Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Тяговые аппараты и электрическое оборудование. Курс лекций
.pdf
F
di
dt
< 0
дк o
m
kU I=⋅⋅
эд
R
д
i
д
i
д
Рисунок 4.8 – Схема электродинамических усилий Fэд,
воздействующих на дугу отключения
Усилия F
получают радиальное направление, что способствует
эд
удлинению столба дуги.
Величину Fэд рассчитывают по формуле
где i
– текущее значение тока дуги;
д
Fi
= ⋅π⋅ ⋅ −
эд д
2
2 0 75
д
r
, (4.24)
,
R
8
r – радиус столба дуги.
Когда длина дуги д превзойдет кр, погасание может произойти и
без дальнейшего принудительного удлинения за счет возникновения
отрицательных ЭДС e
Конечная длина дуги
и
c
.
в момент ее погасания будет существенно
др
больше кр и тем значительнее, чем больше индуктивность коммутируемой цепи. Многочисленными экспериментами установлено, что
дк связана с начальным значением разрываемого тока I0 и напряже-
нием источника питания U0 соотношением
. (4.25)
Поправочный коэффициент k учитывает влияние индуктивности
электрической цепи и находится в пределах 0,013…0,016.
91
Показатель степени m рекомендуется принимать равным 1/3.
д дд
2
см
А
см
Ас
2
4
см
Ас
2
4
см
Ас
2
4
Достичь режима неустойчивого горения дуги можно также увели-
чением R до значения Rкр, при котором прямая UС – IRкр становится
касательной к кривой ΔUд(Iд). Тогда при отклонении от точки касания характеристик в любую сторону станет справедливым равенство
U IR U L
− =∆−
с кр д
di
; (4.26)
dt
производная тока по времени становится отрицательной, ток – убывающим.
Однако этот вариант менее экономичен по сравнению со спо-
собом удлинения дуги и более сложен по конструктивному выполнению, так как увеличенное до R
сопротивление вводится в цепь
кр
кратковременно во избежание искажения рабочих характеристик
локомотива. Это требует дополнительных устройств для введения в
электрическую цепь и выведения из нее расчетного сопротивления,
величина которого определяется формой и расположением ВАХ дуги.
Дугостойкость контактной системы коммутационного аппарата
зависит от свойств материала контакт-деталей, от величины плотности тока и времени горения дуги отключения. В качестве количественного показателя этого свойства служит коэффициент дугостойкости W
где j
– плотность тока дуги,
д
– время горения дуги, с.
t
д
д
2
W jt= ⋅
, (4.27)
;
Предельные значения коэффициента Wд, определяющего мак-
симально допустимый режим дугогашения, различны для разных
проводниковых материалов: для серебра W
= 1 · 10
д
5
, для меди
Wд = 2 · 105
92
, для стали Wд = 5 · 105
и т. д.
4.4 Показатели качества дугогашения
c
di
eL
dt
=
Качество дугогашения принято оценивать объективными показа-
телями, основными из которых являются перенапряжения на расходящихся контактах, рассеиваемая в дуге энергия, время горения дуги.
При обрыве цепи дуги отключения при активно-индуктивном ха-
рактере нагрузки, что свойственно электрооборудованию ЭПС, на
расходящихся контактах неизбежно возникают перенапряжения. Их
физическая природа состоит в создании ЭДС самоиндукции ec в любой катушке индуктивности в коммутируемой электрической цепи
при протекании по ее виткам изменяющегося тока
. (4.28)
Направление индуктированной ЭДС, согласно правилу Ленца,
противодействует причине, вызвавшей ее появление. При убывающем в процессе дугогашения токе цепи ЭДС e
направлена против
c
убывания тока, т. е. согласно с приложенным напряжением сети Uc.
Таким образом, в общем случае
U Ue= +
max c c
. (4.29)
Количественно возникающие в момент обрыва тока дуги перена-
пряжения можно оценить коэффициентом перенапряжения
U
где U
U
KU=
– наибольшая величина напряжения между контактами;
max
– напряжение питающей сети.
c
max
П
, (4.30)
c
На ec оказывают влияние постоянная времени коммутируемой цепи
L
, (4.31)
TR=
скорость перемещения электрической дуги в поперечном ее дли-
ddt
не направлении
dU
д
d
.
д
ния
д
в процессе ее удлинения, градиент напряже-
93
dU
di
dt
di
dt
di
dt
=∆=−−=−+
22
00 0
di L
eL L T
= = = =
c
dt dt R dt d dt
д
R
dU dU d
д дд
, В. (4.32)
д
Индуктивность цепи L оказывает двоякое воздействие на про-
цесс дугогашения, увеличивая постоянную времени Т и одновре-
менно снижая темп спадания тока
. Опыт показал, что увеличе-
ние индуктивности цепи при прочих равных условиях не вызывает
пропорционального увеличения перенапряжений при отключении.
