автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Анализ процессов во взрывобезопасных оболочках для создания рудничных электрических аппаратов на напряжение до 1200 В.

ДОНЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Кардаш Валерій Владиславович

АНАЛІЗ ПРОЦЕСІВ У ВИБУХОБЕЗПЕЧНИХ ОБОЛОНКАХ ДЛЯ СТВОРЕННЯ РУДНИКОВИХ ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ НА НАПРУГУ ДО 1200 В

Спеціальність 05.09.01 - Електричні машини і апарати

УДК.621.313

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Донецьк 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому державному технічному університеті (ДонДТУ) Міністерства освіти і науки України, м. Донецьк.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Дзюбан Віталій Серафимович, заступник директора Українського науково-дослідного, проектно-конструкторського та технологічного інституту вибухозахищеного та рудникового електрообладнання з дослідним виробництвом (УкрНДІВЕ)

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Сосков Анатолій Георгійович,

Харківська державна академія міського господарства, завідувач кафедри електротехніки

кандидат технічних наук, доцент Короіденко Олександр Володимирович,

Донецький державний технічний університет, доцент кафедри електромеханіки і теоретичних основ електротехніки

Провідна установа: Харківський державний

політехнічний університет Міністерства освіти і науки України, м. Харків, кафедра електричних апаратів

Захист відбудеться » ЧіРвня________________ 2000 року о годині на

засіданні спеціалізованої вченої ради К. 11.052.02 при Донецькому державному технічному університеті за адресою:

Україна, 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, корп.1, кімн. 201

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці ДонДТУ за адресою:

Україна, 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, корп.2

Автореферат розісланий « 19 » Травня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої УІ/} /? »

вченої ради К.11.052.02 к.т.н.. ппнент_____^-------------------Ларін-АМг

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Вугільна, хімічна, нафтопереробна, газова і інш. галузі промисловості, що грають важливу роль в економіці, характеризуються вибухонебезпечними умовами виробництва. Продуктивна і безпечна робота технологічних комплексів в цих галузях в істотній мірі залежить від надійної, безвідмовної роботи вибухобезпечного енергоустаткування, в тому числі рудникових вибухобезпечних комплексних електричних апаратів (РВЕА) (рудникові пускачі, автоматичні вимикачі, комплектні пристрої управління та ін.).

У розвиток і вдосконалення РВЕА (теорію, розробку, виробництво) значний внесок внесли ряд вчених країн СНД, до числа яких потрібно віднести Грубу В.І., Дзюбана B.C., Жигнікова В.К., Колосюка В.П., Полторака А.П., Рімана Я.С., Розгильдєєва Г.І., Савіцкого В.Н., Серова В.І., Симонова Н.Ф., Щуцького В.І. і багатьох інших.

Вибухонебезпечні умови експлуатації пред’являють специфічні вимоги до конструкції і електричної схеми РВЕА, елементи управління і захисти яких укладені у вибухонепроникливу оболонку із мірою захисту від пилу і вологи ІР54. Це ускладнює теплообмін РВЕА з навколишнім середовищем, приводить до накопичення продуктів дугогасіння в закритих оболонках обмеженого об’єму. У результаті знижується термін служби, відбуваються відмови і вихід з ладу РВЕА. Це особливо властиве для енергоустаткування на напругу 660 і 1140 В, із застосуванням яких пов'язані якісні і кількісні зміни, що характеризують процеси дугогасіння та рівень ізоляції РВЕА.

В основі відмов РВЕА полягяє окислення контактних з’єднань, руйнування електричної ізоляції і лакофарбових покриттів через дію на них агресивного середовища (продуктів дугогасіння). Подальше вдосконалення РВЕА повинно проводитись на основі вивчення явищ, супроводжуючих комутаційні процеси у вибухонепроникливій оболонці. Тому дослідження і вдосконалення РВЕА є актуальною науково-технічною задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до комплексної цільової науково-технічної програми “Електротехніка” Мінмашпрому (нині - Державний комітет по промисловій політиці) України, програм Мінвуглепрому України, тематичних наукових планів УкрНДІВЕ.

Метою роботи є встановлення суті явищ і процесів у вибухонепроникливій оболонці електричних апаратів в залежності від умов і режимів їх роботи і з урахуванням конструктивних особливостей і об’єму самої оболонки, і на цій основі - подальше вдосконалення найважливіших експлуатаційних характеристик рудникових вибухобезпечних комплексних електричних апаратів.

Задачі досліджень. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

• встановити фізичну суть процесів і явищ у вибухонепроникливих оболонках РВЕА, що приводять до інтенсивного пошкодження електричної ізоляції і захисних покриттів;

• обгрунтувати міру впливу струмо-часових параметрів навантаження на формування мікроклімата оболонки і нагрів елементів РВЕА;

• розробити математичні моделі і методику розрахунку температури нагріву і визначити концентрацію продуктів дугогасіння всередині вибухонепроникливої оболонки в функції параметрів підключеного навантаження;

• створити модель перехідного опору контактних з’єднань з покриттям контактів різними металами і способами;

• розробити методику поліпшення масогабаритних показників з урахуванням нагріву елементів РВЕА в робочих режимах, включаючи нагрів феромагнітних елементів в змінному електромагнітному полі.

