ГОРЕНИЕ И ГАШЕНИЕ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Дуга переменного тока обычно гасится легче, чем дуга постоянного тока. Чтобы погасить дугу постоянного тока, надо насильственно свести к нулю ток цепи путем непрерывного увеличения сопротивления дугового столба. При переменном токе этого делать не требуется, здесь через каждый полупериод ток естественным путем проходит через нулевой значение и надо лишь воспользоваться этим обстоятельством и создать вблизи перехода через нуль такие условия в межконтактном промежутке, чтобы протекание тока цепи вслед за этим переходом не возобновлялось.

8-2

Рассмотрим два случая гашения дуги переменного тока.

1. ОТКРЫТАЯ ДУГА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПРИ ВЫСОКОМ НАПРЯЖЕНИИ ИСТОЧНИКА

Открытая дуга переменного тока в моменты перехода тока через нуль сохраняет высокую проводимость и поэтому в установках высокого напряжения гашение открытой дуги происходит не вследствие перехода через нуль и образования прочности промежутка, а главным образом вследствие растяжения дугового столба и образования на нем высокого напряжения горения (на всем протяжении полупериода). 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 (критическая длина), наступает нарушение баланса мощностей (подводимой и отдаваемой) и ток цепи довольно быстро уменьшается и, наконец, совсем прекращается.

Осциллограмма и на дуге “~” , возникшей при размыкании ножа разъединителя высокого напряжения.

В начале процесса ток в цепи меняется слабо и его величина определяется главным образом сопротивлением цепи. По мере растяжения дуги доминирующим становится сопротивление дуги.

8-3

Таким образом, если в основу анализа процесса гашения открытой дуги переменного тока положить условие нарушения баланса напряжений при горении дуги (но не нулевые переходы тока), то задача может быть сведена по существу к той же самой, которая возникает и при гашении дуги постоянного тока.

2. 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 со случаем 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.

8-4

При подходе тока к нулю дуговой столб приобретает весьма малые размеры и благодаря этому быстро распадается после 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 относительно высокого напряжения.

8-5

Таким образом, дуга переменного тока в условиях активной деионизации дугового столба представляет собой такое явление, когда при каждом переходе тока через нуль возникает соревнование двух процессов, а именно: процесса восстановления электрической прочности промежутка и процесса восстановления напряжения на промежутке. Исходя из такой трактовки процесса, нетрудно 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. Условие гашения дуги переменного тока:

восстанавливающая прочность должна быть больше восстанавливающегося напряжения.

3. ДУГА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В УСЛОВИЯХ ОТКЛЮЧЕНИЯ ЦЕПЕЙ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

В установках низкого напряжения (до 1000 В) электрическое сопротивление столба дуги обычно бывает соизмеримым с сопротивлением отключаемой цепи, а напряжение на дуге – с напряжением источника питания. В таких условиях уже нельзя пренебрегать влиянием напряжения (и сопротивления) дуги, а с другой стороны - нельзя не рассматривать явлений на нуле тока, т.е. не учитывать влияния восстановления прочности при переходе тока через нуль.

8-6

СПОСОБЫ ГАШЕНИЯ ДУГИ

Для дуг постоянного и переменного токов существуют следующие способы гашения дуги:

1. МЕХАНИЧЕСКОЕ РАСТЯГИВАНИЕ (только для “—” тока). Простейший способ гашения, но малоэффективен. Применим только в слаботочной аппаратуре.

2. ДЕЛЕНИЕ ДУГИ НА РЯД КОРОТКИХ ДУГ (применяется как на постоянном, так и на переменном токе). Это гашение дуги с помощью дугогасительной решетки. Способ этот предложен еще в начале века русским ученым М. О. Доливо-Добровольским и до сих пор широко применяется. При расхождении контактов возникшая между ними дуга под воздействием магнитного поля движется на пластины и разбивается на ряд коротких дуг.

