Условия гашения дуги переменного тока

Дуга. Условия возникновения и горения дуги. Способы гашения дуги. 1. Условия возникновения и горения дуги Размыкание электрической цепи при наличии в ней тока сопровождается электрическим

Условия гашения дуги переменного тока

Дуга. Условия возникновения и горения дуги. Способы гашения дуги.

1. Условия возникновения и горения дуги

Размыкание электрической цепи при наличии в ней тока сопровождается электрическим разрядом между контактами. Если в отключаемой цепи ток и напряжение между контактами больше, чем критические для данных условий, то между контактами возникает дуга, продолжительность горения которой зависит от параметров цепи и условий деионизации дугового промежутка. Образование дуги при размыкании медных контактов возможно уже при токе 0,4-0,5 А и напряжении 15 В.

Рис. 1. Расположение в стационарной дуге постоянного тока напряжения U(a) и напряженности Е(б).

В дуге различают околокатодное пространство, ствол дуги и околоанодное пространство (рис. 1). Все напряжение распределяется между этими областями Uк, Uсд, Uа. Катодное падение напряжения в дуге постоянного тока 10-20 В, а длина этого участка составляет 10–4-10–5 см, таким образом, около катода наблюдается высокая напряженность электрического поля (105-106 В/см). При таких высоких напряженностях происходит ударная ионизация. Суть ее заключается в том, что электроны, вырванные из катода силами электрического поля (автоэлектронная эмиссия) или за счет нагрева катода (термоэлектронная эмиссия), разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать один электрон с оболочки нейтрального атома, то произойдет ионизация. Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги.

Рис. 2. Изменение тока и напряжения при гашении дуги переменного тока в цепи с индуктивной нагрузкой.

Проводимость плазмы приближается к проводимости металлов [у= 2500 1/(Ом×см)]/ В стволе дуги проходит большой ток и создается высокая температура. Плотность тока может достигать 10 000 А/см2 и более, а температура — от 6000 К при атмосферном давлении до 18000 К и более при повышенных давлениях.

Высокие температуры в стволе дуги приводят к интенсивной термоионизации, которая поддерживает большую проводимость плазмы.

Термоионизация — процесс образования ионов за счет соударения молекул и атомов, обладающих большой кинетической энергией при высоких скоростях их движения.

Чем больше ток в дуге, тем меньше ее сопротивление, а поэтому требуется меньшее напряжение для горения дуги, т. е. дугу с большим током погасить труднее.

При переменном токе напряжение источника питания ucд меняется синусоидально, так же меняется ток в цепи i (рис. 2), причем ток отстает от напряжения примерно на 90°. Напряжение на дуге uд, горящей между контактами выключателя, непостоянно. При малых токах напряжение возрастает до величины uз (напряжения зажигания), затем по мере увеличения тока в дуге и роста термической ионизации напряжение падает. В конце полупериода, когда ток приближается к нулю, дуга гаснет при напряжении гашения uг. В следующий полупериод явление повторяется, если не приняты меры для деионизации промежутка.

Если дуга погашена теми или иными способами, то напряжение между контактами выключателя должно восстановиться до напряжения питающей сети — uвз (рис. 2, точка А). Однако поскольку в цепи имеются индуктивные, активные и емкостные сопротивления, возникает переходный процесс, появляются колебания напряжения (рис. 2), амплитуда которых Uв,max может значительно превышать нормальное напряжение. Для отключающей аппаратуры важно, с какой скоростью восстанавливается напряжение на участке АВ. Подводя итог, можно отметить, что дуговой разряд начинается за счет ударной ионизации и эмиссии электронов с катода, а после зажигания дуга поддерживается термоионизацией в стволе дуги.

2. Условия гашения дуги переменного тока

В коммутационных аппаратах необходимо не только разомкнуть контакты, но и погасить возникшую между ними дугу.

В цепях переменного тока ток в дуге каждый полупериод проходит через нуль (рис. 2), в эти моменты дуга гаснет самопроизвольно, но в следующий полупериод она может возникнуть вновь. Как показывают осциллограммы, ток в дуге становится близким нулю несколько раньше естественного перехода через нуль (рис. 3, а). Это объясняется тем, что при снижении тока энергия, подводимая к дуге, уменьшается, следовательно, уменьшается температура дуги и прекращается термоионизация. Длительность бестоковой паузы tп невелика (от десятков до нескольких сотен микросекунды), но играет важную роль в гашении дуги. Если разомкнуть контакты в бестоковую паузу и развести их с достаточной скоростью на такое расстояние, чтобы не произошел электрический пробой, то цепь будет отключена очень быстро.

Во время бестоковой паузы интенсивность ионизации сильно падает, так как не происходит термоионизации. В коммутационных аппаратах, кроме того, принимаются искусственные меры охлаждения дугового пространства и уменьшения числа заряженных частиц. Эти процессы деионизации приводят к постепенному увеличению электрической прочности промежутка uпр (рис. 3, б).

Резкое увеличение электрической прочности промежутка после перехода тока через нуль происходит главным образом за счет увеличения прочности околокатодного пространства (в цепях переменного тока 150-250В). Одновременно растет восстанавливающееся напряжение uв . Если в любой момент uпр > uв промежуток не будет пробит, дуга не загорится вновь после перехода тока через нуль. Если в какой-то момент uпр = uв , то происходит повторное зажигание дуги в промежутке.

