Способы и устройства гашения дуги в электрических аппаратах.

I. а) Условия возникновения и горения дуги

При замыкании контактов в цепи высокого напряжения возникает электрический разряд в виде дуги. В дуге различают околокатодное про­странство, ствол дуги и околоанодное пространство (рис. 19.1). Все напря­жение распределяется между этими областями U_к, U_с,д , U_а. Катодное паде­ние напряжения в дуге постоянного тока 10-20В, а длина этого участка составляет 10^-4— 10^-5 см, таким образом, около катода наблюдается вы­сокая напряженность электрического поля (10⁵—10⁶В/см). При таких высо­ких напряженностях происходит ударная ионизация. Суть ее заключается в том, что электроны, вырванные из катода силами электрического поля (автоэлектронная эмиссия) или за счет нагрева катода (термоэлектронная эмиссия), разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии доста­точно, чтобы оторвать один электрон с оболочки нейтрального атома, то произойдет ионизация. Образовавшиеся свободные электроны и ионы со­ставляют плазму ствола дуги. Проводимость плазмы приближается к проводимости металлов [g= 2500 1/(Ом×см)]. В стволе дуги проходит боль­шой ток и создается высокая температура. Плотность тока может достигать 10000А/см² и более, а температура — от 6000 К при атмосфер­ном давлении до 18000 К и более при повышенных давлениях.

Рис. 19.1. Распределение в стационарной дуге постоянного тока напряжения U(a) и напря­женности Е(б)

Рис. 19.2. Изменение тока и напряжения при гашении дуги переменного тока в цепи с индуктивной нагрузкой

Высокие температуры в стволе дуги приводят к интенсивной термоионизации, которая поддерживает большую проводимость плазмы. Термоионизация — процесс образования ионов за счет соударения молекул и атомов, обладающих большой кинетической энергией при высоких ско­ростях их движения. Чем больше ток в дуге, тем меньше ее сопротивление, а поэтому требуется меньшее напряжение для горения дуги, т. е. дугу с большим током погасить труднее.

При переменном токе напряжение источника питания и_с меняется сину­соидально, так же меняется ток в цепи i (рис. 19.2), причем ток отстает от напряжения примерно на 90°. Напряжение на дуге и_д, горящей между кон­тактами выключателя, непостоянно. При малых токах напряжение возра­стает до величины и_з (напряжения зажигания), затем по мере увеличения тока в дуге и роста термической ионизации напряжение падает. В конце полупериода, когда ток приближается к нулю, дуга гаснет при напряжении гашения и_г. В следующий полупериод явление повторяется, если не при­няты меры для деионизации промежутка.

Если дуга погашена теми или иными способами, то напряжение между контактами выключателя должно восстановиться до напряжения питаю­щей сети. Однако поскольку в цепи имеются индуктивные, активные и ем­костные сопротивления, возникает переходный процесс, появляются коле­бания напряжения (рис. 19.2), амплитуда которых и_в,_mах может значительно превышать нормальное напряжение. Для отключающей аппаратуры важ­но, с какой скоростью восстанавливается напряжение на участке АВ.

Подводя итог, можно отметить, что дуговой разряд начинается за счет ударной ионизации и эмиссии электронов с катода, а после зажигания дуга поддерживается термоионизацией в стволе дуги.

б) Гашение дуги

В отключающих аппаратах необходимо не только разомкнуть кон­такты, но и погасить возникшую между ними дугу.

В цепях переменного тока ток в дуге каждый полупериод проходит че­рез нуль (рис. 19.2), в эти моменты дуга гаснет самопроизвольно, но в сле­дующий полупериод она может возникнуть вновь. Как показывают осцил­лограммы, ток в дуге становится близким нулю несколько раньше естественного перехода через нуль (рис. 19.3, а). Это объясняется тем, что при снижении тока энергия, подводимая к дуге, уменьшается, следователь­но, уменьшается температура дуги и прекращается термоионизация. Дли­тельность бестоковой паузы t_П невелика (от десятков до нескольких сотен микросекунды), но играет важную роль в гашении дуги. Если разомкнуть контакты в бестоковую паузу и развести их с достаточной скоростью на такое расстояние, чтобы не произошел электрический пробой, то цепь бу­дет отключена очень быстро.

