Высоковольтная дуга: Электрическая дуга — Что такое Электрическая дуга?

Электрическая дуга — Что такое Электрическая дуга?

AИ-95

0

AИ-98

0

Электрическая дуга (вольтова дуга, дуговой разряд) — физическое явление, один из видов электрического разряда в газе.

Электрическая дуга первые была описана в 1802 г. русским ученым В. Петровым.

Она является частным случаем 4^й формы состояния вещества — плазмы — и состоит из ионизированного, электрически квазинейтрального газа.

Присутствие свободных электрических зарядов обеспечивает проводимость электрической дуги.

Электрическая дуга между 2^мя электродами в воздухе при атмосферном давлении образуется следующим образом.

При увеличении напряжения между двумя электродами до определенного уровня в воздухе между электродами возникает электрический пробой.

Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния между электродами и пр.

Зачастую для инициирования пробоя при имеющемся напряжении электроды приближают друг к другу.

Во время пробоя между электродами обычно возникает искровой разряд, импульсно замыкая электрическую цепь.

Электроны в искровых разрядах ионизируют молекулы в воздушном промежутке между электродами.

При достаточной мощности источника напряжения в воздушном промежутке образуется достаточное количество плазмы для того, чтобы напряжение пробоя (или сопротивление воздушного промежутка) в этом месте значительно упало.

При этом искровые разряды превращаются в дуговой разряд — плазменный шнур между электродами, являющийся плазменным тоннелем.

Эта дуга является по сути проводником, и замыкает электрическую цепь между электродами, средний ток увеличивается еще больше нагревая дугу до 5000–50000 K.

При этом считается, что поджиг дуги завершен.

Взаимодействие электродов с плазмой дуги приводит к их нагреву, частичному расплавлению, испарению, окислению и другим видам коррозии.

После поджига дуга может быть устойчива при разведении электрических контактов до некоторого расстояния.

При эксплуатации высоковольтных электроустановок, в которых неизбежно появление электрической дуги, борьба с электрической дугой осуществляется при помощи электромагнитных катушек, совмещенных с дугогасительными камерами.

Среди других способов известны использование вакуумных и масляных выключателей, а также методы отвода тока на временную нагрузку, самостоятельно разрывающую электрическую цепь.

Электрическая дуга используется при электросварке металлов, для выплавки стали (дуговая сталеплавильная печь) и в освещении (в дуговых лампах).

Последние новости

Новости СМИ2

Произвольные записи из технической библиотеки

Используя данный сайт, вы даете согласие на использование файлов cookie, помогающих нам сделать его удобнее для вас. Подробнее.

Электрическая дуга в высоковольтных выключателях. Методы гашения электрической дуги



 



Описание процесса отключения электрической цепи переменного тока при коротком замыкании

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

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

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

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

Физические процессы в дуговом промежутке выключателя при высоком давлении

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

Различают следующие области дугового разряда:

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

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

Механизм освобождения электронов может быть двояким:

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

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

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

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

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

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

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

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

Вольт-амперные характеристики дуги

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

Рис.1. Вольт-амперные характеристики дуги:

а — статическая характеристика;

б — динамические характеристики

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

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

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

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

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

Рис.2. Напряжение на дуге при переменном токе:

а — напряжение дуги как функция тока;
6 — напряжение дуги как функция времени

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

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

Гашение дуги в воздушных выключателях

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

Рис.3. Дугогасительное устройство воздушного выключателя с двухсторонним дутьем:

а — схема;
б — распределение давления вдоль оси

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

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

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

Рис.4. Распределение температуры в поперечном направлении на участке между соплами:

а — дуга;
в — тепловой пограничный слой

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

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

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

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

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

Рис.7. Взаимодействие дуги с электрической цепью

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

(1)

где t₀ — момент размыкания контактов.

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

Этап возможного теплового пробоя

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

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

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

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

Этап возможного электрического пробоя

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

Гашение дуги в масляных выключателях

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

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

Рис.9. Схема простейшей гасительной камеры масляного выключателя

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

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

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

Характерные свойства воздушных и масляных выключателей

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

Рис.10. Характеристики восстанавливающейся электрической прочности
дугового промежутка воздушного выключателя

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

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

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

(2)

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

При наличии апериодической составляющей в отключаемом токе:

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

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

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

Уменьшение возвращающегося напряжения также облегчает процесс отключения.

Рис.11. Возвращающееся напряжение при асимметрии отключаемого тока

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

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

Итоговое действие апериодической составляющей зависит от свойств выключателя.

