Eng Ru
Отправить письмо

Open Library - открытая библиотека учебной информации. Электрическая дуга и причины ее возникновения


Процесс образования электрической дуги и способы ее гашения

Разместить публикацию Мои публикации Написать 22 августа 2012 в 10:00

Место для Вашей рекламы. Около 30 000 просмотров в месяц! О Вашем предложении узнают! Акция! 3000р./мес! 8(908)910-21-20

При размыкании электрической цепи возникает электрический разряд в виде электрической дуги. Для появления электрической дуги достаточно, чтобы напряжение на контактах было выше 10 В при токе в цепи порядка 0,1А и более. При значительных напряжениях и токах температура внутри дуги может достигать 10...15 тыс. °С, в результате чего плавятся контакты и токоведущие части.

При напряжениях 110 кВ и выше длина дуги может достигать нескольких метров. Поэтому электрическая дуга, особенно в мощных силовых цепях, на напряжение выше 1 кВ представляет собой большую опасность, хотя серьезные последствия могут быть и в установках на напряжение ниже 1 кВ. Вследствие этого электрическую дугу необходимо максимально ограничить и быстро погасить в цепях на напряжение как выше, так и ниже 1 кВ.

Причины возникновения электрический дуги

Процесс образования электрической дуги может быть упрощенно представлен следующим образом. При расхождении контактов вначале уменьшается контактное давление и соответственно контактная поверхность, увеличиваются переходное сопротивление( плотность тока и температура — начинаются местные (на отдельных участках площади контактов) перегревы, которые в дальнейшем способствуют термоэлектронной эмиссии, когда под воздействием высокой температуры увеличивается скорость движения электронов и они вырываются с поверхности электрода.

В момент расхождения контактов, то есть разрыва цепи, на контактном промежутке быстро восстанавливается напряжение. Поскольку при этом расстояние между контактами мало, возникает электрическое поле высокой напряженности, под воздействием которого с поверхности электрода вырываются электроны. Они разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать хотя бы один электрон с оболочки нейтрального атома, то происходит процесс ионизации.

Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги, то есть ионизированного канала, в котором горит дуга и обеспечивается непрерывное движение частиц. При этом отрицательно заряженные частицы, в первую очередь электроны, движутся в одном направлении (к аноду), а атомы и молекулы газов, лишенные одного или нескольких электронов, — положительно заряженные частицы — в противоположном направлении (к катоду). Проводимость плазмы близка к проводимости металлов.

В стволе дуги проходит большой ток и создается высокая температура. Такая температура ствола дуги приводит к термоионизации — процессу образования ионов вследствие соударения молекул и атомов, обладающих большой кинетической энергией при высоких скоростях их движения (молекулы и атомы среды, где горит дуга, распадаются на электроны и положительно заряженные ионы). Интенсивная термоионизация поддерживает высокую проводимость плазмы. Поэтому падение напряжения по длине дуги невелико.

В электрической дуге непрерывно протекают два процесса: кроме ионизации, также деионизация атомов и молекул. Последняя происходит в основном путем диффузии, то есть переноса заряженных частиц в окружающую среду, и рекомбинации электронов и положительно заряженных ионов, которые воссоединяются в нейтральные частицы с отдачей энергии, затраченной на их распад. При этом происходит теплоотвод в окружающую среду.

Таким образом, можно различить три стадии рассматриваемого процесса: зажигание дуги, когда вследствие ударной ионизации и эмиссии электронов с катода начинается дуговой разряд и интенсивность ионизации выше, чем деионизации, устойчивое горение дуги, поддерживаемое термоионизацией в стволе дуги, когда интенсивность ионизации и деионизации одинакова, погасание дуги, когда интенсивность деионизации выше, чем ионизации.

 

Способы гашения дуги в коммутационных электрических аппаратах

Для того чтобы отключить элементы электрической цепи и исключить при этом повреждение коммутационного аппарата, необходимо не только разомкнуть его контакты, но и погасить появляющуюся между ними дугу. Процессы гашения дуги, так же как и горения, при переменном и постоянном токе различны. Это определяется тем, что в первом случае ток в дуге каждый полупериод проходит через нуль. В эти моменты выделение энергии в дуге прекращается и дуга каждый раз самопроизвольно гаснет, а затем снова загорается.

Практически ток в дуге становится близким нулю несколько раньше перехода через нуль, так как при снижении тока энергия, подводимая к дуге, уменьшается, соответственно снижается температура дуги и прекращается термоионизация. При этом в дуговом промежутке интенсивно идет процесс деионизации. Если в данный момент разомкнуть и быстро развести контакты, то последующий электрический пробой может не произойти и цепь будет отключена без возникновения дуги. Однако практически это сделать крайне сложно, и поэтому принимают специальные меры ускоренного гашения дуги, обеспечивающие охлаждение дугового пространства и уменьшение числа заряженных частиц.

В результате деионизации постепенно увеличивается электрическая прочность промежутка и одновременно растет восстанавливающееся напряжение на нем. От соотношения этих величин и зависит, загорится ли на очередную половину периода дуга или нет. Если электрическая прочность промежутка возрастает быстрее и оказывается больше восстанавливающего напряжения, дуга больше не загорится, в противном же случае будет обеспечено устойчивое горение дуги. Первое условие и определяет задачу гашения дуги.

В коммутационных аппаратах используют различные способы гашения дуги.

Удлинение дуги

При расхождении контактов в процессе отключения электрической цепи возникшая дуга растягивается. При этом улучшаются условия охлаждения дуги, так как увеличивается ее поверхность и для горения требуется большее напряжение.

Деление длинной дуги на ряд коротких дуг

Если дугу, образовавшуюся при размыкании контактов, разделить на К коротких дуг, например затянув ее в металлическую решетку, то она погаснет. Дуга обычно затягивается в металлическую решетку под воздействием электромагнитного поля, наводимого в пластинах решетки вихревыми токами. Этот способ гашения дуги широко используется в коммутационных аппаратах на напряжение ниже 1 кВ, в частности в автоматических воздушных выключателях.

 

Охлаждение дуги в узких щелях

Гашение дуги в малом объеме облегчается. Поэтому в коммутационных аппаратах широко используют дугогасительные камеры с продольными щелями (ось такой щели совпадает по направлению с осью ствола дуги). Такая щель обычно образуется в камерах из изоляционных дугостойких материалов. Благодаря соприкосновению дуги с холодными поверхностями происходят ее интенсивное охлаждение, диффузия заряженных частиц в окружающую среду и соответственно быстрая деионизация.

Кроме щелей с плоскопараллельными стенками, применяют также щели с ребрами, выступами, расширениями (карманами). Все это приводит к деформации ствола дуги и способствует увеличению площади соприкосновения ее с холодными стенками камеры.

Втягивание дуги в узкие щели обычно происходит под действием магнитного поля, взаимодействующего с дугой, которая может рассматриваться как проводник с током.

Внешнее магнитное поле для перемещения дуги наиболее часто обеспечивают за счет катушки, включаемой последовательно с контактами, между которыми возникает дуга. Гашение дуги в узких щелях используют в аппаратах на все напряжения.

 

Гашение дуги высоким давлением

При неизменной температуре степень ионизации газа падает с ростом давления, при этом возрастает теплопроводность газа. При прочих равных условиях это приводит к усиленному охлаждению дуги. Гашение дуги при помощи высокого давления, создаваемого самой же дугой в плотно закрытых камерах, широко используется в плавких предохранителях и ряде других аппаратов.

Гашение дуги в масле

Если контакты выключателя помещены в масло, то возникающая при их размыкании дуга приводит к интенсивному испарению масла. В результате вокруг дуги образуется газовый пузырь (оболочка), состоящий в основном из водорода (70...80 %), а также паров масла. Выделяемые газы с большой скоростью проникают непосредственно в зону ствола дуги, вызывают перемешивание холодного и горячего газа в пузыре, обеспечивают интенсивное охлаждение и соответственно деионизацию дугового промежутка. Кроме того, деионизирующую способность газов повышает создаваемое при быстром разложении масла давление внутри пузыря.

Интенсивность процесса гашения дуги в масле тем выше, чем ближе соприкасается дуга с маслом и быстрее движется масло по отношению к дуге. Учитывая это, дуговой разрыв ограничивают замкнутым изоляционным устройством — дугогасительной камерой. В этих камерах создается более тесное соприкосновение масла с дугой, а при помощи изоляционных пластин и выхлопных отверстий образуются рабочие каналы, по которым происходит движение масла и газов, обеспечивая интенсивное обдувание (дутье) дуги.

Дугогасительные камеры по принципу действия разделяют на три основные группы: с автодутьем, когда высокие давление и скорость движения газа в зоне дуги создаются за счет выделяющейся в дуге энергии, с принудительным масляным дутьем при помощи специальных нагнетающих гидравлических механизмов, с магнитным гашением в масле, когда дуга под действием магнитного поля перемещается в узкие щели.

Наиболее эффективны и просты дугогасительные камеры с автодутьем. В зависимости от расположения каналов и выхлопных отверстий различают камеры, в которых обеспечивается интенсивное обдувание потоками газопаровой смеси и масла вдоль дуги (продольное дутье) или поперек дуги (поперечное дутье). Рассмотренные способы гашения дуги широко используются в выключателях на напряжение выше 1 кВ.

Другие способы гашения дуги в аппаратах на напряжение выше 1 кВ

Кроме указанных выше способов гашения дуги, используют также: сжатый воздух, потоком которого вдоль или поперек обдувается дуга, обеспечивая ее интенсивное охлаждение (вместо воздуха применяются и другие газы, часто получаемые из твердых газогенерирующих материалов — фибры, винипласта и т. п. — за счет их разложения самой горящей дугой), элегаз (шестифтористая сера), обладающий более высокой электрической прочностью, чем воздух и водород, в результате чего дуга, горящая в этом газе, даже при атмосферном давлении достаточно быстро гасится, высокоразреженный газ (вакуум), при размыкании контактов в котором дуга не загорается вновь (гаснет) после первого прохождения тока через нуль.

22 августа в 18:34 22

20 августа в 14:36 91

20 августа в 13:44 98

20 августа в 13:00 52

17 августа в 13:53 100

16 августа в 15:27 174

16 августа в 14:21 98

15 августа в 14:03 92

14 августа в 11:24 113

12 августа в 14:38 200

12 июля 2011 в 08:56 6046

14 ноября 2012 в 10:00 4960

27 февраля 2013 в 10:00 2865

21 июля 2011 в 10:00 2855

29 февраля 2012 в 10:00 2602

16 августа 2012 в 16:00 2189

24 мая 2017 в 10:00 2163

28 ноября 2011 в 10:00 2024

31 января 2012 в 10:00 1815

31 августа 2012 в 10:00 1412

energoboard.ru

Электрическая дуга и процессы в ней. — МегаЛекции

 

 

Вопросами изучения электрической дуги, процессами в ней и способами ее гашения вы занимались уже в курсах ЭТМ и ОТЭА.

Из этих курсов мы знаем, что электрическая дуга в межконтактном промежутке представляет собой высокоионизированный газ, который содержит множество свободных электронов и положительных ионов и поэтому обладает низким электрическим сопротивлением.

