Электротехнические материалы, применяемые для изготовления вакуумного выключателя типа ВВТЭ-10

1. ЗАДАНИЕ

. В соответствии с вариантом дать описание назначения и принципа действия и привести конструкцию.

. Описать свойства и привести количественные характеристики материалов применяемых для изготовления аппарата.

2. ОПИСАНИЕ, НАЗНАЧЕНИЕ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ВАКУУМНОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ ТИПА ВВТЭ-10-10/630У2

Вакуумный выключатель ВВТЭ-10-10/630У2, приведенный на рисунке 1, предназначен для коммутации электрических цепей 10кВ в нормальных и аварийных режимах, встраиваемый в ячейки КРУ.

На раме (8) с помощью изоляционных каркасов (11) укреплены три дугогасительные вакуумные камеры (6). Вывод подвижного контакта (5) с помощью гибкой связи (4) соединен с верхним контактным ножом (1), укрепленным на изоляционной балке (2). Неподвижный контакт камеры связан с нижним ножом (7). Электромагнитный привод (13) через систему тяг и изолированную плиту (14) связан с подвижными контактами. Конечное контактное нажатие обеспечивают пружины (3). Стальная перегородка (10) предназначена для защиты постоянных магнитов, находящихся в приводе, от влияния электромагнитных полей главных цепей выключателя. Выключатель закрыт передней крышкой (12) с окнами для наблюдения за механическим указателем включенного и отключенного положений и счетчиком числа циклов ВО. Заземление осуществляется с помощью бобышки (9).

Рассмотренный выключатель рассчитан на 2000 операций ВО при номинальном токе и 50 операций при токе КЗ 10кА. Полное время отключения 0,05с.

Электрическая прочность вакуумного промежутка во много раз больше, чем воздушного и атмосферного давления. Это свойство используется в вакуумных дугогасительных камерах КДВ. Рабочие контакты (1) имеют вид полных усеченных конусов с радиальными прорезями. Такая форма контактов при размыкании создает радиальное электродинамическое усилие, заставляющее перемещаться дугу через зазоры (3) на дугогасительные контакты (2). Материал контактов подобран так, чтобы уменьшить количество испаряющегося металла. Вследствие глубокого вакуума () происходит быстрая диффузия заряженных частиц в окружающее пространство, и при первом переходе тока через нуль дуга гаснет.

Подвод тока к контактам осуществляется с помощью медных стержней (4) и (5). Подвижный контакт крепится к верхнему фланцу (6) с помощью сильфона (7) из нержавеющей стали. Металлические экраны (8) и (9) служат для выравнивания электрического поля и для защиты керамического корпуса (10) от напыления паров металла, образующихся при горении дуги. Экран (8) крепится к корпусу камеры с помощью кольца (11). Поступательное движение верхнему контакту обеспечивается корпусом (12). Ход подвижного контакта составляет 12 мм.

вакуумный выключатель

Вакуумная дугогасительная камера КДВ-10-1600-20, приведенная на рисунке 2, укреплена на токовыводах в изоляционном каркасе и системой рычагов связана с приводом. При включении сначала происходит заводка пружынно-моторного привода до положения «ГОТОВ». После этого подается сигнал на ИДУУ, которое, разряжаясь, сбивает удерживающую защелку на приводе, пружины поворачивают кулачковый вал, который воздействует на рычаг вала выключателя. Вал, поворачиваясь, через систему рычагов и изоляционной тяги воздействует на подвижный контакт КДВ, выключатель включается. Отключение производится кнопкой отключения, которая выбивает удерживающую защелку, а отключающая пружина через систему рычагов возвращает подвижный контакт камеры в отключенное состояние.

Преимущества вакуумных выключателей:

·небольшие габариты; простота конструкции;

·взрывобезопасность;

·малое время отключения (0,05-0,075 с);

·высокая скорость восстановления прочности дугогасительного промежутка;

·удобны для отключения емкостной нагрузки;

·бесшумная работа;

·нет выброса в атмосферу;

·полная герметизация дугогасительного устройства;

·значительный ресурс при коммутации номинального тока (30-50) 103 коммутаций.

