Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические аппараты. Электрическая дуга. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Л. А. НЕЙМАН
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
АППАРАТЫ
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2023
1
УДК 621.316.06(075.8)
Н46
Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. З. С. Темлякова
канд. техн. наук Е. О. Лавренов
Работа подготовлена на кафедре электротехнических комплексов
для студентов дневного и заочного отделений
электротехнических специальностей
Нейман Л. А.
Н46 Электрические аппараты. Электрическая дуга: учебное пособие /
Л. А. Нейман. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2023. – 128
с.
ISBN 978-5-7782-4968-4
В учебном пособии рассмотрены вопросы, связанные с явлениями гашения
электрической дуги постоянного и переменного тока при коммутации электрических цепей в рабочих режимах, в режимах короткого замыкания и пр. Изложены
основные физические особенности дугового разряда, условия горения и гашения
электрической дуги, возникающей при отключении электрической цепи постоянного и переменного тока
новления напряжения на контактах отключающего аппарата. Материал пособия
включает в себя основанные на теоретических сведениях анализ решений задач, обладающих направленностью на самостоятельную работу студентов при изучении
процессов, сопровождающихся возникновением дуги при отключении цепей постоянного и переменного тока.
низкого и высокого напряжения, а также вопросы восста-
УДК 621.316.06(075.8)
Нейман Людмила Андреевна
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА
Учебное пособие
Редактор Л.Н. Ветчакова
Выпускающий редактор И.П. Брованова
Дизайн обложки А.В. Ладыжская
Компьютерная верстка Л.А. Веселовская
Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции
_________________________________________________________________________________
Подписано в печать 29.05.2023. Формат 60 × 84 1/16. Бумага офсетная. Тираж 50 экз.
Уч.-изд. л. 7,44. Печ. л. 8,0. Изд. № 3. Заказ № 172. Цена договорная
_________________________________________________________________________________
Издание соответствует коду 95 3000 ОК 005-93 (ОКП)
Новосибирского государственного технического университета
Отпечатано в
630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
типографии
ISBN 978-5-7782-4968-4 © Нейман Л. А., 2023
© Новосибирский государственный
технический университет, 2023
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение.................................................................................................................................. 4
1. Электрическая дуга отключения .................................................................................. 5
1.1. Физические особенности и параметры электрической дуги ..................................... 5
1.2. Примеры расчета физических параметров электрической дуги ............................. 14
2. Электрическая дуга в магнитном поле ...................................................................... 17
2.1. Воздействие внешнего магнитного поля на дуговой столб .................................... 17
2.2. Примеры расчета электрической дуги в магнитном поле
и в узких щелях дугогасительной камеры ................................................................ 28
3. Характеристики электрической дуги ......................................................................... 33
Общие сведения
4. Электрическая дуга постоянного тока ....................................................................... 38
4.1. Условия горения и гашения дуги постоянного тока ............................................... 38
4.2. Время угасания дуги постоянного тока .................................................................... 44
4.3. Баланс энергии цепи постоянного тока с дугой ....................................................... 45
4.4. Перенапряжения при отключении цепей постоянного тока ................................... 46
4.5. Шунтирование дугового промежутка активным сопротивлением......................... 48
4.6. Примеры расчета параметров электрической дуги постоянного тока ................... 49
5. Электрическая дуга в коротком промежутке ........................................................... 54
5.1. Электрическая дуга постоянного тока в коротком промежутке ............................. 55
5.2. Электрическая дуга переменного тока в коротком промежутке ............................ 57
5.3. Примеры расчета параметров отключения электрической дуги
в коротком промежутке .............................................................................................. 61
6. Электрическая дуга переменного тока ....................................................................... 67
6.1. Открытая длинная дуга переменного тока при высоком напряжении
источника ................................................................................................................. 67
6.2. Отключение электрических цепей переменного тока ............................................. 70
6.3. Восстановление напряжения на дуговом промежутке
одночастотного колебательного контура ................................................................. 76
6.4. Восстановление напряжения на дуговом промежутке при отключении
двухчастотного колебательного контура.................................................................. 87
6.5. Восстановление напряжения на выключателе при отключении контура
с длинными линиями .................................................................................................. 91
6.6. Восстановление напряжения на выключателе при неудаленных коротких
замыканиях ................................................................................................................. 95
6.7. Мгновенное значение возвращающегося напряжения в момент перехода
через нуль .................................................................................................................... 97
6.8. Постоянные электрических цепей и
6.9. Отключение малых индуктивных и емкостных токов .......................................... 104
6.10. Примеры расчета параметров отключения цепей переменного тока ................... 110
Библиографический список ............................................................................................... 128
................................................................................................................. 33
при отключении
их эквивалентные расчетные значения ..... 101
3
ВВЕДЕНИЕ
Электрические аппараты представляют собой электротехнические
устройства, выполняющие функции включения и отключения электрических цепей, контроля и измерения параметров, защиты оборудования,
управления и регулирования установок, предназначенные для передачи,
преобразования, распределения и потребления электрической энергии.