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

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

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



 

Высоковольтные дуги и искры Страница

цилиндрический объект слева содержит многомиллионный генератор импульсов высокого напряжения, называемый Марксом. Генератор Сибирского энергетического НИИ высоковольтный испытательный полигон в Новосибирске, Сибирь. Положительная полярность и скорость нарастания импульса напряжения от Генератор Маркса максимально увеличил «эффективность» создания длинных искр. Хотя сначала сообщения об огромных 100-метровых искрах изначально были встречены учеными со скептицизмом. инженеры-высоковольтники, ряд энергетиков и ученых впоследствии были свидетелями подобных событий на этом объекте. Иногда эти заблудшие болты попал в верхнюю часть уличных фонарей на соседней стоянке! В этот на установке были созданы искры длиной до 200 метров при сравнительно низком потенциале 5,2 МВ. В чтобы почувствовать масштаб на фотографии выше, цилиндрический здание 28 метров (~92 фута) в высоту, и в нем находится 28-ступенчатый генератор Маркса. который способен генерировать положительные или отрицательные выходные импульсы до до 7 миллионов вольт. Здание построено из закрытых ячеек пенополиуретан толщиной около 1 метра, выдерживающий высокое напряжение стресс. В конце 2005 года член списка рассылки Tesla Coil (Дмитрий, энтузиаст Tesla Coiling, живущий рядом с объекта) смогли запланировать визит с членами своего персонала. Дмитрий впоследствии поделился подробностями об этом объекте в серии сообщения электронной почты другим участникам в списке, и отличные фотографии, которые он сделал, могут быть можно увидеть на нашем зеркале старого веб-сайта Hot-Streamer Терри Фрица. Видео слайд-шоу этого объекта также можно увидеть на YouTube. Благодаря его усилиям мы теперь знаем, что в генераторе СИБНИИЭ используется 896 накопительных конденсаторов, каждый номиналом 175 нФ при 125 кВ. В каждой ступени Маркса используется тридцать два конденсатора, соединенных по четыре параллельно с восемью из них. группы последовательно для создания банка 1400 нФ при 500 кВ постоянного тока на ступень. Чтобы продлить срок службы конденсатора, каждая ступень работает при максимальном напряжении 250 кВ. Полностью заряженная «возбужденная емкость» составляет 50 нФ, а при пиковой мощности генератор развивает 1,225 миллион джоулей (МДж) на выстрел. В приведенном выше разряде максимальное напряжение составляло примерно пять миллионов вольт, в результате чего точка к точке расход ~ 70 метров (230 футов). Расчетное фактическое расстояние искрового канала составило ~150 метров (~492 фута). Время нарастания импульса составляло ~150 мкс, длительность ~10 мс, общий банк Маркса энергия составляла ~678 кДж. Еще более крупный генератор Маркса находится в Исследовательском центре высокого напряжения. (ВРЦ) в г. Истра, Россия. Объект спроектирован и построен компанией бывшая немецкая фирма TuR по заказу Siemens. Объект также является домом для крупнейшего в мире испытательного центра переменного тока с каскадным трансформаторы, способные выдавать 3 млн вольт переменного тока при 12 млн вольт-ампер (МВА). Огромный генератор Istra Marx возвышается на 43 метра (141 футов) высотой и состоит из пятнадцати ступеней. Каждая ступень способна работать не более 600 кВ. Каждый каскад имеет огромную внешнюю градуировку напряжения. кольцо, помогающее выровнять нагрузку напряжения на мачте и предотвращения нежелательного коронного разряда или перекрытий. Истринский объект спроектирован генерировать максимум 9миллионов вольт при эрегированной емкости 150 нФ. Обычно он работает при максимальном напряжении 6 миллионов вольт (~ 1,3 мегаджоуля на выстрел) в для продления срока службы конденсатора. Следующие изображения показывают дневное время вид на Истринский генератор и рукотворная молния ночью. Два также можно увидеть неполных лидеров, выходящих из верхний тороид. Также можно увидеть появление еще одного неожиданного разветвленного лидера. от нижнего кольца 12-й ступени. Этот генератор производил искры на открытом воздухе длиной до 150 метров (492 метра)! Обновление от июля 2021 г.: К сожалению, Истринский объект был снесен, чтобы позволить строительство торгового центра. В последний раз объект был подключен к сети в г. 2014 года и сильно зарос сорняками и небольшими деревьями и находился в заметном аварийном состоянии. Остались только изображения и несколько технических документов… Благодаря исследованиям высокого напряжения на подобных объектах было определили, что коммутационные перенапряжения при передаче электроэнергии сверхвысокого напряжения (СВН) системы могут инициировать проводящие плазменные каналы, называемые стримерами, которые могут быстро привести к пробою на другие фазы или землю, вызывая аварийные срабатывания автоматического выключателя и незапланированные перебои в обслуживании. Формирование и рост Положительные косы могут быть ограничивающим фактором для практического проектирования системы передачи электроэнергии сверхвысокого напряжения. Этот феномен может установить верхний предел напряжения для передачи переменного тока около 1,2 миллиона вольт. В настоящее время максимальное рабочее напряжение передачи переменного тока составляет 1,15 млн вольт, используется в ЛЭП Экибастуз-Кокшетау, 696 км, трехфазная передача линия, соединяющая гидроэлектростанции Западной Сибири, через Казахстан в Россию. Также имеется система передачи 1,1 МВ. действует в Китае. Тем не менее, Индия планирует реализовать экспериментальный 1.2 Система передачи MVAC на их испытательный центр UHVAC в Бине в Мадхья-Прадеше. Энергетическая сеть Корпорация Индии (PGCIL) планирует применить опыт, полученный в результате этого испытательный комплекс для преобразования 400-километровой линии электропередачи (соединяющей Вардха и Аурангабад) с 400 кВ до 1,2 МВ, увеличив мощность этих линии электропередачи от 400 МВт до более 6000 МВт.   (Фотографии предоставлены Базеляном и Райзером, «Искровой разряд», CRC Press, 1997, и Владимиром Сыссоевым и Юрием В. Щербаковым, Международная конференция «Электрическая прочность сверхдлинных воздушных зазоров». по молниям и статическому электричеству, сентябрь 2001 г., Сиэтл, Вашингтон)

