книги из ГПНТБ / Церазов, А. Л. Электрическая часть тепловых электростанций учебник

й образование нейтральных частиц). При возникнове­ нии дуги преобладают процессы ионизации, в устойчиво горящей дуге процессы ионизации и деионизации оди­ наковы интенсивны, а при более высокой интенсивности деионизации дуга гаснет.

При дуговом разряде температура внутри канала ду­ ги достигает 15 000°С. При таких высоких температурах основное значение для поддержания горения дуги после ее возникновения имеет термическая ионизация газовой

электронов и отрицательных заряженных частиц с поло­ жительными ионами, и диффузии — переноса заряжен­ ных частиц из дугового промежутка в окружающее про­ странство. Рекомбинация происходит как в объеме ствола дуги, так и на поверхности твердого тела вблизи дуги (при стеснении дуги в узкой щели или закрытой камере). Диффузия обусловлена как тепловыми, так и электрическими факторами. Температура и плотность зарядов в центре ствола дуги выше, чем на периферии. Поэтому заряженные частицы стремятся покинуть дугу. Диффузия в свободно горящей дуге имеет ничтожное значение, но при обдувании дуги ее роль существенно возрастает.

В газах, обладающих большей теплоемкостью и теп­ лопроводностью, процессы деионизации более интенсив­ ны, поэтому такие газы обладают лучшими дугогасящи­ ми свойствами. Например, у водяного пара по сравне­ нию с воздухом дугогасящие свойства выше примерно в 4 раза, а у водорода — в 7 раз.

Условия горения дуги ухудшаются вместе с увеличе­ нием давления и турбулентности движения газа, в кото­ ром горит дуга, так как при этом быстро падает интен­ сивность ионизации в дуговом столбе, увеличиваются теплопроводность газа и диффузия, что влечет рост ин­ тенсивности деионизации. Дугогасящие свойства неко­ торых газов (водород, шестифтористая сера SF6, назы­ ваемая элегазом, и др.) и гашение дуги при помощи высокого давления, создаваемого в закрытых камерах энергией самой дуги или других источников, широко ис­ пользуют в конструкциях выключателей, предохраните­ лей и других коммутационных аппаратов.

120

Падение напряжения между электродами стационар­ ной дуги распределяется неравномерно (рис. 5-4). У электродов, в прикатодной и прианодной областях, на промежутке длины 10~4 см имеет место резкое падение

работе электрического поля, создаваемой источником; эта работа необходима для эмиссии электронов, т. е. освобождения их с поверхности катода и поддержания тока дуги. Анодное падение напряжения возникает из-за образования у анода отрицательного пространственного заряда за счет потока электронов, идущего из зоны дуго­ вого столба к аноду, и дефицита положительных ионов в области, непосредственно примыкающей к аноду. Ве­ личина анодного падения напряжения может быть раз­ личной, она зависит от температуры анода и его способ­ ности к испарению.

Зона дугового столба характеризуется напряженно­ стью электрического поля (Ея, В/см), т. е. величиной падения напряжения, приходящегося на 1 см длины ду­ гового промежутка. Напряженность электрического по­ ля и ток дуги определяют мощность, подводимую из се­ ти, подавляющая часть которой рассеивается в виде теп­ ла в окружающее пространство. Величина напряженно­ сти электрического поля в дуговом столбе бывает разной (10—200 В/см) и зависит от условий горения дуги. От­

121

крытые дуги, горящие в атмосфере воздуха при больших токах (тысячи ампер), имеют меньшие значения напря­ женностей, а наибольшее — дуги в гасительных каме­ рах выключателей, подвергающиеся интенсивному воз­ действию (обдуванию) газовых или жидких сред.

В горении дуги существенную роль играет интенсив­

дуги (рис. 5-5). Каждому значению тока соответствует определенное равновесное состояние горения дуги, ког­ да интенсивности ионизации и деионизации одинаковы. Такой режим горения дуги называется статическим, а зависимость, характеризующая этот режим при раз­ личных токах, называется статической вольт-амперной характеристикой дуги (кривая 1).