Рис. 3. Условия гашения дуги переменного тока:

а – погасание дуги при естественном переходе тока через нуль; б – рост электрической прочности дугового промежутка при переходе тока через нуль

Таким образом, задача гашения дуги сводится к созданию таких условий, чтобы электрическая прочность промежутка между контактами uпр была больше напряжения между ними uв.

Процесс нарастания напряжения между контактами отключаемого аппарата может носить различный характер в зависимости от параметров коммутируемой цепи. Если отключается цепь с преобладанием активного сопротивления, то напряжение восстанавливается по апериодическому закону; если в цепи преобладает индуктивное сопротивление, то возникают колебания, частоты которых зависят от соотношения емкости и индуктивности цепи. Колебательный процесс приводит к значительным скоростям восстановления напряжения, а чем больше скорость duв/dt, тем вероятнее пробой промежутка и повторное зажигание дуги. Для облегчения условий гашения дуги в цепь отключаемого тока вводятся активные сопротивления, тогда характер восстановления напряжения будет апериодическим (рис. 3, б).

3. Способы гашения дуги в коммутационных аппаратах до 1000 В

В коммутационных аппаратах до 1 кВ широко используются следующие способы гашения дуги:

Удлинение дуги при быстром расхождении контактов.

Чем длиннее дуга, тем большее напряжение необходимо для ее существования. Если напряжение источника питания окажется меньше, то дуга гаснет.

Деление длинной дуги на ряд коротких (рис. 4, а).

Как показано на рис. 1, напряжение на дуге складывается из катодного Uк и анодного Uа падений напряжений и напряжения ствола дуги Uсд:

Если длинную дугу, возникшую при размыкании контактов, затянуть в дугогасительную решетку из металлических пластин, то она разделится на N коротких дуг. Каждая короткая дуга будет иметь свое катодное и анодное падения напряжений Uэ. Дуга гаснет, если:

U U2 и, следовательно, гасительные устройства будут работать в неодинаковых условиях. Для выравнивания напряжения параллельно главным контактам выключателя (ГК) включают емкости или активные сопротивления (рис. 16, б, в). Значения емкостей и активных шунтирующих сопротивлений подбирают так, чтобы напряжение на разрывах распределялось равномерно. В выключателях с шунтирующими сопротивлениями после гашения дуги между ГК сопровождающий ток, ограниченный по значению сопротивлениями, разрывается вспомогательными контактами (ВК).

Шунтирующие сопротивления уменьшают скорость нарастания восстанавливающегося напряжения, что облегчает гашение дуги.

4. Гашение дуги в вакууме.

Высокоразреженный газ (10-6-10-8 Н/см2) обладает электрической прочностью, в десятки раз большей, чем газ при атмосферном давлении. Если контакты размыкаются в вакууме, то сразу же после первого прохождения тока в дуге через нуль прочность промежутка восстанавливается и дуга не загорается вновь.

5. Гашение дуги в газах высокого давления.

Воздух при давлении 2 МПа и более обладает высокой электрической прочностью. Это позволяет создавать достаточно компактные устройства для гашения дуги в атмосфере сжатого воздуха. Еще более эффективно применение высокопрочных газов, например шестифторисгой серы SF6 (элегаз). Элегаз обладает не только большей электрической прочностью, чем воздух и водород, но и лучшими дугогасящими свойствами даже при атмосферном давлении.

Гашение дуги переменного тока

Чтобы погасить дугу постоянного тока необходимо довести ток до нуля. Переменный ток дважды за период проходит через нулевое значение, значит, дуга дважды за период гаснет и дважды зажигается.

На рис. 8.5 приведены кривые изменения тока и напряжения на дуговом промежутке при переменном токе.

При появлении тока напряжение на дуге резко возрастает до величины напряжения зажигания t/3. С увеличением тока напряжение на дуге снижается и достигает своего минимального значения при амплитудном значении тока. При снижении тока напряжение на дуге повышается до величины напряжения гашения дуги Ur при исчезновении тока. При изменении направления тока во втором полупериоде процесс повторяется.

При переходе тока через нуль наблюдается интенсивная деионизация дугового промежутка, что приводит к уменьшению его проводимости. Чем выше степень деионизации промежутка, тем большее напряжение потребуется для его пробоя и повторного зажигания дуги.

Процесс изменения напряжения на промежутке после прохождения тока через нуль называется восстановлением напряжения. Мгновенное значение этого

Рис. 8.5. Изменение тока и напряжения во времени на дуговом промежутке при переменном токе:

i — ток в дуговом промежутке; U3 напряжение зажигания дуги; Ua напряжение на дуге; UT — напряжение гашения дуги; Е — ЭДС источника

напряжения на промежутке называется восстанавливающимся напряжением. Если процесс восстановления электрической прочности промежутка происходит быстрее повышения на нем напряжения, то наблюдается гашение дуги. Если напряжение на промежутке возрастает быстрее, чем электрическая прочность промежутка, то происходит пробой промежутка, и дуга загорается вновь. Влияние восстанавливающегося напряжения на отключение электрических цепей и отключающуюся способность выключателей рассмотрено в [1.18, 1.30—1.33].

