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

В параллельной же катушке сила тока не зависит от тока цепи и создаёт неизменное по величине магнитное поле, поэтому время гашения дуги меньше, чем при последовательной катушке. Но также, у способа с использованием параллельной катушки есть такие недостатки, которые почти исключают его применение:

• 
  падение или исчезновение напряжения сети, из-за чего коммутационный аппарат окажется без дугогашения;
  
• 
  при изменении направления тока в главной цепи, изменяется направление силы, действующей на дугу и дуга загоняется внутрь аппарата;
  
• 
  необходимость в изолировании катушки от главной цепи.
  

При использовании постоянных магнитов для дугогашения отпадают первый и третий недостатки, характерные для параллельного возбуждения магнитного поля, а достоинства – сохраняются. Кроме того, не нужно расходовать медь на катушки возбуждения. За счёт исключения катушек снижаются электрические потери. Уменьшение зазора между контактами позволяет уменьшить габариты дугогасительной системы и всего аппарата. Недостатком же остаётся то, что аппарат становится поляризованным, т.е. его неправильное включение или изменение тока может привести к нарушению процесса дугогашения и аварии. Задачей аппаратостроения является разработка неполяризованных систем для возбуждения поля дугогашения на постоянных магнитах.

4. 
   Гашение дуги в продольных щелях
   

Дугу нужно не просто погасить. Дугогасящие устройства должны быть сконструированы так, чтобы дуга гасла в малом объёме, за малое время, при малом износе контактных групп и других частей аппаратов, при малых звуковом и световом эффектах, и при заданных перенапряжениях.

Так широкое распространение в коммутационных аппаратах получили дугогасительные камеры с продольными щелями. Ось продольной щели совпадает по направлению с осью ствола дуги. Здесь щель – это зазор между двумя изоляционными пластинами.

Основные формы продольных щелей дугогасительных камер приведены на рис. 12 [1].



Рис. 12. Формы продольных щелей дугогасительных камер.

Верхняя часть камеры (рис. 12, а) между точками 1 и 2 имеет прямую продольную щель 3 с плоскопараллельными стенками. Камера на рис. 12, б) содержит несколько прямых параллельных друг другу щелей – такую конструкцию дугогасительных камер применяют при отключении больших токов. Камера на рис. 12, в содержит одну продольную щель извилистой формы. Сделано это для того, чтобы удлинить дугу при небольшом размере камеры. Также, из-за наличия рёбер на дуге повышается напряжение. Такие камеры применяются довольно широко.

---

На рис. 12, г показана камера с продольной щелью, имеющей ряд рёбер и уширений 5, за счёт которых происходит возрастание продольного градиента напряжения.

Комбинированная зигзагообразная щель с местными уширениями использована в камера на рис. 12, д. В этой камере сочетаются достоинства зигзагообразной щели и местных уширений, т.е. увеличение длины дуги с повышением продольного градиента напряжения.

С точки зрения особенностей движения электрической дуги в продольных щелях различают широкие и узкие щели. Широкой называется щель 4, ширина её значительно больше диаметра дуги. Узкая – щель 1, её ширина близка диаметру дуги или меньше его.

Диаметр дуги зависит от величины тока, скорости движения дуги и условий охлаждения, поэтому для одних условий щель будет широкой, а для других – узкой.

5. 
   Гашение дуги в масле
   

Способ гашения электрической дуги в масле широко применяется в выключателях переменного тока на напряжении выше 1000В. На рис. 13 изображена электрическая дуга, горящая в масле [1].



Рис.13. Горение электрическая дуга в масле

1 – неподвижный контакт; 2 – подвижный контакт; 3 – стенка бака; 4 – масло; А – ствол дуги; Б – водородная оболочка; В – зона распада; Г – зона газа; Д – зона пара; Е – зона испарения.

Контакты выключателя погружены в масло. Дуга, возникающая при разведении контактов, приводит к интенсивному испарению масла с диссоциацией его паров. Вокруг дуги образуется газовая сфера, состоящая преимущественно из водорода (70%-80%) и паров масла. Водород, обладающий весьма высокими дугогасящими свойствами, тесно соприкасается со стволом дуги. Газы, выделяемые с огромной скоростью, проникают в зону ствола дуги, вызывают перемешивание холодного и горячего газа в пузыре и интенсивно охлаждают и деионизируют дуговой промежуток, особенно при прохождении тока через нуль. Взрывное разложение масла повышает давление внутри газового пузыря, также способствуя гашению дуги. Кроме того, гашению дуги способствует и то, что процесс разложения масла связан с отбором от дуги значительного количества энергии (30-35%) [1].

Воздействие масла на дугу увеличивается, если дуговой промежуток расположить в замкнутой изоляционной камере. В таких дугогасительных камерах создаётся более тесное соприкосновение масла с дугой, происходит интенсивное обдувание дуги потоками газов, парами масла и самим маслом, в результате чего возрастает продольный градиент напряжения, ускоряется деионизация и сокращается время горения дуги.

---

По принципу действия дугогасительные устройства масляных выключателей делятся на три группы:

• 
  с автодутьём – где дутьё масла и газопаровой смеси в зону гашения создаётся за счёт энергии, выделяемой дугой;
  
• 
  с принудительным дутьём – масло в зону гашения подаётся с помощью нагнетающих гидравлических механизмов, за счёт внешнего источника энергии;
  
• 
  с магнитным гашением дуги в масле – где ствол дуги перемещается в заполненные маслом щели, образованные стенками из диэлектрического материала с помощью магнитного поля.
  

Дугогасительные устройства с автодутьём получили наибольшее распространение, т.к. их конструкция относительно проста, а эффективность достаточна.

На рис. 14 [1] изображены основные конструкции дугогасительных камер с автодутьём. При образовании газового пузыря вокруг дуги, в камере стремительно повышается давление (положение контактов I на рис.14). Масло и парогазовая смесь стремятся выйти через отверстия в камере, чем создают интенсивное обдувание дуги (положение II) вдоль дуги (продольное дутьё) или поперёк дуги (поперечное дутьё). После гашения дуги камера заполняется маслом (положение III). Масляные выключатели могут снабжаться и более сложными камерами, где указанные принципы могут использоваться в различных комбинациях.



Рис.14. Процесс гашшения дуги в камерах с автодутьём: а – камера продольного дутья; б – камера поперечного дутья

1 – масло; 2 – неподвижный контакт; 3 – клапан; 4 – дуга; 5 – газовый пузырь; 6 – камера; 7 – подвижный контакт

6. 
   Гашение дуги воздушным дутьём
   

Способ гашения дуги воздушным дутьём также нашёл широкое применение в высоковольтных выключателях. Дуга обдувается продольным или поперечным потоком воздуха под определённым давлением. Воздух, перемещаясь со скоростью, близкой к звуковой, выдувает из зоны горения дуги ионизированные частицы и заменяет их охлаждёнными. Температура дуги резко снижается, особенно в момент прохождения тока через нуль. На процесс гашения в основном влияют давление и скорость движения воздуха, направленность его струи, расстояние между контактами и частота отключаемой цепи. С ростом давления и скорости воздуха повышается интенсивность гашения дуги. При этом, для каждого значения давления существует оптимальное расстояние между контактами, при котором осуществляется наиболее эффективное гашение дуги.

---

На рис. 15 схематично показаны камеры с воздушным дутьём [2].



Рис. 15. Схемы камер с воздушным дутьём: а – поперечное дутьё; б – продольное одностороннее в горловине камеры; в – продольное одностороннее через металлическое сопло; г - продольное одностороннее через изоляционное сопло; д, е – продольное двустороннее через соплообразные контакты

По отношению потока воздуха к стволу дуги различают группы дутья:

• 
  поперечное;
  
• 
  продольное;
  
• 
  продольно – поперечное.
  

Наиболее эффективны камеры с поперечным дутьём, но они расходуют большое количество воздуха. Поэтому их применяют в выключателях на большие токи отключения при напряжении до 20кВ.

Камеры же с продольным и продольно-поперечным дутьём – это относительно простые устройства, позволяющие осуществить многократный разрыв дуги, при простом регулировании дутья и небольшом расходе воздуха.

7. 
   Гашение дуги в элегазе
   

Элегаз (гексафторид серы, химическая формула SF₆) – это инертный тяжёлый газ с высокой, по сравнению с другими газами, электрической прочностью. Элегаз нетоксичен, не имеет запаха и цвета.

В СССР изучать элегаз применительно к электротехнике начали в 30-х годах. Это дало начало его использованию в качестве изоляционной среды в том числе и в высоковольтных выключателях.

Элегаз имеет высокую электрическую прочность по сравнению с другими газами, например, с азотом или воздухом.

Характеристики зависимостей пробивного напряжения для элегаза, трансформаторного масла и воздуха приведены на рис. 16 [4].



Рис. 16. Пробивные напряжения трансформаторного масла, воздуха и элегаза в зависимости от давления

Из рисунка видно, что электрическая прочность элегаза при давлении в 3 бара примерно в 2,5 раза выше, чем у воздуха и равна электрической прочности трансформаторного масла. благодаря этому, габариты элегазового оборудования на порядок ниже габаритов воздушного оборудования при равных классах напряжения. Поэтому закрытые распредустройства и подстанции, укомплектованные комплектными распределительными устройствами с элегазовой изоляцией (КРУЭ), занимают намного меньшую площадь, чем распредустройства с воздушными выключателями.

Благодаря высокой дугогасящей способности и электрической прочности элегаза, остаточный ток после прохода через нуль в элегазовых дугогасящих устройствах крайне мал (1-4А), по сравнению воздушными дугогасящими устройствами (10-100А) [4].

---

С хема одностороннего дутья в элегазовых дугогасящих устройствах приведена на рис. 17, а [4].

Рис. 17. Схемы дутья в элегазовых выключателях: а – продольное дутьё; б – двустороннее автодутьё; в – электромагнитное дутьё.

Эти схемы дугогашения нашли применение в конструкциях дугогасящих устройств элегазовых выключателей.

8. 
   Гашение дуги в вакууме
   

Вероятность ионизации молекул газа путём соударения электронов с ними в вакууме чрезвычайно мала, поэтому вакуум является хорошей изоляционной средой.

Абсолютное давление в дугогасительных устройствах вакуумных выключателей находится в пределах 10^-10 – 10^-3 Па [5]. Это позволяет интенсивно деионизировать дуговой промежуток и восстановить его электрическую прочность после погасания дуги в момент прохода тока цепи через нуль. Сравнение зависимостей восстановления электрической прочности промежутка от времени, прошедшего после нуля тока цепи для вакуума (1), элегаза (2), азота (3) и водорода (4) показано на рис. 18 [5].

В вакууме при малых токах (до нескольких кА) дуга существует в виде



Рис. 18. Восстановление электрической прочности межконтактного промежутка в различных средах.
диффузной (рассеянной дуги), либо в виде концентрированной (сжатой) дуги при больших значениях тока.

Ток, при котором дуга переходит от одного вида к другому, зависит от материала и формы контактов выключателя, и от скорости изменения тока. Также, эти факторы влияют и на скорость восстановления электрической прочности межконтактного промежутка.

Диффузная дуга гасится в вакууме намного легче, чем дуга сжатая [5]. Поэтому, при проектировании вакуумных дугогасительных устройств необходимо сконструировать контакты так, чтобы дуга на протяжении времени до прохождения тока через нуль была бы диффузной.

Длина дуги в вакууме значительно меньше, чем в других выключателях (масляных, воздушных). Это позволяет значительно снизить габариты дугогасительной камеры и самого коммутационного аппарата.

Однако, существенным недостатком вакуумных выключателей является то, что вследствие быстрого восстановления электрической прочности межконтактных промежутков (15-20кВ/мкс для промежутка 10мм) происходит срез тока, вызывающий перенапряжения в коммутируемой цепи, особенно при преобладании индуктивной нагрузки. Перенапряжение в цепи можно устранить установкой ограничителей перенапряжения (ОПН).

---