Ідея роботи полягає в тому, що на основі розроблених математичних моделей, оцінки теплового стану РВЕА і впливу мікроклімата на функціональну здатність елементів і РВЕА загалом запропонувати шляхи вдосконалення РВЕА, реалізація яких дозволила б підвищити ресурс і надійність роботи, поліпшити найважливіші експлуатаційні показники РВЕА.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

• на основі багатофакторного експерименту вперше отримана мате-матична модель нагріву повітря всередині оболонки РВЕА з урахуванням струму навантаження, частоти циклів включення-відключення (ВВ) і тривалості включення підключеного навантаження, яка відрізняється можливістю урахування впливу окремих факторів, та дозволяє намітити основні шляхи удосконалення апаратів;

• отримане аналітичне рівняння концентрації продуктів дугогасіння у вибухонепрониюгавій оболонці в функції струмо-часових параметрів підключеного струмоприймача, яке відрізняється окремим обліком впливаючих факторів при варіюванні їх в широких межах;

• запропоновано метод визначення температури феромагнітних еле-ментів конструкції РВЕА, який відрізняється обліком додаткового нагріву цих елементів в змінному електромагнітному полі всередині оболонки, зумовленому струмом навантаження;

• розроблена модель перехідного опору контактних з’єднань в функції наробки на відмову, відмінна тим, що дозволяє враховувати фактор технічного обслуговування, а також види і способи нанесення покриттів з різних металів.

• Практичне значення отриманих результатів складається:

• в розробці моделі нагріву повітря, що дозволяє розраховувати нагрів і параметри атмосфери всередині оболонки РВЕА для реального режиму роботи підключених струмоприймачів;

• в розробці і реалізації у вигляді комп’ютерної програми розрахунку температури нагріву елементів РВЕА для будь-якого випадкового режиму роботи, що дозволяє моделювати експлуатаційні режими і навантаження підключених гірничих машин і механізмів;

• в розрахунку нагріву феромагнітних елементів, запропонованих на основі рекомендацій і обліку геометричних розмірів конструктивних і струмопровідних елементів;

• в розробці практичних рекомендацій по застосуванню захисних покриттів контактних з’єднань, встановленню найбільш переважних покриттів, що забезпечують необхідну наробку на відмову;

• у визначенні коефіцієнта перевантаженая РВЕА, виходячи з гранично допустимих температур нагріву елементів, тривалості включення і роботи електроприводів підключених ГММ;

• у визначенні шляхів зниження нагріву струмопровідних прохідних шпильок шляхом збільшення поверхні охолоджування, зниження нагріву під‘єднальних затисків, зменшення перехідних опорів;

• в розробці рекомендацій по підвищенню найважливіших експлуатаційних характеристик, реалізованих в серіях вибухобезпечних пускачів ПРВ і ПРВІ на напругу до 1140 В.

Методи досліджень. Теоретичні дослідження базуються на положеннях теорій електромагнітного поля, феромагнетизма, нагріву і тепломасообміну, а також на математичних методах регресіонного аналізу і теорії ймовірності. Експериментальні дослідження виконані на повномасштабних фізичних моделях з використанням багатофакторного запланованого експеримента і сучасних метрологічних приладів.

Достовірність отриманих результатів і їх реалізація підтверджуються зіставленням чисельних і експериментальних досліджень і випробувань дослідних і серійних зразків, виконаних на лабораторній базі УкрНДІВЕ, а також в умовах шахт Донбасу (розходження не перевищує 12%). Розроблені методики розрахунку і підходи впроваджені при проектуванні РВЕА в нових серіях пускачів ПРВ і ПРВІ, виробництво яких організоване на Торезькому електротехнічному заводі і дослідно-експериментальному заводі УкрНДІВЕ.

Випробування результатів роботи. Основні положення дисертації, її окремих розділів докладалися і обговорювалися на розширених засіданнях кафедр ДонДТУ «Електричні машини» і «Гірнича електротехніка і автоматика», на міжнародній НТК «Машинобудування і техносфера на рубежі

XXI віку» (м. Севастополь, вересень 1999 р.), на НТС УкрНДІВЕ і отримали схвалення.

Публікації. За гемою дисертації опубліковано дев’ять наукових робіт в фахових виданнях України, зокрема одне авторське свідотство.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, висновку, списку використаної літератури, додатків. Повний зміст роботи викладений на 248 сторінках машинописного тексту, з них вступ - на 6 сторінках, зміст п’яти розділів (з 47 ілюстраціями та 25 таблицями) - 137 сторінок, список використаних джерел (в кількості 100 найменувань) - 11 сторінок, додатки (в кількості 9 розділів) - 67 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність роботи, сформульовані цілі і задачі досліджень, охарактеризовані наукова новизна і практична значимість результатів досліджень.

У першому розділі проведений огляд і аналіз існуючих рудникових вибухобезпечних комплексних електричних апаратів (РВЕА): станцій

управління, комплектних пристроїв управління, автоматичних вимикачів, пускачів, комплектних розподільних пристроїв. Зазначено, що, незважаючи на різноманітність форм і типів вибухонепроникливих оболонок і різне призначення РВЕА, всі вони мають ряд спільних властивостей: нівидковідчиняєма кришка, вибухозахисний зазор, захист від пилу і вологи, вільний об’єм і коефіцієнт заповнення оболонки, що комплектує силові апарати, блоки управління і захисту, ввідні пристрої, проходньїе шпильки та ін. Основні закономірності і характеристики РВЕА при їх роботі також подібні: включення і відключення силових комутаційних апаратів, нагрів і накопичення продуктів дугогасіння в обмеженому об’ємі оболонки, термін служби і відмови в процесі експлуатації і ін. Це дозволяє дослідити закономірності на одному з базових представників РВЕА з найбільш характерними і вираженими режимами і умовами роботи, і потім розповсюдити отримані результати на всі інші апарати з урахуванням їх специфічних особливостей.

