Файл: Вид работы Курсовая работа Название дисциплины Электрические и электронные аппараты Тема Дуга переменного тока физика процесса, условия возникновения, особенности гашения при различных видах нагрузки.doc

Рис. 6. Характеристика тока дуги при переходе через нуль

Из рисунка видно, что при переходе тока через нуль имеется бестоковая пауза t_I=0, во время которой дуговой промежуток активно деионизируется. В цепях с малой индуктивной нагрузкой эта пауза больше, а при большой индуктивности – очень мала (около 0,1 мкс).

Благодаря интенсивной деионизации дугового промежутка за время бестоковой паузы при прохождении тока через нуль, проводимость промежутка уменьшается. Чем больше деионизирован промежуток, тем большее напряжение требуется для его пробоя и повторного зажигания дуги.

Условия гашения дуги переменного тока графически приведены на рис. 7 [1]:



Рис.7. Условия гашения дуги переменного тока

Условие гашения дуги переменного тока можно сформулировать так: если нарастание сопротивления дугового промежутка, выраженное его пробивным напряжением U_пр (кривая 1 на рис. 7), будет опережать нарастание напряжения U на этом промежутке (кривая 2), то дуга при переходе через нуль погаснет. Но если нарастание сопротивления в промежутке будет развиваться медленнее нарастания напряжения (кривая 3), то в некоторый момент времени (точка 0) дуга загорится повторно, а в цепи появятся ток и соответствующее ему падения напряжения на дуге (кривая 4).

Для гашения дуги переменного тока при напряжениях до 1000В важное значение имеют явления, происходящие у катода при переходе тока через нуль. Ранее имелось представление, что в прикатодной области, при переходе тока через нуль, практически мгновенно (за время менее 1 мкс) изоляционная прочность дугового промежутка восстанавливается до значения пробивного напряжения (общий начальный участок для кривых 1 и 3 на рис.7) U_пр0=150÷250В. Большее значение напряжения относили к меньшим токам и холодному катоду, а меньшее значение – к большим токам и горячему катоду.

На использовании данного явления спроектирована подавляющая часть дугогасительных устройств низковольтных коммутационных аппаратов. Однако, на практике не всегда наблюдается мгновенное восстановление изоляционной прочности дугового промежутка до значения U_пр0=150÷250В, в особенности при больших токах и частых отключениях.

---

Исследования показывают, что указанное значение прочности достигается при холодных или очень быстро охлаждаемых контактах (менее 530 °С) у основания дуги сразу после перехода тока через нуль [3]. Но если дуга быстро перемещается по площади контактов, останавливаясь на их краях на относительно большое время (порядка 0,01-0,09 с), то контакты сильно нагреваются у основания дуги, и сразу после перехода тока через нуль эмиттируют электроны в межконтактный промежуток. Это явление существенно снижает значение восстанавливающейся изоляционной прочности дугового промежутка у катода, которая может составлять всего несколько десятков вольт.

Поэтому, в межконтактном промежутке коммутационных аппаратов, в зависимости от теплового режима этого промежутка, могут наблюдаться любые значения восстанавливающейся прочности, в том числе и прочность 150÷250В около катода. Значение в 250В соответствует условиям, при которых в межконтактном промежутке создаётся режим близкий к стадии нормального тлеющего разряда. Такие условия встречаются в рационально спроектированных дугогасительных устройствах.

После погасания дуги напряжение на дуговом промежутке нарастает от напряжения гашения дуги до мгновенного напряжения сети. Это называется процессом восстановления напряжения на дуговом промежутке. Схематически этот процесс представлен на рис. 8 [1].

На рисунке 8 (а, б) ток i изображён отстающим от ЭДС e на 90°, что, как правило, характерно при коротких замыканиях в сетях переменного тока, питающих промышленную нагрузку (преобладание индуктивной составляющей). Восстановление напряжения происходит за короткий промежуток времени – около десятков или сотен микросекунд. ЭДС источника тока принято считать в течение этого времени постоянной. Мгновенная ЭДС источника U_в.max, соответствующая переходному процессу восстановления напряжения на дуговом промежутке называется восстанавливающимся напряжением промышленной частоты.



Рис. 8. Процесс восстановления напряжения на дуговом промежутке

Процесс восстановления напряжения на дуговом промежутке может происходить апериодически (рис. 8, а) или в виде колебательного процесса (рис.8, б). При первом варианте напряжение на дуговом промежутке U_в.max не может быть выше ЭДС источника тока е. При втором варианте напряжение может быть сколь угодно велико, однако практически оно не превосходит 2

---

е.

От индуктивности, ёмкости и активного сопротивления цепи и источника тока зависит частота и амплитуда колебаний переходного процесса.

Рассмотрим также вариант с отключением цепи с активной нагрузкой. Здесь ток совпадает по фазе с ЭДС источника, поэтому они проходят через нуль одновременно, а восстанавливающееся напряжение дугового промежутка будет равно нулю. Поэтому, гашение электрической дуги в цепи с активной нагрузкой гораздо легче, чем в цепи с нагрузкой индуктивной.

2. 
   Условия гашения дуги. Общие сведения.
   

Чтобы погасить электрическую дугу нужно создать такие условия, при которых падение напряжения на дуге будет превосходить напряжение сети. Гашения дуги можно добиться: её растягиванием, повышением продольного градиента напряжения воздействием на ствол дуги, использованием околоэлектродных падений напряжения.

