книги / Электрические аппараты

Рис 4 29 ДУ масляных выключателей

кунды давление поднимается до 2—4 МПа Образующийся газовый пузырь 5 стремится вырваться из камеры через щель 8 При этом происходит эффективное охлаждение ду­ ги потоками газа, вытекающими из камеры со скоростью

цесс гашения затягивается, и для его ускорения необходи­ мы специальные меры На рис 4 29,6 показано, что дуга 4 в нижней части объема камеры создает дополнительный об ьем газа, который гонит масло со скоростью V на Д}гу, затянутую в щель В результате этого процесс дугогашения ускоряется В выключателях на напряжение 220—500 кВ приходится включать большое число камер последователь но, так как каждая камера работает при напряжении не более 100 кВ Простейшая камера (рис 4 29, а) работает при напряжении не выше 10 кВ

Освобождение газов из камеры после гашения дуги про­ изводится через отверстие 3.

ж) Гашение дуги в вакуумной среде. В вакуумном Д,У контакты расходятся в среде с давлением 10~4 Па (10~6 мм рт. ст.), при котором плотность воздуха мала. Длина сво­ бодного пробега молекулы достигает 50, а длина свобод­ ного пролета электрона 300 м. При таких условиях элек­ трический пробой между электродами затруднен из-за отсутствия носителей зарядов. Пробивное напряжение про­ межутка длиной 1 мм в вакууме достигает 100 кВ.

Процесс горения и гашения дуги в вакууме при перемен­ ном гоке происходит следующим образом. При размыкании контактов контактное нажатие непрерывно уменьшается, а переходное сопротивление контактов увеличивается и при нажатии, равном нулю, стремится к бесконечности. Даж е при небольших токах в момент размыкания контактов изза выделения большого количества тепла материал контак­ тов плавится и образуется жидкий металлический мостик, который под действием высокой температуры нагревается и испаряется. При разрыве мостика загорается дуга, кото­ рая горит в среде паров металлов электродов. Вакуумная дуга при токах менее 10 кА характеризуется малым паде­ нием напряжения, составляющим 20—30 В. После прохож­ дения тока через нуль вакуумная дуга гаснет. Скорость диффузии зарядов очень высока из-за большой разницы плотностей частиц в дуге и окружающем ее вакууме. Прак­ тически через 10 мкс после нуля тока между контактами восстанавливается электрическая прочность вакуума. Бы-- стран диффузия частиц, высокие электрическая прочность вакуума и скорость ее восстановления обеспечивают гаше­ ние дуги при первом прохождении тока через нуль. Боль­ шим достоинством этого ДУ является высокая скорость восстановления электрической прочности промежутка. Ва­ куумные ДУ являются в настоящее время наиболее эффек­ тивными и долговечными. Их срок службы без ревизии до­ стигает 25 лет. Созданы ДУ на ток отключения до 100 кА при напряжении 10 кВ и на отключаемый ток 40 кА при на­ пряжении 160 кВ.

Вакуумные ДУ могут применяться и для отключения постоянного тока. Для этого используются схемы, анало­ гичные показанной на рис. 4.30. На отключаемый вакуум­ ным выключателем Q1 постоянный ток i{ накладывается переменный ток 1г контура LC, который начинает протекать после замыкания выключателя Q2. В результате суммиро-

потенциал относительно катода. На рис. 4.31,6 показаны два тиристора, включенных в цепь переменного тока. На рис. 4.31,6 показан симистор, представляющий собой сдво­ енный тиристор. Симистор обладает свойствами двух тири­ сторов по схеме рис. 4.31, б. Ток управления подается на у п ­ р а в л я ю щ и й э л е к т р о д . При отсутствии сигнала уп­ равления (/у= 0 ) и Umax<cUTmax тиристор имеет большое конечное сопротивление и через нагрузку Ra протекает Не­ большой ток (ветвь 1 на рис. 4.31,а). Если ÎAna*> ^тта*> то тиристор открывается и через нагрузку течет ток /„, оп­ ределяемый ее сопротивлением. При номинальном токе уп­ равления /у = /у ,н переход на ветвь 2 происходит по штри­ ховой кривой. Таким образом, при отсутствии тока управле­ ния /у= 0 тиристор ведет себя как очень большое активное сопротивление, при наличии номинального тока управле­ ния— как очень малое сопротивление. После прохождения переменного тока через нуль тиристор восстанавливает свои вентильные свойства, цепь тока обрывается.

