Способы гашения электрической дуги.

Гашение дуги может быть достигнуто увеличением скорости деионизации дугового промежутка, уменьшением скорости восстановления напряжения, либо совместным использованием обоих этих факторов.

Ко всем дугогасительным устройствам предъявляются следующие требования: 1) время гашения дуги должно быть минимальным;

2) энергия, выделяемая дугой должна быть минимальной; 3) при гашении дуги не должно возникать опасных перенапряжений.

2.6.1. Растягивание электрической дуги приводит к повышению падения напряжения на дуговом промежутке за счет деионизации, происходящей в стволе дуги. Однако, градиент напряжения ( падение напряжения на единицу длины дуги) составляет небольшую величину - примерно 15 В/см. Поэтому, гашение дуги только путем ее растягивания привело бы к увеличению габаритов отключающего аппарата. Обычно растягивание электрической дуги применяется лишь в низковольтных слаботочных аппаратах. В коммутационных аппаратах (например, в контакторах.) растягивание дуги используется в совокупности с другими методами гашения дуги.

2.6.2. Магнитное дутье. Перемещение электрической дуги в воздушной среде приводит к интенсивной деионизации ствола дуги в связи с: усилением охлаждения дуги; возрастанием дифузии заряженных частиц из области горения дуги в окружающее пространство; повышением давления внутри дуги в результате уменьшения диаметра ее ствола.

Эффективность каждого из перечисленных факторов, увеличивающих градиент напряжения в дуге, возрастает с повышением скорости ее перемещения. Электрическая дуга перемещается под воздействием электродинамических сил, возникающих в результате взаимодействия дуги с внешним магнитным полем. Внешнее магнитное поле для перемещения электрической дуги в низковольтных аппаратах может быть получено при помощи:

1) электромагнитов с катушкой, включаемой последовательно с контактами, между которыми возникает электрическая дуга;

2) электромагнитов с катушкой, включаемой на напряжение сети;

3) постоянных магнитов.

Способ дугогашения с использованием внешнего магнитного поля называется магниттным дутьем. Исключительное распространение получила последоваельтная дугогасительная катушка.

На рисунке 21 показана конструкция дугогасительного устройства на основе магнитного дутья. Оно состоит из катушки 1, включенной последовательно с размыкаемыми контактами, ферромагнитного сердечника 2 и двух ферромагнитных пластин 3. Катушка выполнена в виде нескольких витков медной шины большого сечения. Пластины 3 плотно примыкают к сердечнику 2 и располагаются по обе стороны контактов. При протекании тока дуги по катушке ее МДС создает в сердечнике магнитный поток Ф, который выводится из сердечника при помощи

пластин 3 в область горения электрической дуги между размыкающимися контактами. Взаимодействие тока дуги с потоком Ф приводит к возникновению электродинамической силы F_ЭДУ, действующей на дугу. Под действием этой силы дуга растягивается, охлаждается и гаснет.

Основными достоинствами этого способа возбуждения магнитного поля гашения является надежность и независимость направления силы,

Рис. 21. Магнитное дутье действующей на дугу, от направления тока. Изменение направления тока в цепи вызывает и изменение направления поля, создаваемого катушкой. Направление силы в таком случае, действующей на дугу, остается неизменным.

2.6.3. Гашение дуги в узких щелях. Соприкосновение дуги с поверхностью твердого диэлектрика способствует усиленной рекомбинации заряженных частиц на его поверхности; а также интенсивному отводу тепла из области горения дуги, в связи с хорошим тепловым контактом, возникающим между дугой и диэлектриком.

Дугогасительные устройства, использующие этот принцип гашения дуги, представляют собой узкую щель, образованную двумя стенками из дугостойкого изоляционного материала (рис. 22). Ширина щели камеры выполняется меньше диаметра дуги, что увеличи-

Рис. 22. Камера вает ее аэродинамическое сопротивление. Поэтому,

дугогасительная чтобы загнать дугу в узкую щель, применяется магнитное дутье.

В качестве материала для камеры обычно используется асбоцемент и керамика. Керамическая масса по сравнению с асбоцементомболее устойчива к выгоранию от действия электрической дуги. Кроме того, поверхность ее глаже и поэтому сопротивление вхождению дуги в щель меньше, чем в камере из асбоцемента.

Дугогасительные устройства с узкой щелью используются в аппаратах как постоянного, так и переменного тока.

