Дугогашение и дугогасительные устройства




Лекция 3

Условия возникновения и гашения дуги. Размыкание контактов коммутационных аппаратов сопровождается электрическим разрядом, который при определенных условиях может привести к возникновению дуги.

Дуга представляет собой непрерывный поток электронов и ионов, образующихся в результате ударной и термической ионизации молекул газа дугового промежутка, а также выделения электронов и ионов раскаленными поверхностями контактов. Для возникновения дуги напряжение между разомкнутыми (металлическими) контактами должно быть выше 12—20 В, а ток—не менее 0,3—0,9 А. Ток и напряжение, при которых образуется дуга, зависят в значительной мере от материала контактов.

Напряжение U между электродами при горении дуги распределяется согласно диаграмме рис. 3.1. Наибольший градиент напряжения наблюдается вблизи катода. Катодное и анодное падения напряжения соответственно на участках К и А происходят на малой длине дуги порядка 10-4 см. Анодное падение напряжения обычно существенно меньше катодного. В сумме эти падения напряжения составляют от 15 до 30 В в зависимости от материала и температуры катода. Вся остальная часть дуги (длина С), называемая столбом, характеризуется довольно равномерным градиентом около 20 — 30 В/см. Различают короткие и длинные дуги: в коротких основное значение имеют процессы, происходящие в зонах катода и анода, в длинных — процессы, происходящие в столбе.

Дуга возникает под действием электростатического поля, которое ускоряет электроны, выходящие с поверхности катода и сталкивающиеся с нейтральными ионами. При повышении температуры и, следовательно, кинетической энергии вырывания свободных электронов с поверхности катода начинается термоэлектронная эмиссия. Процессы в дуге определяются явлениями термической ионизации, происходящей в результате высокой температуры газов в дуговом промежутке, обусловленной этим высокой скоростью движения ионов и электронов и большой вероятностью их столкновения.

 

Рисунок 3.1

 

 

При относительно больших токах и напряжениях дуга—необходимый элемент процесса разрыва цепи. Она обеспечивает плавное уменьшение тока в цепи благодаря непрерывному нарастанию сопротивления в ней и поглощению электромагнитной энергии, запасенной в индуктивностях. Если бы дуга отсутствовала, то при мгновенном разрыве контактов электромагнитная энергия преобразовалась бы в электростатическую, что при малой емкости цепи привело бы к большим перенапряжениям.

При горении дуги происходят одновременно процессы ионизации и деионизации. Деионизация обусловлена рекомбинацией и диффузией заряженных частиц. Рекомбинация происходит вследствие соединения при соударении в процессе термической ионизации частиц, несущих заряды противоположных знаков, т. е. вследствие нейтрализации частиц. Диффузия представляет собой рассеивание заряженных частиц из области дуги в окружающее пространство за счет выравнивания плотности газов. Интенсивность рекомбинации резко возрастает с понижением температуры дуги, а интенсивность диффузии — с уменьшением диаметра ее столба.

Рисунок 3.2

 

Электрическая дуга может быть погашена в том случае, если процесс деионизации столба протекает с большей скоростью, чем процесс ионизации. Показателем процесса гашения дуги является непрерывное уменьшение тока в ней, что определяется видом характеристики дуги.

 

Допустим, что контур, в котором происходит разрыв дуги, получает питание от источника напряжения U0 (рис. 3.2). Тогда, если не учитывать влияние емкости цепи,

 

(3.1)

где r и L — соответственно сопротивление и индуктивность цепи

 

Для обеспечения гашения дуги должно быть выполнено неравенство

откуда

(3.2)

 

Рисунок 3.3

 

На рис. 3.3 графически изображено уравнение (3.1) при начальном токе в дуге I0. Прямая 1 представляет собой зависимость разности U0 - ri от тока I; линия 2 — характеристику дуги uд(i) с непрерывным процессом гашения, для которой при всех значениях тока действительно неравенство (3.2); линия 2' — характеристику, касательной к которой является прямая 1, определяющая граничные условия гашения дуги; линия 2" — характеристику дуги, при которой нормальный процесс гашения не может быть обеспечен. В последнем случае точка А соответствует устойчивому горению дуги, поскольку отклонение от нее в сторону уменьшения тока не удовлетворяет неравенству (3.2).

 

Напряжение дуги зависит от ее длины. Для статического режима

(3.3)

где Uэ — сумма катодного и анодного падений напряжения;

— градиент падения напряжения в столбе, принимаемый постоянным.

Следовательно, напряжение дуги Uэ возрастает линейно с увеличением длины столба l.

