2.1.5. Условия гашения дуги переменного тока. Способы гашения дуги

Способы гашения электрической дуги

В современных электрических аппаратах различают множество способов гашения дуги. К ним относятся: воздействие на столб электрической дуги; перемещение дуги под воздействием магнитного поля; гашение дуги с помощью дугогасительной решетки; гашение дуги высоким давлением; гашение в потоке сжатого газа; гашение в трансформаторном масле; гашение электрической дуги с помощью полупроводниковых приборов и др.

Воздействие на столб электрической дуги

Задача ДУ состоит в том, чтобы обеспечить гашение дуги за малое время с допустимым уровнем перенапряжений, при малом износе частей аппарата, при минимальном объеме раскаленных газов, с минимальным звуковым и световым эффектами.

Для гашения дуги постоянного тока необходимо, чтобы вольт-амперная характеристика (ВАХ) дуги U шла выше прямой U – iR (U – напряжение источника питания, R – сопротивление нагрузки, рис. 4.1).

Рис.4.1. Статическая вольт-амперная характеристика дуги и прямая U-iR

Учитывая, что

, (4.2)

где - напряженность электрического поля в столбе дуги;

- околоэлектродное падение напряжения;

- длина дуги,

подъем вольт-амперной характеристики дуги можно получить за счет увеличения длины дуги, увеличения градиента и увеличения околоэлектродного падения напряжения. Увеличение градиента можно получить за счет эффективного охлаждения дуги, и подъема давления среды, в которой она горит.

В электрических аппаратах низкого напряжения наиболее широко применяют ДУ с узкой щелью. Для увеличения эффективности охлаждения ширина щели делается меньше диаметра дуги. Кроме того, по мере втягивания дуги в щель, она приобретает форму зигзага. При этом увеличивается не только длина дуги, но и улучшается ее охлаждение. Перемещение дуги в такой камере осуществляется с помощью магнитного поля. Наиболее характерные формы керамических пластин ДУ изображены на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Характерные формы продольных

щелей дугогасительных камер

Перемещение дуги под воздействием магнитного поля

Электрическая дуга, являясь своеобразным проводником с электрическим током, может взаимодействовать с магнитным полем. Сила взаимодействия между током дуги и магнитным полем перемещает дугу в пространстве, создавая так называемое магнитное дутье.

Различают системы с последовательным и параллельным магнитным дутьем. На рис. 4.3, а, б показано дугогасительное устройство с системой последовательного магнитного дутья, на рис. 4.3, в - его электрическая схема в совокупности с коммутируемой цепью, а на рис. 4.3, г - электрическая схема коммутируемой цепи с системой параллельного магнитного дутья.

В устройствах дугогашения с магнитным дутьем обмотка 1 размещается на сердечнике 2, который вместе с двумя пластинами 3 образует магнитопровод, охватывающий камеру 4 с обеих сторон и обеспечивающий подведение магнитного потока в зону горения дуги между контактами 5. При взаимодействии магнитного потока с током дуги последняя перемещается по контактам, переходит на дугогасительные рога 6, значительно удлиняется, попадает в щелевую часть камеры и гаснет. Гашение дуги происходит, таким образом, из-за интенсивного охлаждения и быстрого увеличения сопротивления дуги.

При последовательном магнитном дутье (см. рис. 4.3, а-в) обмотка 7 включается в цепь коммутируемого тока, а при параллельном (см. рис. 4.3, г) дутье обмотка 8 включается на полное напряжение сети. Катушка последовательного магнитного дутья обычно имеет от двух до десяти витков и выполняется в виде наматываемой на ребро шины прямоугольного сечения с воздушными промежутками между витками. Обмотка параллельного магнитного дутья рассчитана на напряжение сети и имеет большое число витков. В обоих исполнениях взаимодействие магнитного поля с током дуги приводит к появлению усилия, перемещающего дугу в дугогасительную камеру.

Рис. 4.3. Дугогасительное устройство с системой

магнитного дутья

Достоинствами ДУ с последовательной катушкой являются:

· система хорошо работает в области больших токов;

· система работает при любом направлении тока;

· падение напряжения на катушке составляет доли вольта.

К ее недостаткам можно отнести следующее:

· неэффективно работает в системах с малыми токами;

· большая затрата меди на катушку;

· нагрев контактов за счет тепла в дугогасительной катушке.

Основными недостатками ДУ с параллельной катушкой являются:

· направление электродинамической силы, действующей на дугу, зависит от полярности тока;

· при КЗ в сети возможно снижение напряжения на катушке.

В связи с отмеченными недостатками ДУ с параллельной катушкой применяют только при отключении небольших токов (5-10 А), в основном в цепях постоянного тока при соблюдении правильной полярности включения катушки.

Гашение дуги высоким давлением

На основании ф-лы (4.1) следует, что степень ионизации Х уменьшается с увеличением давления. На этом принципе работают практически все корпусные предохранители, в замкнутом пространстве которых горение дуги создает повышенное давление, способствующее эффективному ее гашению.

Гашение электрической дуги в потоке сжатого газа

В высоковольтных коммутационных аппаратах для гашения дуги используют потоки сжатого воздуха или других газов.

Сжатый воздух (или газ) обладает высокой плотностью и теплопроводностью. Омывая дугу с большой скоростью, он охлаждает ее и при прохождении тока через нуль обеспечивает деионизацию дугового столба. Воздух (газ) при высоком давлении обладает также высокой электрической прочностью, что создает высокую скорость нарастания электрической прочности промежутка. Конструктивно ДУ выполняют как с поперечным, так и с продольным дутьем (рис. 4.4, а, б).