2.1. Ионизация и деионизация.

Основными видами ионизации дугового промежутка являются:

Объемная: ударная, термическая, фотоионизация.

Поверхностная: автоэлектронная, термоэлектронная, фотоэлектронная, вторичная ионная.

Для дуговых процессов в электрических аппаратах наибольшее значение имеют: из процессов, происходящих у электродов, автоэлектронная и термоэлектронная эмиссии, а из процессов, происходящих в дуговом стволе, термическая ионизация и ударная ионизация.

Автоэлектронная эмиссия. Это — явление выхода электронов из катода под воздействием сильного электрического поля — 105 В/см и выше. Такие напряженности у катода могут создаваться пространственными зарядами, а также в процессе расхождения контактов. Место разрыва электрической цепи может быть представлено как конденсатор переменной емкости. Емкость в начальный момент равна бесконечности, затем убывает по мере расхождения контактов. Через сопротивление цепи этот конденсатор заряжается, и напряжение на нем растет постепенно от нуля до напряжения сети. Одновременно увеличивается расстояние между контактами. Напряженность поля между контактами во время нарастания напряжения проходит через значения, превышающие 105 —108 В/см. Ток автоэлектронной эмиссии весьма мал и может быть достаточным только для начала развития дугового разряда.

Термоэлектронная эмиссия. Термоэлектронной эмиссией называется явление испускания электронов из накаленной поверхности. Если материал катода таков, что температура его кипения может превысить 2500 К, то эмиссия электронов с поверхности катода может происходить за счет термических процессов. Такое явление имеет место в электрических аппаратах при расхождении контактов, где последняя площадка контактирования сильно разогревается, часто до расплавления и испарения. На отрицательном электроде образуется катодное пятно (раскаленная площадка), которое служит основанием дуги и очагом излучения электронов.

Плотность тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры и материала контактов. Ток термоэлектронной эмиссии также невелик и может быть достаточным для возникновения электрической дуги, но недостаточен для ее горения.

Возможно и совместное существование автоэлектронной и термоэлектронной эмиссии при нагретом катоде.

Дуга может существовать между металлическими электродами и при холодном катоде. В этом случае имеет место в основном автоэлектронная эмиссия.

Ударная ионизация. Если свободный электрон будет обладать достаточной скоростью, то при столкновении с нейтральной частицей (атом, а иногда и молекула) он может выбить из нее электрон. В результате получается новый свободный электрон и положительный ион. Вновь полученный электрон может, в свою очередь, ионизировать следующую частицу. Такая ионизация называется ударной ионизацией.

Для того чтобы электрон мог ионизировать частицу газа, он должен двигаться с некоторой определенной скоростью, зависящей от разности потенциалов на длине его свободного пробега. Поэтому обычно указывается не скорость движения электрона, а то минимальное значение разности потенциалов, какое необходимо иметь на длине свободного пробега, чтобы электрон к концу пути приобрел необходимую скорость. Эта разность потенциалов носит название потенциала ионизации.

 

Энергия ионизации Vи для газов составляет 13-16 эВ (азот, кислород, водород) и до 24,5 эВ (гелий), для паров металла она примерно в два раза ниже (7,7 эВ для паров меди). Энергия ионизации газовой смеси определяется самой низкой энергией ионизации одного из компонентов и в очень малой степени зависит от концентрации этих компонентов. В короткой дуге всегда имеются пары металла электродов, и энергия ионизации, а следовательно, и степень ионизации дугового промежутка определяются энергией ионизации этих паров.

Следует отметить, что не всякий электрон, имеющий энергию выше энергии, соответствующей Ки ионизирует нейтральную частицу, так как только часть таких электронов приходит в должное соприкосновение с нейтральными частицами. При энергиях, меньших энергии, соответствующей Vи, вероятность ударной ионизации равна нулю, при больших энергиях эта вероятность возрастает.

Термическая ионизация. Это процесс ионизации под воздействием высокой температуры. Если рассмотреть ионизацию газа с точки зрения термических процессов, то оказывается, что при тех температурах, которые имеют место в дугах, ионизация значительно более вероятна при соударениях частиц в тепловом хаотическом движении, чем от воздействия электрического поля. Основной характеристикой термической ионизации является степень ионизации, представляющая собой отношение числа ионизированных атомов в газе дуги к общему числу атомов в этом газе

 

.

Рис. 5-2. Зависимость степени ионизации от температуры

 

На рис. 5-2 приведена зависимость степени ионизации паров металлов (кривая 1) и воздуха (кривая 2) от температуры, построенная для Vи = 7, 5 эВ и Va = = 15 эВ [21]. Из рисунка видно, что при энергии ионизации, лежащей в области 7-8 эВ, и при температурах газа дуги 3000-6000 К можно наблюдать ионизацию, достаточную для обеспечения проводимости газа в дуговом канале. Термическая ионизация в воздухе практически прекращается при температурах ниже 3000 К.

Процесс распада сопровождается расходованием энергии, и температура канала дуги понижается.

Степень ионизации зависит не только то температуры, но и от давления, и от потенциала ионизации.

При повышении давления степень ионизации значительно снижается: так при T=16000 К

р=0,1 МПа xт = 0,61, а при р=10 МПа xт = 0,082.

Смесь газов имеет потенциал ионизации значительно отличающийся от потенциалов ионизации входящих в нее газов. Поэтому принято говорить о эффективном потенциале ионизации. Присутствие в смеси паров металла, например, меди, резко уменьшает этот потенциал.

Деионизация идет одновременно с ионизацией. При возникновении и развитии дугового разряда преобладают процессы ионизации, в устойчиво горящей дуге процессы ионизации и деионизации одинаково интенсивны, при преобладании процессов деионизации дуга гаснет, дуговой разряд прекращается. Основными физическими процессами здесь являются рекомбинация и диффузия.

Рекомбинация. Процесс, при котором различно заряженные частицы, приходя во взаимное соприкосновение, образуют нейтральные частицы, называется рекомбинацией.

В электрической дуге отрицательными частицами являются в основном электроны. Непосредственное соединение электрона с положительным ионом ввиду большой разности скоростей маловероятно. Обычно рекомбинация происходит при помощи нейтральной частицы, которую электрон заряжает. При соударении этой отрицательно заряженной частицы с положительным ионом образуется одна или две нейтральные частицы. При рекомбинации происходит выделение энергии в виде фотона.

Различают рекомбинацию в объеме, когда третьим телом служит нейтральная частица газа, и рекомбинацию на поверхности, когда третьим телом служит поверхность вблизи дуги (стенка камеры). В последнем случае электроны заряжают поверхность стенки до потенциала, при котором положительные ионы притягиваются к этой поверхности и, присоединив электрон, образуют нейтральные частицы. Наличие в зоне дуги нейтральной поверхности усиливает рекомбинацию в 1000 и 10000 раз в зависимости от условий и свойств газа. Это явление используется в лабитинтно-щелевой камере ДУ электромагнитных выключателей, где рекомбинация на поверхности является определяющей.

Также решающую роль данный процесс имеет в вакуумных выключателях, где средняя длина пробега достигает нескольких см. В этих устройствах при коммутации возникают ионизированные пары металлов, деионизация которых осуществляется при осаждении их на поверхностях защитных экранов или электродов.

Для газовых выключателей основным является процесс рекомбинации в объеме газа.

Скорость рекомбинации в объеме прямо пропорциональна объемной плотности ионов и обратно пропорциональна кубу абсолютной температуры. При относительно небольших концентрациях ионов и невысоких температурах рекомбинация на поверхности превосходит рекомбинацию в объеме в 102 — 106 раз.

Поскольку для рекомбинации необходимо, чтобы заряженные частицы находились некоторое время вблизи друг друга, то , чем ниже скорость движения частиц, тем процесс рекомбинации эффективнее. А скорость в свою очередь, связана с кинетической энергией частиц, т.е. с их температурой. Следовательно, при снижении Т рекомбинация идет более эффективно.

Диффузия. Диффузия заряженных частиц представляет собой процесс выноса заряженных частиц из дугового промежутка в окружающее пространство, что уменьшает проводимость дуги

Диффузия обусловлена как электрическими, так и тепловыми факторами. Плотность зарядов в стволе дуги возрастает от периферии к центру. Ввиду этого создается электрическое поле, заставляющее ионы двигаться от центра к периферии и покидать область дуги. В этом же направлении действует и разность температур ствола дуги и окружающего пространства. Заряженные частицы, вышедшие из области дуги, в конечном итоге рекомбинируют вне этой области.

В стабилизированной и свободно горящей дуге диффузия играет ничтожно малую роль.

В дуге, обдуваемой сжатым воздухом, а также в быстро движущейся открытой дуге деионизация за счет диффузии может по значению быть близкой к деионизации вследствие рекомбинации. В дуге, горящей в узкой щели или закрытой камере, деионизация происходит главным образом за счет рекомбинации.

Из рассмотрения процессов ионизации и деионизации следует, что основным фактором, обеспечивающим горение дуги, является ее высокая температура — термическая ионизация. Отсюда следует, что всемерное интенсивное охлаждение ствола дуги является преобладающим способом ее гашения. Газы с большей теплопроводностью и теплоемкостью обладают лучшей охлаждающей способностью, а следовательно, и лучшими дугогасящими свойствами. Например, кислород, углекислый газ, водяной пар и водород имеют по отношению к воздуху теплопроводность (среднюю в пределах 0-6000 К) соответственно 1, 8; 2, 5; 5 и 17 и дугогасящие свойства соответственно 1, 8; 2, 6; 3, 8 и 7.

Размыкание контактов и появление дуги.

 

Отключение цепи ЭА представляет собой процесс изменения сопротивления между двумя контактами от нескольких мкОм до десятков и сотен МОм. Схематично процесс размыкания контактов и образования между ними изоляционного промежутка можно представить следующим образом:

при расхождении контактов контактное нажатие между ними постепенно снижается и, следовательно, уменьшается фактическая площадь их соприкосновения. В результате увеличивается плотность тока на ней и ее температура. По мере дальнейшего движения контактов температура в точках их соприкосновения возрастает и к моменту их расхождения достигает температуры плавления металла контактов. Когда контакты расходятся на сотые доли мм, то между ними образуется мостик из жидкого металла, который вытягивается и сечение его уменьшается. По мере уменьшения сечения мостик интенсивно разогревается до температуры кипения металла. Мостик взрывается и между контактами загорается электрическая дуга, горящая в парах металла. По мере расхождения контактов дуга увеличивается.

В коммутационных АВН дуга должна быть погашена как можно быстрее. Однако условия горения дуги и внешние воздействия могут быть очень разными. В соответствии с условиями принята следующая классификация дуг:

По условиям гашения:

Короткие дуги, гашение которых обуславливается процессами на электродах

Длинные (плазменные), гашение которых обуславливается процессами в канале дуги.

По характеру внешних воздействий:

Стабилизированные, горящие в трубе

Открытые, свободно горящие в воздухе

Обдуваемые, подвергаемые воздействию продольного или поперечного потока газа

Щелевые, горящие в щели, образованной стенками из теплостойкого изоляционного материала

По форме:

диффузная дуга (рассеянная)- обычно дуга с небольшим током <1000А горит в рассеянном виде

канальная (сжатая) при больших токах. Переход зависит от электродов и скорости изменения тока.

