Достоинства ду с последовательной катушкой:

1. При токах свыше 100 А магнитное поле быстро сдвигает дугу с рабочих поверхностей контактов, чем обеспечивается их малый износ. Система хорошо работает в области больших токов.

2. При изменении направления тока меняет знак и магнитное поле. Сила, действующая на дугу, не изменяет своего направления Система работает при любом направлении тока.

3. Поскольку через катушку проходит номинальный ток контактора, она выполняется из провода большого сечения. Падение напряжения на катушке составляет доли вольта.

Наряду с достоинствами такие ДУ имеют и недостатки. Это недостаточно надежное гашение дуги при малых токах (5 −7 А), большая затрата меди на катушку, нагрев контактов за счет тепла в дугогасительной катушке.

Несмотря на эти недостатки, благодаря высокой надежности при гашении номинальных и больших токов ДУ с последовательной катушкой получили преимущественное распространение.

Ду с параллельной катушкой обладают следующими недостатками:

1. Направление электродинамической силы, действующей на дугу зависит от полярности тока. При изменении направления тока меняется направление движения дуги и контактор становится неработоспособным.

2. При КЗ возможно снижение напряжения на источнике, питающем катушку. В результате процесс гашения дуги идет неэффективно.

В связи с указанными недостатками ДУ с параллельной катушкой напряжения применяются только при отключении небольших токов (5 − 10 А).

Воздействовать на дугу можно и магнитным полем постоянного магнита. При этом отсутствуют затраты энергии на создание магнитного поля; резко сокращается расход меди на контактор; отсутствует подогрев контактов от катушки как это имеет место в ДУ системы с последовательной катушкой. По сравнению с ДУ с параллельной катушкой ДУ с постоянным магнитом обладает высокой надежностью и может использоваться при любых значениях тока. За счет конструктивных мер ДУ с постоянным магнитом можно сделать работоспособным при любом направлении тока. Характеристики такого ДУ аналогичны характер ДУ с параллельной катушкой.

Дугогасительные устройства с магнитным дутьем и керамической дугогасительной камерой применяются также и в аппаратах переменного тока. В ДУ с последовательной катушкой сила, действующая на дугу, пропорциональна квадрату тока. Поэтому и при переменном токе на дугу действует сила, неизменная по направлению. Среднее значение силы получается таким же, как при постоянном токе, при условии, что постоянный ток равен действующему значению переменного тока. Указанные соотношения справедливы, когда потери в магнитной системе катушки дутья отсутствуют и поток по фазе совпадает с током. Несмотря на эффективность устройства, оно применяется только в контакторах с тяжелым режимом работы при числе включений в час более 600.

Недостатком этих устройств является наличие потерь в стали магнитной системы дугогашения, что ведет к повышению температуры контактов, и возможность возникновения больших перенапряжений при принудительном обрыве тока (до естественного нуля).

Параллельные катушки в ДУ переменного тока не применяются из-за того, что сила, действующая на дугу, меняет свой знак, так как поток, создаваемый магнитной системой дугогашения, сдвинут по фазе относительно отключаемого тока.

ДУ переменного тока с последовательной катушкой и керамической дугогасительной камерой применяются в высоковольтных выключателях напряжением не выше 10 кВ.

в) Гашение дуги с помощью дугогасительной решетки. В дугогасительной решетке для гашения дуги используется околоэлектродное падение напряжения u_Э, (в аппаратах постоянного тока) и околокатодная электрическая прочность (в аппаратах переменного тока).

После расхождения контактов 1 и 2 (рисунок 2.27, в) возникшая между ними дуга 3 под воздействием магнитного поля движется вверх на пластины 5 и разбивается на ряд коротких дуг 4. На каждой пластине образуются катод и анод. Падение напряжения на каждой паре пластин составляет 20 − 25 В, При большом числе пластин удается поднять статическую ВАХ дуги и обеспечить условия ее гашения.

