Принцип работы и устройство вакуумных выключателей высокого напряжения

Процесс отключения в вакуумном выключателе протекает сле­дующим образом. В момент расхождения контактов площадь их соприкосновения уменьшается, плотность тока резко возрастает и металл контактов плавится и испаряется в вакууме. При этом между контактами образуется проводящий мостик, состоящий из паров металла электродов. Загорается так называемая вакуумная дуга, которая гаснет при первом же переходе тока через нуль. Элек­трическая прочность вакуума восстанавливается очень быстро, так как малая плотность газа в колбе выключателя обусловливает исключительно высокую скорость диффузии электрических заря­дов из ствола дуги. Уже через 10 мкс после перехода тока через нуль электрическая прочность вакуума достигает своего полного значения 100 МВ/м. Если к этому времени раствор контактов ока­жется достаточным для того, чтобы электрическая прочность меж­контактного промежутка стала больше восстанавливающегося на­пряжения, дуга погаснет окончательно. В противном случае про­изойдет повторный пробой промежутка и повторное зажигание дуги.

При отключении вакуумным выключателем малых токов (не­сколько ампер или десятков ампер) может произойти преждевре­менное снижение тока до нуля до естественного перехода тока через нуль (срез тока), что объясняется очень быстрой деионизацией меж­контактного промежутка. Срез тока сопровождается, как и в дру­гих выключателях, перенапряжениями.

Для надежности работы вакуумного выключателя и увеличения срока его службы весьма существенной является износостойкость контактов, которые распыливаются во время горения дуги. При очень сильном распылении металла контактов может образоваться такое количество паров металла, что гашение дуги окажется невоз­можным. Опыт показал, что наиболее сильное распыление наблю­дается у контактов из латуни и меди. Тугоплавкие металлы, такие, как вольфрам или молибден, распыливаются сравнительно мало. С увеличением отключаемого тока распыливание металла кон­тактов растет, причем быстрее, чем увеличивается ток.

Таким образом, для повышения отключающей способности ва­куумного выключателя необходимо применять наиболее тугоплав­кие материалы для контактов.

С другой стороны, повышение тугоплавкости контактов увеличи­вает ток среза, что неблагоприятно сказывается на отключениях, вызывая опасные перенапряжения. Наибольший ток среза возни­кает при контактах из вольфрама, и он в 2,5 раза меньше при кон­тактах из меди.

Следовательно, для надежной работы вакуумных выключателей необходимы специальные материалы, обеспечивающие отключения больших токов и имеющие малый ток среза. К сожалению, метал­лов, удовлетворяющих одновременно обоим требованиям, нет, и поэтому широкое распространение получили вольфрам и молибден, которые допускают отключение токов свыше 4 - 5 кА, хотя при этом и возникают большие токи среза.

Современные вакуумные выключатели рассчитаны на отключение токов в пределах от 1,0 до 8,0 кА при напряжениях 3 - 20 кВ. Дуго-гасительная камера вакуумного выключателя представляет собою герметический вакуумный сосуд из металла и стекла, в котором поддерживается вакуум 10^-4 Па. Корпус камеры может быть изго­товлен не только из стекла, но и из других изоляционных материа­лов, которые вакуумно-плотно свариваются с металлом.

Внутри корпуса находятся два контакта — подвижный, соеди­ненный с корпусом при помощи сильфона, и неподвижный. Ход кон­тактов составляет всего 10 - 15 мм. Срок службы камеры (ресурс) очень велик – 100 - 250 тыс. операций. Для некоторых типов ка­мер ресурс составляет до 2 млн. операций включения и отклю­чения.

2.Индукционные, канальные и тигельные печи, устройство, расчет активной и пол­ной мощности.

По устройству канальная печь напоминает конструкцию силово­го понижающего трансформатора, первичной обмоткой которого явля­ется индуктор, а вторичной - расплавленный металл в виде замкну­того канала.

Индукционная канальная печь (рис.5.5) состоит из футерован­ной ванны 1, футерованной крышки 2, трех или шести индукционных единиц 3. В состав индукционной единицы входит индуктор - 4, магнитопровод 5, подовый камень 6, плавильный канал 7.

Канал может быть круглым, прямоугольным и овальным. Кожух печи выполняют из листовой стали, в печи имеются дверцы для обслуживания и сливной носок. Печь снабжена механизмом наклона для слива металла. Футеровку ванны печи выполняют из огнеупорных кирпичей. Индуктор выполняется из медных трубок, при больших мощностях (больше 250 кВт) трубки охлаждаются водой. Для изго­товления индуктора применяют трубки круглого или прямоугольного сечений, а также трубки специального профиля с утолщенной сторо­ной, обращенной наружу - к каналу с металлом.

Под действием эдс в канале с металлом возникает пере­менный ток, который разогревает металл. Тепловая энергия, вы­деляемая в металле под действием тока, определяется по выра­жению: Q=I₂²r₂τ,

где r₂- активное сопротивление металла в канале. Ом; τ -время протекания тока I₂ через канал.

Активная мощность печи, необходимая для расплавления метал­ла, массой G_m, за время τ _пл, определяется по формуле: P₁ = G_m С_эм/τ _плη_П,

где С_эм - энтальпия металла при температуре разливки, Вт. ч/кг;

η_П - общий кпд печи, берется по таблицам, составленным из практики эксплуатации печей.

Полная мощность, подводимая к индуктору, определяется по выражению

S₁=U₁I₁=P₁/cosφ

где I₁ ток индуктора; cosφ - естественный косинус фи пе­чи.