 

 

2.3 ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ Зависимости падения напряжения на стволе дуги от тока — вольтамперные характеристики дуги — приведены на рис 5-3. Кривая 1 представляет собой статическую характеристику дуги, т. е. падение напряжения на дуге при данном токе в установившемся равновесном состоянии, когда ионизация равна деионизации — подводимая к дуге мощность равна отводимой. Напряжение Uз, соответствующее началу дугового разряда на промежутке, носит название напряжения зажигания дуги. Характеристика имеет падающий характер — с ростом тока напряжение на дуге падает. Это означает, что сопротивление дугового промежутка уменьшается быстрее, чем увеличивается ток.

Если с той или иной скоростью уменьшить ток в дуге от /0 до нуля и при этом фиксировать падение напряжения на дуге, то получим ряд кривых 2, лежащих ниже кривой 1. Эти кривые носят название динамических характеристик. Чем быстрее будет уменьшаться ток, тем ниже будет лежать динамическая вольт-амперная характеристика дуги. Это объясняется тем, что при снижении тока такие параметры дуги, как сечение ее ствола, температура газа и степень ионизации, не успевают быстро измениться и приобрести значения, соответствующие меньшему значению тока при установившемся режиме. В пределе, при мгновенном изменении тока до нуля, получим прямую 3 — проводимость промежутка останется соответствующей току

 

Рис 5-4 Распределение напряжения и градиента

напряжения в стационарной дуге постоянного тока

 

/0, а ток упадет до нуля. Кривая 3 — предел, практически недостижимый. Обычно при спаде тока динамические характеристики имеют возрастающий характер. Соответствующее этим характеристикам напряжение, при котором дуга гаснет, называется напряжением гашения Uг.

Для данного дугового промежутка, материала электродов и среды имеются одна вполне определенная статическая характеристика дуги и множество динамических, заключенных между кривыми 1 и 3.

Если падение напряжения на дуге UД характеризует дуговой промежуток как проводник, то напряжения U3 и UГ характеризуют изоляционные свойства промежутка - они означают напряжения, которые необходимо приложить при данном состоянии промежутка, чтобы возбудить в нем электрическую дугу.

Падение напряжения на стационарной дуге распределяется неравномерно вдоль дуги. Картина изменения падения напряжения ил и продольного градиента напряжения Ед вдоль дуги приведена на рис. 5-4. Под градиентом напряжения понимают падение напряжения на единицу длины дуги. Как видно из рисунка, ход характеристик Uд и Eд в приэлектродных областях резко отличается от хода характеристик на остальной части дуги. У электродов, в прикатодной и прианодной областях, на промежутке длины порядка 10-4 см имеет место резкое падение напряжения, называемое катодным UK и анодным Uа. Значение этого падения напряжения зависит от материала электродов и окружающего газа. Суммарное значение прианодного и прикатодного падений напряжения составляет 15-30 В, градиент напряжения ( напряженность) достигает 105-106 В/см.

На катоде в зоне горения дуги образуется катодное пятно, которое несколько меньше поперечного сечения дуги. Катодное пятно склонно к быстрым перемещениям, плотность тока 104-107 А/см2. Температура нагрева= температуре плавления катода.

Роль анода в дуговом разряде пассивна, и даже если бы не было анодного напряжения , горение дуги было бы возможно.

В остальной части дуги, называемой стволом дуги, падение напряжения Uд практически прямо пропорционально длине дуги, т. к. ионы и электроны распределены в стволе равномерно. Градиент здесь приблизительно постоянен вдоль ствола. Он зависит от многих факторов и может изменяться в широких пределах, достигая 100-200 В/см.

 

Около электродное падение напряжения U3 не зависит от длины дуги, падение напряжения на стволе дуги пропорционально длине дуги. Таким образом, падение напряжения на дуговом промежутке

 

Отвод энергии от ствола дуги при ее гашении должен превышать энергию, выделяемую в дуге. Отвод осуществляется тепловым излучением, теплопроводностью и турбулентной конвекцией.

Распределение температуры и плотности тока по сечению ствола дуги.

 

Максимум температуры наблюдается на оси ствола дуги. Поэтому наиболее высокая степень ионизации в центре, т.е. и наибольшая электропроводность там же. К переферии температура падает и сопротивление канала возрастает при Т=4000 к через него проходит всего 0,05% всего тока, а при 3000 К всего 0,001%.

Таким образом, весь ток проходит по сечению, на границе которого Т=4000К. Это сечение и ограничивает диаметр ствола дуги, который зависит от теплопроводности газа, а также эффективности охлаждения дуги, уменьшаясь с ее повышением. С уменьшением диаметра дуги плотность тока в ней растет. В современных коммутационных аппаратах плотности колеблются от 102 до 104 А/см2.

 

Принципы гашения дуги

2.5.1.Общие положения

 
 
Для погасания дуги необходимо, чтобы напряжение, необходимое для горения дуги всегда было выше подводимого. Или через энергетические зависимости энергия ионизации д. б. меньше отводимой энергии. При отключении дуги переменного тока в ней выделится в момент гашения энергия

Энергия, запасенная в магнитном поле, будет минимальной, если дуга погаснет при первом прохождении тока через ноль. Если дуга начнет гаснуть раньше естественного перехода тока через нуль, то часть энергии магнитного поля не успеет вернуться в генератор и д.б. рассеиваться в дуге. Гашение дуги переменного тока в момент естественного прохождения тока через 0 облегчается.

Кривые изменения тока и напряжения на дуговом промежутке приведены на рис. 5-8, а. Допустим, что после прохождения тока через нуль в цепи появился ток. В момент появления тока резко возрастает напряжение на стволе дуги — это напряжение зажигания дуги Uз. За полупериод горения дуги напряжение на промежутке изменяется незначительно. При подходе тока к нулю напряжение вновь растет до напряжения гашения UT и при повторном зажигании после перехода тока через нуль снова достигает какого-то значения (7„ но противоположного знака. Соответствующая этому процессу вольт-амперная характеристика дуги за период приведена на рис. 5-8, б.

Для гашения дуги постоянного тока необходимо создать такие условия, при которых падение напряжения на стволе дуги на всем протяжении ее динамической характеристики будет больше подводимого напряжения, в пределе — напряжения сети. 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. Тепловая инерция дугового ствола, однако, оказывается довольно значительной, и в момент перехода тока через нуль температура ствола (газов) не всегда падает до прекращения термической ионизации. Переход тока через нуль не обусловливает гашение дуги, однако процессы после перехода тока через нуль в ряде случаев создают условия для ее гашения.

В открытой дуге при высоком напряжении, когда определяющим фактором является активное сопротивление сильно растянутого ствола дуги, условия гашения дуги переменного тока приближаются к условиям гашения дуги постоянного тока, и процессы после перехода тока через нуль мало влияют на гашение дуги.

 

Рис 5-8 Характеристики дуги переменного тока

В дугогаситетьных устройствах, где длина дуги незначительна и сопротивление ствола дуги практически не влияет на процесс гашения, условия гашения определяются из взаимосвязи процессов после перехода тока через нуль. Возможен также случай, когда надо считаться как с влиянием активного сопротивления, так и с условиями гашения при переходе тока через нуль

Открытая дуга переменного тока при высоком напряжении источника тока. Осциллограмма тока и напряжения на дуге приведена на рис 5-9 Гашение дуги здесь происходит главным образом вследствие растяжения дугового ствола и образования на нем высокого напряжения горения на всем протяжении полупериода Ток в цепи начинает заметно падать за несколько периодов до полного обрыва дуги. При определенной (критической) длине дуги напряжение сети оказывается недостаточным для поддержания ее горения. Наступает нарушение баланса мощностей (подводимой и отводимой), и ток в цепи быстро уменьшается и, наконец, совсем прекращается.

Дуга переменного тока в условиях активной деионизации. В дугогасительных устройствах выключателей длина ствола дуги мала и падение напряжения на стволе дуги, особенно при высоком напряжении, чрезвычайно мало по отношению к напряжению сети. При интенсивном охлаждении газовой или жидкой средой диаметр ствола дуги резко уменьшается, и его изменение следует почти синхронно с изменением тока. Во время подхода тока к нулю дуговой ствол приобретает весьма малые размеры и благодаря этому быстро разрушается после достижения током нулевого значения. Дуговой промежуток снижает свою проводимость и приобретает заметную электрическую прочность. Этому также способствует процесс перехода тока через нуль (сплошная линия на рис 5-10). Немного раньше момента естественного перехода через нуль ток дуги падает почти до нуля, а затем после перехода через нуль скачком снова достигает естественного значения, Образующаяся «бестоковая пауза» t-0 (или время ожидания пробоя tnp) способствует интенсификации деионизационных процессов и возрастанию сопротивления промежутка Повторное зажигание дуги в следующий полупериод связано с пробоем межконтактного промежутка.

Следует отметить, что при малоиндуктивной нагрузке бестоковая пауза больше, при большей индуктивности эта пауза меньше или очень мала (примерно 0, 1 мкс)

Таким образом, при каждом переходе тока через нуль возникает «соревнование» двух процессов, а именно процесса восстановления электрической прочности Um промежутка и процесса восстановления напряжения Uv на промежутке. Если нарастание эл. прочности будет опережать нарастание напряжения Uв на нем, то дуга погаснет при переходе тока через 0. Если же нарастание эл.прочности промежутка пройдет медленнее, то в момент времени, соответствующий т. О произойдет повторное зажигание дуги. В цепи появится ток iд и напряжение на дуге. Uз – напряжение зажигания. Рационально, если гашение осуществляется в первый после размыкания контактов переход тока через 0.

Рис 5-10 Переход тока через нуль

 

 

Рис.5.11. Процессы после перехода тока через нуль; а – при гашении дуги, б – при повторном зажигании.

Рис. 5-14. восстановление электрической прочности коротких промежутков

Рис. 5-13. К анализу процессов в коротком дуговом промежутке: а — картина распределения заряженных частиц, б — изменение градиента напряжения по длине промежутка; в — распределение восстанавливающегося напряжения по промежутку

 

Восстановление электрической прочности междуконтактного промежутка

Под восстанавливающейся эл. прочностью дугового промежутка понимается пробивное напряжение, которое способно вызвать повторное зажигание дуги в этом промежутке.

В момент перехода тока через 0 промежутку уже присуща некоторая эл. прочность (нач. восстан. прочность.). Эта прочность меняется в зависимости от условий, создаваемых в промежутке.

Восстановление прочности коротких промежутков.

Короткими наз. промежутки, у которых эл.прочность определяется явлениями у электродов.