Т.к. на переменном токе деионная решетка работает эффективнее, чем на постоянном, а аппараты могут использоваться как на “~” так и на “—” токе (например, автоматы) число пластин рассчитывают из условия гашения дуги “—” тока.

3. ГАШЕНИЕ ДУГИ ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ (применяется как на постоянном, так и на переменном токе). С ростом давления возрастает плотность газа, при этом увеличивается теплопроводность и отвод тепла от дуги. На этом принципе основано гашение дуги в предохранителях и других аппаратах низкого напряжения. (В некоторых аппаратах стенки дугогасящей камеры делаются из газогенерирующих материалов – например, фибры. Благодаря высокой температуре дуги такие стенки выделяют газ и давление в объеме поднимается до 10-15 МПа.).

4. ГАШЕНИЕ ДУГИ В ПОТОКЕ СЖАТОГО ВОЗДУХА. В электрических аппаратах высокого напряжения коммутируются токи в десятки килоампер при напряжении 10⁶ В. Для решения такой сложной задачи используется воздействие на электрическую дугу потока сжатого воздуха или других газов. Сжатый воздух обладает высокой плотностью и теплопроводностью. Омывая дугу с большой скоростью, он охлаждает ее и при прохождении тока через нуль обеспечивает деионизацию дугового столба. Воздух при высоком давлении обладает также высокой электрической прочностью, что создает высокую скорость нарастания электрической прочности промежутка.

5. ГАШЕНИЕ ДУГИ В ТРАНСФОРМАТОРНОМ МАСЛЕ. Этот способ гашения дуги нашел широкое применение в выключателях переменного тока на высокое напряжение. Контакты выключателя погружаются в масло. Возникающая при разрыве дуга (5000-6000⁰ С) приводит к очень интенсивному испарению окружающего масла с диссоциацией его паров. Вокруг дуги образуется газовая оболочка – газовый пузырь, состоящий в основном из водорода (70-80% газов пузыря) и паров масла. Водород, обладающий наивысшими среди газов дугогасящими свойствами (обладает исключительно высокой теплопроводностью), наиболее тесно соприкасается со стволом дуги. Выделяемые с громадной скоростью газы проникают непосредственно в зону ствола дуги, вызывают перемешивание холодного и горячего газа в пузыре, создают интенсивное охлаждение и деионизацию промежутка. Быстрое разложение масла приводит к повышению давления внутри пузыря, что также способствует гашению дуги.

6. ГАШЕНИЕ ДУГИ В ВАКУУМНОЙ СРЕДЕ (применяется как на постоянном, так и на переменном токе). В вакуумном ДУ (дугогасительном устройстве) контакты расходятся в среде с давлением 10^-4 Па (10^-6 мм рт.ст.), при котором плотность воздуха мала. Длина свободного пробега молекул достигает 50 и электронов – 300 м. В вакууме очень высокая скорость диффузии из-за большой разницы плотностей частиц в дуге и окружающем ее вакууме. Практически через 10 мкс после нуля тока между контактами восстанавливается электрическая прочность вакуума. Быстрая диффузия частиц, высокие электрическая прочность вакуума и скорость ее восстановления обеспечивают гашение дуги при первом прохождении тока через нуль. Вакуумные ДУ являются в настоящее время наиболее эффективными и долговечными. Их срок службы достигает 25 лет.

7. ГАШЕНИЕ ДУГИ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ МАГНИТНОГО ПОЛЯ (применяется как на постоянном, так и на переменном токе). 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. В ДУ с магнитным дутьем может быть применено либо последовательное либо параллельное подключение катушки.

8-11

ДУ С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО ВКЛЮЧЕННОЙ КАТУШКОЙ

Достоинства:

- 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;

- (неполярность) 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, она выполняется из провода большого сечения. Падение напряжения на катушке составляет доли Вольта.

8-12

Недостатки:

- сила, действующая на дугу, пропорциональна квадрату тока. Следовательно, при малых токах сила мала и время гашения дуги велико;

- большое сечение катушки большой расход меди до от массы контакторов приходится на катушку.

ДУ С ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ КАТУШКОЙ

Недостатки:

- 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 случае обрыва катушки отсутствие дугогашения.

8-13

Воздействовать на дугу можно и магнитным полем постоянного магнита. При этом отсутствуют затраты энергии на создание магнитного поля, резко сокращается расход меди.

9-1

ПРЕДОХРАНИТЕЛИ

В истории развития электрических аппаратов плавкие предохранители явились первыми и наиболее дешевыми устройствами для защиты электрических цепей от токовых перегрузок и токов К.З.

Итак, что же такое предохранитель.

ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ - это коммутационный электрический аппарат, предназначенный для отключения защищаемой цепи посредством разрушения специально предусмотренных для этого токоведущих частей под действием тока, превышающего определенное значение.

Простота устройства и обслуживания, малые размеры, высокая отключающая способность, небольшая стоимость обеспечили очень широкое их применение.

Предохранители низкого напряжения изготавливаются на токи от миллиампер до тысячи ампер и на напряжение до 660 В, а предохранители высокого напряжения – до 35 кВ и выше.

9-2

Широкое применение предохранителей в самых различных областях народного хозяйства и в быту привело к многообразию их конструкций. Однако, несмотря на это, все они имеют следующие основные элементы: корпус; плавкую вставку; контактное присоединительное устройство; дугогасительное устройство или дугогасящую среду.

Процесс срабатывания предохранителя делится на несколько стадий: нагревание вставки до температуры плавления, плавление и испарение вставки, возникновение и гашение электрической дуги с восстановлением изоляционных свойств образующегося изоляционного промежутка.

9-3

ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ПРЕДОХРАНИТЕЛЯМ

1. Времятоковая характеристика предохранителя (зависимость времени перегорания плавкой вставки от тока) должна проходить ниже, но возможно ближе к времятоковой характеристике защищаемого объекта (это важнейшая характеристика).

2. Время срабатывания предохранителя при К.З. должно быть минимально возможным, особенно при защите полупроводниковых приборов.

3. При К.З. в защищаемой цепи предохранители должны обеспечивать селективность (избирательность) защиты.

9-4

4. Характеристики предохранителя должны быть стабильными, а технологический разброс их параметров не должен нарушать надежность защиты.

5. В связи с возросшей мощностью уставок предохранители должны иметь высокую отключающую способность.

6. Конструкция предохранителя должна обеспечивать возможность быстрой и удобной замены плавкой вставки при ее перегорании.

9-5

Работа предохранителя протекает в двух резко отличных режимах: в нормальных условиях и в условиях перегрузок и коротких замыканий. В первом случае нагрев вставки имеет характер установившегося процесса, при котором вся выделяемая в ней теплота отдается в окружающую среду. При этом, кроме вставки нагреваются до установившейся температуры и все другие детали предохранителя. Эта температура не должна превышать допустимых значений. Ток, на который рассчитана плавкая вставка для длительной работы, называют номинальным током плавкой вставки . Он может быть отличным от номинального тока самого предохранителя. Обычно в один и тот же предохранитель можно вставлять плавкие вставки на различные номинальные токи. Номинальный ток предохранителя равен наибольшему из номинальных токов плавких вставок, предназначенных для данной конструкции предохранителя.

Ток, при котором плавкая вставка сгорает при достижении установившейся температуры, называется пороговым (пограничным) током . Для того, чтобы предохранитель не срабатывал при номинальном токе , необходимо, чтобы > . С другой стороны, для лучшей защиты значение должно быть возможно ближе к номинальному. При токах, близких к пограничному, температура плавкой вставки должна приближаться к температуре плавления (происходит тепловое «старение» плавкой вставки, т.к. все детали предохранителя нагреваются до высоких температур).