Для аппаратов постоянного тока напряжение дугогасительной решетки

где U_Э − сумма околоэлектродных падений напряжения, U_Э=u_k+ u_a, В; т − число пластин; E_n - градиент напряжения на свободно горящей дуге, В/см; - длина дуги, см, ; зазор между пластинами.

Обозначим напряжение на столбе дуги . Форма статической ВАХ дуги (рисунок 2.27, в) близка к форме характеристики дуги в воздухе , но смещена вверх на величину .

Рисунок 2.27 − Статистические ВАХ электрической дуги в

решетке и виды дугогасительных решеток (а,б,в)

На рисунке 2.27, в кривая 1 - напряжение на дуговых промежутках, кривая 2 − результирующее напряжение U_д,р. Для гашения дуги необходимо соблюсти условие (2.7)

,

где − сопротивление нагрузки; U − напряжение источника.

На рисунке 2.27 показаны различные схемы ДУ с дугогасительными решетками. В решетке на рисунке 2.27, а дуга выводится на пластины и делится между ними с помощью магнитного поля напряженностью Н, создаваемого специальной системой. В решетке на рисунке 2.27, б дуга втягивается в решетку за счет электродинамических усилий, возникающих в контуре 1, 3, 2, и за счет усилий, действующих на дугу, благодаря наличию ферромагнитных пластин 5. В конструкции рисунка 2.27, г (позиция 3), для облегчения вхождения дуги в решетку пластины имеют клиновидный паз. Для того чтобы дуга не образовала жидких мостиков между пластинами, расстояние между ними берется не менее 2 мм.

На постоянном и переменном токе частотой 50 гц применяются ферромагнитные пластины. Сила, действующая на дугу, перемещает ее в решетку и препятствует выходу дуги из нее. Эта сила пропорциональна току и производной потока по перемещению. Выход дуги из решетки увеличивает магнитное сопротивление, уменьшает поток, что вызывает появление силы, стремящейся втянуть дугу в решетку. Это является большим достоинством ферромагнитных пластин. Недостатком дугогасительной решетки является прогорание пластин в повторно-кратковременном режиме при токе 600 А и более. Для уменьшения коррозии пластины покрываются медью или цинком.

Процесс гашения дуги в дугогасительной решетке при переменном токе имеет свои особенности. После расхождения контактов (рисунок 2.27, д) дуга 1 за счет электромагнитных сил затягивается на решетку 2 и делится на ряд коротких дуг. Введение в цепь (т - 1) коротких дуг уменьшает ток в цепи из-за падения напряжения на них, равного U_Э(т - 1). В результате ток проходит через нуль раньше своего естественного нуля (рисунок 2.27, е). При этом облегчаются условия процесса восстановления напряжения (уменьшается цепи).

Длительность горения дуги уменьшается. После прохождения тока через нуль около каждого катода восстанавливается электрическая прочность, достигая 300 В при малых токах и 70 В − при больших. Гашение происходит при выполнении условия , где С − околокатодная прочность. Благодаря высокой восстанавливающейся прочности число пластин в аппаратах переменного тока в 7 − 8 раз меньше, чем у аппаратов постоянного тока.

Несмотря на быстрое гашение дуги, при частых коммутациях номинального тока пластины нагреваются до очень высокой температуры и возможно даже их прогорание. В связи с этим число включений и отключений в час у контакторов с дугогасящей решеткой не превышает 600.

При большей частоте коммутаций приходится использовать электромагнитное дутье в керамическую камеру. При использовании дугогасящей решетки на постоянном токе или частоте 50 Гц электромагнитные силы, действующие на дугу, втягивают ее в ферромагнитную решетку. В высокочастотных аппаратах на токи частотой 5 − 10 кГц в ферромагнитных пластинах наводятся вихревые токи, которые отталкивают дугу от решетки.