Эти явления зависят от состояния и свойств электродов и газовой среды, находящейся между ними. Рассмотрим явления у электродов при переходе тока через нуль. При этом сделаем допущение, что катод «холодный» и что температура газа в околокатодном слое недостаточна для возникновения термической ионизации, т. е. термоэлектронная эмиссия и термическая ионизация отсутствуют. Допустим, что последуговая плазма имеет равномерную плотность во всем пространстве и что плотности положительных и отрицательных частиц равны между собой. Тогда при появлении между электродами (рис. 5-13) разности потенциалов (начало процесса восстановления напряжения) отрицательные частицы начнут двигаться к аноду, а положительные — к катоду. Учитывая, что подвижность электронов во много раз выше (до 1000 раз) подвижности ионов, то в очень короткое время от начала восстановления прочности промежутка электроны уйдут из околокатодного пространства, а ионы останутся на месте. При этом у катода возникнет зона пространственного положительного заряда, и эту зону можно считать диэлектриком. Разность потенциалов оказывается приложенной к этой зоне пространственного заряда, однако распределение напряженности электрического поля и восстанавливающегося напряжения вдоль этой зоны будет неравномерным, как это показано на рис. 5-13, 6 и в. Максимальной напряженности электрическое поле достигает у поверхности катода и зависит (как и толщина слоя пространственного заряда) от плотности заряженных частиц и приложенного к промежутку напряжения.

Когда электроды (контакты) остаются «холодными», то основной причиной пробоя промежутка может быть автоэлектронная эмиссия (если максимальная напряженность электрического поля у катода достигает 105 — 107 В/см). При отсутствии автоэлектронной эмиссии восстанавливающаяся прочность промежутка может быть весьма высокой и процесс может протекать, как это показано на рис. 5-14. При нарастании прочности промежутка по кривой 1 повторного зажигания дуги не произойдет, а при нарастании прочности по кривой 3 повторное зажигание произойдет в точке О — точке пересечения кривой 3 с кривой 2 — кривой восстанавливающегося напряжения. Кривая 4 представляет собой Uд,. Восстанавливающаяся прочность в момент перехода тока через нуль скачком достигает некоторого значения Unp0, а затем постепенно возрастает во времени. При этом начальная восстанавливающаяся прочность Unp0 (t < 1 мкс) может быть до 200 В.

Если в газе содержатся пары металла, а электроды «горячие», т. е. имеется термоэлектронная эмиссия, то значение начальной прочности Unp0 может колебаться в широких пределах и уменьшаться до нескольких десятков вольт.

Восстановление прочности длинных дуговых промежутков в выключателях с активной деионизацией дугового ствола. Восстановление прочности в этом случае определяется быстрым распадом дуговой плазмы (дугового ствола) после перехода тока через нуль (см. рис. 5-11).

Существует два типа пробоя промежутка: тепловой и электрический. При тепловом пробое дуговая плазма (остаточный дуговой ствол) сохраняет некоторую проводимость, и по промежутку протекает остаточный ток iост=. Uвост/Rост. В результате происходит разогрев плазмы и термическая ионизация усиливается. Если рассеиваемая остаточным стволом мощность будет превосходить подводимую, температура снизится, сопротивление возрастет, то восстановление прочности промежутка будет опережать восстановление напряжения и дуга окончательно погаснет (см. рис. 5-11, а). Если же подводимая к остаточному стволу мощность будет превосходить рассеиваемую, то начнется рост остаточного тока, разогрев плазмы и в какой-то момент наступит тепловой пробой. Ток дуги восстановится (см. рис. 5-11, 6).

При электрическом пробое после перехода тока через 0 количество зарядов в промежутке низкое и промежуток имеет большое остаточное сопротивление. Восстанавливающееся напряжение стремится пробить этот промежуток. Пробой возникает в результате лавинообразного процесса ударной ионизации.

Тот или иной тип пробоя определяется начальными параметрами остаточного столба дуги и параметрами воздушного потока.

Процесс восстановления зависит от диаметра дуги и сопротивления дуги, которое в свою очередь зависит от давления газа. Чем давление больше, тем выше сопротивление.

Существенное влияние оказывает скорость спада тока при подходе к нулевому значению. Эта скорость зависит от амплитуды тока, шунтирующего конденсатора или резистора и воздействия на дугу охлаждающего потока. Опыт показал, что чем выше перепад давления, тем больше скорость спада тока.

Очень важным параметром является тепловая постоянная времени дугового столба. Чем она меньше, тем быстрее дуговой столб охлаждается, снижается его температура, восстанавливается электрическая прочность.

2.5.3.. Восстановление напряжения на контактах

Процессы восстановления напряжения и электрической прочности промежутка взаимосвязаны, и эта взаимосвязь довольно сложна и еще недостаточно изучена.

На рис. 5-14 показан процесс восстановления напряжения при идеализированном выключателе. Было принято, что напряжение на дуге равно нулю, а после перехода тока через нуль сопротивление промежутка становится сразу равным бесконечности. При таком предположении восстановление напряжения на выключателе начинается с нуля, а не с пика гашения Ur, и на затухание восстанавливающегося напряжения влияют только параметры цепи. Частота и амплитуда колебаний переходного процесса определяются индуктивностью L, емкостью С и сопротивлением R источника тока и цепи. Частота колебательного процесса равна

и лежит в пределах тысяч герц.

В действительности восстанавливающееся напряжение зависит не только от R, L и С цепи, но и от остаточной проводимости самого межконтактного промежутка. Последняя зависит от свойств дугогасительных устройств, которые весьма разнообразны. В общем случае процесс восстановления напряжения на контактах может иметь апериодический или периодический характер, схематично показанный на рис. 5-15.

Рис. 5-15. Процессы при восстановлении напряжения на дуговом промежутке

На рис. 5-15, а и б ток взят отстающим от ЭДС на 90°, что весьма близко к реальным условиям при коротких замыканиях в сетях переменного тока. При апериодическом процессе максимальное значение восстанавливающегося напряжения не может быть выше ЭДС источника. При периодическом процессе Uвмах практически не превосходит 2Еm. Ввиду большой разности частоты переходного процесса и частоты сети (50 Гц) ЭДС сети за время переход процесса можно считать постоянной. Весь процесс восстановления напряжения составляет десятки (сотни) микросекунд.

Возьмем второй крайний случай — отключение активной цепи: L->0; (\ Здесь ток совпадает по фазе с ЭДС (рис. 5-15, в). Ток и ЭДС переходят через нуль одновременно, восстанавливающееся напряжение на контактах нарастает нуля с частотой сети. Тем самым отключение активной нагрузки происходит существенно легче, чем индуктивной.

 

2.5.4.Принципы гашения дуги.

Повышение Напряжения дуги путем ее растягивания.

Уменьшение температуры дуги.

Диффузия охлаждающей среды в зону горения дуги (как следствие – повышение сопротивления канала).

 

ВОЗДУШНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

 

Общие положения

 

Широкое применение воздушных выключателей обусловлено их способностью удовлетворять любому предъявляемому к ним требованию, в отношении как технических параметров, так и эксплуатационных характеристик. В немалой мере этому способствует то обстоятельство, что конструктивно воздушные выключатели оказались хорошо приспособлены для различных условий работы современных распредустройств высокого напряжения, от сравнительно небольших выключателей для КРУ до мощных воздушных выключателей с металлическими гасительными камерами под высоким потенциалом. Их довольно легко приспособить как для внутренней, так и для наружной установки.

Однако, несмотря на свои высокие технические характеристики, удовлетворявшие самым жестким требованиям энергосистем, эти выключатели оставляют желать лучшего в экономическом отношении, так как одновременно с совершенствованием воздушных выключателей все больше выдвигаемых технических требований удовлетворяется другими типами выключателей. Поэтому ничего удивительного нет в том, что когда иные типы выключателей оказывались экономически более эффективными, чем существовавшие в то время воздушные выключатели, последние постепенно начали терять ту лидирующую роль, которую они до того играли.

В настоящее время наибольшее развитие получил другой тип газового выключателя — элегазовый, способный по техническим данным догнать воздушные выключатели на самые высокие параметры.

Главная задача при разработке новых, более совершенных воздушных выключателей заключается не столько в использовании их относительно хорошо изученных технических возможностей, а в создании таких выключателей, которые, с одной стороны, удовлетворяли бы постоянно растущим техническим требованиям, а с другой — были бы экономически целесообразны, с тем, чтобы суммарные расходы на их приобретение и обслуживание были равны или даже ниже, чем таковые у конкурирующих типов выключателей. Поэтому при оценке достоинств той или иной конструкции воздушного выключателя следует учитывать не только их электрические или механические характеристики, обусловленные свойствами сжатого воздуха, но и в комплексе все характерные их показатели, связанные с разработкой, изготовлением, монтажом, а также текущими эксплуатационными расходами на их обслуживание в энергосистемах.

Согласно вышеизложенному можно сформулировать следующие основные преимущества, получаемые при использовании сжатого воздуха в выключателях:

Исключается загрязнение окружающей среды и опасность для здоровья обслуживающего персонала; снижаются эксплуатационные расходы, связанные с заполнением выключателя дугогасящей средой и заменой ее. Это в какой-то мере оправдывает применение в конструкции выключателя технических решений, несколько более дорогих в производстве и в эксплуатации.

При работе выключателя не возникает столь сильных динамических нагрузок на элементы конструкции, как у выключателей с жидкой дугогасящей средой.

Высокая скорость движения воздушного потока и распространения волн позволяет запасать дугогасящую среду вдали от зоны гашения дуги, а в момент коммутации довольно легко подводить ее в эту зону. Воздушные выключатели легко могут быть выполнены быстродействующими. Низкая вязкость сжатого воздуха обеспечивает активное его взаимодействие с дугой отключения, при котором он непрерывно следует за расширением и сжатием ее столба, что обеспечивает малое время горения дуги и уменьшает эрозию контактов.

megalektsii.ru

Электрическая дуга

Электротехника Электрическая дуга

просмотров - 107

В коммутационных электрических аппаратах, предна­значенных для замыкания и размыкания цепи с током, при отключении возникает разряд в газе либо в виде тлеющего разряда, либо в виде дуги. Тлеющий разряд возникает тогда, когда отключаемый ток ниже 0,1 А, а напряжение на контактах достигает величины 250 – 300 В. Такой разряд встречается либо на контактах ма­ломощных релœе, либо как переходная фаза к разряду в виде электрической дуги.

Основные свойства дугового разряда:

- дуговой разряд имеет место только при токах большой величины; минимальный ток дуги для металлов со­ставляет примерно 0,5 А;

- температура центральной части дуги очень вели­ка и в аппаратах может достигать 6000 – 18000 К;

- плотность тока на катоде чрезвычайно велика и достигает 102 – 103 А/мм2;

- падение напряжения у катода составляет всœего 10 – 20 В и практически не зависит от тока.

В дуговом разряде можно различить три характер­ные области: околокатодную, область столба дуги (ствол дуги) и околоанодную (рис. 2.2.).

В каждой из этих областей процессы ионизации и деионизации протекают по-разному в зависимо­сти от условий, которые там существуют. Поскольку ре­зультирующий ток, проходящий через эти три области, одинаков, в каждой из них происходят процессы, обес­печивающие возникновение крайне важного количества за­рядов.

Рис. 2.2. Распределœение напряжения и напряжённости электрического поля

в стационарной дуге постоянного тока

Термоэлектронная эмиссия.Термоэлектронной эмиссией принято называть явление испускания электронов из накаленной поверхности.