На рис. 4.31,6 показана схема релейного элемента на тиристоре. При отключенном К тиристор VS закрыт и ток в нагрузке Rs равен 0. При включении К положительный ток управления / у подается на управляющий электрод ти­

/ н = 0 . Диод VD защищает тиристор от отрицательного тока управления. В настоящее время применяются так называе­ мые гибридные схемы коммутаторов на тиристорах (рис. 4.32). Главные контакты ГК, рассчитанные на пропускание номинального тока и тока КЗ, шунтированы встречно включенными тиристорами VS1 и VS2. В цепь ГК включен трансформатор тока ТА, вторичные обмотки которого через диоды VD1 и VD2 подключены к управляющим электродам тиристоров. На эти электроды должен подаваться только положительный сигнал относительно катода. В каждом плече схемы включены стабилитроны VD3—VD6 для огра­ ничения сигнала. Конденсатор СЗ и резистор R4 облегчают условия восстановления напряжения на тиристорах. Во включенном положении аппарата ГК замкнуты и на вто­ ричных обмотках трансформатора тока присутствует сиг­ нал управления. Пусть в данный положительный полупе­ риод тока положительный сигнал управления подается на тиристор VS1 и он подготавливается к открытию. В этот момент тиристор VS2 закрыт, так как к нему приложено напряжение обратной полярности. Благодаря диоду VD2

сигнал управления на этот тиристор не подается. Для про­ текания тока через тиристор напряжение между катодом и анодом должно быть не менее 1—2 В. Переходное сопро­ тивление ГК мало, и падение напряжения на них и пер­ вичной обмотке трансформатора составляет доли вольта. Поэтому, несмотря на то что на тиристор VS1 подан от­ крывающий сигнал, он остается закрытым. При размыкании ГК напряжение на дуге достаточно для открытия тиристора VS1 и ток переходит в его цепь. Поскольку ток в первичной обмотке трансформатора прекратился, сигнал, открываю­ щий тиристор, стал равным нулю. Однако ток через тирис­ тор продолжает протекать до своего естественного нулево­ го значения. При прохождении тока через нуль тиристор закрывается и отключение цепи заканчивается. Если кон­ такты расходятся в отрицательный полупериод, то подоб­ ным образом работает тиристор VS2. Процесс перехода тока в цепь тиристора показан на рис. 4.32,6. Здесь ток ти­ ристора обозначен г'т, ток ГК — ’гк, напряжение на ГК «гк, напряжение, восстанавливающееся на тиристоре, цв. В мо­ мент t\ начинается переход тока в цепь тиристора. В мо­ мент t2 процесс перехода тока закончен и ток цепи полно­ стью переходит в тиристор. Длительность перехода тока

h —t\ определяется параметрами тиристора и его цепей уп­ равления, а также активным сопротивлением и индуктив­ ностью цепи ГК. Длительность горения дуги ГК составля­

мент времени tz тиристор закрывается. Длительность про­

больший номинального. Это позволяет использовать тири­ сторы на небольшие номинальные токи (по сравнению с то­ ком КЗ цепи), что уменьшает габаритные размеры и стои­ мость аппарата.

Описанная схема используется и в аппаратах высокого напряжения. Поскольку номинальное напряжение тиристо­ ров не превышает 1,5 кВ, то в этих случаях используется цепочка последовательно включенных тиристоров [4.5]. До­ стоинствами рассмотренной схемы являются простота, вы-' сокая надежность и облегченный режим работы тиристоров. К недостаткам можно отнести увеличение стоимости и га­ баритов, отсутствие гальванической развязки между сетью и нагрузкой после отключения. В схеме на рис. 4.33 глав­ ные контакты ГК шунтированы цепями дугогасительных контактов 1 я 2 [8.3]. В цепь контактов 1, 2 включены дио­ ды VD1, VD2 и синхронизирующие электромагниты 3, 4, имеющие обмотки тока. После размыкания ГК ток цепи перебрасывается в цепь диода VD1 или VD2 в зависимости от полярности тока. При указанном на рисунке направле­

размыкаются. Таким образом, дуга возникает вблизи нуля тока и горит кратковременно, что уменьшает ее энергию, облегчает гашение и снижает износ контактов. После про­

хождения тока через нуль диод находится в непроводящем состоянии, что облегчает процесс восстановления напряже­ ния на промежутке, так как восстанавливающееся напря­ жение в основном приложено к диоду (Я0бр> /?пр) ■ Про­ цесс отключения заканчивается. Контакторы с диодной ком­ мутацией созданы на напряжение до 1140 В и ток до 250 А. Применяемые в таких устройствах кремниевые диоды бо­ лее дешевы, чем тиристоры, и допускают 15— 16-кратную токовую перегрузку в течение 0,01 с. Большим достоинст­

тиристоров Б1 включен между сетью и двигателем. Управ­ ление тиристорами KSl\ VS2, KS3 производится блоком управления Б2, в котором вырабатываются запускающие импульсы на силовые тиристоры. Если прекращается ра­ бота Б2, то запускающие импульсы исчезают, и при про­ хождении тока через нуль силовые вентили закрываются, обесточивая двигатель. Блоком БЗ обеспечивается защита двигателя от потери фазы, блок Б4 отключает двигатель при токовой перегрузке. Подробно работа этой схемы бездуговой коммутации рассмотрена в § 8.5. На основе ти­ ристоров могут быть созданы полупроводниковые выклю­ чатели, с помощью которых отключение цепи происходит до прохождения тока через нуль. Для этого применяются схемы принудительной коммутации.