Такая сила отталкивания возникает и при использовании латунных пластин. Поэтому для перемещения дуги в решетку необходимы специальные электромагнитные системы. Поскольку восстанавливаемая прочность у латунных пластин выше, чем у ферромагнитных, они нашли применение в высокочастотных аппаратах. Следует отметить, что применение электромагнитного дутья и керамической камеры на повышенных частотах малоэффективно − дуга горит многие сотни полупериодов.

г) Гашение дуги высоким давлением. Степень ионизации х уменьшается обратно пропорционально квадратному корню из давления. С ростом давления возрастает плотность газа, при этом увеличиваются теплопроводность и отвод тепла от дуги. Если при данном токе в дуге увеличить давление окружающей среды, то увеличивается отвод тепла.

Для того чтобы сохранить тот же ток, необходимо к дуге подвести большую мощность, что при неизменном токе требует повышения напряжения на дуге (градиента E_n).

На этом принципе основано гашение дуги в предохранителях и других аппаратах низкого напряжения. Внутренний объем предохранителя герметизирован. При перегорании плавкой вставки дуга загорается и выделяет энергию, которая расходуется на повышение давления во внутреннем объеме предохранителя. Из кинетической теории газов известна связь между давлением , объемом V и энергией W_г газа:

.

Энергия, полученная газом, W_г равна энергии, выделенной дугой, W_д‚ которая может быть приравнена к электромагнитной энергии отключаемого контура . Таким образом, давление во внутреннем объеме предохранителя зависит от отключаемого тока I₀ и индуктивности коммутируемой цепи .

По опытным данным, градиент E_n в процессе гашения дуги быстро растет с ростом давления:

; ,

где E_n − градиент напряжения в дуге при атмосферном давлении (давление в мегапаскалях).

В некоторых аппаратах (предохранителях, пакетных выключателях и др.) стенки дугогасящей камеры делаются из газогенерирующих материалов − фибры. Благодаря высокой температуре дуги такие стенки выделяют газ, и давление в объеме поднимается до 10 −15 МПа за доли полупериода, из-за резкого подъема напряжения на дуге ток обрывается до своего естественного нуля, не достигнув максимального значения. В таких аппаратах проявляется эффект токоограничения.

д) гашение электрической дуги в потоке сжатого газа. В электрических аппаратах высокого напряжения коммутируются токи в десятки килоампер при напряжениидо В. Для решения такой сложной задачи используется воздействие на электрическую дугу потока сжатого воздуха или других газов. Сжатый воздух обладает высокой плотностью и теплопроводностью. Омывая дугу с большой скоростью, он охлаждает ее и при прохождении тока через нуль обеспечивает деионизацию дугового столба. Воздух при высоком давлении обладает также высокой электрической прочностью, что создает высокую скорость нарастания электрической прочности промежутка.

Рисунок 2.28 − Камеры ДУ с воздушным дутьём

Камеры с воздушным дутьем показаны на рисунке 2.28. Сжатый воздух из компрессоров очищается от механических примесей с помощью фильтров и проходит специальную сушку от влаги. Давление, применяемое в воздушных выключателях, колеблется от 1 до 4 МПа. Возможны варианты ДУ с поперечным и продольным дутьем. В (рисунок 2.28, а) воздушный поток направлен перпендикуляр но дуге, во втором − вдоль ее оси. Дуга 3, возникающая между контактами 1 и 4, подвергается воздействию сжатого воздуха и прижимается к перегородкам 2. При этом обеспечивается эффективное охлаждение дуги. Из-за больших габаритов и наличия органической изоляции в области дуги в настоящее время эти камеры не выпускаются (но в эксплуатации еще имеются). В настоящее время для аппаратов на все классы напряжения наиболее распространены ДУ продольного дутья (рисунок 2.28, б-е). Наиболее совершенными являются камеры по рисунку 2.28, д и е. Корпус камеры 5 выполнен из фарфора. Дуга 3, образующаяся торцами контактов 1 и 4, потоком воздуха быстро вдувается в их внутреннюю полость. При этом обеспечивается малый износ контактов. Пары металла электродов не попадают в междуконтактный промежуток и потоком воздуха выносятся в атмосферу. Благодаря этому пары металла электродов не уменьшают скорости восстановления электрической прочности промежутка. Элемент 6, в котором электрическая дуга подвергается продольному охлаждению воздухом, называется соплом. После расхождения контактов в дуге выделяется мощность

.

