Электродинамические усилия в аппаратах. Проверка аппаратов на электродинамическую стойкость.

Электрические и электронные аппараты

 

 

При КЗ развиваются значительные электродинамические силы (механические напряжения), которые могут: деформировать или разрушить обмотки; токоведущие части и опорные конструкции ЭА; изоляторы, с помощью которых проводники укреплены к заземленным частям аппарата и др.

Электродинамические силы пропорциональны квадрату тока и могут превысить более чем в 4000 раз соответствующие нормальные значения. В сильноточных аппаратах электродинамические силы могут достигать десятков тысяч Ньютон.

Влияние электродинамических сил при включении на существующее короткое замыкание сказывается в большей степени, чем при отключении.

Электродинамические силы в режиме трехфазного КЗ содержат четыре составляющие:

1) постоянную составляющую;

2)периодическую составляющую, меняющуюся с двойной промышленной частотой от взаимодействия периодических составляющих тока;

3) непериодическую составляющую с частотой 50 Гц от взаимодействия периодической составляющей тока в одном проводнике и свободной составляющей в другом проводнике;

4) апериодическую составляющую от взаимодействия свободных составляющих тока.

 

Электродинамической стойкостью аппарата называется его способность противостоять ЭДУ (механическим воздействиям), возникающим при прохождении сквозных токов КЗ.

Она выражается либо амплитудным значением тока iдин,

либо кратностью этого тока относительно амплитуды номинального тока Iном, т.е 

                                                     kдин = iдин /√2 Iном.

Иногда действующим значением ударного тока за период после начала КЗ (Iуд).

 

Электродинамическая стойкость электрических аппаратов в зависимости от типа и конструкции характеризуется их предельными сквозными токами и и номинальными токами электродинамической стойкости iдин и lдин или кратностью тока электродинамической стойкости .

Электродинамическая стойкость электрического аппарата обеспечена, если выполняются условия:

 

(35)

где lп0 - начальное действующее значение периодической составляющей тока КЗ в цепи с электрическим аппаратом;
iуд - ударный ток КЗ.

 

2. Расчет аппаратов и токоведущих частей на термодинамическую стойкость. Электрические контакты.

 

Кабели и шины выбирают по номинальным параметрам (току и напряжению) и проверяют на термическую и динамическую стойкость при КЗ. Поскольку процесс КЗ кратковременный, то можно считать, что все тепло, выделяемое в проводнике кабеля, идет на его нагрев. Температура нагрева кабеля определяется его удельным сопротивлением, теплоемкостью, рабочей температурой. Температура нагрева кабеля в нормальном рабочем режиме

где /0 — температура окружающей среды (почвы); /доп — допустимая температура при нормальном режиме, принимаемая равной 60 °С; /доп — допустимый ток для выбранного сечения.

Максимально допустимые кратковременные превышения температуры при КЗ принимают для силовых кабелей до 10 кВ с бумажной пропитанной изоляцией с медными и алюминиевыми жилами — 200 °С; на напряжение 20—35 кВ с медными жилами — 175 °С.

Проверку кабелей осуществляют вычислением термически стойкого сечения, проверка остальных элементов (выключателей, разъединителей и др.) проводится непосредственным сравнением допустимой величины теплового импульса с расчетной. Расчет теплового импульса имеет некоторые особенности из-за изменения тока КЗ во времени, в частности из-за наличия апериодической составляющей. Аналогично выделению в токе КЗ периодической и апериодической составляющих, говорят о соответствующих тепловых импульсах Вп

и Ва, кА2 • с, вызванных протеканием этих составляющих:

Действующее значение периодической составляющей также может изменяться во времени. Чтобы при определении теплового импульса не проводить расчеты изменения тока КЗ во времени /к(/), используют не действительную длительность протекания токов КЗ — время отключения /отк, а некоторое приведенное время /пр. которое позволяет эквивалентировать тепловой импульс при использовании неизменного во времени тока КЗ:

где /п и ta — расчетные продолжительности действия периодической и апериодической составляющих тока КЗ, с. При определении приведенного времени КЗ выделяют два случая.