Восстановление напряжения на дуговом промежутке может происходить апериодически или через колебательный процесс. При апериодическом процессе максимальное напряжение на промежутке не может быть больше ЭДС источника. При колебательном процессе может достигать двукратного максимального значения 2Еы ЭДС источника.

В цепях переменного тока представляет интерес отключение нагрузки с коэффициентом мощности cos ф = 1 (активная нагрузка) и cos ф = 0 (индуктивная нагрузка).

При отключении активной нагрузки при прохождении тока i через нуль напряжение U цепи также проходит через нулевое значение. Падение напряжения на дуге t/ц также будет равно нулю (рис. 8.6).

Электрическая дуга обладает нелинейным сопротивлением, поэтому при подходе тока к своему нулевому значению форма его кривой отличается от синусоидальной, ток спадает быстрее, чем при синусоиде.

В момент изменения полярности на контактах дуговой промежуток у катода приобретает начальную электрическую прочность UB п (отрезок Оа). Прочность промежутка во времени возрастает по кривой ab (ad), наклон которой характеризуется скоростью восстановления электрической прочности.

Напряжение на контактах восстанавливается по синусоидальному закону и называется возвращающимся напряжением. Если синусоида этого напряжения пе-

Рис. 8.6. Изменение тока и напряжения при отключении активной нагрузки:

/ — ток нагрузки; U — напряжение цепи; Un — напряжение на дуге; t/n n — начальная электрическая прочность: ab, ad — кривая нарастания электрической прочности промежутка

ресекается с кривой восстановления электрической прочности (ab), то дуга возникнет вновь (точка к). В течение времени Ое ток протекать не будет. Если электрическая прочность будет оставаться выше (кривая ad) возвращающегося напряжения U, то пробоя дугового промежутка не последует, и дуга возникать не будет.

При отключении цепей с индуктивной нагрузкой искажение кривой тока наблюдается в меньшей степени, чем при активной нагрузке. Кривые тока и напряжения сдвинуты по фазе, ток отстает от напряжения на 90°. При прохождении тока через нуль (рис. 8.7) напряжение на дуге (/д будет незначительным (отре-

Рис. 8.7. Изменение тока и напряжения при отключении индуктивной нагрузки:

/ — ток нагрузки; U — напряжение цепи; ?/д — напряжение на дуге; 7/в начальная электрическая прочность; ab, cd — кривая нарастания электрической прочности промежутка зок Ос) и дуга погаснет. Напряжение U будет иметь максимальное значение. Электрическая прочность дугового промежутка будет возрастать.

Электрическая прочность промежутка будет восстанавливаться по кривой ab, а восстановление напряжения на нем — по кривой cd. Если эти кривые пересекутся, то дуга возникнет вновь (точка к). Через полупериод процессы в дуговом промежутке повторятся, только в связи с тем, что расстояние между контактами увеличится, деионизация дугового промежутка усилится и кривая albl пойдет круче.

Энергию, выделяемую в дуге переменного тока, можно определить по формуле (8.9). Если гашение происходит в момент перехода тока через нуль, то в дуге выделится только энергия, поступающая от источника,

где 1т амплитуда тока;/— частота тока; Ua падение напряжения на дуге; т — число полупериодов горения дуги.

Процесс образования электрической дуги и способы ее гашения

При размыкании электрической цепи возникает электрический разряд в виде электрической дуги. Для появления электрической дуги достаточно, чтобы напряжение на контактах было выше 10 В при токе в цепи порядка 0,1А и более. При значительных напряжениях и токах температура внутри дуги может достигать 3 — 15 тыс. °С, в результате чего плавятся контакты и токоведущие части.

При напряжениях 110 кВ и выше длина дуги может достигать нескольких метров. Поэтому электрическая дуга, особенно в мощных силовых цепях, на напряжение выше 1 кВ представляет собой большую опасность, хотя серьезные последствия могут быть и в установках на напряжение ниже 1 кВ. Вследствие этого электрическую дугу необходимо максимально ограничить и быстро погасить в цепях на напряжение как выше, так и ниже 1 кВ.

Причины возникновения электрический дуги

Процесс образования электрической дуги может быть упрощенно представлен следующим образом. При расхождении контактов вначале уменьшается контактное давление и соответственно контактная поверхность, увеличиваются переходное сопротивление ( плотность тока и температура — начинаются местные (на отдельных участках площади контактов) перегревы, которые в дальнейшем способствуют термоэлектронной эмиссии, когда под воздействием высокой температуры увеличивается скорость движения электронов и они вырываются с поверхности электрода.

В момент расхождения контактов, то есть разрыва цепи, на контактном промежутке быстро восстанавливается напряжение. Поскольку при этом расстояние между контактами мало, возникает электрическое поле высокой напряженности, под воздействием которого с поверхности электрода вырываются электроны. Они разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать хотя бы один электрон с оболочки нейтрального атома, то происходит процесс ионизации.

Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги, то есть ионизированного канала, в котором горит дуга и обеспечивается непрерывное движение частиц. При этом отрицательно заряженные частицы, в первую очередь электроны, движутся в одном направлении (к аноду), а атомы и молекулы газов, лишенные одного или нескольких электронов, — положительно заряженные частицы — в противоположном направлении (к катоду). Проводимость плазмы близка к проводимости металлов.