Базовим РВЕА вибрано рудниковий вибухобезпечний електромагнітний пускач, оскільки: по-перше, всі інші комплексні апарати або комплектуються аналогічними комутаційними апаратами, блоками управління і захисту, або включають декілька подібних апаратів; по-друге, сам пускач є комплексним апаратом (включає роз'єднувач, контактор, силовий струмопровод, елементи управління І захисту, розміщені V вибухонепрониктшвій пЯпппиці); п^-трртг робота пускача характеризується досить частими пусками, включенням і

відключенням пускових струмів, на багато разів перевершуючих номінальний, і як результат — відносно малий термін служби пускача.

Розглянуто технічний рівень рудникових вибухобезпечних пускачів (РВП), який визначається сукупністю його технічних характеристик і параметрів. З урахуванням специфіки режимів роботи РВП повинен мати високу комутаційну здатність і зносостійкість при можливо малих масі і габаритах. Дана оцінка технічного рівня РВП різних серій, використовуючи коефіцієнт рівня Ку, і визначені переважні шляхи вдосконалення РВП для досягнення високої зносостійкості при роботі у важких режимах, зумовлених особливостями гірничого технологічного обладнання.

Відповідно до виконаного аналізу вимог, що пред’являються до вибраного базового РВЕА, і з урахуванням режимів його роботи сформульовані цілі і задачі досліджень.

У другому розділі наведені результати дослідження мікроклімату, що створюється у вибухонепроникливій оболонці при комутації навантаження і нагріві РВЕА, визначені її основні термодинамічні характеристики (рис.1).

%

и

X *

* *

аТ

а)

Відазсна вологість навюлшііьопз середвивд 1-100%; 2-80%; 3-60%

б)

Рисунок 1 - Залежність витисненого об ’ему повітря (а) і відносної вологості (б) від температури перегріву повітря всередині оболонки

Теплове “дихання” має циклічний характер, тобто процес витиснення обсягу повітря з оболонки в процесі нагріву чергується з процесом втягування зовнішнього повітря при охолодженні РВЕА під час паузи. Внаслідок теплового “дихання” вогкість в оболонці підтримується в межах 40...60% при вологості навколишнього середовища 95...98%.

Основними компонентами, що визначають агресивність атмосфери всередині оболонки РВЕА, є продукти горіння електричної дуги: озон і оксиди азоту. З’єднуючись з парами води, вони створюють азотну і азотисту кислоти, які негативно впливають на контактні з’єднання, електричну ізоляцію і рухомі

з’єднання всередині РВЕА, сприяючи згодом виникненню відмов і зменшенню їх терміну служби. Так (рис.2), на першому етапі (прямолінійній дільниці) відбувається накопичення оксидів в оболонці (коефіцієнт пропорціональності між кількістю виділених оксидів і енергією дуги при комутації становить (7,5...8,0)*10'9 г/Дж), на другому (спадаючому) - руйнування металевих і лакофарбових покриттів, корозія оболонки і контактних з’єднань, на третьому (заключному) встановлюється умовно равноваговий стан кількісних співвідношень з накопиченням негативного впливу агресивного середовища.

Рисунок 2 - Залежність концентрації оксидів азоту від числа напрацьованих циклів включення-відключення для пускачів 1 - ПВІ-320, 2-ПВІ-250, 3.4-ПВІ-125.

Приводяться також найбільш значущі фактори, що впливають на концентрацію оксидів азоту в оболонці РВЕА (величина і коефіцієнт потужності підключеного навантаження, частота циклів ВВ), для встановлення яких був проведений статистично спланований повнофакторний експеримент (ПФЕ) типу 23 (табл.1) з подальшою рандомізацією дослідів з використанням таблиць випадкових чисел і обробкою результатів.

Таблиця 1 - Основні рівні і інтервали варіювання факторів ПФЕ

Впливаючі фактори Умовне позначення Рівень < іакторів Інтервал варіювання

верхній нижній

Потужність підключенного навантаження, кВА XI 285 135 150

Кіл-ть циклів ВВ в годину Х2 4800 2400 2400

Фазний кут, ел. град. ХЗ 70 50 20

Вказується, що після визначення всіх коефіцієнтів регресії для функції У = + Ь]Хі + Ь%Х2 + 2 Ь]зХіХ3 + Ь2$X2Х$. (1)

дичнячяпяі-.я вігттт<прюг:янір.ть лпгтгіпів пп критерію Кпхреия я тякпиг чнячиміпть

коефіцієнтів регресії по розрахунковому критерію Стьюдента.

Адекватність отриманої моделі підтверджена шляхом розрахунку дисперсії адекватності по критерію Фішера і порівняння його з табличним значенням. Модель (1) в натуральних факторах

У = -0&9-9,88■ 10~4 X, +1,98■ 10~4X2 +6,12-10~2Х3 +2,08-10^Х,Х2 (2) дозволяє моделювати процеси, що відбуваються у вибухонепроникливій оболонці РВЕА при варіюванні впливаючих факторів (рис.З).

Міра негативного впливу агресивної атмосфери на стан контактних з’єднань була оцінена на основі результатів дослідження двох повномасштабних фізичних моделей РВЕА. У якості покриттів, що досліджуються, використовувалися різні матеріали (див. табл.2).