а б

Рис. 4.4. Камеры ДУ с воздушным дутьём:

а – поперечное дутьё; б – продольное дутьё

Гашение дуги с помощью дугогасительной решетки

Как отмечалось выше, ВАХ дуги можно поднять за счет увеличения околоэлектродного падения напряжения U . Это достигается в электрических аппаратах путем использования дугогасительных решеток (рис. 4.5).

После размыкания силовых контактов 1 и 2 возникшая между ними дуга 3 под воздействием магнитного поля движется вверх на пластины 5 и разбивается на ряд коротких дуг 4. На каждой пластине образуются катод и анод. Падение напряжения на каждой паре пластин составляет 20-25 .

Таким образом, удается поднять ВАХ дуги и обеспечить условия ее гашения.

Рис. 4.5. Гашение дуги с помощью дугогасительной решетки

Лекция № 5

Электромагниты

Электромагниты являются основным рабочим элементом таких электрических аппаратов как реле, пускатели, автоматические выключатели, контакторы и ряда других.

Рассмотрим основные соотношения для магнитной цепи, представленной на рис. 5.1.

При прохождении тока по обмотке возникает МДС , которая создаёт магнитный поток . Этот поток замыкается как через зазор , так и между другими частями магнитной цепи, имеющими различные магнитные потенциалы.

Воздушный зазор , меняющийся при перемещении якоря, называется рабочим.

Магнитный поток, проходящий через воздушный зазор, также называется рабочим и обозначается . Все остальные потоки, не проходящие через воздушный зазор, называются потоками рассеяния и обозначаются

Рис. 5.1. Магнитная цепь электромагнита:

1 – якорь; 2 – сердечник; 3 - обмотка

При расчете магнитной цепи решаются две задачи: либо определяют необходимую МДС для создания заданного рабочего потока, либо определяют рабочий поток при известной МДС .

Согласно первому закону Кирхгофа для магнитной цепи алгебраическая сумма потоков в любом узле магнитной цепи равна нулю:

. (5.1)

Второй закон Кирхгофа для магнитной цепи следует из закона полного тока:

, (5.2)

где – напряженность магнитного поля, А/м;

элементарный участок контура интегрирования, м;

алгебраическая сумма МДС, действующих в рассматриваемом контуре, А.

Учитывая, что магнитная индукция , выражение (5.2) можно записать

или

, (5.3)

где – сечение данного участка магнитной цепи;

– абсолютная магнитная проницаемость участка длиной .

Для воздуха магнитная проницаемость берётся равной магнитной постоянной

Выражение аналогично выражению для активного сопротивления элемента электрической цепи (где - удельная электрическая проводимость материала проводника). В этом случае выражение (4.3) можно записать в виде

, (5.4)

где магнитное сопротивление участка длиной

Согласно второму закону Кирхгофа падение магнитного потенциала по замкнутому контуру равно сумме МДС, действующих в этом контуре.

В системе СИ единица абсолютной магнитной проницаемости – , следовательно, единицей магнитного сопротивления является

Если на отдельных участках то (5.4) можно записать

. (5.5)

По аналогии с электрическим магнитное сопротивление участка конечной длины можно представить как

(5.6)

где удельное магнитное сопротивление единицы длины магнитной цепи при сечении, также равном единице, м/Гн.

При расчетах магнитных цепей часто используют величину, обратную магнитному сопротивлению, – магнитную проводимость:

В этом случае уравнение (5.5) принимает вид

Для простейшей неразветвленной цепи

или

. (5.7)

Относительная магнитная проводимость, часто используемая в расчетах магнитных цепей, определяется . В рабочем зазоре поток проходит через воздух, магнитная проницаемость которого не зависит от индукции и является постоянной, равной .

Для прямоугольных и круглых полюсов при малом зазоре поле приближенно можно считать равномерным и магнитную проводимость легко определить по формуле:

, (5.8)

где сечение потока в зазоре;

длина зазора.

Индуктивность катушки электромагнита (см. рис. 5.1) без учета сопротивления стали определяется по формуле

, (5.9)

где МДС катушки ;

удельная магнитная проводимость, Гн/м;

- магнитная проводимость ;

число витков катушки;

ток в катушке, .

Полная МДС катушки с учетом магнитного сопротивления стали и потоков рассеяния определяется

(5.10)

где магнитный поток в зазоре, ;

напряженность магнитного поля на участке , ;

длина i-го участка магнитопровода;

магнитное сопротивление зазора; .

Ток в обмотке электромагнита постоянного тока при неподвижном или медленно перемещающемся якоре не зависит от индуктивного сопротивления обмотки, а зависит только от ее активного сопротивления .

В цепях переменного тока ток в катушке в основном зависит от индуктивного сопротивления, которое изменяется при перемещении якоря.

Магнитное сопротивление магнитопровода при работе на переменном токе зависит не только от магнитной постоянной , длинны участка проводника и площади сечения , но и от потерь в стали и наличия короткозамкнутых обмоток. С целью уменьшения потерь магнитопровод аппаратов переменного тока выполняется шихтованным.

Рассмотрим простейшую цепь электромагнита без учета магнитного сопротивления стали и потерь в ней (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Магнитная цепь электромагнита переменного тока

Причем показанная на рис. 5.2 короткозамкнутая обмотка не влияет на работу электромагнита (ключ К разомкнут).