В стволе дуги проходит большой ток и создается высокая температура. Такая температура ствола дуги приводит к термоионизации — процессу образования ионов вследствие соударения молекул и атомов, обладающих большой кинетической энергией при высоких скоростях их движения (молекулы и атомы среды, где горит дуга, распадаются на электроны и положительно заряженные ионы). Интенсивная термоионизация поддерживает высокую проводимость плазмы. Поэтому падение напряжения по длине дуги невелико.

В электрической дуге непрерывно протекают два процесса: кроме ионизации, также деионизация атомов и молекул. Последняя происходит в основном путем диффузии, то есть переноса заряженных частиц в окружающую среду, и рекомбинации электронов и положительно заряженных ионов, которые воссоединяются в нейтральные частицы с отдачей энергии, затраченной на их распад. При этом происходит теплоотвод в окружающую среду.

Таким образом, можно различить три стадии рассматриваемого процесса: зажигание дуги, когда вследствие ударной ионизации и эмиссии электронов с катода начинается дуговой разряд и интенсивность ионизации выше, чем деионизации, устойчивое горение дуги, поддерживаемое термоионизацией в стволе дуги, когда интенсивность ионизации и деионизации одинакова, погасание дуги, когда интенсивность деионизации выше, чем ионизации.

Способы гашения дуги в коммутационных электрических аппаратах

Для того чтобы отключить элементы электрической цепи и исключить при этом повреждение коммутационного аппарата, необходимо не только разомкнуть его контакты, но и погасить появляющуюся между ними дугу. Процессы гашения дуги, так же как и горения, при переменном и постоянном токе различны. Это определяется тем, что в первом случае ток в дуге каждый полупериод проходит через нуль. В эти моменты выделение энергии в дуге прекращается и дуга каждый раз самопроизвольно гаснет, а затем снова загорается.

Практически ток в дуге становится близким нулю несколько раньше перехода через нуль, так как при снижении тока энергия, подводимая к дуге, уменьшается, соответственно снижается температура дуги и прекращается термоионизация. При этом в дуговом промежутке интенсивно идет процесс деионизации. Если в данный момент разомкнуть и быстро развести контакты, то последующий электрический пробой может не произойти и цепь будет отключена без возникновения дуги. Однако практически это сделать крайне сложно, и поэтому принимают специальные меры ускоренного гашения дуги, обеспечивающие охлаждение дугового пространства и уменьшение числа заряженных частиц.

В результате деионизации постепенно увеличивается электрическая прочность промежутка и одновременно растет восстанавливающееся напряжение на нем. От соотношения этих величин и зависит, загорится ли на очередную половину периода дуга или нет. Если электрическая прочность промежутка возрастает быстрее и оказывается больше восстанавливающего напряжения, дуга больше не загорится, в противном же случае будет обеспечено устойчивое горение дуги. Первое условие и определяет задачу гашения дуги.

В коммутационных аппаратах используют различные способы гашения дуги.

При расхождении контактов в процессе отключения электрической цепи возникшая дуга растягивается. При этом улучшаются условия охлаждения дуги, так как увеличивается ее поверхность и для горения требуется большее напряжение.

Деление длинной дуги на ряд коротких дуг

Если дугу, образовавшуюся при размыкании контактов, разделить на К коротких дуг, например затянув ее в металлическую решетку, то она погаснет. Дуга обычно затягивается в металлическую решетку под воздействием электромагнитного поля, наводимого в пластинах решетки вихревыми токами. Этот способ гашения дуги широко используется в коммутационных аппаратах на напряжение ниже 1 кВ, в частности в автоматических воздушных выключателях.

Охлаждение дуги в узких щелях

Гашение дуги в малом объеме облегчается. Поэтому в коммутационных аппаратах широко используют дугогасительные камеры с продольными щелями (ось такой щели совпадает по направлению с осью ствола дуги). Такая щель обычно образуется в камерах из изоляционных дугостойких материалов. Благодаря соприкосновению дуги с холодными поверхностями происходят ее интенсивное охлаждение, диффузия заряженных частиц в окружающую среду и соответственно быстрая деионизация.

Кроме щелей с плоскопараллельными стенками, применяют также щели с ребрами, выступами, расширениями (карманами). Все это приводит к деформации ствола дуги и способствует увеличению площади соприкосновения ее с холодными стенками камеры.

Втягивание дуги в узкие щели обычно происходит под действием магнитного поля, взаимодействующего с дугой, которая может рассматриваться как проводник с током.

Внешнее магнитное поле для перемещения дуги наиболее часто обеспечивают за счет катушки, включаемой последовательно с контактами, между которыми возникает дуга. Гашение дуги в узких щелях используют в аппаратах на все напряжения.

Гашение дуги высоким давлением

При неизменной температуре степень ионизации газа падает с ростом давления, при этом возрастает теплопроводность газа. При прочих равных условиях это приводит к усиленному охлаждению дуги. Гашение дуги при помощи высокого давления, создаваемого самой же дугой в плотно закрытых камерах, широко используется в плавких предохранителях и ряде других аппаратов.

