Дугогашение и дугогасительные устройства

Условия возникновения и гашения дуги. Размыкание электрических цепей коммутирующими устройствами обычно сопровождается возникновением электрической дуги. Дуга возникает при токах более 0,5-1 А и напряжениях выше 15-18 В. Ток и напряжение, при которых образуется дуга, зависят в значительной мере от материала контактов. В тяговых аппаратах дуга появляется при размыкании под током силовых и вспомогательных цепей, а так же цепей управления, особенно с большими индуктивностями.

При относительно больших токах и напряжениях дуга — необходимый элемент процесса разрыва цепи. Она обеспечивает плавное уменьшение тока в цепи благодаря непрерывному нарастанию сопротивления в ней и поглощению электромагнитной энергии, запасенной в индуктивностях. Если бы дуга отсутствовала, то при мгновенном разрыве контактов электромагнитная энергия преобразовалась бы в электростатическую, что при малой емкости цепи привело бы к большим перенапряжениям.

Электрическая дуга может быть погашена в том случае, если процесс деионизации столба протекает с большей скоростью, чем процесс ионизации. Особенности цепей ТПС определяются значительными индуктивностями, что вызвано наличием в них тяговых машин, магнитные системы которых обладают большим запасом электромагнитной

энергии.

Для обычных параметров ТПС расчеты показывают, что коммутационное перенапряжение в зависимости от исходного режима могут превышать 40-90 кВ. Такие перенапряжения для изоляции электрооборудования недопустимы. Даже в более легких случаях, например при слишком быстром гашении дуги в быстродействующих выключателях при номинальном напряжении на токоприемнике 3 кВ, перенапряжения достигали 21-28 кВ.

При управлении дугой можно ограничивать коммутационные перенапряжения, но полностью избежать их нельзя. ГОСТ 9219-88 предусматривает, что наибольшие напряжения на контактах при отключении нагрузки не должны превышать амплитудных значений испытательных напряжений, за исключением аппаратов на номинальное напряжение 3 кВ, для которых коммутационные перенапряжения не должны быть выше 9 кВ, а при установке совместно с разрядниками могут достигать 13,5 кВ.

Аппараты должны выдерживать в течение одной минуты следующие испытательные напряжения переменного тока 50 Гц (действующие значения) (табл.2.1).

Таблица 2.1.

* Для аппаратов без корпусов, ящиков, испытательное напряжение 1,2(2,5 Uнoм +2000) В.

Условия гашения дуги переменного тока. Дуга переменного тока отличается от дуги постоянного тока тем, что изменения напряжения и тока повторяются в каждом полупериоде. В продолжение периода направление тока в дуге меняется на обратное, что сопровождается переходом тока через нуль, т.е. его прерыванием. Одновременно изменяются положения катодных и анодных пятен. Все это делает дугу переменного тока менее устойчивой, чем дугу постоянного тока и облегчает условия ее гашения. Возникающее коммутационное перенапряжение при действующем значении исходного напряжения U₀ может достигать

Из-за высоких коммутационных перенапряжений срез тока нежелателен, но часто бывает необходим в аппаратах защиты от коротких замыканий. При этом можно несколько облегчит процессы дугогашения и снизить коммутационные перенапряжения путем шунтирования дуги резистором с нелинейным сопротивлением. Обычно это применяют в главных выключателях ЭПС переменного тока. В остальных случаях горение дуги продолжается в течение одного или нескольких полных полупериодов, а цепь выключается окончательно при проходе тока через нуль.

Способы гашения дуги. Как указывалось, для гашения дуги необходимо, чтобы скорость деионизации превышала скорость ионизации. Деионизация может быть достигнута различными способами , к ним относятся:

• удлинения ствола дуги — путем перемещения электродов, воздействием электромагнитных или электродинамических сил, воздействием на дугу газового потока;

• повышение градиента падения напряжения в дуге — путем охлаждения ствола газовым потоком, увеличением периметра поперечного сечения ствола дуги;

• применение среды с газами повышенной теплоемкости для усиления теплорассеяния от ствола дуги;

• интенсификация отбора тепла от катодного и анодного пятен — увеличением массы, теплопроводности и теплорассеяния электродов.

Все эти способы, чаще их комбинации применяют в современных тяговых аппаратах. Некоторые из них, например гашение дуги в вакууме, хотя и не нашли пока еще применения в тяговых аппаратах, но представляются несомненно перспективными.

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 несколько контакторов.

Магнитное дугогашение. Существуют две разновидности магнитного дугогашения: электромагнитное и дугогашение с постоянными магнитами. Последнее применяется редко, на ТПС такое дугогашение используют только в разрядниках. По способу включения дугогасительных катушек различают: последовательное и независимое возбуждение. Для разрыва больших токов дугогасительные катушки обычно включают последовательно в цепь контактов коммутационного аппарата. Это обеспечивает ее автоматическое выключение после разрыва аппаратом цепи тока. При этом с увеличением разрываемого тока возрастает магнитное поле и, следовательно, сила выдувающая дугу. Кроме того, при последовательном включении сохраняется всегда одинаковое направление электродинамических сил гашения.

Рассмотрим простейшую дугогасительную камеру с электромагнитным гашением (рис. 2.8, а). Последовательно с контактам в цепь тока между зажимом Б и рогом PJ включена дугогасительная катушка К со стальным сердечником. К сердечнику примыкают полюсы П (рис. 2.8, б) из листовой стали, между которыми в области горения дуги создается магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости рисунка. Полюсы изолированы от дуги стенками дугогасительной камеры Т из изоляционного дугостойкого материала.