Уравнение электрического равновесия для обмотки выглядит следующим образом:

, (5.11)

где и действующие значения напряжения и тока соответственно.

Используя выражения и уравнение (5.11) можно записать в виде

. (5.12)

Учитывая, что <<< , можно записать, что и так как

, (5.13)

то величина магнитного потока будет зависеть от величины приложенного напряжения и частоты

, (5.14)

где амплитудное значение потока.

Следовательно, при принятых допущениях магнитный поток не зависит от рабочего зазора и при неизменном напряжении является постоянным (рис. 5.3, кривая 1).

При из (5.12) и (5.13)

. (5.15)

Откуда следует, что с ростом зазора уменьшается индуктивное сопротивление за счет чего при постоянном действующем значении напряжения происходит рост тока (см. рис. 5.3, кривая 3). Если учесть активное сопротивление (при условии ), то с ростом зазора ток будет расти, а поток будет уменьшаться (см. рис. 5.3, кривая 2 и 4).

. (5.16)

Рис. 5.3. Зависимость магнитного потока и тока от рабочего зазора

Из (5.16) следует, что с ростом рабочего зазора поток уменьшается, как это имеет место и в цепи постоянного тока. Однако в магнитных цепях переменного тока уменьшение потока является следствием роста падения напряжения на активном сопротивлении обмотки, а в цепи постоянного тока - роста магнитного сопротивления воздушного зазора.

Лекция № 6

Влияние короткозамкнутого витка на работу аппаратов переменного тока. Расчет электромагнитов

В электромагнитах переменного тока для снижения пульсаций усилия на якоре используют короткозамкнутые витки и обмотки.

Предположим, что на рис. 5.2 ключ К замкнут. Допустим, что активные потери и магнитное сопротивление стали равны нулю.

Под воздействием переменного магнитного потока в короткозамкнутой обмотке наводится ЭДС, вызывающая ток Амплитуда этого тока

(6.1)

где - угловая частота изменения потока;

- число витков;

- активное сопротивление;

- индуктивное сопротивление.

Таким образом, в магнитной цепи действуют две МДС, рабочей обмотки – и короткозамкнутой обмотки – . По второму закону Кирхгофа при принятых положительных направлениях токов имеем

, (6.2)

или это выражение с учетом (6.1) можно записать

(6.3)

Как следует из этого выражения, МДС обмотки содержит две составляющих: первая падение магнитного потенциала на рабочем зазоре и вторая

- падение магнитного потенциала на эквивалентном магнитном сопротивлении короткозамкнутой обмотки. Составляющая совпадает по фазе с потоком и поэтому - называют активным магнитным сопротивлением

Составляющая опережает поток на 90о, и сомножитель при называют реактивным магнитным сопротивлением Если , то индуктивное сопротивление мало и им можно пренебречь.

Тогда (6.3) можно записать в виде

. (6.4)

Таким образом, короткозамкнутый виток с чисто активным сопротивлением в схемах замещения представляется реактивным магнитным сопротивлением

Вектор активное падение магнитного потенциала;

реактивное падение магнитного потенциала, а полное падение магнитного потенциала, равное МДС короткозамкнутой обмотки.

Векторная диаграмма магнитной цепи показана на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Векторная диаграмма магнитной цепи

Амплитуда магнитного потока

. (6.5)

Угол определяется из соотношения

Векторная диаграмма электрической цепи показана на рис. 6.2.

Напряжение сети равно сумме противоЭДС - и активного падения напряжения в катушке . Угол сдвига фаз между током в цепи и напряжение сети равен φ.

Рис. 6.2. Векторная диаграмма электрической цепи электромагнита с короткозамкнутой обмоткой

Рис. 6.3. Принцип работы электромагнита переменного тока с короткозамкнутым витком

Изменение силы во времени отрицательно сказывается на работе электромагнита. В определенные моменты времени противодействующее усилие пружины становится больше силы тяги, что вызывает отрыв якоря от сердечника. Затем по мере нарастания силы тяги якорь вновь притягивается к сердечнику. В результате якорь непрерывно вибрирует, что нарушает работу контактов. Создается шум, расшатывается магнитная система. Для устранения вибраций в электромагнитах используются короткозамкнутые витки. Наконечник полюса расщепляется, и на его большую часть насаживается короткозамкнутый виток из меди или алюминия. В результате магнитный поток в воздушном зазоре разделяется на два потока Ф1 и Ф2, сдвинутых относительно друг друга на угол φ (рис. 6.3), в результате чего результирующая сила тяги, действующая на якорь Р, в любой момент времени остается больше усилия пружины Рпрот, за счет чего и устраняется вибрация магнитной системы.

Способы гашения электрической дуги

Воздействие на столб электрической дуги

Для гашения дуги постоянного тока необходимо, чтобы вольт-амперная характеристика (ВАХ) дуги Uшла выше прямойU – iR (U – напряжение источника питания, R – сопротивление нагрузки, рис. 4.1).

Рис.4.1. Статическая вольт-амперная характеристика дуги и прямая U-iR

Учитывая, что

, (4.2)

где - напряженность электрического поля в столбе дуги;

- околоэлектродное падение напряжения;

- длина дуги,

подъем вольт-амперной характеристики дуги можно получить за счет увеличения длины дуги, увеличения градиента и увеличения околоэлектродного падения напряжения. Увеличение градиентаможно получить за счет эффективного охлаждения дуги, и подъема давления среды, в которой она горит.