Гашение дуги в масле

Если контакты выключателя помещены в масло, то возникающая при их размыкании дуга приводит к интенсивному испарению масла. В результате вокруг дуги образуется газовый пузырь (оболочка), состоящий в основном из водорода (70. 80 %), а также паров масла. Выделяемые газы с большой скоростью проникают непосредственно в зону ствола дуги, вызывают перемешивание холодного и горячего газа в пузыре, обеспечивают интенсивное охлаждение и соответственно деионизацию дугового промежутка. Кроме того, деионизирующую способность газов повышает создаваемое при быстром разложении масла давление внутри пузыря.

Интенсивность процесса гашения дуги в масле тем выше, чем ближе соприкасается дуга с маслом и быстрее движется масло по отношению к дуге. Учитывая это, дуговой разрыв ограничивают замкнутым изоляционным устройством — дугогасительной камерой . В этих камерах создается более тесное соприкосновение масла с дугой, а при помощи изоляционных пластин и выхлопных отверстий образуются рабочие каналы, по которым происходит движение масла и газов, обеспечивая интенсивное обдувание (дутье) дуги.

Дугогасительные камеры по принципу действия разделяют на три основные группы: с автодутьем, когда высокие давление и скорость движения газа в зоне дуги создаются за счет выделяющейся в дуге энергии, с принудительным масляным дутьем при помощи специальных нагнетающих гидравлических механизмов, с магнитным гашением в масле, когда дуга под действием магнитного поля перемещается в узкие щели.

Наиболее эффективны и просты дугогасительные камеры с автодутьем . В зависимости от расположения каналов и выхлопных отверстий различают камеры, в которых обеспечивается интенсивное обдувание потоками газопаровой смеси и масла вдоль дуги (продольное дутье) или поперек дуги (поперечное дутье). Рассмотренные способы гашения дуги широко используются в выключателях на напряжение выше 1 кВ.

Другие способы гашения дуги в аппаратах на напряжение выше 1 кВ

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Гашение электрической дуги в цепях постоянного и переменного тока

Гашение электрической дуги в цепях постоянного тока. При размыкании контактов аппарата, находящегося в цепи постоянного тока, возникает дуговой разряд. Для гашения возникающей дуги постоянного тока обычно стремятся повысить напряжение на дуге (и ее сопротивление) или путем растяжения дуги, или путем повышения напряженности электрического поля в дуговом столбе, а большей частью – одновременно и тем и другим путями. Это достигается применением специальных дугогасительных камер в выключающих аппаратах, задача которых состоит в том, чтобы обеспечивать быстрое растяжение дуги и повышения напряжения на ней, с одной стороны, а с другой, – ограничивать распространение порождаемого ею пламени и раскаленных газов в приемлемом объеме пространства.

Электрическую цепь следует отключать так, чтобы перенапряжения не превышали тех величин, которые может выдержать без пробоя электрическая изоляция. Такие условия выполняются в рационально сконструированных выключателях с электрической дугой, при гашении которой большая часть электромагнитной энергии цепи превращается в тепловую и рассеивается столбом дуги в окружающую среду. В результате энергия, запасаемая в емкости, и перенапряжения на емкости снижаются. В этом отношении электрическая дуга играет положительную роль.

Напряжение на дуговом промежутке Uд меняется в процессе гашения дуги в соответствии с вольтамперной характеристикой (ВАХ) дугогасительного устройства. Для многих видов этих устройств ВАХ такова, что при малых токах напряжение Uд принимает большие значения. Это определяет возможность больших перенапряжений при гашении дуги. При применении ДУ типа дугогасительной решетки, в которой Uд почти не зависит от тока, а при малых токах остается относительно небольшим, эти перенапряжения значительно снижаются.

На рис. 3.5 представлены две формы ВАХ, где зависимость 1 имеет малое напряжение в области больших токов и очень высокий пик напряжения в области малых токов, а зависимость 2, наоборот, характеризуется более высокими напряжениями на дуге в области больших токов и имеет небольшой подъем напряжения при подходе тока к нулю. Вид 2 (см. рис. 3.5) приобретает ВАХ дуги, затянутой в узкую щель между плоскостями из жаростойкой керамики. В этом случае при больших токах дуговой столб испытывает сильную деформацию и подвергается интенсивному охлаждению. Вследствие этого напряжение на дуге значительно возрастает. В области же малых токов сечение дугового канала делается небольшим, следовательно, охлаждающее влияние плоскостей резко снижается, что приводит к относительно низким значениям напряженности электрического поля и напряжения на дуговом канале. Форму характеристики, подобную 1 (см. рис. 3.5), можно наблюдать, если контакты аппарата постоянного тока были погружены в масло. В этом случае охлаждающая и деионизирующая роль масла в области большого тока может быть незначительной, т.к. дуговой канал окутан газовым пузырем с малой теплопроводностью. В области же малых токов окружающее дугу масло может тесно соприкасаться с дуговым каналом, что существенно повышает отбор тепла от дугового канала и ведет к повышению напряженности на нем.

Задача гашения дуги постоянного тока сводится к соблюдению одного из двух основных условий:

· увеличению напряженности электрического поля Е в дуговом столбе, увеличению длины дуги или увеличению суммы падений напряжений у электродов. Последнее достигается увеличением количества металлических электродов, разбивающих дугу на ряд коротких дуг. Все эти факторы приводят к повышению напряжения на межконтактном промежутке;

· увеличению сопротивления или снижению напряжения цепи.

