Меню

Способы гашения дуги переменного тока высокого напряжения

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.

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

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.

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

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.

Условия гашения дуги переменного тока

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.

Источник

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.

Сравнение температур различных источников теплоты

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

Причины возникновения электрический дугиПроцесс 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.

Читайте также:  Какие источники тока вырабатывают электрическую энергию

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). Причины возникновения электрический дугиПроводимость 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.

Причины возникновения электрический дуги

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.

способы гашения электрической дуги

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.

способы гашения электрической дуги

Гашение дуги высоким давлением

способы гашения электрической дугиПри 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.

способы гашения электрической дугиДугогасительные 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.

способы гашения электрической дугиНаиболее 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

способы гашения электрической дугиКроме указанных выше способов гашения дуги, используют также: сжатый воздух, потоком которого вдоль или поперек обдувается дуга, обеспечивая ее интенсивное охлаждение (вместо воздуха применяются и другие газы, часто получаемые из твердых газогенерирующих материалов — фибры, винипласта и т. п. — за счет их разложения самой горящей дугой), элегаз (шестифтористая сера), обладающий более высокой электрической прочностью, чем воздух и водород, в результате чего дуга, горящая в этом газе, даже при атмосферном давлении достаточно быстро гасится, высокоразреженный газ (вакуум), при размыкании контактов в котором дуга не загорается вновь (гаснет) после первого прохождения тока через нуль.

Источник

Способы гашения электрической дуги

Гашение дуги, как указывалось выше, может быть достигнуто увеличением скорости деионизации дугового промежутка, уменьшением скорости восстановления напряжения либо совместным использованием обоих этих факторов.

В судовой аппаратуре находят применение следующие способы гашения дуги:

Механическое растягивание дуги;

Гашение дуги в магнитном поле;

Гашение дуги в продольных щелях;

Гашение дуги в плотно закрытых камерах;

Гашение дуги в дугогасительной решетке.

Для гашения электрической дуги, образующейся между контактами электрических аппаратов, применяются дугогасительные устройства, которые основываются на теории гашения длинных и коротких дуг.

В дугогасительных устройствах с длинной дугой гашение осуществляется воздействием на дугу дугогасительнои среды, которая может быть газообразной (воздух, сжатый и разреженный газ), жидкой (масло, вода) и твердой (фибра, органическое стекло и т. п.). Время гашения дуги зависит от интенсивности соприкосновения дуги с дугогасительнои средой. Чем быстрее движется среда по отношению к дуге, тем скорее происходит гашение дуги.

Читайте также:  Величина тока после замыкания цепи

В дугогасительных устройствах с короткой дугой гашение дуги происходит без активного участия гасящей среды. В них используется эффект гашения коротких дуг.

Ко всем дугогасительным устройствам предъявляются следующие требования:

время гашения дуги должно быть минимальным;

энергия, выделяемая дугой при размыкании цепи, должна иметь наименьшую величину;

при гашении дуги не должны возникать опасные для цепи перенапряжения.

Механическое растягивание дуги. Деионизация ствола дуги при неизменном токе связана с рассеянием энергии и приводит к повышению падения напряжения на дуге. При удлинении дуги на ней повышается падение напряжения. При неподвижно горящей дуге, а так же механическом ее растягивании отвод тепла от ствола дуги происходит за счет теплопроводности и естественной конвекции. В низковольтных аппаратах теплоотводящей средой является воздух, теплопроводность которого мала и гасящие свойства при таком гашении слабы. Продольный градиент напряжения в такой дуге незначителен и при постоянном токе свыше 100А он составляет 8—10 В/см. В длинных дугах продольный градиент достигает 12 В/см. В дуге переменного тока среднее значение градиента колеблется около 15 В/см. Поэтому для гашения дуги ее необходимо растянуть на достаточно большую длину lкр. Длина lкр, при которой происходит гашение дуги, называется критической. Растягивается дуга обычно механическим путем вследствие расхождения контактов с конечной скоростью.

Охлаждение дуги при этом должно немного возрасти за счет искусственной конвекции. Однако в реальных аппаратах скорость расхождения электродов относительно мала, и отвод тепла от дуги мало чем отличается от теплоотвода неподвижной дуги. Как показывают экспериментальные исследования, критическая длина дуги не зависит от скорости расхождения контактов, т. е. продольный градиент напряжения при малых скоростях не зависит от осевой составляющей скорости. Критическая длина дуги зависит от величины тока и увеличивается с ростом тока.

Механическое растягивание дуги приводит к значительному обгоранию контактов. Для уменьшения их обгорания стремятся получить большие скорости расхождения контактов путем применения мощных отключающих пружин. Гашение дуги в основном за счет ее механического растягивания целесообразно применять в низковольтных аппаратах при отключении относительно небольших токов.