Под действием этой мощности происходит быстрый подогрев воздуха и местное поднятие давления, в результате количество воздуха, охлаждающего дугу, и его скорость резко уменьшаются. При определенных условиях возможна вообще остановка воздушного потока. Происходит закупорка сопла ДУ. Это явление необходимо учитывать при проектировании ДУ, обеспечивая при амплитудном значении отключаемого тока минимальную скорость истечения воздуха не ниже 8 − 10 м/с.

После прохождения тока через нуль междуконтактный промежуток заполнен плазмой, нагретой до 12000 − 15000 К. При охлаждении плазмы дуги воздухом электрическая прочность промежутка восстанавливается с конечной скоростью. Чем больше отключаемый ток, тем труднее охладить плазму и тем медленнее идет процесс восстановления электрической прочности. Поэтому для ДУ с продольным дутьем характерно уменьшение отключаемого тока с ростом скорости восстановления напряжения. При больших значениях отключаемого тока необходимо снижать скорость восстановления напряжения сети с помощью шунтирующих резисторов (2.6).

Одним из способов дальнейшего увеличения номинальных напряжений установок и допустимых токов КЗ является применение новых дугогасящих газов. Наилучшие результаты получены с электротехническим газом − элегазом . По сравнению с воздухом элегаз обладает следующими преимуществами:

1. Электрическая прочность элегаза в 2,5 раза выше, чем у воздуха, и при давлении 0,2 МПа близка к электрической прочности трансформаторного масла.

2. В ДУ продольного дутья дугогасящая способность элегаза примерно в 5 раз выше, чем у воздуха.

3 Высокая удельная плотность улучшает тёплоотдачу токоведущих систем, что позволяет увеличить допустимую плотность тока и уменьшить массу меди в выключателе.

4. Малое значение градиента в электрической дуге уменьшает эффект закупорки сопла. Это позволяет увеличить междуконтактный зазор и повысить напряжение на каждом разрыве. При этом сокращается число разрывов на выключатель.

5. Элегаз является инертным газом, не вступающим в реакцию с кислородом и водородом, слабо разлагается дугой. Элегаз нетоксичен, хотя некоторые продукты, образующиеся при воздействии дуги, опасны.

Недостатком элегаза является высокая температура сжижения. Так, например, при давлении 1,31 МПа переход из газообразного состояния в жидкое происходит при 0°С. Это заставляет при высоком давлении прибегать к подогревающим устройствам. В элегазовом ДУ высокого давления гашение дуг происходит так же, как и в воздушном ДУ. Из-за сложности и пониженной надежности такие ДУ не используются.

Широкое применение в выключателях нашли автопневматические элегазовые ДУ. В выключателе поддерживается давление 0,35 МПа, при котором температура сжижения элегаза составляет -40°С. При отключении выключателя его механизм, воздействует на поршневое устройство, создающее в зоне горения дуги давление 0,7 − 0,8 МПа. При этом обеспечивается надежное гашение дуги. В настоящее время воздушные ДУ вытесняются элегазовыми.