При медленном изменении тока напряжение на дуге будет изменяться по статической характеристике. При быстром изменении тока вследствие запаздывания про­ цессов деионизации и ионизации падение напряжения на дуге будет изменяться по динамической вольт-ампер­ ной характеристике, которая при увеличении тока будет расположена выше статической, а при снижении — ниже (кривая 2). Каждый дуговой промежуток, характеризуе­ мый формой, материалом электродов и расстоянием между ними, а также средой, имеет одну статическую вольт-амперную характеристику и множество динамиче­ ских, зависящих от скорости изменения тока дуги.

Вольт-амперная характеристика дуги синусоидально­ го переменного тока (рис. 5-6,6) состоит из двух петель

122

динамических характеристик. По этой характеристике можно построить кривую изменения напряжения на ду­ ге в зависимости от времени Ua(t) (рис. 5-6,в).

При гашении дуги постоянного тока необходимо соз­ дать такие условия, при которых ток постепенно сни­ жался бы до нуля. При относительно небольших токах (десятки ампер) и напряжениях (240 В) дуга гасится

Рис. 5-6. Процесс отключения цепи переменного тока.

простым размыканием контактов в воздухе за счет уве­ личения ее длины. При более тяжелых условиях для фор­ сирования процесса гашения применяют «магнитное

123

дутье» — удлинение петли дуги воздействующими на ее ствол динамическими силами, возникающими за счет по­ перечного магнитного поля, создаваемого катушкой, включенной последовательно в цепь с отключающими контактами. При более значительных отключаемых то­ ках и напряжениях принимают меры для локализации и деионизации дугового столба, например, затягиванием дуги с помощью магнитного поля в узкую щель между пластинами из керамического материала, обладающего высокой дугостойкостью и малой изнашиваемостью.

Повышение отключающей способности аппарата при постоянном и особенно при переменном токе можно до­ стигнуть при помощи металлических решеток — пластин,

анодное падение напряжения. Общее напряжение на ко­

пряжение (см. ниже), которое при отключении трехфаз­ ного к. з. может достигать двойного номинального на­ пряжения сети; и Пр — пробивное напряжение промежут­ ка между пластинами решетки (при постоянном токе 20—25 !В, а при переменном токе 150—200 В).

Пробивное напряжение промежутка между пластина­ ми решетки на переменном токе в б—10 раз выше, чем на постоянном, так как при каждом изменении поляр­ ности электродов у нового катода образуется зона с по­ вышенной диэлектрической прочностью благодаря бы­ строму перемещению электронов (обладающих большей

124

подвижностью) к новому аноду и возникновению в сйлу этого положительного заряженного облака из сравни­ тельно мало подвижных ионов.

Затягивание дуги в решетку приводит к резкому уве­ личению сопротивления дуги, быстрому поглощению энер­ гии магнитного поля цепи, ограничению перенапряже­ ний и отключению тока при его снижении до малой ве­ личины. Дугогасительные устройства с решетками приме­

дугового столба гасится в выключателях легче, чем ду­ га постоянного тока, потому что переменный ток в каж­ дый полупериод в момент перемены направления (зна­ ка) переходит через нуль.

Активная деионизация дугового столба (при помощи газового дутья, стеснения столба дуги в узкой щели или разбиением дуги на ряд коротких дуг) приводит к бы­ строму росту диэлектрической прочности дугового про­ межутка при переходе тока дуги через нуль, и напряже­ ние на контактах выключателя при этом (достаточное для поддержания дуги) может оказаться недостаточным, чтобы пробить промежуток и вновь зажечь дугу. Ди­ электрическая прочность дугового промежутка опреде­ ляется эффективным значением тока дуги, интенсивно­ стью деионизации и зависит от времени НщДг!).

