Учебное пособие: Электрические аппараты

Величина напряженности электрического поля в дуговом столбе также существенно зависит от условий, в которых горит дуга, и свойств дугогасящей среды. На практике наблюдается колебание напряженности электрического поля в пределах 10 – 200 В/см. Меньшая цифра относится к открытым дугам в воздухе при относительно больших токах, а большая — к дугам, находящимся в потоке газов или паров жидкости, когда отбор тепла от дугового столба делается особо интенсивным.

 В дуговом разряде с изменением тока меняются радиус дугового столба, температура газа и плотность ионизации. В результате часто получается падающая вольтамперная характеристика, т. е. напряженность электрического поля в дуговом столбе уменьшается с ростом тока, как показано на рис. 8.4 (кривая 1).

Можно получить зависимость между напряженностью электрического поля и током в дуговом столбе. Мощность, поглощаемая дугой, в стационарном состоянии полностью отдается в окружающее пространство. Эту мощность дуга отдает не только с поверхности, как это имеет место у твердого тела, но и всем своим объемом.

Но иногда можно наблюдать, что Е остается постоянной величиной, не зависящей от тока. Это может иметь место когда плотность зарядов в дуговом канале остается величиной постоянной, не зависящей от тока. Такое состояние получается в том случае, когда сечение дуги пропорционально току, текущему через нее. Постоянство напряжения на дуге наблюдается при гашении дуги переменного тока в выключателях, т.е. в условиях интенсивной деионизации дугового канала. Отсюда можно заключить, что в таких дугах сечение канала возрастает пропорционально току и плотность тока сохраняется постоянной.

Рис. 8.4. Вольтамперные характеристики электрической дуги:

Рассмотренные зависимости относятся к статическим вольтамперным характеристикам. Однако при быстром изменении тока в дуге напряжение на ней может довольно существенно отличаться от того, которое имеет место при установившемся значении. Это происходит вследствие того, что процессы в дуговом канале обладают инерционностью и для их установления требуется некоторое время.

Рассмотрим рис. 8.4, а, на котором показано семейство вольт-амперных характеристик для различных скоростей убывания тока. Кривая 1 — это статическая вольтамперная характеристика, относящаяся к открытой дуге в воздухе. Если от значения i = I ток убывает с различными скоростями, то чем выше скорость спада тока, тем ниже проходит вольтамперная характеристика. Это происходит потому, что при снижении тока такие параметры дуги, как сечение дуги, температура газа и степень ионизации, не успевают быстро измениться и приобрести значения, соответствующие меньшему значению тока при установившемся режиме. В результате напряжение на дуговом столбе может существенно отличаться от значений, определяемых статической характеристикой. Эта серия характеристик при резких скоростях спада тока носит название динамических вольтамперных характеристик.

При бесконечно высокой скорости спада тока к нулю активное падение напряжения на дуге изменяется по прямой 2, так как при очень быстром уменьшении тока в цепи физические свойства канала не успевают сколько-нибудь измениться, т. е. сопротивление канала остается неизменным и, следовательно, напряжение на дуге будет падать прямо пропорционально току. Этот крайний предел — падающая к нулю прямая — практически не достижим. Обычно те динамические характеристики, которые получаются в аппаратах отключения при спаде тока, имеют всегда возрастающий характер. Особенно большое отступление от статической характеристики при спаде тока наблюдается в области малых токов, т. е. при подходе тока к нулю (непосредственно перед гашением дуги), что способствует ограничению перенапряжений на выключателе и элементах цепи.

Динамическая характеристика дуги лежит в общем ниже статической, если она соответствует условиям спадания тока от некоторого сравнительно большего значения к меньшему. В другом случае, когда ток цепи не уменьшается, а, наоборот, возрастает независимо от сопротивления дуги, динамическая характеристика дуги в принципе может лежать выше ее статической характеристики.

На рис. 8.4, б представлена динамическая характеристика дуги синусоидального тока. Ее ветви 1 и 2 относятся к первой половине полупериода, когда ток нарастает во времени, а ветви 3 и 4 — ко второй полуволне, когда ток уменьшается.

Вид статических (и динамических) характеристик определяется многими условиями, в том числе и способом гашения дуги.

Гашение электрических дуг 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 повышение напряжения на ней, с одной стороны, а с другой — ограничивать распространение порождаемого ею пламени и раскаленных газов в приемлемом объеме пространства.