Гашение дуги в магнитном поле. Основным фактором, поддерживающим горение дуги, является термическая ионизация. Поэтому гашение дуги должно в основном происходить за счет ее охлаждения. Охлаждать дугу можно или путем ее обдувания (что связано с применением дополнительных устройств), или путем ее перемещения в неподвижной окружающей среде. Эффект отвода тепла в обоих случаях принципиально будет одинаковым. С ростом скорости движения дуги он охлаждение ее увеличится и градиент напряжения значительно возрастет. Увеличение продольного градиента напряжения уменьшает критическую длину дуги. Например, для тока 600 А и при vн = 100 м/с продольный градиент составляет около 45 В/см. В этом случае при напряжении 220 В критическая длина дуги будет меньше 5 см. При механическом же растягивании дуги (vн = 0) и том же токе и напряжении критическая длина дуги значительно возрастет и составит приблизительно 25 см.

В неподвижной и неохлаждаемой дуге плотность тока мала, а диаметр дуги велик. При движении или искусственном охлаждении дуги ее диаметр уменьшается, плотность тока и температура в ней возрастают. Если в неподвижной дуге плотность тока 18— 20 А/см 2 , то в движущейся дуге она может возрасти в тысячи раз. Электромагнитные силы, возникающие от взаимодействия тока и магнитного поля дуги, направлены к центру дуги и сжимают ее. На оси дуги давление достигает максимального значения, а на поверхности оно равно нулю. С увеличением скорости движения дуги возрастает плотность тока и давление. Повышение давления ведет к усилению деионизации в стволе дуги и возрастанию продольного градиента. Следовательно, возрастание продольного градиента в движущейся дуге происходит не только за счет лучшего охлаждения и диффузии, но и вследствие повышения давления в ее стволе.

Рис. 1.2.12 Дугогасительное устройство с последовательным магнитным дутьем

Внешнее магнитное поле в низковольтных аппаратах может быть создано:

катушкой, включенной последовательно, с контактами, между которыми возникает дуга;

катушкой, включаемой параллельно на напряжение сети;

Катушка и постоянные магниты имеют магнитопровод, охватывающий контакты, между которыми возникает дуга. В настоящее время чаще всего применяется последовательная дугогасительная катушка. Аппараты с последовательной катушкой относятся к числу неполяризованных. В них при изменении направления тока в цепи меняется направление магнитного поля, создаваемого катушкой. Направление силы, действующей на дугу, в этом случае остается неизменным. Широкое распространение в аппаратах постоянного тока нашли щелевые дугогасительные камеры в сочетании с последовательным магнитным дутьем.

На рис. 1.2.12 приведена схема дугогасительного устройства с камерой, имеющей узкую щель и катушку последовательного магнитного дутья. Ток, протекая по катушке магнитного дутья 1, создает магнитный поток, который по сердечнику 2 и пластинам 3 магнитопровода попадает в зону дуги. От взаимодействия потока с током дуги 4 создается электромагнитная сила, которая перемещает дугу в узкую щель асбестоцементной камеры 5. При малых токах эта сила мала, а время гашения больше. Поэтому для гашения дуги малых токов приходится выполнять катушку с относительно большим числом витков и большим раствором контактов.

Параллельная катушка создает неизменное по величине магнитное поле, так как ток в ней не зависит от тока отключаемой сети. Сила, действующая на дугу в магнитном поле, пропорциональна отключаемому току. При малых токах она больше силы, создаваемой последовательной катушкой, а время гашения меньше. Дугогашение с использованием параллельной катушки обладает существенными недостатками:

при снижении напряжения в сети, например при коротком замыкании, аппарат оказывается без надежного дугогашения;

направление силы, действующей на дугу, зависит от направления тока главной цепи и цепи катушки дугогашения.

Применение постоянных магнитов для создания магнитного поля дугогашения позволяет устранить первый недостаток катушки параллельного возбуждения. Кроме того, снижаются масса, габариты и потери энергии в аппарате из-за отсутствия катушки дугогашения. При использовании постоянных магнитов для дугогашения аппарат становится поляризованным. Однако в настоящее время выполняются аппараты с постоянными магнитами, у которых направление силы, действующей на дугу, остается неизменным.

Гашение дуги в продольных щелях. В выключающих аппаратах широкое распространение получили дугогасительные устройства с продольными щелями. Продольная щель образуется между изоляционными пластинами, и ее ось совпадает по направлению с осью ствола дуги. На рис. 1.2.13схематично показаны характерные для судовых аппаратов формы продольных щелей дугогасительных устройств. На рис. 1.2.13,а показана одна прямая продольная щель 1 с параллельными стенками. При применении щели зигзагообразной формы представляется возможным в камере небольших размеров увеличить длину дуги (рис. 1.2.13,б). Повышенными продольными градиентами напряжения обладают щелевые камеры с дополнительными вырезами в стенках 2 (рис. 1.2.13,в).

