22. Отброс контактов электродинамическими силами. Способы борьбы с

этим явлением.

СПОСОБЫ КОМПЕНСАЦИИ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ СИЛ В КОНТАКТАХ

Контакт (рис. 4-20, а) может быть представлен как проводник переменного сечения. Согласно выражению (3-49) в месте сужения линий тока возникают продольные электродинамические силы, стремящиеся разомкнуть контакты. Для одноточечных контактов значение этих сил определяется выражением

где s — сечение контакта в месте, где нет искривлений линий тока; s₀ — дейст­вительная площадь контактирования; п — число мест контактирования.

В аппаратах на большие токи, в частности в автоматических выключателях, стремятся так выполнить контактную систему, чтобы компенсировать или осла­бить действие электродинамических сил.

Например, в мостиковой системе (рис. 4-20, б) электродинамическая сила F2контакта abcd, действующая на мостик и равная

направлена навстречу электродинамическим силам Fj в контактном переходе. Можно подобрать размеры h и а так, чтобы F₂ ^ 2Fj.

В контактной системе по рис. 4-20, в электродинамическая сила F₂ практи­чески отсутствует, а в системе по рис. 4-20, г сила F₂ складывается с силами F,. С точки зрения электродинамической устойчивости последняя система является наименее устойчивой.

На рис. 4-20, д показан пример электродинамической компенсации для ры­чажных контактов. Неподвижный контакт состоит из двух частей (7 и 2), соединенных посредством шарнира. Подвижная часть этого контакта удерживается в нейтральном положении двумя пружинами, действующими навстречу друг другу. Электродинамическая сила F₂ стремится раздвинуть параллельные части 1 и 2 контакта. Сила F₂ направлена навстречу силе F_t. Можно подобрать длину петли I так, чтобы F₂l₂ > ^ Тогда при коротком замыкании часть 2 кон­такта будет всегда прижиматься к подвижной контакт-детали, и контактное нажатие будет при этом возрастать.

Схема электромагнитного компенсатора приведена на рис. 4-20, е. Магнитное поле токопровода подвижного контакта стремится притянуть якорь 3 магнито-провода компенсатора к неподвижной части 4 последнего. Через рычаг 2 сила F₂ передается на подвижную контакт-деталь 1, препятствуя ее отбросу, вызываемому электродинамической силой F₁.

В контактах (врубных) по типу рис. 4-10,6 и в компенсация электродинами­ческих сил достигается за счет одинакового направления токов 1/2 в деталях 2.

23. Основные конструкции сильноточных размыкаемых контактов.

25. Условия существования дугового разряда в газе. Характерные

области дугового разряда. Вольтамперная характеристика дуги.

Электрическая дуга

Ионизация - процесс отделения от нейтрали частиц одного или нескольких электронов и образование вследствие этого электронов и положительно заряженных частиц (ионов).

Термическая ионизация - это процесс ионизации под воздействием высоких температур.

Электронная эмиссия – процесс выхода электронов из твердых или жидких тел.

Термоэлектронная эмиссия – электронная эмиссия, обусловленная исключительно тепловым состоянием (температурой) твердого или жидкого тела, испускающего электроны.

Автоэлектронная (электростатическая, холодная) эмиссия – эмиссия электронов, обусловленная исключительно наличием у поверхности тела сильного электрического поля, ускоряющего выходящие электроны.

Рекомбинация - это процесс образования нейтральных частиц газа за счет положительных ионов и электронов.

Диффузия - это процесс выноса заряженных частиц из межэлектродного промежутка в окружающее пространство. Интенсивность гашения дуги будет определяться интенсивностью этих процессов.

Виды электрического разряда в газах

• Несамостоятельный разряд – электрический разряд, требующий для своего поддержания образования в разрядном промежутке заряженных частиц под действием внешних факторов.

• Самостоятельный разряд – электрический разряд, существующий под действием приложенного к электродам напряжения и не требующий для поддержания образования заряженных частиц за счет действия других внешних факторов.

• ВАХ самостоятельного разряда

• 

• I – темный разряд

• II - нормально тлеющий разряд

• III - аномально тлеющий разряд

• IV - переходная область- переход от тлеющего разряда к дуговому

• V - область дугового разряда

Электрическая дуга

U_c < (U_к+U_А) - дуга называется короткой.

Дуга характерна для низковольтных аппаратов.

U_c > (U_к+U_А) - дуга называется длинной.

Дуга характерна для высоковольтных аппаратов.

Области дугового разряда

Статистическая и динамическая ВАХ дуги

При каждом значении установившегося постоянного тока устанавливается тепловой баланс

m - показатель, зависящий от вида (способа) воздействия окружающей среды на ствол дуги;

A_m – постоянная, определяемая интенсивностью теплообмена в зоне ствола дуги при данном (m) способе воздействия окружающей среды;

l – длина дуги.

5-1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ КОММУТАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Под коммутацией электрических цепей подразумевается операция замыкания и (или) размыкания электрической цепи, при которой изменение ее сопротивления происходит практически скачкообразно (ГОСТ 18311 —80).