Необходимо отметить, что чрезмерное увеличение длины дуги приводит к возрастанию размеров ДУ и может порождать в некоторых случаях значительные перенапряжения, опасные для изоляции установок, находящихся в коммутируемой цепи.

Весьма часто в ДУ постоянного тока применяют магнитное дутье, т.е. создают в зоне горения дуги поперечное магнитное поле, которое увеличивает скорость перемещения (и растяжения) дуги и способствует вхождению дугового столба в узкие щели между изоляционными стенками, что активно способствует гашению дуги и улучшает форму ВАХ.

Гашение электрической дуги в цепях переменного тока. Дуга переменного тока обычно гасится значительно легче, чем дуга постоянного тока. Чтобы погасить дугу постоянного тока, надо насильственно свести к нулю ток цепи путем непрерывного увеличения сопротивления дугового столба (практически ®¥).

При переменном токе этого делать не требуется: здесь через каждый полупериод ток естественным путем проходит через нулевое значение, и надо лишь воспользоваться этим обстоятельством и создать вблизи перехода через ноль такие условия в межконтактном пространстве, чтобы протекание тока цепи вслед за этим переходом не возобновлялось. Поэтому условия гашения дуги переменного тока следует трактовать иначе, чем условия гашения дуги постоянного тока.

Однако существует ряд случаев, которые оказывают специфическое влияние на условия гашения дуги переменного тока.

Открытая дуга переменного тока при высоком напряжении источника. Открытая дуга переменного тока в моменты перехода через ноль сохраняет высокую проводимость, и поэтому в установках высокого напряжения гашение открытой дуги происходит не вследствие перехода тока через ноль и образования прочности промежутка, а главным образом вследствие растяжения дугового столба и образования на нем высокого напряжения горения. При таком режиме ток в цепи начинает заметно падать за несколько периодов до полного обрыва дуги, и причиной его ограничения является возрастание сопротивления канала дуги.

При определенной длине дуги переменного тока напряжение сети оказывается недостаточным для поддержания горения дуги, наступает нарушение баланса мощностей (подводимой и отводимой), и ток цепи довольно быстро уменьшается и, наконец, совсем прекращается. Таким образом, в цепях, содержащих только активное сопротивление, критический ток и критическая длина дуги определяются выражениями: ; , где Iз – действующее значение тока цепи при закороченном дуговом промежутке. Для цепей с индуктивным сопротивлением эти

выражения примут вид: ; , т.е. в цепях с индуктивным сопротивлением Iкр и lкр имеют более высокие значения.

Дуга переменного тока в условиях активной деионизации. Если столб дуги переменного тока подвергается интенсивной деионизации, то в этом случае механизм гашения дуги существенно меняется по сравнению с гашением открытой дуги в цепи высокого напряжения. За счет активного воздействия газовой или жидкой среды диаметр дугового канала сокращается (плотность тока повышается), и изменение его следует почти синхронно с током. При подходе тока к нулю дуговой столб приобретает весьма малые размеры и благодаря этому быстро распадаетсяпосле достижения током нулевого значения, теряет свою проводимость и приобретает заметную электрическую прочность. В таком случае восстановление дуги в следующий полупериод связано с пробоем межконтактного промежутка. Эти условия характерны для отключающих аппаратов высокого напряжения.

Аппараты распределительных устройств низкого напряжения — Гашение дуги переменного тока

Содержание материала

3-4. ГАШЕНИЕ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

При переменном токе и электродах из меди, серебра, композиций на основе серебра (с вольфрамом, никелем или небольшим количеством графита) и подобных материалов, «е создающих существенной термионной эмиссии из-за низкой температуры кипения основных компонентов, электрическая прочность дугового промежутка в короткий интервал времени, в течение которого ток проходит через нулевое значение, очень быстро возрастает вследствие того, что в дуге выделяется мало энергии. В дальнейшем, если не наступает пробой, прочность дугового промежутка продолжает увеличиваться приблизительно прямолинейно в функции времени и тем сильнее, чем интенсивнее деионизация под влиянием движения газовой среды, охлаждающего действия контактов, поверхностей разных материалов и т. п.

Если после того, как ток достиг нулевого значения, напряжение на дуговом промежутке ни в какой момент времени не превысит электрической прочности этого промежутка, то он не будет пробит и дуга не возобновится. Это напряжение быстро возрастает после прекращения тока и приближается к тому значению, которое было бы при установившемся режиме и отсутствии тока в цепи.

Процесс восстановления напряжения может иметь колебательный или апериодический характер. Наиболее важные параметры этого процесса — начальная скорость восстановления напряжения и первая его амплитуда — зависят от установившегося значения напряжения, соответствующего моменту прохождения тока через нулевое значение, а также от величин и распределения емкости, самоиндукции и активного сопротивления контура, включая сопротивление дугового промежутка в рассматриваемый период времени. Установившееся значение напряжения, соответствующее нулевому значению тока, равно 2U sin ср, где U — действующее значение 76 напряжения однофазной цепи, а 15 раза меньше, чем при однофазном, так как в момент прохождения тока через нуль в какой-либо фазе восстанавливающееся напряжение в это число раз меньше линейного.

