4.Отключение электрических цепей

4.1. Общие сведения

Большая группа электрических аппаратов представлена коммутационными устройствами, с помощью которых замыкается и размыкается электрическая цепь. Электрический разряд, возникающий при размыкании контактов, приводит к их износу и в значительной степени определяет надежность и долговечность аппарата. Этот разряд в окружающем контакт газе является либо тлеющим разрядом, либо электрической дугой. Тлеющий разряд возникает при отключении тока менее 0,1 А при напряжении на контактах 250—300 В. Такой разряд происходит на контактах маломощных реле, а в более мощных аппаратах является переходной фазой к разряду в виде электрической дуги. Если ток и напряжение в цепи выше определенных значений, то имеет место дуговой разряд, обладающий следующими особенностями:

- Дуговой разряд имеет место только при относительно больших токах. Минимальный ток дуги для различных материалов для металлов составляет примерно 0,5 А.

-Температура центральной части дуги очень велика и может достигать 6000—25 000 К.

- При дуговом разряде плотность тока на катоде чрезвычайно велика и достигает 102—103 А/мм2.

- Падение напряжение у катода составляет всего 10— 20 В и практически не зависит от тока. [2]

В дуговом разряде можно различить три характерные области: околокатодную, область столба дуги, околоанодную. В каждой из этих областей процессы ионизации и деионизации протекают по-разному. [2]

а) Околокатодная область.

Занимает весьма небольшое пространство длиной не более 10-6 м. Около катода возникает положительный объемный заряд, создаваемый положительными ионами. Между этим положительным объемным зарядом и катодом создается электрическое поле с напряженностью до 107 В/м, в котором движутся электроны, вышедшие из катода и создающие электрический ток. Электрическое поле воздействует на электроны, увеличивая их скорость. При соударении такого электрона с нейтральной частицей может произойти ионизация, для чего электрон должен обладать определенной энергией. [2]

Напряжение (разгоняющее напряжение), которое должен пройти электрон для приобретения энергии, необходимой для ионизации, называется потенциалом ионизации. Для газов этот потенциал колеблется от 24,58 В (гелий) до 13,3 В (водород). Пары металлов имеют значительно меньший потенциал ионизации. Так, для паров меди он равен 7,7 В. [2]

Положительные ионы, так же как и электроны, разгоняются электрическим полем, но из-за большой массы скорость их много меньше. При ударе положительного иона о нейтральную частицу меньшая часть энергии передается на ионизацию, так что ионизация толчком происходит в основном за счет электронов. [2]

Ввиду малой протяженности околокатодной области электроны не набирают скорости, достаточной для ионизации ударом. Чаще всего после удара атом переходит в возбужденное состояние (электрон атома переходит на более удаленную от ядра орбиту). Для ионизации возбужденного атома требуется меньшая энергия. В результате необходимый потенциал ионизации уменьшается. Такая ионизация называется ступенчатой. При ступенчатой ионизации необходим многократный удар электронов по атому: на каждый образующийся положительный ион требуются десятки электронов. Поэтому ток около катода, несмотря на наличие положительных ионов, носит электронный характер. [2]

Образующиеся электроны не создают около катода отрицательного объемного заряда, так как их скорость значительно больше скорости тяжелых положительных ионов. Положительные ионы разгоняются в поле катодного падения напряжения и бомбардируют катод. Благодаря этому температура катода поднимается и достигает точки испарения материала электрода. При высоких температурах появляется термоэлектронная эмиссия катода, которая в сильной степени зависит от температуры электрода. Проведенные исследования также показали, что дуга может существовать только за счет автоэлектронной эмиссии, создаваемой у катода электрическим полем. [2]

б) Область дугового столба

Энергия, приобретенная заряженными частицами в электрическом поле дугового столба, столь мала, что практически ионизация толчком не происходит. [2]

При большой температуре, которая имеет место в области дугового столба, скорость частицы возрастает до значения, при котором удар в нейтральный атом приводит к его ионизации. Такая ионизация называется термической. Основным источником ионов и электронов в столбе дуги является термическая ионизация. Чем меньше масса частицы, тем больше ее скорость движения.Таким образом, с ростом давления степень ионизации уменьшается. В связи с этим во многих дугогасящих устройствах (ДУ) электрических аппаратов создается повышенное давление газа, что способствует гашению дуги. Очень сильное влияние на ионизацию оказывает температура. Для большого числа двухатомных газов из-за ступенчатой ионизации процесс образования ионов начинается при температурах 6-103 К. Пары металла ионизируются значительно легче. Заметная ионизация начинается уже при температурах 3000—4000 К. Поэтому в ДУ необходимы меры против попадания металлических паров электродов. [2]

в) Энергетический баланс дуги.

Процесс ионизации и процесс деионизации в значительной степени определяются температурой дугового промежутка. Последняя зависит от количества тепла, выделяемого в дуге и отводимого от дуги.Охлаждение дуги происходит за счет излучения, теплопроводности и конвекции.Для открытой дуги, горящей в воздухе, излучением отдается 15—30 % выделяемой в дуге энергии. Для дуги, горящей в закрытом ДУ, доля тепла, отдаваемого лучеиспусканием, меньше.Отвод тепла за счет теплопроводности газа в значительной степени зависит от его температуры. Так, при температуре 4000 К молекулы водорода диссоциируют на атомы. При этом от дуги отводится большое количество тепла. Внешне этот процесс представляется как резкое увеличение теплопроводности. Теплопроводность газа сильно зависит от его природы. Так, средняя теплопроводность водорода в 17 раз больше, чем воздуха. Благодаря своей высокой теплопроводности при прочих равных условиях водород способствует более быстрому охлаждению столба дуги. Ток, отключаемый в атмосфере водорода, в 7,5 раза больше, чем в воздухе при том же давлении.При горении дуги в трансформаторном масле последнее разлагается с выделением водорода, что способствует эффективному гашению дуги. В некоторых аппаратах под действием магнитного поля дуга перемещается с большой скоростью относительно воздуха, что приводит к ее охлаждению за счет конвекции. Этот вид теплоотдачи наряду с теплопроводностью является определяющим для процесса гашения. [2]