Так, при возрастании L в 6,6 раз ec возросла в 4,5 раза [1].
Скорость спадания тока
в значительной степени зависит от
скорости растяжения ствола дуги и условий ее охлаждения, определяемых конструктивными особенностями дугогасительного устройства: шириной канала для движения дуги, материалом его стенок, интенсивностью дугогашения.
С увеличением
прямо пропорционально возрастает ec и U
max
увеличивается вероятность повторного зажигания дуги в высокоионизированном промежутке и вероятность пробоя изоляции в наиболее слабом ее месте.
Согласно требованиям ГОСТ 9219–88, величина U
на контак-
max
тах аппарата при отключении токовой нагрузки не должна превышать амплитудных значений испытательных напряжений U
исп ≥Umax
Количественное выражение рассеиваемой в дуге энергии можно
получить из уравнения электрического равновесия, умножив левую
и правую его части на множитель i ∙ dt, тогда
дc
()U i dt U i i R dt L i di∆ ⋅⋅ = ⋅− − ⋅⋅
После интегрирования в пределах от 0 до t
tt t
дд д
A U idt U i i R dt L idi U i i R dt L
дд c c
∫ ∫ ∫∫
() ()
2
0
I
. (4.33)
и от I до 0 получаем
д
2
I
o
. (4.34)
2
Первый член получившейся при этом суммы представляет собой
энергию, которую дуга получает из питающей сети, а второй – энергию, накопленную в индуктивности цепи при токе I
в момент воз-
0
никновения дуги отключения. При большом значении этой энергии
осложняется процесс деионизации и увеличивается время дугогашения.
,
.
94
Для упрощения анализа не учитывается энергия электростатиче-
di
dt
сд
=∆−+
2
CU
ского поля
c
и характер зависимости L(i), соответствующий на-
2
сыщению магнитной системы.
Энергия А
выделяется при дугогашении в окружающее простран-
д
ство и частично расходуется на термическую ионизацию межконтактного промежутка, поддержание катодного и анодного пятен как
источников эмиссии ионов.
Время горения дуги tд приобретает большое практическое значе-
ние: увеличение tд приводит к возрастанию вероятности термического повреждения контактных систем, а уменьшение – к росту произ-
водной тока
и соответственному повышению перенапряжений
в электрической цепи. Возникает необходимость в техническом компромиссе при выборе tд .
Математическое выражение для определения tд можно вывести из
уравнения электрического равновесия для убывающего тока
di
U iR U L
−=∆−
, (4.35)
dt
д
отсюда
Повышая ΔU
L U U iR
dt
д
dt
д
tL
=
д
, например, с помощью эффекта узких щелей, мож-
д
дc
Ldi
=
U U iR
∆−+
дc
0
∫
I
di
U U iR
∆−+
дc
о
, (4.36)
, (4.37)
, с. (4.38)
di
но добиться снижения tд. При этом увеличивается значение подынтегральной функции в формуле для определения энергии дуги Ад,
вместе с тем уменьшается предел интегрирования tд, причем быстрее,
чем растет произведение ΔU
· i ∙ dt.
д
Опыт проектирования и эксплуатации устройств дугогашения вы-
явил, что наиболее целесообразная величина времени горения дуги
отключения находится в пределах tд около 0,1 с.
95
При реализации дугогашения ставится задача не просто ликви-
дировать дуговой разряд, а управлять им, не допуская опасных и тем
более аварийных последствий.
Для рассеивания дугой значительной магнитной энергии, нако-
пленной в элементах коммутируемой цепи, необходимо обеспечить
высокое значение ЭДС ec на начальной стадии процесса дугогаше-
ния, увеличивая
dU
d
ddt
д
д
и
д
. Этому способствует сужение дугового
канала (рисунок 4.9, а), хороший отвод тепла от столба дуги.
Однако на заключительной стадии большая скорость уменьше-
ния тока неизбежно приводит к возрастанию перенапряжений в отключенной цепи. Поэтому e
должна быть снижена за счет, напри-
c
мер, камеры с постоянно расширяющейся щелью (рисунок 4.9, б).
На рисунке 4.9, в показан вид зависимостей тока iкз(t), тока дуги i'
и падения напряжения ΔU'д при применении сужающегося дугового
канала по току (см. рисунок 4.9, а), тока дуги i" и падения напряжения ΔUд при применении расширяющегося дугового канала по току
(см. рисунок 4.9, б).
