Электрические и электронные аппараты распределительных устройств и подстанций горных предприятий. Учебное пособие

температурах 8000…9000 К, то наличие паров металла (меди, железа) приводит к появлению ионизации уже при 5000 К. Наличие в столбе дуги, даже незначительной концентрации паров металла, существенно снижает потенциал ионизации, например примесь 10% паров меди к воздуху, потенциал ионизации которого находятся в пределах 13,6…15,8 В, снижает эффективный потенциал ионизации до 8,91 В.

Одновременно с процессами ионизации в дуговом промежутке происходят процессы деионизации, т.е. уменьшения количества заряженных частиц в области горения дуги. Деионизация происходит в основном за счет процессов рекомбинации и диффузии.

Процесс рекомбинации заключается в том, что при сближении электрона и положительного иона или двух ионов различных знаков они притягиваются и, сталкиваясь, нейтрализуются. Интенсивность рекомбинации зависит от ряда факторов: температуры газовой среды, напряженности электрического поля, концентрации заряженных частиц в столбе дуги, температуры столба дуги, наличия в области дуги нейтральных тел, свойств газа.

Процесс диффузии заключается в движении заряженных частиц из области с более высокой их концентрацией в область с меньшей концентрацией. В столбе дуги плотность тока вдоль радиуса всегда распределена неравномерно, поэтому происходит диффузия электронов и ионов от центра столба дуги и ее наружной поверхности. Интенсивность диффузии зависит от ряда факторов, прежде всего от давления, температуры и свойств газа.

4.2.Электрическая дуга постоянного

ипеременного тока

Основной характеристикой электрической дуги является зависимость падения напряжения на дуге от величины тока, называемая вольтамперной характеристикой дуги (ВАХ). Различают статические и динамические ВАХ.

Статической ВАХ дуги постоянного тока называется характеристика, снятая при постоянной длине дуги и неизменных внешних условиях изменения тока (рис. 4.3. кривая 1). При последнем условии состояние дугового промежутка (температура, число заряженных частиц и т.д.) успевает прийти в соответствие с новым значением тока. Установившимся режимом называется режим, когда электрическое сопротивление дугового промежутка и падение напряжения на нем

41

будут величинами постоянными, не зависящими от времени горения дуги. При медленном изменении тока напряжение на дуге будет изменяться по кривой АВ как при увеличении, так и при уменьшении тока. Вид статической ВАХ существенно зависит от условий, при которых горит дуга. В случае свободного горения дуги, без применения дугогасящих средств, ВАХ дуги имеет падающий характер (рис. 4.3, кривая 1). При больших токах эта кривая может превращаться в прямую, параллельную оси тока. При весьма больших плотностях тока на электродах ВАХ может стать возрастающей.

Динамической ВАХ называется характеристика, снятая при изменении длины дуги и внешних условий, а также при быстром изменении величины тока (рис. 4.3, кривые 2–4). При последнем условии состояние дугового промежутка не успевает измениться соответственно току, в результате чего напряжение на дуге отличается, по сравнению со случаем медленного изменения тока. Чем быстрее уменьшается ток, тем ниже расположена кривая зависимости U = f (I) . При бесконечно высокой скорости спада тока к нулю активное падение напряжения на дуге изменяется по кривой 4 (рис. 4.3), при очень быстром уменьшении тока в цепи физические свойства дугового канала не успевают сколько-нибудь изменится, т.е. сопротивление канала оста-

42

ется неизменным и, следовательно, напряжение на дуге будет спадать прямо пропорционально току. В реальных условиях ток изменяется с конечной скоростью, что приводит к уменьшению сечения канала дуги и степени ионизации.

Динамические ВАХ имеют пик напряжения гашения Uгаш′′ (точка А) при подходе тока к нулю значительно меньше, чем у статических характеристик Uгаш .

При переменном токе ВАХ дуги (рис. 4.4) всегда носят динамический характер, так как значение тока в дуге постоянно изменяется.

3

4

Рис. 4.4. Вольтамперные характеристики электрической дуги переменного тока

На рис. 4.4 приведены динамические характеристики дуги синусоидального тока: ветви 1 и 2 относятся к первой половине полупериода, когда ток нарастает во времени, ветви 3 и 4 – ко второй полуволне, когда ток уменьшается.

43

Переменный ток изменяется настолько быстро, что начинает сказываться инерционность тепловых и ионных процессов в дуге. Кривая изменения напряжения на дуге имеет весьма характерную (седлообразную) форму (рис. 4.5). При прохождении тока в дуге через нуль напряжение на дуге также проходит через нулевое значение, после чего быстро возрастает до значения Uзаж , которое называется напряжением зажигания. После этого напряжение на дуге начинает уменьшаться и в течение большей части полупериода остается довольно близким к постоянному значению.