Недостатки выключателя:

·вблизи нуля тока наблюдается срез тока, в результате чего возникают перенапряжения, опасные для коммутируемого оборудования;

·для борьбы с перенапряжениями необходимо применять RC цепочки либо ограничители перенапряжений (ОПН), или использовать вакуумные выключатели с электромеханическим способом устранения перенапряжения;

·в выключателях на напряжение номинальное >35 кВ требуется несколько камер соединять последовательно. Учитывая небольшой ход подвижного контакта и необходимость разведения всех контактов одновременно, требуется точная регулировка момента размыкания всех контактов.

3. СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АППАРАТА

3.1.1 Керамический корпус

Керамика с низкой диэлектрической проницаемостью. Эта группа материалов содержит в виде основной кристаллической фазы кварц -SiO2, корунд -А12О3, муллит ЗА12О32SiO2, цельзиан ВаОА12032SiO2, клиноэнстатит MgOSiO2, форстерит 2MgOSiO2, шпинель MgOА12О3, периклаз MgO, анортит СаОА13О32SiO2, волластонит СаОSiO2 и циркон ZrO2SiO2.

Радиофарфор представляет собой фарфор, стекловидная фаза которого облагорожена введением в нее тяжелого окисла ВаО.

Ультрафарфор, изготовляемый различных марок и представляющий собой дальнейшее усовершенствование радиофарфора, характеризуется большим содержанием А12О3. У радиофарфора tg значительно меньше, а больше, чем у обычного электротехнического фарфора, а электроизоляционные свойства ультрафарфора еще лучше. Кроме того, ультрафарфор имеет существенно повышенную по сравнению с обычным фарфором механическую прочность.

Высокоглиноземистая керамика (алюминоксид) в основном состоит из окиси алюминия (глинозема) А13О3. Этот материал, требующий сложной технологии изготовления с весьма высокой температурой обжига (до 1750°С), обладает высокой нагревостойкостью (рабочая температура до 1600°С), высоким и малым tg при повышенных температурах, чрезвычайно высокой механической прочностью и теплопроводностью (его теплопроводность в 10-20 раз выше, чем у фарфора. Значение алюминоксида- порядка 10.

Обладающий особо плотной структурой (его плотность близка к теоретической плотности А13О3) поликор (за рубежом - люкалокс), в отличие от обычной непрозрачной корундовой керамики, прозрачен; кроме того, он имеет на порядок выше, чем непрозрачная глиноземистая керамика. Поликор, в частности, применяется для изготовления колб некоторых специальных электрических источников света.

Стеатит - вид керамики, изготовляемый на основе минерала талька 3MgO4SiO2Н2О. Таким образом, в то время как обычная керамика (фарфор и его разновидности) состоит в основном из силикатов алюминия, стеатитовая керамика - из силикатов магния, прежде всего клиноэнстатита.

Тальк - хорошо известный минерал, обладающий способностью благодаря его чрезвычайной мягкости легко размалываться в порошок. Стеатитовая керамика обычно изготовляется обжигом массы, составляемой из талькового порошка с некоторыми добавками.

Возможно также изготовлять детали из талькового камня путем его непосредственной механической обработки (которая проста ввиду мягкости материала) с последующим обжигом. Специальные сорта стеатита с особо малым содержанием примесей окислов железа, предназначенные для высокочастотной изоляции, имеют весьма малый tg (до ) и хорошие механические свойства. Преимуществом стеатитовой керамики является также малая усадка при обжиге, позволяющая получать изделия сравнительно точных размеров. К тому же он не нуждается в глазуровке (благодаря плотной структуре) и может сравнительно легко дополнительно обрабатываться шлифовкой. Стеатит широко используется для установочной изоляции в радиотехнической аппаратуре, а также и в силовой электротехнике.

Прочие радиокерамические материалы. Материалы на основе минерала цельзиана имеют и tg (при 1 МГц) = (), на основе анортита - соответственно 7,0 - 7,5 и (2 - 3), на основе шпинели 7,5 8,0 и (4 - 6), на основе волластонита 6,0 - 6,5 и (5 - 6), на основе циркона 7,0 - 8,0 и (50 - 60).