Второй из рассмотренных выше вариантов ближе к оптимально-
му режиму дугогашения, так как он обеспечивает меньший уровень
перенапряжений в коммутируемой цепи.
Характер изменения тока при горении дуги зависит от многих слу-
чайных факторов.
В первом приближении используется эмпирическая зависимость
m
t
где I
– начальный ток возникновения дуги;
0
it I
()
= −
o
1
, (4.39)
t
д
m – показатель степени, принимаемый m = 1 для условий горе-
ния дуги на открытом воздухе, m > 1 при горении дуги в узких щелях.
Наряду с конструктивными способами снижения перенапряже-
ний на отключаемых объектах разрабатываются и практически используются схемные решения, например, шунтирование дугового
промежутка активным сопротивлением (рисунок 4.10, а), шунтирование сопротивлением индуктивности цепи (рисунок 4.10, б).
Рассмотрим принципиальную схему и действие шунтирования
дуги отключения сопротивлением r.
96
а
дш
()dI Idt+
б
в
i
U
I
o
0
t
o
Рисунок 4.9 – Графики зависимостей токов i
и падений напряжения в дуге ΔU'
После размыкания контактов и возникновения дуги общий ток
цепи станет суммарным:
i
(t)
кз
"
U∆
д
i"(t)
i'(t)
'
U∆
д
(t), i'(t), i"(t)
и ΔU"д при конфигурациях каналов
д
камеры а и б
кз
t
I = I
от изменения которого
ции ec .
+ Iш, (4.40)
д
будет зависеть ЭДС самоиндук-
97
R
()
= ϕ
а
∆U
д
r
L
б
∆U
R
r
д
L
Рисунок 4.10 – Схемные решения ограничения перенапряжений
при гашении дуги отключения
На рисунке 4.11 кривая 1 соответствует ВАХ дуги, не шунтиро-
ванной сопротивлением ΔUд(Iд), прямая 2 определяет линейную зависимость
Ir I
шш ш
кривая 3 – график зависимости ΔU
, (4.41)
+ Iш), которая может быть по-
д(Iд
строена для произвольных значений Ui по сумме токов iд + iш. Построенная таким образом кривая расположена выше прямой 4 Uc – IR,
98
представляющей собой нагрузочную (реостатную) характеристику, что
U
I
0
А
4
1
дш
()
обуславливает отрицательный знак ec и производной тока по времени.
В
U
C
2
С
3
IR
Рисунок 4.11 – Взаимное расположение вольтамперных характеристик
(1, 3), нагрузочной (реостатной) характеристики (4) и шунтирующего
резистора (2) по схеме рисунка 4.10, а
Восходящий участок ВАХ кривой 3 на рисунке 4.11 является нере-
альным, поскольку увеличение тока после точки А невозможно при
отрицательных значениях
dI Idt+
.
и продолжает падать, пока не достигнет установившегося значения,
определяемого точкой пересечения прямых Uc – IR и Iшrш (точка С).
погасании дуги. Скачок ΔU = UB – UA обусловлен энергией, освобождающейся при угасании дуги.
честве шунтирующих r нелинейных резисторов, что позволяет снизить величину установившегося тока и напряжения U
Начиная с i = i
ток шунта становится равным току внешней цепи
A
Напряжение UB ограничивает величину напряжения в цепи при
Эффективность дугогашения повышается при применении в ка-
.
B
99
Такой принцип использован в быстродействующих контакторах
oo
UI
БК на отечественных электровозах постоянного тока ВЛ11, ВЛ11М,
а также главных выключателях ВОВ-25 на электровозах переменного тока (варистор 1 на рисунке 4.12).
3
2
1
67
Рисунок 4.12 – Главный выключатель ВОВ-25:
1 – резистор; 2 – фарфоровый изолятор; 3 – воздухопроводный
опорный фарфоровый изолятор; 4 – фарфоровый поворотный изолятор;
5 – корпус; 6 – воздушный резервуар; 7 – силовой вывод
4
5
С помощью статических ВАХ дуги оценивают разрывную мощность
дугогасительного устройства. С этой целью в координатах U – I наносят ВАХ дуги отключения постоянной длины (рисунок 4.13).
При разных значениях питающего напряжения U01, U02, U03… про-
водят касательные к ВАХ Uд(Iд), получая на оси абсцисс отрезки соответственно I01, I02, I03 …, которые обозначают начальные токи возникновения дугового разряда. Предельные значения I0i и U0i формируют
ограничивающую характеристику U
), которая определяет предель-
0(I0
ную разрывную мощность при данной длине дуги P0 = U0I0.
Форма этой характеристики приближенно может быть описана
аналитическим соотношением
100
= const.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]