Характеристика дуги uд(i) зависит от скорости уменьшения тока в процессе гашения. Характеристику дуги, построенную без учета скорости уменьшения тока, называют статической, а с учетом этой скорости — динамической. Процесс деионизации дуги запаздывает по отношению к уменьшению тока и сопротивление дугового промежутка возрастает замедленно вследствие тепловой инерции столба, поэтому динамическая характеристика расположена ниже статической.

На рис. 3.4 статическая характеристика 1 сопоставлена с динамическими 2 и 3, соответствующими увеличивающейся скорости гашения. Все характеристики построены при постоянной длине столба дуги и потому исходят из общей точки.

Динамическая характеристика (например, характеристики рис. 3.3) определяет реальную картину процесса гашения. Статические характеристики используют для оценки разрывной мощности дугогаситель-ного устройства, выбранная по статическим характеристикам разрывная мощность достаточна для динамических процессов, при которых уменьшается мощность дуги.

На рис. 3.5 показано семейство характеристик источников питания при напряжениях U01 > U02 > U03 и разрываемых токах I01 < I02< I03· Эти прямые представляют собой касательные к статической характеристике дуги uд(I0), длина которой lкр называется критической, поскольку является предельной по условию гашения (3.2). По начальным значениям I0 и U0 построена кривая U0 (I0), соответствующая предельной разрывной мощности при данной длине дуги. Аналогичный вид зависимость U0(I0) будет иметь при любой статической характеристике дуги с постоянной длиной, причем увеличение разрывной мощности (Ρр=U0I0) соответствует более высокому расположению статической характеристики, т.е. большему значению lкр.

 

Рисунок 3.4

 

Рисунок 3.5

 

Согласно рис. 3.5 разрываемый ток I0 резко повышается при уменьшении напряжения U0. Для дугогасительного устройства простейшего вида приближенно можно считать .

Перенапряжение, энергия и время гашения дуги. При завершении процесса гашения (см. рис. 3.3)

(3.4)

где Uг — напряжение в момент гашения дуги при i = 0;

Kп = Ur/U0 — коэффициент перенапряжения в момент гашения.

Перенапряжение в значительной мере зависит от индуктивности L. Повышение индуктивности отключаемой цепи увеличивает перенапряжение даже при уменьшении скорости спадания тока, поскольку динамическая характеристика смещается в направлении больших значений напряжения дуги (см. рис. 3.4). Следует учитывать не только перенапряжения на отключаемых контактах, но и перенапряжения корпусной изоляции машин и аппаратов, которые могут достигнуть опасных значений.

В процессе гашения дуги энергия А д, рассеиваемая в ней, складывается из энергии, подведенной от источника тока (за вычетом потерь в сопротивлении), и магнитной энергии, запасенной в индуктивности L при начальном токе разрыва цепи I0:

(3.5)

 

Следовательно, энергия дуги тем больше, чем больше время гашения tr, которое для заданных параметров цепи может быть определено интегрированием выражения (3.1) при характеристике дуги, соответствующей кривой 2 на рис. 3.3:

(3.6)

Как видим, tг уменьшается при увеличении ординат характеристики u д (i) и, следовательно, длины дуги l.

Чрезмерно большое время гашения приводит к повышенному нагреву контактов, что затрудняет процесс деионизации, чрезмерно малое время tr может привести к большим перенапряжениям при разрыве дуги. Следовательно, наиболее целесообразно было бы осуществлять гашение дуги в начале разрыва контактов (в области больших токов) с большой скоростью путем интенсивной ее деионизации, а в заключительной стадии (в области малых токов) с уменьшенной скоростью. Такому принципу гашения, например, отвечает кривая 3 на рис. 3.3.

Чрезмерно большое время гашения приводит к повышенному нагреву контактов, что затрудняет процесс деионизации, чрезмерно малое время tr может привести к большим перенапряжениям при разрыве дуги. Однако для разрыва цепи в этом случае нужны второй выключатель или вторая пара выключающих контактов; работа этих контактов облегчается тем, что в разрываемую цепь введен дополнительный резистор, который ограничивает разрываемый ток.

 

Дугогасительные устройства. Такие устройства должны обеспечивать по возможности малое время гашения и малую энергию, выделяемую дугой (во избежание значительного перегрева контактов), отсутствие опасных перенапряжений при гашении дуги, приемлемые размеры дугогасительного устройства. Применяемые дугогасительные устройства зависят от назначения аппарата и отличаются разными способами гашения, позволяющими удовлетворить указанные требования без существенного усложнения и увеличения их габаритов.

