книги / Электрические аппараты

Рис. 4.26. Характеристики последо­ вательного и параллельного магнит­ ного дутья

Р, которая перемещает дугу в керамическую камеру 9. Си­ ла, действующая на единицу длины дуги,

Р = IB,

где В — индукция магнитного поля катушки в месте распо­

и расходуется на преодоление аэродинамического сопротив­ ления воздуха и силы трения дуги о стенки щели.

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

Я = В / = /.

На рис. 4.26 показаны зависимости силы Р, действующей на дугу, и длительности горения дуги ta от отключаемого тока в относительных единицах / / / н0м. Сила, действующая на дугу при последовательной катушке, пропорциональна квадрату тока и изображается кривой 1. Зависимость при параллельной катушке описывается прямой 2. Положим, что при / / / ном= Г эти силы равны.

В кривой <я(///ном) имеются две характерные области. В области / время tn растет с увеличением тока, в области II — падает. В области I сила Р мала и гашение дуги про­ исходит за счет ее удлинения расходящимся подвижным контактом.

Чем больше ток, тем больше требуется длина дуги для ее гашения и тем больше время гашения. В области //, как только контакты разомкнутся, с помощью ЭДУ дуга заво­ дится в камеру и быстро гаснет. Наибольшая длительность горения дуги имеет место при 1 = 5 А.

Из рис. 4.26 видно, что при малых токах сила, действу­ ющая на дугу при последовательной катушке, меньше, чем при параллельной. Поэтому длительность горения дуги при последовательной катушке (кривая 3) больше, чем при па­ раллельной (кривая 4). За счет увеличения МДС катушки максимум кривой 4 может быть снижен.

Достоинства ДУ с последовательной катушкой:

1.При токах свыше 100 А магнитное поле быстро сдви­ гает дугу с рабочих поверхностей контактов, чем обеспе­ чивается их малый износ. Система хорошо работает в об­ ласти больших токов.

2.При изменении направления тока меняет знак и маг­ нитное поле. Сила, действующая на дугу, не изменяет сво­ его направления. Система работает при любом направле­ нии тока.

3.Поскольку через катушку проходит номинальный ток контактора, она выполняется из провода большого сечения. Падение напряжения на катушке составляет доли вольта.

Наряду с достоинствами такие ДУ имеют и недостатки. Это недостаточно надежное гашение дуги при малых токах (5—7 А), большая затрата меди на катушку, нагрев кон­ тактов за счет тепла в дугогасительной катушке.

Несмотря на эти недостатки, благодаря высокой надеж­ ности при гашении номинальных и больших токов ДУ с по­ следовательной катушкой получили преимущественное рас­ пространение.

ДУ с параллельной катушкой обладают следующими недостатками:

1.Направление электродинамической силы, действую­ щей на дугу, зависит от полярности тока. При изменении

направления тока меняется направление движения дуги

иконтактор становится неработоспособным.

2.При КЗ возможно снижение напряжения на источни­ ке, питающем катушку. В результате процесс гашения дуги, идет неэффективно.

Всвязи с указанными недостатками ДУ с параллель­ ной катушкой напряжения применяются только при отклю­ чении небольших токов (5— 10 А).

Воздействовать на дугу можно и магнитным полем по­ стоянного магнита. При этом отсутствуют затраты энергии на создание магнитного поля; резко сокращается расход меди на контактор; отсутствует подогрев контактов от ка­ тушки, как это имеет место в ДУ системы с последователь­ ной катушкой. По сравнению с ДУ с параллельной катуш­

кой ДУ с постоянным магнитом обладает высокой надеж­ ностью и может использоваться при любых значениях тока. За счет конструктивных мер ДУ с постоянным магни­ том можно сделать работоспособным при любом направле­ нии тока. Характеристики такого ДУ аналогичны характе­ ристикам ДУ с параллельной катушкой.

Дугогасительные устройства с магнитным дутьем и ке­ рамической дугогасительной камерой применяются также

ив аппаратах переменного тока.

ВДУ с последовательной катушкой сила, действующая на дугу, пропорциональна квадрату тока. Поэтому и при переменном токе на дугу действует сила, неизменная по на­ правлению. Среднее значение силы получается таким же, как и при постоянном токе, при условии, что постоянный ток равен действующему значению переменного тока. Ука­ занные соотношения справедливы, когда потери в магнит­ ной системе катушки дутья отсутствуют и поток по фазе совпадает с током. Несмотря на эффективность устройства, оно применяется только в контакторах с тяжелым режи­ мом работы при числе включений в час более 600.