Таблиця 2 - Параметри регресійного рівняння

Вид покриття Коефіцієнти регресії

Пускач 1 Пускач 2

а, мОм ь,х ю-4 Ь0, мОм а, мОм Ь,х 10-4 Ьд, мОм

Срібло (Г) 3 0,36 1,08 2 0,61 0,06

Нікель (Л) 2 0,616 0,096 2 0,805 0,0773

Нікель (Г) 2 0,64 5,4 0 0,70 9,8

Олово-вісмут (Г) 4 0,69 0,372 -7 0,585 9,57

Олово-нікель (Г) 3 0,502 0,125 2 0,838 0,406

Олово(Л) 3 0,81 0,015 3 0,80 0,301

Олово (Г) 2 0,689 0,038 3 0,927 0,108

Зазначається, що необхідну напрацювання на відмову забезпечили контакти з покриттям сріблом, оловом і нікелем. Роз’єм контактних з’єднаннь негативно позначився на величині перехідного опору. Напрацювання на відмову з’єдань, що обслуговуються (систематично розмикаються) в процесі експлуатації контактів, в 1,3...2,0 раз нижче, ніж тих, що необслуговуються (не роз’єднуються). Отримана залежність перехідного опору апроксимована експоненційною залежністю:

де 11Пер - перехідний опір, мОм;

X- кількість відпрацьованих циклів ВВ;

а, Ьо, Ьі - коефіцієнти апроксимації, що визначаються з початкових умов і розрахунковим шляхом (див. табл.2).

Зазначається, що в феромагнітних елементах мають місце втрати, зумовлені вихровими струмами, що наводяться змінним електромагнітним полем, що створюється великими струмами силового кола РВЕА. Так, якщо електромагнітну хвилю розглядати у вигляді плоскої, а конструктивні елементи, в яких наводяться струми, у вигляді тороїда, по осі якого проходить силовий провідник зі струмом, то потужність втрат:

де А - константа, що залежить від його геометричних розмірів (к, сі та ін.)

Розрахунок по залежності (5) в зіставленні з експериментом зумовлює погрішність, що не перевищує 11 %.

У третьому розділі представлена математична модель нагріву і методи підвищення струмонавантаження РВЕА. Головним фактором, що визначає нагрів апарату, є величина струму навантаження і режим роботи. З метою дослідження його впливу були проведені обширні експериментально-статистичні дослідження режимів роботи РВЕА, аналіз результатів яких показав, що тимчасові параметри роботи і пауз підкоряються розподілу Вейбулла з параметрами форми, масштабу і зсуву, струменеве навантаження РВЕА, що керують АД електроприводів очисних комбайнів, - логарифмічно нормальному закону розподілу з коефіцієнтом варіації 32...41%, а РВЕА, керуючих приводами скребкових конвейєрів, - нормальному закону розподілу з коефіцієнтом варіації 13...17%.

Моделювання струмо-часових параметрів навантаження, використовуючи методи Монте-Карло і математичної стятистию^ може бути. використане для обчислення еквівалентних струмів, тривалості протікання струму, тривалості включення, частоти циклів ВВ.

(4)

де А, й—висота і діаметр тороїда, м; со = 2ц[ - кутова частота, с'1;

ре=а(- й]І - магнітна проникність при І < 400 А, Гн*м_1; у - питома провідність, Ом'^м'1;

Нт = - амплітуда напруженості магнітного поля, А*м'‘,

а перевищення температури елементів пускача

Приводяться результати досліджень нагріву РВЕА в стандартних режимах роботи (рис 4). При цьому контролювався нагрів таких елементів РВЕА, як ввідні (1), вивідні (7) і прохідні (4) затиски, роз’єднувач (2), силові контакти роз’єднувача (3) і контактора (6), а також притичні контакти (5) в функції часу (а) і струму навантаження (б).

!

.... і .

і

і

У

6)

Рисунок 4 - Нагрів елементів пускача в тривалому режимі

Нерівномірність нагріву елементів вздовж і по полюсах викликана відмінностями в масі, величині охолоджуючої поверхні, розкидами лінійних розмірів і натиснень контактних з’єднувачів. Перегрів вказаних елементів пропонується визначати, використовуючи вираз:

А?;- = Vі", (6)

де І- струм навантаження;

^ІпІ^ІпЬТ, ІпШ'і

и і --

. І=1

1=1

І=1

і=і

Ь( =ехр[~С£1пАТ -Ь^пІ,)].

N ы ' (=/

(7)

(8)

З урахуванням нагріву елементів РВЕА в тривалому режимі оцінений нагрів в повторно-короткочасному режимі, виходячи з одних і тих же допустимих значень температур. Приводяться рівняння для визначення нагріву елементів РВЕА для повторно-короткочасного режиму роботи з довільними параметрами:

ДЧ*0 = ь°]Ь‘ і1 - ехРІ ь^ш + **„)]}; (9)

Д7>и ~ ^Ь‘ ЄХРІ~ ^2+ 0;о)]

(10)

де Ьі - величина, зворотна постійній нагріву елемента, с'1; ірі - тривалість роботи і паузи відповідно, с;

/ АТ,

Ь2 001

, 1 , Л7^, Ір =---------Іп -------і-

0 ь7 Ьпіь'

ь,

(12)

>2 ч0і

АТРі ] - температура в кінці попереднього циклу, °С;

АТКі - температура при відключенні навантаження в даному інтервалі, °С.