г) Околоанодная

Поток электронов из столба дуги устремляется к положительному электроду — аноду. Анод при дуговом разряде не излучает положительных ионов, которые могли бы нейтрализовать электроны. Поэтому вблизи анода создается отрицательный объемный заряд, что и вызывает появление околоанодного падения напряжения и повышение напряженности электрического поля. Околоанодное падение напряжения зависит от температуры анода, его материала и значения тока.Электроны разгоняются в поле, образованном отрицательным объемным зарядом и анодом. Энергия, приобретенная электронами, отдается аноду. Благодаря большой энергии электронов анод нагревается до очень высокой температуры, которая, как правило, выше температуры катода. Мощный поток электронов выбивает из анода электроны, которые также участвуют в создании отрицательного объемного заряда.Высокая температура анода и околоанодная область не оказывают существенного влияния на возникновение и условия существования дугового разряда. Роль анода сводится к приему электронного потока из дугового столба.Для дуги большого тока околоанодное падение напряжения столь мало, что им можно пренебречь.Распределение напряжения, напряженности электрического поля (градиента) и производной, пропорциональной объемному заряду а в дуге, представлено на рис.4.1.1. [2]

Падение напряжения у катода составляет 10—20 В и зависит от материала катода и свойств газа, в котором горит дуга. Околокатодное падение напряжения несколько меньше потенциала ионизации газа из-за наличия около катода его паров, у которых потенциал ионизации значительно ниже.Околоанодное падение напряжения составляет 5—10 В. При больших токах околоанодное напряжение уменьшается, в то время как околокатодное напряжение остается постоянным.

Рис. 4.1.1. Распределение напряжения, напряженности электрического поля и объемных зарядов в электрической дуге

В некоторых аппаратах низкого напряжения длина дуги невелика. Падение напряжения на столбе дуги мало по сравнению с суммой падения напряжения у катода и анода. Такие дуги называются короткими. Условия гашения короткой дуги в значительной степени определяются процессами, происходящими у электродов, и условиями их охлаждения.В аппаратах высокого напряжения падение напряжения на столбе дуги значительно больше околоэлектродных, и последними можно пренебречь. Условия существования таких дуг, называемых длинными, определяются процессами в столбе дуги. [2] 4.2. Дуга постоянного тока.

1)ВАХ дуги постоянного тока. Электрическая дуга между контактами загорает ся при некотором напряжении зажигания Uз . Оно зависит от расстояния между контактами, от температуры и давления среды, окружающей дугу, от температуры и материала контактов и др. По мере увеличения тока дуги, напряжение на ней Uд уменьшается (рис.4.2.1).[1]

Рис.4.2.1. ВАХ дуги постоянного тока .

Это обусловлено интенсивностью процессов ионизации. Напряжение на дуге при уменьшении тока до нуля называется напряжением гашения Uг . Это напряжение всегда меньше напряжения зажигания Uз . Это объясняется большим нагревом и инерционностью тепловых процессов. Чем большей теплопроводностью и теплоемкостью обладает материал контактов и сама дуга, тем меньше будет разница между Uз и Uг . Напряже-ние на дуге Uд является функцией тока дуги, расстояния между контактами и физических свойств контактов. [1]

Рассмотрим процесс гашения электрической дуги при отключении цепи постоян-ного тока, состоящей из источника с напряжением U, сопротивления R, индуктивности L и коммутационного аппарата с напряжением на дуге Uд (рис. 4.2.2 а). [1]

При замкнутых контактах коммутационного аппарата Uд = 0. Уравнение отключаемой цепи имеет вид . [1]

U = iR + Uд + Ldi/dt .

При устойчивом горении дуги, когда ток не изменяется, уравнение будет иметь вид[1]

U = iR + Uд . (15)

Если это равенство не будет удовлетворяться, то при условии U >(iR + Uд) появляется положительная ЭДС самоиндукции (+Ldi/dt) и ток будет увеличиваться. [1]

Рис. 4.2.2. К определению условия гашения дуги постоянного тока

Графически уравнение равновесия напряжений представлено на рис. 4.2.2. Прямая параллельная оси абсцис, соответствует напряжению источника U, а прямая, проведенная под углом к оси абсцисс, соответствует падению напряжения на сопротивлении R. Кривая 1 представляет статическую ВАХ дуги. Отрезки, заключенные между кривой Uд= f(i) и прямой (U - iR), соответствуют Ldi/dt. ВАХ дуги и прямая (U - iR) пересекаются в точках А и В. Уравнение выполняется лишь в этих двух точках. Действительно, если по какимлибо причинам произойдет увеличение тока IB, то в цепи возникает положительная ЭДС самоиндукции (+Ldi/dt), уменьшающая ток до значения IB. Наоборот, при уменьшении тока IB в цепи возникает отрицательная ЭДС самоиндукции (-Ldi/dt), которая будет увеличивать ток до значения IB. Таким образом, точка B является точкой устойчивого горения дуги. Анализируя аналогичным образом изменение тока в точке А, можно сделать вывод, что точка А является точкой неустойчивого горения дуги, так как при уменьшении тока IA отрицательная ЭДС самоиндукции (-Ldi/dt) будет уменьшать ток до нуля и дуга погаснет. Таким образом, электрическая дуга постоянного тока погаснет, если будет ликвидирована точка устойчивого горения (точка В), т. е., если ВАХ дуги будет лежать выше прямой (U - iR) и не будет с ней пересекаться. Отсюда следует, что выражение Uд > (U - iR) характеризует условие гашения дуги постоянного тока. Достигнуть этого можно либо увеличением сопротивления R, либо повышением падения напряжения на дуге. В первом случае увеличивается угол наклона прямой iR = f(i). Во втором случае ВАХ поднимается выше. В дугогасительных устройствах применяются следующие способы, позволяющие повысить падение напряжения на дуге: 1) растягивание дуги, при этом ВАХ перемещается параллельно самой себе в сто-рону больших падений напряжений; 2) деление дуги на ряд коротких дуг, при этом используются околоэлектродные па-дения напряжения; 3) повышение давления газов в дуговом промежутке; 4) движение дуги в газовой среде, или наоборот, обдувание дуги газами; 5) соприкосновение дуги с поверхностью твердого изоляционного материала. Последние три метода повышают падение напряжения на дуговом промежутке за счет увеличения градиента напряжения в стволе дуги. [1]

Перенапряжения при отключении дуги постоянного тока. В момент погасания дуги, когда ток равен нулю, напряжение на дуговом проме- жутке равно напряжению гашения Uг . В этом случае уравнение принимает вид[1]

U = Ldi/dt + Uг ,

Отсюда

Uг = U - Ldi/dt .