Напряжение промышленной частоты, создаваемое источником на контактах выключателей при прохожде­ нии реактивного тока короткого замыкания (см. гл. 4) через нуль, достигает максимального значения Но, назы­ ваемого в о з в р а щ а ю щ и м с я н а п р я ж е н и е м . Кро­ ме напряжения Но на контактах выключателя при га­ шении дуги появится вторая составляющая напряжения

с частотой /0= (2лУ ТС )~1, обусловленная переходным процессом в контуре RLC при aL^>iR<^ (юС)"1 (рис. 5-6,а). Скорость и величина восстанавливающегося напряжения на контактах выключателя в этом случае будет зависеть от частоты /о и параметров RLC сети. Восстанавливающееся напряжение Нв характеризуют средней скоростью, обычно оцениваемой за четверть пе­ риода [Л. 21], которая в нашем случае будет равна:

125

Процесс отключения короткого замыкания выключа­ телем при переходе тока через нуль зависит от соотно­ шения скоростей: если Нщ,^) < U B(t), то дуга загорается (рис. 5-6,б — первое прохождение тока через нуль после начала расхождения контактов выключателя); если Unp(t)>UB(t) , то дуга гаснет и снова не загорается (второе прохождение тока через нуль на рис. 5-6,в).

Коммутационная способность аппаратов. Для оценки отключающей способности аппарата нормируют пара­ метры кривой восстанавливающегося напряжения, соот­ ветствующей средним условиям работы выключателей в сетях различного напряжения: частота восстанавлива­ ющегося напряжения /о; коэффициент превышения ам­ плитуды восстанавливающегося напряжения

(к началу расхождения контактов), который выключа­ тель может отключить при любом относительном содер­ жании апериодической составляющей в токе короткого замыкания от 0 до рНОм и при напряжении, равном наи­ большему рабочему напряжению выключателя.

Относительное содержание апериодической состав­

составляющей тока к. з. и действующее значение перио­ дической составляющей тока к. з. в момент расхожде­ ния контактов.

Включающая способность выключателей характери­ зуется номинальным током включения (амплитудное и действующее значение периодической составляющей), который нормируют двумя величинами

При проверке выключателей на коммутационную способность необходимо соблюдать условия

126

или

(5-28)

(5-29)

где г=4.мин+/с.в — время от начала замыкания до мо­ мента начала расхождения контактов выключателя, рав­ ное сумме минимального времени действия защиты (обычно 0,01 с) и собственного времени выключателя с приводом (время от момента подачи команды на от­ ключение до момента начала расхождения контактов);

Рном находят по кривой (ГОСТ-687-67) или приближен­ но по формуле

0,045

(5-30)

Для коммутационных аппаратов до 1 000 В отключа­ ющая способность по ГОСТ 2933-45 характеризуется действующим значением периодической составляющей тока. Однако отключающую способность характеризуют и максимальным мгновенным значением тока.

Гашение дуги в отключающих аппаратах. В отклю­ чающих аппаратах (выключатели, плавкие предохрани­ тели и др.) для успешного гашения дуги переменного тока стремятся увеличить скорость восстановления элект­ рической прочности (после естественного перехода тока через нуль) при помощи дугогасящих устройств, усили­ вающих деионизацию дугового промежутка.

По способу деионизации и гашению дуги дугогася­ щие устройства можно подразделить на следующие группы.

Д у г о г а с я щ и е у с т р о й с т в а г а з о в о г о д у т ь я , которые могут быть выполнены с автодутьем (газогене­ рирующие) и с принудительным внешним дутьем (им­ пульсные). В первых газы образуются за счет энергии самой дуги при разрыве цепи в газогенерирующей среде (минеральное масло, фибра, оргстекло и др.), во вторых энергия газового дутья обеспечивается внешним источ­ ником и интенсивность воздействия газовой среды, в от­ личие от первых, не зависит от величины тока. Дугога­ сящие устройства с внешним дутьем применяют в воз­ душных выключателях.

