Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Тяговые аппараты и электрическое оборудование. Курс лекций
.pdf
I
U
Uo(Io)
U
01
U
(Iд)
д
U
02
U
03
0
I
01
I
02
I
03
Рисунок 4.13 – Построение ограничивающей
вольтамперной характеристики
Прямые U0i … I0i представляют собою графики зависимостей U0i – IRкр.
Более высокие значения I0 и U0 по сравнению с предельной огра-
ничивающей характеристикой превосходят возможности дугогасительного устройства.
4.5 Способы дугогашения и дугогасительные устройства
Способы воздействия на дугу отключения с целью управления ею и
ее гашения основаны на свойствах и характеристиках дуговых разрядов.
К основным способам относятся:
– удлинение ствола дуги путем перемещения электродов, воздей-
ствием электромагнитных или электродинамических сил либо газового потока;
dU
д
– повышение градиента напряжения
ствола дуги газовым потоком, применением эффекта узких щелей;
путем охлаждения
d
д
101
– применение среды с газами повышенной теплоемкости для уси-
ления теплоотвода от ствола дуги;
– интенсификация отбора тепла от катодного и анодного пятен
увеличением массы, теплопроводности и теплорассеяния электродов (контакт-деталей).
Удлинение дуги отключения механическим путем за счет зазо-
ра контактов имеет весьма ограниченное применение и может обеспечить дугогашение лишь в электрических цепях малой мощности.
Ток, протекающий по дуге и контактной системе, создает вокруг
проводников магнитное поле и соответствующие электродинамические усилия Fэд (см. рисунок 4.8). Дополнительно удлинению дуги
в радиальном направлении способствует термическое воздействие
высокотемпературного столба дуги, особенно при горизонтальном
расположении контактов аппарата. Сила Fэд достигает заметной величины лишь при больших значениях тока. Так, дуга с начальным током I0 =150 А достигает критической длины кр = 25 см при U0 = 220 В,
а при U0 = 1,5 кВ – кр ≈ 2 м. Это обстоятельство заставляет разрабатывать и использовать дугогасительные устройства: части электрических аппаратов, предназначенные для локализации и гашения электрической дуги.
Основные требования к дугогасительным устройствам можно све-
сти к следующим:
– величина рассеиваемой дугой отключения энергии должна быть
минимальной во избежание термического повреждения контактных
и примыкающих к ним систем аппарата;
– гашение дуги должно осуществляться в ограниченное время
tд ≤ 0,1 с;
– дугогашение не должно сопровождаться опасными перенапря-
жениями;
– должны быть обеспечены приемлемые массогабаритные пока-
затели, а также минимальное изнашивание их элементов в эксплуатации при минимальных затратах на производство и техническое
обслуживание.
В тяговой электроаппаратуре наибольшее применение получили
следующие разновидности способов дугогашения:
– магнитное дутье;
– эффект узких щелей;
– разделение дуги на ряд коротких дуг;
– расширительное, или автодутье;
– воздушное, или принудительное дутье.
102
В реальных конструкциях могут быть использованы одновремен-
д
эм
F kBI=⋅⋅
но несколько вышеперечисленных способов комбинации.
Принцип магнитного дугогашения основан на законе Ампера, уста-
навливающем величину электромагнитного усилия Fэм, действующего
на проводник с током в магнитном поле. В зоне расходящихся контактов создается магнитный поток Ф, направленный поперек направления движения контактов. В результате взаимодействия тока (в данном случае ток дуги Iд) и потока Ф образуется выталкивающая сила
, (4.42)
где В – значение магнитной индукции в зоне дуги.
В результате дуга отключения удлиняется, последовательно пе-
реходя на повышенные ВАХ. Кроме того, дуга интенсивно охлаждается за счет быстрого перемещения в окружающей среде и соприкосновения с новыми, ненагретыми участками электродов, по которым
перемещаются опорные точки дуги. Это приводит к возрастанию
эквивалентного сопротивления столба дуги, уменьшению тока I
dI
формируется динамическая ВАХ дуги
dt
д
.