Что такое дуговая вспышка, почему она возникает и как ее избежать?

Что такое вспышка дуги?

Вспышка дуги создается светом и заживлением дугового разряда. Он также известен как электрическая вспышка. Это движение электрического разряда.

Этот свет и тепло создаются благодаря соединениям с низким импедансом в электрической системе, что позволяет нежелательному электрическому разряду перемещаться по воздуху от одной фазы напряжения к другой или к земле.

Это приводит к быстрому повышению температуры и давления в воздухе между электрическими проводниками, вызывая взрыв, известный как дуговой разряд.

Что такое дуговой разряд?

Взрыв дуги возникает в результате нагрева от вспышки дуги. Это тепло также вызывает электрические пожары. Это явление может привести к волнам давления и летящим осколкам, которые серьезно наносят ущерб жизни и имуществу.

Эти взрывы обычно происходят без какого-либо предупреждения, выводят из строя электрическое оборудование и приводят к серьезным травмам или смерти персонала, находящегося в зоне действия электрической дуги.

Поэтому вы должны принять надлежащие меры для обеспечения безопасности дугового разряда дома, в офисе, на заводе или в других учреждениях.

Вспышка дуги и взрыв дуги

Существует много путаницы, связанной с вспышкой и взрывом электрической дуги. И вспышка дуги, и взрыв дуги являются побочными продуктами электрической неисправности и взрыва. Так как же их отличить! Различие заключается в их триггере.

Вспышка дуги — это свет и тепло, образующиеся при электрическом взрыве. Взрыв дуги возникает в результате внезапной волны давления, испускаемой мигающей дугой. В некотором смысле электрическая дуга и взрыв дуги являются частью цепной реакции, происходящей одна за другой.

Какие примеры вспышки дуги?

Вспышка дуги возможна в местах с наиболее высоким напряжением, а также в вашем доме с обычным электроснабжением. Тем не менее, интенсивность дуговой вспышки увеличивается с увеличением напряжения, которое вы получаете в источниках питания.

Вот несколько примеров вспышки дуги. При слишком близком расположении высоковольтных линий электропередач между проводниками возможен энергетический разряд. В результате этого явления может появиться синий или красный свет. Он может выйти из-под контроля, шипеть и дуть, если будет шторм.

Обычная лампочка в вашем доме тоже может перегореть и вызвать вспышку дуги. Но, как правило, это не так опасно, как электрическая дуга в высоковольтной установке электропитания.

Как измеряется вспышка дуги?

Вспышка дуги измеряется в калориях на квадратный сантиметр (кал/см²). Это количество тепла и электроэнергии, выделяемой взрывом. Это измерение также называется падающей энергией.

Во время вспышки дуги высвобождаются различные другие формы энергии, такие как давление и звук. Но значительный вклад в причинение летального исхода вносит тепло. Поэтому тепловая и электрическая энергии учитываются только при измерении электрической дуги.

Насколько горяча дуговая вспышка?