Рис. 4.2. Характерные формы продольных

щелей дугогасительных камер

Перемещение дуги под воздействием магнитного поля

Рис. 4.3. Дугогасительное устройство с системой

магнитного дутья

Достоинствами ДУ с последовательной катушкой являются:

система хорошо работает в области больших токов;
система работает при любом направлении тока;
падение напряжения на катушке составляет доли вольта.

К ее недостаткам можно отнести следующее:

неэффективно работает в системах с малыми токами;
большая затрата меди на катушку;
нагрев контактов за счет тепла в дугогасительной катушке.

Основными недостатками ДУ с параллельной катушкой являются:

направление электродинамической силы, действующей на дугу, зависит от полярности тока;
при КЗ в сети возможно снижение напряжения на катушке.

Гашение дуги высоким давлением

Гашение электрической дуги в потоке сжатого газа

а б

Рис. 4.4. Камеры ДУ с воздушным дутьём:

а – поперечное дутьё; б – продольное дутьё

Гашение дуги с помощью дугогасительной решетки

Как отмечалось выше, ВАХ дуги можно поднять за счет увеличения околоэлектродного падения напряжения U. Это достигается в электрических аппаратах путем использования дугогасительных решеток (рис. 4.5).

Таким образом, удается поднять ВАХ дуги и обеспечить условия ее гашения.

Рис. 4.5. Гашение дуги с помощью дугогасительной решетки

studfiles.net

2.1.5. Условия гашения дуги переменного тока

Рассмотрим цепь, у которой . Пусть контакты аппарата разошлись в точкеа (рис.6).

Рис.6. Процесс отключения активной нагрузки переменного тока

Между ними загорается дуга. К концу полупериода из-за уменьшения тока и воздействия дутогасительного устройства наблюдается увеличение сопротивления дугового промежутка и подъем напряжения на дуге. При подходе тока к нулю к дуге подводится малая мощность, температура ее уменьшается, что с одной стороны, ведет к замедлению термической ионизации, с другой - способствует деионизации. Все это приводит к погасанию дуги. Напряжение, при котором дуга гаснет, называется напряжением или пиком гашения .Резкий подъем напряжения к концу полупериода ведет к тому, что ток в цепи обрывается до своего естественного прохождения через нуль.

После погасания дуги дуговой промежуток не превращается мгновенно в изоляционный, поскольку температура не снижается до нуля. В процессе гашения дуги число заряженных частиц в области дугового промежутка уменьшается; после гашения дуги сопротивление промежутка резко возрастает. При этом возрастает и электрическая прочность промежутка, т.е. такое напряжение, при котором происходит его электрический пробой.

После прохождения напряжения через нуль напряжение источника изменяет знак, и начинает расти по закону синусоиды.

Электрическая прочность промежутка начинает нарастать не с нуля, а со значения, соответствующего точке (начальная прочность промежутка). Начальная прочность и дальнейший рост прочности зависит от свойств ДУ: чем эффективней оно действует, тем больше начальная прочность, тем круче идет нарастание этой прочности.

В момент напряжение на промежутке пересекает кривую прочности b1. В этой точке дуга загорается вновь. Напряжение называется напряжением зажигания. В связи с тем, что ток в первой половине полуволны синусоидой возрастает, напряжение на дуге уменьшается. После прохождения током максимального значения напряжение на дуге начинает возрастать, поскольку ток уменьшается. Таким образом, кривая на дуге имеет седлообразную форму. При больших токах из-за сильной термической ионизации почти на протяжении всего полупериода горения дуги напряжение не изменяется. Только в начале и конце полупериода появляются пики зажигания и гашения.

В точке О дуга вновь гаснет и происходят процессы, аналогичные списанным раннее.

Лекция № 3

2.1.6. Способы гашения электрической дуги

В современных аппаратах гашение дуги при отключении цепи осуществляется в дугогасительных устройствах, задача которых погасить дугу в малом объеме (желательно замкнутом), за малое время, при малом износе частей аппаратов, при заданных перенапряжениях, при малых звуковом и световом эффектах.

Способы гащения дуги:

Гашение дуги в продольных щелях.
Гашение дуги с помощью дугогасительной решётки.
Гашение дуги высоким давлением.
Гашение дуги в масле.
Гашение дуги воздушным дутьём.
Гашение дуги в элегазе.
Гашение дуги в вакууме.

2.1.7. Дугогасительные устройства постоянного и переменного тока

2.7.1. Широкие и узкие продольные щели.Весьма широкое распространение (особенно в низковольтных аппаратах) получили ДУ, камеры которых имеют продольные щели. Продольной называют щель, ось которой совпадает по направлению с осью ствола дуги. В таких камерах основное воздействие осуществляется на ствол дуги. Охлаждение ствола дуги (отбор энергии) происходит за счет движения дуги через неподвижный воздух и охлаждающего действия стенок камеры. Явления у электродов (их всего два) здесь можно учитывать при переменном токе и напряжениях ниже 220 В. Движение дуги в устройствах с продольными щелями происходит за счет взаимодействия тока дуги с создаваемым внешним магнитным полем и полем контура тока.

На рис. 7 схематично изображены характерные формы продольных щелей камер ДУ. В t верхней части камеры (рис.7,а) между точками1 и 2 имеется одна прямая продольная щель3 с плоскопараллельными стенками. В камере на рис.7,б — несколько прямых параллельных щелей,

Рис.7. Характерные формы продольных щелей дугогасительных камер

аналогичные щели в камере на рис.7,а. Несколько параллельных щелей применяют при отключении больших токов. Однако параллельные дуги существуют недолго. Они весьма неустойчивы, и все, кроме одной, последней, быстро погасают. Условия гашения оставшейся дуги такие же, как в камере с одной щелью.

