Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Тяговые аппараты и электрическое оборудование. Курс лекций
.pdf
тока в среде ионизированных газов при термическом характере их
WW
22
ионизации».
Дуговой разряд обладает высокими значениями ряда параметров:
– плотность тока в стволе дуги достигает 104 А/см2;
– выделение тепловой энергии обусловливает температуру в цен-
тре ствола дуги до 10 тыс. °С и 2…3 тыс. °С на его периферии.
Объем и длина дуги определяются соответственно током дуги
и падением напряжения на ней. Мощность дуги отключения определяется мощностью отключаемой электрической цепи.
Общеизвестны отрицательные последствия дуги отключения, свя-
занные с высоким уровнем абсолютных температур самой дуги и соприкасающихся с нею деталей аппаратов, в первую очередь контактных систем. К таким последствиям относятся подгар, оплавление,
сваривание, выгорание контакт-деталей и контактодержателей, разрушение защитных аппаратов (взрыв масляных выключателей, плавких предохранителей, разрядников). Отключение высоких мощностей увеличивает вероятность повреждения рядом расположенных
аппаратов и технических устройств, а также электроизоляционных
конструкций.
Вместе с тем протекание электродугового процесса приводит
и к положительному эффекту. Дуга отключения способствует относительно плавному уменьшению тока в разрываемой цепи вплоть до
его прекращения, рассеянию электрической энергии, запасенной
в индуктивностях цепи, ограничению перенапряжений, возникающих на расходящихся контактах в процессе коммутации. При
мгновенном разрыве коммутируемой цепи, что является идеализированным режимом, величина запасенной в ее индуктивности электромагнитной энергии WЭМ трансформируется в энергию электростатического поля WЭС. Условие взаимного равенства указанных видов
энергии может быть выражено уравнением
Отсюда напряжение на емкости U
тры цепи L и C
2
LI
= = =
ЭМ ЭС
UI
=
C
C
2
CU
c
. (4.7)
определяется через параме-
c
L
.
(4.8)
81
В силовых цепях ЭПС эквивалентную индуктивность L составля-
10
д
д
dU
d
Сд
д
()
dU
d
ют индуктивности якорных и полюсных обмоток тяговых двигателей
и вспомогательных электрических машин.
Емкостной заряд в основном реализуется в распределенной емко-
сти между токоведущими и заземленными частями электрооборудования подвижного состава: емкость обмотки относительно корпуса
электродвигателя, емкость изоляции между подводящими и обратными проводами и т.д.
Обратившись к близким усредненным значениям индуктивно-
стей и емкостей электрических цепей ЭПС (L ≈ 1 мГн, С ≈ 10-7 Ф),
нетрудно оценить величину напряжения на расчетной емкости при
I = 1000 A:
−
UI
L
= = = =
C
1000 1000 10 100
C
⋅
1 10
3
−
7
4
кВ.
Возникает проблема расходования энергии W
в коммутирую-
ЭМ
щем элементе отключающего аппарата. Таким элементом становится дуга отключения, способствующая преобразованию электромагнитной энергии в тепловую, рассеивающуюся в окружающую среду,
как в любой диссипативной системе.
Исследованиями установлено, что падение напряжения в дуге
отключения ΔUД, которая имеет три участка: прикатодное падение
напряжения ΔUК, прианодное падение ΔUа и падение напряжения
в стволе дуги ΔUС . Приэлектродные участки локализуются в непосредственной близости от электродов, на протяжении длины около 10-4 см и характеризуются созданием пространственного заряда:
у анода «электронного облака», у катода – «облака положительных
ионов». В результате заряженные частицы преодолевают потенциальные барьеры, на что затрачивается определенная энергия.
Падение напряжения ΔUС обусловливает мощность, затрачива-
емую на компенсацию теплорассеяния, и зависит от градиента па-
дения напряжения или удельного ΔU
на единицу длины
Д
и от
длины дуги
dU
Вид графиков ΔU
() и
д
Ud∆=
д
. (4.9)
д
представлен на рисунке 4.2.
82
К А
дкас
UUUU∆ =∆ +∆ +∆
д дд
P UI∆=∆
д
dU
d
КА
dU dU
dd
>
∆U
д
∆U
С
∆U
К
∆U
А
0
dU
д
d
0
Рисунок 4.2 – Графики падения напряжения ΔU
температуры Т и градиента напряжения
dU
в дуге отключения
Д
д
по длине дуги
d
Таким образом,
Падение напряжения в дуге ΔU
определяет мощность электри-
Д
. (4.10)
ческих потерь ΔPД, рассеиваемую в дуге отключения
. (4.11)
В установившемся состоянии дуги отключения подводимая к дуге
мощность равна мощности, рассеиваемой в окружающее пространство.
Значения ΔUK в зависимости от материала контакт-деталей нахо-
дятся в пределах 12…17 В, ΔU ≈ 6…11 В.
Градиент
чину 20…30 В/см. На приэлектродных участках величина градиента
возрастает до 105…106 В/см, причем
для условий открытого воздуха составляет вели-
.