U, В

Uзаж

Uгаш

t

Рис. 4.5. Диаграмма напряжения и тока при гашении электрической дуги переменного тока

После прохождения током максимального значения напряжение дуги возрастает не мгновенно, а некоторое время сохраняет свое прежнее значение вследствие тепловой инерции дуги. При последующем уменьшении тока напряжение на дуге возрастает и к моменту

44

гашения дуги достигает значения Uгаш , называемого напряжением га-

шения (Uзаж >Uгаш ) .

Величина Uзаж зависит от условий, в которых горит дуга.

В свободно горящей дуге, т.е. не подверженной активному воздействию окружающей среды, пики напряжения зажигания и гашения незначительно отличаются от напряжения горения дуги.

Дуга переменного тока обычно гасится легче, чем дуга постоянного тока, так как нет необходимости в принудительном сведении к нулю тока цепи: переменный ток два раза за период проходит через нулевое значение. В эти моменты процесс деионизации протекает значительно более интенсивно, а процесс ионизации замедляется. Кроме того, в момент изменения полярности электродов возникает начальная электрическая прочность дугового промежутка. Поэтому во время перехода тока через нуль сопротивление столба дуги повышается настолько, что для возникновения дуги в следующий полупериод к электродам необходимо приложить хотя бы кратковременное значительное напряжение. Если цепь, в которой горит дуга, не может обеспечить необходимого напряжения и достаточную скорость его повышения на промежутке после прохождения тока через нуль, то дуга не загорится в следующий период.

4.3.Устройства гашения дуги постоянного

ипеременного тока

Способы гашения дуги постоянного и переменного тока принципиально идентичны, однако конструктивное исполнение дугогасящих устройств отличается некоторыми особенностями, характерными для определенного тока.

Растягивание электрической дуги. Этот способ приводит к повышению падения напряжения на дуговом промежутке за счет деионизации, происходящей в столбе дуги. Применение этого способа, даже при низких напряжениях, требует значительного расстояния между электродами, что увеличивает габариты отключающего устройства.

Способ дугогашения (рис. 4.6) применяется в аппаратах малой мощности (реле, регуляторы и т.д.) напряжением до 1кВ. В цепях постоянного тока способ применяется при небольших растворах контактов (примерно до 20 мм) и в совокупности с другими способами дугогашения.

45

R2

Рис. 4.6. Гашение электрической дуги с помощью растягивания

Повышение давления в дуговом промежутке. Этот способ

(рис. 4.7) обусловливает увеличение теплопроводности газовой среды, в которой горит дуга. При этом происходит более интенсивное охлаждение столба дуги, снижающее его термическую ионизацию. Уменьшается свободный пробег электронов, что снижает вероятность ударной и термической ионизации дугового промежутка.

Защитные колпачки Герметичный корпус

Электрическая дуга

Рис. 4.7. Гашение электрической дуги повышением давления в дуговом промежутке

Гашение при повышенном давлении осуществляется преимущественно в предохранителях с закрытым патроном без наполнения.

Перемещение электрической дуги в воздушной среде. Этот способ приводит к интенсивной деионизации столба дуги вследствие

46

усиления охлаждения дуги, возрастания диффузии заряженных частиц из области горения дуги за счет уменьшения диаметра ее столба.

Об эффективности этого способа дугогашения могут свидетельствовать следующие данные: в столбе неподвижной открытой дуги постоянного тока при I = 200 A градиент напряжения составляет около 15 В/см, при перемещении дуги со скоростью 200 м/с он возраста-

ет до 160…170 В/см.

Дуга перемещается под воздействием электродинамических сил (рис. 4.8), возникающих в результате взаимодействия дуги с близлежащими токоведущими частями аппарата. Поэтому при конструировании аппаратов стремятся расположить токоведущие части так, чтобы электродинамическая сила при одном и том же токе имела максимально возможное значение и выдувала дугу в нужном направлении­ .

Катушка магнитного дутья

Фмагн. дут.

Uмагн. дут.