Хотя формулы (3-1), (3-2) не учитывают ряда весьма важных факторов, они дают первое приблизительное представление об условиях гашения дуги переменного тока. Из них следует, что при активной нагрузке дуга переменного тока в сетях низкого напряжения (во всяком случае при частотах порядка до 1 000 Гц) обязательно погаснет при первом естественном прохождении тока через нулевое значение. При индуктивной нагрузке и однократном разрыве (n = 1) можно создать устойчивую дугу на медных электродах при 127 в. Но в реальных условиях в камерах аппаратов дуга гаснет при первом переходе тока через нуль при напряжении 220 в и даже при напряжении 380 е, если ток не больше нескольких десятков ампер. Гашение дуги при больших токах и при напряжении 380 в зависит от растяжения ее и условий деионизации ствола. Вообще при малых токах (менее 10 а) для гашения дуги требуется значительно меньше разрывов, чем это вытекает из (3-1) и (3-2). При токах, больших 100 а, дуга обычно движется, сопротивление ствола ее оказывает очень большое влияние па весь процесс и условия гашения сильно зависят от конструкции камеры (§ 3-5). Если дуга не движется, то гашение дуги возможно только при значительно более низком напряжении. Одного наличия вышеуказанного числа разрывов еще не достаточно для гашения дуги. Это говорит о неточности формул (3-1), (3-2) и при больших токах.

При меньших токах начальная прочность получилась значительно большей, чем у Слепьяна, а при больших токах — существенно меньшей. При токах около 700 а были получены осциллограммы пробоя промежутка между медными электродами при мгновенном значении напряжения 50 в и между латунными электродами при напряжении 70 в. При токе 1 000 а были получены повторные зажигания дуги на медных электродах при действующем значении напряжения 75 в и коэффициенте амплитуды, равном единице. Хотя по кривым рис. 3-6 величина U0 (полученная как отрезок ординаты, отсекаемой прямой графика прочности дугового промежутка в функции времени, отсчитываемого от момента прохождения тока через нуль) доходит до 20 в, однако при опытах не удавалось получить повторных зажиганий дуги на медных электродах при действующем значении напряжения сети менее 75 в. Это вызвано тем, что при больших токах сопротивление дуги сильно снижает сдвиг фаз между током и напряжением. Кроме того, дуга сильно растягивается электродинамическими силами и существенное влияние оказывает возрастающая во времени прочность всего промежутка. Этим объясняется то, что, несмотря на сильно преувеличенные значения начальной прочности дугового промежутка, которые получены Слепьяном, многократный разрыв очень способствует гашению дуги переменного тока и формулы (3-1) и (3-2) дают не столь большую ошибку.

Рис. 3-6. Зависимость начальной прочности дугового промежутка

U0 от тока I при 50 Гц и электродах из разных материалов, 1 — медь; 2 — латунь; 3 — серебро; 4 — серебро—15% окиси кадмия; 5 — серебро— 40% никеля; 6 — серебро—50% вольфрама; 7 — серебро —3% графита. Раствор контактов: сплошные линии —1 мм пунктирная—8 мщ,

При напряжении 660 в в аппаратах наблюдаются критические токи при тех же значениях (около 15 а) и по той же причине, что и при постоянном. При критических токах дуга не выходит из области между контактами, и влияние сопротивления столба дуги на сдвиг фаз и на прочность всего промежутка не так велико, как при больших токах. В этом случае можно считать (с запасом), что условием гашения однофазной дуги при первом нуле тока является (3-1), где U0 выбирается по рис. 3-6 для /==15 а, а п— 1 при однократном разрыве цепи и п= 1,5 при двухкратном (вместо 2 для учета неравномерного распределения напряжения между промежутками). k можно считать равным единице (3-6). При трехфазной цепи, как это указано выше, величину U надо принимать в 1,15 раза меньшей линейного напряжения. Вышеуказанные достаточные условия гашения дуги при критических токах дают существенный запас, так как за время, пока напряжение на дуговом промежутке достигнет максимума, прочность дугового промежутка вырастает. Испытания[4] контакторов с медными контактами при растворе около 10 мм при токах 10-г- 100 а показали, что гашение в первом нуле тока еще происходит при напряжениях сети, на 80% больших, чем это определяется (3-1) и графиками на рис. 3-6. При 15 а и отсутствии магнитного гашения затяжная дуга получается при напряжении, в 3 — 4 раза большем, чем определенное по (3-1).

При токах, несколько больших критических, дуга выходит из области между контактами, условия гашения облегчаются, время горения дуги уменьшается. Погасание дуги при больших токах зависит от конструкции дугогасительного устройства (§ 3-5).

в) Влияние разных факторов на гашение дуги переменного тока

Вследствие эффективности многократного разрыва дуги при переменном токе обычно применяют дугогасительную камеру с несколькими металлическими пластинками, стоящими на пути дуги (деионная решетка), которая разбивает ее на несколько частей (§ 3-5). Гашение дуги эффективно осуществляется также в узких щелях между поверхностями изоляционных материалов. При этом создается особенно высокое сопротивление ствола дуги, уменьшается сдвиг фаз тока и напряжения, и гашение (в момент прохождения тока через нулевое значение) происходит из-за малого восстанавливающегося напряжения. В камерах с узкими щелями из-за большего сопротивления дуги выделяется больше энергии, чем в камерах с деионной решеткой.