В электроустановках по производству (электростанции), преобразованию, распределению (электрические сети и подстанции) и потреблению (электрический привод) электрической
количество коммутационных аппаратов для размыкания и замыканий
электрической цепи. При коммутации электрических цепей в условиях
режимов перегрузок и коротких замыканий, а также отключения ненагруженных линий и трансформаторов, на контактах коммутационного
аппарата обычно возникает электрическая дуга. Возникающая при разрыве контактов электрическая дуга представляет собой сильно ионизированный столб газа, способный проводить ток. Длительность дугового
процесса зависит не только от параметров коммутируемой цепи,
свойств и характеристик отключающего аппарата, но и от механизма
восстановления электрической прочности дугового промежутка, явлений при деионизации последуговых процессов в электрических установках.
В пособии кратко изложены основные соотношения и закономерности процессов отключения
провождаемые решениями конкретных примеров.
дуги постоянного и переменного тока, со-
энергии имеется большое
4
1. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА ОТКЛЮЧЕНИЯ
1.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
И ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ
При размыкании электрической цепи переходное сопротивление
контактов отключающего аппарата изменяется настолько быстро, что
изменения тока в контуре отключаемой цепи под влиянием нарастающего переходного сопротивления контактов не происходит, и между
контактами в момент их размыкания образуется дуговой разряд в газовой среде в виде искры или дуги [1–4].
При нормальных условиях
дой. В газовых средах, заполняющих промежутки между двумя электродами, всегда имеется некоторое количество свободных электронов, однако число их так мало, что газ является хорошим изолятором, содержащим электрически нейтральные (по отношению к внешней среде) атомы
или молекулы. Однако если от атома отнять один
ряд атома станет положительным, и величина его заряда будет численно
равна заряду электрона. Такой положительный атом носит название положительный ион. В результате удаления из атома электрона получаются уже два самостоятельно существующих заряда: положительный
ион и электрон. Атом может потерять не один, а несколько электронов,
в
результате чего увеличивается количество положительных ионов
и число свободных электронов. Процесс появления в газе свободных
(не связанных с атомом) электронов и положительных ионов называется
ионизацией газа. Следует заметить, что при ионизации газа в нем появляются свободные электроны и ионы, он утрачивает свойства диэлектрика и может проводить ток; причем
чем больше степень его ионизации.
газ является хорошей изолирующей сре-
из электронов, то за-
проводимость газа тем больше,
5
Явления, возникающие при прохождении электрического тока через
R
газовую среду, зависят от рода и давления газа, от материалов и конфигурации электродов, а также от величины тока.
Рассмотрим электрическую цепь (рис. 1, а), которая состоит из межэлектродного промежутка, заполненного газом под давлением в несколько миллиметров ртутного столба, и регулируемого сопротивления
.
, ВU
I
800
R
V
600
400
200
А
0
III
II
510
310
VI
V
IV
1
3
10
10
, АI
а б
Рис. 1. Дуговой разряд:
электрическая схема (а); статическая вольт-амперная характеристика
электрического разряда в газе (б)
В нормальных условиях при отключении тока, величина которого
менее критических значений, процесс размыкания сопровождается
дуговым разрядом в виде искр. При более высоких напряжениях
в размыкаемом контуре, но при меньших значениях тока возможно
образование между размыкающимися контактами (в межэлектродном промежутке) тлеющего разряда. Следует заметить, что тлеющий
разряд возникает при отключении тока
менее 0,1 А при напряжении
у катода (контакта) 250…300 В. Такой разряд возникает на контактах
маломощных реле [1, 2].