При расхождении контактов резко возрастают переходное сопротивление контакта и плотность тока в последней площадке контактирования. Эта площадка нагревается до температуры плавления и образования контактного перешейка из расплавленного металла, который при дальнейшем расхождении контактов рвется. Здесь происходит испарение металла контактов. На отрицательном электроде образуется так назы­ваемое катодное пятно (раскаленная площадка), ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ служит основа­нием дуги и очагом излучения элект­ронов в первый момент расхождения контактов. Плотность тока термо­электронной эмиссии зависит от тем­пературы и материала электрода. Она невелика и может быть достаточной для возникновения электрической ду­ги, но она недостаточна для ее го­рения.

Автоэлектронная эмиссия.Это –явление испускания электронов из ка­тода под воздействием сильного электрического поля.

Место разрыва электрической цепи может быть представлено как конден­сатор переменной емкости. Емкость в начальный момент равна бесконеч­ности, затем убывает по мере расхождения контактов. Через сопротивление цепи данный конденсатор заряжается, и напряжение на нем растет постепенно от нуля до напряжения сети. Одновременно увеличивается расстояние между контактами. Напряженность поля между контактами во время нарастания напряжения проходит через значения, превышающие 100 МВ/см. Такие значения напряженности электрического поля достаточны для вырывания электронов из холодного катода.

Ток автоэлектронной эмиссии также весьма мал и может служить только началом развития дугового разряда.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, возникновение дугового разряда на расходящихся контак­тах объясняется наличием термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий. Преобладание того или иного фактора зависит от значения отключаемого тока, материала и чистоты поверхности контактов, скорости их расхождения и от ряда других факторов.

Ионизация толчком.В случае если свободный электрон будет обладать достаточной скоростью, то при столкновении с нейтральной частицей (атом, а иногда и молекула) он может выбить из неё электрон. В результате получатся новый свободный электрон и положительный ион. Вновь полученный электрон может, в свою очередь, ионизировать следующую частицу. Такая ионизация носит название ионизации толчком.

Для того чтобы электрон мог ионизировать частицу газа, он должен двигаться с некоторой определœенной скоростью. Скорость электрона зависит от разности потенциалов на длинœе его свободного пробега. По этой причине обычно указывается не скорость движения электрона, а то минимальное значение разности потенциалов, какое крайне важно иметь на длинœе свободного пути, чтобы электрон к концу пути приобрел необходимую скорость. Эта разность потенциалов носит название потенциала ионизации.

Потенциал ионизации для газов составляет 13 – 16 В (азот, кислород, водород) и до 24,5 В (гелий), для паров металла он примерно в два раза ниже (7,7 В для паров меди).

Термическая ионизация.Это – процесс ионизации под воздействием высокой температуры. Поддержание дуги после ее возникновения, ᴛ.ᴇ. обеспечение возникшего дугового разряда достаточным числом свободных зарядов, объяс­няется основным и практически единственным видом ионизации – термической ионизацией.

Температура столба дуги с среднем равна 6000 – 10000 К, но может достигать и более высоких значений – до 18000 К. При такой температуре сильно возрастает как число быстро движущихся частиц газа, так и скорость их движения. При столкновении быстро движущихся атомов или молекул большая часть их разрушается, образуя заряженные частицы, ᴛ.ᴇ. происходит иони­зация газа. Основной характеристикой термической ионизации является сте­пень ионизации, представляющая собой отношение числа ионизированных атомов в дуговом промежутке к общему числу атомов в этом промежутке. Одновременно с процессами ионизации в дуге происходят обратные процессы, т. е. воссоединœение заряженных частиц и образование нейтральных частиц. Эти процессы носят название деионизации.

Деионизация происходит главным образом за счет рекомбинации и диф­фузии.

Рекомбинация.Процесс, при котором различно заряженные частицы, при­ходя во взаимное соприкосновение, образуют нейтральные частицы, принято называть рекомбинацией.

В электрической дуге отрицательными частицами являются в основном электроны. Непосредственное соединœение электронов с положительным ионом ввиду большой разности скоростей маловероятно. Обычно рекомбинация происходит при помощи нейтральной частицы, которую электрон заряжает. При соударении этой отрицательно заряженной частицы с положительным ионом образуется одна или две нейтральные частицы.

Диффузия.Диффузия заряженных частиц представляет собой процесс выноса заряженных частиц из дугового промежутка в окружающее пространство, что уменьшает проводимость дуги.

Диффузия обусловлена как электрическими, так и тепловыми факторами. Плотность зарядов в столбе дуги возрастает от периферии к центру. Ввиду этого создается электрическое поле, заставляющее ионы двигаться от центра к периферии и покидать область дуги. В этом же направлении действует и разность температур столба дуги и окружающего пространства. В стабилизированной и свободно горящей дуге диффузия играет ничтожно малую роль.

Падение напряжения на стационарной дуге распределяется неравномерно вдоль дуги. Картина изменения падения напряжения UД и напряжённости электрического поля (продольного градиента напряжения) ЕД = dU/dx вдоль дуги приведена на рисунке (см. рис 2.2). Под градиентом напряжения ЕД по­нимается падение напряжения на единицу длины дуги. Как видно из рисунка, ход харак­теристик UД и ЕД в приэлектродных областях резко отличается от хода характе­ристик на остальной части дуги. У электродов, в прикатодной и прианодной об­ластях, на промежутке дли­ны порядка 10– 4 см имеет место резкое падение напря­жения, называемое катод­ным Uк и анодным Uа. Значение этого падения на­пряжения зависит от мате­риала электродов и окружа­ющего газа. Суммарное зна­чение прианодного и прикатодного падений напряжений составляет 15 – 30 В, градиент напряжения достигает 105 – 106 В/см.

В остальной части дуги, называемой столбом дуги, падение напряжения UД практически прямо пропорционально длинœе дуги. Градиент здесь приблизительно постоянен вдоль ствола. Он зависит от многих факторов и может изменяться в широких пределах, достигая 100 – 200 В/см.

Околоэлектродное падение напряжения UЭ не зависит от длины дуги, падение напряжения в столбе дуги пропорционально длинœе дуги. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, падение напряжения на дуговом промежутке

UД = UЭ + ЕД lД,

где: ЕД – напряжённость электрического поля в столбе дуги;

lД – длина дуги; UЭ = Uк + Uа.

В заключение следует ещё раз отметить, что в стадии дугового разряда преобладает термическая ионизация – разбиение атомов на электроны и положительные ионы за счёт энергии теплового поля. При тлеющем – возникает ударная ионизация у катода за счет соударения с электронами, разгоняемыми электри­ческим полем, а при таунсендовском разряде ударная ионизация пре­обладает на всём промежутке газового разряда.

Читайте также

  • - Электрическая дуга и ее свойства

    При рассмотрении электрической дуги, будем рассматривать дугу прямого действия. Сварочной дугой называется мощный электрический разряд между электродами, находящимися в среде ионизированных газов и паров металла. Расстояние между электродами называется областью... [читать подробенее]

  • - Электрическая дуга

    В коммутационных электрических аппаратах, предна­значенных для замыкания и размыкания цепи с током, при отключении возникает разряд в газе либо в виде тлеющего разряда, либо в виде дуги. Тлеющий разряд возникает тогда, когда отключаемый ток ниже 0,1 А, а напряжение на... [читать подробенее]

  • - ЛЕКЦИЯ №5. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА

    В коммутационных электрических аппаратах, предназначенных для замыкания и размыкания цепи с током, при отключении возникает электрический разряд в газе либо в виде в виде тлеющего разряда, либо в виде дуги. Тлеющий разряд возникает когда ток ниже 0,1А, а напряжение на... [читать подробенее]

  • oplib.ru

    Электрическая дуга в высоковольтных выключателях. Методы гашения электрической дуги

    

    Описание процесса отключения электрической цепи переменного тока при коротком замыкании

    При размыкании контактов выключателя ток не прерывается. Согласно закону Ленца в цепи возникает ЭДС ЕL=-Ldi/dt, препятствующая изменению тока. Последний находит для себя путь через газовый промежуток между расходящимися контактами выключателя, который перекрывается электрической дугой. Чтобы прервать ток, дуга должна быть погашена. В цепях переменного тока благоприятные условия для гашения дуги возникают каждый раз, когда ток приходит к нулю, т.е. 2 раза в течение каждого периода. Диаметр дугового столба, температура и ионизация газа резко уменьшаются. В некоторый момент времени ток приходит к нулю и дуговой разряд прекращается. Однако цепь еще не прервана.

    После нуля тока в газовом промежутке, еще в некоторой мере ионизованном, продолжается процесс деионизации, т.е. процесс превращения его из проводника в диэлектрик, а в электрической цепи начинается процесс восстановления напряжения на контактах выключателя от относительно небольшого напряжения на дуге до напряжения сети. Эти процессы взаимосвязаны. Исход взаимодействия дугового промежутка с электрической цепью зависит от соотношения между энергией, подводимой к промежутку, и потерями энергии в нем, зависящими от дугогасительного устройства выключателя.

    Если в течение всего переходного процесса потери энергии преобладают, дуга не возникнет вновь и цепь будет прервана. В противном случае дуга возникнет вновь и ток будет проходить еще в течение половины периода, после чего процесс взаимодействия повторится. Функция выключателя заключается не столько в том, чтобы «погасить» дугу, а скорее в том, чтобы исключить возможность ее нового зажигания путем эффективной деионизации промежутка различными искусственными средствами. При этом используется исключительное свойство газа - быстро, в течение нескольких микросекунд, превращаться из проводника в диэлектрик, способный противостоять восстанавливающемуся напряжению сети.

    Для понимания устройства и работы выключателей необходимо ознакомиться с физическими процессами в дуговом промежутке в процессе отключения. В этой статье рассмотрены методы гашения дуги в воздушных и масляных выключателях.

    Физические процессы в дуговом промежутке выключателя при высоком давлении

    Электрической дугой, точнее дуговым разрядом, называют самостоятельный разряд в газе, т.е. разряд, протекающий без внешнего ионизатора, характеризующийся большой плотностью тока и относительно небольшим падением напряжения у катода. Ниже рассмотрена дуга высокого давления, т.е. дуговой разряд при атмосферном и более высоком давлении.

    Различают следующие области дугового разряда:

    • область катодного падения напряжения;
    • область у анода;
    • столб дуги.

    Область катодного падения напряжения представляет собой тончайший слой газа у поверхности катода. Падение напряжения в этом слое составляет 20-50 В, а напряженность электрического поля достигает 105106 В/см. Энергия, подводимая из сети к этой области, используется на выделение электронов с поверхности катода.

    Механизм освобождения электронов может быть двояким:

    • термоэлектронная эмиссия при тугоплавких и огнеупорных электродах (вольфрам, уголь), температура которых может достигнуть 6000 К и выше
    • автоэлектронная эмиссия, т.е. вырывание электронов из катода действием сильного электрического поля при «холодном» катоде.

    Плотность тока на катоде достигает 3000-10000 А/см5. Ток сосредоточен на небольшой ярко освещенной площадке, получившей название катодного пятна. Освобождающиеся электроны движутся через дуговой столб к аноду.