Рис. 1.2.13. Формы продольных щелей дугогасительных камер

При движении дуги в узких щелях происходит деформация ствола дуги и изменяются условия ее охлаждения. Поэтому явления при движении дуги в узких щелях качественно и количественно отличаются от закономерностей, характеризующих движение свободной дуги. В узкой щели по мере увеличения тока от нуля скорость движения дуги сначала растет и достигает максимума. На этом участке диаметр дуги еще не велик, и скорость дуги растет пропорционально корню кубическому из тока. При дальнейшем увеличении тока скорость уменьшается и падает до минимума. Это происходит потому, что с увеличением тока растет диаметр дуги и возрастают силы аэродинамического сопротивления. Электромагнитные силы при этом оказываются недостаточными для перемещения дуги. При значительном уменьшении скорости и малых напряженностях внешнего магнитного поля (до 159·10 2 А/м) происходит сильное нагревание стенок щели с образованием на них проводящих мостиков, в результате чего дуга останавливается. Остановку дуги устраняют увеличением внешнего магнитного поля.

При последующем увеличении тока электромагнитные силы растут быстрее сил сопротивления, что приводит к возрастанию скорости дуги. Достигнув второго максимума, скорость начинает падать вследствие сильного нагревания стенок щели. Если температура стенок будет достаточной для создания проводящих мостиков, то дуга остановится. В более узких щелях и при малых напряженностях магнитного поля неустойчивое движение дуги происходит при меньших токах. Величина тока, которая соответствует неустойчивому движению дуги и ее остановке, называется критической Iкр. В узких щелях при малых значениях напряженности поля дуга горит неподвижно. При увеличении поля скорость дуги резко возрастает и во много раз превосходит скорость дуги в широких щелях.

Наименьший градиент напряжения на столбе дуги наблюдается в открытой неподвижной дуге. Градиент напряжения возрастает с уменьшением ширины щели. В продольных щелях он мало зависит от скорости. У большинства современных дугогасительных устройств с продольными щелями скорость движения дуги ниже 100 м/с. При этих условиях продольный градиент напряжения в узких щелях значительно выше, чем у открытой дуги.

Рис. 1.2.14. Схема дугогасительной решетки

Читайте также:  Катушка управления 24в постоянный ток

На гашение дуги высоким давлением оказывают влияние два фактора. Во-первых, уменьшается тепловая ионизация в столбе дуги, а во-вторых, с увеличением скорости молекул возрастает теплопроводность газа. Оба эти фактора вызывают интенсивное охлаждение дуги и приводят к повышению градиента напряжения. Давление в замкнутой камере прямо пропорционально энергии дуги и обратно пропорционально объему камеры. Следовательно, дугу можно погасить в небольших, плотно закрытых камерах, в результате повышения давления в них при горении дуги.

Гашение дуги в дугогасительной решетке. Выше были рассмотрены способы гашения дуги путем воздействия на ее столб. Принципиально другой метод гашения дуги основан на использовании околоэлектродного падения напряжения. Над контактами 1 и 2 (рис. 1.2.14) расположены неподвижные изолированные друг от друга металлические пластины 3, образующие дугогасительную решетку. Дуга 5, возникающая при размыкании контактов, под действием электродинамических сил втягивается в дугогасительную решетку, и разбивается на ряд коротких дуг 4. У каждой пластины решетки возникает околоэлектродное падение напряжения. В результате за счет суммы околоэлектродных падений напряжения увеличивается общее напряжение дуги и происходит гашение дуги. В дугогасительной решетке по мере расхождения контактов дуга последовательно входит в промежутки между пластинами решетки. При этом напряжение на дуге возрастает приблизительно по линейному закону, а длительность горения дуги будет уменьшаться с возрастанием скорости расхождения контактов и числа пластин, приходящихся на единицу длины дуги.

Дугогасительная решетка переменного тока имеет значительно меньшее количество пластин, чем решетка постоянного тока. При гашении дуги переменного тока действие дугогасительной решетки в 7—8 раз эффективнее, чем постоянного, поэтому на практике более широкое применение нашли дугогасительные решетки на переменном токе. Использование дугогасительных решеток позволяет значительно сократить размеры дуги и гасить ее в ограниченном объеме с малым световым и звуковым эффектом. Дугогасительные решетки обычно представляют собой камеры, которые набираются из стальных омедненных пластин. Электромагнитные силы, возникающие в решетке из магнитного материала, стремятся выровнять скорость движения отдельных дуг между пластинами. Кроме того, эти силы способствуют вхождению дуги в решетку, и даже при малых токах дуга не останавливается под ней.