2.6.4. Гашение дуги в дугогасительной решетке. Этот метод основан на использовании околоэлектродного падения напряжения.

На рисунке 23 показана дугогасительная система на основе дугогасительной (деионной) решетки. Над контактами 1 и 2 расположены

неподвижные и изолированные друг от друга стальные пластины 3, образующие дугогасительную решетку. Дуга 4, возникающая при размыкании контактов, под действием электродинамических сил, втягиваетсяв дугогасительную решетку и разбивается на

ряд коротких дуг. У каждой пластины решет- ки возникает околоэлектродное падение нап-

Рис. 23. Решетка ряжения. В результате, за счет суммы около-

дугогасительная электродных падений напряжения, увеличивается общее напряжение дуги и происходит ее гашение. В дугогасительной решетке, по мере расхождения контактов, дуга последовательно входит в промежутки между пластинами решетки. При этом, напряжение на дуге возрастает приблизительно по линейному закону, а длительность горения дуги будет уменьшаться с возрастанием скорости расхождения контактов и числа пластин, приходящихся на единицу длины дуги.

На гашение дуги переменного тока в дугогасительной решетке в основном оказывают влияние процессы, происходящие у катода при прохождении тока через нуль. В этот момент времени околокатодное пространство мгновенно приобретает электрическую прочность порядка 150…250 В.

Дугогасительная решетка для гашения дуги переменного тока имеет значительно меньшее количество пластин, чем для дуги постоянного тока, так как в последней U_э = 20…25 В. При гашении дуги переменного тока действие дугогасительной решетки в 7…8 раз эффективнее, чем при гашении дуги постоянного тока. Поэтому, дугогасительные решетки нашли более широкое применение в аппаратах переменного тока.

2.6.5. Устройство для бездуговой коммутации. Принцип бездуговой коммутации состоит в шунтировании главных контактов тиристорами в моменты вибрации контактов или их размыкания. Устройство, выполняющее эти функции, может иметь схему, показанную на рисунке 24. Основным элементом схемы управления тиристорами 2 и 3 является трансформатор тока 4. При замыкании контактов 1 и возникновении тока в главной цепи трансформатор тока 4 через диоды 5 и 6 подает отпирающий сигнал на управляющие электроды тиристоров 2 и 3. В момент размыкания контактов, ток главной цепи переходит в цепь того из тиристоров, проводящее направление которого совпадает с полярностью тока в коммутируемой цепи. Прямое падение напряжения на открытом тиристоре, составляющее 1,5…2,0 В, надежно защищает контактную пару от дугового разряда.

Полное отключение цепи происходит при переходе тока в тиристоре через нуль. В промежутках между коммутациями при любом токе нагрузки в пределах рабочих токов, тиристоры находятся в открытом состоянии по цепи управления, но зашунтированы главными контактами.

Для предотвращения

включения тиристоров при

Рис. 24. Устройство для бездуговой сквозных токах короткого

коммутации замыкания, вызывающих отброс главных контактов, в устройстве применяется специальная схема защиты от токов короткого замыкания 7 и 8. При сквозных токах короткого замыкания, превышающих 10-ти кратный номинальный ток контактора, схема защиты от короткого замыкания срабатывает и шунтирует управляющие электроды тиристоров, предотвращая переход тока из цепи контактов в цепь тиристоров.

Стабилитроны 9 и 10 ограничивают напряжение на управляющих электродах тиристоров до допустимой величины. Цепь, состоящая из резистора 11 и конденсатора 12, служит для снижения скорости нарастания и амплитуды восстанавливающегося напряжения на контактах в моменты их размыкания, а также защищает тиристоры от кратковременных перенапряжений, существующих в сети.

Вопросы для самоконтроля

2.7.1. Что такое термическая ионизация, рекомбинация и диффузия?

2.7.2. В чем состоят условие устойчивого горения и условие гашения дуги постоянного тока?

2.7.3. Что такое критическая длина и критический ток дуги?

2.7.4. От чего зависят перенапряжение при отключении постоянного тока и время гашения дуги?

2.7.5. От чего зависят скорости нарастания пробивной прочности и восстанавливающегося напряжения при гашении дуги переменного тока, и как они влияют на условия ее гашения?

2.7.6. От чего зависит начальная восстанавливающаяся прочность дугового промежутка и как она влияет на гашение коротких дуг переменного тока?

2.7.7. В чем заключается способ гашения дуги воздействием магнитного поля?