Но так как Ldi/dt < 0, то можно записать

Uг = U + (Ldi/dt).

Таким образом, в момент гашения дуги напряжение на контактах равно напряжению источника плюс модуль напряжения на индуктивности. Увеличение напряжения на контактах относительно напряжения источника питания называется перенапряжением. Чем больше индуктивность коммутируемой цепи, чем больше скорость спада тока в момент гашения, тем больше перенапряжение на контактах коммутирующего аппарата. Скорость спада тока (di/dt) зависит от скорости роста сопротивления дугового промек- жутка, от скорости его деионизации. Поэтому, быстродействующие аппараты при отключении цепи постоянного тока могут давать большие перенапряжения. Эти перенапряжения могут в десятки раз превышать напряжение источника. [1]

4.3. Дуга переменного тока при отключении активной нагрузки 

ВАХ переменного тока. Переменный ток изменяется настолько быстро, что на процессы в дуге сказывается инерционность тепловых и ионных процесссов. По мере нарастания тока напряжение на межконтактном промежутке возрастает и при Uз дуга загорается. [1]

Рис. 4.3.3. Диаграмма напряжений на дуге переменного тока

После этого, несмотря на увеличение тока дуги, напряжение уменьшается и на протяжении большей части полупериода остается практически постоянным. В области близкой к переходу тока через нулевое значение напряжение на дуге вновь увеличива- ется и к моменту гашения дуги оно достигает напряжения гашения Uг (рис. 4.3.1.). Вольтамперная характеристика дуги переменного тока имеет вид, показанный на рис. 4.3.2. [1]

Рис. 4.3.2. ВАХ дуги переменного тока

В большинстве случаев, в конце и в начале каждого полупериода величина тока в дуге изменяется не по синусоидальному закону, а по закону Ома. В этот момент сопротивление дугового промежутка резко увеличивается, что приводит к ступеньчатому уменьшению тока, практически до нуля. В результате, величина этого тока в течение некоторого промежутка времени до его естественного прохождения через нуль и после становится очень малой (рис. 4.3.3.). Этот промежуток называется бестоковой паузой tп. Она зависит: от величины тока, напряжения, постоянных цепи (RLC) и от процессов внутри дугового промежутка. [1]

Рис. 4.3.3. Бестоковая пауза

При частоте 50 Гц ток в дуге меняется достаточно быстро, и происходящие в ней процессы необходимо рассматривать с помощью динамической ВАХ. При синусоидальном токе напряжение на дуге (рисунок 4.3.4.,а) сначала поднимается до точки 1, затем в связи с ростом тока падает до точки 2. После прохождения тока через максимум динамическая ВАХ поднимается и проходит через точку 3 в связи с уменьшением тока. В отрицательный полупериод процесс повторяется. При высокой частоте тока динамическая ВАХ описывается кривыми 4 и 5. Зависимости изменения тока в дуге и напряжения на ней во времени представлены на рисунке 1, б. При высокой частоте форма напряжения на дуге (кривая 2) приближается к форме тока. Рассмотрим отключение цепи с чисто активной нагрузкой при cosφ=1. Пусть контакты аппарата разошлись в точке а (рисунок 4.3.5ю) и между ними загорелась дуга. К концу полупериода из-за уменьшения тока и воздействия дугогасительного устройства (ДУ) сопротивление дугового промежутка и напряжение на дуге увеличиваются. При подходе тока к нулю к дуге подводится малая мощность, температура ее уменьшается, что, с одной стороны, ведет к замедлению термической ионизации, с другой - способствует деионизации. Все это приводит к погасанию дуги. Напряжение, при котором дуга гаснет, называется напряжением или пиком гашения U2. Резкий рост напряжения к концу полупериода ведет к тому, что ток в цепи обрывается до своего естественного прохождения через нуль. [2]

Рис 4.3.4. Динамическая характеристика дуги переменного тока

Рис 4.3.5. Процесс отключения активной нагрузки переменного тока.

В процессе гашения дуги число заряженных частиц в области дугового промежутка уменьшается, и его сопротивление после гашения дуги резко возрастает. При этом возрастает и электрическая прочность промежутка, т.е. напряжение, при котором происходит его электрический пробой. После прохождения напряжения через нуль электрическая прочность промежутка начинает нарастать не с нуля, а со значения, соответствующего точке а1 (начальная прочность промежутка). Начальная прочность и дальнейший рост прочности зависят от свойств ДУ. Чем эффективнее ДУ, тем больше прочность и круче идет ее нарастание. Пусть прочность промежутка восстанавливается по кривой a1b1. Тогда в момент времени t1 эта кривая пересечется с кривой напряжения на промежутке и дуга загорится вновь. Напряжение U3 называется напряжением зажигания. Напряжение, появляющееся на контактах после прохождения тока через нуль, называется восстанавливающимся. Оно зависит от напряжения источника и параметров отключаемой цепи. В данном случае при чисто активной цепи (cosφ=1) после прохождения тока через нуль к контактам приложено синусоидальное напряжение источника.В точке O1 дуга вновь гаснет, и происходят процессы, аналогичные описанным ранее. В этой точке при подходе тока к нулю дуга имеет более высокую температуру по сравнению с температурой к концу бестоковой паузы tb1. Поэтому всегда пик гашения дуги меньше пика зажигания. К моменту O1вследствие расхождения контактов длина дуги возрастает и увеличивается интенсивность воздействия ДУ. В результате и начальная прочность промежутка и крутизна ее нарастания в точке больше, чем в точке O (кривая a4 b4). Поэтому пауза тока tb2 увеличивается по сравнению с tb1. Однако и в этом нуле тока гашение дуги не произошло, и она загорелась вновь. Из-за возросшей длины дуги вследствие расхождения контактов. напряжение на дуге в этом полупериоде больше, чем в предыдущем. Окончательное гашение дуги происходит в точке O11. Для случая, когда электрическая прочность промежутка растет по кривой a2b2, гашение дуги происходит при первом же прохождении тока через нуль. В некоторых ДУ после возникновения дуги ее сопротивление так быстро возрастает, что ток в цепи начинает уменьшаться за счет этого сопротивления и не достигает установившегося значения (на постоянном токе) и амплитуды (на переменном токе). Такой процесс отключения называется процессом с токоограничением.[2]