    У анода положительные ионы приобретают ускорение в направлении к катоду. Электроны уходят в анод и образуют в тонком слое отрицательный заряд. Падение напряжения у анода составляет 10-20 В.

    Процессы в дуговом столбе представляют наибольший интерес при изучении выключателей, поскольку для гашения дуги используют различные виды воздействия именно на дуговой столб. Последний представляет собой плазму, т.е. ионизованный газ с очень высокой температурой и одинаковым содержанием электронов и положительных ионов в единице объема.

    Высокую температуру в дуговом столбе создают и поддерживают электроны и ионы, участвующие в тепловом хаотическом движении нейтральных молекул и атомов, но имеющие также направленное движение в электрическом поле вдоль оси дуги, определяемое знаком заряда частиц. Этому движению препятствует нейтральный газ. Происходят частые соударения электронов и ионов с нейтральными частицами. Поскольку длина свободного пробега электронов при высоком давлении мала, потеря энергии при упругих столкновениях с молекулами и атомами, приходящаяся на каждое столкновение, мала и недостаточна для ионизации частиц. Однако число столкновений, претерпеваемых электронами, весьма велико. В результате энергия электронов передается нейтральному газу в виде тепла.

    Средняя энергия «электронного газа» не может сколько-нибудь заметно превысить среднюю энергию нейтрального газа, поскольку дополнительная энергия, приобретаемая электронами и ионами в своем направленном движении вдоль оси лугового столба, мала по сравнению с тепловой энергией газа. Следовательно, ионы, электроны, а также нейтральные атомы и молекулы находятся в тепловом равновесии. При этом удельная ионизация дугового столба полностью определяется температурой и при изменении одной из этих величин неизбежно изменяется и другая.

    Поскольку при высоком давлении газа атомы и молекулы подавляющим образом преобладают над электронами и имеют почти ту же высокую температуру, большая часть возбужденных и ионизованных атомов и молекул получается при соударениях между нейтральными частицами, а не при столкновениях с электронами. Таким образом, электроны ионизуют не непосредственно при соударениях с нейтральными частицами (как это происходит в вакууме), а косвенно, повышая температуру газа в дуговом столбе. Такой механизм ионизации называют термической ионизацией. Источником энергии, необходимой для термической ионизации, является электрическое поле.

    В дуговом столбе имеются потери энергии, которые в установившемся состоянии уравновешиваются энергией, получаемой из сети. Основная часть энергии уносится из дугового столба возбужденными и ионизованными атомами и молекулами. Вследствие разности концентраций заряженных частиц в дуговом столбе и окружающем пространстве, а также разности температур ионы диффундируют к поверхности дугового столба, где происходит их нейтрализация. Эти потери должны восполняться образованием новых ионов и электронов, связанным с затратой энергии. В установившемся состоянии градиент напряжения в столбе дуги всегда таков, что имеющая место ионизация компенсирует потери электронов через рекомбинацию. Градиент напряжения зависит от свойств газа, состояния, в котором он находится (спокойное, турбулентное), а также от давления и тока. При повышении давления газа градиент напряжения увеличивается вследствие уменьшения свободного пробега электронов. С увеличением тока градиент напряжения уменьшается, что объясняется увеличением площади сечения и температуры дугового столба. Дуговой столб стремится принять такое сечение, чтобы в рассматриваемых условиях потери энергии были минимальны.

    Вольт-амперные характеристики дуги

    Зависимость градиента напряжения Е=dU/dl в столбе дуги от тока при очень медленном изменении последнего представляет собой статическую характеристику дуги (рис.1,а), зависящую от давления и свойств газа.

    Вольт-амперные характеристики дуги

    Рис.1. Вольт-амперные характеристики дуги: а - статическая характеристика; б - динамические характеристики

    В установившемся состоянии каждой точке характеристики соответствуют некоторое сечение и температура дугового столба. При изменении тока дуговой столб должен изменить свое сечение и температуру применительно к новым условиям. Эти процессы требуют времени, и поэтому новое установившееся состояние наступает не сразу, а с некоторым запозданием. Это явление называют гистерезисом.

    Допустим, что ток внезапно изменился от значения I1 (точка 1) до значения I2 (точка 2). В первый момент дуга сохранит свои сечения и температуру, а градиент уменьшится (точка 2'). Подводимая мощность будет меньше необходимой для проведения тока I2. Поэтому сечение и температура начнут уменьшаться, а градиент увеличиваться, пока не наступит новое установившееся состояние в точке 2 на статической характеристике. При внезапном увеличении тока от значения I1 до значения I3 градиент напряжения увеличится (точка 3'). Подводимая к дуге мощность будет больше необходимой для проведения тока I3. Поэтому сечение и температура столба начнут увеличиваться, а градиент напряжения уменьшаться, пока не наступит новое установившееся состояние в точке 3 на статической характеристике.

    При плавном изменении тока с некоторой скоростью градиент напряжения не успевает следовать за изменением тока в соответствии со статической характеристикой. При увеличении тока градиент напряжения превышает значения, определяемые статической характеристикой, а при уменьшении тока градиент напряжения меньше этих значений. Кривые E=f(I) при изменении тока с некоторой скоростью представляют собой динамические характеристики дуги (сплошные линии на рис.1,б).

    Положение этих характеристик по отношению к статической характеристике (см. пунктирную кривую) зависит от скорости изменения тока. Чем медленнее происходит изменение тока, тем ближе расположена динамическая характеристика к статической. В заданных условиях дугового разряда может быть только одна статическая характеристика. Число динамических характеристик не ограничено.

    При анализе электрических цепей принято оперировать понятием сопротивления. Поэтому говорят и о сопротивлении дуги, понимая под этим отношение напряжения у электродов к току. Сопротивление дуги непостоянно. Оно зависит от тока и многих других факторов. По мере увеличения тока сопротивление дуги уменьшается.

    Напряжение на дуге при переменном токе

    Рис.2. Напряжение на дуге при переменном токе: а - напряжение дуги как функция тока;6 - напряжение дуги как функция времени

    Вольт-амперная характеристика дуги переменного тока показана на рис.2,а. В течение четверти периода, когда ток увеличивается, кривая напряжения лежит выше статической характеристики. Следующую четверть периода, когда ток уменьшается, кривая напряжения лежит ниже статической характеристики.

    Дуга зажигается в точках 1 и 3 и угасает в точках 2 и 4. На рис.2,б показана характеристика дуги как функции времени. Интервалы 2-3 и 4-1 соответствуют неустойчивому состоянию, при котором происходит интенсивное взаимодействие дуги с постоянными цепи R, L и С. Эти короткие интервалы времени, продолжительность которых составляет несколько микросекунд, используются для интенсивной деионизации промежутка между контактами выключателя, чтобы воспрепятствовать новому зажиганию дуги. В зависимости от условий процесс взаимодействия может закончиться двояко: или дуга погаснет и цепь будет прервана, или дуга возникнет вновь и процесс взаимодействия повторится через половину периода при более благоприятных условиях.

    Гашение дуги в воздушных выключателях

    В воздушных выключателях дуга гасится в потоке воздуха высокого давления. Гасительное устройство выключателя (рис.3,а) представляет собой камеру, в которой помещены два сопла, служащие одновременно контактами. Выхлопные стороны сопел соединены с областью низкого давления. При разведении контактов вследствие разности давлений возникает поток воздуха, направленный в сопла симметрично в обе стороны.

    Дугогасительное устройство воздушного выключателя с двухсторонним дутьем

    Рис.3. Дугогасительное устройство воздушного выключателя с двухсторонним дутьем: а - схема;б - распределение давления вдоль оси

    На рис.3,б показано распределение давления вдоль оси. В середине промежутка между соплами имеется точка торможения потока, давление в которой обозначено через рo.

    В обе стороны от этой точки давление уменьшается и достигает в горловинах сопел приблизительно половины рo. За горловинами давление продолжает падать до давления выхлопа.

    Процесс гашения дуги протекает следующим образом. Между размыкающимися контактами возникает дуга, которая под действием воздушного потока быстро переносится вдоль оси. При этом опорные пятна дуги перемещаются внутрь сопел по потоку, как показано на рис.3. Дуга в промежутке между соплами имеет цилиндрическую форму.

    Распределение температуры в поперечном направлении на участке между соплами

    Рис.4. Распределение температуры в поперечном направлении на участке между соплами: а - дуга;в - тепловой пограничный слой

    Распределение температуры в поперечном направлении показано на рис.4. В зоне дуги а она составляет приблизительно 20000 К и резко спадает к тепловому пограничному слою в, образующемуся около дуги. Здесь температура изменяется в пределах от 2000 К до температуры холодного воздуха. По мере подхода тока к нулю диаметр цилиндрической части дуги быстро уменьшается. При токе, равном нулю, он меньше 1 мм. Однако температура в этой части дуги еще очень высока (15000 К).

    Важнейшим фактором, способствующим гашению дуги, является турбулентность в пограничном слое между дугой и окружающим ее относительно холодным воздухом. Вследствие высокой температуры дуги плотность газа в столбе приблизительно в 20 раз меньше, чем в окружающей среде. Поэтому скорость газа внутри дугового столба значительно выше скорости в соседних слоях (скорость обратно пропорциональна корню квадратному из плотности). Вследствие диффузии частиц из области с большой скоростью в область с малой скоростью и обратно в пограничном слое возникают значительные срезывающие силы, образуются вихри и весь объем приобретает высокую турбулентность. В дуговой столб вносится относительно холодный неионизованный газ, вследствие чего столб теряет свою однородность. Он расщепляется на тысячи тончайших проводящих нитей, непрерывно изменяющих свою форму и положение (рис.5).

    Влияние турбулентности на столб дуги вблизи нуля тока (схема)

    Рис.5. Влияние турбулентности на столб дуги вблизи нуля тока (схема)

    Они имеют высокую температуру и высокую удельную ионизацию и окружены холодным слабо ионизованным газом. Известно, что скорость диффузии из цилиндрического объема обратно пропорциональна квадрату диаметра. Чем тоньше ионизованные нити, тем быстрее происходит обмен частиц с окружающей более холодной и менее ионизованной средой. Турбулентность увеличивает диффузию во много раз. Она проявляется особенно резко в горловинах сопел, где скорость плазмы максимальна - 6000 м/с. После нуля тока в течение короткого промежутка времени, исчисляемого микросекундами, происходит распад проводящего канала и дальнейшее уменьшение температуры определяется тепловым пограничным слоем, остывание которого происходит значительно медленнее.

    Схема замещения, поясняющая влияние сопротивления дуги и емкости

    Рис.6. Схема замещения, поясняющая влияние сопротивления дуги и емкости

    Взаимодействие дуги с электрической цепью

    Рис.7. Взаимодействие дуги с электрической цепью

    Существенное влияние на процесс отключения оказывает сопротивление дуги и емкость, включенная параллельно дуговому промежутку (рис.6). Если пренебречь сопротивлением дуги, ток i0=Imsinɷt подходит к нулю практически линейно (рис.7). Однако сопротивление дуги не равно нулю. Поэтому ток iB в дуговом промежутке выключателя уменьшается:

    (1)

    где t0 - момент размыкания контактов.