Рис. 19.3. Условия погасания дуги переменного тока: а — погасание дуги при естест­венном переходе тока через нуль; б — рост электрической прочно­сти дугового промежутка при пе­реходе тока через нуль

Во время бестоковой паузы интенсивность ионизации сильно падает, так как не происходит термоионизации. В коммутационных аппаратах, кроме того, принимаются искусственные меры охлаждения дугового про­странства и уменьшения числа заряженных частиц. Эти процессы деионизации приводят к постепенному увеличению электрической прочности про­межутка и_пр (рис. 19.3,6).

Резкое увеличение электрической прочности промежутка после перехо­да тока через нуль происходит главным образом за счет увеличения про­чности околокатодного пространства (в цепях переменного тока 150-250В). Одновременно растет восстанавливающееся напряжение и_в. Если в лю­бой момент и_пр>и_в промежуток не будет пробит, дуга не загорится вновь после перехода тока через нуль. Если в какой-то момент и¢_пр = и_в, то проис­ходит повторное зажигание дуги в промежутке.

Таким образом, задача гашения дуги сводится к созданию таких усло­вий, чтобы электрическая прочность промежутка между контактами и_пр была больше напряжения между ними и_в.

Процесс нарастания напряжения между контактами отключаемого ап­парата может носить различный характер в зависимости от параметров коммутируемой цепи. Если отключается цепь с преобладанием активного сопротивления, то напряжение восстанавливается по апериодическому за­кону; если в цепи преобладает индуктивное сопротивление, то возникают колебания, частоты которых зависят от соотношения емкости и индуктив­ности цепи. Колебательный процесс приводит к значительным скоростям восстановления напряжения, а чем больше скорость du_B/dt, тем вероятнее пробой промежутка и повторное зажигание дуги. Для облегчения условий гашения дуги в цепь отключаемого тока вводятся активные сопротивле­ния, тогда характер восстановления напряжения будет апериодическим (рис. 19.3,6).

В отключающих аппаратах до 1 кВ широко используются следующие способы гашения дуги.

Удлинение дуги при быстром расхождении контактов: чем длиннее дуга, тем большее напряжение необходимо для ее существования. Если напряжение источника окажется меньше, то дуга гаснет.

Деление длинной дуги на ряд коротких (рис. 19.4,а). Как показано на рис. 19.1, напряжение на дуге складывается из катодного U_к и анодного U_а падений напряжения и напряжения ствола дуги U_С,Д:

U_д = U_K + U_а + U_с,д = U_э + U_с,д.

Рис 19.4 Способы гашения дуги

а — деление длинной дуги на короткие, б — затягивание дуги в узкую щель дугогасительной камеры, в — вращение дуги в магнитном поле, г — гашение дуги в масле: 1—неподвижный контакт, 2—ствол дуги, 3 — водородная оболочка, 4 — зона газа, 5 — зона паров масла, 6 — подвижный контакт

Если длинную дугу, возникшую при размыкании контактов, затянуть в дугогасительную решетку из металлических пластин, то она разделится на п коротких дуг. Каждая короткая дуга будет иметь свое катодное и анодное падения напряжения U_Э. Дуга гаснет, если

U < n×U_э;

здесь U - напряжение сети; U_Э— сумма катодного и анодного падений на­пряжения (20 — 25В в дуге постоянного тока).

Дугу переменного тока также можно разделить на п коротких дуг. В момент прохождения тока через нуль околокатодное пространство мгновенно приобретает электрическую прочность 150-250 В. Дуга гаснет, если U < (150-250)×п.

Гашение дуги в узких щелях. Если дуга горит в узкой щели, образованной дугостойким материалом, то благодаря соприкосновению с холодными поверхностями происходит интенсивное охлаждение и диф­фузия заряженных частиц в окружающую среду. Это приводит к быстрой деионизации и гашению дуги.

Движение дуги в магнитном поле. Электрическая дуга мо­жет рассматриваться как проводник с током. Если дуга находится в маг­нитном поле, то на нее действует сила, определяемая по правилу левой ру­ки. Если создать магнитное поле, направленное перпендикулярно оси дуги, то она получит поступательное движение и будет затянута внутрь щели дугогасительной камеры (рис. 19.4,6).

В радиальном магнитном поле дуга получит вращательное движение (рис 19.4, в). Магнитное поле может быть создано постоянными магнита­ми, специальными катушками или самим контуром токоведущих частей. Быстрое вращение и перемещение дуги способствует ее охлаждению и деионизации.