4.4. Отключение индуктивной цепи переменного тока 

Рассмотрим процесс гашения дуги в цепи с большой индуктивностью cos(f)<0,1.В момент расхождения контактов (МРК) дуга загорается и напряжение на дуге меняется так же как на рисунке. 4.4.1.

Рис 4.4.1. Отключение индуктивной нагрузки переменного тока.

В точке о дуга гаснет. Благодаря процессу деионизации в дугогасительном устройстве диэлектрическая прочность восстанавливается по кривой а1. К промежутку при этом прикладывается восстанавливающееся напряжения Uв. Данный случай принципиально отличается от предыдущего по скольку в момент погасания дуги в точке о напряжение на источнике близко в амплитудному. Поэтому восстанавливающееся напряжение растет с большой скоростью. В точке С восстанавливающееся напряжение становиться выше электрической прочности и происходит пробой, дуга загорается вновь. Дуга горит еще пол периода и снова гаснет в точке о'. Напряжение восстанавливается по кривой U'в, а электрическая прочность восстанавливается по кривой a' 1'. В точке с' снова происходит пробой, дуга загорается вновь. В точке о'' дуга снова гаснет и снова начинается процесс восстановления напряжения по кривой U''в и нарастание электрической прочности по кривой a'' 1''. По скольку длина дуги увеличилась, контакты начинают расходиться то кривая электрической прочности а'' 1'' становиться выше кривой U''в. Пробоя не происходит дуга гаснет. Восстанавливающееся напряжение при этом может превысить напряжение источника, те происходит перенапряжение, а потом оно затухает до величины напряжения источника. [2]

При гашении дуги переменного тока одним из решающих факторов является восстанавливающееся напряжение. Для погашения дуги с ростом скорости восстановления напряжения необходимо увеличивать скорость нарастания электрической прочности. В противном случае либо увеличивается длительность горения дуги, либо аппарат не сможет погасить дугу и отключить цепь. Избежать этого можно: увеличением скорости нарастания электрической прочности, снижением скорости восстановления напряжения. Второй способ используется чаще и для снижения скорости восстановления напряжения используется низкоомные и высокоомные шунты. .[2]

4.5. Факторы, определяющие процесс восстановления напряжения .

В процессе гашения число заряженных частиц в области дугового промежутка уменьшается, и его сопротивление после гашения резко возрастает. При этом возрастает и электрическая прочность промежутка, то есть напряжение, при котором происходит его электрический пробой. После того как электрическая дуга гаснет, к промежутку прикладывается восстанавливающее напряжение Uв, создаваемое источником. Это напряжение является одним из решающих факторов при гашении дуги переменного тока как низкого, так и высокого напряжения. Для оценки кривой восстанавливающего напряжения (рисунок 4.5.2), вводится понятие скорости нарастания этого напряжения: [3]

,

Восстанавливающее напряжение часто оценивается собственной частотой F0 и коэффициентом пика , который определяется индуктивностью и ёмкостью цепи. [3]

Рисунок 4.5.1 – Динамические характеристики дуги переменного тока

Рисунок 4.5.2 – Восстанавливающие напряжения: 1 – допустимое значение восстанавливающего напряжения; 2 – восстанавливающее напряжение в месте установки выключателя

4.6. Отключение цепей при наличии шунтов 

Возрастание скорости восстановления напряжения приводит к тяжелым режимам работы отключающих аппаратов. Облегчить эти режимы можно либо увеличением скорости нарастания электрической прочности в ДУ, либо искусственным снижением скорости восстановления напряжения. Второй путь более экономичен и в настоящее время широко используется. Для снижения скорости восстановления напряжения применяются низкоомные и высокоомные шунты. [2]

Рассмотрим принцип действия низкоомного шунта (рис. 4.6.1).

Рис. 4.6.1.Применение низкоомного шунта

Рис.4.6.2.Процесс восстановления напряжения при наличии и отсутствии шунта.

Выключающий аппарат имеет два разрыва. Разрыв 1 шунтирован резистором Rш. Сопротивление Rш выбирается так, чтобы колебательный процесс восстановления напряжения перевести в апериодический. Для этого необходимо соблюдать неравенство Rm<1/2 корень L/Cэк. Обычно сопротивление Rш так мало, что влиянием Сэк можно пренебречь Тогда u = E[l — e^-iRш/L). Процесс восстановления напряжения при наличии шунта и без него показан на рис. 4.6.2. Наибольшая скорость, В/мкс, имеет место при t = 0. [2]

Шунтирующий резистор с малым сопротивлением позволяет настолько снизить скорость восстановления напряжения, что гашение дуги в первом разрыве практически не будет зависеть от собственной частоты сети. Возможный максимальный пик восстанавливающегося напряжения при этом уменьшается примерно в 2 раза. Для снижения скорости восстановления напряжения на первом разрыве желательно иметь возможно малое значение Rш. Как правило, дуга в разрыве 1 гаснет при первом прохождении тока через нуль. После этого расходятся контакты разрыва 2 (см. рис. 4.6.1) и между ними загорается дуга. Резистор Rm облегчает работу и этого разрыва, так как его введение в цепь уменьшает ток и сдвиг фаз между током и напряжением источника, что снижает восстанавливающееся напряжение промышленной частоты. Для облегчения режима работы второго разрываRш должно быть возможно большим. Обычно Rm определяется условиями работы разрыва 1/ Шунтирующие резисторы с малым сопротивлением применяются в выключателях на все классы напряжения, особенно при напряжениях до 35 кВ, где токи отключения достигают больших значений. При напряжении более 35 кВ применяются многократные разрывы. Восстанавливающееся напряжение промышленной частоты, приходящееся на один разрыв, уменьшается пропорционально числу разрывов. Соответственно уменьшается и скорость восстановления напряжения. Емкостное сопротивление между всеми контактами практически одинаково, но токи, текущие через разрывы, различны ввиду наличия емкостей элементов аппарата относительно земли С3 (рис. 4.6.3). Это создает неравномерность напряжения по разрывам. С ростом числа разрывов эта неравномерность увеличивается. Для выравнивания напряжения по разрывам применяют емкостные шунты Сш . При Сш5>20С3 токами i3 текущими через паразитные емкости на землю, можно пренебречь. При этом напряжение делится поровну между разрывами.[2]