Растяжение дуги – это простейший способ её гашения, однако он малоэффективен сам по себе. Падение напряжения на дуге пропорционально её длине, и если продольный градиент напряжения мал, то для получения значительного падения напряжения требуется довольно большая длина дуги, что практически невозможно осуществить в коммутационных аппаратах. Например, при переменном токе средний градиент падения напряжения составляет 15В/см. При отключении тока свыше 100А на напряжении 220В требуется растянуть дугу на 25 – 30см. Также, следует принимать во внимание, то при относительно низких скоростях расхождения контактов, дуга, до своего погасания успевает привести к их сильному износу.

Выше было рассмотрено, что главным ионизирующим дуговой промежуток и поддерживающим горение дуги фактором является термическая ионизация. Поэтому, гашение дуги должно в основном осуществляться путём её охлаждения. В высоковольтных выключателях применяется обдувание дуги газом или жидкостью, однако такие способы требуют относительно сложных и дорогих инженерных решений. Также, через неподвижные жидкость или газ дугу можно двигать, при этом, эффект охлаждения будет такой же, как при обдуве. Этот способ относительно прост в исполнении при помощи магнитного поля и широко применяется в коммутационных аппаратах, особенно – в низковольтных. На рис. 9 представлены вольт-амперные характеристики зависимости продольного градиента напряжения от скорости движения дуги в воздухе.

---

Рис. 9. Продольный градиент напряжения в стволе дуги при разных скоростях её движения

Например, уже на скорости дуги 100 м/с при токе свыше 100А достаточно растянуть дугу на 5 см для гашения [1].

Также, следует принимать во внимание, что в открыто горящей, неподвижной, не охлаждаемой искусственно дуге плотность тока очень мала, а её диаметр велик. После того, как дуга приходит в движение или начинает искусственно охлаждаться, диаметр её уменьшается, при этом возрастают плотность тока дуги, внутреннее давление и температура. В итоге значительно возрастает продольный градиент напряжения и усиливается деионизация. Возрастание продольного градиента напряжения в движущейся дуге происходит не только за счёт диффузии и охлаждения, но и за счёт повышения давления в стволе дуги.

Если, в неподвижной дуге плотность тока составляет 18-20 А/см², то в движущейся дуге плотность тока может составить десятки тысяч ампер на см². К примеру, при токе 40кА и скорости движения дуги 250 м/с, давление в стволе дуги может достигать 2,5 Мпа [1].

3. 
   Гашение дуги в магнитном поле
   

Для того, чтобы обеспечить перемещение дуги в магнитном поле, оно должно быть направлено перпендикулярно оси дуги. Дугу можно рассмотреть как проводник с током, расположенный в магнитном поле (рис. 10, а) [1].



Рис. 10. Движение электрической дуги в магнитном поле.

Находясь в перпендикулярном относительно своей оси магнитном поле и в собственном поле контура тока (рис. 10, б), дуга получит поступательное движение, направление которого определяется «правилом левой руки». В радиальном же магнитном поле дуга будет двигаться по окружности или по спирали.

В электрических коммутационных аппаратах дуга перемещается по расходящимся контактам, и длина её изменяется от нуля до определённого значения расстояния, при котором дуга гаснет. Эта зависимость скорости перемещения дуги от расстояния между расходящимися параллельными контактами (электродами) представлена на рис. 11 [1].



Рис. 11. Зависимость скорости перемещения дуги на параллельных электродах (контактах) от расстояния между ними

Участок I характеризует не дугу, а

---

перешеек из расплавленного металла, возникающий в начале расхождения контактов. Этот перешеек существует до тех пор, пока контакты не разойдутся на расстояние l>l₁. Скорость движения перешейка очень мала, а при расстоянии между контактами менее 0,5мм, она может вовсе не двигаться. Отсюда можно сделать вывод о том, что дуга не может выйти из межконтактного промежутка, пока его величина будет менее 0,5-1мм.

На участке II с увеличением длины дуги наблюдается резкое возрастание её скорости. При определённой длине перешеек з расплавленного металла рвётся и возникает дуга, которая приходит в быстрое движение. На узких электродах скорость возрастает ещё быстрее. Участок II – переходной от капельно-жидкого состояния к газовому. С увеличением длины дуги влияние капель и паров металла снижается, что сопровождается к возрастанию её скорости продольного градиента напряжения на ней. Чем больше будет скорость расхождения контактов на участках I и II, тем лучше условия для гашения дуги и менее интенсивен процесс износа контактов.

Участок III характеризует собственно дугу. С увеличением длины дуги наблюдается некоторое снижение скорости её движения. Это происходит от того, что под действием собственного поля дуга стремится свернуться в спираль, а встречный поток воздуха, проникая в дугу, расщепляет её на отдельные параллельные волокна. С увеличением длины дуги действие этих тормозящих факторов сказывается всё сильнее.

Внешнее магнитное поле в целях перемещения дуги может быть получено (возбуждено) несколькими способами:

• 
  при помощи катушки, включенной последовательно с контактами (последовательное возбуждение);
  
• 
  при помощи катушки, включенной параллельно контактам на напряжение сети (параллельное возбуждение);
  
• 
  при помощи постоянных магнитов.
  

Дугогасительные катушки и постоянные магниты имеют магнитопровод, который охватывает контакты коммутационного аппарата. Поле катушки, воздействуя на поле дуги заставляет дугу быстро перемещаться.

Наибольшее распространение получила последовательная дугогасительная катушка. Достоинствами такого способа возбуждения магнитного поля являются надёжность и независимость направления силы. действующей на дугу, от направления тока.

Но у этого способа есть и недостатки. Основным недостатком является то, что при малых токах отключения, сила, действующая на дугу во внешнем магнитном поле дугогасительной катушки мала и время гашения малых токов получается большим. Для получения большей силы приходится увеличивать число витков катушки и зазор между контактами коммутационного аппарата. Это ведёт к повышенному расходу меди и к существенным перенапряжениям при отключении номинального тока.

---