    Как видно из рисунка, напряжение на дуге изменяется в соответствии с вольт-амперной характеристикой. Скорость снижения тока существенно уменьшается в течение последних 5...10 мкс до прихода его к нулю. Это время мало, но оно в несколько раз больше постоянной времени дуги и поэтому существенно влияет на состояние дуги при нуле тока (точка 1). Дуга легко угасает. Сопротивление дуги видоизменяет и кривую ПВН. Процесс восстановления напряжения начинается в точке 1; напряжение достигает максимума в точке 2, когда iL=iC=0.

    Этап возможного теплового пробоя

    Если температура газа в промежутке не снизится до некоторого критического значения, определяемого свойством газа и давлением, промежуток сохранит свою проводимость после нуля тока (точка 1) и под действием ПВН возникнет ток остаточной проводимости (рис.8).

    Погасание дуги с задержкой, вызванной появлением тока остаточной проводимости

    Рис.8. Погасание дуги с задержкой,вызванной появлением тока остаточной проводимости

    При благоприятных условиях он невелик и быстро затухает (точка 2). Однако если процесс охлаждения недостаточно интенсивен, ток остаточной проводимости увеличивается; происходит повторный разогрев плазмы, возобновляется процесс ионизации и дуга возникает вновь. Это явление получило название теплового пробоя, так как электрический пробой невозможен, поскольку промежуток ионизован и не приобрел еще электрической прочности.

    Произойдет такой пробой или нет, зависит от исхода двух взаимосвязанных процессов, протекающих в промежутке, из которых один определяется интегралом во времени подводимой мощности (произведения тока и напряжения на промежутке), а второй - интегралом во времени потерь, вызванных теплопроводностью и конвекцией. Это означает, что процесс взаимодействия продолжится до тех пор, пока ток не исчезнет или дуга не возникнет вновь. Явление теплового пробоя характерно для первых 20 мкс после нуля тока в условиях, когда скорость восстанавливающеюся напряжения велика, например при неудаленных КЗ.

    Этап возможного электрического пробоя

    Если тепловой пробой не произошел, межконтактный промежуток продолжает подвергаться воздействию ПВН. Дуговой канал имеет еще повышенную температуру и пониженную плотность. Спустя несколько сотен микросекунд после нуля тока, когда ПВН достигает максимального значения, наступает этап возможного электрического пробоя. В основе его лежит не баланс энергий, а процесс образования электронов в электрическом поле. Если увеличение концентрации электронов превысит некоторое критическое значение, то произойдет образование искры, которая перейдет в дуговой разряд.

    Гашение дуги в масляных выключателях

    В масляных выключателях контакты размыкаются в масле, однако вследствие высокой температуры дуги, образующейся между контактами, масло разлагается и дуговой разряд происходит в газовой среде. Приблизительно половину этого газа (по объему) составляют пары масла. Остальная часть состоит из водорода (70%) и углеводородов различного состава. Газы эти горючи, однако в масле горение невозможно из-за отсутствия кислорода. Количество масла, разлагаемого дугой, невелико, но объем образующихся газов велик. Один грамм масла дает приблизительно 1500 см3 газа, приведенного к комнатной температуре и атмосферному давлению.

    Гашение дуги в масляных выключателях происходит наиболее эффективно при применении гасительных камер, которые ограничивают зону дуги, способствуют повышению давления в этой зоне и образованию газового дутья сквозь дуговой столб. На рис.9 приведена схема простейшей гасительной камеры.

    Схема простейшей гасительной камеры масляного выключателя

    Рис.9. Схема простейшей гасительной камеры масляного выключателя

    В процессе отключения контактный стержень 1 перемещается вниз. Между контактами 1 и 2 возникает дуга. Происходит интенсивное газообразование и давление в камере быстро увеличивается. Относительно холодный газ, образующийся на поверхности масла, перемешивается с плазмой дуги. Пограничный слой приходит в турбулентное состояние, способствующее деионизации. Однако дуга не может погаснуть до тех пор, пока расстояние между контактами не достигнет некоторого минимального значения, определяемого восстанавливающимся напряжением. Этот минимальный промежуток образуется, когда подвижный контакт еще находится в камере. Когда стержень покидает пределы камеры, газы с силой выбрасываются наружу. Возникает газовое дутье, направленное по оси, способствующее гашению дуги.

    После погасания дуги контактный стержень продолжает свое движение, чтобы обеспечить необходимое изоляционное расстояние в отключенном положении.

    Напряжение на дуге масляного выключателя по крайней мере в 3 раза больше, чем у воздушного выключателя. Электрическая прочность промежутка восстанавливается быстрее (со скоростью около 2 кВ/мкс). Поэтому при одинаковом токе КЗ дугогасительное устройство масляного выключателя может быть рассчитано на вдвое большее напряжение и вдвое большее волновое сопротивление, чем устройство воздушного дутья.

    Характерные свойства воздушных и масляных выключателей

    В воздушных выключателях дутье в дуговом промежутке создается от внешнего источника энергии и не зависит от отключаемого тока. После нуля тока восстанавливающееся напряжение оказывается приложенным к короткому промежутку, заполненному горячим ионизованным газом. Скорость восстановления электрической прочности промежутка определяется охлаждением газа и удалением его из промежутка потоком свежего воздуха. Это требует времени и поэтому процесс восстановления электрической прочности промежутка запаздывает.

    Характеристики восстанавливающейся электрической прочности дугового промежутка воздушного выключателя

    Рис.10. Характеристики восстанавливающейся электрической прочностидугового промежутка воздушного выключателя

    На рис.10 приведены типичные кривые восстанавливающейся электрической прочности дугового промежутка воздушного выключателя. Они имеют S-образную форму. При этом основная стадия процесса восстановления электрической прочности промежутка протекает со скоростью, не превышающей 1-2 кВ/мкс, и начинается спустя 10-15 мкс после нулевого значения тока. С увеличением отключаемого тока запаздывание увеличивается, а скорость восстановления электрической прочности уменьшается. Нижняя пунктирная кривая соответствует случаю неудовлетворительной работы выключателя, поскольку процесс восстановления электрической прочности промежутка протекает слишком медленно. Номинальный ток отключения воздушною выключателя ограничен восстанавливающейся электрической прочностью промежутка.

    В масляных выключателях для образования газовою дутья используется энергия самой дуги. Давление в гасительной камере и сила дутья в первом приближении пропорциональны отключаемому току. Чем больше последний, тем эффективнее деионизация промежутка и быстрее восстанавливается его электрическая прочность. Однако по мере увеличения тока увеличиваются механические напряжения в частях гасительной камеры. Поэтому номинальный ток отключения ограничен механической прочностью гасительной камеры.

    Характерные свойства воздушных и масляных выключателей проявляются при отключении асимметричного тока КЗ. Как известно, быстродействующие выключатели при наличии соответствующей релейной защиты размыкают свои контакты, когда апериодическая составляющая отключаемого тока еще не успевает затухнуть. Следовательно, эти выключатели должны быть способны отключать как симметричный, так и асимметричный ток, т.е. ток, не смещенный или смещенный относительно оси времени в зависимости от условий. Асимметрия тока β (относительное содержание апериодической составляющей в токе КЗ) определяется как отношение апериодической составляющей к амплитуде периодической составляющей тока КЗ к моменту τ размыкания контактов выключателя

    (2)

    Асимметрия отключаемого тока зависит от постоянной времени цепи Тa=Х/(ɷR), а также от τ - времени размыкания контактов выключателя с учетом времени срабатывания релейной защиты. Чем больше постоянная времени и чем быстрее размыкаются контакты выключателя, тем больше асимметрия отключаемого тока. Наибольшую постоянную времени имеют генераторы, трансформаторы и реакторы. Поэтому наибольшую асимметрию следует ожидать при КЗ вблизи генераторов и сборных шин станций. Расчеты показывают, что асимметрия тока, отключаемого быстродействующими выключателями, установленными в главных РУ мощных станций, может достигнуть 80%. Менее быстродействующие выключатели в этих же условиях могут встретиться с асимметрией порядка 40-50%. Выключатели, установленные в распределительных сетях, встречаются с асимметрией, не превосходящей 20%.

    При наличии апериодической составляющей в отключаемом токе:

    • увеличивается действующее значение тока;
    • промежутки времени между моментами, когда ток достигает нуля, становятся неодинаковыми: они попеременно больше или меньше полупериода;
    • уменьшается скорость изменения тока di/dt при подходе его к нулевому значению;
    • уменьшается возвращающееся напряжение на полюсе выключателя.

    Увеличение действующего значения тока и изменение промежутков времени между нулевыми значениями тока могут при неблагоприятных условиях привести к значительному увеличению выделяемой энергии по сравнению с энергией, выделяемой при отсутствии апериодической составляющей тока. Энергия, выделяемая в дуге, определяет ионизацию газа в промежутке, а в масляных выключателях - также количество образующихся газов и давление в камере, следовательно, механические напряжения в элементах выключателя, степень оплавления контактов и др.

    Уменьшение скорости изменения тока при подходе его к нулю уменьшает ионизацию промежутка к моменту погасания дуги, что облегчает процесс отключения.

    Уменьшение возвращающегося напряжения также облегчает процесс отключения.

    Возвращающееся напряжение при асимметрии отключаемого тока

    Рис.11. Возвращающееся напряжение при асимметрии отключаемого тока

    Как видно из рис.11, периодическая составляющая тока КЗ iп смещена по отношению к напряжению сети на угол φ, близкий к π/2. Если фаза замыкания α=φ, то апериодическая составляющая тока отсутствует, момент прихода тока к нулевому значению и погасания дуги близок к моменту максимума напряжения. Возвращающееся напряжение определяется ординатой ab. При замыкании в любой другой момент времени в составе отключаемого тока появляется апериодическая составляющая и момент прихода тока к нулю смещается. В рассматриваемом случае при α=27° возвращающееся напряжение после большой полуволны тока определяется ординатой а'b', а после малой полуволны - ординатой а"b" (при построении кривых периодическая и апериодическая составляющие тока приняты условно незатухающими).

    Из приведенного анализа следует, что при наличии апериодической составляющей в отключаемом токе появляется ряд новых факторов, влияющих на процесс отключения, часть которых утяжеляет этот процесс, другая часть облегчает его.

    Итоговое действие апериодической составляющей зависит от свойств выключателя.

    Масляные выключатели, отключающая способность которых ограничена механической прочностью гасительной камеры, имеют при отключении большого тока значительный запас в восстанавливающейся электрической прочности дугового промежутка. Увеличение действующего значения отключаемого тока, обусловленное наличием апериодической составляющей, увеличивает тяжесть отключения, поскольку увеличивается энергия, выделяющаяся в дуге, а облегчающие факторы, вносимые апериодической составляющей тока КЗ (уменьшение скорости подхода тока к нулю и уменьшение возвращающегося напряжения), масляными выключателями не используются. О таких выключателях говорят, что они чувствительны к току, поскольку энергия, выделяющаяся в дуге, определяется в основном током.