Ри

Рис.4.6.3 Выравнивающее напряжение по разрывам выключателя с помощью шунтирующего выключателя.

4.7. Отключение короткой дуги переменного тока 

К моменту прохождения тока через нуль промежуток между электродами заполнен сильно ионизированным газом. Под действием восстанавливающегося напряжения образуется электрическое поле, которое действует на ионы и электроны. Из-за малой массы скорость электронов в электрическом поле примерно в 2000 раз больше скорости положительных ионов. Электроны, обладающие большой скоростью, быстро уходят из зоны катода, и около катода появляется положительный объемный заряд. Благодаря высокой проводимости остальной части промежутка, в которой положительные и отрицательные ионы взаимно уравновешиваются, почти все напряжение, подведенное к электродам, прикладывается к области положительного объемного заряда у катода. В этой области возникает очень высокая напряженность поля Е_П достигающая 30 000 кВ/м. [2]

Примерная картина распределения зарядов в объеме, напряженности электрического поля Еп и напряжения на промежутке и представлена на рис. 4.7.1, где d — толщина слоя положительного объемного заряда, расположенного у катода; Uп — напряжение, приложенное к электродам. Для того чтобы дуга загорелась вновь, необходимо, чтобы из катода было получено соответствующее количество основных носителей тока в дуге — электронов. Если катод не нагрет до температуры, при которой начинается термоэмиссия, то необходимое количество электронов может быть получено только за счет автоэлектронной эмиссии. Последняя возможна при напряженности поля примерно 30 000 кВ/м (при медных электродах). [2]

Рис. 4.7.1. К анализу процессов в короткой дуге переменного тока: a — распределение зарядов в дуговом промежутке, б н в — зависимости электрической папряжениости и разности потенциал лов от положения точки в дуговом разряде

Расчеты показывают, что такая напряженность поля получается при напряжении на промежутке 250 В .Если напряжение меньшие, то дуга гаснет. При сильно нагретых электродах часть электронов с катода получется за счет термоэмиссии и напряжение, необходимое для начала разряда, снижается до 160—170 В. Прочность промежутка после прохождения тока через нуль сильно зависит от материала электродов и при электродах достигает 320 В. Исследования показали [4.2], что электрическая прочность, возникающая около катода, в значительной степени зависит от нагрева точки дуги При холодных электродах эта прочность приближается к указанному выше значению (250 В) и имеет место при небольших токах и быстром перемещении дуги по электродам. При токах примерно сотни ампер даже при быстром перемещении дуги по электродам из-за термоэлектронной эмиссии прочность падает до 140 В при медных электродах. При токах более 100 А и неподвижных опорных точках дуги прочность снижается до 40—60 В. При токах КЗ она снижается до околоэлектродного падения напряжения (20—30 В), Явление образования околокатодной прочности открыто Слепяном и в настоящее время широко используется для гашения дуги в дугогасящих решетках аппаратов низкого напряжения. Дуга разбивается на ряд коротких дуг с помощью металлических электродов. После прохождения тока через нуль результнрующая электрическая прочность равна сумме всех околокатодных прочностей. Если результирующая прочность больше пика восстанагуливающегося, напряжения, то дуга гаснет при первом же прохождении тока через нуль. [4]

4.8. Отключение цепей с повышенной частотой тока 

Аппараты низкого напряжения изготовляются для переменного тока повышенной частоты 400 - 500 Гц, а также 2,5-10 кГц (закалочные установки). В последнем случае частота колебательного процесса при восстановлении напряжения на дуговом промежутке оказывается того же порядка, что и частота тока. Здесь уже нельзя считать ЭДС источника питания неизменной за время переходного процесса. Близкое совпадение частот источника питания и собственных колебаний существенно меняет характер переходных процессов. Если при промышленной частоте отключение индуктивного контура (ф - 90°) оказывалось тяжелее, чем отключение активного контура (ф -> 0), то при повышенной частоте отключение активного контура осуществляется труднее, нежели индуктивного контура. [5]

При гашении дуги в индуктивном контуре промышленной частоты напряжение на дуговом промежутке может достигнуть 2Е„. При гашении дуги в активном контуре повышенной частоты напряжение не может превзойти величины Е„. Этим при прочих равных условиях облегчается гашение высокочастотной дуги по сравнению с дугой промышленной частоты. [5]

Существуют, однако, и факторы, ухудшающие условия гашения дуги повышенной частоты. При промышленной частоте температура дугового промежутка при переходе тока через нуль успевает упасть на 30-50%, что способствует интенсификации процессов деионизации. При дуге повышенной частоты существенного снижения температуры дугового промежутка при переходе тока через нуль не происходит. Если не учитывать явлений у катода при переходе тока через нуль, то условия гашения дуги повышенной частоты (/ - 10 кГц) приближаются к условиям гашения дуги постоянного тока. [5]