Недостатком этих устройств является наличие потерь в стали магнитной системы дугогашения, что ведет к повы­ шению температуры контактов, и возможность возникнове­ ния больших перенапряжений при принудительном обрыве тока (до естественного нуля).

Параллельные катушки в ДУ переменного тока не при­ меняются из-за того, что сила, действующая на дугу, меня­ ет свой знак, так как поток, создаваемый магнитной систе­ мой дугогашения, сдвинут по фазе относительно отключае­ мого тока.

ДУ переменного тока с последовательной катушкой и ке­ рамической дугогасительной камерой применяются в вы­ соковольтных выключателях напряжением не выше 10 кВ.

в) Гашение дуги с помощью дугогасительной решетки. В дугогасительной решетке для гашения дуги используется околоэлектродное падение напряжения иэ (в аппаратах по­ стоянного тока) и околокатодная электрическая прочность (в аппаратах переменного тока).

После расхождения контактов 1 и 2 (рис. 4.27,6) воз­ никшая между ними дуга 3 под воздействием магнитного поля движется вверх на пластины 5 и разбивается на ряд коротких дуг 4. На каждой пластине образуются катод и анод. Падение напряжения на каждой паре пластин со­ ставляет 20—25 В. При большом числе пластин удается

г)

Рис. 4.27. Статические ВАХ электрической дуги а решетке и виды дугогасительных реше­ ток

е)

поднять статическую ВАХ дуги и обеспечить условия eé гашения. Способ предложен еще в начале века русским ученым М. О. Доливо-Добровольским и до сих пор широко применяется.

Для аппаратов постоянного тока напряжение дугогаси­ тельной решетки

Обозначим напряжение на столбе дуги 1/д,с= £ п/д- Фор­ ма статической ВАХ дуги (рис. 4.27, в) близка к форме ха­ рактеристики дуги в воздухе Un,c= f ( I ) , но смещена вверх на величину ыэ( т — 1). На рис. 4.27,в кривая 1 — напряже­ ние на дуговых промежутках, кривая 2 — результирующее напряжение 1/л,р. Для гашения дуги необходимо соблюсти условие (4.7)

^д,р = и э( т — 1) + Еп10{ т — 1 ) > и — iR,

где R — сопротивление нагрузки; U — напряжение источ­ ника.

На рис. 4.27 показаны различные схемы ДУ с дугогаси­ тельными решетками. В решетке на рис. 4.27, а дуга выво­ дится на пластины и делится между ними с помощью маг­ нитного поля напряженностью Я, создаваемого специаль­ ной системой. В решетке на 4.27,6 дуга втягивается в ре­ шетку за счет электродинамических усилий, возникающих в контуре 1, 3, 2, и за счет усилий, действующих на дугу, благодаря наличию ферромагнитных пластин 5 (§ 1.7). В конструкции рис. 4.27, г (позиция 3), для облегчения вхож­ дения дуги в решетку пластины имеют клиновидный паз. Для того чтобы дуга не образовала жидких мостиков меж­ ду пластинами, расстояние между ними берется не менее 2 мм.

На постоянном и переменном токе частотой 50 Гц при­ меняются ферромагнитные пластины. В соответствии с § 1.7 сила, действующая на дугу, перемещает ее в решетку и пре­ пятствует выходу дуги из нее. Как следует из (1.31), эта сила пропорциональна току и производной потока по пере­ мещению. Выход дуги из решетки увеличивает магнитное сопротивление, уменьшает поток, что вызывает появление силы, стремящейся втянуть дугу в решетку. Это является большим достоинством ферромагнитных пластин. Недостат­ ком дугогасительной решетки является прогорание пластин в повторно-кратковременном режиме при токе 600 А и бо­ лее. Для уменьшения коррозии пластины покрываются ме­ дью или цинком.

Процесс гашения дуги в дугогасительной решетке при переменном юке имее| свои особенности. После расхожде­ ния контактов (рис. 4.27, д) дуга 1 за счет электромагнитных сил затягивается на решетку 2 и делится на ряд коротких дуг. Введение в цепь ( т — 1) коротких дуг уменьшает ток в цепи из-за падения напряжения на них, равного U3(m— 1). В результате ток проходит через нуль раньше своего есте­

шается sincpK цепи). Длительность горения дуги ta умень­

и 70 В при больших. Гашение происходит при выполнении условия с ( т — \) > U 'maK где с — околокатодная прочность. Благодаря высокой восстанавливающейся прочности число пластин в аппаратах переменного тока в 7—8 раз меньше, чем у аппаратов постоянного тока.