В аппаратах, специально рассчитанных для защиты цепи от коротких замыканий, все конструктивные решения подчиняются основному требованию — быстродействию. На электровозе или моторном вагоне обычно устанавливают один быстродействующий выключатель, поэтому можно допустить относительно большие размеры дугогаситель-ной камеры. В контакторах, которые предназначены только для разрыва рабочих токов цепи, быстродействие не столь обязательно; здесь существенно важно не допустить чрезмерных габаритов камеры, так как обычно на каждой единице э. п. с. устанавливается несколько контакторов.

Наиболее простой способ дугогашения основан на использовании собственного магнитного поля дуги и поля токопроводящих частей, соединенных с электродами рогового дугогасительного устройства (рис. 3.6). Ток i, проходящий по рогам разрядника и в самой дуге, образует магнитное поле, направленное так, как показано стрелками В. Под действием этого поля возникают силы Q, перемещающие дугу к концам рогов и удлиняющие ее. Восходящий поток нагретого воздуха при вертикальном расположении рогов усиливает эффект дугогашения.

Собственная магнитная энергия дуги не может, однако, обеспечить дугогашения при больших разрываемых токах и напряжениях. Поэтому во всех силовых коммутационных аппаратах и защитных выключателях постоянного тока используют специальные устройства для магнитного гашения с катушками возбуждения и магнитопроводом, обеспечивающими направление магнитного потока в зону горения дуги. Естественное магнитное гашение (см. рис. 3.6) при этом сохраняется в качестве дополнительного средства в сочетании с искусственным. Рассмотрим дугогасительные устройства, основанные на применении постороннего магнитного дутья.

 

Рисунок 3.6

 

 

По способу включения дугогасительных катушек различают последовательное и независимое возбуждение. Для разрыва больших токов дугогасительные катушки обычно включают в цепь последовательно.

При этом с увеличением разрываемого тока возрастает магнитное поле и, следовательно, сила, выдувающая дугу. Кроме того, при последовательном включении сохраняется всегда одинаковое направление электродинамических сил гашения, так как одновременно с изменением направления тока меняется направление магнитного потока гашения.

К недостаткам такого включения катушек относится трудность гашения в области малых токов, когда магнитное поле гашения уменьшается. При отключении малых токов возможно питать дугогасительные катушки от независимого источника, однако этот способ применяется редко, поскольку всякий обрыв цепи катушки прекращает действие системы дугогашения. Поэтому при относительно малых разрываемых мощностях и неизменном направлении тока в цепи используют иногда для гашения дуги постоянные магниты.

Рассмотрим простейшую дугогасительную камеру с электромагнитным гашением (рис. 3.7, а). Последовательно с контактами в цепь тока между зажимом Б и рогом Р1 включена дугогасительная катушка К со стальным сердечником. К сердечнику примыкают полосы Я (рис. 3.7, б) из листовой стали, между которыми в области горения дуги создается магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости рисунка. Полюсы изолированы от дуги стенками дугогаситель-ной камеры Τ из изоляционного дугостойкого материала.

Рисунок 3.7

 

Дуга, возникающая между контактами, под действием магнитного поля полюсов перемещается перпендикулярно силовым линиям поля, показанным на рис. 3.7, б штриховыми линиями со стрелками. Их направление выбирается так, чтобы дуга перемещалась к выходу из камеры, перебрасываясь с контактов на рога Р1 и Р2 и все более удлиняясь. Переднюю (правую по чертежу) часть камеры оставляют открытой для свободного выхлопа газов. Дугогасительные рога, между которыми дуга горит большую часть времени, способствуют быстрейшему ее удлинению и защищают контакты от чрезмерного нагрева. Дугогасительная камера служит для защиты от перебросов дуги на полюсы и другие близко расположенные детали. Кроме того, стенки камеры способствуют охлаждению и деионизации дуги.

Сила, действующая на элементы дуги, пропорциональна произведению индукции В магнитного поля гашения и тока i в дуге: Q = κΒί. В процессе гашения дуги, по мере ее удлинения и удаления от оси дугогасительной катушки, а также уменьшения тока при последовательном включении катушек индукция магнитного поля гашения резко падает. В связи с одновременным снижением тока сила, действующая на дугу, резко уменьшается и скорость перемещения дуги снижается. Все это способствует уменьшению перенапряжений при гашении, но ограничивает разрывную способность дугогасительных устройств. На дугу также дополнительно воздействуют газы, выделяемые при горении стенками ее камеры; вначале воздействие газов несколько замедляет, а затем ускоряет процесс перемещения дуги.

Размеры камеры в.значительной мере определяются конечной длиной дуги lг, которая в момент гашения значительно выше критической.