4.9. Отключение малых индуктивных токов 

При отключении больших токов (больше 100 А) гашение дуги происходит при естественном переходе тока через нуль. Опасных перенапряжений при этом не возникает, так как электромагнитная энергия контура Li2/2 = 0, а восстанавливающееся напряжение не превосходит двойной амплитуды рабочего напряжения сети. [6] Рис. 4.9.1. Срез переменного тока. Схема замещения при отключении малого индуктивного тока. При отключении токов, меньших 25 А, часто возникают «срезы» тока — досрочный переход тока через нуль (рис. 49.1). Подобные срезы могут возникать в любой точке синусоиды тока, вплоть до амплитуды. Реально такой случай может иметь место, например, при отключении холостого хода трансформатора или при отключении шунтирующего реактора. По новейшим данным срез тока объясняется наложением на ток дуги высокочастотных колебаний в контуре LC (рис. 4.9.1), состоящем из находящихся по обе стороны выключателя емкостей С1 и С2 и индуктивности L„, связывающей эти емкости. Собственная частота колебаний fL в таком контуре обычно очень велика (десятки килогерц), так как постоянные колебательного контура малы: [6]

Здесь Амплитуда высокочастотных колебаний может оказаться больше тока дуги, что и приведет к более раннему погасанию последней, в момент, когда эти токи направлены навстречу друг другу. [6] При отключении холостого хода трансформатора, сопровождающемся срезом тока, электромагнитная энергия, запасенная в индуктивности трансформатора., переходит в. электростатическую энергию заряда емкости, шунтирующей индуктивность. Емкость эта представляет собой емкость шин и вводов трансформатора. [6] Так как то Ток холостого хода трансформатора составляет единицы или десятки ампер, емкость трансформаторов очень мала ,в то время как индуктивность, обусловленная рассеянием, достаточно велика. В результате имеет порядок 10—100 кОм и кратность перенапряжения может быть большой Эти высокие кратности получаются, несмотря на активные сопротивления и потери в стали трансформаторов, демпфирующие перенапряжения [6] На рис. 4.9.2 приведены диаграммы процесса отключения холостого хода трансформатора для двух случаев. В первом случае срез тока происходит на подъеме, а во втором — на спаде синусоиды тока. [6] Как показывает опыт, очень часто перенапряжения, вызванные отключением тока среза, приводят к повторным зажиганиям дуги. С одной стороны, это нежелательно, так как задерживает ликвидацию короткого замыкания, а с другой — повторное зажигание является положительным фактором, так как при этом трансформатор, хотя и на короткое время, вновь подключается[6] Рис. 4.9.2.. Изменение напряжения на зажимах трансформатора при одинаковом токе среза: а — на подъеме кривой тока; б — на спаде кривой тока через дугу к сети, что позволяет части электромагнитной энергии перейти в сеть и понизить перенапряжения. По некоторым данным наиболее опасные перенапряжения возникают при отключении индуктивных токов, находящихся в диапазоне от 5 до 40 А. При отключении реакторов дуга в выключателе горит более устойчиво, так как токи, которые подлежат размыканию, больше токов холостого хода трансформаторов и по форме ближе к синусоиде. Поэтому очень часто ток среза при отключении реакторов значительно меньше, чем при отключении холостого хода трансформаторов. В то же время энергия, подводимая к дуге, больше и ее деионизация проходит медленнее, чем при отключении трансформатора. [6] Если перенапряжения, возникающие при меньших токах среза, недостаточны для того, чтобы вызвать повторные зажигания дуги, перенапряжения не будут демпфироваться. Следовательно, в этом случае коммутационные перенапряжения будут выше, чем при отключении холостого хода трансформаторов. Если исходить из предположения, что при прочих равных условиях токи среза в обоих случаях одинаковы, продолжительность горения дуги при отключении реактора будет больше. [6] При отключении опережающего зарядного тока среза тока не наблюдается, однако в сети могут возникать значительные перенапряжения. Если зарядный ток отключается в момент естественного перехода через нуль, на отключенной линии остается заряд и связанный с ним постоянный потенциал, очень медленно спадающий при отводе заряда через утечку линии. Сохраняющееся в последующие моменты времени напряжение линии равно амплитуде рабочего напряжения (рис. 4.9.3.). [6] Напряжение на другой стороне выключателя (б сторону шин) изменяется по синусоидальному закону и через 10 мс достигает амплитуды противоположного знака. В этот момент времени межконтактный промежуток будет находиться под двойной амплитудой сетевого напряжения. Если электрическая прочность промежутка восстановится к этому моменту времени до большего значения, отключение линии произойдет без повторного зажигания дуги. Если же по достижении сетевым напряжением амплитуды произойдет повторное зажигание дуги, то емкость, а следовательно, и линия окажутся по отношению к земле под двойным сетевым напряжением, которое может понизиться до амплитудного значения только в том случае, если собственная частота колебательного процесса будет настолько велика, что обрыва дуги не произойдет и дуговой промежуток останется ионизированным (рис. 4.9.4., а). Очевидно, это может иметь место только при отключении достаточно коротких линий, емкость которых мала. При отключении длинных линий после обрыва дуги на них сохранится напряжение, существенно большее питающего (рис. 4.9.4, б). [6] Рис. 4.9.3. Отключение холостого хода линии высокого напряжения без повторного зажигания дуги в выключателе.

Так как эти повторные зажигания возникают при каждом пике синусоидального напряжения, изоляция линии может пробиться, если не предусмотрена соответствующая защита в виде вентильных разрядников. [6] Точно таким же образом протекают процессы при отключении конденсаторных батарей. Следовательно, отключение холостых линий высокого напряжения и конденсаторных батарей должно производиться так, чтобы не возникали повторные зажигания дуги. Это может быть обеспечено применением шунтирующих сопротивлений для двухступенчатого отключения, а также комбинированного дутья у малообъемных масляных выключателей. [6] Рис. 4.9.4. Коммутационные перенапряжения при отключении емкости; а — малой; б — большой

