Отключение эл.цепей

Общие сведения

Аппараты осуществляют коммутацию за счет изменения эл.сопротивления коммутирующего органа.

Тлеющий разряд возникает при отключении тока менее 0,1 А при напряжении на контактах 250-300 В. Такой разряд происходит на контактах маломощных реле. При больших токах такой разряд является переходной фазой к разряду в виде эл.дуги.

Дуговой разряд имеет следующие особенности:

1. минимальный ток дуги для металлов ~0,5 А.

2. температура центральной части дуги очень велика 6000 – 25000° К.

3. плотность тока на катоде достигает 10²-10³ А/мм².

4. падение напряжения у катода 10-20 В и не зависит от тока.

С ростом давления степень ионизации уменьшается. В связи с этим в дугогасительных устройствах (ДУ) аппаратов создается повышенное давление газа, что способствует гашению дуги.

Поскольку степень ионизации определяется температурой, во всех ДУ стремятся отводить тепло от дуги за счет охлаждения движущимся воздухом или газом, либо отдачи тепла стенкам дугогасительной камеры.

Скорость убывания числа заряженных частиц резко возрастает с уменьшением радиуса столба дуги. Поэтому в ДУ широко используется принцип узкой щели, образованной дугостойкими стенками с высокой теплопроводимостью.

Дуга постоянного тока

В контактных аппаратах при отключении, запасенная в нагрузке эл.магнитная энергия рассеивается эл.дугой, преобразуя ее в тепловую энергию.

В бесконтактных аппаратах эл.магнитная энергия переводится в специальный накопительный конденсатор.

Коммутирующие свойства аппарата описывает его ВАХ, представляющая собой зависимость напряжения на дуге от тока .

С ростом тока i увеличивается температура дуги, усиливается термическая ионизация и падает эл.сопротивление дуги _.

При увеличении тока сопротивление дуги уменьшается так, что напряжение на ней падает, несмотря на рост тока.

ВАХ дуги, снятая при медленном изменении тока, называется статической. Она зависит от длины дуги, материала электродов, параметров среды и условий охлаждения. Напряжение на дуге U_д можно рассматривать как сумму околоэлектродных падений напряжения U_э и падения напряжения в столбе дуги:

,

где Е_n – напряженность поля дуги;

— градиент напряжения. В ДУ градиент напряжения сильно возрастает;

l – длина столба дуги.

Чем больше длина дуги, тем выше лежит ее ВАХ. С ростом давления среды, в которой горит дуга, увеличивается напряженность Е_n, и ВАХ поднимается.

Охлаждение дуги существенно влияет на ВАХ. Чем интенсивнее охлаждение дуги, тем большая мощность от нее отводится. При этом должна возрасти мощность, выделяющая дугой. Поскольку при заданном токе это возможно за счет увеличения напряжения на дуге, то ВАХ поднимается, что широко используется в ДУ.

Условия стабильного горения и гашения дуги.

Рассмотрим баланс напряжений в цепи рис3, а при дуге неизменной длины

а)

U

Рисунок 3. Баланс напряжений в электрической цепи при наличии дуги.

На рис.3,б совместно с ВАХ дуги построена реостатная характеристика – прямая . Для тока i показаны составляющие исходного уравнения.

В стационарном режиме . В точках 1 и 2 , следовательно, в этих точках возможен стационарный режим.

Точка 1 является точкой неустойчивого равновесия. Точка 2 является точкой устойчивого равновесия.

Для гашения дуги при всех значениях тока должно быть . Для выполнения этого условия необходимо , откуда U _д >U- iR

Это возможно, если ВАХ дуги лежит на графике выше реостатной характеристики отключаемой цепи.

С ростом отключаемого тока и напряжения источника U реостатная характеристика поднимается, условия отключения утяжеляются.

Перенапряжения при отключении дуги постоянного тока. Напряжение на контактах в момент достижения током нулевого значения называется напряжением гашения дуги. При i=0 уравнение баланса напряжений в цепи с дугой имеет вид

т.к. , то напряжение на коммутирующем органе

Увеличение напряжения на контактах относительно напряжения U источника питания называется перенапряжением.

Чем больше индуктивность и скорость спада тока в момент гашения, тем больше перенапряжение. Скорость спада тока зависит от интенсивности действия коммутирующего устройства. При отключении индуктивной цепи процесс гашения дуги затягивается и на контактах появляется перенапряжение (рис.4).

Рисунок 4. Процесс отключения цепи постоянного тока, содержащую индуктивность.

Интенсивному изменению тока i₁ соответствует высокое перенапряжение U₁, а менее интенсивному изменению тока i₂ – меньшее перенапряжение U₂ в конце процесса отключения цепи. После окончания процесса отключения, перенапряжение снижается до напряжения источника U.

Дуга переменного тока.

Условия отключения переменного тока легче, чем постоянного, т.к. в конце каждого полупериода ток и эл.магнитная энергия цепи становятся равными нулю. Поэтому аппарату не надо рассеивать эл.магнитную энергию. Он должен лишь создать при токе равном нулю, условия для быстрого роста диэлектрических свойств коммутирующего элемента, чтобы выдерживать, появляющееся на нем от источника питания напряжение. При отключении, напряжение на контактах будет нарастать (восстанавливаться) до напряжения источника питания и вскоре станет равным ему. Такое напряжение называют восстанавливающимся - U_В.

Нарастающая во времени при отключении эл.прочность называется восстанавливающейся прочностью - U_ВП.

Для отключения переменного тока необходимо, чтобы за переходом тока через нуль кривая восстанавливающейся прочности U_ВП лежала выше кривой восстанавливающего напряжения U_В.

Способы гашения дуги

Задача ДУ состоит в том, чтобы обеспечить гашение дуги за малое время (не более 0,1 с) с допустимым уровнем перенапряжений, при малом износе частей аппарата.

Рассмотрим ДУ аппаратов НН. Для гашения дуги постоянного тока необходимо, чтобы ВАХ дуги шла выше прямой U-iR. Подъем характеристики можно получить за счет увеличения длины дуги l, напряженности эл.поля Е_п и околоэлектродного падения напряжения U_э.

Uд

а) б) в)

г)

Рисунок 5. Способы гашения дуги в аппаратах НН.

Простейший способ гашения дуги – механическое растяжение ее столба (рис. 5,а). При токах до 10 А дуга l растягивается между расходящимися контактами на длину l и не выходит из межконтактного промежутка. При значительных токах дуговой столб 2 выдувается вверх под действием сил, вызываемых тепловыми потоками, или ЭДУ от тока дуги Д на участке бв с токами в токоведущих элементах аб и вг. В таких устройствах возникает и гасится свободная (открытая) дуга.

Увеличить градиент Е_п можно путем эффективного охлаждения дуги и подъема давления среды, в которой она горит. Охлаждение дуги можно создать за счет перемещения ее в воздухе или газе, за их перемещения относительно дуги, либо размещения дуги в узкой щели, стенки которой имеют высокую теплопроводимость и дугостойкость.

Широко применяются дугогасительные решетки, набранные из стальных пластин П, на которые выдувается дуга Д (рис 5,б). Дуга перемещается на пластины под действием ЭДУ (магнитный поток от тока дуги пойдет по пути наименьшего сопротивления – по стальным участкам), под действием тепловых потоков (вверх) и под действием ЭДУ, аналогично рис. 5,а. Пластины П, разбившие столб дуги на ряд коротких дуг 1-5, является для них своеобразными радиаторами, интенсивно их охлаждающими. Это вызывает сильный рост сопротивления дуг и их гашение.

Для увеличения эффективности охлаждения ширина щели делается меньше диаметра дуги. Для того чтобы не образовались жидкие мостики, между пластинками расстояние между ними берется не менее 2 мм.

Падение напряжения на каждой паре пластин составляет 20-25 В.

В дугогасительных системах с магнитным дутьем (рис.5,в) используется охлаждение дуги Д за счет ее перемещения со скоростью , вызываемого взаимодействием тока дуги i₂ с магнитным полем, искусственно создаваемым между полюсами стального магнитопровода М. Магнитный поток Ф создается током i₁ протекающим по обмотке w.

Система магнитного дутья сочетается с щелевыми дугогасительными камерами, изготовленными из дугостойкого изоляционного материала, в которые магнитное дутье загоняет столб дуги Д (рис.5,г). Стенки С камеры интенсивно отводит тепло от столба дуги и гасят ее.

д)

г)

в)

б)

а)

Рисунок 6. Формы продольных щелей дугогасительных камер.

Наиболее характерные формы щели в керамических пластинах ДУ изображены на рис.6, где

1 и 2 – зона наибольшего охлаждения дуги;

3 – продольная щель, в которую направляется дуга;

4 – расширение, облегчающее вхождение дуги в камеру;

5 – местное уширение в щели.

Раскаленные газы, выбрасываемые из ДУ после гашения дуги, попадая на токоведущие детали, могут привести к К3. Поэтому на пути этих газов устанавливают решетку из металлических пластин. Газы, проходя через эту решетку, деионизируются, охлаждаются, и опасная зона их выброса резко сокращается.

Для гашения дуги используют эффект выделения газа некоторых материалов (например, фибры) под действие высокой температуры.

В аппаратах ВН используются более интенсивные способы воздействия на дуговой столб:

- гашение дуги в трансформаторном масле;

- на столб дуги воздействует поток сжатого воздуха;

- используют герметизированные ДУ, в которых дугогасящей средой является элегаз или вакуум.

На переменном токе частотой 50 Гц как и на постоянном применяются ферромагнитные пластины. Сила, действующая на дугу, при наличии ферромагнитных частей, перемещает ее в решетку и препятствует выходу дуги из нее. Выход дуги из решетки увеличивает магнитное сопротивление, уменьшает поток, что вызывает появление силы, стремящейся втянуть дугу в решетку. При частых коммутациях номинального тока пластины нагреваются до очень высокой температуры. При большой частоте коммутаций используют последовательное эл.магнитное дутье и керамическую камеру.

Гашение эл.дуги с помощью полупроводниковых приборов. Коммутирующие контакты шунтированы встречно параллельно включенными тиристорами.