В контактном аппарате отключение электрической цепи (размыкание контак­тов) физически представляет собой процесс перехода межконтактного промежутка аппарата из состояния проводника электрического тока в состояние диэлектрика (изолятора). В бесконтактном аппарате коммутирующий (переключающийся) эле­мент под воздействием каких-либо физических величин (электрическое или маг­нитное поле, температура и т. п.) меняет свое сопротивление («запирает» цепь). У первых отношение сопротивлений коммутирующих элементов в разомкнутом и замкнутом положениях составляет 10¹⁰— 10¹⁴, у вторых отношение сопротивле­ний в «запертом» и «открытом» состояниях имеет значения 10⁴ — 10⁷.

Следует отметить, что у контактных аппаратов изменение сопротивления коммутирующего устройства, а следовательно, и тока в цепи происходит скачко­образно, т. е. в ограниченный (доли секунды) промежуток времени. Такой режим применительно к аппаратам на небольшие токи называют также релейным. У бесконтактных аппаратов в зависимости от характера (скорости) изменения управляющей величины изменение сопротивления коммутирующего элемента мо­жет происходить как скачкообразно, так и плавно. В первом случае аппарат работает в коммутационном (релейном) режиме «открыто» — «закрыто», во вто­ром — в режиме регулятора (работа в этом режиме рассматривается в курсах теории автоматического регулирования).

Каждая электрическая цепь обладает определенной индуктивностью L и емкостью С. Переход из одного состояния в другое занимает определенное время, так как каждому установившемуся состоянию цепи соответствует определенный запас энергии электрических W₃ = CU²/2 и магнитных W_M — Ы²/2 полей. Эта энер­гия может изменяться только непрерывно. Отсюда вытекают следующие законы коммутации [24, 30].

В начальный момент ^коммутации ток в индуктивной цепи остается таким же, каким он был непосредственно перед коммутацией, а затем плавно изменяется.

В начальный момент после коммутации напряжение емкостной цепи остается таким же, каким оно было непосредственно перед коммутацией, а затем плавно изменяется. Ток через емкостную цепь может изменяться скачком.

.

5-3. ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ

Зависимости падения напряжения на стволе дуги от тока — вольт-амперные характеристики дуги — приведены на рис. 5-3. Кривая 1 представляет собой апати­ческую характеристику дуги, т. е. падение напряжения на дуге при данном токе в установившемся равновесном состоянии, когда ионизация равна деионизации — подводимая к дуге мощность равна отводимой. Напряжение U₃, соответствующее началу дугового разряда на промежутке, носит название напряжения зажигания дуги. Характеристика имеет падающий характер — с ростом тока напряжение на дуге падает. Это означает, что сопротивление дугового промежутка уменьшается быстрее, чем увеличивается ток.

Если с той или иной скоростью уменьшить ток в дуге от 7₀ до нуля и при этом фиксировать падение напряжения на дуге, то получим ряд кривых 2, лежа­щих ниже кривой 1. Эти кривые носят название динамических характеристик. Чем быстрее будет уменьшаться ток, тем ниже будет лежать динамическая вольт-амперная характеристика дуги. Это объясняется тем, что при снижении тока такие параметры дуги, как сечение ее ствола, температура газа и степень иони­зации, не успевают быстро измениться и приобрести значения, соответствующие меньшему значению тока при установившемся режиме. В пределе, при мгновенном изменении тока до нуля, получим прямую 3 — проводимость

промежутка оста­нется соответствующей току /₀, а ток упадет до нуля.

тически недостижимый. Обычно при спаде тока динамические характеристики имеют возрастающий характер. Соответствующее этим характеристикам напря­жение, при котором дуга гаснет, называется напряжением гашения U_r.

Для данного дугового промежутка, материала электродов и среды имеются одна вполне определенная статическая характеристика дуги и множество динами­ческих, заключенных между кривыми 1 и 3.

Если падение напряжения на дуге и_д характеризует дуговой промежуток как проводник, то напряжения U-, и U_r характеризуют изоляционные свойства про­межутка — они означают напряжения, которые необходимо приложить при данном состоянии промежутка, чтобы возбудить в нем электрическую дугу.

Падение напряжения на стационарной дуге распределяется неравномерно вдоль дуги. Картина изменения падения напряжения V, и продольного градиента напряжения Е_я вдоль дуги приведена на рис. 5-4. Под градиентом напряжения понимают падение напряжения на единицу длины дуги. Как видно из рисунка, ход характеристик 11_л и Е_а в приэлектродных областях резко отличается от хода характеристик на остальной части дуги. У электродов, в прикатодной и прианод-ной областях, на промежутке длины порядка 10~⁴ см имеет место резкое падение напряжения, называемое катодным U_K и анодным 1/_а. Значение этого падения напряжения зависит от материала электродов и окружающего газа. Суммарное значение прианодного и прикатодного падений напряжения составляет 15 — 30 В, градиент напряжения достигает 10⁵- 10⁶ В/см.

В остальной части дуги, называемой стволом дуги, падение напряжения U_a практически прямо пропорционально длине дуги. Градиент здесь приблизительно постоянен вдоль ствола. Он зависит от многих факторов и может изменяться ^в широких пределах, достигая 100-200 В/см.

Околоэлектродное падение напряжения [/_э не зависит от длины дуги, падение напряжения на стволе дуги пропорционально длине дуги. Таким образом, паде­ние напряжения на дуговом промежутке