У лабораторних умовах для перевірки розрахункової залежності були відтворені деякі із записаних в умовах шахти режимів. Розрахунки з урахуванням прийнятих припущень і зіставлення їх з експериментом показали, що погрішність визначення перегріву не перевищує 10% (рис.5).

Рисунок 5 - Розрахункова (суцільналінія) і еспериментальна (пунктирна) залежність температури перегріву притичних контактів (]) і ввідного затиску (2)

Підкреслюється при цьому, що на нагрів елементів РВЕА найбільший вплив надають струм навантаження (/), тривалість включення (ТВ) і частота циклів ВВ (М), які і були вибрані для проведення ПФЕ типу 23, а як відгук прийнята температура повітря всередині вибухонепроникливої оболонки по відношенню до навколишнього середовища, тобто модель:

ЬТе=-15,,8 + 0,116-1 + 0,0371 ■ N -0,0768 -ТВ + 0,0019 ■ І -ТВ, (13)

адекватність якої перевірена при проведенні стендових випробувань пускача ПВІР-250 в режимі 84. Розходження розрахункових і експериментальних значень температур не перевищує 6... 12%. Вказується, що РВЕА в тепловому відношенні можна представити у вигляді теплової моделі, характерним для якої

є розділення всіх поверхонь на окремі, умовно ізотермічні дільниці, при замінг-складних за формою нагрітих зон реального апарату прямокутним

п.

паралелепіпедом. У зв’язку з низьким заповненням об’єму оболонки (12... 18%) роль конвективного теплообміну при температурах перегріву 40,.,60°С не істотна і її можи а не враховувати. Зазначається, що теплопередача в РВЕА відбувається головним чином за рахунок теплопровідності.

Приводиться методика теплового розрахунку РВЕА на основі коефіційного методу. Початковими даними на першому етапі для розрахунку середнього перегріву вибухонепроникливої оболонки відносно навколишнього повітря є потужність джерел виділення тепла ТР, міра чорноти поверхні Ке, температура Кт, тиск Кн, а також площа поверхні К5:

АТ0=ТР-Кх-Кт-Кє-Кн, (14)

де Кт = 1,09 - 0,45 -10'2 -Гс; (15)

Тс - температура навколишнього середовища, °С.

=б + 0,095-(Руд-50); (16)

ТА2^боовт.„-> = 25 + 0,064-(Руд-250). (17)

Температура нагрітої зони Т всередині оболонки РВЕА відносно самої оболонки визначається з урахуванням питомого теплового потоку нагрітої зони АТ, коефіцієнтів, що враховують заповнення К3, геометричні розміри Кь, температуру Кт:

Т = АТ ■ Кь - К3-Кє- Ки • Кт. (18)

Так, вказується, що розрахункова температура оболонки, наприклад, пускача ПВІ-250 дозволила визначити її перегрів відносно навколишнього повітря 42°С (проти 45°С - експеримент).

Зазначається, що при заданому навантаженні і відомому внутрішньому опорі РВЕА коефіційний метод дозволяє розрахувати нагрів (перегрів) РВЕА з помилкою не більше, ніж 10%.

У четвертому розділі викладені методи підвищення питомого струменевого навантаження і зниження теплових втрат в силовому струмопроводі (шпильках, контактних затисках) РВЕА за рахунок виконання їх порожнистими (свердлування некрізного отвору по подовжній осі шпильки) з урахуванням вимог вибухобезпеки. Це забезпечує зниження температури струмопровідних шпильок на 12...15°С (рис.6а). Вказується, що для зниження теплових втрат в контактних прохідних і приєднувальних затисках запропоновано виготовляти їх з парамагнітного матеріалу або забезпечувати прорізами. Температура нагріву цих елементів (рис.66) при цьому знижується відповідно на 40 і 20°С. Перевага вказаних технічних рішень визначається економіко-технологічними міркуваннями.

а)

б)

Рисунок б - Перегрів струмопровідних шпильок (а) і приєднувальних затисків (б)

Рудникові апарати маркіруються за номінальним струмом тривалого режиму, а найбільш частий режим в реальних умовах - повторно-короткочасний. Розглянута аналогічно з електричними машинами і трансформаторами міра можливого збільшення допустимого струменевого навантаження РВЕА. Виходячи з виразів для розрахунку температури апарату в повторно-короткочасному режимі, в роботі запропонована залежність, що дозволяє перевантажувальну здатність визначати як відношення допустимого робочого струму до номінального Ін з обліком часу роботи тривалості

включення ТВ% і постійної нагріву Т таким чином:

і

(

Ін

100*1я

1-е т*тв

_<я_

1-е~т

(19)

Так, для ТВ=40...60% і усередненого часу роботи 15...ЗО хв допустиме перевантаження по струму К < 1,5 (див. рис.7).

Рисунок 7 - Коефіцієнт перевантаження по струму в функції ТВ% / тривалість роботи при~ТВ=80% (1), ТВ=40% (2), ТВ^10%~(3)~.

Нагрів і інтенсивність виділення продуктів дугогасіння в РВЕА зумовили необхідність кардинального удосконалення конструкції електромагнітного контактора РВЕА. З участю автора на основі експериментальних досліджень був розроблений і уперше застосований в РВЕА на напругу 660 В вакуумний контактор, який дозволив практично повністю виключити виділення агресивних продуктів дугогасіння в оболонці РВЕА, а також забезпечити його запас по нагріву на 10... 18°С, збільшити номінальне струменеве навантаження пускача з 320 А до 375 А, а при заміні латунних струмоведучих елементів на мідні - до 400 А. Все це досягнуте за рахунок зниження негативного впливу поверхневого ефекту, нагріву феромагнітних елементів і збільшення поверхні охолоджування.

