Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические аппараты. Электрическая дуга. Учебное пособие
.pdf
Пример 4.5
Определить энергию, поглощенную дугой постоянного тока при ее
гашении. Напряжение отключаемой цепи
0,5 ОмR
ния дуги
, индуктивность
0,08 сt
д
имеет прямолинейный характер.
48 10 ГнL
3
110 ВU
и
. Спад тока за время угаса-
, сопротивление
Решение
Выражение энергии дуги в соответствии с формулой (23)
tt
дд
А U i dt U i i R dt
дд и
00
t
д
где
Ui iRdt
0
2
и
представляет собой энергию, поглощенную в дуге
2
и подведенную от источника за время горения дуги,
LI
2
,
2
0,08 сt
д
.
Согласно условию задачи спад тока в зависимости от времени имеет
прямолинейный характер, т. е.
t
1
iI
.
t
д
Подставив зависимость спада тока от времени в интеграл правой части уравнения энергии дуги (23) и выполнив интегрирование, выражение энергии дуги примет вид
t
А UI
ди
110 220 1484,267 Дж
0,08 48 10 220
д
62
2
LI
32
,
62
I
– ток в цепи по (18)
где
Ответ:
д
U
110
и
IR .
220 А
0,5
1484,267 ДжА
.
51
Пример 4.5
Определить величину возможного перенапряжения в цепи постоянного тока, отключение которой происходит без электрической дуги.
Цепь постоянного тока содержит катушку индуктивности
к зажимам которой подключена емкость
22АI
.
0,13мкФ.С
1, 6 ГнL
Ток в цепи
Решение
Пренебрегая активным сопротивлением индуктивной катушки, полагаем, что вся накопленная в индуктивности электромагнитная энергия
переходит в электростатическую энергию. В соответствии с принятым
допущением величину возможного перенапряжения определим по (25):
,
1, 6
0,13 10
6
.
Ответ:
UI
22 77 181 В
макс
77181 ВU
макс
L
C
.
Пример 4.6
Определить величину емкости, которая должна быть подключена
параллельно индуктивности
1, 2 ГнL
, чтобы при внезапном обрыве
цепи перенапряжение на индуктивности не превышало 6 кВ. Ток цепи,
12АI
протекающий через индуктивность,
.
Решение
Величину емкости, которая должна обеспечивать ограничение перенапряжения на индуктивности, определим из (24):
22
1, 2 1 2
(6 10 )
.
Ответ:
4,8 мкФС
LI
С
4,8 мкФ
232
U
макс
.
Пример 4.7
В цепи постоянного тока к зажимам катушки индуктивности
0,12 мкФС
1, 8 ГнL
, через которую протекает ток
.
6 АI
, подключена емкость
52
Определить предельное значение напряжения и частоту колебаний
в контуре при отключении цепи без дуги.
Решение
При отключении цепи постоянного тока без дуги ток в катушке ин-
2
дуктивности «срезается» и освобожденная энергия
А L
I
д
, запасен-
2
ная в индуктивности, переходит в электростатическую энергию емко-
С
сти
(24):
LI
2
2
CU
макс
.
22
Следовательно, предельное значение ожидаемого напряжения при
отключении электрической цепи, обеспечивающее бездуговой разрыв,
можно определить по формуле (25)
UI
623238 В
макс
L
C
1, 8
0,12 10
6
.
Частота колебаний напряжения на отключенной катушке индуктивности при разрядке емкости на индуктивность определится как
ω
где
0
муле (26),
Ответ:
0
f
342 Гц,
2
– собственная частота колебаний напряжения по фор-
1
с
.
23238 ВU
макс
11
LC
2
21,80,1210
342 Гцf
;
.
6
53
5. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА
Н
В КОРОТКОМ ПРОМЕЖУТКЕ
В некоторых коммутационных аппаратах низкого напряжения постоянного тока и переменного тока частотой 50 Гц для ограничения области распространения дуги и повышения отключающей способности
электрического аппарата применяют дугогасительные решетки с пластинками из стали (рис. 15) [3].
