Способи гасіння електричної дуги - студопедія
Гасіння дуги може бути досягнуто збільшенням швидкості деионизации дугового проміжку, зменшенням швидкості відновлення напруги, або спільним використанням обох цих факторів.
До всіх дугогасительного пристрою висуваються такі вимоги: 1) час гасіння дуги має бути мінімальним;
2) енергія, що виділяється дугою повинна бути мінімальною; 3) при гасінні дуги не повинно виникати небезпечних перенапруг.
2.6.1. Розтягування електричної дуги призводить до підвищення падіння напруги на дуговому проміжку за рахунок деионизации, яка відбувається в стовбурі дуги. Однак, градієнт напруги (падіння напруги на одиницю довжини дуги) становить невелику величину - приблизно 15 В / см. Тому, гасіння дуги тільки шляхом її розтягування призвело б до збільшення габаритів відключає апарату. Зазвичай розтягування електричної дуги застосовується лише в низьковольтних слабкострумових апаратах. У комутаційних апаратах (наприклад, в контакторах.) Розтягування дуги використовується в сукупності з іншими методами гасіння дуги.
2.6.2. Магнітне дуття. Переміщення електричної дуги в повітряному середовищі призводить до інтенсивної деионизации стовбура дуги в зв'язку з: посиленням охолодження дуги; зростанням дифузії заряджених частинок з області горіння дуги в навколишній простір; підвищенням тиску всередині дуги в результаті зменшення діаметра її стовбура.
Ефективність кожного з перерахованих факторів, що збільшують градієнт напруги в дузі, зростає з підвищенням швидкості її переміщення. Електрична дуга переміщається під впливом електродинамічних сил, що виникають в результаті взаємодії дуги із зовнішнім магнітним полем. Зовнішнє магнітне поле для переміщення електричної дуги в низьковольтних апаратах може бути отримано за допомогою:
1) електромагнітів з котушкою, що включається послідовно з контактами, між якими виникає електрична дуга;
2) електромагнітів з котушкою, що включається на напругу мережі;
3) постійних магнітів.
Спосіб дугогашенія з використанням зовнішнього магнітного поля називається магніттним дутьем. Виключне поширення набула последоваельтная дугогасительная котушка.
На малюнку 21 показана конструкція дугогасительного пристрої на основі магнітного дуття. Воно складається з котушки 1. включеної послідовно з розмикаємими контактами, феромагнітного сердечника 2 і двох феромагнітних пластин 3. Котушка виконана у вигляді декількох витків мідної шини великого перерізу. Пластини 3 щільно прилягають до сердечника 2 і розташовуються по обидва боки контактів. При протіканні струму дуги по котушці її МДС створює в осерді магнітний потік Ф. який виводиться з сердечника за допомогою
пластин 3 в область горіння електричної дуги між контактами, що розмикаються. Взаємодія струму дуги з потоком Ф призводить до виникнення електродинамічної сили FЕДУ. діючої на дугу. Під дією цієї сили дуга розтягується, охолоджується і гасне.
Основними перевагами цього способу порушення магнітного поля гасіння є надійність і незалежність напрямки сили,
Мал. 21. Магнітне дуття діючої на дугу, від напрямку струму. Зміна напряму струму в ланцюзі викликає і зміна напрямку поля, створюваного котушкою. Напрямок сили в такому випадку, що діє на дугу, залишається незмінним.
2.6.3. Гасіння дуги у вузьких щілинах. Зіткнення дуги з поверхнею твердого діелектрика сприяє посиленою рекомбінації заряджених частинок на його поверхні; а також інтенсивному відведенню тепла з області горіння дуги, в зв'язку з хорошим тепловим контактом, що виникають між дугою і діелектриком.
Дугогасительниє пристрої, що використовують цей принцип гасіння дуги, являють собою вузьку щілину, утворену двома стінками з дугостійкості ізоляційного матеріалу (рис. 22). Ширина щілини камери виконується менше діаметра дуги, що збільшувати
Мал. 22. Камера кість її аеродинамічний опір. Тому,
дугогасительная щоб загнати дугу в вузьку щілину, застосовується магнітне дуття.
Як матеріал для камери зазвичай використовується асбоцемент і кераміка. Керамічна маса в порівнянні з асбоцементомболее стійка до вигорання від дії електричної дуги. Крім того, поверхня її глаже і тому опір входженню дуги в щілину менше, ніж в камері з азбестоцементу.
Дугогасительниє пристрої з вузькою щілиною використовуються в апаратах як постійного, так і змінного струму.
2.6.4. Гасіння дуги в дугогасительной решітці. Цей метод заснований на використанні околоелектродного падіння напруги.
На малюнку 23 показана дугогасительная система на основі дугогасительной (деіонной) решітки. Над контактами 1 і 2 розташовані
нерухомі і ізольовані один від одного сталеві пластини 3. утворюють дугогасительную грати. Дуга 4. виникає при розмиканні контактів, під дією електродинамічних сил, втягіваетсяв дугогасительную грати і розбивається на
ряд коротких дуг. У кожної пластини решет- ки виникає околоелектродное падіння нап-
Мал. 23. Решітка ряжения. В результаті, за рахунок суми близько-
дугогасительная електродних падінь напруги, збільшується загальна напруга дуги і відбувається її гасіння. У дугогасительной решітці, у міру розбіжності контактів, дуга послідовно входить в проміжки між пластинами решітки. При цьому, напруга на дузі зростає приблизно за лінійним законом, а тривалість горіння дуги буде зменшуватися зі зростанням швидкості розбіжності контактів і числа пластин, що припадають на одиницю довжини дуги.
На гасіння дуги змінного струму в дугогасительной решітці в основному впливають процеси, що відбуваються у катода при проходженні струму через нуль. У цей момент часу околокатодное простір миттєво набуває електричну міцність близько 150 ... 250 В.
Дугогасительная решітка для гасіння дуги змінного струму має значно меншу кількість пластин, ніж для дуги постійного струму, так як в останній Uе = 20 ... 25 В. При гасінні дуги змінного струму дію дугогасительной решітки в 7 ... 8 разів ефективніше, ніж при гасінні дуги постійного струму. Тому, дугогасильні решітки знайшли більш широке застосування в апаратах змінного струму.
2.6.5. Пристрій для бездуговой комутації. Принцип бездуговой комутації складається в шунтуванні головних контактів тиристорами в моменти вібрації контактів або їх розмикання. Пристрій, що виконує ці функції, може мати схему, показану на малюнку 24. Основним елементом схеми управління тиристорами 2 і 3 є трансформатор струму 4. При замиканні контактів 1 і виникненні струму в головній ланцюга трансформатор струму 4 через діоди 5 і 6 подає отпирающий сигнал на керуючі електроди тиристорів 2 і 3. в момент розмикання контактів, струм головного ланцюга переходить в ланцюг того з тиристорів, що проводить напрямок якого збігається з полярністю струму в комутованій ланцюга. Пряме падіння напруги на відкритому тиристорі, що становить 1,5 ... 2,0 В, надійно захищає контактну пару від дугового розряду.
Повне відключення ланцюга відбувається при переході струму в тиристорі через нуль. У проміжках між комутаціями при будь-якому струмі навантаження в межах робочих струмів, тиристори знаходяться у відкритому стані по ланцюгу управління, але зашунтовані головними контактами.
включення тиристорів при
Мал. 24. Пристрій для бездуговой наскрізних струмах короткого
комутації замикання, що викликають покидьок головних контактів, в пристрої застосовується спеціальна схема захисту від струмів короткого замикання 7 і 8. При наскрізних струмах короткого замикання, що перевищують 10-ти кратний номінальний струм контактора, схема захисту від короткого замикання спрацьовує і шунтирует керуючі електроди тиристорів, запобігаючи перехід струму з ланцюга контактів в ланцюг тиристорів.
Стабілітрони 9 і 10 обмежують напругу на керуючих електродах тиристорів до допустимої величини. Ланцюг, що складається з резистора 11 і конденсатора 12. служить для зниження швидкості наростання і амплітуди напруги, що відновлюється на контактах в моменти їхнього розмикання, а також захищає тиристори від короткочасних перенапруг, що існують в мережі.
Питання для самоконтролю
2.7.1. Що таке термічна іонізація, рекомбінація і дифузія?
2.7.2. У чому полягають умова стійкого горіння і умова гасіння дуги постійного струму?
2.7.3. Що таке критична довжина і критичний струм дуги?
2.7.4. Від чого залежать перенапруження при відключенні постійного струму і час гасіння дуги?
2.7.5. Від чого залежать швидкості наростання пробивний міцності і відновлюється напруги при гасінні дуги змінного струму, і як вони впливають на умови її гасіння?
2.7.6. Від чого залежить початкова відновлюється міцність дугового проміжку і як вона впливає на гасіння коротких дуг змінного струму?
2.7.7. У чому полягає спосіб гасіння дуги впливом магнітного поля?
2.7.8. Які способи існують для виключення точки стійкого горіння дуги постійного струму? Як вони реалізовані в дугогасильних пристроях?
2.7.9. Поясніть принцип дії магнітного дуття. Як він реалізований в дугогасильних пристроях?
2.7.10. Поясніть принцип дії дугогасительной решітки і назвіть області її застосування.
2.7.11. Чим обумовлена безструмової пауза при комутації ланцюгів змінного струму і від чого залежить її тривалість?
2.7.12. Зобразіть і поясніть схему пристрою для бездуговой комутації.
2.7.13. Сформулюйте умову гасіння дуги змінного струму.
2.7.14. Чому дугогасительная решітка ефективніша на змінному струмі, ніж на постійному?
2.8.1. Визначити швидкість дуги між круглими мідними шинами діаметра d = 20 мм, по яких протікає струм I д = 1500 А, відстань між шинами # 948; = 10 мм. Шини знаходяться в повітрі, магнітна проникність якого # 956; 0 = 4 π # 8729; 10 -7 Гн / м.
Рішення. Для визначення швидкості зсуву дуги між шинами необхідно знати значення магнітної індукції між шинами.
Приймаємо за розрахункове значення індукції її величину в середній точці між шинами, т. Е.
Швидкість переміщення дуги від струму в шинах при індукції B ≤0,1 Т визначається за формулою Г.А. Кукекова
2.8.2. Визначити швидкість переміщення дуги в вузької щілини дугогасильні камери за умови, що поперечне магнітне поле в камері створюється котушкою, що має N = 10 витків і обтічної струмом дуги Iд = 400 А. Ширина щілини (рис. 25), в яку затягується дуга,
# 948; = 2 мм. Відстань між полюсами котушки # 8710; = 2 см.
Рішення. За формулою Кукекова швидкість дуги, що знаходиться в
вузької щілини, визначається наступним чином
де В - індукція в камері; Г / м - магнітна проникність повітря;
Мал. 25. Дугогасительная камера Т. (23)
2.8.3. Визначити повне час гасіння дуги, якщо напруга на дузі Uд = 250 В, в залежності від струму, залишається постійним (рис. 26). Напруга мережі Uс = 200 В, опір R = 1 Ом, індуктивність
Рішення. Повний час горіння дуги визначимо за формулою
де L - індуктивність ланцюга, Гн; Uпн - пере-напруга, В; I - сталий струм ланцюга, А.
Мал. 26. До розрахунку витребування Значення перенапруги визначається по фор-
Підставивши Uпн в вираз для витребування та проинтегрировав його, отримаємо
2.8.4. Визначити можливе перенапруження Uпн в ланцюзі постійного струму, якщо відбувається її розмикання без дуги, за умови, що до затискачів індуктивності підключена ємність С = 0,1 мкф. Індуктивність в ланцюзі L = 1,5 Гн, ток I = 20 А.
Рішення. Якщо знехтувати активним опором індуктивної котушки, то найбільш очікуване напруга може бути визначено з того умови, що вся електромагнітна енергія переходить в електростатичну.
2.8.5. Визначити число сталевих пластин решітки апарату постійного струму для гасіння дуги, що виникає на його контактах при напрузі U = 440 В.
Рішення. Дуга, що входить в сталеву грати під дією електродинамічних сил, в середній зоні пластин зупиняється, в результаті чого утворюються сильно нагріті електроди дуги. Сума катодного і анодного напруг виходить порівняно невелика:
Таким чином, число пластин решітки дорівнюватиме:
Якщо відстань між пластинами 0,1 см, то загальну напругу на дузі
Ця напруга можна вважати запасом надійності роботи апарату.
2.8.6. Визначити початкову швидкість і амплітуду відновлення напруги на вимикачі при виключення не навантаженої лінії ємністю С від трансформатора потужністю Pном = 5000 кВ # 8729; А, номінальна напруга Uном = 110 кВ, процентна реактивність Х = 12%, наведена ємність С = 0,1 мкФ . Зарядний струм не навантаженої лінії I = 25 А, частота f = 50 Гц.
Рішення. Індуктивність фази трансформатора
Амплітуда падіння напруги на опорі розсіювання трансформатора
Власна частота коливань напруги
Початкова швидкість відновлення напруги на вимикачі визначається за формулою