2.7.8. Какие способы существуют для исключения точки устойчивого горения дуги постоянного тока? Как они реализованы в дугогасительных устройствах?

2.7.9. Объясните принцип действия магнитного дутья. Как он реализован в дугогасительных устройствах?

2.7.10. Объясните принцип действия дугогасительной решетки и назовите области ее применения.

2.7.11. Чем обусловлена бестоковая пауза при коммутации цепей переменного тока и от чего зависит ее длительность?

2.7.12. Изобразите и поясните схему устройства для бездуговой коммутации.

2.7.13. Сформулируйте условие гашения дуги переменного тока.

2.7.14. Почему дугогасительная решетка более эффективна на переменном токе, чем на постоянном?

2.8. Примеры расчета [6]

2.8.1. Определить скорость дуги между круглыми медными шинами диаметра d = 20 мм, по которым протекает ток I_д = 1500 А, расстояние между шинами δ = 10 мм. Шины находятся в воздухе, магнитная проницаемость которого μ₀ = 4 π∙10^-7 Гн/м.

Решение.Для определения скорости смещения дуги между шинами необходимо знать значения магнитной индукции между шинами.

Принимаем за расчетное значение индукции ее величину в средней точке между шинами, т. е.

, Тл. (20)

Скорость перемещения дуги от тока в шинах при индукции B≤0,1 Т определяется по формуле Г.А. Кукекова

, м/с. (21)

2.8.2. Определить скорость перемещения дуги в узкой щели дугогасительной камеры при условии, что поперечное магнитное поле в камере создается катушкой, имеющей N = 10 витков и обтекаемой током дуги I_д = 400 А. Ширина щели (рис. 25), в которую затягивается дуга,

δ = 2 мм. Расстояние между полюсами катушки ∆ = 2 см.

Решение.По формуле Кукекова скорость дуги, находящейся в

узкой щели, определяется следующим образом

м/с, (22)

где В – индукция в камере; Г/м – магнитная проницаемость воздуха;

Рис. 25. Дугогасительная камера Т. (23)

2.8.3. Определить полное время гашения дуги, если напряжение на дуге U_д = 250 В, в зависимости от тока, остается постоянным (рис. 26). Напряжение сети U_с = 200 В, сопротивление R = 1 Ом, индуктивность

L = 15 мГн.

Решение. Полное время горения дуги определим по формуле

, (24)

где L – индуктивность цепи, Гн; U_пн – пере-напряжение, В; I – установившийся ток цепи, А.

Рис. 26. К расчету t_д Значение перенапряжения определяется по фор-

муле

. (25)

Подставив U_пн в выражение для t_д и проинтегрировав его, получим

с.

2.8.4. Определить возможное перенапряжение U_пн в цепи постоянного тока, если происходит ее размыкание без дуги, при условии, что к зажимам индуктивности подключена емкость С = 0,1 мкф. Индуктивность в цепи L = 1,5 Гн, ток I = 20 А.

Решение.Если пренебречь активным сопротивлением индуктивной катушки, то наиболее ожидаемое напряжение может быть определено из того условия, что вся электромагнитная энергия переходит в электростатическую.

, (26)

откуда В.

2.8.5. Определить число стальных пластин решетки аппарата постоянного тока для гашения дуги, возникающей на его контактах при напряжении U = 440 В.

Решение.Дуга, входящая в стальную решетку под действием электродинамических сил, в средней зоне пластин останавливается, в результате чего образуются сильно нагретые электроды дуги. Сумма катодного и анодного напряжений получается сравнительно небольшой:

В.

Таким образом, число пластин решетки будет равно:

. (27)

Если расстояние между пластинами 0,1 см, то общее напряжение на дуге

В.

Это напряжение можно считать запасом надежности работы аппарата.

2.8.6. Определить начальную скорость и амплитуду восстановления напряжения на выключателе при отключении не нагруженной линии емкостью С от трансформатора мощностью P_ном = 5000 кВ∙А, номинальное напряжение U_ном = 110 кВ, процентная реактивность Х = 12%, приведенная емкость С = 0,1 мкФ. Зарядный ток не нагруженной линии I = 25 А,частота f = 50 Гц.

Решение.Индуктивность фазы трансформатора

Гн. (28)

Амплитуда падения напряжения на сопротивлении рассеяния трансформатора

В. (29)

Собственная частота колебаний напряжения

Гц. (30)

Начальная скорость восстановления напряжения на выключателе определяется по формуле

В/мкс. (31)