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.

а

г

в

б

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 90^о, 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.

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 Р_прот, за счет чего и устраняется вибрация магнитной системы.