Несмотря на быстрое гашение дуги, при частых комму­ тациях номинального тока пластины нагреваются до очень высокой температуры и возможно даже их прогорание. В связи с этим число включений и отключений в час у контак юров с дугогасящей решеткой не превышает 600. При большей частоте коммутаций приходится использовать элек­ тромагнитное дутье и керамическую камеру. При использо­ вании дугогасящей решетки на постоянном токе или частоте 50 Гц электромагнитные силы, действующие на дугу, втяги­ вают ее в ферромагнитную решетку. В высокочастотных аппаратах на токи частотой 5— 10 кГц в ферромагнитных пластинах наводятся вихревые токи, которые отталкивают дугу от решетки. Такая сила отталкивания возникает и при использовании латунных пластин. Поэтому для перемеще­ ния дуги в решетку необходимы специальные электромаг­ нитные системы. Поскольку восстанавливающаяся проч­ ность у латунных пластин выше, чем у ферромагнитных, они нашли применение в высокочастотных аппаратах. Следует

зано, что степень ионизациихуменьшается обратно пропор­ ционально квадратному корню из давления. С ростом дав­ ления возрастает плотность газа, при этом увеличиваются теплопроводность и отвод тепла от дуги. Если при данном

токе в дуге увеличить давление окружающей среды, то увеличится отвод тепла. Для того чтобы сохранить тот же ток, необходимо к дуге подвести большую мощность, что при неизменном токе требует повышения напряжения на ду­ ге (градиента Еа).

На этом принципе основано гашение дуги в предохрани­ телях и других аппаратах низкого напряжения. Внутрен­ ний объем предохранителя герметизирован. При перегора­ нии плавкой вставки дуга загорается и выделяет энергию, которая расходуется на повышение давления во внутрен­ нем объеме предохранителя. Из кинетической теории газов

Энергия, полученная газом, И7Г равна энергии, выделен­ ной дугой, №д, которая может быть приравнена к электро­ магнитной энергии отключаемого контура L l\J2. Таким об­ разом, давление р во внутреннем объеме предохранителя зависит от отключаемого тока / 0 и индуктивности коммути­ руемой цепи L.

сокой температуре дуги такие стенки выделяют газ, и дав­ ление в объеме поднимается до 10— 15 МПа за доли полупериода. Из-за резкого подъема напряжения на дуге ток обрывается до своего естественного нуля, не достигнув максимального значения. В таких аппаратах проявляется эффект токоограничения.

д) Гашение электрической дуги в потоке сжатого газа. В электрических аппаратах высокого напряжения коммути­ руются токивдесятки килоампер при напряжении до 10е В. Для решения такой сложной задачи используется воздей­ ствие на электрическую дугу потока сжатого воздуха или других газов. Сжатый воздух обладает высокой плотностью и- теплопроводностью. Омывая дугу с большой скоростью,

Рис. 4.28. Камеры ДУ с воздушным дутьем

он охлаждает ее и при прохождении тока через нуль обес­ печивает деионизацию дугового столба. Воздух при высо­ ком давлении обладает также высокой электрической проч­ ностью, что создает высокую скорость нарастания электри­ ческой прочности промежутка.

Камеры с воздушным дутьем показаны на рис. 4.28. Сжатый воздух из компрессоров очищается от механичес­ ких примесей с помощью фильтров и проходит специаль­ ную сушку от влаги. Давление, применяемое в воздушных выключателях, колеблется от 1 до 4 МПа,. Возможны вари­ анты ДУ с поперечным и продольным дутьем. В первом (рис. 4.28, а) воздушный поток направлен перпендикуляр­ но дуге, во втором — вдоль ее оси. Дуга 3, возникающая между контактами 1 и 4, подвергается воздействию сжато­ го воздуха и прижимается к перегородкам 2. При этом обеспечивается эффективное охлаждение дуги. Из-за боль­ ших габаритов и наличия органической изоляции в обла­ сти дуги в настоящее время эти камеры не выпускаются (но в эксплуатации еще имеются). В настоящее время для аппаратов на все классы напряжения наиболее распростра­ нены ДУ продольного дутья (рис. 4.28,6—е), Наиболее со­

