Работа ВМ-35Н в условиях низких температур Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 63 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1944

РАБОТА ВМ-35Н В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

ВОРОБЬЕВ А. А., ТИТОВ В. Н., БОГДАНОВА Н. Б.1)

Введение

В Томском ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте систематически проводятся научно-исследовательские работы по изучению поведения электроизоляции и электроаппаратуры в условиях холода [1].

В данной статье мы сообщаем некоторые материалы по исследованию ВМ-35Н[2]. (Номинальный рабочий ток выключателя 600А). Это исследование проводилось по заданию завода „Электроаппарат". Программа и методика работ были согласованы с заводом. Исследуемый аппарат с приводом ПС-20 был установлен на бетонный фундамент на открытом воздухе и выверен согласно правил монтажной инструкции,

'ВМ-35Н, являющийся представителем серии многообъемных выключателей и имеющий большое применение в открытых распредустройствах, представлял большой интерес для исследования в указанном отношении.

Разогрев выключателя при нагрузке номинальным током

Были проведены наблюдения за разогреванием масла и контактов при пропускании через контакты ВМ тока, по величине близкого к номинальному (~600А) при следующих температурах окружающего воздуха: + 3°С,—12° С, — 10°С, — 20°С, — 22°С, — 26°С, — 28°С, — 30°С,—32СС — 33°С. Измерение температур производилось с помощью термопар железо—кон-стантан.

На рис. 1, 2 представлен типичный ход кривых разогрева масляного выключателя, снятых при различных температурах окружающего воздуха.

-1---Г.-Е*"1»- '

¿С^/геЯый контакт ^ггупряО&З кситакт

Врс. 1я а чссол

Разогрев масляного выключателя

ВМ-35Н при температуре внешнего воздуха 1 = —12°С и при силе тока Л = 600 А.

Рис. 1

Разогрев масляного выключателя ВМ-35Н при температуре наружного воздуха 1 = —32°С и при силе тока Л = 620А,

Рис. 2

3) Подготовительные работы и первые измерения были проведены аспирантами Г. Е. Пуховым и В. А. Воробьевым. При 'проведении работы мы пользовались консультацией ст. инженера завода „Электроаппарат" С. А. Чирцова, за что выражаем ему благодарность. '

Обращает внимание, что при пропускании тока через контакты ВМ при температуре воздуха минус 32°С через 4 часа температура масла в гасительной камере достигла минус 10°С, а в дальнейшем поднялась и до минус 7,5°С. Что касается температуры контактов, то по истечелии !/з часа после включения тока она уже стала положительной и через 1112 часа достигла значения порядка 15°С.

Как видно из кривых, приведенных на рис. 2 и 3, температура контактов и масла с течением времени установилась и сохраняла постоянное значение. Очевидно, что величина этой установившейся температуры будет зависеть от количества выделяемого тепла и теплоотвода. Первая величина в наших опытах была постоянной. Вторая величина—количество отводимого тепла^-зависит от температуры воздуха и атмосферных условий (ветер). В наших условиях ВМ был установлен в закрытом со всех сторон дворе и не подвергался действию ветра. Таким образом, можно грубо ориентировочно принять, что теплоотвод от бака обусловливался только температурой внешней среды. Тогда интересно было посмотреть, как зависит установившаяся температура масла и контактов ВМ от температуры воздуха.

Зависимость между этими величинами представлена на рис. 3, где по оси абсцисс отложена температура внешнего воздуха Т в °С, а по оси ординат—установившаяся температура контактов и масла 1 в °С.

Как видно из рис. 3, зависимость между этими величинами получается линейной. Точки, соответствующие зависимости между установившейся температурой масла и температурой воздуха, хорошо ложатся на прямую, уравнение которой

Т = 0,5514- 10,5. (1)

Согласно данным, представленным на рис. 3, для установившейся температуры контактов t в зависимости от температуры воздуха можно написать уравнения такого же типа.

Для правого контакта:

Т = 0,421 + 30. (2)

Для левого контакта:

Т = 0,421 + 31. (3)

Ввиду небольшой разницы между уравнениями (2) и (3) мы для температуры разогрева контактов можем дать одно общее уравнение:

Тг= 0,421 + 30,5. (4)

Наблюдение за разогревом ВМ при низкой температуре приводит нас к практически важному заключению. Температура в баке ВМ при нагрузке его номинальным током оказывается значительно выше температуры окружающей среды. В наших условиях теплоотвода температура контактов достигает значения, равного нулю при температуре окружающего воздуха, равной минус 13°С.

Температура масла в баке будет равна нулю при температуре воздуха минус 19°С. Наличие более высокой температуры масла вблизи контактов желательно для обеспечения нормальной работы ВМ. Можно думать, что утепление баков с помощью укрытия их теплоизолирующими материалами окажется в данном случае полезной и достаточной мерой для поддержания в работающем ВМ положительной температуры.

Зависимость установившейся температуры контактов и масла (ГС) выключателя ВМ-35Н от температуры внешнего воздуха (1°С).

Рис. 3

Вязкость и плотность масла

Для суждения о работе ВМ при различных температурах существенно знать температурный ход вязкости масла. С этой целью производилось измерение вязкости масла при разных температурах. Эти измерения про* изводились с помощью вискозиметра Стокса [3].

Результаты измерений вязкости масла, заполнявшего баки ВМ, представлены на рис. 4, где по оси абсцисс отложена температура воздуха (масла) в °£, а по оси ординат—коэфициент вязкости ^ масла в пуазах. Как видно из рис. 4, вязкость масла с понижением температуры увеличивается вначале медленно, затем, при понижении температуры ниже минус 30°С, начинается очень быстрый рост. Изменение величины т] с понижением температуры описывается формулой

^ = 0,74 е-0-111, (5)

где 1—температура в °С, а у\ — коэфициент вязкости в пуазах.

Согласно данным опыта, резкое возрастание вязкости масла начинается при температуре ниже минус 30°С. Очевидно, что при сильном загустевании масла при этих температурах нужно ожидать значительного сопротивления движению траверсы ВМ и затягивания гашения дуги вязким маслом.

Представляет интерес вычислить, при каких же температурах наружного воздуха температура масла в баке достигнет значения минус 30°С.

Подсчитывая по формуле (1), мы получаем, что в наших условиях установившаяся температура масла ВМ, нагруженного номинальным током, достигнет значения минус 30°С при температуре окружающего воздуха, равной минус 74°С. При наинизшей температуре окружающего воздуха минус 50°С установившаяся температура масла в баке ВМ будет равна минус 17сС. Вязкость масла при температуре минус 17°С, согласно формуле (5), будет в 6 раз больше, чем при 0°С.

Плотность масла также сильно зависит от температуры. Связь между величиной плотности масла и температурой представлена на рис. 5.

Как видно из рис. 5, плотность масла при понижении температуры возрастает по прямолинейному закону. Аналитическое выражение для этой зависимости можно представить формулой типа

8 = а —М. (6)

Влияние качества смазочного материала на работу ВМ

С целью определения влияния качества материала, служащего для смазки трущихся частей привода (якорь соленоида, подшипники), было опробовано несколько видов смазочного материала. Выявлено, что на четкость работы выключателя и скорость переключения имеет большое влияние качество смазки. Таблица 1 подтверждает это положение.

Заключение -о лучшем материале для смазки из числа исследованных из таблицы 1 очевидно.

Под температурой застывания смазки, отмеченной в таблице 1, понимается температура, при которой не происходит полного переключения

Й

а

Вискозиметр Стокса

Рис. 4

!

•

1-- • 1

40

30

20

40

-40 зо -ее 90 °

Зависимость вязкости масла от температуры

Рис. 5

Таблица 1

№№ п. п. Название смазочных материалов При 1 = - - 20°С Температура застывания смазки

Время отключения в сек. Время включения в сек

1 2 3 .Пушечное сало'* Солидол Тавот 0,225 0,245 0,17 0,18 0,19 0,16 —38°С —34°С ниже—4ГС

выключателя при подаче импульса тока на соленоид. Температура застывания тавота лежит ниже минус 41°С. При этой температуре работа выключателя и привода, смазанного тавотом, происходила четко.

Скорость и время движения траверсы ВМ в зависимости

от температуры

Эти измерения были сделаны при помощи электромагнитного вибрографа весьма простой конструкции.

Измерение времени движения траверсы при включении (хвк) и отключении (Чотк) в зависимости от температуры наружного воздуха (масла) представлено на рис. 6 и 7.

Из рис. 6 и 7 видно, что и твк и т0ТК растут с понижением температуры. Зависимость на рис. 6 и 7 построена при смазке привода и выключателя тавотом и при напряжении оперативной цепи 220 в. С понижением температуры наблюдается увеличение времени движения.