127

Д у г о г а с я щ и е у с т р о й с т в а с у з к о й щ е л ь ю , образованной стенками из дугостойкого изоляционного материала. Пробивной градиент такого дугового проме­ жутка выше пробивного градиента открытой дуги и уве­ личивается с уменьшением ширины щели. Для затягива­ ния дуги в узкую щель обычно используют магнитное дутье. Узкая щель в дугогасительных устройствах может быть с плоскопараллельными стенками и с ребрами, вы­ ступами, уширениями для увеличения длины дуги и про­ дольного градиента напряжения за счет местных его по­ вышений на участках расположения ребер и выступов.

Гашение дуги в узкой щели применяют в отключаю­ щих аппаратах постоянного и переменного тока: авто­ матах, выключателях магнитного дутья с лабиринтно­ щелевой камерой, плавких предохранителях с засыпкой кварцевого песка.

Д у г о г а с я щ и е у с т р о й с т в а с р а з д е л е н и е м д у г и на к о р о т к и е д у г и , предложенные М. О. До- ливо-Добровольским, основаны на использовании околоэлектродного падения напряжения. Эти устройства осо­ бенно эффективны на переменном токе, но их не приме­ няют в выключателях на высокие напряжения из-за не­

аппараты низкого напряжения и аппараты высокого на­ пряжения. Аппараты первого вида предназначаются для использования в электроустановках до 1 000 В, а второ­ го—в установках, номинальные напряжения которых со­ ставляют десятки и сотни тысяч вольт. Отличие в вели­ чинах напряжений и токов определяет резкое различие в конструкции и технических показателях между этими двумя видами аппаратов.

5-7. КОММУТАЦИОННЫЕ АППАРАТЫ НА НАПРЯЖЕНИЕ ДО 1 000 В

К коммутационным аппаратам до 1 000 В относятся: рубильники и переключатели, плавкие предохранители, контакторы, магнитные пускатели и автоматы.

138

переменного тока напряжением до 500 В включительно и на номинальные токи до 10 000 А [Л. 20]. Предельный ток, который может отключать рубильник, обычно мень­ ше номинального. Для - повышения предельного отклю­ чаемого тока рубильники снабжают дугогасительными камерами с дугогасительными решетками. В этом случае рубильники допускают отключение тока до (1 -ь-1,25) /ном- Рубильник, не снабженный устройством для гаше­ ния дуги, служит для снятия напряжения — отключения цепи без тока и создания видимого разрыва.

Переключатели предназначены для переключений и представляют собой двусторонние рубильники. Привод разъединителей может осуществляться при помощи цент­ ральной рукоятки, боковой рукоятки или дистанционно через систему рычагов. В установках собственных нужд электростанций наибольшее распространение получили рубильники с ручным рычажным приводом.

Важнейшей частью рубильника являются контакты — обычно врубного типа. В рубильниках на малые токи контактное нажатие обеспечивается за счет пружиня­ щих свойств материала губок, а на токи от 100 А и -вы­ ш е— стальными пружинами.

Для надежного отключения и предохранения ножей от обгорания рубильники выполняют с моментным от­ ключением или с дугогасительными контактами. Моментное отключение достигается при помощи моментного ножа, связанного пружиной с параллельным главным ножом. При отключении сначала выходит главный нож и растягивает пружину. Скорость движения моментного ножа и раствор контактов определяются параметрами отключающей пружины. При применении дугогаситель­ ных камер моментные ножи обычно не применяют.

Дугогасительные контакты применяют в рубильниках постоянного тока при токах более 100 А и во всех ру­ бильниках переменного тока, где скорость расхождения контактов и их раствор практически не влияют на усло­ вия гашения дуги. Эти контакты отключаются последни­ ми и служат для защиты главных контактов от обгора­

ния.

П л а в к и е п р е д о х р а н и т е л и — аппараты, авто­ матически отключающие электрическую цепь при корот­ ком замыкании в ней. Процесс отключения состоит из нагревания вставки до температуры плавления, плавле^- ния и испарения вставки, возникновения электрической