Условия гашения дуги

Электриче­ский разряд, возникающий при размыкании контактов, приводит к их износу и в значительной степени определяет надежность и долговечность аппарата. Тлеющий разряд возникает при отключении тока менее 0,1 А при напряжении на контактах 250—300 В. Такой разряд происходит на контактах маломощных реле.

При больших токах такой разряд является переходной фазой к разряду в виде эл. дуги.

Дуговой разряд имеет следующиме особенности:

1. Минимальный ток дуги для металлов составляет ≈ 0,5 А

2. Температура центральной части дуги достигает 6000—25 000 К.

3. плотность тока на катоде достигает 10²—10³ А/мм2.

4. Падение напряжение у катода 10 - 20 В и не зависит от тока.

УСЛОВИЯ ГАШЕНИЯ ДУГИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Физические основы горения дуги. При размыкании контактов электрического аппарата вследствие ионизации пространства между ними возникает электрическая дуга. Промежуток между контактами при этом остается проводящим и прохождение тока по цепи не прекращается.

Чтобы погасить дугу постоянного тока, необходимо создать такие условия, при которых в дуговом промежутке при всех значениях тока от начального до нулевого процессы деионизации превосходили бы процессы ионизации.

К

оммутирующие свойства аппарата описывает его ВАХ, представляющая собой зависимость напряжения на дуге от тока. U=i·Rд. С ростом тока i увеличивается температу­ра дуги, усиливается термическая ионизация и падает эл. сопротивление дуги Rд .

При увеличении тока сопротивление дуги уменьшается так резко, что напряжение на ней падает, несмотря на рост тока

ВАХ дуги, снятая при медленном изменении тока, на­зывается статической. Вольт-амперные характеристики полученные при быстром изменении тока до нуля, называются динамическими

Она зависит от расстоя­ния между электродами (длины дуги), материала электродов, параметров среды и условий охлаждения. Напря­жение на дуге u _Д можно рассматривать как сумму околоэлектродных падений напряжения u_э и падения напряже­ния в столбе дуги:

u _Д = u_э + Е_пl

где Е_п — напряженность электрического поля в столбе дуги; l — длина столба дуги.

Величина Еп зависит от тока и условий горения дуги. Статические ВАХ дуги изображены на рис. Чем боль­ше длина дуги, тем выше лежит ее статическая ВАХ. С ро­стом давления среды, в которой горит дуга, также увели­чивается напряженность Еи и ВАХ поднимается .

Охлаждение дуги существенно влияет на ВАХ. Чем ин­тенсивнее охлаждение дуги, тем большая мощность от нее отводится. При этом должна возрасти мощность, выделя­емая дугой. Поскольку при заданном токе это возможно за счет увеличения напряжения на дуге, то ВАХ поднимается, что широко используется в ДУ.

Напряжение Uг, при котором дуга гаснет, называют напряжением гашения. Оно всегда меньше напряжения зажигания вследствие повышения температуры контактов и увеличения проводимости межконтактного промежутка. Чем больше скорость снижения тока, тем меньше напряжение гашения дуги в момент прекращения тока.

Условия гашения дуги постоянного тока зависят не только от ее вольт-амперной характеристики, но и от параметров электрической цепи (напряжение, ток, сопротивление и индуктивность), которую включают и отключают контакты аппарата. Для гашения дуги необходимо, чтобы количество энергии, подводимой к дуге, было меньше количества тепла, отводи­мого от нее. При отключении цепи с большой индуктив­ностью выделяемую в дуге электромагнитную энергию необходимо отвести охлаждением. В связи с этим, чем больше индуктивность цепи и отключаемый ток, тем труднее отключить цепь.

Для гашения электрической дуги необходимо создать условия, при которых падение напряжения на дуге превосходило бы напряжение сети. Основным средством повышения падения напряжения в дуге является увеличение длины дуги. При размыкании цепей низкого напряжения со сравнительно небольшими токами гашение обеспечивается соответствующим выбором раствора контактов, между которыми возникает дуга. В этом случае дуга гаснет без каких-либо дополнительных устройств. Для контактов, разрывающих силовые цепи, необходимая для гашения длина дуги настолько велика, что практически осуществить такой раствор контактов уже не представляется возможным. В таких электрических аппаратах устанавливают специальные дугогасительные устройства

1. для гашения дуги постоянного тока необходимо создать такие условия, при которых ток упал бы до нуля

2. увеличение длины дуги.

3. специальные дугогасительные устройства

ВОЛ,б) Условия стабильного горения и гашения дуги.

При дуге неизменной длины

U = iR +(Ldi / dt) + u _Д

В стационарном режиме ток в цепи не меняется и di / dt = 0.

Рис. 4.3. Баланс напряжений в электрической цепи при наличии дуги

На рис. совместно с ВАХ дуги построена прямая U - iR = f(i)

Для тока I отрезок ab соответствует напряжению на дуге, отрезок сd — падению напряжения на резисторе R, отрезок Ьс соответствует Ldi / dt .