    Воздушные выключатели, отключающая способность которых ограничена электрической прочностью промежутка, используют облегчающие факторы, вносимые апериодической составляющей тока (уменьшение скорости снижения тока и возвращающегося напряжения). Увеличение действующего значения отключаемого тока, вызываемое апериодической составляющей, не увеличивает тяжести отключения, поскольку вносимые утяжеляющие и облегчающие факторы компенсируются. О таких выключателях принято говорить, что они чувствительны к напряжению.

    При выборе выключателя по отключающей способности следует учитывать асимметрию отключаемого тока КЗ. Однако нормированные (номинальные) значения асимметрии βном установлены одинаковыми как для масляных, так и для воздушных выключателей.

    

    www.gigavat.com

    Процесс образования электрической дуги и способы ее гашения

    Процесс образования электронной дуги и методы ее гашенияПри размыкании электронной цепи появляется электронный разряд в виде электронной дуги. Для возникновения электронной дуги довольно, чтоб напряжение на контактах было выше 10 В при токе в цепи порядка 0,1А и поболее. При значимых напряжениях и токах температура снутри дуги может достигать 10…15 тыс. °С, в итоге чего плавятся контакты и токоведущие части.

    При напряжениях 110 кВ и выше длина дуги может достигать нескольких метров. Потому электронная дуга, в особенности в массивных силовых цепях, на напряжение выше 1 кВ представляет собой огромную опасность, хотя суровые последствия могут быть и в установках на напряжение ниже 1 кВ. Вследствие этого электронную дугу нужно очень ограничить и стремительно погасить в цепях на напряжение как выше, так и ниже 1 кВ.

    Предпосылки появления электронный дуги

    Предпосылки появления электронный дугиПроцесс образования электронной дуги может быть упрощенно представлен последующим образом. При расхождении контактов сначала миниатюризируется контактное давление и соответственно контактная поверхность, растут переходное сопротивление ( плотность тока и температура — начинаются местные (на отдельных участках площади контактов) перегревы, которые в предстоящемсодействуют термоэлектронной эмиссии, когда под воздействием высочайшейтемпературы возрастает скорость движения электронов и они вырываются с поверхности электрода.

    В момент расхождения контактов, другими словами разрыва цепи, на контактном промежутке стремительно восстанавливается напряжение. Так как приэтом расстояние меж контактами не достаточно, появляется электронное поле высочайшей напряженности, под воздействием которого с поверхности электрода вырываются электроны. Они разгоняются вэлектронном поле и при ударе в нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии довольно, чтоб оторвать хотя бы один электрон с оболочки нейтрального атома,то происходит процесс ионизации.

    Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги, другими словами ионизированного канала, в каком пылает дуга и обеспечивается непрерывное движение частиц. При всем этом негативно заряженные частички, сначала электроны, движутся в одном направлении (к аноду), а атомы и молекулы газов, лишенные 1-го либо нескольких электронов, — положительно заряженные частички — в обратном направлении (к катоду).

    Предпосылки появления электронный дугиПроводимость плазмы близка к проводимости металлов.

    В стволе дуги проходит большой ток и создается высочайшая температура. Такая температура ствола дуги приводит к термоионизации — процессу образования ионов вследствие соударения молекул и атомов, владеющих большой кинетической энергией при больших скоростях их движения (молекулы и атомы среды, гдепылает дуга, распадаются на электроны и положительно заряженные ионы). Насыщенная термоионизация поддерживает высшуюпроводимость плазмы. Потому падение напряжения по длине дугиневелико.

    В электронной дуге безпрерывно протекают два процесса: не считая ионизации, также деионизация атомов и молекул. Последняя происходит в главном методом диффузии, другими словами переноса заряженных частиц в окружающую среду, и рекомбинации электронов и положительно заряженных ионов, которые воссоединяются в нейтральные частички с отдачей энергии, затраченной на их распад. При всем этом происходит теплоотвод в окружающую среду.

    Таким макаром, можно различить три стадии рассматриваемого процесса: зажигание дуги, когда вследствие ударной ионизации и эмиссии электронов с катода начинается дуговой разряд и интенсивность ионизации выше, чем деионизации, устойчивое горение дуги, поддерживаемое термоионизацией в стволе дуги, когда интенсивность ионизации и деионизации схожа, погасание дуги, когда интенсивность деионизации выше, чем ионизации.

    Предпосылки появления электронный дуги

    Методы гашения дуги в коммутационных электронных аппаратах

    Для того чтоб отключить элементы электронной цепи и исключить при всем этом повреждение коммутационного аппарата, нужно не только лишь разомкнуть его контакты, да и погасить появляющуюся меж ними дугу. Процессы гашения дуги, так же как и горения, при переменном и неизменном токе различны. Это определяется тем, что в первом случае ток в дуге каждый полупериод проходит через нуль. В эти моменты выделение энергии в дуге прекращается и дуга всякий раз самопроизвольно угасает, а потом опять зажигается.

    Фактически ток в дуге становится близким нулю несколько ранее перехода через нуль, потому что при понижении тока энергия, подводимая к дуге, миниатюризируется, соответственно понижается температура дуги и прекращается термоионизация. При всем этом в дуговом промежутке активно идет процесс деионизации. Если на этот момент разомкнуть и стремительно развести контакты, то следующий электронный пробой может не произойти и цепь будет отключена без появления дуги. Но фактически это сделать очень трудно, и потому принимают особые меры ускоренного гашения дуги, обеспечивающие остывание дугового места и уменьшение числа заряженных частиц.

    В итоге деионизации равномерно возрастает электронная крепкость промежутка и сразу вырастает восстанавливающееся напряжение на нем. От соотношения этих величин и зависит, зажгется ли на еще одну половину периода дуга либо нет. Если электронная крепкость промежутка растет резвее и оказывается больше восстанавливающего напряжения, дуга больше не зажгется, в неприятном же случае будет обеспечено устойчивое горение дуги. 1-ое условие и определяет задачку гашения дуги.

    В коммутационных аппаратах употребляют разные методы гашения дуги.

    Удлинение дуги

    При расхождении контактов в процессе отключения электронной цепи появившаяся дуга растягивается. При всем этом улучшаются условия остывания дуги, потому что возрастает ее поверхность и для горения требуется большее напряжение.

    Деление длинноватой дуги на ряд маленьких дуг

    Если дугу, образовавшуюся приразмыкании контактов, поделить на К маленьких дуг, к примеру затянув ее вжелезную решетку, то она погаснет. Дуга обычно затягивается в железную решетку под воздействием электрического поля, наводимого в пластинках решетки вихревыми токами. Этот метод гашения дуги обширно употребляется в коммутационных аппаратах на напряжение ниже 1 кВ, а именно в автоматических воздушных выключателях.

    методы гашения электронной дуги

    Остывание дуги в узеньких щелях

    Гашение дуги в малом объеме облегчается. Потому в коммутационных аппаратах обширно употребляют дугогасительные камеры с продольными щелями (ось таковой щели совпадает по направлению с осью ствола дуги). Такая щель обычно появляется в камерах из изоляционных дугостойких материалов. Благодаря соприкосновению дуги с прохладными поверхностями происходят ее насыщенное остывание, диффузия заряженных частиц в окружающую среду и соответственно стремительная деионизация.

    Не считая щелей с плоскопараллельными стенами, используют также щели с ребрами, выступами, расширениями (кармашками). Все это приводит к деформации ствола дугии содействует повышению площади соприкосновения ее с прохладными стенами камеры.

    Втягивание дуги в узенькие щели обычно происходит под действием магнитного поля, взаимодействующегос дугой, которая может рассматриваться как проводник с током.

    Наружное магнитное поле для перемещения дуги более нередко обеспечивают за счет катушки, включаемой поочередно с контактами, меж которыми появляется дуга. Гашение дуги в узеньких щелях употребляют в аппаратах на все напряжения.

    методы гашения электронной дуги

    Гашение дуги высочайшим давлением

    методы гашения электронной дугиПри постоянной температуре степень ионизации газа падает с ростом давления, при всем этом растет теплопроводимость газа. При иных равных критериях это приводит к усиленному остыванию дуги. Гашение дуги с помощью высочайшего давления, создаваемого самой же дугой в плотно закрытых камерах, обширно употребляется в плавких предохранителях и ряде других аппаратов.

    Гашение дуги в масле

    Если контакты выключателя помещены в масло, то возникающая при их размыкании дуга приводит к насыщенному испарению масла. В итоге вокруг дуги появляется газовый пузырь (оболочка), состоящий в главном из водорода (70…80 %), также паров масла. Выделяемые газы с большой скоростью попадают конкретно в зону ствола дуги, вызывают смешивание прохладного и жаркого газа в пузыре, обеспечивают насыщенное остывание и соответственно деионизацию дугового промежутка. Не считая того, деионизирующую способность газов увеличивает создаваемое при резвом разложении масла давление снутри пузыря.

    Интенсивность процесса гашения дуги в масле тем выше, чем поближе соприкасается дуга с маслом и резвее движется масло по отношению к дуге. Беря во внимание это, дуговой разрыв ограничивают замкнутым изоляционным устройством — дугогасительной камерой. В этих камерах создается более тесное соприкосновение масла с дугой, а с помощью изоляционных пластинок и выхлопных отверстий образуются рабочие каналы, по которым происходит движение масла и газов, обеспечивая насыщенное обдувание (дутье) дуги.

    методы гашения электронной дугиДугогасительные камеры по принципу деяния делят на три главные группы: с автодутьем, когда высочайшие давление и скорость движения газа в зоне дуги создаются за счет выделяющейся в дуге энергии, с принудительным масляным дутьем с помощью особых нагнетающих гидравлических устройств, с магнитным гашением в масле, когда дуга под действием магнитного поля перемещается в узенькие щели.

    методы гашения электронной дугиБолее эффективны и ординарны дугогасительные камеры с автодутьем. Зависимо от расположения каналов и выхлопных отверстий различают камеры, в каких обеспечивается насыщенное обдувание потоками газопаровой консистенции и маслаповдоль дуги (продольное дутье) либо поперек дуги (поперечное дутье). Рассмотренные методы гашения дуги обширно употребляются в выключателях на напряжение выше 1 кВ.

    Другие методы гашения дуги в аппаратах на напряжение выше 1 кВ

    методы гашения электронной дугиНе считая обозначенных выше методов гашения дуги, употребляют также: сжатый воздух, потоком которого повдоль либо поперек обдувается дуга, обеспечивая ее насыщенное остывание (заместо воздуха используются и другие газы, нередко получаемые из жестких газогенерирующих материалов — фибры, винипласта ит. п. — за счет их разложения самой пылающей дугой), элегаз (шестифтористая сера), владеющий более высочайшей электронной прочностью, чем воздух и водород, в итоге чего дуга, пылающаяв этом газе, даже при атмосферном давлении довольно стремительно гасится, высокоразреженный газ (вакуум), при размыкании контактов в каком дуга не зажигается вновь (угасает) после первого прохождения тока через нуль.

    elektrica.info


    © ЗАО Институт «Севзапэнергомонтажпроект»
    Разработка сайта