Пособие Теория электрических аппаратов

мещения и растяжения дуги и способствует вхождению дугового столба в дугогасительную камеру со стенками, образующих узкую щель, которая участвует в гашении дуги.

Соединение катушки может быть либо последовательным, либо параллельным.

Последовательное включение.

Запишем выражение для электромагнитной силы, действующей на единицу длины дуги:

При последовательном соединении катушки можно считать, что индукция ≡ и, следовательно, ЭМ = . Эта сила перемещает дугу в воздухе, а потом в узкой щели дугогасительной камеры и расходуется на преодоление аэродинамического сопротивления воздуха и силы трения дуги о стенки щели.

Достоинства последовательного включения катушки:

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, она выполняется из провода большого сечения. Падение напряжения на катушке составляет доли вольта.

Наряду с достоинствами дугогасительные устройства (ДГУ) с таким включением катушки имеют и недостатки. Это недостаточно надёжное гашение дуги при малых токах (5 – 7А) и большие затраты меди на катушку.

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

Параллельное включение.

Магнитное поле может быть создано и параллельной катушкой, включённой на напряжение источника. В этом случае индукция не зависит от тока в дуге и сила пропорциональна этому току:

ЭМ = ≡ . (5.11)

ДГУ с параллельной катушкой магнитного дутья 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 коротком замыкании возможно снижение напряжения на ис-

80

точнике, питающем катушку. В результате процесс гашения дуги идёт неэффективно.

Всвязи с указанными недостатками параллельное включение катушки применяется только при отключении небольших токов (5 – 10А). Характеристики последовательного и параллельного магнитного дутья представлены на рис.5.22.

Дугогасительные устройства с магнитным дутьём применяются также и в аппаратах переменного тока.

ВДГУ с последовательной катушкой сила, действующая на дугу, пропорциональна квадрату тока. Поэтому при переменном токе на дугу действует сила, неизменная по направлению. Среднее значение силы получается таким же, как и при постоянном токе, при условии, что постоянный ток равен действующему значению переменного тока. Несмотря на эффективность устройства, оно применяется только в контакторах с тяжёлым режимом работы при числе включений в час более 600.

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

5.7.4. Деление длинной дуги на ряд коротких

Данный способ применяется в аппаратах постоянного и переменного тока. При гашении используется дугогасительная решётка.

При расхождении контактов, возникшая между ними электрическая дуга под действием магнитного поля движется на пластины и разбивается на

81

ряд коротких дуг (рис.5.23). На каждой пластине образуется анод (-) и катод (+). Падение напряжения на каждой паре пластин составляет 20 – 25 В. При большом числе пластин удаётся поднять статическую ВАХ дуги и обеспечить её гашение.

Для аппаратов постоянного тока напряжение дугогасительной решётки равно:

д– градиент напряжения на свободно горящей дуге, В/см;

д– длина дуги, см.

82

Для гашения дуги необходимо соблюдать следующее условие:

где – зазор между пластинами, см;

,– ток и напряжение источника, А и В соответственно;

–сопротивление нагрузки, Ом.

Для аппаратов переменного тока эффективное гашение дуги осуществляется из-за высокой околокатодной электрической прочности. Образование коротких дуг и увеличение падения напряжения Э( − 1) приводит к уменьшению тока дуги и его раннему спаданию до нуля, при этом облегчаются условия восстановления напряжения и длительность горения дуги уменьшается. Из-за высокой восстанавливающейся прочности число пластин в электрическом аппарате переменного тока в 7-8 раз меньше, чем у аппаратов постоянного тока.

На постоянном и переменном токе частотой 50Гц применяются ферромагнитные пластины. Электромагнитная сила, действующая на дугу, перемещает её в решётку и препятствует выходу дуги из неё. Выход дуги из решётки увеличивает магнитное сопротивление, уменьшает поток, что вызывает появление силы, стремящейся втянуть дугу в решётку. Это явление является большим достоинством ферромагнитных пластин.

Прямоугольные пластины обладают следующим недостатком – опасность горения дуги внутри аппарата. Решением данной проблемы является использование торообразных решёток (рис.5.24) вместо прямоугольных.

Рис.5.24. – Торооборазная дугогасительная решетка

Недостатком дугогасительной решётки является прогорание пластин в повторно-кратковременном режиме при токе 600 А и более. Для уменьшения коррозии пластины покрываются медью или цинком.

5.7.5.Соприкосновение дуги с поверхностью твёрдого диэлектрика

Вэлектрических аппаратах низкого напряжения часто используются ДГУ со стенками из диэлектрика. Под действием магнитного поля (магнитное дутьё) дуга поступает к керамической пластине и попадает в щель. Там она становиться плоской и быстро гаснет (рис.5.25. а, б). В ряде случаев для увеличения длины дуги используют щель более сложной формы (рис 5.25. в, г).