1. При /п0 = I" = loo (где /п0 = /" — действующее значение периодической составляющей тока КЗ в начальный момент времени)

где /отк — действительная продолжительность протекания токов КЗ, с; Та — постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ, с. Отметим, что последнее равенство не имеет физического смысла, а использует совпадение численных значений, характерных для сетей 6—10 кВ.

· 2. При Г'Ноо — Р" > 1 один из вариантов — определение tn по кривым в зависимости от /отк и Р" (рис. 7.2); при /отк < 1 с принимают /а =

· 2

= 0,05(Р") , при /отк > 1 с принимают 1а = 0.

При коротком замыкании вблизи группы двигателей, т.е. в тех случаях, когда I"U00 = Р" > 1 вызвано наличием подпитки места КЗ от двигателей, тепловой импульс, вызванный протеканием периодической составляющей тока КЗ, определяют как

где /п0д — ток короткого замыкания от синхронных и асинхронных двигателей; /п0с — ток короткого замыкания от системы; Тд — постоянная времени эквивалентного двигателя. При отсутствии данных о типах двигателей можно принять значение Тд равным 0,07 с.

Апериодические составляющие токов КЗ двигателей затухают по экспонентам с близкими постоянными времени. Поэтому апериодическую составляющую в месте КЗ можно представить в виде одной экспоненты с эквивалентной постоянной времени:

Тепловой импульс от апериодической составляющей тока КЗ:

При КЗ по токоведущим частям проходят токи переходного режима, вызывая сложные динамические усилия в шинных конструкциях и аппаратах электрических установок. Усилия, действующие на жесткие шины и изоляторы, рассчитывают по наибольшему мгновенному значению тока трехфазного КЗ / . При этом определяется максимальное усилие ^ на шинную конструкцию без учета механических колебаний, по с учетом расстояния / между изоляторами шинной конструкции и расстояния между фазами а.

Наибольшее электродинамическое усилие на единицу длины, кг/см:

где а — расстояние между проводами, см.

Изгибающий момент (при числе пролетов больше двух), кг • см:

где / — расстояние между опорными изоляторами, см.

Сила, действующая на опорный изолятор, кг, равна /г=//. Допускаемые нагрузки на опорные изоляторы: типа ОА — 225 кг; типа ОБ —

· 2

· 450 кг. Напряжение, возникающее в металле, кг/см , равно

где IV— момент сопротивления, см3.

Для шин с размерами Ьу.И (Ь — меньший размер), установленных на ребро, момент, см3, равен

для шип, установленных плашмя:

Допускаемые напряжения, кг/см : для меди МТ — 1400, для алюминия АТ — 700, для алюминия АТТ — 900, для стали — 1600. В многополосных шинах кроме усилия между фазами возникает усилие между полосами, расчет в этом случае усложняется.

Электродинамические усилия в токоведущих частях выключателей, разъединителей и других аппаратов сложны и трудно поддаются расчету, поэтому заводы-изготовители указывают допустимый через аппарат предельный сквозной ток КЗ (амплитудное значение) /ном ДИ||, который не должен быть меньше найденного в расчете ударного тока / при трехфазном КЗ.

Электрические контакты — это соприкасающиеся поверхности материалов, обладающие электропроводностью и соединяющие между собой несколько токоведущих элементов в электрической цепи. Это может быть также приспособление, которое обеспечивает соединение и переход электрического тока из одной контактирующей детали в другую.

 

Слово контакт означает соприкосновение, касание. Две детали, предназначенные для проведения тока и находящиеся в соприкосновении, принято называть контактными частями или, короче, контактами. В контактах, подлежащих рассмотрению, электрическая проводимость обеспечивается обычно при наличии давления на контактные части, создаваемого винтами или пружинами.

В электрической системе - машинах, аппаратах, линиях и т. д. имеется огромное количество контактов. Качество контактов имеет прямое отношение к надежности электрического оборудования. Контакты низкого качества часто являются источником повреждений и нарушений нормальной работы установки.

По своему назначению и условиям работы контакты, рассматриваемые здесь, могут быть разделены на две основные группы - неразмыкаемые и размыкаемые.

Неразмыкаемые контакты в свою очередь делятся на:

· неподвижные контакты, в которых отсутствует перемещение контактных частей относительно друг друга, например винтовые соединения шин, проводов, присоединения к аппаратам;

· подвижные контакты, в которых имеет место скольжение или качение одной контактной части относительно другой; такие контакты (наряду с размыкаемыми) имеются в разъединителях и выключателях.

Контакты можно также классифицировать по роду соприкасающихся поверхностей. Различают контакты плоские, линейные и точечные. Плоский контакт образуется при соприкосновении плоских контактных деталей, например плоских шин. Линейный контакт может быть образован двумя цилиндрами с параллельными осями или цилиндром и плоскостью. Точечный контакт может быть образован двумя сферическими поверхностями или двумя скрещенными под прямым углом цилиндрами. Понятия плоского, линейного и точечного контактов условны, поскольку они предполагают наличие идеальных поверхностей. В действительности соприкосновение между контактными частями во всех случаях происходит по небольшим площадкам.

Поверхность твердого тела не может быть идеально ровной. При самой тщательной обработке имеется некоторая волнистость и шероховатость. Если бы материал контактов был бесконечно твердым, соприкосновение имело бы место в нескольких точках. В действительности под действием приложенной силы происходит деформация материала и первоначальные точки прикосновения превращаются в небольшие площадки. С увеличением силы, приложенной к контактам, увеличивается число контактных «точек» и их общая площадь.

Давление по площадке распределяется неравномерно. При этом металл деформируется частично пластически, частично упруго. Зависимость между силой Р, приложенной к контактам, и контактной поверхностью sд, воспринимающей давление, имеет следующий вид:

Р = psд, (1)

где р - среднее удельное давление, зависящее от кривизны поверхности контактных частей, их волнистости, приложенной силы и модуля упругости материала.

Контактная поверхность, воспринимающая давление, во много раз меньше кажущейся поверхности контактов sк, легко поддающейся измерению.

На поверхности металла обычно имеется тонкий инородный слой большей или меньшей толщины, препятствующий непосредственному соприкосновению металла контактов. Этот слой состоит из адсорбированных газов, жиров. окислов и пр. Получить действительно чистые контакты чрезвычайно трудно. Для этого они должны быть очищены механически и затем подвергнуты длительному нагреванию в вакууме. При такой обработке поверхностный слой, включая оксиды, разлагается и контакты становятся чистыми. Однако в воздухе на чистых металлических контактах немедленно осаждаются вода, а также кислород и другие газы. При смыкании контактов часть этого осадка выжимается. На поверхности остается молекулярный слой (пленка), способный выдержать значительное давление. Этот тонкий слой (до 30 А (А - ангстрем; 1 А = 10-8 см)), препятствующий соприкосновению металлов, не нарушает проводимости. Прохождение тока объясняется туннельным эффектом - способностью электронов преодолевать потенциальный барьер, если толщина слоя невелика (аналогично прохождению света через тонкий металлический лист). Сопротивление тонкой пленки из адсорбированных газов сравнительно мало.

При длительном нахождении контактов на воздухе на их поверхности образуется относительно толстый инородный слой, состоящий из оксидов, сульфитов, хлоридов и друг их соединений. Скорость образования инородного слоя зависит от температуры, влажности воздуха и наличия химических агентов. Благородные металлы, например серебро, также подвержены окислению, однако процесс окисления протекает медленнее, слой менее прочен и легко разлагается при нагревании.

Слой оксидов является практически непроводящим. Однако под давлением он может быть частично разрушен, так как металл способен деформироваться пластически, сохраняя сцепление; слой же оксидов не может следовать этой деформации вследствие хрупкости. Поэтому при давлении на контакты происходит скалывание инородного слоя, появляются трещины, в которые проникает металл, образуя проводящие контактные точки. По мере увеличения давления число контактных точек и проводящая поверхность sп увеличиваются. При наличии скольжения между контактами образование трещин облегчается, так как при этом появляются касательные напряжения и происходит срез. Чем толще инородный слой, тем труднее проникновение металла в трещины.

Из сказанного следует, что контактная поверхность, воспринимающая давление, состоит из участков:

· 1) с металлическим контактом;

· 2) покрытых тонкой пленкой, не представляющей значительного сопротивления току;

· 3) покрытых оксидами, практически не проводящими ток.

 

3.  Переходное сопротивление, режимы работы, конструкция.

 

Контактное соединение – это конструктивное устройство, в котором осуществляется электрическое и механическое соединения двух или нескольких отдельных проводников, которые входят в электрическую цепь. В месте соприкосновения проводников образуется электрический контакт – токопроводящее соединение, через которое ток протекает из одной части в другую.

Простое наложение контактных поврехностей соединяемых проводников не обеспечивает хорошего контакта, так как действительное соприкосновение происходит не по всей поверхности, а только в немногих точках. Причина этого - неровность поверхности контактирующих элементов и даже при очень тщательной шлифовке на поверхностях остаются микроскопические возвышения и впадины.

В книгах по электрическим аппаратам можно встретить подтверждение этому на фотографиях сделанных с помощью микроскопа. Действительная площадь спорикосновения во много раз меньше общей контактной поверхности.

Из-за малой площади соприкосновения контакт представляет довольно значительное сопротивление для прохождения тока. Сопротивление в месте перехода тока из одной контактной поверхности в другую называется переходным контактным сопротивлением. Сопротивление контакта всегда больше, чем сплошного проводника таких же размеров и формы.

Переходное контактное сопротивление – это резкое увеличение активного сопротивления в месте перехода тока из одной детали в другую.

Его величина определяется по формуле, которая вываедена опытным путем в результате многочисленных исследований:

Rп = ε / (0,102 Fm ),

где ε – коэффициент, который зависит от свойств материала контактов, а также от способа обработки и чистоты контактной поверхности (ε зависит от физических свойств материалов контактов, удельного электрического сопротивления, механической прочности, способности материалов контактов к окислению, теплопроводности), F – сила контактного нажатия, Н, m – коэффициент, зависящий от числа точек соприкосновения контактных поверхностей. Этот коэффициент может принимать значения от 0,5 до 1. Для плоскостногоконтакта m = 1.

Из уравнения также следует, что сопротивление контакта не зависит от размера контактных поверхностей и для контакта определяется прежде всего силой давления (контактного нажатия).

Контактное нажатие – усилие, с которым одна контактная поверхность воздействует на другую. Число соприкосновений в контакте быстро растет при нажатии. Даже при небольших давлениях в контакте происходит пластическая деформация, вершины выступов сминаются и с увеличением давления все новые точки приходят в соприкосновение. Поэтому при создании контактных соединений применяют различные способы нажатия и скрепления проводников:

- механическое соединение при помощи болтов (для этого используются различные клеммники)

- приведение в соприкосновение при помощи упругого нажатия пружин (клеммники с плоско-пружинным зажимом, например WAGO),

- сварку, спайку, опрессовку.

Если два проводника соприкасаются в контакте, то число площадок и суммарная площадь соприкосновения будут зависеть от величины силы нажатия и от прочности материала контакта (его временного сопротивления на смятие).

Переходное контактное сопротивление тем меньше, чем больше сила нажатия, так как от нее зависит действительная площадь соприкосновения. Однако давление в контакте целесообразно увеличивать только до некоторой определенной величины, потому что при малых значениях давления переходное сопротивление уменьшается быстро, а при больших – почти не изменяется.

Таким образом, давление должно быть достаточно большим для того, чтобы обеспечить малое переходное сопротивление, но не должно вызывать пластических деформаций в металле контактов, что может привести к их разрушению.

Свойства контактного соединения могут с течением времени меняться. Только новый, тщательно обработанный и зачищенный контакт при достаточном давлении имеет наименьшее возможное переходное контактное сопротивление.

В процессе эксплуатации под действием разнообразных факторов внешнего и внутреннего характера переходное сопротивление контакта увеличивается. Контактное соединение может настолько ухудшиться, что иногда становится источником аварии.

В очень большей степени переходное контактное сопротивление зависит от температуры. При протекании тока контакт нагревается и повышение температуры вызывает увеличение переходного сопротивления. Однако увеличение переходного сопротивления контакта идет медленнее, чем увеличение удельного сопротивления материала контакта, так как при нагреве снижается твердость материала и его временное сопротивление смятию, что, как известно, уменьшает переходное сопротивление.

Нагрев контакта приобретает особенно важное значение и в связи с его влиянием на процесс окисления контактных поверхностей. Окисление вызывает очень сильное увеличение переходного сопротивления. При этом окисление поверхности контакта идет тем интенсивнее, чем выше температура контакта.

Медь окисляется на воздухе при обычных температурах жилых помещений (около 20 оС). Образующаяся при этом окисная пленка не обладает большой прочностью и легко разрушается при сжатии. Особенно интенсивное окисление меди начинается при температурах выше 70 оС.

Алюминиевые контакты на воздухе окисляются более интенсивно, чем медь. Они быстро порываются пленкой окиси алюминия, которая является очень устойчивой и тугоплавкой и обладает такая пленка довольно высоким сопротивлением – порядка 1012 ом х см.

Отсюда можно сделать вывод, что добиться нормального контактирования со стабильным переходным контактным сопротивлением, которое не будет увеличиваться в процессе эксплуатации в этом случае очень тяжело. Именно по этому использовать алюминий в электропроводке неудобно и опасно и большинство проблем с электропроводкой, которые описываются в книгах и в Интернете случаются именно при использовании проводов и кабелей с алюминиевыми жилами.

Таким образом, состояние контактных поврехностей оказывает решающее влияние на рост переходного сопротивления контакта. Для получения устойчивости и долговечности контактного соединения должна быть выполнена качественная зачистка и обработка контактной поверхности, а также создано оптимальное давление в контакте. Показателями хорошего качества контактов служат его переходное контактное сопротивление и температура нагрева.

РЕЖИМЫ РАБОТЫ
При коммутации электрической цепи работу контактов можно разделить на следующие режимы: режим замыкания, режим замкнутого состояния и режим размыкания. Режим замыкания. В этом режиме возможны следующие процессы: 1) вибрация контактов, 2) эрозия контактов. Рис. 9. Процесс вибрации контактов При замыкании подвижный контакт приближается к неподвижному контакту с определенной скоростью. При соударении происходит упругая деформация материала обоих контактов. Это приводит к отбросу подвижного контакта, и он отскакивает от неподвижного на десятые или сотые доли миллиметра. Под действием контактной пружины происходит повторное замыкание контактов. Этот процесс может повторяться несколько раз с затухающей амплитудой (рис. 9). При каждом отбросе между контактами возникает электрическая дуга, вызывающая износ контактов в виде оплавления и распыления материала контактов. Для уменьшения вибрации контактная пружина должна иметь предварительное сжатие при разомкнутых контактах. В момент кассания контактов сила нажатия возрастает не из нуля, а от величины предварительного нажатия. Увеличение жесткости контактной пружины способствует уменьшению вибрации. На вибрацию контактов влияет момент инерции, с ростом которого вибрация усиливается. При протекании больших токов через контакты вибрация усиливается из-за возникновения электродинамических усилий (ЭДУ), отбрасывающих контакты. Поэтому, для компенсации действия ЭДУ, необходимо увеличивать нажатие контактных пружин. В режиме замыкания контактов, по мере приближения подвижного контакта к неподвижному, возрастает напряженность электрического поля между контактами и при определенном расстоянии происходит пробой межконтактного промежутка. В аппаратах низкого напряжения пробой возникает при очень малом расстоянии и в дуговую форму разряд не переходит, так как подвижный контакт продолжает двигаться и замыкает контакт. Однако пробой промежутка вызывает перенос металла с одного контакта на другой (с анода на катод). Происходит физический износ или эрозия. В аппаратах высокого напряжения, при сближении контактов, пробой происходит при больших расстояниях. Возникшая дуга горит относительно долго, при этом возможно сваривание контактов. Для устранения пробоя применяют несколько разрывов, последовательно соединенных между собой. Режим замкнутого состояния. В этом режиме возможны два случая: 1) через контакты проходит длительное время номинальный ток; 2) через контакты проходит ток короткого замыкания. При длительном номинальном токе на переходном сопротивлении контакта выделяется мощность, которая вызывает нагрев контакта. Это приводит к размягчению и плавлению материала контактов. Поэтому, контакт характеризуется двумя точками (рис. 10): точкой размягчения (рекристаллизации) с параметрами Uк1 и θк1(Uк1 – падение напряжения, θк1 – температура) и точка плавления с параметрами Uк2 и θк2, значение которых приведено в таблице 1. Для надежной работы контактов необходимо, чтобы при номинальном токе Iн падение напряжения на переходном сопротивлении было меньше допустимого Iн Rп < Uкдоп = (0.5 - 0.8) Uк1 . (6) При коротком замыкании через контакты проходят токи в 10…20 раз превышающие номинальные значения. Из-за малой постоянной времени нагрева температура контактной площадки практически мгновенно повышается и может достигнуть темпера туры плавления. Это может привести к свариванию контактов. Рис. 10. Зависимость падения напряжения на контакте от температуры Uк к1 к2 к Uк2 Uк1 Параметры точек рекристаллизации и плавления контактов из различных материалов Материал Uк1,В θк1,°C Uк2 ,В θк2 ,°C медь 0.12 190 0.43 1083 серебро 0.09 150 0.35 960 алюминий 0.10 150 0.30 658 вольфрам 0.40 1000 1.00 3370 Режим размыкания контактов. При размыкании сила нажатия уменьшается, переходное сопротивление возрастает (рис. 5) и растет температура точек касания. В момент разъединения контактов температура достигает температуры плавления и между контактами возникает мостик из жидкого металла. При дальнейшем движении контактов мостик взрывается и, в зависимости от параметров отключаемой цепи, возникает либо дуговой разряд, либо тлеющий. При возникновении дугового разряда температура катодного и анодного пятен дуги достигает точки плавления материалов. Высокая температура контактов приводит к их интенсивному окислению, распылению материала контактов в окружающем пространстве, переносу материала с одного электрода на другой и образованию пленок. Все это влечет за собой износ контактов. Перенос материала с одного электрода на другой наиболее вреден при постоянном токе, так как направление переноса не меняется. Это ведет к быстрому выходу из строя контактов. Направление эрозии и форма износа контактных поверхностей зависит от вида разряда и величины тока. Если величина тока и напряжения не превышают некоторых пограничных значений Iо и Uо, то тлеющий разряд не переходит в дуговой (таблица 2). Таблица 2. Пограничные значения I0 и U0 различных материалов контактов. Основными средствами борьбы с эрозией в аппаратах на токи от 1 до 600 А являются: 1) сокращение длительности горения дуги за счет применения дугогасительных устройств; 2) устранение вибрации при включении; 3) применение дугостойких контактных материалов.

 

4. Электрическая дуга. Условия горения и погашения дуги постоянного и переменного тока. Дугогасительные устройства.

 

Электрическая дуга представляет собой вид разряда, характеризующийся большой плотностью тока, высокой температурой, повышенным давлением газа и малым падением напряжения на дуговом промежутке. При этом имеет место интенсивное нагревание электродов (контактов), на которых образуются так называемые катодные и анодные пятна. Катодное свечение концентрируется в небольшом ярком пятне, раскаленная часть противоположного электрода образует анодное пятно.

В дуге можно отметить три области, весьма различные по характеру протекающих в них процессов. Непосредственно к отрицательному электроду (катоду) дуги прилегает область катодного падения напряжения. Далее идет плазменный ствол дуги. Непосредственно к положительному электроду (аноду) прилегает область анодного падения напряжения. Эти области схематично показаны на рис. 1.

Рис. 1. Строение электрической дуги

Размеры областей катодного и анодного падения напряжении на рисунке сильно преувеличены. В действительности их протяженность очень мала Например, протяженность катодного падения напряжения имеет величину порядка пути свободного движения электрона (меньше 1 мк). Протяженность области анодного падения напряжения обычно несколько больше этой величины.

В обычных условиях воздух является хорошим изолятором. Так, необходимое для пробоя воздушного промежутка в 1 см напряжение составляет 30 кВ. Чтобы воздушный промежуток стал проводником, необходимо создать в нем определенную концентрацию заряженных частиц (электронов и ионов).

 

Гашение электрической дуги в цепях постоянного тока. При размыкании контактов аппарата, находящегося в цепи постоянного тока, возникает дуговой разряд. Для гашения возникающей дуги постоянного тока обычно стремятся повысить напряжение на дуге (и ее сопротивление) или путем растяжения дуги, или путем повышения напряженности электрического поля в дуговом столбе, а большей частью – одновременно и тем и другим путями. Это достигается применением специальных дугогасительных камер в выключающих аппаратах, задача которых состоит в том, чтобы обеспечивать быстрое растяжение дуги и повышения напряжения на ней, с одной стороны, а с другой, – ограничивать распространение порождаемого ею пламени и раскаленных газов в приемлемом объеме пространства.

Электрическую цепь следует отключать так, чтобы перенапряжения не превышали тех величин, которые может выдержать без пробоя электрическая изоляция. Такие условия выполняются в рационально сконструированных выключателях с электрической дугой, при гашении которой большая часть электромагнитной энергии цепи превращается в тепловую и рассеивается столбом дуги в окружающую среду. В результате энергия, запасаемая в емкости, и перенапряжения на емкости снижаются. В этом отношении электрическая дуга играет положительную роль.

Задача гашения дуги постоянного тока сводится к соблюдению одного из двух основных условий:

· увеличению напряженности электрического поля Е в дуговом столбе, увеличению длины дуги или увеличению суммы падений напряжений у электродов. Последнее достигается увеличением количества металлических электродов, разбивающих дугу на ряд коротких дуг. Все эти факторы приводят к повышению напряжения на межконтактном промежутке;

· увеличению сопротивления или снижению напряжения цепи.

Необходимо отметить, что чрезмерное увеличение длины дуги приводит к возрастанию размеров ДУ и может порождать в некоторых случаях значительные перенапряжения, опасные для изоляции установок, находящихся в коммутируемой цепи.

Весьма часто в ДУ постоянного тока применяют магнитное дутье, т.е. создают в зоне горения дуги поперечное магнитное поле, которое увеличивает скорость перемещения (и растяжения) дуги и способствует вхождению дугового столба в узкие щели между изоляционными стенками, что активно способствует гашению дуги и улучшает форму ВАХ.

Гашение электрической дуги в цепях переменного тока. Дуга переменного тока обычно гасится значительно легче, чем дуга постоянного тока. Чтобы погасить дугу постоянного тока, надо насильственно свести к нулю ток цепи путем непрерывного увеличения сопротивления дугового столба (практически ®¥).

При переменном токе этого делать не требуется: здесь через каждый полупериод ток естественным путем проходит через нулевое значение, и надо лишь воспользоваться этим обстоятельством и создать вблизи перехода через ноль такие условия в межконтактном пространстве, чтобы протекание тока цепи вслед за этим переходом не возобновлялось. Поэтому условия гашения дуги переменного тока следует трактовать иначе, чем условия гашения дуги постоянного тока.

Однако существует ряд случаев, которые оказывают специфическое влияние на условия гашения дуги переменного тока.