Предположим, что при напряжении 700 В (точка А на рис. 1, б) на
электродах произошел пробой межэлектродного промежутка и через
него проходит ток, величина которого определяется сопротивлением R.
В результате пробоя межэлектродного промежутка между размыкающимися контактами
возникает дуговой разряд в газе.
6
Дальнейшее увеличение тока цепи обусловливает изменение напряжения между электродами, которое будет изменяться по кривой статической вольт-амперной характеристики (ВАХ) электрического разряда
в газе, изображенной на рис. 1, б.
Вольт-амперную характеристику электрического разряда в газе
можно разделить на следующие зоны: зона I соответствует темному разряду; зона II – переходу от темного разряда
к тлеющему разряду; зона
III – нормальному тлеющему разряду; зона IV – аномальному тлеющему
разряду; зона V – переходу от тлеющего разряда к электрической дуге;
зона VI – электрической дуге.
При тлеющем разряде (зоны I–IV статической вольт-амперной характеристики электрического разряда в газе, рис. 1, б) положительные ионы,
бомбардирующие катод, не только вызывают вторичную эмиссию электронов, но и нагревают катод. Тлеющий разряд характеризуется малой
плотностью тока и большим катодным падением напряжения. Процесс
практически чисто электрический. Для существования тлеющего разряда
характерно падение напряжения у катода до 300 В [3].
В случае, когда к находящимся в газе электродам приложено достаточно сильное электрическое поле, обусловливающее нарушение изолирующих свойств газов, возникает возможность пропускать через них
значительные токи. Увеличение силы тока в тлеющем разряде (вследствие увеличения напряжения или сближения электродов) вызывает
рост температуры катода, и, когда она достигает значения, при котором
начинается заметная термоэлектронная эмиссия, тлеющий разряд переходит в дуговой разряд. Тлеющий разряд в таком случае является переходной фазой к разряду в виде электрической дуги. Он возникает во всех
случаях, когда вследствие разогревания катода основной причиной
ионизации газа становится термоэлектронная эмиссия.
Таким образом, если величина напряжения и тока в цепи выше критических значений для данных условий, то искровой разряд перерастает
в дуговой (электрическую дугу), который при высоком давлении газовой среды обладает характерными особенностями:
– высокая плотность тока в дуговом столбе и четко очерченная граница
дугового разряда;
– высокая плотность тока на катоде, достигающая
23 2
10 ...10 Амм
;
– малое падение напряжения на катоде порядка 10…20 В, практиче-
ски не зависящее от тока;
7
– высокая температура газа внутри канала дуги, которая может до-
Е
Е
стигать 5000 К, а в условиях интенсивной деионизации дугового
столба – 12 000…25 000 К [3].
При самостоятельном дуговом разряде наблюдается неравномерное
распределение напряжения в межэлектродном пространстве (рис. 2),
в соответствии с которым в дуге можно выделить три области, существенно различающиеся по характеру протекающих в них процессов:
область катодного падения напряжения; область столба дуги (дугового
столба); область анодного падения напряжения.
Область катодного падения напряжения
U
, непосредственно при-
к
легающая к отрицательному электроду (катоду К) (рис. 2), характеризуется незначительной протяженностью (в среднем 0,0001 см); перепадом
напряжения 10…20 В и напряженностью электрического поля (гради-
ентом напряжения) порядка
210 В/см
5
и выше. Вблизи катода возни-
кает объемный положительный заряд. Следует заметить, что катодное
падение напряжения, зависящее от величины тока, определяет существование дугового разряда [1, 3].
дуга
К
А
область катодного
падения напряжения
U
д
Е
к
Столб дуги
Е
ст.д
l
д
область анодного
падения напряжения
U
а
U
ст.д
U
а
д
U
к
Рис. 2. Распределение напряжения
в межэлектродном пространстве
Падение напряжения в столбе дуги
Е
диента напряжения
, который в столбе дуги почти неизменен и со-
ст
U
зависит от длины дуги и гра-
ст
ставляет порядка 2…200 В/см и зависит от многих факторов [1, 3].