83

На рис.5.27 представлена вольтамперная характеристика дуги и шунта, на которой цифрой 1 обозначена ВАХ дуги, цифрой 2 – ВАХ шунта (имеет линейный характер, так как шунт является активным сопротивлением), 3 – результирующая ВАХ дуги и шунта - расположена выше внешней характеристики.

5.7.7.Гашение электрической дуги в потоке сжатого газа

Вэлектрических аппаратах высокого напряжения коммутируются

85

токи в десятки килоампер при напряжении до 106 В. Для эффективного гашения дуги используется воздействие потока сжатого воздуха или других газов. Сжатый воздух обладает высокой плотностью и теплопроводностью. Омывая дугу с большой скоростью, он охлаждает её и при прохождении тока через ноль обеспечивает деионизацию дугового столба. Воздух при высоком давлении также обладает высокой электрической прочностью, что создаёт высокую скорость нарастания электрической прочности промежутка.

Камеры с воздушным дутьём показаны на рис.5.28 и рис.5.29. 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 ДГУ с поперечным (рис.5.28) и продольным дутьём (рис.5.29). В первом варианте воздушный поток направлен перпендикулярно дуге, во втором – вдоль её оси.

Рис. 5.28. ДГУ с поперечным дутьем

86

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 камеры с поперечным дутьём не выпускаются.

Рис.5.29. ДГУ с продольным дутьем

В настоящее время для аппаратов на все классы напряжения наиболее распространены ДГУ продольного дутья. Дуга, образующаяся между контактами, потоком воздуха втягивается в их внутреннюю полость и гасится.

Одним из способов дальнейшего увеличения номинальных напряжений установок и допустимых токов КЗ является применение дугогасящих газов. Наилучшие результаты были получены с электротехническим газом – элегазом (SF6), полученным и применённым впервые в СССР. По сравнению с воздухом элегаз обладает следующими преимуществами:

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

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

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

4.Элегаз является инертным газом, не вступающим в реакцию с кислородом, слабо разлагается дугой. Элегаз не токсичен, хотя некоторые продукты, образующиеся при воздействии дуги, опасны.

Недостатком элегаза является высокая температура сжижения (при

87

давлении 1,31МПа переход из газообразного в жидкое состояние происходит при 0 ). Это заставляет при высоком давлении прибегать к подогревающим устройствам. В элегазовом ДГУ высокого давления гашение дуги происходит так же, как и в воздушном ДГУ. Из-за сложности и пониженной надёжности такие ДГУ не используются.

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

5.7.8. Гашение дуги в трансформаторном масле

Этот способ нашёл широкое применение в высоковольтных выключателях переменного тока. Контакты погружены в масло (рис.5.30,а). При размыкании контактов возникает дуга, имеющая температуру 5000 - 60000 . Под действием энергии дуги происходит взрывоподобное разложение масла на водород (70-80% в образованной смеси газов) и газы в виде паров масла.

88

Водород обладает наивысшими среди газов дугогасящими свойствами (обладает очень высокой теплопроводностью). Температура газа на данном этапе достигает 2000-3000 К. За сотые доли секунды давление поднимается до 2 – 4МПа. Образующийся газовый пузырь стремиться вырваться из камеры через щель. При этом происходит эффективное охлаждение дуги потоками газа, вытекающими из камеры со скоростью звука (рис.5.30, б). Поскольку давление и эффективность гашения дуги зависят от её энергии, то чем больше отключаемый ток, тем быстрее происходит гашение. При малом тока из-за недостатка энергии дуги процесс гашения затягивается, и для его ускорения требуются специальные меры.

5.7.9.Гашение дуги в вакууме

Ввакуумном ДГУ контакты расходятся в среде с давлением 10-4 Па, при котором плотность воздуха мала. При таких условиях электрический пробой между электродами затруднён из-за отсутствия носителей зарядов. Пробивное напряжение промежутка в 1 мм в вакууме достигает 100 кВ, то есть электрическая прочность вакуума 100 кВ/мм.

Вакуумные ДГУ могут применяться как на постоянном, так и на переменном токе. Рассмотрим процесс горения и гашения дуги в вакууме при переменном токе.

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 мостик, 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. Практически через 10 мкс после нуля тока между контактами восстанавливается электрическая прочность вакуума.

5.7.10.Гашение электрической дуги с помощью полупроводниковых приборов. Бездуговая коммутация

При большом числе коммутаций в час возрастает износ контактов при обычной дуговой коммутации. Для повышения износостойкости контактов используются полупроводниковые приборы – тиристоры, транзисторы и диоды. Бездуговая коммутация применяется в электрических аппаратах переменного тока, где есть момент естественного прохождения через ноль. Основным элементом схемы бездуговой коммутации является тиристор – управляемый полупроводниковый вентиль.

На рис.5.31 представлена вольтамперная характеристика тиристора. При отсутствии сигнала управления у = 0 А и < пр. тиристор имеет большое сопротивление и цепь разомкнута. При наличии сигнала

89