Open Library - открытая библиотека учебной информации. Электрическая дуга и причины ее возникновенияПроцесс образования электрической дуги и способы ее гашенияМесто 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 дугиПроцесс 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 аппаратахДля 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 дугиПри 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 дугЕсли 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 щеляхГашение 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 давлениемПри 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 маслеЕсли 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 кВКроме 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
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. 5-13. 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 дугаЭлектротехника |
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
Рис. 5-14. восстановление электрической прочности коротких промежутков
Электрическая дуга 
(1)
(2)
При 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.
Процесс 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.
Проводимость плазмы близка к проводимости металлов.
При 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.
Дугогасительные 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.
Более 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.
Не 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.