< 0
д
Источником магнитного потока является, как правило, дугога-
сительная катушка, обтекаемая разрываемым током и включенная в
цепь последовательно с контактами либо имеющая независимое питание от постороннего источника энергии, что менее надежно в эксплуатации и требует дополнительной электрической изоляции от
разрываемой цепи и дополнительной прокладки монтажных проводов от источника энергии. При малых мощностях иногда используют постоянные магниты, но их можно применить лишь при неизменном направлении тока в разрываемой цепи, например, в разрядниках.
Направление силы F
определяется по «правилу левой руки», из-
эм
вестному из электротехники. При изменении знака любого из сомножителей сила Fэм меняет свое направление на обратное. Преимущественное распространение получили последовательно включенные
в коммутируемую цепь катушки, обычно выполняемые маловитковыми, шинной намотки; они не требуют высокого уровня изоляции
от токоведущих частей аппарата. Собственное магнитное поле дуги
во взаимодействии с током Iд обеспечивает создание дополнительного увеличения F
. Последовательное включение дугогасительной
эм
катушки в коммутируемую электрическую цепь обеспечивает сохранение направления усилия Fэм при изменении направления тока дуги
,
103
Iд на противоположное. Вместе с тем отмечается понижение усилия
Fэм при отключении малых токов аппаратом.
Обычно совместно с магнитным дутьем применяется эффект уз-
ких щелей, состоящий в принудительном приведении столба дуги отключения в тесное соприкосновение с диэлектриком и повышении
dU
д
градиента напряжения дуги
узким, если его ширина h ≤ D
(см. рисунок 4.3). Канал считается
d
д
.
д
Конструктивно этот способ дугогашения реализуется чаще всего
в виде дугогасительных камер со стенками и перегородками из термостойких электроизоляционных материалов, что предохраняет от
переброса дуги на соседние токоведущие или заземленные части аппаратуры и на несущие конструкции, а также от их перегрева под воздействием дуги отключения. Положительно зарекомендовали себя
в эксплуатации асбестоцементные материалы: листовой асбестоцемент (АЦЭИД), прессованные детали из асбестоцемента и асбопласта, прессматериалы из асбестового волокна и дугостойких смол
(кремнийорганических, эпоксидных, меламиновых), а также силикатная керамика: корундовая, талькошамотная. При выборе материала камер учитывают такие его свойства, как дуго- и нагревостойкость,
электроизоляционные показатели, влагостойкость, шероховатость
поверхности. Выделяемые под действием дуги пары воды могут при
отсыревших камерах задерживать вход дуги в узкую щель и тормозить движение дуги в ней. Большая шероховатость стенок камеры
в узкой щели также способствует снижению скорости перемещения
дуги. При значительной по времени задержке движения столба дуги
возрастает вероятность прожога и растрескивания стенки дугового
канала и аварийного состояния дугогасительной камеры.
Оптимальное расположение дугогасительных камер – выхлопом
(открытой частью) вверх, так как естественное движение вверх нагретых газов помогает разрыву дуги и быстрейшей деионизации межконтактного пространства.
Один из важнейших показателей эффективности дугогасительной
камеры – коэффициент использования пространства
где
K =
– наибольшая длина дуги, не выходящая за пределы камеры;
д max
д max
ип
, (4.43)
пк
пк – периметр выхлопного пространства камеры.
104
Желательно, чтобы в габариты камеры могла укладываться мак-
симально допустимая длина дуги отключения. Из применяемых на
ЭПС конструкций дугогасительных камер: щелевых, радиальных,
лабиринтных – наилучшими свойствами обладают лабиринтные,
в которых дуга деформируется одновременно и в продольном,
и в поперечном направлениях. Для этой разновидности камер величина коэффициента Кип достигает значений 2,5…4.