Дугогасительная камера может быть усовершенствована введением дополнительных устройств, например применением продольных перегородок, разделяющих камеру на несколько продольных щелей, благодаря чему увеличивается поверхность охлаждения и интенсивность деионизации дуги. Чтобы получить характеристику дуги вида кривой 3 на рис. 291, применяют камеры с узкой щелью. При этом в начале гашения в области больших токов дуга касается стенок камеры и интенсивно охлаждается, а напряжение на ней резко возрастает; в области малых токов сечение дуги уменьшается и прекращается соприкосновение ее со стенками камеры; второй этап гашения замедляется, вследствие чего снижаются перенапряжения.

Другим средством интенсификации дугогашения является дополнительное удлинение дуги путем деформации ее траектории, например с помощью поперечных перегородок (рис. 3.7), которые способствуют искривлению дуги в процессе перемещения ее в камере.

Существенное удлинение дуги и повышенную интенсивность ее охлаждения обеспечивают широко применяемые в защитных и коммутационных аппаратах э. п. с. лабиринтно-щелевые камеры (рис. 3.9), в которых дуга не только растягивается, но и приобретает зигзагообразное искривление. Высота выступов лабиринта, а вместе с тем и длина дуги увеличиваются по мере перемещения ее по длине камеры, что создает благоприятные условия для интенсивного охлаждения и деионизации дуги.

 

Рисунок 3.8

 

Рисунок 3.9

Рисунок 3.10

Рисунок 3.11

 

 

В некоторых мощных аппаратах защиты дуга в процессе гашения перебрасывается на дополнительные рога, между которыми включают вторую дугогасительную катушку, разделяющую дугу на две части. Ток, протекающий по этой катушке, проходит через два участка разделенной дуги.

Разделить дугу на части можно в многократной дугогасительной камере. В двухкратной камере (рис. 3.10) гашение дуги в двух параллельных цепях достигается с помощью вспомогательного U-образного рога, расположенного в средней части камеры, причем одна его половина помещена в левой щели, а другая — в правой. Дуга под воздействием магнитного поля перемещается вначале на основные рога аа́ а затем по мере развития достигает нижнего конца вспомогательного рога. В дальнейшем она разбивается на два последовательно соединенных элемента: левый горит между рогами а и б в левой щели (на рисунке нижняя щель), а правый между рогами б' и а' в правой щели. Благодаря их последовательному соединению длина дуги почти удваивается, что позволяет существенно увеличить разрываемую мощность.

Увеличить падение напряжения в дуге без ее удлинения можно, применив дугогасительную (деионную) решетку, набираемую из металлических изолированных одна от другой пластин, которые расположены поперек оси дуги. Дуга, перемещаясь, разделяется решеткой на большое число последовательных дуг (рис. 3.11, а), каждая из которых имеет свое околоэлектродное падение напряжения с повышенным градиентом (см. рис. 3.10). В результате общее падение напряжения в дуге резко увеличивается, хотя падение напряжения в столбе может уменьшиться.

Взаимодействие тока дуги с магнитными полями, образуемыми токами в перегородках, создает дополнительный эффект «втягивания» дуги в решетку. С этой целью перегородке придают форму согласно рис. 3.11, б. Магнитные потоки, образуемые токами в стенках перегородок, взаимодействуя с дугой проводника тока, создают дополнительное усилие, перемещающее дугу к выходу камеры.

В дугогасительных устройствах высоковольтных выключателей переменного тока используют автогазовое, масляное или воздушное дутье. Автогазовое дутье создается газами, образованными дугой при тесном соприкосновении ее с твердым (фибра, органическое стекло) или жидким (масло) газогенерирующим веществом. Под действием высокой температуры дуги газогенерирующие вещества выделяют газы, состоящие в основном из водорода, обладающего высокой теплопроводностью (в 17 раз больше теплопроводности воздуха), которые и обеспечивают интенсивное охлаждение дуги.

Давление газов, образуемых дугой, при определенной конфигурации камеры и расположении отверстий в ней можно обеспечить, перемещая гасящую среду относительно дуги. Это широко используется в масляных выключателях переменного тока.

На современном э. п. с. переменного тока применяется принудительное воздушное дутье. Дуга гасится струей сжатого воздуха преимущественно вследствие быстрого отвода тепла от ее ствола и связанной с этим деионизацией. Различают два способа гашения: при поперечном и продольном направлениях струи сжатого воздуха по отношению к оси дуги. Поперечно струю воздуха направляют преимущественно в аппаратах, рассчитанных на напряжение менее 15 кВ. Для выключателей э. п. с. переменного тока применяют почти всегда продольное дутье.·



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2019-09-19 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: