Стартовая >> Оборудование >> Выключатели >> Повышение токопропускной способности токоведущих систем электрических аппаратов

Повышение токопропускной способности токоведущих систем электрических аппаратов

токоведущая система высоковольтного выключателя

Распределение температуры вдоль токоведущих систем электрических аппаратов неравномерно. Наибольшую температуру имеет площадка соприкосновения контактов. Кроме того, в коммутационных аппаратах высокого напряжения при их включении происходит электрический пробой между сближающимися контактами, и тепловой поток от дуги включения приводит к дополнительному нагреву контактов, что может привести к их свариванию. Для обеспечения длительной работоспособности аппаратов температура токоведущих элементов ограничивается. Выравнивание распределения температуры путем снижения ее в контактной зоне позволит повысить токовую нагрузку аппарата. Одним из способов такого выравнивания является применение высокоэффективных теплопередающих устройств ("тепловых труб").
В особо неблагоприятных условиях находятся контакты вакуумных дугогасительных устройств, поскольку в них теплопередача через объем камеры к ее стенкам тепловым излучением чрезвычайно низка, передача теплоты конвекцией отсутствует. В связи с этим вся выделяемая в контактах и токоведущих стержнях теплота должна быть отведена практически лишь посредством теплопроводности в аксиальном направлении к выводам камеры, подсоединяемым, как правило, к охлаждающим радиаторам.
Отводимая из зоны контактирования на охлаждающие радиаторы теплота интенсивно рассеивается в окружающую среду, что существенно облегчает условия работы токоведущих элементов электрических аппаратов. Поэтому при использовании теплопередающего устройства необходимо обеспечить передачу теплового потока из зоны контактирования непосредственно на стенки наружного охлаждающего радиатора и лишь после этого на выводы (токоведущие шины).
Рассмотрим возможность повышения токовой нагрузки аппарата с помощью тепловой трубы на примере вакуумной дугогасительной камеры (ВДК). При этом теплопередающее устройство может быть встроено внутрь токоведущего стержня (рис. 1). В этом случае стенки токоведущего стержня 1 будут служить стенками камеры тепловой трубы, внутренняя поверхность которой выложена капиллярно-пористым фитилем 2 (несколько слоев металлической сетки), насыщенным жидкой фазой теплоносителя, а внутренний объем 3 заполнен паровой фазой теплоносителя. Тепло, поступающее от контактной площадки в зоне испарения 7, вызывает испарение теплоносителя. Пар перемещается под действием разности давлений в зону конденсации 6, где, конденсируясь, отдает токоведущему стержню теплоту парообразования. Под действием капиллярного давления в фитиле сконденсировавшаяся жидкость возвращается в зону испарения. Процесс повторяется непрерывно, осуществляя перенос теплоты парообразования от контактной площадки к фланцам ВДК и далее к наружному охлаждающему радиатору и выводам камеры.
схема теплопередающего устройства
Рис. 1. Принципиальная схема теплопередающего устройства, встроенного внутрь токопровода

Тепловая мощность, переносимая в результате парообразования, на несколько порядков выше, чем мощность, переносимая благодаря энтальпии рабочей жидкости в обычной конвективной системе. Поэтому тепловая труба способна передавать большей количество теплоты при малом размере установки.
Основными механизмами переноса теплоты в теплопередающем устройстве являются:
перенос теплоты посредством теплопроводности по стенке корпуса и фитилю в зоне испарения с последующим испарением на поверхности раздела жидкость — пар в этой зоне;
конвективный перенос скрытой теплоты парообразования паром от испарителя к конденсатору;
перенос теплоты посредством теплопроводности по стенке корпуса и фитилю в зоне конденсации с последующей конденсацией на поверхности раздела жидкость — пар в этой зоне.
Температурный напор в теплопередающем устройстве равен сумме температурных напоров в испарителе, паровом канале и конденсаторе. Благодаря тонкой структуре фитиля и малому температурному напору, необходимому для движения пара, были разработаны тепловые трубы, имеющие тепловые характеристики на порядок лучше любых известных твердых тел. В тепло- передающем устройстве на расположение испарителя не накладывается никаких ограничений, поэтому тепловая труба может работать при любой ориентации в пространстве.
Следует отметить, что выбор размеров, материала трубы, капиллярного фитиля и теплоносителя сопряжен с необходимостью учета целого ряда факторов (совместимость применяемых материалов, эффективность теплопередачи и др.). Анализ различных режимов работы тепловых труб показывает, что для ВДК наиболее приемлемы медная труба (являющаяся в этом случае одновременно токоведущим стержнем) и капиллярный фитиль из нескольких слоев медной сетки с использованием в качестве теплоносителя воды. Исходя из необходимых размеров токоведущей системы ВДК выбираются основные параметры тепловой трубы: наружный и внутренний радиусы цилиндрического стержня, длина тепловой трубы, длина зоны испарения и конденсации, толщина фитиля (и его параметры, характеризующие капиллярные свойства), радиус парового канала. Выбор параметров теплопередающего устройства. Оптимизацию параметров теплопередающих устройств можно произвести по двум параметрам: наружному диаметру токопровода и диаметру тепловой трубы, которые в свою очередь ведут к изменению баланса мощностей, а именно, к изменению выделяемой мощности в контактной системе и мощности, отводимой трубой.

Расчет стационарного теплового режима токоведущей системы ВДК на номинальный ток 1600 А (диаметр токопровода 38 мм), показывает, что использование встроенного внутрь токопровода теплопередающего устройства позволяет повысить токовую нагрузку этой системы до 3150 А без увеличения диаметра токопровода, в то время как нагрузка этой же системы током 2500 А без тепловой трубы приводит к существенному превышению допустимой температуры нагрева.
Увеличение диаметра тепловой трубы (без увеличения диаметра токопровода) повышает эффективность теплопередачи, однако при этом возрастает выделяемая в токопроводе тепловая мощность, поскольку уменьшается сечение токопровода и повышается его сопротивление. Применительно к токоведущей системе ВДК на 1600 А оптимальным является диаметр тепловой трубы dTT = 28 мм, поскольку в этом случае отводимая тепловая мощность превышает выделяемую. Дальнейшее увеличение диаметра тепловой трубы ограничивается требуемой механической прочностью токопровода.
Таким образом, применение тепловых труб в электрических аппаратах позволяет значительно увеличить токовую нагрузку на токопроводы без увеличения их активного сечения, что существенно повышает эффективность использования токопроводящих материалов в электрических аппаратах.

 
« Пневматические характеристики выключателей с пневматическим приводом   Предназначение некоторых вакуумных выключателей 10 кВ »
электрические сети