8
Область анодного падения напряжения
U
непосредственно приле-
а
гает к положительному электроду (аноду А). Созданные вблизи анода
положительные ионы движутся по направлению к катоду. Непосредственно на аноде (в процессе дугового разряда) не происходит освобождения положительных ионов. Поэтому ток в области анодного падения
напряжения является чисто электронным. В результате вблизи анода будут преобладать отрицательные
заряды (образуется объемный отрицательный заряд), которые и обусловливают значительное повышение
анодного падения напряжения [1, 3, 4].
Напряженность области анодного падения напряжения больше протяженности области катодного падения напряжения (рис. 2); поэтому
градиент напряжения будет существенно меньше, чем в области катодного падения напряжения. Величина анодного падения напряжения зависит от температуры анода и его
способности испарять металл – с повышением температуры анода происходит испарение металла с его поверхности, что значительно снижает величину падения напряжения
в области околоанодной области.
Анодное падение напряжения в отличие от катодного напряжения
не является необходимым условием для существования дугового разряда. Дуговой разряд может существовать и при отсутствии анодного
падения напряжения.
Общее падение напряжения на дуге
U
складывается из трех со-
д
ставляющих падений напряжения:
U
где
– катодное падение напряжения, В;
к
напряжения, В;
UUUU
дкаст.д
U
– падение в дуговом столбе, В.
ст.д
,
U
– анодное падение
а
В электрической дуге переменного тока, когда мгновенное значение
тока больше нуля, картина распределения падения напряжения аналогична выше рассмотренному в дуге постоянного тока (рис. 2). Но в момент прохождения тока через нуль и изменения полярности электродов
процессы в дуговом промежутке существенно отличаются. Так, в момент изменения полярности электродов возникает начальная электрическая прочность дугового промежутка, которая обусловлена процессами у катода (бывшего анода) и образования электрического поля обратного направления. Поэтому в момент прохождения тока через нуль
9
сопротивление столба дуги усиливается настолько, что для возникновения дуги в следующий период к электродам необходимо приложить
хотя бы кратковременно значительное по величине напряжение.
Величина напряжения, которую необходимо приложить к дуговому
промежутку в первые моменты после прохождения тока через нулевое
значение для пробоя дугового промежутка, называется начальной прочностью дугового промежутка
.
Следует понимать, что начальная прочность дугового промежутка
возникает лишь в моменты изменения полярности электродов, а при горении дуги она отсутствует.
Электрическая дуга представляет собой длительно существующий
между находящимися под напряжением электродами (катодом и анодом) мощный электрический разряд в сильно ионизированной смеси газов и паров при высокой температуре газов. Каналом, связывающим
электроды, является столб дуги, который можно рассматривать как цилиндрическую область сильно ионизированного газа, в котором плотность положительно заряженных частиц и плотность отрицательно заряженных частиц почти уравновешены.
Под действием приложенного к электродам внешнего напряжения
электроны и положительные ионы движутся в
столбе дуги в противопо-
ложных направлениях, создавая ток в дуге.
Поступающая в столб дуги энергия представляет собой энергию, выделяемую проходящим по дуге током. Эта энергия содержит две составляющие: первая – энергия, выделяющаяся в столбе дуги при рекомбинации противоположно заряженных частиц и равная ранее затраченной
на их ионизацию энергии; вторая – энергия, вносимая потоками плазмы
с электродов [5].
Плазма представляет собой газообразную, термически возбужденную ионизированную квазинейтральную среду, в которой под действием внешнего электрического поля электроны и ионы (носители заряда) движутся в направлении к электродам противоположного знака.
Температура плазмы является важнейшей термодинамической характеристикой систем, находящихся в термическом равновесии. Процессы ионизации и деионизации в столбе дуги протекают одновременно, создавая ионизированную квазинейтральную среду.
Необходимая для термической ионизации газа высокая температура
плазмы поддерживается за счет внешних источников энергии.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]