U
U
д
в.з
4
2
5
4
3
1
4
2
д
в.з
5
4
3
1
а б
Рис. 15. Электрическая дуга в дугогасительной решетке
Дугогасительная решетка с пластинками представляет собой набор
из расположенных относительно друг друга на расстоянии 1…3 мм ферромагнитных или медных пластинок, разделяющих длинную дугу на
ряд коротких последовательно включенных дуг.
Процесс гашения длинной дуги в дугогасительной решетке представлен на рис. 15, на котором приняты следующие обозначения: 1 –
подвижный контакт; 2 – неподвижный контакт»; 3 – электрическая дуга;
4 – короткие дуги; 5 – пластинки дугогасительной решетки [3, 7].
На рис. 15, а после расхождения подвижного 1 и неподвижного 2
контактов возникшая между ними электрическая дуга 3 втягивается в
зону паза, образованного пластинками решетки 5, под действием электродинамических усилий, возникающих в контуре, подвижный контакт 1 – дуга 3 – неподвижный контакт 2, а также действующих на
дугу 3 электродинамических усилий, создаваемых
ферромагнитными
пластинами 5. Ферромагнитные пластинки 5 притягивают к себе дуговой
54
столб 3 как проводник с током. Столб дуги, втянутый в зону паза между
пластинками решетки 5, под действием электродинамической силы движется только вверх к краям каждой пластинки, дойдя до верхней границы
паза, выходит из пластинок, «разрезаясь» на короткие дуги 4.
При переменном токе процесс гашения электрической дуги посредством дугогасительной
решетки имеет некоторые особенности. После
расхождения подвижного 1 и неподвижного 2 контактов (рис. 15, б)
дуга 3 под воздействием электромагнитных сил, создаваемых специальной системой поперечного магнитного поля напряженностью Н, затягивается на решетку, набранную из медных пластинок 5, разделяясь
между ними на ряд последовательно включенных коротких дуг 4. Из-за
падения напряжения
на коротких дугах ток цепи уменьшается и проходит через нуль раньше естественного нуля. Вследствие этого условия
процесса восстановления напряжения облегчаются, а длительность горения дуги уменьшается. После прохождения через нуль около каждого
катода восстанавливается электрическая прочность.
Ферромагнитные пластинки применяются как на постоянном токе,
так и на переменном с частотой 50
Гц.
Достоинством применяемых в дугогасительной решетке ферромагнитных пластин является следующее. Электродинамическая сила, действующая на дугу, перемещает ее в решетку и препятствует выходу дуги
из нее. Величина этой силы пропорциональна величине тока и производной потока по перемещению. Выход дуги из решетки увеличивает
магнитное сопротивление, уменьшает магнитный поток, что обусловли
вает появление силы, стремящейся втянуть дугу в решетку.
Недостатком дугогасительной решетки является пригорание пластин решетки в повторно-кратковременном режиме при токе 600 А и
более [3]. Для снижения степени коррозии пластинки дугогасительной
решетки покрывают цинком или медью.
-
5.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА ПОСТОЯННОГО ТОКА
В КОРОТКОМ ПРОМЕЖУТКЕ
В дугогасительной решетке с пластинками из стали (рис. 15, а) для
гашения дуги постоянного тока в цепях с напряжением до 440 В включительно используется принцип образования в каждом промежутке
(на каждой паре пластинок решетки) катодного и анодного падения
напряжения. Падение напряжения на каждой паре пластинок решетки
55
составляет 20…25 В. Столб дуги в каждом промежутке между пластин-
Е
ками решетки составляет 1…3 мм [3, 7].
Втянутая в решетку с пластинками из стали длинная дуга разбивается на ряд коротких дуг, вследствие чего общее падение напряжения
на дуге будет складываться из падения напряжения в каналах дуги и у
электродов
дсв.д пр к а пром
()U Е lUUn
, (27)
где
Вм
лоэлектродных падений напряжения: катодного
n
пром
– градиент напряжения на свободно горящей в воздухе дуге,
св.д
l
;
– общая длина всех промежутков, м;
пр
()UU
ка
U
и анодного
к
– сумма око-
– число промежутков.