На рис.7,в показана камера с одной продольной щелью 3, которой придана извилистая форма. При такой форме представляется возможным в камере небольших размеров уместить длинную дугу. Кроме того, наличие ребер способствует повышению напряжения на дуге. Именно эти особенности обусловливают те преимущества рассматриваемой камеры, которые обеспечивают ей широкое применение.

Продольная щель с рядом ребер и уширений 4, за счет которых происходит возрастание продольного градиента напряжения, изображена на рис.7,г.

Камера (рис.7,д) имеет комбинированную зигзагообразную щель3 с местными уширениями4. В такой щели, по-видимому, должны сочетаться все достоинства зигзагообразной щели с преимуществами, которые дают местные уширения.

2.7.2. Дугогасительные решётки. В дугогасительной решетке для гашения дуги используется околоэлектродное падение напряженияиэ (в аппаратах постоянного тока) и околокатодная электрическая прочность (в аппаратах переменного тока).

После расхождения контактов 1и2 (рис.8,б) возникшая между ними дуга3 под воздействием магнитного поля!движется вверх на пластины 5 и разбивается на ряд коротких дуг4. На каждой пластине образуются катод и анод. Падение напряжения на каждой паре пластин составляет 20-25 В. При большом числе пластин удаётся поднять статическую ВАХ дуги и обеспечить условия её гашения.

На рис. 8 показаны различные схемы ДУ с дугогасительными решетками. В решетке на рис. 8,а дуга выводится на пластины и делится между ними с помощью магнитного поля напряженностью Н, создаваемого специальной системой. В решетке на рис. 8,б дуга втягивается в решетку за счет электродинамических усилий, возникающих в контуре 1, 3, 2, и за счет усилий, действующих на дугу, благодаря наличию ферромагнитных пластин. В конструкции рис.8,г (позиция3), для облегчения вхождения дуги в решетку пластины имеют клиновидный паз. Для того чтобы дуга не образовала жидких мостиков между пластинами, расстояние между ними берется не менее 2 мм.

2.7.3. Гашение дуги высоким давлением. Гашение дуги, при помощи высокого давления, создаваемого самой же дугой в плотно закрытых камерах, широко используется в плавких предохранителях и ряде других аппаратов. В этих аппаратах вся энергия, выделяющаяся в дуге отключения, отдается газу, находящемуся в ограниченном объеме. При условии, когда стенки камеры не выделяют газа, справедливо (в первом приближении) следующее соотношение:

pv=l05WД, (9)

Рисунок 8 – Статические ВАХ электрической дуги в решётке и виды дугогасительных решёток: кривая 1 - напряжение на дуговых промежутках; кривая 2 – результирующее напряжение

где WД — энергия дуги, Дж;v — объем, см3;р — возникающее в камере давление, Па.

В результате дугу удается погасить в небольших плотно закрытых камерах и сделать аппараты совершенно безопасными в пожарном отношении.

2.7.4.Гашение дуги в масле. Этот способ гашения нашёл широкое применение в выключателях переменного тока на ВН.

Дугогасительные устройства современных масляных выключателей по принципу действия могут быть разделены на три основные группы:

Дугогасительные устройства с автодутьем, в которых дутье газопаровой смеси и масла в зону гашения дуги создается за счет энергии, выделяющейся в самой дуге.
Дугогасительные устройства с принудительным (импульсным) масляным дутьем, в которых масло в зону гашения дуги (к месту разрыва) подается с помощью специальных нагнетающих гидравлических механизмов за счет постороннего источника энергии.
Дугогасительные устройства с магнитным гашением дуги в масле, в которых ствол дуги под влиянием поперечного магнитного поля перемещается в узкие, заполненные маслом каналы и щели, образованные стенками из изоляционного материала.

Наибольшее распространение находят дугогасительные устройства первой группы, так как обеспечивают большую эффективность гашения при сравнительно несложных конструкциях.

Принципиальные схемы работы простейших дугогасительных камер с автодутьем приведены на рис.9. Газовый пузырь, образующийся вокруг дуги при размыкании контактов, приводит к существенному повышению давления в ограниченном объеме камеры (положение I). Масло и продукты его разложения, стремясь выйти через отверстия в камере, создают интенсивное обдувание дуги потоками газопаровой смеси и масла вдоль дуги(продольное дутье — рис.9, а) при выходе подвижной контакт-детали из камеры (положениеII) или поперек дуги(поперечное дутье — рис.9,б) при наличии выхлопного отверстия, расположенного против места разрыва (положениеII). После гашения дуги камера наполняется маслом (положениеIII). Современные масляные выключатели снабжены более сложными камерами, в которых используются указанные принципы в различных комбинациях с одним, двумя и большим числом разрывов.

2.7.5. Гашение дуги воздушным дутьём. Этот способ гашения нашел широкое применение в выключателях переменного тока на высокое напряжение.

Дуга, образующаяся между контактами, обдувается вдоль или поперек потоком воздуха под определенным давлением. Перемещающийся с большой скоростью (приближающейся к звуковой) поток воздуха удаляет из зоны дуги нагретые ионизированные частицы, замещая их другими, охлажденными. Температура ствола дуги резко падает, особенно в момент прохождения тока через нуль. Одновременно происходит и механическое разрушение ствола дуги.