83
Отвод тепловой энергии от дугового канала может совершаться
д
д
()
dU
fd=
д
д
dU
d
д
д
dU
d
д
дд
д
СD
U AB
I
+
∆=+ +
различными путями: посредством излучения (около 15…30 % энергии), теплопроводности газовой среды и конвекции, когда частицы
газа проникают в дуговой столб или соприкасаются с ним, нагреваются, приобретают значительную дополнительную кинетическую
энергию и выносятся за его пределы.
Конвекция становится преобладающим способом теплопередачи,
особенно при больших токах дуги, а также при применении принудительного обдува дуги отключения потоком воздуха.
Форма кривой изменения абсолютной температуры Т участков ду-
гового разряда близка к кривой изменения градиента
изображенной на рисунке 4.2.
На величину градиента
влияют наряду с теплопроводно-
стью газа и давлением газа в межэлектродном промежутке также
и условия перемещения дуги. Наибольший интерес представляет
метод принудительного направления дугового столба в канал, образованный на пути движения дуги отключения стенками из термостойкого электроизоляционного материала. При ширине канала h,
меньшей диаметра столба дуги Dд, происходит деформация столба дуги, интенсивное его охлаждение при соприкосновении с внутренней поверхностью стенок канала. На этом методе основан «эффект узких щелей», применяемый в конструкции дугогасительных
устройств. На рисунке 4.3 представлен примерный график зависи-
мости
от ширины канала h.
Существенной характеристикой дугового разряда является воль-
тамперная характеристика (ВАХ): зависимость падения напряжения ΔU
от тока дуги Iд. Её форма приведена на рисунке 4.1. В отли-
д
чие от металлических проводников дуга отключения представляет
собой нелинейное неуправляемое сопротивление с падающей вольтамперной характеристикой. Аналитическое выражение зависимости
ΔUд(Iд) можно составить только эмпирическим путем вследствие нестабильности условий охлаждения дуги и свойств окружающей среды.
В общем виде ВАХ аналитически может быть выражена соотно-
шением
,
84
, (4.12)
где А, B, С, D – некоторые параметры электрической дуги, завися-
щие от материала контакт-деталей.
dU
д
В
,
см
d
д
0
Рисунок 4.3 – График зависимости градиента напряжения дуги
1,0
2,0
от ширины канала
3,0 4,0 5,0 h, мм
Падающий характер ВАХ объясняется термоионизационной при-
родой электрического сопротивления дуги отключения. С увеличением тока дуги Iд возрастает выделение тепловой энергии, растет
температура столба дуги, что приводит к повышению интенсивности процесса термической ионизации. Чем выше степень ионизации межконтактного промежутка, тем больше увеличивается электропроводность и уменьшается электрическое сопротивление дуги Rд
и падение напряжения ΔUд = Rд Iд . Уменьшение тока дуги приводит
к противоположному результату, т. е. к росту ΔUд.
Различают статические и динамические ВАХ дуги отключения.
Под статической ВАХ понимается такая зависимость ΔUд(Iд),
у которой каждая точка определяет величину ΔUд на стабильно горящей при данном токе дуге, что характеризует установившееся равновесие ее состояния.
Скорость изменения тока при этом близка к нулю. Однако в ре-
альных условиях дугогашения ток I
изменяется со значительными
д
скоростями, зависящими от мощности дугогасительных устройств.
85
Статическая ВАХ неизбежно деформируется, причем тем сильнее,
0
4
д
dI
dt
чем выше скорость изменения тока Iд.
На рисунке 4.4 представлена статическая ВАХ дуги 2-1-3 и семей-
ство динамических ВАХ. Если от точки 1 изменять ток Iд с бесконечно большой скоростью, то в силу тепловой инерции термоионизационного процесса сопротивление дугового столба Rд не успевает
измениться сколько-нибудь заметно и остается тем же, каким оно
было в точке 1. ВАХ будет аналогична характеристике обычного активного сопротивления и изображается прямой линией 4-1-5.
U∆
д
2
6
8
5
1
9
7
3
I
д
Рисунок 4.4 – Семейство динамических вольтамперных характеристик
дуги отключения
При скоростях изменения Iд от 0 до ∞ динамическая ВАХ дуги
принимает положения 6-1-7, 8-1-9 и т. д., становясь более жесткой
(более пологой) с возрастанием
.
Динамические ВАХ соответствуют таким скоростям изменения
тока, при которых не успевает устанавливаться тепловой баланс,
а иногда и баланс переносимых зарядов.
Следует отметить, что статическая и динамические характери-
стики ΔUд(Iд) не имеют точного математического описания по причине случайного характера физических процессов, влияющих на состояние дуги.
Важной характеристикой дуги отключения служит диаметр ду-
гового канала D
, определяющий поперечное сечение и плотность
д
86
тока дуги. Величина Dд нелинейно зависит от тока дуги Iд. Для сво-
дд
дд
,DI= 0 27
дд
vI= ⋅337
бодно горящей дуги
D kIα=
, (4.13)
где коэффициент k зависит от состава газовой среды, показатель степени α – от условий охлаждения дуги, скорости ее перемещения. При
неподвижной свободной дуге в воздухе, мм:
для движущейся со скоростью v
Dv= 08
д
дуги отключения, см:
д
,
, (4.14)
I
д
. (4.15)
д
Скорость поперечного перемещения дуги также зависит от ком-
мутируемого тока и ориентировочно может быть определена для свободной дуги отключения по формуле, см/с:
. (4.16)
В реальных условиях возникновения дуговых разрядов в сило-
вых цепях ЭПС при токах I
= 500…1500 А величина Dд составля-
д
ет 3…5 мм.
Величина поперечного сечения дуги и ее диаметр влияют на ин-
тенсивность процесса рекомбинации и диффузии электрически заряженных частиц. Установлено, что скорость рекомбинации обратно пропорциональна квадрату диаметра дуги, а скорость диффузии
обратно пропорциональна диаметру дуги Dд .
Распределение абсолютной температуры Т в дуговом столбе
и плотности тока j по поперечному радиусу дуги rд относительно продольной оси может быть представлено симметричными графиками
с весьма малым расстоянием вокруг математического ожидания (рисунок 4.5). Опыт показал, что кривая j(rд) совпадает с кривой яркости
свечения дуги. В пределах, ограниченных разбросом j(rд), располагается ствол дуги – его центральная часть с максимальной яркостью
и наибольшей электропроводностью.
Ствол дуги окружен более широкой, но менее яркой газовой обо-
лочкой – «ореолом», наблюдаемым в пределах максимального разброса характеристики плотности тока j(rд).
87
0
ореол
)(дrT
∆
)(дrj
r
д
Рисунок 4.5 – Графики зависимостей температуры Т и плотности тока j
от радиуса столба r
д
4.3 Условия горения электрической дуги
Составим и проанализируем упрощенную схему замещения ком-
мутируемой электрической цепи (рисунок 4.6).
R
L
U
c
U
д
Рисунок 4.6 – Схема замещения силовой цепи ЭПС
с активно-индуктивной нагрузкой и наличием дуги отключения
Здесь UС – напряжение питающей сети; ΔUд – падение напряже-
ния на дуге отключения; R и L – соответственно эквивалентное активное сопротивление и индуктивность цепи.
Уравнение электрического равновесия применительно к данной
схеме имеет вид
88
C
д
di
U iR U L
dt
= +∆ +
C
д
U IR U= +∆
I
A
1
2
3
. (4.17)
В целях анализа целесообразно сопоставить графики ВАХ дуги
U(I) и реостатной характеристики нагрузки
U – I·R = f(I). (4.18)
Точки А и Б пересечения названных характеристик соответству-
ют условию электрического равновесия (рисунок 4.7)
U
U
C
IR
Б
0
I
Б
кр
IR
U∆
д
. (4.19)
dI
L =
e
c
dt
А
I
I
о
Рисунок 4.7 – Графики вольтамперных характеристик дуги различной
длины и нагрузочных характеристик
Оценим устойчивость системы методом простого качественного
анализа с использованием случайных малых отклонений от состояния равновесия.
89
Для токовой нагрузки IA при IA + ΔI получим
C д
di
U iR U L
dt
−=∆ −
C д
di
U iR U L
dt
−=∆ +
C д
di
U iR U L
dt
−=∆ +
C д
di
U iR U L
dt
−=∆ −
При I
A
+ ΔI получим
; ec – отрицательна. (4.20)
; ec – положительна. (4.21)
Точка А соответствует режиму устойчивого равновесия, так как в
цепи индуктируется ЭДС e
, стремящаяся возвратить систему в точ-
c
ку А.
Для токовой нагрузки IБ при IБ + ΔI получим
При I
– ΔI получим
Б
; ec – положительна. (4.22)
; ec – отрицательна. (4.23)
В точке Б фиксируем режим неустойчивого равновесия, так как
ЭДС e
отклоняет систему еще далее от точки Б. Небольшое случай-
c
ное отклонение от IБ вызовет необратимый переходный процесс,
приводящий к IД = IA или Iд = 0. Для обеспечения гашения дуги во
всем диапазоне снижения тока необходимо, чтобы ВАХ дуги лежала выше прямой U = UC – IR, не пересекаясь с нею как, например,
пунктирная кривая ΔUд(I) (см. рисунок 4.7), построенная применительно к дуге увеличенной длины. Тогда обеспечивается ec < 0 и создание спадающего тока в цепи дуги отключения.
При возникновении дуги отключения при начальном токе I0 и на-
чальной длине, соответствующей расстоянию между размыкающимися
контактами, происходит постепенное удлинение дуги. При этом ВАХ
дуги последовательно занимает положения 1, 2, 3 и т. д. (см. рисунок
4.7) под воздействием разведения контактов до величины межконтактного зазора, а также электродинамических и термических усилий.
Величину электродинамических усилий Fэд, действующих на столб
дуги как на проводник с током, можно оценить следующим образом.
Форму электрической дуги отключения между расходящимися кон-
тактами принимают близкой к окружности с радиусом R
(рисунок 4.8).
д
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]