3.1.2 Керамика с высокой диэлектрической проницаемостью

Такая керамика применяется, в частности, для изготовления керамических конденсаторов; по сравнению с конденсаторами из керамики с малой е такие конденсаторы имеют значительно меньшие размеры и массу. Большая часть керамических материалов с высокой имеет в качестве основной составной части двуокись титана TiO2.

Двуокись титана существует в различных кристаллических модификациях; одна из них - рутил - имеет в направлении главной кристаллографической оси диэлектрическую проницаемость = 173. В керамических материалах на основе рутила благодаря беспорядочному расположению в пространстве кристаллов рутила и наличию различных добавок диэлектрическая проницаемость получается меньшей указанного значения, но все же превосходящей большинства практически применяемых твердых диэлектриков.

Помимо TiO2 во многие конденсаторные радиокерамические материалы входят в виде кристаллической фазы соединения СаОTiO2 (титанат кальция, перовскит), SrOTiO2 (титанат стронция), ВаО4TiO2 (тетратитанат бария), MgOTiO2, NiOTiO2, CaOSnO2, SrOSnO2 и др.

Для керамики, в основном состоящей из рутила, значение е в диапазоне частот до 107 Гц- порядка 100, a tg снижается с ростом частоты от при 102 Гц до при 106 Гц; для керамики титаната кальция в тех же условиях составляет 168, a tg - от до ; для керамики титаната стронция соответственно будет 233, a tg - от до (все данные приведены для нормальной температуры),

Многие радиокерамические конденсаторные материалы снижают значение при повышении температуры. Так, средний ТК диэлектрической проницаемости в интервале температур от +20 до +80°С составляет для керамики TiO2 минус К-1, для СаОTiO2 минус К-1. Однако некоторые материалы с более низкой при нормальной температуре имеют меньший по абсолютному значению отрицательный или даже положительный : так, керамика ВаОSnO2 имеет =20 и = , для 2MgOTiO2 =16 и =; Для СаОSnO2 =16 и = = и т. п.

3.2 Стальные торсовые фланцы и стальной ребристый сильфон

Сталь как наиболее дешевый и доступный металл, обладающий к тому же высокой механической прочностью, представляет большой интерес для использования в качестве проводникового материала. Однако даже чистое железо имеет значительно более высокое сравнительно с медью и алюминием удельное сопротивление р (порядка 0,1 мкОм*м); значение р стали, т. е. железа с примесью углерода и других элементов, еще выше.

При переменном токе в стали как в ферромагнитном материале заметно сказывается поверхностный эффект, почему в соответствии с известными законами электротехники активное сопротивление стальных проводников переменному току выше, чем постоянному току. Кроме того, при переменном токе в стальных проводниках появляются потери мощности на гистерезис. В качестве проводникового материала обычно применяется мягкая сталь с содержанием углерода 0,10-0,15%, обладающая пределом прочности при растяжении p = 700-750 МПа, относительным удлинением при разрыве l/l = 58% и удельной проводимостью , в 6-7 раз меньшей по сравнению с медью. Такую сталь используют в качестве материала для проводов воздушных линий при передаче небольших мощностей. В подобных случаях применение стали может оказаться достаточно выгодным, так как при малой силе тока сечение провода определяется не электрическим сопротивлением, а его механической прочностью.

Сталь как проводниковый материал используется также в виде шин, рельсов трамваев, электрических железных дорог (включая «третий рельс» метро) и пр. Для сердечников сталеалюминевых проводов воздушных линий электропередачи применяется особо прочная стальная проволока, имеющая р = 1200-1500 МПа и l/l = 4-5%. Обычная сталь обладает малой стойкостью коррозии: даже при нормальной температуре, особенно в условиях повышенной влажности, она быстро ржавеет; при повышении температуры скорость коррозии резко возрастает. Поэтому стальные провода должны быть защищены с поверхности слоем более стойкого материала. Обычно для этой цели применяют покрытие цинком.

