Site Loader
Posted on 11.05.2023

Способы гашения электрической дуги | Электротехника

Как отмечалось ранее, для быстрого и надежного гашения электрической дуги используются специальные дугогасительные устройства (ДУ). Задача ДУ состоит в том, чтобы обеспечить гашение дуги за ма­лое время с допустимым уровнем перенапряжений, при ма­лом износе частей аппарата, при минимальном объеме рас­каленных газов, с минимальным звуковым и световым эф­фектами.

В электрических аппаратах низкого напряжения наибо­лее широко применяются ДУ с узкой щелью. Для увеличения эффективности охлаждения ширина щели де­лается меньше диаметра дуги . Кроме того, по мере втягивания дуги в щель она приобретает форму зигзага. При этом увеличивается не только длина дуги, но и отвод тепла от нее.  Перемещение дуги в такой камере осуществляется с по­мощью магнитного поля.

Наиболее характерные формы щели в керамических пластинах ДУ изображены на рис. 3.3, где 1 и 2 — зоны наибольшего охлаждения дуги; 3 — продольная щель, в          которую направляется дуга; 4— расширение, облегчающее вхождение дуги в камеру;     5 – местные расширения в щели.

Когда дуга под воздействи­ем магнитного поля затягива­ется в зигзагообразную  узкую щель, увеличивается ее длина. При этом возрастает градиент за счет охлаждения благо­даря тесному контакту дуги с керамическими стенками щели. Наиболее эффективна форма, приведенная на рис. 3.3, д, при которой гради­ент дополнительно возрастает за счет местных расширений 5.

Раскаленные газы, выбрасываемые из ДУ после гашения дуги, попадая на токоведущие детали оборудования, могут приводить к возникновению в нем  короткого замыкания.

Поэтому на пути этих газов устанавливают решетку из металлических пластин.

Газы, проходя через эту решетку, деионизируются, охлаждаются, и опасная зона их выброса резко сокращается. Электрическая дуга является своеобразным проводни­ком с током, который может взаимодействовать с магнит­ным полем. Сила взаимодействия между током дуги и маг­нитным полем перемещает дугу, создается так называемое магнитное дутье. ДУ с магнитным дутьем показано на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Дугогасительное устройство с последовательной катушкой.

Магнитное поле, создается катушкой 1, включенной последовательно с коммутируемой цепью. Внутри катушки 1 размещен сердечник 3, соединенный с ферромагнитными полюсами в виде пластин 4. Между катушкой и сердечником размещается изоляционный цилиндр 2. При протекании тока по катушке создается магнитное поле, направление которого указано крестиками. Ток протекает от входного контакта 5 по катушке 1, замкнутым контактам 6 и гибкой связи 7 ко второму выходному контакту аппарата. При размыкании контактов 6 между ними возникает сначала жидкометаллический мостик, а затем электрическая дуга 8.

Под действием магнитного поля катушки возникает сила, которая перемещает дугу в керамическую камеру 9.

Достоинства ДУ с последовательной катушкой:

·   при токах свыше 100 А магнитное поле быстро сдви­гает дугу с рабочих поверхностей контактов, чем обеспе­чивается их малый износ. Система хорошо работает в об­ласти больших токов;

·   при изменении направления тока меняет знак и маг­нитное поле. Сила, действующая на дугу, не изменяет сво­его направления. Система работает при любом направле­нии тока;

·   поскольку через катушку проходит номинальный ток контактора, она выполняется из провода большого сечения. Падение напряжения на катушке составляет доли вольта.

Наряду с достоинствами, такие ДУ имеют и недостатки. Это недостаточно надежное гашение дуги при малых токах (5…7 А), большая затрата меди на катушку, нагрев кон­тактов за счет тепла в дугогасительной катушке.

Несмотря на эти недостатки, благодаря высокой надеж­ности при гашении номинальных и больших токов, ДУ с по­следовательной катушкой получили преимущественное рас­пространение.

ДУ с параллельной катушкой обладают следующими недостатками:

·   направление электродинамической силы, действую­щей на дугу, зависит от полярности тока. При изменении направления тока меняется направление движения дуги, и контактор становится неработоспособным;

·   при КЗ возможно снижение напряжения на источнике, питающем катушку. В результате процесс гашения дуги идет неэффективно.

В связи с указанными недостатками ДУ с параллель­ной катушкой напряжения применяются только при отклю­чении небольших токов (5…10 А).

Воздействовать на дугу можно и магнитным полем по­стоянного магнита. При этом отсутствуют затраты энергии на создание магнитного поля; резко сокращается расход меди на контактор; отсутствует подогрев контактов от ка­тушки, как это имеет место в ДУсистемы с последовательной катушкой. По сравнению с ДУ с параллельной катушкой, ДУ с постоянным магнитом обладает высокой надеж­ностью и может использоваться при любых значениях тока. За счет конструктивных мер ДУ с постоянным магни­том можно сделать работоспособным при любом направле­нии тока. Характеристики такого ДУ аналогичны характе­ристикам ДУ с параллельной катушкой.

Дугогасительные устройства с магнитным дутьем и ке­рамической дугогасительной камерой применяются также в аппаратах переменного тока.

В ДУ с последовательной катушкой сила, действующая на дугу, пропорциональна квадрату тока. Поэтому и при переменном токе на дугу действует сила, неизменная по на­правлению.

Среднее значение силы получается таким же, как  при постоянном токе, при условии, что постоянный ток равен действующему значению переменного тока. Ука­занные соотношения справедливы, когда потери в магнит­ной системе катушки дутья отсутствуют, и поток по фазе совпадает с током. Несмотря на эффективность устройства, оно применяется только в контакторах с тяжелым режи­мом работы при числе включений в час более 600.

Недостатком этих устройств является наличие потерь в стали магнитной системы дугогашения, что ведет к повы­шению температуры контактов, и возможность возникнове­ния больших перенапряжений при принудительном обрыве тока (до естественного нуля).

Параллельные катушки в ДУ переменного тока не при­меняются из-за того, что сила, действующая на дугу, меня­ет свой знак, так как поток, создаваемый магнитной систе­мой дугогашения, сдвинут по фазе относительно отключае­мого тока. ДУ переменного тока с последовательной катушкой и ке­рамической дугогасительной камерой применяются в вы­соковольтных выключателях напряжением не выше 10 кВ.

Гашение электрической дуги в выключающих аппаратах

Страница 19 из 87

§ 30. Гашение электрической дуги в выключающих аппаратах
Способы гашения электрических дуг подразделяются на две группы: гашение коротких и длинных дуг.
Короткие дуги имеют ту особенность, что падение напряжения у катода составляет существенную часть от общего падения напряжения в дуге.

Рис. 29-5. Восстановление напряжения на дуговом промежутке при наличии периодического колебательного процесса
Это объясняется тем, что автоэлектронная эмиссия требует высокого градиента электрического поля (до 106 в/см) в слое у катода толщиной 10-4— 10-5 см.
Явления у катода при коротких дугах переменного тока создают характерную для них начальную прочность дугового промежутка. По мере горения дуги вследствие диффузии и рекомбинации зарядов электрическая прочность промежутка возрастает.
Длинные дуги возникают при высоких напряжениях источника, поэтому падение напряжения у катода не оказывает существенного влияния на зажигание.

Гашение длинных дуг производится при помощи ускорения распада дуги. Для этого снижают температуру дуги ниже температуры термической ионизации (4000° К) путем соприкосновения дуги с холодными частями дугогасительных устройств или путем диссоциации окружающих дугу веществ. В последнем случае молекулы газа или пара диффундируют в столб дуги и под влиянием высокой температуры диссоциируют, т. е. распадаются на атомы. Поскольку на это затрачивается энергия, то температура дуги снижается. В дальнейшем диссоциированные атомы диффундируют в окружающее дугу пространство, где при рекомбинации отдают энергию.
Для гашения дуг переменного тока особенно выгодно использовать атомы водорода, которые возникают при диссоциации паров масла.
Рассмотрим наиболее употребительные способы гашения дуги.
Магнитное дутье основано на том, что ток в дуге, взаимодействуя с внешним магнитным полем, отклоняет дугу. Погасание дуги при этом происходит от двух причин: растяжения дуги и охлаждения дуги при ее быстром перемещении сквозь неподвижный воздух.
Магнитное поле может быть получено с помощью электромагнитов с сериесной и шунтовой катушками, а также с помощью постоянных магнитов. При сериесных электромагнитах сила F, вызывающая перемещение дуги, будет пропорциональна магнитной индукции В, длине дуги l и току I. Но магнитная индукция, в свою очередь, при сериесном электромагните пропорциональна току, таким образом,
(30-1)
Этим объясняется, что электромагнитное дутье с сериесными катушками хорошо работает при больших токах и хуже при малых токах.

Решетки Доливо-Добровольского применяются для гашения коротких дуг. Гашение дуги здесь основано на том, что электродинамическими силами дуга отклоняется в пространство, разгороженное неподвижными изолированными металлическими пластинами. Попав на эти пластины (решетку), дуга разбивается на несколько коротких дут, в результате чего суммарное около- электродное напряжение возрастает. Статическая вольт-амперная характеристика дуги в этом случае поднимается, что способствует гашению.


Конструктивное выполнение дугогасительных решеток может быть в двух видах: с переходом дуги на решетку с дугогасительных рогов либо с постепенным переходом дуги на пластины дугогасительной решетки по мере движения подвижного контакта. В первом случае гашение дуги происходит за меньший промежуток времени, но требует магнитного дутья.

Щелевые камеры гасят дугу вследствие ее деионизации при охлаждении о стенки камеры. Камеры выполняются из огне-  и влагостойкого материала. В качестве такого материала служит асбоцемент (ацеид) или керамика. Керамические камеры дуго- и влагостойки, вследствие большей теплопроводности они гасят дугу лучше. Для повышения гидрофобности (водоотталкивающей способности) камер из асбоцемента последние пропитываются кремний-органическими соединениями.

Форма щелевых камер бывает различной: с одной или несколькими прямыми щелями, с сужающейся щелью, с извилистой щелью. В мощных выключателях щелевая камера снабжается магнитным дутьем.

Гашение дуги высоким давлением обычно осуществляется в трубчатых предохранителях. Повышение давления в закрытом патроне предохранителей происходит от нагрева газа электрической дугой. Оно пропорционально квадрату тока. С повышением же давления газов ионизация в дуге резко падает, и дуга гаснет.

Газогенерирующие дугогасительные устройства основаны на том, что под влиянием нагрева стенок дугогасительной камеры электрической дугой из материала стенок выделяется большое количество газов, которые выдувают дугу. В качестве газогенерирующих веществ применяют фибру, органическое стекло, винипласт и др.
Дугогасящие устройства с твердым газогенерирующим материалом выполняются с продольным или поперечным дутьем. В камерах с продольным дутьем на дугу действуют как радиальные, так и аксиальные потоки газов. Газы радиального направления, попадая в дугу, диссоциируются, а газы продольного дутья удлиняют дугу.

Камеры с поперечным дутьем работают более эффективно. Здесь за время максимального значения тока дуги в основной камере и буферном объеме скапливается большое количество газа. При спаде тока эти газы выдувают дугу. При этом дуга прижимается к холодным стенкам камеры, что способствует ее гашению.
Газогенерирующие камеры успешно применяются в аппаратах переменного тока с напряжением до 10 кВ.

Камеры с воздушным дутьем основаны на том, что в момент размыкания контактов и образования дуги открывается вентиль воздушного дутья, обеспечивающий продольное дутье. Поток воздуха в момент прохождения тока через нуль отрывает ионизированную зону от острия подвижного контакта, а воздух образует вихревые потоки, которые также способствуют деионизации.

Омический принцип гашения дуги основан на том, что по мере растяжения дуги в ее цепи увеличивается активное сопротивление. Это снижает ток и, кроме того, уменьшает сдвиг фаз между током и напряжением, что также способствует лучшему гашению дуги.                            

Гасительные устройства в масле основаны на диссоциации масла. Энергия электрической дуги в масле расходуется: на разложение и движение масла (28%), расширение и нагрев газов (40%), теплоотдачу лучеиспусканием (11%), нагрев и испарение масла (9%) и другие виды потерь (12%).

Таким образом, трансформаторное масло является хорошей дугогасительной средой, так как 68% энергии электрической дуги гасится в процессе диссоциации масла с выделением до 70% водорода.
Некоторым недостатком трансформаторного масла является сравнительно низкая температура вспышки паров (+135° С), но поскольку все другие известные жидкости обладают большими недостатками, то трансформаторное масло как дугогасительное средство получило наиболее широкое распространение.
Простейший баковый масляный выключатель имеет свободно горящую дугу в масле. Вокруг дуги образуется газовый пузырь с преимущественным содержанием водорода. Поскольку градиент напряжения в дуге мал (70 в/см), то для гашения дуги приходится иметь относительно большой ход подвижных контактов и двойной разрыв дуги.

Время горения дуги в таком выключателе зависит от тока. С увеличением тока до некоторого критического значения время горения дуги возрастает до 10—15 полупериодов. Дальнейшее возрастание тока снижает время горения дуги до 3—5 полупериодов за счет электродинамических сил.

Под действием этих сил дуга отклоняется и приближается к стенкам газового пузыря, что вызывает увеличенное выделение газов (рис. 30-1).
Чтобы еще больше приблизить электрическую дугу к стенкам камеры и тем самым ускорить гашение, применяют камеры гашения. Примером такой гасительной камеры с поперечным дутьем служит камера с буферным объемом (рис. 30-2). В первый момент образования газового пузыря воздух в камере 3 сжимается (рис. 30-2,а). После подъема подвижного электрода 1 и открытия поперечного канала газы, пары масла и масло устремляются в канал, вызывая поперечное дутье (рис. 30-2,б). Поперечный поток не только охлаждает дугу, но и как бы срезает ионизированную зону. С другой стороны, приближение дуги к изоляционным граням вызывает дополнительное выделение газа. Обычно таких каналов устраивается несколько.


Рис. 30-1. Гашение свободно горящей дуги в масляном выключателе: 1 и 2 — подвижный и неподвижный контакты выключателя; 3 — изоляционные вводы; 4 —  масло


Рис. 30-2. Дугогасительная камера с поперечным дутьем:
1 и 2 — подвижный и неподвижный контакты; 3 — буферная камера

После выхода подвижного электрода из верхнего отверстия вдоль вертикального канала образуется также и продольное дутье. Описанный способ гашения дуги применяется в выключателе типа ВМГ-133.

Более совершенные дугогасительные камеры выполняются с двумя разрывами, из которых один генерирующий, а второй гасительный.

  • Назад
  • Вперёд

Методы гашения дуги в выключателе

Принцип работы и явление дугообразования были объяснены в предыдущей статье. Теперь очень важно погасить дугу, чтобы избежать серьезных опасностей.

 

Пока эта дуга поддерживается между контактами, ток через автоматический выключатель не будет окончательно прерван, поскольку дуга сама по себе является проводящим путем электричества. Для полного отключения тока автоматическим выключателем необходимо как можно быстрее погасить дугу.

 

Основным критерием проектирования автоматического выключателя является обеспечение соответствующей технологии гашения дуги в автоматическом выключателе для обеспечения быстрого и безопасного отключения тока. Принципы и методы гашения дуги обсуждаются здесь.

Принципы гашения дуги в выключателе

Прежде чем обсуждать методы гашения дуги, необходимо изучить факторы, ответственные за поддержание дуги между контактами. Это:

  1. разность потенциалов между контактами.
  2. ионизированные частицы между контактами

 

По очереди,

Когда контакты имеют небольшой зазор, p.d. между ними достаточно для поддержания дуги. Одним из способов гашения дуги является разведение контактов на такое расстояние, чтобы п.д. становится недостаточным для поддержания дуги.

 

Однако этот метод неприменим в системе высокого напряжения, где может потребоваться разделение на несколько метров.

Ионизированные частицы между контактами поддерживают дугу. Если путь дуги деионизирован, гашение дуги будет облегчено. Это может быть достигнуто охлаждением дуги или удалением ионизированных частиц из пространства между контактами.

Методы гашения дуги в автоматических выключателях

Существует два метода гашения дуги в автоматических выключателях

  1. Метод высокого сопротивления
  2. Низкое сопротивление или метод нулевого тока.
1. Метод высокого сопротивления

В этом методе сопротивление дуги увеличивается со временем, так что ток снижается до значения, недостаточного для поддержания дуги. Следовательно, ток прерывается или дуга гаснет.

 

Основным недостатком этого метода является то, что в дуге рассеивается огромная энергия. Поэтому он используется только на постоянном токе. автоматические выключатели Сухопутные маломощные переменного тока Автоматические выключатели.

 

Сопротивление дуги можно увеличить на

  • Удлинение дуги –  Сопротивление дуги прямо пропорционально ее длине. Длину дуги можно увеличить за счет увеличения зазора между контактами.
  • Охлаждение дуги –  Охлаждение помогает в среде между контактами. Это увеличивает дугу, которая может быть получена за счет газового сопротивления. Эффективная охлаждающая струя, направленная вдоль дуги.
  • Уменьшение поперечного сечения дуги –  Если площадь поперечного сечения дуги уменьшается, напряжение, необходимое для поддержания дуги, увеличивается. Другими словами, сопротивление пути дуги увеличивается. Поперечное сечение дуги можно уменьшить, пропуская дугу через узкое отверстие или уменьшая площадь контактов.
  • Разделение дуги —  Сопротивление дуги можно увеличить, разделив дугу на несколько последовательных дуг меньшего размера. Каждая из этих дуг испытывает эффект удлинения и охлаждения. Дугу можно разделить, вставив несколько проводящих пластин между контактами.
2. Метод низкого сопротивления или нулевого тока

Этот метод используется только для гашения дуги в цепях переменного тока.

 

В этом методе сопротивление дуги поддерживается на низком уровне до нулевого тока, когда дуга гаснет естественным образом и предотвращается повторное возгорание, несмотря на повышение напряжения на контактах.

 

Этот метод гашения дуги используется во всех современных мощных автоматических выключателях переменного тока.

В сети переменного тока В системе ток падает до нуля после каждого полупериода. При каждом нуле тока дуга гаснет на короткое время.

 

Теперь среда между контактами содержит ионы и электроны, так что она имеет небольшую диэлектрическую прочность и может быть легко разрушена возрастающим контактным напряжением, известным как напряжение повторного пробоя.

 

Если такой пробой произойдет, то дуга будет сохраняться еще в течение полупериода. Если сразу после нулевого тока диэлектрическая прочность среды между контактами нарастает быстрее, чем напряжение на контактах, дуга не загорается снова и ток прерывается. Быстрое увеличение диэлектрической прочности среды вблизи нуля тока может быть достигнуто за счет

  • (а) вызывает рекомбинацию ионизированных частиц в пространстве между контактами в нейтральные молекулы.
  • (b) удаление ионизированных частиц и замена их неионизированными частицами.


Таким образом, реальная проблема при отключении дуги переменного тока состоит в том, чтобы быстро деионизировать среду между контактами, как только ток становится равным нулю, чтобы возрастающее контактное напряжение или напряжение повторного поджига не могли пробить пространство между контактами. Деионизация среды может быть достигнута:

  • (i) удлинение зазора : Диэлектрическая прочность среды пропорциональна длине зазора между контактами. Следовательно, за счет быстрого размыкания контактов можно достичь более высокой диэлектрической прочности среды.
  • (ii) высокое давление . Если давление вблизи дуги увеличивается, плотность частиц, составляющих разряд, также увеличивается. Повышенная плотность частиц вызывает более высокую скорость деионизации и, следовательно, увеличивается диэлектрическая прочность среды между контактами.
  • (iii) охлаждение :  Естественная комбинация ионизированных частиц происходит быстрее, если им дают охладиться. Следовательно, диэлектрическая прочность среды между контактами может быть повышена за счет охлаждения дуги
  • (iv) эффект взрыва :  Если ионизированные частицы между контактами сметены и заменены неионизированными частицами, диэлектрическая прочность среды может быть значительно увеличена. Это может быть достигнуто газовым дутьем, направленным вдоль разряда, или нагнетанием масла в контактное пространство.

 

Предыдущий пост

4 основные проблемы в двигателе постоянного тока с причинами

23 мая 2014 г.

Следующий пост

Различные типы автоматических выключателей

24 мая 2014 г.