Функциональной характеристикой дугогасительной камеры яв-
ляется токовременная зависимость tд (I0). При постоянных значениях индуктивности цепи и напряжения питающей сети эта характеристика приобретает вид, представленный на рисунке 4.14.
t
д
0
I
I
02
01
I
03
I
I
0
04
Рисунок 4.14 – Токовременная защитная характеристика
дугогасительной камеры
В диапазоне малых отключаемых токов 0< I0 < I01 магнитное поле
в камере слишком незначительно и не оказывает влияние на дугогашение. Время tд определяется только скоростью расхождения контактов. Если раствор контактов при токе I01 становится меньше, чем
соответствующая ему критическая длина дуги кр, то дуга горит устойчиво, а кривая tд (I0) уходит в бесконечность. Согласно ГОСТ 9219–88,
принято считать ток I01 критическим, который соответствует количественно не более 0,1 номинального для данного аппарата, но не более 50 А. Время гашения дуги t
при отключении критического тока
д
устанавливается стандартом не более 0,5 с [1].
С увеличением начального тока дуги I0 > I02 возрастает магнитная
индукция и выталкивающая сила Fэм, формирующаяся в дугогаси-
105
тельной системе. Соответственно увеличивается скорость перемеще-
д
dI
dt
ния дуги под воздействием магнитного дутья и уменьшается время tд.
При дальнейшем увеличении I0 > I03 возрастает конечная длина
дуги и для ее гашения нужно перемещать дугу из камеры в окружающее пространство, где Fэм резко уменьшается, а движение дуги замедляется.
Ток I0 = I04 – предельный отключаемый ток аппарата: наибольшая
величина тока, при котором аппарат может произвести ограниченное количество отключений, не повреждаясь при этом ни электрически, ни механически. Время tд при этом не должно превышать 0,1 с.
ГОСТ 9219–88 устанавливает границу ионизированной зоны вых-
лопа при отключении номинального и критического токов на расстоянии не более 50 мм, предельного тока – не более 100 мм от края
дугогасительной камеры [1].
При анализе процессов, обеспечивающих гашение дуги отключения
в дугогасительных камерах, немаловажно оценить изменение усилия Fэм
по длине камеры Fэм(). Магнитная индукция создается в зоне контактов за счет намагничивающей силы катушки I ∙ w ∙ К еще до размыкания
контактов. Возникновение дуги отключения сопровождается увеличением ее длины и соответствующим возрастанием активного электрического сопротивления, что приводит к уменьшению тока Iд. Как показано в предыдущем подразделе, где рассмотрены вопросы качества
дугогашения, характер зависимости Iд(t) зависит от ряда факторов, трудно поддающихся учету, наиболее вероятное количественное выражение этой зависимости приближенно представляется уравнением (4.39).
Магнитная индукция в пространстве дугогасительной камеры
даже при постоянстве начального тока I0 будет уменьшаться с удалением от токоведущих контактов, так как при значительных величинах немагнитных (воздушных) зазоров, достигающих 40…50 мм,
существенно возрастают потоки магнитного рассеяния. Одновременно и взаимосвязано происходит уменьшение магнитной индукции по причине уменьшения тока Iд дуги отключения.
Вид графиков В(к) при условии Iд = I0 и В(к) при условии Iд < I0
представлен на рисунке 4.15.
Здесь же показан примерный график Fэм = f(к ), ординаты которо-
го формируются как произведение сомножителей, составляющих Fэм.
Следует отметить, что снижение усилия F
на заключительном
эм
этапе перемещения дуги отключения способствует уменьшению ско-
рости ее движения и производной тока дуги по времени
106
вплоть
до момента обрыва цепи тока и погасания дуги, что ограничивает не-
к
избежные перенапряжения при активно-индуктивной нагрузке, характерной для силовых электрических цепей ЭПС. Режим дугогашения при этом приближается к оптимальному.
F
(к)
F
эм
В
I
эм
д
I
(к)
д
B(
) при Iд = I0
к
B(к) при Iд < I0
Рисунок 4.15 – Графики распределений индукции В, силы магнитного
дутья Fэм и тока дуги Iд по длине дугогасительной камеры
В целях проведения и концентрации потока магнитного дутья ис-
пользуют пластинчатые ферромагнитные элементы-полюса, встраиваемые в стенки дугогасительной камеры (см. пунктирный прямоугольник на рисунке 4.15) и заканчивающиеся на расстоянии
25…40 мм от края камеры.
Еще одним примером применения эффекта узких щелей в тяго-
вой электроаппаратуре являются плавкие предохранители засыпного типа. Они реализуют максимальную токовую защиту преимущественно в низковольтных электрических цепях подвижного
состава. Для обеспечения гашения электрической дуги, образующейся
107
в результате сгорания плавкой вставки, корпус предохранителя при
д
dU
d
его изготовлении или перезарядки в процессе эксплуатации засыпают мелкозернистым наполнителем из термостойких и электроизоляционных материалов. Обычно в качестве наполнителя используют кварцевый песок с содержанием SiO2 не менее 98 % и размерами
составляющих зерен в пределах 0,2…0,4 мм, а также меловую и мраморную крошку. Возникшая дуга отключения принудительно удлиняется в извилистых каналах между зернами (фрагментами) наполнителя, охлаждаясь при этом, что дополнительно увеличивает градиент
падения напряжения
, усиливая эффективность дугогашения.
Разделение дуги отключения на несколько коротких дуг способ-
ствует более быстрому и эффективному дугогашению.
Конструктивно этот принцип может быть выражен в виде до-
полнительных промежуточных дугогасительных рогов В и С (рисунок 4.16), смонтированных на пути дуги от контакт-деталей к выхлопу дугогасительной камеры между основными дугогасительными
рогами А и D.
А
B
С
D
Рисунок 4.16 – Схема расположения промежуточных
дугогасительных рогов
Положительно зарекомендовали себя в эксплуатационных усло-
виях деионные металлические решетки, которые размещают у выхода дугогасительной камеры. Решетка представляет собою отдель-
108
ный элемент дугогасительной системы, схематично изображенный
на рисунке 4.17.
h
δ
Рисунок 4.17 – Схема конструкции деионной решетки
Между боковинами закрепляют в изоляционной планке группу
медных или стальных металлических пластин обычно с равномерным шагом h и толщиной δ. При достижении перемещающейся дугой расположения пластин она разбивается на ряд последовательно
включенных коротких дуг. Общее падение напряжения при этом резко возрастает за счет многократного приэлектродного падения напряжения ΔUк + ΔUа
dU
∆ = ⋅ ∆ +∆ + ⋅
UnU U
д ка д
д
d
, (4.44)
где n – количество пластин решетки;
– длина дуги между соседними пластинами;
д
ΔUк и ΔUа – приэлектродные падения напряжения.
Целесообразно выполнять соседние пластины разновеликими по
длине, чтобы сократить аэродинамическое сопротивление по траектории дуги отключения и обеспечить ее дальнейшее продвижение через решетку. Задержка движения дуги опасна возможностью сильного термического воздействия на пластины.
В силовых цепях ЭПС деионные решетки часто выполняют вспо-
могательную роль в дугогашении, охлаждая и деионизируя охлажден-
109
ные газы, сопровождающие электрическую дугу, предупреждая тем
≥≥
самым повторное возникновение дуги вне камеры, при наличии, например, вблизи камеры некоторой заземленной части оборудования.
При высоких напряжениях не рекомендуется ставить деионные
решетки как основное средство дугогашения, потому что тогда придется задействовать слишком большое количество пластин
U
n
UU
max
+
ка
, (4.45)
150
а суммарное приэлектродное падение напряжения составляет 26…28 В.
Так, у быстродействующего выключателя БВП блок деионной
решетки состоит из 16 пластин толщиной 0,5…0,7 мм и шагом 3 мм.
В отечественной практике основным назначением деионной ре-
шетки на ЭПС постоянного тока можно считать ограничение дуги
отключения в пределах дугогасительной камеры. За рубежом данный
способ дугогашения применяется как в контакторах, так и в быстродействующих выключателях, при этом, чтобы не нарушать неравенство (4.46), последовательно в ряд устанавливают дополнительные
дугогасительные рога (рисунок 4.18).
1
2
Рисунок 4.18 – Дугогасительная камера выключателя типа UR26:
110
3
4
5
1 – плита; 2 – деионная решетка; 3 – отражатели;
4 –дугогасительные рога; 5 – основание
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]