При переменном токе повышенной частоты в пластинах решетки наводятся вихревые токи. В результате взаимодействия магнитного поля вихревых токов с токами дуги создаются дополнительные электромагнитные силы, направленные встречно движению дуги. При нормальной частоте они малы и ими можно пренебречь. При повышенной частоте они могут существенно изменить характер движения дуги. Дуга вместо того, чтобы втягиваться в решетку, может от нее отталкиваться.

Источник



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.

Источник

Способы гашения дуги переменного тока высокого напряжения

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.

Сравнение температур различных источников теплоты

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

Причины возникновения электрический дугиПроцесс 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). Причины возникновения электрический дугиПроводимость 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.

Причины возникновения электрический дуги

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.

Читайте также:  Какие источники тока вырабатывают электрическую энергию

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.

способы гашения электрической дуги

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.

способы гашения электрической дуги

Гашение дуги высоким давлением

способы гашения электрической дугиПри 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.

способы гашения электрической дугиДугогасительные 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.

способы гашения электрической дугиНаиболее 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

способы гашения электрической дугиКроме указанных выше способов гашения дуги, используют также: сжатый воздух, потоком которого вдоль или поперек обдувается дуга, обеспечивая ее интенсивное охлаждение (вместо воздуха применяются и другие газы, часто получаемые из твердых газогенерирующих материалов — фибры, винипласта и т. п. — за счет их разложения самой горящей дугой), элегаз (шестифтористая сера), обладающий более высокой электрической прочностью, чем воздух и водород, в результате чего дуга, горящая в этом газе, даже при атмосферном давлении достаточно быстро гасится, высокоразреженный газ (вакуум), при размыкании контактов в котором дуга не загорается вновь (гаснет) после первого прохождения тока через нуль.

Источник



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.

Читайте также:  Однофазный ток в кабельной линии

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

Читайте также:  Что происходит с силой тока при падении напряжения

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.

Источник

Основные способы гашения дуги в аппаратах выше 1 кВ

date image2015-02-18
views image3692

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

В коммутационных аппаратах свыше 1 кВ применяются способы 2 и 3 а также широко применяются следующие способы гашения дуги:

1. Гашение дуги в масле.

Если контакты отключающего аппарата поместить в масло, то возникающая при размыкании дуга приводит к интенсивному газообразованию и испарению масла (рис. 2.5, г). Вокруг дуги образуется газовый пузырь, состоящий в основном из водорода (70—80 %); быстрое разложение масла приводит к повышению давления в пузыре, что способствует ее лучшему охлаждению и деионизации. Водород обладает высокими дугогасящими свойствами. Соприкасаясь непосредственно со стволом дуги, он способствует ее деионизации. Внутри газового пузыря происходит непрерывное движение газа и паров масла. Гашение дуги в масле широко применяется в выключателях.

2. Газовоздушное дутье.

Охлаждение дуги улучшается, если создать направленное движение газов — дутьё (рис. 2.6).

Дутьё вдоль или поперек дуги способствует проникновению газовых частиц в ее ствол, интенсивной диффузии и охлаждению дуги. Газ создается при разложении масла дугой (масляные выключатели) или твердых газогенерирующих материалов (автогазовое дутье). Более эффективно

Рис.2.6. Газовоздушное дутье: а — продольное; б — поперечное

дутье холодным неионизированным воздухом, поступающим из специальных баллонов со сжатым воздухом (воздушные выключатели).

3. Многократный разрыв цепи тока. Отключение большого тока при высоких напряжениях затруднительно. Это объясняется тем, что при больших значениях подводимой энергии и восстанавливающегося напряжения деионизация дугового промежутка усложняется. Поэтому в выключателях высокого напряжения применяют многократный разрыв дуги в каждой фазе (рис. 2.7). Такие выключатели имеют несколько гасительных устройств, рассчитанных на часть номинального напряжения. Число разрывов на фазу зависит от типа выключателя и его напряжения. В выключателях 500—750 кВ может быть 12 разрывов и более. Чтобы облегчить гашение дуги, восстанавливающееся напряжение должно равномерно распределяться между разрывами. На рис. 2.7 схематически показан масляный выключатель с двумя разрывами на фазу.

При отключении однофазного КЗ восстанавливающееся напряжение распределится между разрывами следующим образом:

где U1 ,U2 — напряжения, приложенные к первому и второму разрывам; С1 — ёмкость между контактами этих разрывов; C2 — ёмкость контактной системы относительно земли.

Рис. 2.7. Распределение напряжения по разрывам выключателя: а — распределение напряжения по разрывам масляного выключателя; б — ёмкостные делители напряжения; в — активные делители напряжения

Так как С2 значительно больше C1, то напряжение U1 > U2 и, следовательно, гасительные устройства будут работать в неодинаковых условиях. Для выравнивания напряжения параллельно главным контактам выключателя (ГК) включают емкости или активные сопротивления (рис. 2.7, 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/см 2 ) 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.

Источник

Adblock
detector