Непрерывность слоя цинка проверяется опусканием образца провода в 20%-ный раствор медного купороса; при этом на обнаженной стали в местах дефектов оцинковки откладывается медь в виде красных пятен, заметных на общем сероватом фоне оцинкованной поверхности провода. Железо имеет высокий температурный коэффициент удельного сопротивления, представлено на рисунке 3. Поэтому тонкую железную проволоку, помещенную для защиты от окисления в баллон, заполненный водородом или иным химически неактивным газом, можно применять в бареттерах, т. е. в приборах, использующих зависимость сопротивления от силы тока, нагревающего помещенную в них проволочку для целей поддержания постоянства силы тока при колебаниях напряжения.

Медные контактные стержни. Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие: 1) малое удельное сопротивление (из всех металлов только серебро имеет несколько меньшее удельное сопротивление, чем медь); 2) достаточно высокая механическая прочность; 3) удовлетворительная в большинстве случаев применения стойкость по отношению к коррозии (медь окисляется на воздухе даже в условиях высокой влажности значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах, зависимости скорости окисления некоторых металлов от температуры окружающего воздуха представлены на рисунке 4; 4) хорошая обрабатываемость: медь прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра; 5)относительная легкость пайки и сварки.

Получение меди. Медь получают чаще всего путем переработки- сульфидных руд. После ряда плавок руды и обжигов с интенсивным дутьем медь, предназначенная для электротехнических целей, обязательно проходит процесс электролитической очистки. Полученные после электролиза катодные .пластины меди переплавляют в болванки массой 80-90 кг, которые прокатывают и протягивают в изделия требующегося поперечного сечения. При изготовлении проволоки болванки сперва подвергают горячей прокатке в так называемую катанку диаметром 6,5-7,2 мм; затем катанку протравливают в слабом растворе серной кислоты, чтобы удалить с ее поверхности окись меди CuO, образовавшуюся при нагреве, и затем уже протягивают без подогрева в проволоку нужных диаметров - до 0,03-0,02 мм.

Марки меди. В СССР в качестве проводникового материала используется медь марок Ml и М0. Медь марки Ml содержит 99,9% Сu, а в общем количестве примесей (0,1%) кислорода должно быть не более 0,08%. Присутствие в меди кислорода ухудшает ее механические свойства. Лучшими механическими свойствами обладает медь марки М0, в которой содержится не более 0,05% примесей, в том числе не свыше 0,02% кислорода. Из меди марки М0 может быть изготовлена тонкая проволока.

При холодной протяжке получают твердую (твердотянутую) медь (МТ), которая благодаря влиянию наклепа имеет высокий предел прочности при растяжении и малое относительное удлинение перед разрывом, а также обладает твердостью и упругостью при изгибе; проволока из твердой меди несколько пружинит.

Если же медь подвергать отжигу, т. е. нагреву до нескольких сот градусов с последующим охлаждением, то получится мягкая (отожженная) медь (ММ), которая сравнительно пластична, имеет малую твердость и небольшую прочность, но весьма большое удлинение при разрыве и (в соответствии с рассмотренными выше общими закономерностями) более высокую удельную проводимость. Отжиг меди производят в специальных печах без доступа воздуха, чтобы избежать окисления. Влияние отжига на удельное сопротивление меди иллюстрирует рисунок 5. Изменение механических свойств при отжиге, иллюстрирует рисунок 6, оказывается значительно более резким, чем изменение удельного сопротивления.

Стандартная медь, в процентах по отношению к удельной проводимости которой иногда выражают удельные проводимости металлов и сплавов, в отожженном состоянии при 20°С имеет удельную проводимость 58МСм/м, т. е. =0,017241 мкОм*м. Удельная проводимость меди - параметр, весьма чувствительный к наличию примесей. Нормированные свойства твердой и мягкой медной (а также, для сравнения, алюминиевой) проволоки даны в таблице 1. Твердую медь употребляют там, где надо обеспечить особо высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию: для контактных проводов, для шин распределительных устройств, для коллекторных пластин электрических машин и пр. Мягкую медь в виде проволок круглого и прямоугольного сечения применяют главным образом в качестве токопроводящих жил кабелей и обмоточных проводов, где важна гибкость и пластичность (не должна пружинить при изгибе), а не прочность,