В точках1 и 2 Ldi / dt = 0, а следовательно

в этих точках возможен стационарный ре­жим. Точка 1 является точкой неустойчивого равновесия.

Если по каким-либо причинам напря­жение источника питания снизится, то точка равновесного состояния перейдет в 2', при этом ток уменьшится до зна­чения i₂ґ, определяемого пересечением ВАХ с прямой U- iR

Пусть теперь напряжение источника восстановится до прежней величины . Для тока i₂ґ, отрезок U- iR >u _Д по­этому в этой точке Ldi / dt > 0.(на индуктивности возникает напряжение, которое увеличивает ток .Процесс будет продолжаться до тех пор, пока напряжение Ldi / dt = 0, т. е. рабочая точка попадет в точку 2.

Пусть по каким-либо причинам, например из-за роста напряжения источника

iґґ₂ >I_2. Если напряжение вернется к старому значению, то возникнет напряжение на индуктивности<,0. При этом ток i´ґ₂ будет уменьшаться, пока не станет равным току I₂.

Если i´ґ₁<I₁ то возникнет напряжение Ldi / dt > 0. Ток будет возрастать до значения I₂. Таким образом, точка 1 является точкой неустойчивого равновесия: при выходе из нее ток в цепи либо становится равным I₂, либо дуга гаснет и ток становится равным ну­лю.

Точка 2 является точкой устойчивого равновесия: при выходе из нее возникают процессы, которые возвра­щают состояние цепи снова в эту точку.

Для гашения дуги при всех значениях тока должно быть напряжение Ldi / dt < 0. и ток в цепи будет убывать до тех пор, пока дуга не погаснет.

Для выполнения этого условия необходимо U- iR < u _Д

Это возможно за счет либо поднятия ВАХ, либо уве­личения сопротивления цепи. ВАХ дуги может быть под­нята в результате увеличения длины дуги, интенсивного охлаждения и повышения давления среды, в которой горит дуга.

С ростом отключаемого тока Iк=U/R и напряжения источника реостатная характеристика поднимается, условия отключения утяжеляются. При разведении контактов между ними возникнем дуга с током I₂. Если длина дуги и напряжение источника неизменны, то при увеличении сопротивления ток в цепи будет уменьшаться. При дальнейшем возрастании сопротивления . создаются усло­вия для гашения дуги. Токи и сопротивления, при которых наступают условия для гашения дуги, называются крити­ческими.

Определим длительность горения дуги . Обозначим напряжение Δu=| Ldi / dt|

t_д=L∫di / Δu

Таким образом, чем больше напряжение, тем меньше длитель­ность горения дуги, но больше напряжение на контактах в момент гашения.

в) Перенапряжения при отключении дуги постоянного тока.

Напряжение на контактах в момент достижения то­ком нулевого значения наз. напряжением га­шения дуги. u _гаш=U+ | Ldi / dt|

Таким образом, в момент гашения дуги напряжение на контактах равно сумме напряжения источника и модуля напряжения на индуктивности. Увеличение напряжения на контактах относительно напряжения источника питания называется перенапряжением.

Чем больше индуктивность и скорость спада тока в момент гашения, тем больше перенапряжение. Скорость спада тока di / dt зависит от скорости роста сопротивления дугового промежутка и скорости его деионизации. При отключении индуктивной цепи процесс гашения дуги затягивается(в реальных установках ток может меняться довольно быстро, а вследствие тепловой инерции дугового столба из­менение сопротивления дуги отстает от изменения тока, т е при быстром росте тока сопротивление дуги падает медленнее,) и поэтому на контактах появляется перенапряжение. Поэтому в быстродействующих аппаратах интенсивному изменению тока соответствует высокое напряжение, а менее интенсивному изменению тока- меньшее перенапряжение в конце процесса отключения цепи. После окончания процесса отключения, перенапряжение снижается до напряжения источника.

Следует отметить, что напряжение Ldi / dt приложено к индуктивности отключаемой нагрузки. Это напряжение может в десятки раз превышать номинальное напряжение источника и приводить к пробою изоляции нагрузки. Для ограничения перенапряжений при отключении больших индуктивностей (обмотки возбуждения крупных генераторов) применяются устройства с дугогасительной решеткой .

Рис. 4.5. Статическая А и дина­мическая В—D вольт-амперные ха­рактеристики дуги

Для гашения дуги необходимо, чтобы количество энергии, подводимой к дуге, было меньше количества тепла, отводи­мого от нее. При отключении цепи с большой индуктив­ностью выделяемую в дуге электромагнитную энергию необходимо отвести охлаждением. В связи с этим, чем больше индуктивность цепи и отключаемый ток, тем труднее отключить цепь.

УСЛОВИЯ ГАШЕНИЯ ДУГИ переменногоТОКА

Если для гашения дуги постоянного тока необходимо создать такие условия, при которых ток упал бы до нуля, то при переменном токе ток в дуге независимо от степени ионизации дугового промежутка переходит через нуль каждый полупериод, т.е. каждый полупериод дуга гаснет и зажигается вновь. Задача гашения дуги несколько облегчается. Здесь необходимо создать условия, при которых ток не восстановился бы после прохождения через нуль.