По отношению к стволу дуги поток воздуха может быть поперечным — поперечное воздушное дутье (рис.10, а), продольным —продольное воздушное дутье (рис.10,б — е) и продольно-поперечным —продольно-поперечное дутье. Продольное и продольно-поперечное дутье может быть односторонним и двусторонним.

Рис. 9 – Схемы процесса гашения электрической дуги в камерах с автодутьём: а – камера продольного дутья; б – камера поперечного дутья: 1-масло; 2-неподвижный контакт; 3-клапан; 4-дуга; 5-газовый пузырь; 6-камера; 7-подвижный контакт

Поперечное дутье является весьма эффективным способом гашения, но имеет существенные недостатки. Работа камер связана с большим расходом воздуха и большим износом поперечных изоляционных перегородок 2 (рис.10). Камеры оказываются достаточно сложными. Такое дутье применяется при напряжении до 20 кВ и токах отключения до 120 кА.

Продольное дутье нашло преимущественное распространение за счет своей простоты и надежности, малого износа камер. Эффективность этого способа гашения заключается в следующем. Сама камера находится в закрытом баке. Давление в камере много выше давления в баке. Вытекая из камеры под давлением 1—4 МПа, газовый поток направлен вдоль дуги. В сопле (рис. 6-20), где этот поток тесно соприкасается с дугой и проникает в нее, образуются два потока — поток холодного воздуха с температурой примерно 0,3 • 103К и скоростью истечения их«330 м/с и поток горячего воздуха с температурой до 15х103К и скоростью истечения доvг~ 2500 м/с. На границе этих потоков образуется интенсивное турбулентное движение. Перемешивание потоков и обеспечивает чрезвычайно интенсивный отбор теплоты от ствола дуги.

2.7.6. Гашение дуги в элегазе. В последние годы все более широко в высоковольтных выключателях вместо воздуха применяется элегаз —

электротехнический газ. Элегаз — шести-фторная сера SF6, обладает очень высокими дугогасительными свойствами, что позволяет при высокой отключающей способности выключателей существенно сократить их размеры, а также создать герметизированные (полностью закрытые) КРУ.

Рис. 10. Схемы камер с воздушным дутьем: а — поперечное дутье; 6 — продольное одностороннее в горловине камеры; в — продольное одностороннее через соплообразныи контакт; г — продольное одностороннее через изоляционное сопло; д, е — продольное

двустороннее через соплообразные контакты 1 — неподвижный контакт; 2 — изоляционные перегородки; 3 — дуга; 4 — подвижный контакт; 5 - корпус камеры; б — металлическое сопло; 7 — изоляционное сопло

2.7.7. Гашение дуги в вакууме.Известно, что вакуум обладает высокими изоляционными и дугогасящими войствами (рис. 6-23). Достижения в области получения высокого вакуума 1,33 (10-4…10-6) Па в современных выключателях, а главное, сохранение его в пpoцecceих работы обеспечили внедрение и расширение применения этого способа гашения в выключателях на напряжения свыше 6-35кВ.

Механизм гашения дуги в вакууме поясняется следующим образом. При расхождении контактов сперва образуется жидкий металлический мостик из материала электродов. Мостик очень быстро нагревается и испаряется, появляется дуга, которая горит в среде этих паров. Такая дуга называется вакуумной. Её характерной особенностью является малое падение напряжения на ней (20 — 40 В). Только при токах 10—100 кА падение напряжения на дуге возрастает до 50 — 200 В. При прохождении тока через нуль дуга гаснет. Чрезвычайно большая разница в плотности частиц в плазме погасшей дуги и в пространстве камеры (вакууме) обусловливает исключительно высокую скорость диффузии зарядов из дугового промежутка. Соответственно этому мгновенно достигается высокая начальная прочность промежутка. Восстанавливающаяся электрическая прочность промежутка в зависимости от времени в вакууме на несколько порядков выше, чем в других средах Последнее иллюстрируется рис. 6-24.

studfiles.net

Способы гашения электрической дуги

Воздействие на столб электрической дуги

Для гашения дуги постоянного тока необходимо, чтобы вольт-амперная характеристика (ВАХ) дуги Uшла выше прямойU – iR (U – напряжение источника питания, R – сопротивление нагрузки, рис. 4.1).

Рис.4.1. Статическая вольт-амперная характеристика дуги и прямая U-iR

Учитывая, что

, (4.2)

где - напряженность электрического поля в столбе дуги;

- околоэлектродное падение напряжения;

- длина дуги,

подъем вольт-амперной характеристики дуги можно получить за счет увеличения длины дуги, увеличения градиента и увеличения околоэлектродного падения напряжения. Увеличение градиентаможно получить за счет эффективного охлаждения дуги, и подъема давления среды, в которой она горит.

Рис. 4.2. Характерные формы продольных

щелей дугогасительных камер

Перемещение дуги под воздействием магнитного поля

Рис. 4.3. Дугогасительное устройство с системой

магнитного дутья

Достоинствами ДУ с последовательной катушкой являются:

система хорошо работает в области больших токов;
система работает при любом направлении тока;
падение напряжения на катушке составляет доли вольта.

К ее недостаткам можно отнести следующее:

неэффективно работает в системах с малыми токами;
большая затрата меди на катушку;
нагрев контактов за счет тепла в дугогасительной катушке.

Основными недостатками ДУ с параллельной катушкой являются:

направление электродинамической силы, действующей на дугу, зависит от полярности тока;
при КЗ в сети возможно снижение напряжения на катушке.