U
а
, В;
Общее напряжение на дуге, втянутой на пластинки решетки, также
можно определить по формуле
где
д.рсв.дпр к а пл
– число пластинок дугогасительной решетки.
n
пл
()(1)U Е lUUn
, (28)
Градиент напряжения на свободно горящей в воздухе дуге остается
величиной постоянной и составляет
(2...3)10 Вм
3
[1, 3].
Общую длину всех промежутков решетки, определяющую длину
дуги в дугогасительной решетке, можно рассчитать по формуле
где
пр д.рпл в
δ
– воздушный зазор между пластинками дугогасительной ре-
в
(1)llп
, (29)
шетки, м.
Чтобы при горении дуги не образовывались жидкие мостики между
пластинками решетки, расстояние между ними принимается не менее 2 мм.
Число пластинок дугогасительной решетки [3]
U
n
пл
и
()
UU
ка
1
. (30)
Сумма катодного и анодного напряжения сравнительно небольшая
и составляет
ка
20...25 ВUU
[1, 3].
56
5.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
В КОРОТКОМ ПРОМЕЖУТКЕ
В цепях переменного тока к коротким промежуткам принято относить промежутки, у которых процесс образования электрической прочности после перехода тока через нуль определяется преимущественно
явлениями, которые происходят в тончайшем слое газовой среды, непосредственно примыкающего к поверхности катода и на самой поверхности катода. Эти явления зависят от состояния и
свойств электродов
и газовой среды межэлектродного промежутка и определяют условия
выхода электронов с поверхности катода, обусловливающих пробой
и зажигание дуги.
После перехода тока через нуль полярность напряжения, прикладываемого к промежутку отключающего аппарата, меняется – начинается
процесс восстановления напряжения на промежутке. Под влиянием восстанавливающего напряжения на промежутке электроны перемещаются
в направлении анода, образованного в результате смены полярности.
В то же время положительные ионы остаются неподвижными и образуют в примыкающей к катоду области зону положительного пространственного заряда. В результате происходящих процессов распределение
электрического поля вдоль промежутка становится неравномерным:
непосредственно у поверхности катода напряженность электрического
поля достигнет наибольших значений, а по направлению к аноду она
будет линейно спадать, достигая нулевого значения на границе пространственного заряда и плазмы дуги. В результате практически вся разность потенциалов, приложенная к промежутку, сосредоточится на границе зоны пространственного заряда.
Толщина слоя пространственных положительных зарядов
функционально зависит от плотности заряженных частиц
U
жения
, приложенного к промежутку [1]:
п
п
з.ч
δ
пр.з
и напря-
U
3
п
δ 1,05 10 , см
пр.з
п
з.ч
При подходе тока к нулю плотность заряженных частиц
начальной максимальной плотности ионов
.
п
п
, которая в значительной
и.н
равна
з.ч
степени зависит от температуры и от давления заполняющего промежуток газа.
57
С течением времени вследствие диффузии и рекомбинации ионов
при неизменной величине приложенного к промежутку напряжения
constU
(
п
) плотность ионов в промежутке снижается.
Закон изменения плотности ионов во времени описывается выражением [1, 4]
п
()
nt
и
1
, (31)
п t
ри
где
– коэффициент рекомбинации,
р
3
; t – время, с.
см с
Коэффициент рекомбинации при нормальном давлении газовой
среды в значительной степени зависит от температуры и приближенно
может быть представлен в виде [1, 4]
где
Т
– температура газа, К.
г
7,6 10
р
Т
г
, (32)
3
273
6
Уменьшение плотности ионов в промежутке за счет диффузии и рекомбинации при постоянной величине напряжения, приложенного
к промежутку, приводит к увеличению толщины слоя пространствен-
ных положительных зарядов
δ
и к снижению максимальной напря-
пр.з
женности электрического поля. Следовательно, прочность промежутка
в данных условиях возрастает.