На рис. 4.34, а показана схема принудительной комму­ тации цепи постоянного тока. Параллельно силовому ти­ ристору У5С включена шунтирующая цепь LKCK управ­ ляемая коммутирующим тиристором KSK. Конденсатор Ск заряжен с указанной полярностью. При открытии тирис­ тора К5к начинается колебательный процесс разряда кон­ денсатора Ск через индуктивность LK тиристор VSK и ти­

тока позволяет создать токоограничивающий выключа­ тель с защитой самого тиристора от сверхтоков.

На рис. 4.34, в приведена упрощенная схема" тиристор­ ного коммутатора постоянного тока. При нажатии кнопки Вкл. открывается тиристор VS1 и через нагрузку R„ течет ток /0. Конденсатор С через резистор ' R& заряжается до напряжения U0. После включения кнопка Вкл. отпускает­ ся и с KS7 снимается управляющий сигнал.

Для отключения нажимается кнопка Откл. При этом открывается тиристор VS2 и конденсатор С разряжается по контуру KSÎ?, R, VS1. Ток через тиристор KS/ равен разности токов /0 и / с разряда конденсатора. В момент прохода результирующего тока через нуль тиристор VS1 закрывается и цепь отключается.

Рис. 4.34. Схема принудительной коммутации постоянного тока

Описанные схемы бездуговой коммутации с тиристора­ ми пока не так широко применяются из-за сложности, вы­ сокой стоимости и больших габаритов. Чаще применяются схемы бездуговой коммутации цепей постоянного и пере­ менного тока на основе транзисторов.

Транзистор является полупроводниковым прибором, который позволяет плавно менять ток в нагрузке при из­ менении тока или напряжения на управляющем электро­ де. На рис. 4.35 даны схема включения и основные харак-

теристики биполярного транзистора типа р-п-р. Прибор имеет управляющий электрод — базу Б, эмиттер Э и кол­ лектор К. Нагрузка RH LH включается в цепь коллектора. При отсутствии тока управления / у= / б= 0 через коллек­ тор протекает небольшой ток. Для полного закрытия не­ обходимо подать ток — / уо. Ток / ко называется током от­ сечки. При подаче положительного тока управления / у ток в нагрузке линейно возрастает и при / у = / Бн достигает наибольшего значения / ки. При этом этот ток определяется сопротивлением нагрузки / RH cx.EKIRH. На рис. 4.35, в пред­ ставлена зависимость тока /к от напряжения на базе. На базу подается отрицательный потенциал относительно эмиттера. Для перевода транзистора из закрытого состоя­

зистор открыт. Этот режим используется в транзисторах, работающих в коммутационных аппаратах. Если нагрузка имеет активно-индуктивный характер (R„, L„), то при рез­ ком снижении тока при закрытии транзистора появляется довольно высокое напряжение —Ldi/dt, которое может пробить транзистор. Для его защиты устанавливается диЙд VD, который шунтирует нагрузку RH LHпри появлении Напряжения —Ldi/dt. Транзисторы типа р-п-р выполняют­ ся с использованием германия. В настоящее время преиму­ щественно применяются транзисторы типа п-р-п на базе Кремния, которые более устойчивы к внешним воздействи­ ям. Для транзисторов типа п-р-п характерно увеличение коллекторного тока при увеличении положительного по­ тенциала базы относительно эмиттера. К коллектору при-

Рис. 4 36. Схемы включения кремниевого транзистора

à)

ложен плюс источника питания, к эмиттеру минус. Схема включения п-р-п транзистора приведена на рис. 4.36, а. На

ристорами благодаря простоте схемы управления. На рис. 4.36, в показан транзисторный коммутатор с защитой от токов перегрузки и КЗ. При подаче напряжения Eym> на базу кремниевого транзистора VT2 он открывается и вклю­ чает ток tH в нагрузке RH. При протекании тока в шунте Яш создается падение напряжения, которое стремится от­ крыть транзистор VT1. При определенном токе нагрузки транзистор VT1 открывается, на базу транзистора VT2 по­ дается нулевой потенциал и он закрывается. В настоящее

прибор, содержащий кристалл полупроводника с тремя слоями чередующейся проводимости и двумя р-п перехо­ дами. Биполярный транзистор управляется током, подава­