Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические аппараты. Электрическая дуга. Учебное пособие
.pdf
от условий угасания дуги постоянного тока и длинных открытых дуг
переменного тока.
При образовании в цепи переменного тока дуги, которая подвергается активной деионизации за счет интенсивного воздействия газовой
или жидкой среды (дугогасительного устройства), диаметр дугового канала сокращается, следовательно, плотность тока в нем повышается. Изменение диаметра канала (и плотности
тока в нем) следует практически
синхронно с током.
При естественном подходе тока к нулю диаметр дугового столба
уменьшается до весьма малых размеров. Во время перехода тока через
нуль дуговой столб утрачивает свою проводимость и приобретает заметную электрическую прочность, а в процессе протекания тока через
нуль (вследствие изменения полярности электродов)
наблюдается задержка на нуле, которую называют нулевой паузой тока или бестоковой
паузой. В этом случае восстановление дуги в следующий полупериод
обусловлено процессом, происходящим в период нулевой паузы тока,
и связано с пробоем межконтактного промежутка.
Если в условиях активной деионизации во время перехода тока через
нуль к дуговому столбу хотя бы
кратковременно будет приложено возвращающееся напряжение, величина и скорость нарастания которого на
промежутке после прохода тока через нуль будут достаточными для
пробоя межконтактного промежутка, то в следующий полупериод дуга
загорится.
Если цепь не в состоянии обеспечить достаточные величину возвращающегося напряжения и скорость его нарастания на промежутке после
естественного прохода
тока через его нулевое значение, то дуга в сле-
дующий полупериод не возникает, и происходит отключение цепи.
Таким образом, процессы, обусловливающие величину и скорость
нарастания восстанавливающейся электрической прочности дугового
промежутка при переходе тока через нуль, и процессы, определяющие
величину и скорость нарастания возвращающегося (восстанавливающегося) напряжения на выключателе после достижения током
нулевого
значения, определяют условия гашения и горения дуги переменного
тока в условиях активной деионизации в выключающих и защитных аппаратах высокого и низкого напряжения.
Явления восстановления напряжения на промежутке отключающего
аппарата будут рассмотрены отдельно.
71
Рассмотрим механизм восстановления электрической прочности дугового промежутка после перехода тока через нуль для наиболее характерных случаев.
При рассмотрении явления восстановления электрической прочности дугового промежутка обычно разделяют дуговые процессы в так
называемых длинных и коротких дугах.
В длинной дуге явлениями у электродов можно пренебречь и следует рассматривать только
прочность, приобретаемую дуговым столбом. В случае, когда дуговой столб одного промежутка должен выдерживать восстанавливающееся напряжение, превышающее тысячи, десятки тысяч и даже сотни тысяч вольт, явлениями у электродов пренебрегают. Это обусловлено прежде всего тем, что электроды способны
обеспечить электрическую прочность только в пределах 200…300 В
значительно меньше) [4].
В коротких дугах физически явления у электродов определяют основную величину прочности промежутка. Они в дуговом столбе в этом
случае не являются основными, удаляясь на задний план, не оказывают
существенного влияния на общую величину восстанавливающейся
прочности промежутка.
Случаи соразмерного влияния этих явлений у электродов и в дуго-
столбе на общий результат встречаются в низковольтных аппара-
вом
тах.
Рассмотрим процессы отключения цепи переменного тока при двух
крайних значениях коэффициента мощности отключаемой нагрузки:
cosφ 1
, соответствующий активной нагрузке, и
cos φ 0
, который со-
ответствует индуктивной нагрузке [4, 8].
А. Отключение цепи переменного тока с активной нагрузкой
Отключение цепи переменного тока промышленной частоты 50 Гц
с активной нагрузкой (
cosφ 1
) рассмотрим с помощью динамических
ВАХ, представленных на рис. 17.
В момент естественного прохождения тока
ния полярности электродов напряжение цепи
нулевое значение. Падение напряжения
U
i
через нуль и измене-
U
также проходит через
на дуге тоже будет равно
д
нулю – кривая напряжения на дуге также проходит через нуль.