е) Гашение дуги в трансформаторном масле. Простейшее ДУ такого типа представлено на рисунке 2.29, а. Дугогасительная камера 6 выполнена из прочного изоляционного материала (гетинакса или стеклотекстолита) и расположена в трансформаторном масле 1. При отключении подвижный контакт 7 перемещается вниз с большой скоростью. Между ним и неподвижным контактом 2 загорается дуга 4. Под действием энергии дуги происходит взрывоподобное разложение масла на водород и газы в виде паров масла. Водород обладает исключительно высокой теплопроводностью и является одной из лучших дугогасящих сред. Температура газа достигает 2000 − 3000 К. За сотые доли секунды давление поднимается до 2-4 МПа. Образующийся газовый пузырь 5 стремится вырваться из камеры через щель 8. При этом происходит эффективное охлаждение дуги потоками газа, вытекающими из камеры со скоростью звука. Поскольку давление и эффективность гашения дуги зависят от ее энергии, то чем больше отключаемый ток, тем быстрее происходит гашение. Зависимость длительности отключения от тока аналогична приведенной на рисунке 2.26. При малом токе из-за недостатка энергии дуги процесс гашения затягивается, и для его ускорения необходимы специальные меры.

Рисунок 2.29 − ДУ масляных выключателей

На рисунке 2.29, б показано, что дуга 4 в нижней части объема камеры создает дополнительный объем газа, который гонит масло со скоростью V на дугу, втянутую в щель.В результате этого процесс дугогашения ускоряется. В выключателях на напряжение 220-500 кВ приходится включать большое число камер последовательно, так как каждая камера работает при напряжении не более 100 кВ. Простейшая камера (рисунок 2.29, а) работает при напряжении не выше 10 кВ.

Освобождение газов из камеры после гашения дуги производится через отверстие 3.

Рисунок 2.29 − ДУ масляных выключателей

ж) Гашение дуги в вакуумной среде. В вакуумном ДУ контакты расходятся в среде с давлением Па ( мм рт. ст.), при котором плотность воздуха мала. Длина свободного пробега молекулы достигает 50, а длина свободного пролета электрона 300 м. При таких условиях электрический пробой между электродами затруднен из-за отсутствия носителей зарядов. Пробивное напряжение промежутка длиной 1 мм в вакууме достигает 100 кВ.

Процесс горения и гашения дуги в вакууме при переменном токе происходит следующим образом. При размыкании контактов контактное нажатие непрерывно уменьшается, а переходное сопротивление контактов увеличивается и при нажатии, равном нулю, стремится к бесконечности, даже при небольших токах в момент размыкания контактов из-за выделения большого количества тепла материал контактов плавится и образуется жидкий металлический мост, который под действием высокой температуры нагревается и испаряется. При разрыве мостика загорается дуга, которая горит в среде паров металлов электродов. Вакуумная дуга при токах менее 10 кА характеризуется малым падением напряжения, составляющим 20 − 30 В. После прохождения тока через нуль вакуумная дуга гаснет. Скорость диффузии зарядов очень высока из-за большой разницы плотностей частиц в дуге и окружающем ее вакууме. Практически через 10 мкс после нуля тока между контактами восстанавливается электрическая прочность вакуума. Быстрая диффузия частиц, высокие электрическая прочность вакуума и скорость ее восстановления обеспечивают гашение дуги при первом прохождении тока через нуль.

Вакуумные ДУ являются в настоящее время наиболее эффективными и долговечными. Их срок службы без ревизии достигает 25 лет. Созданы ДУ на ток отключения до100 кА при напряжении 10 кВ и на отключаемый ток 40 кА при напряжении 160 кВ.

Рисунок 2.30 − Схема для отключения цепи

постоянного тока

Вакуумные ДУ могут применяться и для отключения постоянного тока, для этого используются схемы, аналогичные показанной на рисунке 2.30. На отключаемый вакуумным выключателем постоянный ток накладывается переменный ток контура , который начинает протекать после замыкания выключателя . В результате суммирования токов и в один из моментов времени результирующий ток проходит через нуль и дуга гаснет. После этого выключатель отключается. Конденсатор заряжается от специального источника. Вследствие сложности схемы вакуумные выключатели постоянного тока применяются пока редко.