вершенными являются камеры по рис. 4.28, <3 и е. Корпус камеры 5 выполнен из фарфора. Дуга 3, образующаяся между тордами контактов 1 я 4, потоком воздуха быстро вдувается в их внутреннюю полость. При этом обеспечива­ ется малый износ контактов. Пары металла электродов не попадают в междуконтактный промежуток и потоком воз­ духа выносятся в атмосферу. Благодаря этому пары метал­ ла электродов не уменьшают скорости восстановления элек­ трической прочности промежутка. Элемент 6, в котором электрическая дуга подвергается продольному охлаждению воздухом, называется соплом. После расхождения контак­ тов в дуге выделяется мощность

Рп = МД Р

Под действием этой мощности происходит быстрый по­ догрев воздуха и местное поднятие давления, в результате количество воздуха, охлаждающего дугу, и его скорость резко уменьшаются. При определенных условиях возможна вообще остановка воздушного потока. Происходит закупор­ ка сопла ДУ. Это явление необходимо учитывать при про­ ектировании ДУ, обеспечивая при амплитудном значении отключаемого тока минимальную скорость истечения воз­ духа не ниже 8— 10 м/с.

После прохождения тока через нуль междуконтактный промежуток заполнен плазмой, нагретой до 12 000— 15 000 К. При охлаждени плазмы дуги воздухом электриче­ ская прочность промежутка восстанавливается с конечной скоростью. Чем больше отключаемый ток, тем труднее ох­ ладить плазму и тем медленнее идет процесс восстановле­ ния электрической прочности. Поэтому для ДУ с продоль­ ным дутьем характерно уменьшение отключаемого тока с ростом скорости восстановления напряжения. При боль­ ших значениях отключаемого тока необходимо снижать скорость восстановления напряжения сети с помощью шун­ тирующих резисторов (§ 4.6).

Одним из способов дальнейшего увеличения номиналь­ ных напряжений установок и допустимых токов КЗ явля­ ется применение новых дугогасящих газов. Наилучшие ре­ зультаты получены с электротехническим газом — элегазом ,(SF6), примененным впервые в Советском Союзе. По срав­ нению с воздухом элегаз обладает следующими преимуще­ ствами:

1. Электрическая прочность элегаза в 2,5 раза выше, чем

у воздуха, и при давлении 0,2 МПа близка к электричес­ кой прочности трансформаторного масла.

2.В ДУ 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. Малое значение градиента Еп в электрической .дуге уменьшает эффект закупорки сопла. Это позволяет увели­ чить междуконтактный зазор и повысить напряжение на каждом разрыве. При этом сокращается число разрывов на

выключатель.

5. Элегаз является инертным газом, не вступающим в ре­ акцию с кислородом и водородом, слабо разлагается дугой. Элегаз нетоксичен, хотя некоторые продукты, образующие­ ся при воздействии дуги, опасны.

Недостатком элегаза является высокая температура сжижения. Так, например, при давлении 1,31 МПа переход из газообразного состояния в жидкое происходит при 0°С. Это заставляет при высоком давлении прибегать к подогре­ вающим устройствам. В элегазовом ДУ высокого давления гашение дуги происходит так же, как и в воздушном ДУ. Из-за сложности и пониженной надежности такие ДУ не используются.

Широкое применение в выключателях нашли автопневмэтические элегазовые ДУ. В выключателе поддерживает­ ся давление 0,35 МПа, при котором температура сжижения элегаза составляет —40 °С. При отключении выключателя его механизм воздействует на поршневое устройство, созда­ ющее в зоне горения дуги давление 0,7—0,8 МПа. При этом обеспечивается надежное гашение дуги. В настоящее вре­ мя воздушные ДУ вытесняются элегазовыми.

е) Гашение дуги в трансформаторном масле. Простей­ шее ДУ такого типа представлено на рис. 4.29,0. Дугога­ сительная камера 6 выполнена из прочного изоляционного материала (гетинакса или стеклотекстолита) и расположе­ на в трансформаторном масле 1. При отключении подвиж­ ный контакт 7 перемещается вниз с большой скоростью. Между ним и неподвижным контактом 2 загорается дуга 4. Под действием энергии дуги происходит взрывоподобное разложение масла на водород и газы в виде паров масла. Водород обладает исключительно высокой теплопроводно­ стью и является одной из лучших дугогасящих сред. Тем­ пература газа достигает 2000—3000 К. З а сотые доли се-