Вследствие нелинейности сопротивления электрической дуги при
подходе тока к своему нулевому значению форма кривой тока начинает
72
отличаться от синусоиды, так как ток будет спадать быстрее, чем это
должно быть по синусоидальному закону.
d
b
U
К
а
U
в.п
а
U
0
д
i
U
д
К
U
д
t
i
U
U
i
Рис. 17. Отключение активной нагрузки
в цепи переменного тока
При естественном подходе тока i к нулю в дуге подводится малая
мощность, температура дуги уменьшается, что, с одной стороны, обусловливает замедление термической ионизации, с другой – способствует деионизации дугового промежутка.
i
В момент естественного прохождения тока
нулевого значения
и изменения полярности электродов (точка 0) в связи с процессами у катода (бывшего анода) дуговой промежуток приобретает начальную
U
электрическую прочность
(отрезок 0а). Начальная электрическая
в.п
прочность дугового промежутка характеризуется величиной напряжения, которую надо приложить к дуговому промежутку в первые моменты после естественного прохождения током через нулевое значение,
с тем чтобы создать пробой этого промежутка. [4]. Следует заметить,
что начальная электрическая прочность возникает лишь в моменты изменения полярности, а именно –
в моменты естественного перехода
тока через нуль.
После прохождения напряжения через нуль электрическая прочность дугового промежутка с течением времени начинает нарастать со
значения, соответствующего величине начальной электрической прочности промежутка (точка а) по кривой ab. Величина начальной электри-
ческой прочности промежутка и скорость нарастания электрической
73
прочности промежутка между контактами отключающего аппарата
(наклон кривой ab) зависят от свойств дугогасительного устройства.
Одним из важнейших факторов, определяющих условия гашения
(зажигания) дуги переменного тока, является восстанавливающееся
напряжение на промежутке отключающего аппарата после прохода
тока через нуль. Восстанавливающееся напряжение на расходящихся
контактах отключающего аппарата называют возвращающимся напряжением. Величина возвращающегося
напряжения зависит от напряжения источника и параметров отключаемой цепи. При чисто активной
нагрузке в цепи переменного тока после прохождения тока
i
через
нуль к контактам отключающего аппарата приложено синусоидальное
напряжение источника.
Если в какой-то момент величина возвращающегося напряжения
U
превысит величину напряжения
, характеризующего электриче-
в.п
скую прочность промежутка, то дуга загорится вновь (точка К).
U
Если же величина электрической прочности промежутка
в.п
после
расхождения контактов отключающего аппарата всегда остается
больше величины возвращающегося напряжения, то дуговой промежуток не будет пробит, и дуга больше не загорится (кривая ad).
В большинстве случаев, в конце и начале каждого полупериода сопротивление дугового промежутка до такой степени повышается, что
становится определяющим факторов, ограничивающим величину тока.
Вследствие этого
ственного прохождения тока через нуль (отрезок
в течение некоторого промежутка времени до есте-
i
) величина тока
0К
становится незначительной, и ток протекать не будет. Этот промежуток
времени называется бестоковой паузой. В действительности в течение
бестоковой паузы величина тока в дуговом промежутке равна нулю
только в точке переходе тока (точка 0 на рис. 17); в остальное время этой
паузы величина тока незначительна и практически принимается равной
нулю.
Б. Отключение цепи переменного тока с чисто индуктивной
нагрузкой
При отключении цепей переменного тока с индуктивной нагрузкой
(рис. 18) также будет иметь место некоторое искажение формы кривой
i
тока в моменты подхода его к нулю, но в значительно меньшей степени, чем при отключении цепей с активной нагрузкой.
74
d
b
U
К
а
U
в.п
0
U
д
U
i
К
с
i
с
U
д
U
в.п
U
а
d
b
t
Рис. 18. Отключение цепи переменного тока
с индуктивной нагрузкой
Когда ток пройдет через нуль (точка 0 на рис. 18) и дуга погаснет,
напряжение на дуге
i
U
будет равно отрезку 0с, а напряжение U от-
д
ключаемой цепи – максимальному значению. Начальная электрическая
U
прочность
дугового промежутка будет возрастать подобным обра-
в.п
зом, как и при отключении цепи переменного тока с активной нагрузкой
(отрезок 0а и кривая ab на рис. 17).