Виконані дослідження нагріву основних комплектуючих апаратів на відкритому повітрі і в оболонках різного об’єму дозволили визначити необхідну міру зниження номінального струму цих апаратів при розміщенні їх в оболонці з урахуванням коефіцієнта заповнення (рис.8).

Зазначається, що при існуючих Кз = 0,12...0,18 вибухонепроникливої оболонки номінальний струм РВЕА потрібно знижувати на 10... 15%, виходячи з допустимих температур нагріву самого РВЕА.

Рисунок 8 - Зниження номінального струму РВЕА в функції Кз

У п’ятому розділі представлені результати розробки спеціальних стендів для проведення експериментальних досліджень і дослідницьких випробувань, а також РВЕА, розроблених з урахуванням отриманих результатів досліджень і сформульованих рекомендацій.

Розроблені з участю автора стенди і методичне забезпечення дозволяють провести дослідження РВЕА практично в будь-яких режимах із завданням необхідних навантажень, частот циклів ВВ, рівня напруги і ін., в тому числі і відповідно до методики проведення багатофакторного експерименту, а також контрольних типових державних випробувань РВЕА на номінальні струми до 500 А. Стенди обладнані спеціальними метрологічними приладами, що дозволяють контролювати і враховувати величину струму, напруги, температури в різних точках РВЕА, що досліджуються. Стенди забезпечують відтворення, а також необхідну послідовність операцій при проведенні

випробувань, характер, величини і час дії навантажень, точність результатів досліджень. Розробка стендів високого рівня, а також методичного і метрологічного забезпечення дозволяють в своїй сукупності вести високоефективні наукові дослідження і розробки по створенню як нових, так і модернізації існуючих РВЕА.

Результати досліджень, отриманих з використанням запропонованих методик, впроваджені у виробництво в нових пускачах серії ПРВІ на струми 250, 320 і 400 А і автоматичному вимикачі АВ-400.

Економічний ефект від впровадження результатів досліджень отриманий за рахунок підвищення ресурсу при експлуатації і зниження витрати кольорових і чорних металів у виготівника. Так, при серійному випуску зниження витрат на виготовлення пускача нової серії становитимуть 645 грн. на одиницю, а при річній програмі 160 шт. економічний ефект становить 103,2 тис. грн. на програму.

У додатках представлені протоколи і робочі методики випробувань, методичні вказівки по атестації стендів, програма обробки експериментальних даних, акти і довідки про впровадження результатів роботи.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ ПО ДИСЕРТАЦІЇ

У дисертаційній роботі отримане рішення актуальної науково-технічної задачі, що полягає у встановленні суті явищ і процесів у вибухонепроникливій оболонці електричних апаратів з урахуванням умов і режимів їх роботи, а також конструктивних особливостей і об’єму самої оболонки з метою

подальшого вдосконалення найважливіших експлуатаційних характеристик і показників рудникових вибухобезпечних комплексних електричних апаратів (РВЕА), що має важливе значення для виробництва електричних апаратів і їх експлуатації у вибухонебезпечних середовищах.

Основні наукові і практичні результати роботи:

1. Розроблені технічні рішення, що дозволили підвищити надійність і термін служби РВЕА, поліпшити його масогабаритні показники:

• запропоновані і на основі позитивних результатів досліджень впроваджені нові вакуумні контактори замість повітряних електромагнітних, що дозволили значно підвищити ресурс РВЕА і практично виключити виділення продуктів дугогасіння всередині вибухонепроникливій оболонки;

• розроблений пристрій виключення комутацій в найбільш жорсткому

режимі роботи, що зоільшує надійність і термигслужби-апаратів;-----

• досліджені, сформульовані і впроваджені рекомендації по зниженню втрат в феромагнітних елементах конструкції і по збільшенню

поверхні охолоджування при тих же струменевих навантаженнях, що дозволили зменшити габарити і масу апаратів.

2. Запропоновані для різних режимів роботи методики:

• розрахунку нагріву РВЕА в різних режимах його роботи, використовуючи закономірності для тривалого режиму з урахуванням параметрів випадкового режиму і додаткових теплових втрат в змінному електромагнітному полі;

• теплового розрахунку з використанням коефіцієнтного методу, при якому всі впливаючі фактори враховуються через відносні коефіцієнти, що дозволяє при заданому навантаженні і вимірюванні внутрішнього опору апарату прогнозувати очікуваний його нагрів;

• розрахунку коефіцієнта перевантаження апарату при заданих тривалостях роботи і включення, виходячи з допустимих температур нагріву його елементів.

3. Виконані аналіз і оцінка режимів роботи основних гірничих технологічних машин і механізмів, керованих РВЕА, для їх подальшого натурного моделювання з використанням повномасштабних фізичних моделей і дослідження в стендових умовах.

4. Розроблена модель перехідного опору контактних з’єднань і запропоновані покриття і способи їх нанесення.

5. Створені стенди, що забезпечують адекватність режимів, що моделюються, і розроблені методики стендових досліджень і випробувань апаратів, які дозволяють отримати високу достовірність результатів експерименту.