Гашение дуги высоким давлением

Гашение электрической дуги в потоке сжатого газа

а б

Рис. 4.4. Камеры ДУ с воздушным дутьём:

а – поперечное дутьё; б – продольное дутьё

Гашение дуги с помощью дугогасительной решетки

Как отмечалось выше, ВАХ дуги можно поднять за счет увеличения околоэлектродного падения напряжения U. Это достигается в электрических аппаратах путем использования дугогасительных решеток (рис. 4.5).

Таким образом, удается поднять ВАХ дуги и обеспечить условия ее гашения.

Рис. 4.5. Гашение дуги с помощью дугогасительной решетки

studfiles.net

Основные способы гашения дуги в аппаратах выше 1 кВ

Гашение дуги в масле. Если контакты отключающего аппарата поместить в масло, то возникающая при размыкании дуга приводит к интенсивному газообразованию и испарению масла . Вокруг дуги образуется газовый пузырь, состоящий в основном из водорода (70—80%) быстрое разложение масла приводит к повышению давления в пузыре, что способствует ее лучшему охлаждению и деионизации. Водород обладает высокими дугогасящими свойствами; соприкасаясь непосредственно co стволом дуги, он способствует ее деионизации. Внутри газового пузыря происходит непрерывное движение газа и паров масла. Гашение дуги в масле широко применяется в выключателях.

Газовоздушное дутье. Охлаждение дуги улучшается, если создать направленное движение газов - дутье. Дутье вдоль или поперек дуги способствует проникновению газовых частиц в ее ствол, интенсивной диффузии и охлаждению дуги. Газ создается при разложении масла дугой (масляные выключатели) или твердых газогенерирующих материалов (автогазовое дутье). Более эффективно дутье холодным неионизированным воздухом, поступающим из специальных баллонов со сжатым воздухом (воздушные выключатели).

Многократный разрыв цепи тока. Отключение большого тока при высоких напряжениях затруднительно. Это объясняется тем, что при больших значениях подводимой энергии и восстанавливающегося напряжения деионизация дугового промежутка усложняется. Поэтому в выключателях высокого напряжения применяют многократный разрыв дуги в каждой фазе. Такие выключатели имеют несколько гасительных устройств, рассчитанных на часть номинального напряжения. Число разрывов на фазу зависит от типа выключателя и его напряжения.

В выключателях 500—750 кВ может быть 12 разрывов и более. Чтобы облегчить гашение дуги, восстанавливающееся напряжение должно равно-мерно распределяться между разрывами.

Для выравнивания напряжения параллельно главным контактам выключателя главным контактам включают емкости или активные сопротивления. Значения емкостей и активных шунтирующих сопротивлений подбирают так, чтобы напряжение на разрывах распределялось равномерно. В выключателях с шунтирующими сопротивлениями после гашения дуги между главными контактами сопровождающий ток, ограниченный по значению сопротивлениями, разрывается вспомогательными контактами вспоиогательными контактами.

Шунтирующие сопротивления уменьшают скорость нарастания восстанавливающегося напряжения, что облегчает гашение дуги.

Гашение дуги в вакууме. Высокоразреженный газ (10-6 - 10-8 Н/см2) обладает электрической прочностью, в десятки раз большей, чем газ при атмосферном давлении. Если контакты размыкаются в вакууме, то сразу же после первого прохождения тока в дуге через нуль прочность промежутка восстанавливается и дуга не загорается вновь. Эти свойства вакуума используются в некоторых типах выключателей.

Гашение дуги в газах высокого давления. Воздух при давлении 2 МПа и более также обладает высокой электрической прочностью. Это позволяет создавать достаточно компактные устройства для гашения дуги в атмосфере сжатого воздуха. Еще более эффективно применение высокопрочных газов, например шестифтористой серы SF6 (элегаза). Элегаз обладает не только большей электрической прочностью, чем воздух и водород, но и лучшими дугогасящими свойствами даже при атмосферном давлении. Элегаз применяется в выключателях, отделителях, короткозамыкателях и другой аппаратуре высокого напряжения.

СПОСОБЫ ГАШЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ 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 при условии

и < 1<ик. а, (9.2)

где U — напряжение сети; UK, а — сумма катодного и анодного падения напряжения (150 ... 250 В для дуги переменного тока).

Эффект гашения определяется тем, что каждый отрезок дуги, разделенной на К частей, между соседними пластинами решетки будет иметь свои катоды и аноды, около которых существуют области пониженной проводимости. Поэтому при определенном значении К значение восстанавливающегося напряжения окажется меньше, чем требуемое для того, чтобы пробить К дуговых проме-

жутков, и после прохождения тока через нуль дуга погаснет. Число пластин в решетке, при котором гаснет дуга, определяется соотношением К >U/UK.&.

Дуга обычно затягивается в металлическую решетку под воздействием электромагнитного поля, наводимого в пластинах решетки вихревыми токами (рис. 9.5, а). 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 (рис. 9.5, б). 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. Прц 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 водо-

рода (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.

Способы гашения дуги постоянного тока

Поиск Лекций

Способы гашения электрической дуги

Перед электроконтактными аппаратами, которые коммутируют электрические цепи с током, стоит задача не только разорвать электрическую цепь, но и погасить возникшую между контактами электрическую дугу.