Однако восстановление напряжения на дуговом промежутке в этом
случае носит иной характер. Это обусловлено тем, что отключаемая
цепь содержит не только индуктивность и активное сопротивление, но
и некоторую емкость, создаваемую токоведущими деталями аппарата
на землю. Наличие емкости не позволяет величине
мгновенно возрасти от величины напряжения
U
U
напряжения
дуги до амплитуды
д
напряжения цепи.
На начальном этапе восстановления напряжения происходит заряд
емкости, в процессе которого энергия магнитных полей преобразуется
в энергию электрического поля. Вследствие этого возрастание напряжения на расходящихся контактах будет протекать с конечной скоростью
(кривая cd).
В точке К кривая восстановления электрической прочности промежутка (кривая ab
) должна пересечь кривую восстановления напряжения
75
на нем (кривая cd). Дуговой промежуток в этот момент будет пробит,
L
и дуга загорится вновь. Через полупериод процессы в дуговом промежутке повторятся, но кривая восстановления напряжения на дуговом
промежутке
пойдет круче из-за большого расстояния между кон-
ab
тактами отключающего аппарата, что обусловливает увеличение интенсивности деионизации дугового промежутка.
В случае, представленном на рис. 18, во второй полупериод электрическая прочность будет больше возвращающегося напряжения, и дуга
не загорится.
Таким образом, скорость восстановления напряжения между контактами отключающего аппарата зависит не
только от параметров от-
ключаемой цепи, но от и процесса отключения.
Анализ процессов восстановления напряжения на дуговом промежутке и процессов восстановления прочности в промежутке позволяет
наметить основные пути, затрудняющие зажигания электрической дуги
после прохождения тока через нуль.
6.3. ВОССТАНОВЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ НА ДУГОВОМ
ПРОМЕЖУТКЕ ПРИ ОТКЛЮЧЕНИИ
ОДНОЧАСТОТНОГО КОЛЕБАТЕЛЬНОГО КОНТУРА
Взаимно связанные друг с другом процесс восстановления напряжения на дуговом промежутке отключающего аппарата и характер изменения остаточной электрической прочности дугового промежутка после
прохождения тока через нуль во многом определяют условия гашения
дуги переменного тока.
Установление математических зависимостей изменения восстанавливающегося напряжения во времени для цепей с постоянными
параметрами отключаемой
дуктивности
r
ния
) и характером их распределения не представляют особых
ш
, емкости С и наличия шунтирующего сопротивле-
цепи (активного сопротивления R, ин-
трудностей. Однако учет влияния на процесс восстановления напряжения остаточной проводимости дугового столба вызывает сложности вследствие непростого и часто неопределенного характера ее изменения во времени. Поэтому при анализе процессов восстановления
напряжения на контактах отключающего аппарата рассматривают
идеальный выключатель, у которого после
перехода тока через нуль
76
остаточная проводимость дугового столба равна нулю, а падение
L
R
напряжения в дуге до перехода тока через нуль также равно нулю.
Рассмотрим процесс отключения цепи переменного тока с индуктивной нагрузкой, схема замещения которого приведена на рис. 19.
R
i
Рис. 19. Одночастотный колебательный контур с сосредоточенными параметрами и шунтирующим сопротивле нием на выключателе
а
С
i
С
б
i
ш
В
r
ш
Рассматриваемая цепь представляет собой одночастотный контур, содержащий сосредоточенные параметры активного сопротивления
тивное сопротивление
, индуктивности L и емкости С. Контур также содержит ак-
r
, подключенное параллельно дуговому про-
ш
межутку для ограничения величины и скорости нарастания восстанавливающегося напряжения. Иногда такие сопротивления вводятся
для ограничения перенапряжений, возникающих при отключении ненагруженных трансформаторов, и одновременно могут оказывать
влияние на процесс восстановления напряжения при отключении коротких замыканий.
Изменение напряжения на промежутке во времени в рассматривае-
контуре может быть определено по уравнению
мом
t
1
UiRL idt
0
di
dt С
.
С
0
Общий ток цепи
i
, проходящий в контуре за время восстановления
напряжения на отключающих контактах между точками а и b, разветв-
i
i
ляется на токи
С
После перехода тока
и
ii i
:
ш
.
шС
i
через нуль на отключающем цепь проме-
жутке В (между контактами отключающего аппарата) стремится
U
восстановиться напряжение
(мгновенное значение напряжения
0
77
промышленной частоты в момент прохода тока через нуль). Однако
L
R
наличие в цепи индуктивности
, емкости С препятствуют мгновен-
ному восстановлению напряжения.