Рис. 4.9.5. Коммутационные перенапряжения на подстанции с нейтралью, заземленной через ЗРОМ Опасные коммутационные перенапряжения могут возникнуть в сетях с компенсированной нейтралью при проведении на подстанциях коммутационных операций с компенсирующими заземляющими устройствами (ЗРОМ). Если, например, от подстанции (рис. 4.9.5) отходит только одна линия, то при ее отключении может возникнуть режим, при котором зарядные токи в фазах А и В уже отключены, а в фазе С еще течет ток /, который замыкается на землю через трансформатор и дугогасящую катушку. Если теперь ток в фазе С будет отключен не при естественном переходе через нуль, то в момент размыкания дугогасительная катушка будет обладать электромагнитной энергией LPI2. Так как, однако, дуга погасла и цепи тока не существует, а емкость линии отделена от схемы, емкость контура состоит лишь из емкости по отношению к земле сборных шин трансформатора и дугогасящей катушки. Эта маленькая емкость должна воспринять электромагнитную энергию дугогасящей катушки, т. е. [6] При этом возникают значительные (4—5-кратные) перенапряжения. Если к шинам подстанции присоединены несколько линий большой емкости или нейтраль на подстанции при коротком замыкании кратковременно заземляется через вентильный разрядник (искусственная нулевая точка), опасных перенапряжений не возникает. Если такая схема не предусмотрена, отключение последней линии должно производиться от руки с предварительным отсоединением дугогасящей катушки. [6] Легко избежать трудностей отключения дугогасящей катушки включением параллельно с ней вентильного разрядника. Для уменьшения перенапряжений при отключении малых индуктивных и емкостных токов рекомендуются следующие меры. Если в выключателях на низкой и высокой стороне трансформатора применен одинаковый способ гашения дуги, отключение холостого хода трансформатора следует производить на стороне низкого напряжения (больше токи и устойчивей дуга). Если в выключателях применены разные способы гашения дуги, следует отключать тем выключателем, который надежней гасит дугу. Холостой ход трансформатора ни в коем случае не следует отключать одновременно обоими выключателями (с высокой и низкой сторон).Следует избегать совместного отключения нескольких индуктивностей, включенных последовательно (например, главный трансформатор и регулировочный бустерный трансформатор или трансформатор и дугогасящая катушка). Следует избегать отключения дугогасящих катушек, находящихся под током и не шунтированных вентильным разрядником. На длинных линиях высокого и сверхвысокого напряжения рекомендуется устанавливать выключатели, у которых вероятность повторных зажиганий дуги меньше, например быстродействующие воздушные выключатели с шунтирующими сопротивлениями. [6]

4.10. Перенапряжения при коммутации конденсаторов и длинных линий

А)перенапряжение при отключении конденсатора.

Одной из важных проблем, определяющих прогресс в развитии конструкций конденсаторных установок, является разработка и освоение специальной комплектующей аппаратуры. К общим требованиям, предъявляемым к комплектующей аппаратуре, относятся минимальные весогабаритные характеристики, обеспечение наиболее целесообразной компоновки конденсаторных установок, удобство и безопасность монтажа, производственная эстетика, высокие надежность и экономичность. Основным коммутирующим аппаратом КУ является выключатель, предназначенный для включения и отключения чисто емкостной нагрузки, выполняемой с учетом мероприятий по ограничению переходных процессов. Обычные выключатели не обладают достаточной механической прочностью, необходимой при работе с конденсаторными установками. Так, например, масляные выключатели выше 1000 В обеспечивают только 2000 включений и отключений, однако в конденсаторных установках с автоматическим регулированием указанное гарантированное количество срабатываний может быть превышено, поэтому применение обычных выключателей приводит к быстрому износу и частой их замене. [7] Процессы, происходящие при отключении конденсаторов, имеют некоторые особенности по сравнению с процессами при отключении другого вида электрооборудования. При отключении конденсаторов напряжение на их зажимах в течение всего процесса отключения остается практически постоянным благодаря наличию в конденсаторе электрического заряда. При разрядке конденсатора даже с разрядными сопротивлениями требуется значительно больше времени, чем для перемещения контактов выключателя из одного крайнего положения в другое. Поэтому можно считать, что на зажимах присоединенного к конденсатору выключателя напряжение остается постоянным в течение всего процесса отключения, а на зажимах выключателя, присоединенного к сети, меняется синусоидально. В момент начала отключения напряжение между подвижными и неподвижными контактами равно нулю, но через половину периода, т. е. через 0,01 с, оно равно удвоенной амплитуде напряжения сети. В этот момент расстояние между контактами выключателя может быть еще настолько мало, что воздушный промежуток будет пробит и ток возобновится. Так как в этот момент па конденсатор действует двойное напряжение, то и ток может в 2 раза превысить ток включения разряженного конденсатора. Таким образом, ток при отключении конденсатора может возобновляться несколько раз, пока не произойдет окончательного разрыва его на контактах выключателя. [7] Переходные процессы, возникающие при отключении конденсаторов, аналогичны процессам при их включении. При переходных процессах возникают кратковременные броски тока переходного режима, превосходящие номинальный ток КУ. Все это заставляет подходить к коммутационным процессам с особой осторожностью, а иногда даже возникает необходимость в применении устройств, ограничивающих эти переходные процессы. При исследовании процесса включения существенное значение имеет расположение подключаемой конденсаторной установки—отдельное, обособленное от других конденсаторных установок (рис. 3.1) или вблизи них (рис. 3.2,а). Первый случай может иметь место при централизованной компенсации, когда вся КУ включается одним выключателем, во втором случае конденсаторной установки может быть разделена на секции, каждая из которых включается отдельным выключателем. Имеется в виду также включение и отключение конденсаторной установки, работающих параллельно с другой установкой или при коммутации под напряжением отдельных секций регулируемой конденсаторной установки . [7]

 

  Рис. 4.10.1. Схема подключения обособленной, КУ к электрическим сетям

Броски тока и перенапряжение, сопровождающие переходные процессы в обособленных КУ, как правило, не представляют опасности ни для конденсаторов, ни для другого оборудования установки. При параллельной работе КУ или отдельных ее секций броски тока и перенапряжение могут быть более значительны. Однако отечественный и зарубежный опыт показывает, что даже для мощных КУ максимальный ток включения меньше ударного тока КЗ, который выдерживает выключатель. Броски тока и перенапряжение при отключении конденсаторных установок могут быть более значительными, чем при ее включении, если отключение происходит недостаточно быстро. В отечественной и зарубежной технической информации приводится значительное количество теоретических и экспериментальных данных о переходных процессах при коммутации конденсаторной установки. Однако их нельзя считать достаточно полными, так как протекание переходных процессов зависит от многих факторов: схемы конденсаторных установок, ее рабочего напряжения, мощности, типа выключателя, технической характеристики энергетической системы, к которой будет подключена данная КУ, и др. [7]

Б) Перенапряжения при включении длинных линий.