Контур, содержащий индуктивность, при протекании через него тока запасает электромагнитную энергию, причем, чем больше индуктивность контура, тем больше запасенная электромагнитная энергия. При размыкании контура запасенная энергия должна быть израсходована. В основном эта энергия расходуется на создание разряда между разомкнувшимися контактами, который, в большинстве случаев, является дуговым разрядом, характеризуемый большой плотностью тока в разрядном промежутке, сопровождающийся высокой температурой и повышением давления в области горения дуги. В коммутационных электрических аппаратах, предназначенных для замыкания и размыкания электрической цепи с током, при отключении возникает разряд в газе. Либо тлеющий разряд в газе, либо электрическая дуга. Тлеющий разряд возникает тогда, когда ток в отключаемой цепи ниже 0,1 А, а напряжение на контактах достигает величины 250 – 300 В. Такой разряд возникает на контактах мощных реле или как переходная фаза к разряду в виде электрической дуги. Дуговой разряд имеет место только при токах большой величины, минимальный ток дуги составляет примерно 0,5 А.

Способы гашения дуги постоянного тока

Принудительное движение воздуха. Гашение дуги в струе сжатого воздуха, полученной с помощью компрессора, весьма эффективно. Такое гашение в аппаратах низкого напряжения не применяется, так как дугу можно погасить и более простыми способами, без применения специального оборудования для сжатия воздуха. Для гашения дуги, особенно при критических токах (токи, при которых наступают условия для гашения электрической дуги, называются критическими), применяется принудительное дутьё воздуха, создаваемого деталями подвижной системы при движении в процессе отключения.

Гашение дуги в жидкости. Гашение электрической дуги в жидкости, например, в трансформаторном масле, очень эффективно, так как образующиеся газообразные продукты разложения масла при высокой температуре электрической дуги, интенсивно деионизируют ствол дуги. Если контакты отключающего аппарата поместить в масло, то возникающая при размыкании дуга приводит к интенсивному газообразованию и испарению масла. Вокруг дуги образуется газовый пузырь, состоящий в основном из водорода. Быстрое разложение масла приводит к повышению давления, что способствует лучшему охлаждению дуги и деионизации. Из-за сложности конструкции этот способ гашения дуги в аппаратах низкого напряжения не применяется.

Повышенное давление газа. Повышенное давление газа облегчает гашение дуги, так как при этом повышается теплоотдача. Установлено, что вольтамперные характеристики дуги в разных газах, находящихся при разных давлениях (больше атмосферного), будут одинаковы, если в этих газах будут одинаковые коэффициенты теплоотдачи конвекцией.

Электродинамическое воздействие на дугу. При токах свыше 1 А большое влияние на гашение дуги оказывают электродинамические силы, возникающие между дугой и соседними токоведущими частями. Эти силы удобно рассматривать как результат взаимодействия тока дуги и магнитного поля, созданного током, проходящим по токоведущим частям. Простейшим способом создания магнитного поля является соответствующее расположение электродов, между которыми горит дуга. Для успешного гашения дуги требуется, чтобы расстояние между электродами по ходу ее движения увеличивалось плавно. При малых токах никакие, даже очень маленькие, ступеньки (высотой порядка 1 мм) нежелательны, так как у их края дуга может задержаться.

Магнитное гашение. Если путем соответствующего расположения токоведущих частей не удается достигнуть гашения дуги при приемлемых растворах контактов, то, чтобы их не увеличивать чрезмерно, применяют так называемое магнитное гашение. Для этого в зоне, где горит дуга, создают магнитное поле с помощью постоянного магнита или электромагнита, дугогасительная катушка которого включена последовательно в главную цепь. Иногда магнитное поле, созданное контуром тока, усиливается специальными стальными деталями. Магнитное поле направляет дугу в требуемую сторону.

При последовательно включенной дугогасительной катушке изменение направления тока в главной цепи не вызывает изменение направления тока и не вызывает изменение направления движения дуги. При постоянном магните дуга будет двигаться в разные стороны в зависимости от направления тока в главной цепи. Обычно конструкция дугогасительной камеры этого не позволяет, тогда аппарат может работать только при одном направлении тока, что представляет значительные неудобства. Это является главным недостатком конструкции с постоянным магнитом, которая проще, компактнее и дешевле конструкции с дугогасительной катушкой. Способ гашения дуги с помощью последовательно включенной катушки состоит еще и в том, что наибольшую напряженность поля надо создать при критических токах, которые невелики. Дугогасительное поле становится большим при больших токах, когда можно обойтись и без него, так как электродинамические силы становятся достаточно большими для выдувания дуги.

В аппаратах, рассчитанных на атмосферное давление, магнитное гашение применяется широко. В автоматических воздушных выключателях на напряжение до 660 В (за исключением быстродействующих) дугогасительные катушки не применяются, так как эти аппараты преимущественно ручного управления и у них легко создать достаточно большой раствор контактов. Но усилие поля с помощью стальных скоб, охватывающих токоведущие части, применяется часто. Дугогасительные катушки применяются в однополюсных электромагнитных контакторах постоянного тока, так как раствор контакта аппарата необходимо делать значительно меньшим во избежание применения чрезмерно большого втягивающего электромагнита.

poisk-ru.ru

2.1.5. Условия гашения дуги переменного тока. Способы гашения дуги

Способы гашения электрической дуги

Похожие статьи:

Способы гашения электрической дуги

2.1.5. Условия гашения дуги переменного тока

Лекция № 3

2.1.6. Способы гашения электрической дуги

2.1.7. Дугогасительные устройства постоянного и переменного тока

Способы гашения электрической дуги

Основные способы гашения дуги в аппаратах выше 1 кВ

Похожие статьи:

СПОСОБЫ ГАШЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ.

Похожие статьи:

Способы гашения дуги постоянного тока