм свободного расцепления).
Дата добавления: 2015-01-30; просмотров: 58 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
| Государственная санитарно-эпидемиологическая служба. | | | Систематизация и классификация в географии |