6. Основні результати роботи використані при розробці РВЕА нових серій: пускачі ПРВ, ПРВІ, автоматичні вимикачі АВ-Д04, комплектні пристрої УК-6. Перераховані РВЕА серійно виготовляються Торезьким електротехнічним заводом (ТЕТЗ), Костянтинівським заводом високовольтних апаратів (КЗВА) і дослідно-експериментальним заводом УкрНДІВЕ.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Симонов Н.Ф., Кардаш В.В. Исследование переходных сопротивлений контактов штепсельных разъемов в искробезопасных цепях взрывозащищенных аппаратов // Разработка и исследование взрывозащищенного электрооборудования: Сб. науч. тр. ВНИИВЭ. - Донецк, -1981.-С. 133 -138.

2. Симонов Н.Ф., Кардаш В.В. Исследование нагрева ферромагнитных элементов рудничных электромагнитных пускателей // Взрывозащищенные

рудничные аппараты напряжением до 1200 В: Сб. науч. тр. ВНИИВЭ. -Донецк: ВНИИВЭ, - 1986. - С. 113 - 118.

3. Макаров М.И., Кардаш В .В., Серезентинов Г.В. Исследование нагрева силовой цепи пускателя ПВИ-250 в различных режимах работы // Повышение технического уровня взрывозащищенного электрооборудования: Сб. науч. тр. ВНИИВЭ. - Донецк: ВНИИВЭ,- 1987.-С. 111 - 117.

4. Кардаш В.В. Исследование влияния режима работы нагрузок на температуру воздуха и концентрацию окислов азота внутри оболочки электромагнитного пускателя ПВИ-250 // Взрывозащищенные электрические аппараты: Сб. науч. тр. ВНИИВЭ. - Донецк: ВНИИВЭ, - 1989. - С. 82 - 86.

5. Кардаш В.В., Серезентинов Г.В. Вероятностные расчеты электрических нагрузок взрывозащшценных коммутационных аппаратов // Взрывозащшценные коммутационные аппараты: Сб. науч. тр. ВНИИВЭ. -Донецк: ВНИИВЭ, - 1991. - С. 20-27.

6. Кардаш В.В., Серезентинов Г.В. Коэффициентный метод теплового расчета взрывозащшценного пускателя // Взрывозащшценные коммутационные аппараты: Сб. науч. тр. ВНИИВЭ. - Донецк: ВНИИВЭ, - 1991. - С. 27- 31.

7. Кардаш В.В. Методы теплового расчета и повышения удельной нагрузки рудничных пускателей // Взрывозащищенное электрооборудование: Сб. науч. тр. УкрНИИВЭ. - Донецк: УкрНИИВЭ, - 1995. - С. 58 - 71.

8. Карась С.В., Кардаш В.В. Математическая модель нагрева рудничного взрывозащшценного аппарата // Сб. науч. тр. ДонГТУ. Серия «Горная электромеханика». - Вып. 7. - Донецк: ДонГТУ, - 1999. - С. 117 - 123.

9. А.с. 1591095 СССР, МКИ Н 01 Н 9/54, 35/59. Устройство для повышения коммутационной износостойкости контактора шахтного пускателя. // Серезентинов Г.В., Константинов С.В., Слободянкж Д.Н., Макаров М.И., Кардаш В.В. (СССР). - Опубл. В Б.И. 1990 № 33.

Здобувачем: в [1] - розроблена методика досліджень і запропонована аналітична залежність перехідного опору в функції наробки; в [2] -обгрунтовані критерії і запропонована аналітична залежність оцінки впливу змінного електромагнітного поля на температуру елементів; у [3] - визначені теплові характеристики різних елементів пускача і запропонована методика проведення експериментальних досліджень; в [5] - розроблена методика експерименте і запропонована аналітична залежність визначення допустимого перевантаження елементів пускача; в [6] - розроблені алгоритм досліджень і коефіційний метод розрахунку нагріву пускача; в [8] - розроблена математична модель нагріву пускача, методика досліджень і реалізація багатофакторного експеримента; в [9] - обгрунтована необхідність розробки блоку порівняння струмів, виконані його випробування і аналіз.

АНОТАЦІЯ

Кардаш В.В. Аналіз процесів у вибухобезпечних оболонках для створення рудникових електричних апаратів на напругу до 1200 В. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 - Електричні машини і апарати. - Донецький державний технічний університет. Донецьк, 2000.

Дисертація присвячена питанням створення рудникових вибухобезпечних комплексних електричних апаратів (РВЕА) і розробки методик розрахунку їх основних функціональних вузлів.

На основі виконаних досліджень отримані аналітичні залежністі, які дозволяють визначити концентрації окремих продуктів дугогасіння і температури всередині вибухонепроникливої оболонки в функції частоти циклів включення-відключекня, тривалості включення, характеру і потужності підключеного навантаження, а також нагрів елементів РВЕА від основних гепловиділяючих елементів його силового кола і додатковий нагрів, зумовлений впливом змінного електромагнітного поля на феромагнітні елементи конструкції. Визначена міра впливу агресивного мікроклімата всередині оболонки на стан контактних з’єднань, отримана аналітична залежність для визначення величини перехідного опору контактних з’єднань в функції наробки з урахуванням технічного обслуговування. Запропоновані програма для розрахунку температури елементів РВЕА для будь-якого випадкового режиму та шляхи зниження нагріву основних тепловиділяючих елементів РВЕА, реалізація яких дозволила значно знизити нагрів цих елементів, а також масу і габарити РВЕА.

Ключові слова: рудниковий, вибухобезпечний, комплексний електричний апарат, вибухонепрониклива оболонка, феромагнітні елементи, температура перегріву, багатофакторішй експеримент, чисельні методи, режим роботи, перевантажувальна здатність.