Последние два способа гашения дуги (в узких щелях и в магнитном по­ле) применяются также в отключающих аппаратах напряжением выше 1 кВ.

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 (рис. 19.4, г). 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 со 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 (рис. 19.5) 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).

Рис. 19.5. Газовоздушное дутье: а — продольное; 6 — попереч­ное

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 (рис. 19.6). 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 равномерно распределяться между разрывами. На рис. 19.6 схематически показан масляный выклю­чатель с двумя разрывами на фазу. При от­ключении однофазного КЗ восстанавливаю­щееся напряжение распределится между разры­вами следующим образом:

,

где U₁, U₂ — напряжения, приложенные к пер­вому и второму разрывам; С₁ — емкость между контактами этих разрывов; С₂ — емкость контактной системы относительно земли.

Рис. 19.6 Распределение напряжения по разрывам выключателя. а — распределение напряжения по разрывам масляного выключателя, 6 — емкостные дели­тели напряжения, в — активные делители напряжения

Так как С₂ значительно больше С₁ то напряжение U₁ > U₂ и, следова­тельно, гасительные устройства будут работать в неодинаковых условиях. Для выравнивания напряжения параллельно главным контактам выключа­теля ГК включают емкости или активные сопротивления (рис. 19.6, б, в). Значения емкостей и активных шунтирующих сопротивлений подбирают так, чтобы напряжение на разрывах распределялось равномерно. В выклю­чателях с шунтирующими сопротивлениями после гашения дуги между ГК сопровождающий ток, ограниченный по значению сопротивлениями, раз­рывается вспомогательными контактами ВК.

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

Гашение дуги в вакууме. Высокоразреженный газ (10^-6—10^-8Н/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 2МПа 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.

II. При замыкании контактов в цепи высокого напряжения возникаетэлектрический разряд в виде дуги. В дуге различают около катодное пространство, ствол дуги и около анодное пространство (рис. 4.11). Все напряжение распределяется между этими областями U_a, U_сд, U_к. Катодное падение напряжения в дуге постоянного тока 10—20 В, а длина этого участкасоставляет 10^-4-10^-5 см, таким образом, около катода наблюдается высокая напряженность электрического поля (10⁵— 10⁶ В/см). При таких высоких напряженностях происходит ударная ионизация. Суть ее заключается в том, что электроны, вырванные из катода силами электрического поля(автоэлектронная эмиссия) или за счет нагрева катода (термоэлектронная эмиссия), разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать один электрон с оболочки нейтрального атома, то произойдет ионизация. Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги. Проводимость плазмы приближается к проводимости металлов. В стволе дуги проходит большой ток и создается высокая температура. Плотность тока может достигать 10000 А/см² и более, а температура— от 6000 К при атмосферном давлении до 18000 К и более при повышенных давлениях. Высокие температуры в стволе дуги приводят к интенсивной термоионизации, которая поддерживает большую проводимость плазмы. Термоионизация — процесс образования ионов за счет соударения молекул и атомов, обладающих большой кинетической энергией при высоких скоростях их движения. Чем больше ток в дуге, тем меньше ее сопротивление, а поэтому требуется меньшее напряжение для горения дуги, т. е. дугу с большим током погасить труднее.

При переменном токе напряжение источника питания u_c меняется синусоидально, так же меняется ток в цепи i причем ток отстает от напряжения примерно на 90°. Напряжение на дуге горящей между контактами выключателя, непостоянно. При малых токах напряжение возрастает до величины u_з (напряжения зажигания), затем по мере увеличения тока в дуге и роста термической ионизации напряжение падает. В конце полупериода, когда ток приближается к нулю, дуга гаснет при напряжении гашения u_г. В следующий полупериод явление повторяется, если не приняты меры для деионизации промежутка.

Если луга погашена теми или иными способами, то напряжение между контактами выключателя должно восстановиться до напряжения питающей сети. Однако поскольку в цепи имеются индуктивные, активные и емкостные сопротивления, возникает переходный процесс, появляются колебания напряжения, амплитуда которых может значительно превышать нормальное напряжение. Для отключающей аппаратуры важно, с какой скоростью восстанавливается напряжение. Подводя итог, можно отметить, что дуговой разряд начинается за счет ударной ионизации и эмиссии электронов с катода, а после зажигания дуга поддерживается термоионизацией в стволе дуги.

Гашение дуги

В отключающих аппаратах необходимо не только разомкнуть контакты, но и погасить возникшую между ними дугу.