В действительности при переходе через нуль ток в дуге меняется по закону, отличному от синусоидального. Немного раньше момента времени естественного перехода через нуль ток в дуге падает почти до нуля, а затем после перехода через нуль скачком снова достигает соответствующего значения. Таким образом, при переходе тока через нуль имеет место бестоковая пауза, во время которой происходит интенсивная деионизация дугового промежутка

ВОЛ Интенсивная деионизация дугового промежутка при переходе тока через нуль приводит к уменьшению его проводимости. Чем больше промежуток будет деионизирован, тем большее напряжение потребуется для его пробоя и повторного зажигания дуги. Условие гашения дуги переменного тока: если нарастание сопротивления промежутка, выраженное его пробивным напряжением Uпр (кривая1 рис 5.8), будет опережать нарастание напряжения U на промежутке (кривая2), то дуга погаснет при переходе тока через нуль. Если же нарастание сопротивления промежутка пойдёт медленнее (кривая3), то в момент времени, соответствующий точке 0, произойдёт повторное зажигание дуги, в цепи появится ток и соответствующее ему падение напряжения.

На рис.(б) приведены кривые изменения тока и напряжения на дуговом промежутке при переменном токе. В момент появления тока имеет место резкое нарастание напряжения Uз (зажигания). С ростом тока падение напряжения на дуге падает и достигает минимума при максимальном токе (при амплитудном значении).Затем напряжение на дуге снова возрастает и достигает значения напряжения погасания Uг при исчезновении тока.

ВАХ за период приведена на рис.(а).

Условия отключения переменного тока легче, чем постоянного, т.к. в конце каждого полупериода ток и эл магнитная энергия цепи становятся равными нулю. Поэтому аппарату не надо рассеивать эл. магнитную энергию. Он должен лишь создать при токе равном нулю, условия для быстрого роста диэлектрических свойств коммутирующего элемента, чтобы выдерживать, появляющееся на нём от источника питания напряжение. При отключении, напряжение на контактах будет нарастать (восстанавливаться) до напряжения источника питания и вскоре станет равныи ему. Такое напряжение называется восстанавливающимся –Uв

Нарастающая во времени при отключении эл прочность называется восстанавливающейся прочностью- Uвп

Для отключения переменного тока необходимо, чтобы за переходом тока через нуль кривая восстанавливающейся прочности Uвп лежала выше кривой восстанавливающего напряжения Uв

Восстановление напряжения на дуговом промежутке может происходить апериодически(а) напряжение на промежутке не может быть больше ЭДС источника или через колебательный процесс (б) – напряжение теоретически может быть сколь угодно велико, практически ≤ 2Еm.

В активной цепи ток совпадает по фазе с ЭДС и они переходят через нуль одновременно(в) – восстанавливающее напряжение промежутка будет =0. Тем самым отключение активной нагрузки происходит легче.

Гашение дуги повышенной частоты:1) отключение активного контура осуществляется труднее, чем индуктивного.; 2)напряжение не может превзойти Еm, что облегчает гашение; 3)существенного снижения температуры дугового промежутка при переходе тока через нуль не происходит, что ухудшает гашение дуги.

Следует отметить, что в эффективно работающих ДУ в области нуля тока происходит интенсивное охлаждение дуги, в результате чего возрастает пик гашения мг (увели­чивается сопротивление дуги) и нарастает электрическая прочность (увеличивается пик зажигания ). В некоторых ДУ после возникновения дуги ее сопротивление так быстро возрастает, что ток в цепи начинает уменьшаться за счет этого сопротивления и не достигает установившегося значения (на постоянном токе) и амплитуды (на переменном токе). Такой процесс называется процессом с токоограничением.

ОТКЛЮЧЕНИЕ ЦЕПЕЙ ПРИ НАЛИЧИИ ШУНТОВ

Облегчить режимы работы отключающих аппара­тов можно либо увеличением ско­рости нарастания электрической прочности в ДУ,

-1. либо искусственным снижением скорости восстановления напря­жения. -2.применяются низкоомные и высокоомные шунты. Резистор уменьшает ток и сдвиг фаз между током и напряжением источника, что снижает восстанавливающее напряжение

устно

При напряжении более 35 кВ применяются многократные разрывы. Восстанавливающееся напряжение промышлен­ной частоты, приходящееся на один разрыв, уменьшается пропорционально числу разрывов. Соответственно умень­шается и скорость восстановления напряжения. Емкостное сопротивление между всеми контактами практически оди­наково, но токи, текущие через разрывы, различны ввиду наличия емкостей элементов аппарата относительно земли С3. Это создает неравномерность напряжения по разрывам. С ростом числа разрывов эта неравномерность увеличивается. При этом напряжение делится поровну между разрывами.

Для контактов, разрывающих силовые цепи, необходимая для гашения длина дуги настолько велика, что практически осуществить такой раствор контактов уже не представляется возможным. В таких электрических аппаратах устанавливают специальные дугогасительные устройства.