При переменном токе, частоте 60 Гц и напряжении не выше 380 в у выключателей обычно не бывает критических токов, поэтому нет необходимости применять магнитное гашение. Оно может быть вредно, так как растягивает дугу (которая и без этого погасла бы в нуле тока) и увеличивает выделяющуюся в ней энергию. При больших напряжениях такая необходимость может возникнуть. Однако увеличение числа разрывов в этом случае более эффективно, чем магнитное гашение.

Электродинамическое воздействие на дугу, как и при постоянном токе, приводит к увеличению напряжения на ней и способствует гашению. Оно необходимо для обеспечения движения дуги в нужном направлении и с достаточной скоростью для того, чтобы не вызвать сильного местного разогрева контактов и камеры, что может существенно ухудшить условия гашения. Электродинамическое воздействие (и магнитное гашение) так сильно влияет на гашение дуги при больших токах, что, несмотря на значительно меньшую начальную прочность U0 (рис. 3-6), при этих токах гораздо легче достигнуть гашения в первом нуле тока, чем при малых токах (и напряжении 660 в).

В отношении гашения дуги переменного тока в жидкости, влияния расположения контактов в пространстве, принудительного движения воздуха, частоты отключений справедливо все, что сказано относительно влияния этих факторов на гашение дуги постоянного тока (§3-3).

Индуктивность цепи, как следует из (3-1), особенно сильно влияет на гашение дуги при переменном токе, так как она увеличивает мгновенное значение напряжения в момент прохождения тока через нулевое значение.

Величина раствора контактов при переменном токе не играет такой положительной роли, как при постоянном, ввиду того, что нет такой опасности затяжного горения дуги при малых токах. При 60 Гц и растворах контактов до 3 мм начальная прочность дугового промежутка даже увеличивается с уменьшением раствора контактов (рис. 3-6). Увеличение раствора с 0,3 до 1—2 мм при 50 Гц может существенно утяжелить гашение дуги (см. также выше в настоящем параграфе о мостиках между контактами). При больших растворах скорость роста прочности тем больше, чем больше раствор. Отрицательное влияние увеличения раствора контактов проявляется особенно при малых токах, когда гашение происходит вследствие большой величины U0- Введение более длинной дуги без нужды увеличивает выделяющуюся в ней энергию. Аналогично влияет и скорость расхождения контактов, так как при большей скорости в данный момент времени получается больший раствор. Так, например, испытания [Л. 3-24] показали, что при увеличении скорости движения контактов при отключении тока 90 а напряжением 500 в с 0,5 до 1 м/сек число отключений, при которых дуга горела более одного полупериода, возросло в 11 раз, а максимальное время горения дуги — в 3,5 раза. Минимальный раствор контактов ограничивается необходимостью предотвращения повторного включения контактов при отключении после отброса контактной системы от упора. Кроме того, при отключении больших токов в закрытых камерах, где ионизированные газы медленно уходят из области между контактами, может потребоваться увеличение раствора контактов для того, чтобы избежать повторного зажигания дуги при напряжении 380 в и особенно при напряжении 660 е.

Существенное влияние оказывает собственная частота колебаний отключаемого контура, так как она определяет скорость роста напряжения на дуговом промежутке после прохождения тока через нулевое значение. Наибольшие собственные частоты f0 [Л. 3-2,3] приблизительно равны.

При отключении двигателей

f0 = с (7 000 +1 500Р075) [;Гц], (3-3)

где с= 1 при кабельной сети; с=2 при шинопроводах;

Р — номинальная мощность двигателя, квтп формула справедлива при 0,5 10 000 /га При токах выше 100 а и относительно небольших растворах контактов (3 — 5 мм) особенно заметно, что при частоте 4)00 Гц гашение дуги труднее, чем при частоте 50 Гц. При токах 15 — 60 а и растворах контактов 1 мм отношение начальных прочностей дугового промежутка при частоте 2 500 и 50 Гц (рис. 3-6) равно при материале контактов:

серебро -15°/0 окиси кадмия . 1,75

серебро—40% никеля 1

серебро—50% вольфрама 1,45

серебро—3% графита 1,6

Затрудненные условия гашения при частотах несколько тысяч герц и больших токах могут быть из-за того, что под действием вихревых токов дуга может не войти в металлическую решетку или не сойти с контактов из-за наличия по соседству массивных металлических деталей.

При частотах 400—2 500 Гц в течение полупериода контакты расходятся обычно менее, чем на 1 мм, и на погасание дуги при первом нуле тока величина конечного раствора контактов (если он больше 1 мм) не оказывает влияния. Однако в целом для гашения высокочастотной дуги (хотя бы через несколько периодов)

увеличение раствора контактов (когда он более 3 мм) и увеличение начальной скорости раздвижения контактов очень полезно, так как это увеличивает прочность дугового промежутка. При высоких частотах можно рекомендовать применение магнитного гашения, причем дугогасительное поле можно создать постоянным магнитом. При этом из-за малого времени существования дуги (до перехода тока через нуль) нет опасности переброса между фазами, так как объем пламени мал и дуга не может далеко выйти в нежелательном направлении, а вибрационное движение ее может повысить прочность дугового промежутка. Расположение токоведущих частей, способствующее движению дуги в начале расхождения контактов, весьма значительно повышает прочность дугового промежутка и очень способствует гашению.

Оцените статью