Таблица 1 - Свойства медной и алюминиевой проволоки

ПараметрМедьАлюминийМТммATAMПредел прочности при растяжении р, МПа, не менее.360 -390260 - 280160 - 17080Относительное удлинение при разрыве,, % не менее0,5-2,518-351,5 - 210 -18Удельное сопротивление , мкОм , не более0,0179 - 0,01820,017540,02950,0290

Медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом. Поэтому она должна расходоваться весьма экономно. Отходы меди на электротехнических предприятиях необходимо тщательно собирать; важно не смешивать иx с другими металлами, а также с менее чистой (не электротехнической) медью, чтобы можно было подвергнуть эти отходы переплавке и вновь использовать в качестве электротехнической меди. Медь как проводниковый материал все шире заменяется другими металлами, в особенности алюминием.

Бинарные сплавы для контактов (Cu, Cu - Be, Cu - Те, Ag - Be и тд). Сплавы меди. В отдельных случаях помимо чистой меди в качестве проводникового материала применяются ее сплавы с оловом, кремнием, фосфором, бериллием, хромом, магнием, кадмием. Такие сплавы, носящие название бронз, при правильно подобранном составе имеют значительно более высокие механические свойства, чем чистая медь: р бронз может быть 800-1200-МПа и более. Бронзы широко применяют для изготовления токопроводящих пружин и т. п.

Введение в медь кадмия при сравнительно малом снижении удельной проводимости, показанного на рисунке 7, дает значительное повышение механической прочности и твердости. Кадмиевую бронзу применяют для контактных проводов и коллекторных пластин особо ответственного назначения. Еще большей механической прочностью обладает бериллиевая бронза (). Сплав меди с цинком (латунь) обладает достаточно высоким относительным удлинением перед разрывом при повышенном по сравнению с чистой медью пределе прочности при растяжении. Это дает латуни технологические преимущества перед медью при обработке штамповкой, глубокой вытяжкой и т.п. В соответствии с этим латунь применяют в электротехнике для изготовления всевозможных токопроводящих деталей. Состав и свойства некоторых медных сплавов, применяемых в электротехнике, указаны в таблице ниже в таблице 2.

Таблица 2 - Свойства медных электротехнических сплавов

СплавСостояниеУдельная проводимость по отношению к медиПредел прочности при разрыве Относительное удлинение при разрыве Кадмиевая бронза (0,9%Cd)Твердая отложенная83-90 95До 1050 3104 до 50Бронза (0,8%Cd, 0,6%Sn)Твердая отложенная50-55 55-60До 730 2904 до 55Бронза (2,5%Al, 2%Sn)Твердая отложенная15-18 15-18До 970 3704 до50Фосфористая бронза (7%Sn, 0,1%P)Твердая отложенная10-15 10-15До 1050 4003 до 60Латунь (30%Zn)Твердая отложенная25 25До 880 320-3505 до 60-70

4. ПЕРЕЧЕНЬ ТЕРМИНОВ

По стандарту ГОСТ 2.316-38

ВВТЭ-10-10/630У2 - Выключатель Вакуумный Трехполюсный Электромагнитный привод. 10 - номинальное напряжение в кВ, 10 - номинальный ток отключения в кА, 630 - номинальный ток в А, У2 - климатическое исполнение (Окружающая среда невзрывоопасная, атмосфера типа II ( промышленная)).

КРУ - Комплексное Распределительное Устройство

ВО - Включение - Отключение

КЗ - Короткое замыкание

КДВ - Камера Дугогасительная Вакуумная

ИДУУ - Индукционно-Динамическое Устройство Управления

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Л. Д. Рожкова, Л.К. Карнеева, Т.В. Чиркова «Электрооборудование электрических станций и подстанций», М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 448с.

. Н.П. Богородицкий, В.В. Пасынков, Б.М.Тареев «Электротехнические материалы», Издание шестое переработанное. Л., «Энергия», 1977. - 352с. С ил.

. Ю.В. Корицкий «Электротехнические материалы», учебник для техникумов. Изд.3-е, перераб. М., «Энергия», 1976г.

Больше работ по теме: