Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические аппараты. Электрическая дуга. Учебное пособие
.pdf
На рис. 3 показана электрическая дуга в поперечном магнитном
В
поле, создаваемом катушкой 2, размещенной на сердечнике 1 и включенной последовательно с коммутируемой цепью – с размыкаемыми подвижным 3 и неподвижным 4 контактами [2].
i
д
5
в.з
3
5
Рис. 3. Электрическая дуга в поперечном
магнитном поле
4
1
2
Катушка 2 выполнена в виде нескольких витков медной шины большого сечения. По обе стороны контактов 3 и 4 расположены плотно при-
мыкающие к сердечнику 1 пластины 5. Сердечник 1 и пластины 5, выполненные из ферромагнитного материала, образуют магнитопровод.
При протекании тока дуги по катушке 2 ее магнитодвижущая сила
создает в
ферромагнитном сердечнике 1 магнитный поток , который,
Ф
проходя через ферромагнитные пластины 5, выходит в область горения
электрической дуги между размыкающимися подвижным 3 и неподвиж-
ным 4 контактами. В результате созданное внешнее поперечное магнит-
ное поле воздействует на дуговой столб.
В случае, когда магнитное поле в воздушном зазоре
катушкой, по проводнику обмотки которой протекает тот же ток
δ
создается
в.з
i
д
проходящий через дуговой столб (рис. 3), величина индукции магнитного поля при условии пренебрежения насыщением стали может быть
определена по формуле [1, 2]
,
iw
Н
где
i
д
люсами, м;
– напряженность магнитного поля в воздушном зазоре,
в.з
– ток дуги, А;
δ
– воздушный зазор между ферромагнитными по-
в.з
w
– число витков обмотки катушки.
μμ
, (8)
ВН
в.з 0 в.з 0
21
д
δ
в.з
Ам
;
Подставив выражение магнитной индукции (8) в (6), формула для
Е
Е
определения скорости перемещения канала открытой ничем не ограниченной дуги примет вид [1, 2]
дд0
13
73
vI
23
w
. (9)
в.з
Окончательно после преобразований выражения (9) формула для определения скорости перемещения канала открытой ничем не ограниченной дуги примет вид
23
w
8,5 10 .
vi
дд
3
(10)
в.з
Для ничем не ограниченной (при
δ d
в.зд.ст
) свободно горящей в
воздушной среде дуги напряженность электрического поля в столбе
дуги (градиент)
составляет
д
10 Всм
и ее гашение требует значи-
тельного растяжения, что обусловливает увеличение габаритов аппарата [1, 2]. В электрических аппаратах низкого напряжения для увели-
чения градиента напряженности электрического поля в столбе дуги
д
используют дугогасительные устройства с узкой щелью.
Стенки камер дугогасительных устройств изготавливают из хорошо
поглощающего теплоту дугостойкого изоляционного материала (асбоцемент, керамика, электрокорунд), между стенками которого образуется узкая продольная щель, ось которой совпадает с направлением оси
дугового столба (рис. 4). Узкой щелью принято считать щель, диаметр
которой меньше диаметра дугового столба [2]:
где
d
– диаметр дугового столба, см.
д.ст
δ d
в.зд.ст
, (11)
При вхождении в узкие щели возрастает сопротивление движению
дуги, дуговой столб деформируется изоляционными стенками камеры:
сечение дуги сплющивается, приобретая прямоугольную форму, растягивается по длине, при этом скорость движения дугового столба меняется. Так, если ширина щели немного меньше, чем диаметр канала дугового столба, то
скорость перемещения дуги в узкой щели может
22
несколько возрасти по сравнению со скоростью открытой (ничем не-
Е
Е
В
В
ограниченной дуги) при том же значении напряженности магнитного
поля.
По мере вхождения дугового столба в узкую щель между изоляционными стенками камеры происходит соприкосновение дуги с поверхностью твердого диэлектрика, что способствует усиленной рекомбинации заряженных частиц на его поверхности, а также
интенсивному отводу теплоты из области горения дуги в связи с хорошим тепловым контактом, возникающим между дугой и диэлектриком.
Вследствие тесного контакта с изоляционными стенками камеры ду-
говой столб охлаждается, что способствует возрастанию градиента
напряженности электрического поля в столбе дуги
.
д
Эмпирическая зависимость градиента напряженности электриче-
ского поля в столбе дуги от величины отключаемого тока и ширины щели камеры имеет вид [4]
щ
2
Iv
откл д
3
ЕЕ
дд.н
0,015
,
2
щ
I
откл
где
ной дуге,
дуги,
– градиент напряженности электрического поля при неподвиж-
д.н
мс
Всм
;
I
;
– ток отключения, А;
откл
– ширина щели камеры, см.
щ
v
– скорость перемещения
д
Скорость движения дуги в узкой щели при выполнении условия (11)
может быть вычислена по формуле Кукекова [4]:
370vI
где
I
– ток дуги, А;
д
дщдв.з
– магнитная индукция в зоне горения дуги
в.з
, (12)
(в воздушном зазоре камеры), Тл.
Характерные формы продольных узких щелей дугогасительных камер, широко применяемых в коммутационных аппаратах низкого
напряжения, приведены на рис. 4 [3], где приняты следующие обозначения: 1 и 2 – зона наибольшего охлаждения дуги; 3 – продольная щель,
в которую дуга направляется; 4 –
расширение, облегчающее вход дуги
в камеру; 5 – местные расширения в щели.
23
А
А
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
4
4
4
4
4
А
3
а б в г д
Рис. 4. Формы продольных узких щелей дугогасительных камер
На рис. 4, а изображена форма дугогасительной камеры с одной пря-
мой продольной щелью. Для повышения отключающей способности аппарата выполняют дугогасительные камеры с несколькими параллельными узкими щелями (рис. 4, б).
Увеличить длину дуги позволяет применение камеры с продольной
узкой щелью с ребрами (рис. 4, в). Для увеличения поверхности охлаждения стенки камеры
пами и впадинами, образующими щели (рис. 4, г), или с щелью зигзагообразной формы (рис. 4, д).
В случае, когда щель между стенками камеры, в которой находится
дуга, образует некоторый угол
3
могут быть лабиринтными, выполнены с высту-
3
А
5
3
с направлением магнитного поля
щ
5
3
24
(рис. 5), то сила, действующая на единицу длины дуги, будет меньше на
величину
sin
. Скорость движения дуги в щели следует определять
щ
по формуле
370 sinvIВ
дщдв.зщ
В
щ
к
. (13)
дуга
Рис. 5. Дуга в узкой щели
дугогасительной камеры
При малых значениях тока наличие камеры с узкой щелью снижает
падение напряжения на дуговом промежутке по сравнению с перемещением свободной ничем неограниченной дуги в воздухе. Это обусловлено
тем, что при малых значениях тока электродинамическая сила, величина
которой пропорциональна квадрату отключаемого тока и направленная
радиально к дуге, не может преодолеть внешнее
сопротивление, оказываемое вхождению дуги в узкую щель. В результате этого дуга остается неподвижной, не перемещающейся в воздухе.
Во избежание этого в дугогасительных устройствах аппаратов постоянного тока весьма часто посредством магнитного дутья создают
в зоне горения дуги магнитное поле, которое увеличивает скорость перемещения дуги и способствует вхождению
дугового столба в узкие
щели между изоляционными стенками.
Внешнее магнитное поле для перемещения электрической дуги
в низковольтных аппаратах может быть создано с помощью электромагнита с катушкой, включаемой последовательно с контактами, между которыми возникает электрическая дуга (рис. 6, а), электромагнита с катушкой, включаемой на напряжение сети (рис. 6, б), а также
с помощью
постоянных магнитов (рис. 6, в) [3].
Для каждого схемотехнического решения систем магнитного дутья
характерны свои особенности, определяющие их применение [6].
Дугогасительные устройства(ДУ) с системой последовательного магнитного дутья, в которой дуга перемещается под воздействием внешнего
магнитного поля, созданного с помощью электромагнита с катушкой,
25
R
L
R
R
н
н
L
н
н
U
и
L
д
U
д
U
и
L
д
U
д
а б
н
U
и
L
н
L
S
д
N
U
д
в
Рис. 6. Схемотехнические решения систем:
а – последовательного магнитного дутья; б – параллельного магнитного дутья;
в – магнитного дутья с помощью постоянных магнитов
включаемой последовательно с контактами (рис. 6, а), характеризуются
следующими особенностями:
– электромагнитная сила, действующая на дугу пропорциональна
квадрату тока;
– при изменении направления тока меняет знак и магнитное поле;
при этом сила, действующая на дугу, не изменяет своего направления;
– при токах, величина которых более 100 А, магнитное поле быстро
смещает дугу с рабочих
поверхностей контактов, обеспечивая их малый
износ;
– при малых значениях тока (5…7 А) недостаточно надежное гашение дуги;
– наличие потерь в стали магнитной системы дугогашения способствует повышению температуры контактов и их износу, а также
возможности возникновения больших перенапряжений при принудительном обрыве тока (до естественного перехода через нуль).
ДУ с системой
последовательного магнитного дутья и керамической
дугогасительной камерой применяются в контакторах с тяжелым режимом работы и при числе включений в час более 600, а также в выключателях напряжением не выше 10 кВ [3].
26
В дугогасительных устройствах с системой с параллельной катушкой дуга перемещается под воздействием внешнего магнитного поля,
созданного с помощью электромагнита с катушкой, включаемой на
напряжение сети (рис. 6, б). В ДУ с параллельной катушкой направле-
ние действующей на дугу электродинамической силы зависит от полярности тока – при изменении направления тока меняется и
направление
движения дуги, вследствие чего аппарат оказывается без надежного дугогашения. При коротком замыкании в ДУ с параллельной катушкой
возможно снижение напряжения на источнике, который также питает
катушку магнитного дутья, в результате чего процесс гашения протекает неэффективно. ДУ с катушкой, включаемой на напряжение сети,
применяются только при отключении малых
токов (5…10 А). Вследствие проблемы нестабильного поведения дуги ДУ с параллельным
включением катушки магнитного дутья в цепях переменного тока не
применяются [3].
Воздействие внешнего магнитного поля с помощью постоянных
магнитов (рис. 6, в) по сравнению с ДУ с параллельной катушкой обладает высокой надежностью при соблюдении требуемой полярности подключения. Характеристики ДУ с
постоянными магнитами подобны характеристикам ДУ с параллельной катушкой. Дугогасительные устройства с магнитным дутьем и керамической дугогасительной камерой применяются в аппаратах постоянного и переменного тока при соблюдении
требуемой полярности подключения [3].
Исключительное применение способа воздействия на дугу внешнего
магнитного поля получила система последовательного магнитного дутья.
На рис. 7 изображена конструкция
дугогасительного устройства на основе магнитного дутья, которое создается катушкой 1, включенной последовательно с коммутируемой цепью (в цепь силовых контактов аппарата) [3, 4]. Катушка 1 размещена на ферромагнитном сердечнике 2,
к торцам которого плотно примыкают ферромагнитные пластины 3.
При протекании тока по катушке 1 создается магнитный поток Ф,
который по магнитопроводу,
образованному сердечником 2 и пластинами 3, проходит в область горения электрической дуги («дуга»
на рис. 7) между размыкающимися контактами (на рисунке не показаны). В результате взаимодействия тока в дуге с магнитным потоком Ф
создается электродинамическая сила F, перемещающая дугу в воздухе.
Возникшая электродинамическая сила F перемещает (втягивает) дугу
в узкую
щель, образованную между стенками 4 керамической камеры
продольного магнитного дутья. Под действием электродинамической
27
силы дуга, втянутая в узкую щели камеры, соприкасаясь с поверхностью
F
Е
стенок 4 керамической камеры, растягивается и интенсивно охлаждается.
Ф
3
4
2
1
дуга
в.з
Ф
щ
3
4
Рис. 7. Дуга в узкой щели дугогасительной
камеры продольного магнитного дутья
Ширина щели дугогасительной камеры оказывает существенное
влияние на величину продольного градиента напряженности электрического поля в столбе дуги .
п
2.2. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ
В МАГНИТНОМ ПОЛЕ И В УЗКИХ ЩЕЛЯХ
ДУГОГАСИТЕЛЬНОЙ КАМЕРЫ
Пример 2.1
Определить скорость движения дуги между шинами диаметром
3
ш
12 10 мd
, расстояние между шинами
δ 810 м
в.з
дятся в воздухе, магнитная проницаемость которого
По шинам протекает тока
1200 АI
д
.
3
. Шины нахо-
7
μ 4π 10 Гн м
0
Решение
Для определения скорости свободного движения дуги в воздухе
между шинами необходимо знать значение магнитной индукции между
ними.
За расчетное значение магнитной индукции между шинами примем
величину магнитной индукции в средней точке между шинами:
.
7
μ
I
В
ср
0 д
δ
d
2π
в.з
ш
22
43,1410 1200
23,14
33
12 10 8 10
22
0,024 Тл.
28
Скорость перемещения дуги в результате действия тока в шинах при
условии
00,1 ТлВ
73 73(1200) (0,024) 64,54 мс.vIВ
ддср
определим по формуле (7)
13 2 3 13 2 3
Ответ:
64,54 мс.v
д
Пример 2.2
Свободная дуга с током
речном магнитном поле с индукцией
250АI
д
находится в равномерном попе-
п.п
0,05ТлВ
. Определить ско-
рость движения свободной дуги.
Решение
При величине магнитной индукции в пределах
00,1 ТлВ
ско-
рость движения дуги в соответствии с формулой Кукекова (7)
13 2 3 13 2 3
Ответ:
73 73(250) (0,05) 62,414 мс.vIВ
ддср
62,414 мсv
д
.
Пример 2.3
Определить скорость перемещения электрической дуги постоянного
тока на концентрических кольцах, находящихся на расстоянии 1 см относительно друг друга. Электрическая дуга вместе с кольцами нахо-
200w
дится в длинной однослойной катушке, по виткам (
30 А.I
протекает ток
д
.
) которой
Решение
Скорость перемещения дуги, находящейся в магнитном поле воздушного зазора, созданном катушкой, по которой протекает ток дуги,
определим по формуле (10)
23
w
33
vI
дд
8,5 10 8,5 10 30 40,479 мс,
δ
в.з
200
10 10
23
3
δ
где
– воздушный зазор между концентрическими кольцами одно-
в.з
слойной катушки, м.
Ответ:
40,479 мсv
д
.
29
Пример 2.4
В
Электрическая дуга с током
магнитного поля, создаваемого катушкой с числом витков
300АI
д
под действием внешнего
8w
, за-
тягивается в узкую щель керамической камеры шириной
3
210 м
. Между керамическими пластинами образован воз-
щ
3
душный зазор
δ 20 10 м
в.з
. Определить скорость перемещения
дуги в узкой щели керамической камеры.
Решение
Скорость перемещения дуги в узкой щели керамической камеры
определим по формуле (12)
3
370 370 2 10 300 0,151 111,37 мсvIВ
,
дщдв.з
где
I
– ток дуги, А;
д
– ширина щели камеры, м;
щ
– магнитная
в.з
индукция в зоне горения дуги (в воздушном зазоре камеры), Тл.
Внешнее магнитное поле в воздушном зазоре, образованном керамическими стенками камеры, создается катушкой. Величину магнитной
индукции в зоне горения дуги рассчитаем по формуле (8)
Ответ:
iw
μμ4π 10 0,151 Тл
ВН
в.з 0 в.з 0
111,37 мсv
д
д
δ
в.з
.
7
300 8
20 10
3
.
Пример 2.5
Электрическая дуга с током
магнитного поля, создаваемого катушкой с числом витков
200АI
д
под действием внешнего
10w
, затя-
гивается в узкую зигзагообразную щель дугогасительной камеры шириной
щ
ется дуга, образует угол
зующими воздушный зазор камеры,
. Щель между стенками камеры, в которой перемеща-
α 30
щ
. Расстояние между полюсами, обра-
3
δ 20 10 м
в.з
. Определить ско-
3
210 м
рость перемещения дуги в узкой щели дугогасительной камеры.
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]