Активную мощность, выделяемую в канале, определяем по выра­жению:

P₂=P₁- P_ЭП = I₂r₂²

где P_ЭП - электрические потери в индукторе, Вт. Электрические потери индуктора состоят из потерь в меди Р_м и потерь в стали индуктора Р_с:

P_ЭП = Р_м + Р_с

Потери в меди и стали индуктора определяются по выражениям:

Р_м = I₁²r, Р_с = p_CG_C

где r - активное сопротивление индуктора. Ом; р_с - удельные потери в стали, Вт/кг; G_c - масса магаитопровода индуктора, кг. Сила тока в канале определяется по выражению

I₂ = I₁W₁

При сливе металла часть его остается в печи, во избежание замораживания ИКП. Если из печи вылить весь жидкий металл и заг­рузить холодную шахту, то она не расплавится, так как вторичная цепь будет разомкнута. Невозможность полного слива металла ус­ложняет переход от одной марки к другой, так как приходится про­водить несколько промежуточных промывочных плавок. Взаимодейс­твие тока индуктора с током, протекающим в металле (канале) печи, вызывает электродинамические силы, перемешивающие металл.

От воздействия тока в канале с магнитным потоком, создавае­мым этим же током, возникает сжимающий эффект, проявляющийся в сжимающем усилии, действующем на жидкий металл. При сильных маг­нитных полях усилия настолько велики, что могут вызывать пережа­тие металла в канале и прекращение протекания тока. Усилию сжа­тия противодействует статическое давление столба металла в кана­ле и вне его. В начале плавки давление столба металла в канале невелико, поэтому плавку начинают на небольших токах. По мере расплавления металла давление столба металла увеличивается, уве­личивают и ток индуктора. Для регулирования мощности тока ин­дуктора ИКП снабжаются многоступенчатыми электропечными транс­форматорами.

В ИКП плавят чугун, медь, алюминий, цинк, латунь, бронзу и другие металлы. Выпускают ИКП емкостью от 0,4 до 160 т жидкого металла. Кроме ИКП с вертикальным каналом выпускается и печи с горизонтальным каналом. Они обладают большей стойкостью футеров­ки ванны и канала.

Индукционные тигельные печи

Индукционная тигельная печь (рис.5.8) состоит из тигеля 1, индуктора 2, футерованной крышки 3, кожуха 4, расплавленного ме­талла 5. Принцип действия индукционной тигельной печи (ИТИ) основан на поглощении электромагнитной энергии материалом шихты. Распределение энергии в шихте зависит от частоты тока, гео­метрических соотношений диаметра тигля и диаметра индуктора, размеров и электрофизических свойств шихты.

Неравномерное расп­ределение энергии по сечению шихты ускоряет нагревание и расп­лавление шихты.

Энергия концентрируется в отдельных, прилежащих к стенкам тигля, слоях, вызывая их быстрое расплавление. Поскольку при изменении температуры изменяются как гео­метрические размеры сплавляемых друг с другом кусков металла, так и их магнитная проницаемость и удельное электрическое сопротив­ление, то частота тока выбирается из условий оптимального режима плавки, при которых процесс расплавления идет быстрее.

ИТП по частоте источника питания подразделяются на: а) печи промышленной частоты; б) печи средней частоты (150-12000 Гц) с питанием от машинных и тиристорных преобразователей частоты; в) печи высокой частоты (66 кГц и более) с питанием от ламповых и полупроводниковых генераторов.

Отсутствие канала упрощает конструкцию печи, позволяет пол­ностью сливать металл, облегчает осмотр и ремонт футеровки. ИТП получили распространение в металлургии спецсталей м сплавов. От­сутствие концентрированных источников тепла, углеродосодержащих электродов, позволяет получать стали и сплавы высокой степени чистоты по углероду и газам. Электродинамическое движение метал­ла обеспечивает получение однородного сплава с заданным химичес­ким составом. Однако в ИТП шлаки малоэффективны, так как нагре­ваются от металла. ИТП выпускаются емкостью 0, 06 - 60 т жидкого металла.

Мощность, которую необходимо подвести к индуктору для расп­лавления металла массой G_M и перегреве расплава до конечной тем­пературы t_MK, определяется по формуле

Р₁=Р_ПОЛ + ΣР_МП + Р_ЭП

где Р_пол - полезная мощность, необходимая для нагрева, расплавления шихты и перегрева расплава, Вт; ΣР_МП - суммарные тепловые потери печи, Вт.

Суммарные тепловые потери печи состоят из тепловых потерь через стены, под, крышку тигля и тепловых потерь излучением, методика их расчета изложена в [6].

Полезная мощность определяется по выражению

Р_ПОЛ = G_М(с_Ш(t_МП - t_Ш) + с_Ж(t_МК – t_МП) + λ_МП)/τ_ПЛ

где с_мк - температура плавления металла, °С; t_Ш - начальная температура шихты; °С; С_ш - удельная теплоемкость шихты, Вт.ч/кг*°С; С_ж - удельная теплоемкость жидкого расплава, Вт.ч/кг*°С; λ_МП - скрытая теплота плавления, Вт.ч/кг.

Полная мощность, подводимая к индуктору, определяется по выражению (5.20), активная мощность, выделяющаяся в тигле,- по выражению (5.21). Активная мощность P₁ может быть определена также по выражению

Р₁=Р_ПОЛ/η_П= Р_ПОЛ/η_Эη_М

где η_Э,η_М - соответственно, электрический и тепловой кпд печи.