9-6

Чтобы достигнуть резкого сокращения времени плавления вставки с ростом тока, идут по следующим направлениям:

- в качестве материала плавкой вставки используют легкоплавкие металлы (цинк, олово, их сплавы);

- используют металлургический эффект.

Он состоит в следующем: многие легкоплавкие металлы (олово, свинец и другие) в расплавленном состоянии способны растворять некоторые тугоплавкие металлы (медь, серебро и другие). Полученный таким образом раствор обладает иными характеристиками, чем исходные материалы (например, большим электрическим сопротивлением и пониженной температурой плавления).

Например: на плавкую медную вставку t_пл=1100 °С наносится шарик олова с t_пл=232 °С.

9-7

При прохождении тока по вставке оловянный шарик расплавляется и расплавляет медь.

Этот способ применим только при тонких вставках, при возрастании диаметра влияние его резко снижается и практически не сказывается.

- придают плавкой вставке специальную форму.

Вставки выполняют в виде пластинки с вырезами, уменьшающими ее сечение на отдельных участках. На этих суженых участках выделяется больше теплоты, чем на широких. При номинальном токе избыточная теплота вследствие теплопроводности материала вставки успевает распространиться к более широким частям и вся вставка имеет практически одну температуру. При перегрузках нагрев суженых участков идет быстрее, так как только часть теплоты успевает отводиться к широким участкам. Плавкая вставка плавится в одном самом горячем месте. При коротком замыкании нагрев суженых участков идет настолько интенсивно, что отводом теплоты практически можно пренебречь. Плавкая вставка перегорает одновременно во всех или нескольких суженых местах.

9-8

НАГРЕВ ПЛАВКОЙ ВСТАВКИ ПРИ КЗ

Если ток, проходящий через вставку, в 3-4 раза больше номинального, то практически процесс нагрева идет адиабатически, т.е. все тепло, выделяемое плавкой вставкой, идет на ее нагрев.

Время нагрева вставки до температуры плавления определяется

,

где

- - постоянная, определяемая только свойствами материала и от размеров вставки не зависящая

- - плотность тока во вставке (отношение поперечного сечения вставки к току во вставке при К.З.)

9 -9

После того как часть плавкой вставки из твердого состояния перейдет в жидкое, ее удельное сопротивление резко увеличится (в десятки раз).

Время перехода из твердого состояния в жидкое:

,

где - постоянная, зависящая от свойств материала (температуры плавления)

Значения и можно найти в справочных таблицах.

Основным параметром предохранителя при К.З. является предельный ток отключения – ток, который он может отключить при наибольшем рабочем напряжении.

Полное время отключения цепи предохранителем (разрыв жидкометаллического мостика под действием электродинамических сил и образования дуги) равно:

Время существования дуги зависит от конструкции предохранителя.

Для предохранителей со вставкой, находящейся в воздухе:

- коэффициент, учитывающий время горения дуги.

9-10

В предохранителях с наполнителем

- коэффициент, учитывающий время горения дуги предохранителя с наполнителем.

За счет того, что в предохранителях используется металлургический эффект, вставки с перешейками, легкоплавкие материалы, добиваются того, что предохранитель отключает ток короткого замыкания еще до достижения установившегося значения (средства дугогашения гасят дугу за миллисекунды), т.е. имеется эффект токоограничения.

Дуга образуется через время после начала КЗ, когда ток в цепи значительно меньше установившегося значения.

9-11

ПО ПРИНЦИПУ УСТРОЙСТВА ПРЕДОХРАНИТЕЛИ МОЖНО РАЗДЕЛИТЬ НА СЛЕДУЮЩИЕ ВИДЫ:

- с открытой плавкой вставкой в воздухе;

- закрытые предохранители;

- предохранители с наполнителем (засыпные);

- инерционные;

- быстродействующие предохранители для защиты полупроводниковых приборов;

- жидкометаллические;

- блоки предохранитель - выключатель.