Рис. 4.8. Способ гашения электрической дуги с помощью магнитного дутья

Если путем соответствующего расположения токоведущих частей не удается достигнуть гашения дуги при приемлемых растворах кон-

47

тактов, то, чтобы их не увеличивать чрезмерно, применяют так называемое магнитное гашение. Для этого используют специальные катушки – катушки магнитного дутья, включенные параллельно или последовательно в цепь. При прохождении тока катушка магнитного дутья создает магнитный поток, который по магнитопроводу из ферромагнитного материала проходит в область горения дуги. В результате взаимодействия потока с током дуги создается электродинамическая сила, направляющая дугу в требуемую сторону.

Магнитное гашение применяется довольно широко в аппаратах, рассчитанных на нормальное атмосферное давление. В автоматических воздушных выключателях постоянного тока напряжением до 660 В (за исключением быстродействующих) дугогасительные катушки используют редко, так как двухполюсные аппараты могут иметь достаточно большой раствор контактов. Катушки магнитного дутья применяются в однополюсных аппаратах постоянного тока (автоматы, контакторы) и аппаратах переменного тока.

Рис. 4.9. Способ гашения электрической дуги с помощью соприкосновения дуги с поверхностью твердого диэлектрика

48

Соприкосновение дуги с поверхностью твердого диэлектрика.

Этот способ (рис. 4.9) обусловливает усиленную рекомбинацию заряженных частиц на поверхности диэлектрика и интенсивный отвод тепла из области горения дуги вследствие хорошего теплового контакта, возникающего между дугой и диэлектриком. Основанные на этом принципе устройства дугогашения представляют собой узкую щель, образованную двумя стенками из дугостойкого изоляционного материала. В щель дуга затягивается электродинамическими силами, увеличенными с помощью катушек магнитного дутья.

В цепях постоянного тока камеры с щелью используются в контакторах, контроллерах и реже в автоматических выключателях. В цепях переменного тока этот способ дугогашения применяется в аппаратах на большие номинальные токи (от сотен ампер), предназначенных для работы в тяжелых режимах (более 600 включений в час), главным образом в контакторах, реже в автоматических выключателях.

К1.1

Rшунт

К1.2

Рис. 4.10. Способ гашения электрической дуги с помощью шунтирования дугового промежутка активным сопротивлением (К1.1; К1.2 – дополнительные разрывные контакты)

Шунтирование дугового промежутка активным сопротивлением.

Данный способ (рис. 4.10) в совокупности с другими принципами дугогашения применяется в отключающих аппаратах постоянного

49

тока, рассчитанных на работу в цепях с высокими значениями индуктивности, причем аппараты должны иметь дополнительные разрывные контакты для окончательного отключения цепи. Этот способ обеспечивает облегчение условий гашения дуги постоянного тока за счет режима работы на измененной ВАХ, без точки устойчивого горения дуги.

Обдувание дуги нейтральными газами. Этот способ основан на гашении дуги газами, образующимися от воздействия дуги на жидкие и твердые газогенерирующие вещества (автодутье) или поступающими в зону дуги из специальных резервуаров.

При автодутье в качестве жидкого газогенерирующего вещества используется трансформаторное масло, в качестве твердого вещества – фибра, органическое стекло, винипласт и т.д. Под действием высокой температуры дуги газогенерирующие вещества выделяют газы с большим содержанием водорода (около 50…80%), обладающего значительной теплопроводностью и высоким потенциалом ионизации по сравнению с другими газами.

Конструкции дугогасительных камер многообразны (рис. 4.11): с автодутьем; продольного дутья; поперечного дутья; продольно-по- перечного дутья. В дугогасительных камерах с принудительным газовым дутьем в качестве газа обычно используют сжатый воздух, получаемый от специальной компрессорной установки и запасаемый в баллонах. Воздух имеет более низкие дугогасящие свойства по сравнению с другими газами, например, водородом.

Способ дугогашения посредством обдувания дуги газами наиболее эффективен при отключении цепей переменного тока. При отключении цепей постоянного тока могут возникнуть опасные для изоляции цепей перенапряжения, вызванные бурной деионизацией ствола дуги при малых токах.

Гашение дуги в элегазе. Элегаз (шестифтористая сера – SF6) по сравнению с воздухом имеет весьма высокую дугогасящую способность. Электрическая прочность элегаза при атмосферном давлении значительно превосходит электрическую прочность воздуха (в 2,5– 3 раза), с повышением давления электрическая прочность элегаза резко возрастает. К положительным свойствам элегаза следует отнести его способность быстро восстанавливать свою электрическую прочность после гашения дуги, причем его изоляционные свойства практически не меняются. Размыкание контактов в элегазовых выключателях (рис. 4.12) происходит в герметически закрытой камере, заполненной сжатым элегазом. Применяется принудительное обдува-

50