Сила, действующая на элементы дуги, пропорциональна произведению индукции В магнитного поля гашения и тока I в дуге: F_к= кВi В процессе гашения дуги, по мере ее удлинения и удаления от оси дугогасительной катушки, индукция магнитного поля гашения резко падает. В связи с одновременным снижением тока сила, действующая, на дугу, резко уменьшается и скорость перемещения дуги снижается. Все это способствует уменьшению перенапряжений при гашении, но ограничивает разрывную способность дугогасительных устройств. На дугу также дополнительно воздействуют газы, выделяемые при горении стенками ее камеры.

Размеры камеры в значительной мере определяются конечной длиной дуги, которая в момент гашения значительно выше критической. Эффективность дугогасительных камер в значительной степени зависит от изоляционных материалов, применяемых для их внутренней облицовки. Ранее для этих целей использовали преимущественно электротехнический асбоцемент в виде листов разной толщины. В настоящее время для изготовления дугогасительных камер тяговых аппаратов применяют преимущественно специальные дугостойкие пластмассы.

Другим средством интенсификации дугогашения является дополнительное удлинение дуги путем деформации ее траектории, например с помощью поперечных перегородок (рис.2.9), которые способствуют искривлению дуги в процессе перемещения ее в камере.

Существенное удлинение дуги и повышенную интенсивность ее охлаждения обеспечивают широко применяемые в защитных и коммутационных аппаратах ТПС лабиринтно-щелевые камеры (рис. 2.10), в которых дуга не только растягивается, но и прио-

бретает зигзагообразное искривление. Высота выступов лабиринта, а вместе с тем и длина дуги увеличиваются по мере перемещения ее по длине камеры, что создает благоприятные условия для интенсивного охлаждения и деионизации дуги.

Увеличить падение напряжения в дуге без ее удлинения можно применив дугогасительную (деионную) решетку, набранную из металлических изолированных одна от другой пластин, которые расположены поперек оси дуги. Дуга, перемещаясь, разделяется решеткой на большое число последовательных дуг (рис. 2.11, а), каждая из которых имеет свое околоэлектродное падение напряжения с повышенным градиентом. В результате общее падение напряжения в дуге резко увеличивается.

Взаимодействие тока дуги с магнитными полями, образуемыми в перегородках, создает дополнительный эффект «втягивания» дуги в решетку. С этой целью перегородке придают форму согласно рис. 2.11, б. Магнитные потоки, взаимодействуя с дугой проводника тока, создают дополнительное усилие, перемещающее дугу к выходы камеры. Дугогасительные решетки широко используют в низковольтных аппаратах переменного тока, как основное средство дугогашения. В тяговых аппаратах дугогасительные решетки применяют как вспомогательное средство для того, чтобы «не выпустить» дугу из камеры, это в условиях габаритных ограничений весьма существенно.

Деионная решетка на выхлопном отверстии камеры может вызвать резкое снижение тока, подобное его срезу. Для сглаживания процесса выключения иногда часть пластин шунтируют резистором.

Газовое дугогашение. В тяговых аппаратах нашли применение два основных вида газового дугогашения: расширительное, при котором поток газов создает сама дуга, и воздушное, когда на дугу действует искусственная воздушная струя.

Расширительное дугогашение. При расширительном дугогашении не требуется сложных устройств для создания направленной газовой струи. Оно наиболее подходит для аппаратов (или их элементов) одноразового исполнения вставок плавких предохранителей. Принцип расширительного дугогашения заключается в разрушении ствола дуги в процессе импульсного повышения давления в зоне дугогашения. а затем его импульсного снижения. При этом ионизированные частицы ствола рассеиваются и разрушается его целостность как проводника тока. Эффект дугогашения усиливается, если пространство ствола заполняется нейтральной, неионизированной массой(жидкостью, порошком, песком). Расширительное дугогашение используют только в плавких предохранителях.

Первоначально такие предохранители выполняли с выхлопом газов в окружающее пространство (высоковольтные предохранители «стреляющего» типа для защиты вспомогательных цепей). Однако при этом происходила такая ионизация воздуха высоковольтной камеры, при которой возникали дуги в других цепях. Применяют плавкие предохранители только герметические, заполненные кварцевым песком или мраморной крошкой и мелом.

Воздушное дугогашение. Необходимость применения воздушного дугогашения в тяговых аппаратах вызвана тем, что на участках электрифицированных переменным током при коротких замыканиях, приходиться отключать мощности до 200-250 MB А и токи до 20-25 кА. Выключатели других типов по ряду причин оказываются для ЭПС неприемлемыми. Дуга гасится струей сжатого воздуха преимущественно

вследствие быстрого отвода тепла от ее ствола и связанной с этим яеионизацией. Различают два способа гашения: при поперечном и продольном направлении струи сжатого воздуха по отношению к оси дуги. Поперечно струю воздуха направляют преимущественно в аппаратах, рассчитанных на напряжение менее 15 кВ. Для выключателей ЭПС переменного тока почти всегда применяют продольное дутье.

При воздушном дугогашении в большинстве случаев неизбежно появление срезов тока или его резких снижений, близких к срезам. Поэтому для ограничения коммутационных перенапряжений выключатель шунтируют резистором нелинейного сопротивления.

Воздушное дугогашение не следует смешивать с применяемой иногда в контакторах продувкой дугогасительной камеры. Она служит для деионизации камеры после погасания дуги, но не может оказать заметного влияния на горение дуги. Для этого недостаточна скорость воздуха и, кроме того, поток направлен не оптимально по отношению к дуге.