Открытая дуга переменного тока при высоком напряжении источника. Открытая дуга переменного тока в моменты перехода через ноль сохраняет высокую проводимость, и поэтому в установках высокого напряжения гашение открытой дуги происходит не вследствие перехода тока через ноль и образования прочности промежутка, а главным образом вследствие растяжения дугового столба и образования на нем высокого напряжения горения. При таком режиме ток в цепи начинает заметно падать за несколько периодов до полного обрыва дуги, и причиной его ограничения является возрастание сопротивления канала дуги.

При определенной длине дуги переменного тока напряжение сети оказывается недостаточным для поддержания горения дуги, наступает нарушение баланса мощностей (подводимой и отводимой), и ток цепи довольно быстро уменьшается и, наконец, совсем прекращается. Таким образом, в цепях, содержащих только активное сопротивление, критический ток и критическая длина дуги определяются выражениями: ; , где Iз – действующее значение тока цепи при закороченном дуговом промежутке. Для цепей с индуктивным сопротивлением эти

выражения примут вид: ; , т.е. в цепях с индуктивным сопротивлением Iкр и lкр имеют более высокие значения.

Дуга переменного тока в условиях активной деионизации. Если столб дуги переменного тока подвергается интенсивной деионизации, то в этом случае механизм гашения дуги существенно меняется по сравнению с гашением открытой дуги в цепи высокого напряжения. За счет активного воздействия газовой или жидкой среды диаметр дугового канала сокращается (плотность тока повышается), и изменение его следует почти синхронно с током. При подходе тока к нулю дуговой столб приобретает весьма малые размеры и благодаря этому быстро распадаетсяпосле достижения током нулевого значения, теряет свою проводимость и приобретает заметную электрическую прочность. В таком случае восстановление дуги в следующий полупериод связано с пробоем межконтактного промежутка. Эти условия характерны для отключающих аппаратов высокого напряжения.

Таким образом, дуга переменного тока в условиях активной деионизации дугового столба представляет собой такое явление, когда при каждом переходе тока через ноль возникает соревнование двух процессов: процесса восстановления электрической прочности промежутка и процесса восстановления напряжения на промежутке. Исходя из такой трактовки процесса, можно заключить, что для угасания дуги переменного тока при интенсивной деионизации необходимо обеспечить такой режим, при котором электрическая прочность дугового промежутка после достижения током его нулевого значения нарастала бы достаточно быстро и достигала бы достаточного уровня. Существенно важной величиной при оценке жесткости сетей является коэффициент превышения амплитуды, представляющий собой отношение максимального значения восстанавливающего напряжения Uвm к мгновенному значению напряжения источника в момент перехода тока через ноль U0: a= Uвm/ U0 (1<a<2).

Таким образом, условие гашение дуги переменного тока при активной деионизации промежутка может быть сформулировано следующим образом: если после перехода тока через ноль прочность промежутка нарастает быстрее и остается все время выше, чем восстанавливающее напряжение на выключателе, то процесс заканчивается угасанием дуги. При несоблюдении этого условия наступает повторный пробой и восстановление электрической дуги.

 

Дугогасительные устройства. Такие устройства должны обеспечивать по возможности малое время гашения и малую энергию выделяемую дутой( во избежания значительного перегрева контактов), отсутствие опасных перенапряжений при гашении дуги, приемлемые размеры дугогасительного устройства. Применяемые дугогасительные устройства зависят от назначения и отличаются разными способами гашения, позволяющими удовлетворить указанные требования без существенного усложнения и увеличения их габаритов.

В аппаратах, специально рассчитанных для защиты цепи от коротких замыканий, все конструктивные решения подчиняются основному требованию — быстродействию. На электровозе или моторном вагоне обычно устанавливают один быстродействующий выключатель, поэтому можно допустить относительно большие размеры дугогасительной камеры. В контакторах, которые предназначены только для разрыва рабочих токов цепи, быстродействие не столь обязательно; здесь существенно важно не допустить чрезмерных габаритов камеры, так как обычно на каждой единице ТПС устанавливается нес<