Диапазон температур вспышки дуги составляет от 2760 до 11093 градусов по Цельсию и от 5000 до 20000 градусов по Фаренгейту.

Как происходит вспышка дуги?

Вспышка дуги возникает, когда несколько электрических проводников расположены близко друг к другу, и по ним протекают значительные токи короткого замыкания.
В этой ситуации ионизация воздуха может происходить из-за различных факторов, таких как разность потенциалов, которые приводят к пути с низким сопротивлением и позволяют току течь через воздушный зазор между проводниками.

Многие считают, что оборудование низкого напряжения защищено от вспышки дуги, но уровни опасности вспышки дуги могут быть выше при низком напряжении из-за больших токов короткого замыкания. Большинство инцидентов, происходящих в системах низкого напряжения, вызваны человеческими ошибками, например, инструмент соскальзывает, когда техник работает с электрооборудованием.

Некоторые из основных факторов, вызывающих вспышку дуги:

• Небрежность или несчастные случаи, например, касание испытательным щупом не той поверхности
• Неправильные инструменты, установка и методы работы
• Отсутствие знаний и обучения по электробезопасности
• Использование поврежденных электрических материалов/оборудования
• Препятствие в разъединительных панелях
• Повреждение изоляции, разрывы или износ
• Пыль, мусор и коррозия на электрических проводниках
• Ненадлежащее профилактическое обслуживание автоматических выключателей и переключателей
• Открытые части под напряжением, ослабленные соединения или коррозия
• Статическое электричество или кабели высокого напряжения
• Воздействие воды или других жидкостей на электрическое оборудование

Как предотвратить вспышку дуги?

При надлежащем обучении, мерах безопасности и оборудовании можно свести к минимуму риск вспышки дуги. Вот 5 способов предотвратить вспышку дуги:

1. Обесточить оборудование и удалить персонал: Крайне важно устранить потенциальную опасность, насколько это возможно. Избегайте работы с электрическим оборудованием, находящимся под напряжением, и проявляйте особую осторожность при тестировании, чтобы убедиться, что оно обесточено или снова включено. Используйте технологию удаленного отслеживания для управления автоматическими выключателями из-за пределов вспышки дуги, вместо того чтобы подвергать персонал риску травм или смерти.
2. Изучение опасностей и использование технологий с низким уровнем риска  Соберите данные о системе распределения электроэнергии на вашем объекте и проведите исследования координации короткого замыкания и защитных устройств, чтобы определить категории опасности вспышки дуги для электрооборудования, а также способы их снижения. Кроме того, обратите внимание на такие технологии, как дугогасительные выключатели, дистанционное стеллажное оборудование и дугогасительные предохранители, которые помогают обеспечить безопасность персонала и имущества.
3. Модернизация электрических систем и средств управления: Определите необходимый уровень СИЗ — средств индивидуальной защиты — в соответствии с категорией опасности вспышки и убедитесь, что персонал надлежащим образом экипирован. Перепроектируйте свое оборудование и процессы, чтобы максимально использовать средства инженерного контроля, помогающие предотвратить и снизить риски. При необходимости отрегулируйте настройки автоматических выключателей и систем распределения энергии и замените электрооборудование с высоким риском на устройства, снижающие падающую энергию.
4. Улучшение обучения технике безопасности и осведомленности о рисках: В дополнение к предписанию регулирующих органов, таких как OSHA, надлежащее обучение технике безопасности также гарантирует, что ваш персонал понимает последствия небрежности и всегда соблюдает надлежащие процедуры безопасности.
5. Создать и внедрить строгую программу безопасности: Определить риски, границы и подходящие СИЗ для электробезопасности с помощью исследований опасностей вспышки дуги. Убедитесь, что надлежащие электротехнические правила и рабочие процессы задокументированы, доведены до сведения всего задействованного персонала и строго соблюдаются. Кроме того, разработайте программу профилактического обслуживания электрических материалов/оборудования и убедитесь, что только квалифицированный и полностью обученный персонал, оснащенный соответствующими инструментами и СИЗ, может работать с электрическими системами.

D&F Liquidators

D&F Liquidators уже более 30 лет обслуживает потребности в электротехнических строительных материалах. Это международный информационный центр с помещением площадью 180 000 квадратных метров, расположенным в Хейворде, Калифорния. Он хранит обширный перечень электрических разъемов, фитингов для кабелепроводов, автоматических выключателей, распределительных коробок, проводов, защитных выключателей и т. д. Он закупает электроматериалы у первоклассных компаний по всему миру. Компания также имеет обширный ассортимент электротехнической взрывозащищенной продукции и современных электросветотехнических решений.