Абсолютное увеличе-

\

к

\

&с чЧ

0.9*

0,39

СЕК

о,з

й2

* и» »

г* «

■с-

сек

0*

0.1

рс

- 40 - зо - го

-ю

-40 -30 -£0

-40 30 -20

-и*

Зависимость плотности масла

3 от температуры.

Рис. 6

Зависимость собственного временя выключения от температуры для ВМ-35 Н с I1 С-20.

Рис. 7

Зависимость собственного времени отключения от температуры для ВМ-35Н с Г) С-20.

Рис. 8

ние времени движения траверсы при отключении т0ТК в интервале температур от нуля до температуры минус 41°С составляет 0,07 секунды, изменяясь от 0,145 при 0°С до 0,215 при —41°, т. е. на 50%.

Соответственно для твк имеем увеличение на 0,025" в интервале температур между нулем и минус 36°С; при температуре 0° твк составляет 0,150", а при 36°С—0,175" (увеличение на 16°/0).

Таким образом, до температуры минус Зб°С при включении и температуры минус 41°С при -отключении изменение времени движения траверсы ВМ незначительно, и в наихудших условиях твк остается меньше времени, гарантированного для данного типа выключателя (0,25 сек.).

Представляет интерес сопоставить температурный ход твк и т0ТК с температурным ходом вязкости масел. На рис, 8 нанесена зависимость тв1£ и -Со™ в зависимости от температуры.

Как видно из рис. 8, прямой зависимости между величиной твк и тг) нет, что следует считать вполне закономерным, так как в этом случае движение траверсы происходит под действием мощного усилия привода и им вполне определяется.

Значительно большего влияния вязкости масел следует ожидать на время отключения.

На рис. 9 представлена зависимость между величиной т0ТК и температурой масла, а также величиной т] и температурой.

Как видно из рис. 9, обе зависимости имеют одинаковый ход в интервале температур 0—30°С. Отсюда следует заключить, что в этом интер-

п

\

дл?

0{$

0.14

сек.

"Ыпел

ГОС

-40 -39 -20

Ю

-40 -30 -20 40

-О

({22 0£0 0,18 016 №

Т*С

Зависимость г, пуаз и 1вкл. от температуры Т°С.

Рис. 9

Зависимость Т| пуаз и 1откл. сек. от температуры Т°С. 1

Гис. 10

вале температур время движения траверсы при отключении в значительной степени определяется вязкостью масла. Такой вывод был сделан также и А. К. Красиным [5], ранее промерявшим зависимость времени движения траверсы ВМ-14 от температуры при отключении. Зависимость т0ТК для ВМ-35Н от вязкости масла представлена на рис. 10. Из рис. 10 видно, что рост т0ТК отстает от увеличения вязкости масла. Зависимость тотк от величины вязкости масла может быть еще больше ослаблена при увеличении силы, действующей при отключении.

По результатам наших опытов была построена зависимость между величиной максимальной скорости при переключениях и температурой. На рис. 11 представлена зависимость максимальной скорости движения траверсы при включении от температуры. Как видно из рис. 11, максимальная скорость при включении незначительно уменьшается при понижении температуры. В нашем случае это изменение характеризуется следующими величинами. При температуре минус 35°С максимальная скорость на 10°/, ниже, чем максимальная скорость при температуре 0°С. Это положение находится в соответствии с вышеуказанной слабой зависимостью так от температуры.

На рис. 12 представлена зависимость от температуры максимальной скорости движения траверсы при отключении. Наблюдается уменьшение скорости при пониженйи температуры и увеличение вязкости масла. При понижении температуры от нуля до минус 35°С скорость движения уменьшается на 26°/0, а при понижении температуры до —41°С скорость движения уменьшается на 30°/о. Из рассмотрения этих данных видно, что максимальная скорость при отключении с понижением температуры уменьшается медленнее, чем полное время движения траверсы.

Зависимость максимальной скорости движения от температуры, согласно нашим данным (рис. 12), может быть представлена формулой

Утах = 2,7+ 0,51, (7)

где Ушах—максимальная скорость движения траверсы при отключении в м/сек., а 1 — температура воздуха и масла в ~°С.

Существенным является знание зависимости времени включения от напряжения на клеммах привода. Эта зависимость снималась нами при различных температурах. На рис. 13 и 14 приведены две характерные зависимости собственного времени включения от напряжения при температуре минус 18°С и минус 23°С. Привод и выключатель были смазаны та-

'0 £0 Зо 40

Зависимость времени отключения Ьткл. сек. от вязкости масла у\ в пуазах.

