5.4. Способы гашения электрической дуги.

Условие гашения дуги может быть записано в виде

, (5.4)

где - приэлектродное падение напряжение; - напряженность электрического поля в стволе дуги; - длина дуги.

Из выражения (5.4) видно, что гашение электрической дуги, т.е. необходимое повышение падение напряжения на дуге основывается на следующих принципах: принудительное удлинение дуги; повышение напряженности электрического поля в стволе дуги; повышение приэлектродного падения напряжения. Реализация этих принципов осуществляется в дугогасительных устройствах различной конструкции.

В электрических аппаратах низкого напряжения нашли применение дугогасительные устройства (ДУ) трех типов:

1. Открытый разрыв (рис.5.3.а).

Дуга удлиняется под действием силы F_B, создаваемой потоком нагретого ею воздуха и под действием электродинамической силы F_Э, так как дуга ведет себя как проводник с током, находящийся в магнитном поле.

Этот принцип используется также в роговых разрядниках (рис.5.3.б).

2. Дугогаситильные устройства с узкой щелью (рис. 5.3.в)

Камера ДУ 1 изготовлена из дугостойкого не токопроводящего материала (керамика) хорошо поглощающего тепло. Ширина щели 2 делается меньше диаметра дуги. На стальном сердечнике 3 расположена катушка 4. При протекании тока по катушке в камере образуется магнитное поле, с магнитной индукцией В, которое взаимодействует с током дуги 5, создавая электродинамическую силу F_э. Под действием этой силы дуга перемещается в дугогасительную камеру.

При этом увеличивается длина дуги и интенсивность охлаждения из-за тесного контакта дуги со стенами камеры, это повышает напряженность электрического поля в стволе дуги - дуга гаснет

3. Дугогасительные решетки (рис. 5.3.г).

В дугогасительной решетке для гашения дуги используется околоэлектродное падение напряжения (в аппаратах постоянного тока) и околокатодная электрическая прочность (в аппаратах переменного тока).

После расхождения контактов 1 и 2 возникшая между ними дуга 3 под воздействием магнитного поля движется вверх на пластины 4 и разбивается на ряд коротких дуг 5. На каждой пластине образуются катод и анод. Падение напряжения на каждой паре пластин составляет 20 − 25 В.

Р ис.5.3. Способы гашения дуги

Гашениие происходит за счёт подъёма ВАХ дуги при увеличении её длины и увеличения числа околоэлектродных падений напряжения, кроме того пластины являются хорошим теплоотводом – дуга охлаждается.

Способы гашения дуги в аппаратах высокого напряжения.

1. Гашение дуги в трансформаторном масле (рис. 5.3.д).

Дугогасительная камера 1 выполнена из прочного изоляционного материала и расположена в трансформаторном масле 2. При отключении подвижный контакт 3 перемещается вниз с большой скоростью. Между ним и неподвижным контактом 4 загорается дуга 5. 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. За сотые доли секунды давление поднимается до 2-4 МПа.

Образующийся газовый пузырь 6 стремится вырваться из камеры через щель 7. При этом происходит эффективное охлаждение дуги потоками газа, вытекающими из камеры со скоростью звука. Освобождение газов из камеры после гашения дуги производится через отверстие 8.

2. Гашение дуги в потоке сжатого газа (рис. 5.3.е).

В электрических аппаратах высокого напряжения 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.

. Возможны варианты ДУ с поперечным и продольным дутьем. В первом случае воздушный поток направлен перпендикуляр но дуге, во втором − вдоль ее оси. В настоящее время для аппаратов на все классы напряжения наиболее распространены ДУ продольного дутья. Корпус камеры 1 выполнен из фарфора. Дуга 2, образующаяся торцами контактов 3 и 4, потоком воздуха быстро вдувается в их внутреннюю полость.

Одним из способов дальнейшего увеличения номинальных напряжений установок и допустимых токов КЗ является применение новых дугогасящих газов. Наилучшие результаты получены с 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.

3. 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.

Вопросы для самопроверки:

• Какие процессы вызывают возникновение дуги при размыкание контактов?

• Какие процессы поддерживают горение дуги?

• Сформулируйте условие гашения дуги постоянного тока?

• Сформулируйте условие гашения дуги переменного тока?

• Сформулируйте основные принципы гашения дуги?

• Какие дугогасительные устройства нашли применение в электрических аппаратах низкого напряжения?

• Основные способы гашения дуги в аппаратах высокого напряжения?

Вопросы к экзамену:

12. Процесс возникновения дуги.

13. Процессы, поддерживающие горение дуги.

14. Вольтамперная характеристика дуги.