В цепях переменного тока ток в дуге каждый полупериод проходит через нуль, в эти моменты дуга гаснет самопроизвольно, но в следующий полупериод она может возникнуть вновь. Как показывают осциллограммы, ток в дуге становится близким нулю несколько раньше естественного перехода через нуль. Это объясняется тем, что при снижении тока энергия, подводимая к дуге, уменьшается, следовательно уменьшается температура дуги и прекращается термоионизация. Длительность бестоковой паузы t_n невелика (от десятков до нескольких сотен микросекунды), но играет важную роль в гашении дуги. Если разомкнуть коннтакгы в бестоковую паузу и развести их с достаточной скоростью на такое расстояние, чтобы не произошел электрический пробой, то цепь будет отключена очень быстро.

Во время бестоковой паузы интенсивность ионизации сильно падает так как не происходит термоионизации. В коммутационных аппаратах кроме того, принимаются искусственные меры охлаждения дугового пространства и уменьшения числа заряженных частиц. Эти процессы деионизации приводят к постепенному увеличению электрической прочности промежутка u_пр.

Резкое увеличение электрической прочности промежутка после nepexoда тока через нуль происходит главным образом за счет увеличения прочности около катодного пространства (в цепях переменного тока 150—250 В). Одновременно растет восстанавливающееся напряжение u_в. Если в любой момент u_пр > u_в промежуток не будет пробит, дуга не загорится вновь после перехода тока через нуль. Если в какой-то момент u_пр = u_в, то происходит повторное зажигание дуги в промежутке.

Таким образом, задача гашения дуги сводится к созданию таких условий, чтобы электрическая прочность промежутка между контактами и_пр была больше напряжения между ними u_в.

Процесс нарастания напряжения между контактами отключаемого аппарата может носить различный характер в зависимости от параметров коммутируемой цепи. Если отключается цепь с преобладанием активного сопротивления, то напряжение восстанавливается по апериодическому закону; если в цепи преобладает индуктивное сопротивление, то возникают колебания, частоты которых зависят от соотношения емкости и индуктивности цепи. Колебательный процесс приводит к значительным скоростям восстановления напряжения, а чем больше скорость du_в /dt, тем вероятнее пробой промежутка и повторное зажигание дуги. Для облегчения условийгашения дуги в цепь отключаемого тока вводятся активные сопротивления, тогда характер восстановления напряжения будет апериодическим

В отключающих аппаратах до 1 кВ широко используются следующие способы гашения дуги.

Удлинение дуги при быстром расхождении контактов: чем длинее дуга, тем большее напряжение необходимо для ее существования. Если напряжение источника окажется меньше, то дуга гаснет.

Деление длинной дуги на ряд коротких. Напряжение на дуге складывается из катодного и анодного падений напряжения и напряжения ствола дуги.

Если длинную дугу, возникшую при размыкании контактов, затянуть в дугогасительную решетку из металлических пластин, то она разделится на п коротких дуг. Каждая короткая дуга будет иметь свое катодное и анодное падения напряжения U_э Дуга гаснет, если U < nU_э

здесь U — напряжение сети; U_э— сумма катодного и анодного падений напряжения (20-25 В в дуге постоянного тока).

Дугу переменного тока также можно разделить на п коротких дуг. В момент прохождения тока через нуль около катодное пространство мгновенно приобретает электрическую прочность 150—250 В. Дуга гаснет, если U < (150- 250) п.

Гашение дуги в узких щелях. Если дуга горит в узкой щели, образованной дугостойким материалом, то благодаря соприкосновению с холодными поверхностями происходит интенсивное охлаждение и диффузия заряженных частиц в окружающую среду. Это приводит к быстрой деионизации и гашению дуги.

Движение дуги в магнитном поле. Электрическая дуга может рассматриваться как проводник с током. Если дуга находится в магнитном поле, то на нее действует сила, определяемая по правилу левой руки. Если создать магнитное поле, направленное перпендикулярно оси дуги, то она получит поступательное движение и будет затянута внутрь щели дугогасительной камеры.

В радиальном магнитном поле дуга получит вращательное движение. Магнитное поле может быть создано постоянными магнитами, специальными катушками или самим контуром токоведущих частей.

Быстрое вращение и перемещение дуги способствует ее охлаждению и деионизации. Последние два способа гашения дуги (в узких щелях и в магнитном поле) применяются также в отключающих аппаратах напряжением выше 1кВ.