Рис. 11

-АО -30 -20 -10

Изменение максимальной скоро-рости движения траверсы при включении в зависимости от температуры.

Рис. 12

вотом. При температуре минус 23°С в наших условиях работы минимальное включающее напряжение составляет 142 в. При напряжении на приводе, меньшем 142 в., включения не происходит совершенно. При напряжении на приводе в пределах от 142 до 60 вольт в 30°/0 случаев работы соленоида не происходит включения выключателя. Таким образом, напря-

Боки с маслт

• ''о? г

ГС

! 1 ! Л 1 г 1 «

| 1

Изменение максимальной скорости движения траверсы при отключении в зависимости от температуры.

Рис, 13

сен

04

о.з

0.2

V

1 \8°С

\ г V ■ |

! \ ^ 1

( ! 1

вольт

40 '<20 120 1в0 200 240

Зависимость собственного времени выключения от напряжения.

Рис. 14

жение 160 вольт надо считать минимальным напряжением четкой работы выключателя при температуре воздуха минус 23° С

Определение минимального включающего напряжения при температуре выше минус 23°С показало незначительное уменьшение величины минимального включающего напряжения (до 138 вольт).

Значение минимального напряжения, соответствующего четкой работе выключателя при включении, равно 160 вольт. В табл. 2 приведены ре-

зультаты измерения минимального включающего напряжения при различных температурах.

Таблица 2

№№ п. п. Температура воздуха в *С Минимальное включающее напряжение в вольтах Минимальное напряжение четкой работы ВЛ1 в вольтах Время включения при миним. включении напряжения сек. г

1 — -5 138 180 0,29

2 —16 138 160 0,30

у —18 140 160 0,30

4 , —21 140 160 0,32

5 —23 142 160 0,34

Измерение сопротиления изоляции

Зависимость сопротивления изоляции привода при понижении температуры представлена на рис. 15. Здесь по оси абсцисс нанесена температура воздуха (изоляции), и по оси ординат—сопротивление изоляции в мегомах. Измерение сопротивления изоляции производилось с помощью гальванометра при напряжении 180 вольт постоянного тока. На рис. 15 точки, соответствующие температурной зависимости изоляции соленоида включения и выключения, практически совпадают. Точки, соответствую-

СбК

0,4 0,3 0,2

Sojhí с мослом \ t**-23°C

\

>1

сч

вольты

о 40 60 120 160 200 240

Зависимость собственного времени включения от напряжения.

Рис. 15

-40

Зависимость сопротивления изоляции привода от температуры,

Рис. 16

щие сопротивлению изоляции цепи сигнализации, на чертеже отсутствуют, так как ее сопротивление на всем диапазоне температур оказалось бесконечно большим. Из рис. 15 следует, что сопротивление изоляции возрастает с понижением температуры, причем в интервале от минус 3°С до —35°С зависимость между зтими величинами хорошо выражается формулой

R^OJle-0*1*, (8)

де t — температура изоляции в °С, a R — сопротивление изоляции в ме-омах.

Заключение

В результате приведенных опытов следует, что при нагрузке ВМ рабочим током температура вблизи контактов сохраняет достаточно высокое значение.

В статье приводятся формулы для расчета теплового режима ВМ-35Н при некоторых условиях охлаждения.

Значительную опасность для нормальной работы ВМ представляет неудачный выбор смазки привода. В' эксплоатации должно быть обращено соответствующей внимание на выбор смазки с нужными низкотемпературными свойствами и поддержание необходимой расчетной температуры привода. В статье приводятся данные, показывающие изменение времени движения траверсы при включении и отключении с изменением температуры.

ЛИТЕРАТУРА

1. А. А. Воробьев. Электрические станции. 2, 14, 1941.

2. А. А. Воробьев, В. Н. Титов и Н. Б. Богданова. Отчет о работе „Испытание ВМ-35Н в условиях низких температур". Томский индустриальный институт, 1941, ч. И.

3. А. А. Воробьев и Н. А. Приходько. Электричество. 8, 66, 1940.

4. Инж. В. Н. Титов, асп. Г. Е. Пухов и асп. В. А. Воробьев. Отчет о работе .Испытание ВМ-35Н в условиях низких температур*. Томский индустриальный институт, 1940, часть I.

5. А. К. Красин. Электричество. 12, 52, 1939.