На промежутке будет иметь место переходный режим, при котором
U
в каждый момент напряжение на промежутке
U
емкости
и напряжению на дуговом промежутке
С
t
1
Uidtir
вшш
С
С
0
равно напряжению на
в
:U
д.пр
.
Таким образом, изменение напряжения на промежутке во времени
можно получить из основных уравнений отключаемой цепи:
t
1
UiRL idt
0
Uidtri
вшш
ii i
С
di
dt С
t
1
С
С
0
.
ш
,
С
0
,
(39)
Исходя из уравнений системы (39), выражение мгновенного значения
напряжения источника в момент прохода тока через нуль примет вид
UiR L idt
0
СС
LR
r С dt r СС
шш
di
С
t
1
.
0
Дифференцируя последнее уравнение по t, получим исходное дифференциальное линейное уравнение с постоянными коэффициентами:
2
di di
здесь
В
1
1R
LrС
ш
dt
В
;
2
СС
ВВi
12
2
1
LC L r С
dt
.
ш
, (40)
0
С
Характеристическим уравнением (40) является
2
12
78
,
0рВрВ
корнями которого после соответствующих преобразований будут:
K
K
11111
р
1, 2
RR
24
LrС LrС LС
шш
2
. (41)
В случае, когда подкоренное выражение уравнения (41) будет
больше нуля, т. е.
111
R
LrС LС
4
2
,
ш
корни характеристического уравнения будут действительными числами, и процесс восстановления напряжения на дуговом промежутке в
рассматриваемой цепи будет апериодическим.
Если подкоренное выражение уравнения (41) будет меньше нуля,
т. е.
111
R
LrС LС
4
2
,
ш
то корни характеристического уравнения – комплексные числа, и следовательно, процесс восстановления напряжения на дуговом промежутке в данном случае будет периодическим (колебательный) процессом изменения тока в цепи, также и напряжения на промежутке.
Апериодический процесс. В случае апериодического процесса восстановления напряжения общий вид решения уравнения (41) примет
вид
pt p t
iK K
С
12
eхр eхр
12
, (42)
и
где
1
Восстанавливающееся напряжение на промежутке (и на емкости
и на шунтирующем дуговой промежуток сопротивлении
– постоянные интегрирования.
2
r
), рис. 18,
ш
С
,
примет вид
tt
11
U i dt K K dt
в 12
С
СС
00
pt pt
12
eхр eхр
79
. (43)
Постоянные интегрирования определим из начальных условий.
K
R
р
р
K
Полагая, что в цепи – «идеальный» выключатель, то при
0t
(в мо-
мент прохода тока через нуль) восстанавливающееся напряжение будет
UU
вд.пр
гда ток проходит через нуль);
при
0t
ток
(
U
– напряжение на дуговом промежутке в момент, ко-
д.пр
в
0
t
. В таком случае из уравнения (42) следует, что
С
12
0dU dt
0KK
. (44)
, но
dU dt i C
в C
. Значит,
Интегрируя уравнение (43), получим следующее выражения для
восстанавливающегося напряжения на промежутке:
t
где
– постоянная интегрирования.
3
1eхр eхр
UidtK K K
в 12 3
С
СрСрС
0
Ввиду малости сопротивления цепи
r
нием
, шунтирующим дуговой промежуток, при конечном значении
ш
восстановившегося напряжения на промежутке (
что
UU
в 0
U
(
– мгновенное значение источника в момент прохода
0
pt p t
12
, (45)
12
по сравнению с сопротивле-
t ) можно полагать,
тока через нуль).
Принимая во внимание, что в апериодическом процессе численные
и
значения
1
довательно, при
равными нулю, а постоянная интегрирования
При
, как следует (41), всегда будут отрицательными, сле-
2
t
первые два члена в уравнении (45) должны быть
U
.
30
0t
восстанавливающееся напряжение
UU
вп.г
U
(
п.г
гашения) и тогда
KK
UU
п.г 0
12
рС р С
12
.
Учитывая равенство (44), после соответствующих вычислений установим постоянные интегрирования:
рр
12
KKС UU
12 0п.г
рр
()
12
.
– пик
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]