ANNOTATION

Kardash V. Analysis of processes in explosion-proof enclosure for the development of mining electric apparatus for voltage up to 1200 V. Manuscript.

Thesis competing for the scientific degree of candidate of technical sciences in the speciality 05.09.01 - Electrical machines and devices. - Donetsk State Technical University. Donetsk, 2000.

The thesis is concerned with the problems of developing the mining explosion-proof complex electric devices (MEED) and working out the calculation strategies for their principal units.

On the basis of the research made analytical dependencies which permit determination of the arc blowout products concentration and temperature inside the explosion-proof enclosure in the function of the frequency of the on-off switch cycles, the running time, the nature and the load connected have been obtained. The analyti-

cal dependencies for the determination of heating the MEED elements from main fuel element of the alternating electromagnetic field on ferromagnetic design elements have been calculated.

The degree of the effect of the aggressive micro-atmosphere inside the enclosure upon the condition of contact joints in the power and control circuits has been determined. The analytical dependency for the determination of a value for connecting resistance of the contact joints in the function of error-free running time considering the maintenance has been found. The program for the calculation of the temperature of different MEED elements for any random mode has been written. The methods for reducing heating of the main heat releasing MEED elements have been proposed whose application permitted largely to bring down heating of these elements, as well as the MEED mass and size.

Keywords: mining, explosion-proof, complex electric device, explosion-proof enclosure, ferromagnetic elements, overheating temperature, many-factor experiment, numerical methods, working mode, overload capacity.

АННОТАЦИЯ

Кардаш В.В. Анализ процессов во взрывобезопасных оболочках для создания рудничных электрических аппаратов на напряжение до 1200 В. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 - Электрические машины и аппараты. - Донецкий государственный технический университет. Донецк, 2000.

Диссертация посвящена вопросам создания рудничных взрывобезопасных комплексных электрических аппаратов (РВЭА) и разработки методик расчета их основных функциональных узлов. Разработанные ранее рудничные аппараты для предприятий с взрывоопасными условиями производства обладали недостаточной надежностью и относительно малым сроком службы, характеризовались низкими массогабаритными показателями. Стремление к совершенствованию РВЭА обусловило необходимость изучения процессов, происходящих в замкнутом ограниченном объеме взрывонепроницаемой оболочки при коммутации подключенной нагрузки: исследование состава атмосферы и теплового поля, совершенствование ряда технических характеристик.

Надежное функционирование РВЭА в существенной степени зависит от микроклимата, образующегося внутри взрывонепроницаемой оболочки при коммутации подключенной нагрузки. Этот микроклимат агрессивен и в значительной мере способствует возникновению отказов и снижению срока службы аппаратов. На основании выполненных исследований, проведения многофакторного планируемого эксперимента получены аналитические зависимости, позволяющие определить концентрации отдельных продуктов дугогашения (окислов азота и др.) и температуры внутри взрывонепроницаемой оболочки в функции мощности подключенной нагрузки, частоты циклов включения-отключения (ВО), продолжительности включения (ПВ) и характера нагрузки. Получены аналитические зависимости для определения нагрева элементов

РВЭА от основных тепловыделяющих элементов его силовой цепи, а также дополнительного нагрева, обусловленного воздействием переменного электромагнитного поля на ферромагнитные элементы конструкции.

Определена степень воздействия агрессивного микроклимата внутри оболочки на состояние контактных соединений силовой и управляющих цепей, покрытых различными металлами гальваническим способом и оловенированием. Получена аналитическая зависимость для определения величины переходного сопротивления контактных соединений в функции наработки с учетом технического обслуживания. На основании исследований работы РВЭА в продолжительном и повторно-кратковременном режимах предложен алгоритм и программа расчета на ЭВМ температуры различных элементов РВЭА для любого случайного режима.

Разработаны методики расчета нагрева РВЭА с учетом основных тепловых потерь в силовой цепи и дополнительных потерь в цепях управления и элементах конструкции, а также коэффициентный метод расчета нагрева, при котором все воздействующие факторы определяются через относительные коэффициенты. Оценены тепловые потери путем измерения внутреннего сопротивления и расчетной величины тока силовой цепи РВЭА.

С учетом полученных аналитических зависимостей предложены пути снижения нагрева основных тепловыделяющих элементов РВЭА (контактора, разъединителя, силовых проходных токоведущих шпилек и зажимов), реализация которых позволила устранить или значительно снизить дополнительный нагрев этих элементов, за счет чего обеспечено снижение массы (в 1,3... 1,5 раз) и габаритов РВЭА. Предложен коэффициент перегрузки аппарата для повторно-кратковременного режима работы, исходя из допустимых температур нагрева различных элементов РВЭА, а также коэффициент снижения номинального тока встраиваемых элементов в функции заполнения свободного объема оболочки

Разработанные с учетом полученных в работе результатов исследований пускатели, выключатели и комплектные устройства серийно изготавливаются на Торезском электротехническом заводе (ТЭТЗ), Константиновском заводе высоковольтной аппаратуры (КЗВА) и опытно-экспериментальном заводе (ОЭЗ) УкрНИИВЭ. Для выполнения стендовых экспериментальных исследований и испытаний РВЭА различного типа разработаны испытательные стенды и необходимое в этих случаях методическое и метрологическое обеспечение.

Ключевые слова: рудничный, взрывобезопасный, комплексный электрический аппарат, взрывонепроницаемая оболочка, ферромагнитные элементы, температура перегрева, многофакторный эксперимент, численные методы, режим работы, перегрузочная способность.