При включении длинных ненагруженных на конце линий электропередач и при их АПВ возможны перенапряжения , опасные для установленного оборудования.Для борьбы с этими перенапряжениями используются два способа. При первом способе специальной схемой управления контакты выключателя замыкаются тогда, когда разность потенциалов на них равна нулю. При этом исключается причина возникновения переходного процесса , создающее перенапряжение. Выключатель должен иметь стабильное время включения, поддерживаемое с высокой точностью, и довольно сложную схему управления. Поэтому пока этот способ распространения не получил. При втором способе применяется схема с предвключаемым резистором (рисунок 4.10.2). Здесь е(t) - ЭДС источника, х - его индуктивное сопротивление, u1 - напряжение на левом выводе выключателя, u2- напряжение в начале линии длиной . При включении линии вначале включаются вспомогательные контакты К1 и в цепь вводится резистор. Введение этого резистора усиливает процесс затухания и снижает перенапряжения. Спустя 1,5 - 2 периода сети переходной процесс заканчивается, включаются главные контакты К2 и процесс включения завершается. [2]

Рис.4.10.2.Отключение ёмкостного тока. Длинная линия с предвключаемым резистром Rш.

4.11. Способы гашения электрической дуги 

Могут быть различными, но основываются на следующих принципах:

1)принудительное удлинение дуги

2)охлаждение межконтактного промежутка различными способами

3)разделение дуги на ряд коротких отдельных участков

По первому: При удлинение дуги происходит увеличение падения напряжения в столбе дуги и напряжение приложенное к контактам становится недостаточным для поддержания горения дуги. [2]

По второму: Охлаждение межконтактного промежутка вызывает падение столба дуги, ускоряются процессы деионизации.

По третьему: Разделение дуги на ряд отдельных коротких участков приводит к повышению падения напряжения на дуге(за счет увеличения падения напряжения на электродах) и приложенное контактное напряжение становится недостаточным для поддержания горения дуги. [2]

Способы гашения дуги:

А)Воздействие на столб дуги.

Задача дугогасительного устройства(ДУ) состоит в том, чтобы обеспечить гашение дуги за малое время с допустимым уровнем перенапряжения при малом износе частей аппарата, при минимальном объеме газов(продуктов горения дуги), с минимальными звуковыми и световыми эффектами. [2]

Рассмотрим дугогасительное устройство аппаратов низкого напряжение до 1кВ.

Для гашения дуги постоянного тока необходимо чтобы ВАХ дуги шла реостатной характеристики). [2]

Так как Ud=Uk+Ua+Uст= Uэ+Еd*l то подъем характеристики можно получить ... за счет увеличения напряженности электрического поля(продольный градиент), за счет увеличения около электродных падений напряжений. [2]

Поднятие ВАХ за счет увеличения длины дуги зачастую мало эффективно, так как продольный градиент для свободно горящей в воздухе дуги сравнительно мал от 10 до 200 В/см. И для гашения дуги требуется значительное ее растяжение, что увеличивает габариты аппаратов. [2]

Увеличение градиента можно осуществить путем эффективного охлаждения столба дуги и подъема давления среды в которой дуга горит.

Охлаждение дуги можно осуществить:

-путем перемещения дуги в газе;

-за счет перемещения газа относительно дуги;

-за счет размещения дуги в узкой щели, стенки которой имеют высокую теплопроводность и дугостойкость(не должны расплавляться от термического воздействия дуги).

В электрических аппаратах низкого напряжения наиболее широко применяются дугогасительные устройства с узкой щелью электрическая дуга под действием магнитного поля, потока воздуха или газов или другими средствами, загоняются или перемещаются в узкие щели или лабиринт дугогасительной камеры. Где она тесно соприкасается со стенками или оборотами, отдает им тепло и гаснет. Дугогасительные камеры как правило делаются из керамических материалов. [2]

Рис.4.11.1 Зависимость продольного градиента от ширины щели ᵟ

Для увеличения эффективности охлаждения ширина щели(сигма) выполняется по возможности меньше, чем диаметр столба дуги при свободном горении. Кроме того за счет придания щели зигзагообразной формы увеличивается длина дуги и усиливается охлаждение. [2]

Важнейшей характеристикой дугогасительной камеры является зависимость продольного градиента и от длины щели.

Рис.4.11.2.Характерные формы продольных щелей дугогасительных камер.

Продольная щель - щель ось которой совпадает с осью дуги по направлению.

На рисунке а в зоне 1, 2 имеется прямая щель 3 с плоско параллельными стенами. На рисунке б за счет наличия двух перегородок имеются три параллельные щели с плоско параллельными стенками, соответственно дуга при вхождению в камеру разбивается на три параллельных участка, такой способ применяется при отключении больших токов, однако параллельные дуги существуют не долго по сколько они весьма не устойчивы и все, кроме последней быстро гаснут. На рисунке в показана камера с одной щелью извилистой формы зигзагообразной, что позволяет камере небольших размеров уместить более длинную дугу, что способствует лучшему охлаждению, кроме того при отклонение формы щели от формы на рисунке а, возрастает продольный градиент. На рисунке г к простой продольной щели добавлены местные уширения 5, что усиливает охлаждение камеры, увеличивается продольный градиент. На рисунке д показана наиболее эффективная форма для гашения дуги, которая сочетает достоинство предидущих вариантов в и г. [2]

Раскаленные газы(продукты горения дуги) выбрасываемые из продольной щели дугогасительного устройства, в ходе гашения дуги, попадая на токоведущие части оборудования могут приводит к возникновению различных аварийных ситуаций. Выброс раскаленных газов необходим для эффективного отвода тепла от столба дуги. Для предотвращения аварийных ситуации на пути этих газов, устанавливается ряд металлических пластин, пламягасительные. Газы проходя через эту решетку деионизируются, охлаждаются, плюс сокращается зона их выброса. [2]