Если электроды короткого промежутка не являются источником заметной термической эмиссии электронов, тогда основной причиной
пробоя промежутка будет автоэлектронная эмиссия. Для преодоления
потенциального барьера и обеспечения выхода электронов с поверхности катода посредством автоэлектронной эмиссии у поверхности катода
должна быть образована минимальная напряженность и минимальный
градиент электрического поля.
Минимальное значение мгновенного напряжения, приложенного
к промежутку, при котором возникает пробой этого промежутка, определяет начальную прочность короткого промежутка:
2
Е
5
U
нач.пр
2,8 10
вых
, (33)
п
н.з
58
Е
где
– напряженность электрического поля, обусловливающая вы-
вых
ход электронов с поверхности катода под действием автоэлектронной
эмиссии,
Всм
сле перехода тока через нуль,
п
;
– плотность носителей заряда непосредственно по-
н.з
3
см
.
Величину пробивного напряжения короткого промежутка можно
определить по формуле [4]
5800
V
и
Т
г
(34)
где
2
Е
13
210 10 ехр ,
U
пр
Е
– напряженность электрического поля, послужившая причи-
вых
вых
4
Тр
г
ной выхода электронов с поверхности катода под действием автоэлектронной эмиссии,
Всм
; р – давление газовой среды, Па;
V
– энергия
и
ионизации частицы, эВ.
В отключающих аппаратах низкого напряжения переменного тока
наибольшее применение получили устройства, в которых возникающая
между рабочими контактами длинная дуга втягивается под действием
электромагнитных сил на стальные пластины и разделяется на ряд последовательно включенных коротких дуг (рис. 15, б). При прохождении
тока через нуль между последовательно включенными
короткими дугами возникает электрическая напряженность, вследствие чего общая
прочность такой решетки будет равна
где
UUп U
п
– число промежутков решетки;
пр.р
пр.р 1пр пр.р 1пр.ср
U
, (35)
– средняя прочность
1пр.ср
единичного (отдельного) промежутка, В.
Величина единичного пробивного напряжения для стальных ре-
шеток в начале процесса восстановления напряжения составляет
1пр.ср
50...70 ВU
, если в дугогасительном устройстве не предусмот-
рено быстрого смещения дуги на поверхности пластинок решетки [3].
На величину прочности промежутков оказывает влияние материал
пластинок (сталь) решетки и местный нагрев пластинок решетки, в результате которого дуга практически остается неподвижной.
59
В связи с тем что эффект сильного нагрева пластинок решетки
проявляется даже при относительно небольших значениях отключаемого тока (100…200 А), устройства дугогасительной камеры со
стальными (железными) пластинками не используют на большие значения токов [3].
В более мощных отключающих аппаратах применяют принцип короткой дуги в дугогасительных камерах, в которых дуга закручивается
с большой скоростью созданным радиальным магнитным полем на медных пластинках решетки. Вследствие высокой скорости прохождения
электрической дуги по поверхности медных пластинок они остаются холодными.
Применяемая в качестве материала пластинок медь обеспечивает
более высокую прочность единичного промежутка (не менее 200 В),
надежное смещение дуги и, что существенно, дает возможность создать
радиальное постороннее поле.
В аппаратах переменного тока низкого напряжения для оценки реальной отключающей способности аппарата необходимо учитывать не
только начальную прочность промежутка, но и характер возможного
нарастания прочности промежутка к тому моменту, когда восстанавливающееся напряжение реально достигает уровня электрической прочности. Характер нарастания прочности дает возможность оптимизировать
число коротких промежутков камеры дугогасительного устройства аппарата.
Амплитуда восстанавливающего напряжения на промежутке определяется выражением [1, 4]
где
макс в.ни
U
– напряжение источника (сети), В;
и
, (36)
2Uk U
k
– коэффициент превы-
в.н
шения амплитуды восстанавливающегося напряжения.
Коэффициент превышения амплитуды представляет собой отношение максимальной величины восстанавливающегося напряжения
U
макс
к мгновенному значению напряжения источника в момент перехода
тока через нуль
:
U
kU U
и
в.нв.макс и
0
.
0
На практике величина коэффициента превышения амплитуды восстанавливающегося напряжения
12k
60
в.н
[4].
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]