Казалось бы, что идеальным выключателем постоянного тока будет тот, сопротивление межконтактного промежутка в котором может мгновенно возрастать от нуля до бесконечности. Тогда мгновенно прекращалось бы протекание тока по цепи. Однако для реальных цепей постоянного тока, которые всегда содержат индуктивность L, такой выключатель не пригоден. Дело в том, что запасенная в индуктивной цепи электромагнитная энергия должна куда-то израсходоваться в процессе отключения цепи. Она может уйти, например, на заряд емкости С (рис. 8.5), параллельной дуговому промежутку, и существенно повысить напряжение на ней.

В пределе максимально возможное перенапряжение на емкости определится из равенства энергии:

(8.1)

Для примера возьмем реальные величины:

Тогда

Естественно, что такие большие перенапряжения для низковольтных установок недопустимы. 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, очевидно, положительную роль.

Рис.8.5.Цепь постоянного тока с электрической дугой.

Для того чтобы уяснить условие угасания дуги в цепи постоянного тока, необходимо сначала выяснить условия стабильного ее горения,        На рис. 8.6 показана статическая вольтамперная характеристика дуги Там же приведены величина напряжения источника                     UИ и вольтамперная характеристика сопротивления цепи

На рис. 8.5 была изображена электрическая цепь постоянного тока с дугой. Принципиально во всех реальных схемах присутствует емкость С (емкости между токоведущими проводами, проводами и землей и т. д.). Но обычно в процессе горения дуги D через С протекают относительно небольшие токи в сравнении с основным током цепи i, и влияние С обычно не учитывается. Это влияние становится заметным в конце процесса гашения дуги, когда ток i приближается к нулевому значению, а напряжение на дуговом промежутке резко возрастает. При таком допущении общее уравнение баланса напряжений для цепи с дугой будет выглядеть следующим образом:

 (8.2)

Рис.8.6. Графическая интерпретация условия гашения дуги постоянного тока

В установившемся состоянии при

(8.3)

Для удобства анализа вместо прямой проведем реостатную или внешнюю характеристику . Это будет прямая (рис. 8.6), исходящая из точки на оси ординат и пересекающая ось абсцисс в точке

где         установившийся ток в цепи при замкнутом выключателе В, т. е. при UR = 0.

Нетрудно видеть, что прямая пересекает вольтамперную характеристику дуги "         в точках А и Б. В них соблюдается уравнение (8.3). Однако подлинно устойчивое состояние обеспечивается в точке А, так как при меньшем токе мы должны написать

а при токе, большем, чем в точке

В рассматриваемом контуре (см. рис.8.5) величина бU может компенсироваться только за счет э. д. с. самоиндукции (см. соотношение 8.2), т. е.  При этом слева от точки А, а следовательно, и, должны быть положительными. Справа же от точки А , следовательно, и, должны быть отрицательными. Это возможно только в том случае, когда слева от точки А ток возрастает, а справа — убывает. В точке Б это условие равновесия не обеспечивается, так как справа от нее ток возрастает (переходит в точку А), а слева - убывает (дуга угасает), точка Б характеризует собой неустойчивое равновесие.

Таким образом, если разомкнуть цепь при токе I и при этом на контактах установится дуга с напряжением Uл (полагаем, что дуга сразу достигает определенной длины, которой соответствует характеристика UR = f(i), нанесенная на рис. 8.6), то ток спадет со значения I до  и дуга при этом будет устойчиво гореть.

Для обеспечения условий гашения дуги после размыкания контактов необходимо, чтобы вольтамперная характеристика дуги оказалась выше внешней характеристики цепи, т. е. прямой

 когда не будет пересечения этих кривых и не возникнет точка А. В этом случае ток в цепи со значения I будет убывать до нуля. Во всем диапазоне изменения тока от I до 0 будет сохранено условие

  (8.4)

Весьма эффективным средством, повышающим дугогасящие свойства аппарата и снижающим перенапряжения при отключении цепей постоянного тока, являются шунтирование дугового промежутка активным сопротивлением г (рис. 8.7).

На рис. 8.8 дано построение, позволяющее сделать заключение об эффективности шунтирования дугового промежутка сопротивлением r. Шунтирующее сопротивление r находится под тем же напряжением Uд, что и дуга. Ток в цепи, текущий через индуктивность L и сопротивление R, разветвляется на ток дуги и ток шунта, при этом всегда остается справедливым равенство

Рис. 8.7. Электрическая цепь постоянного тока с дугой, шунтированной активным сопротивлением

Для оценки условий гашения дуги необходимо построить зависимость напряжения на дуге от общего тока, т. е. UA = f(i), чтобы судить, как ориентируется кривая напряжения по отношению к реостатной характеристике цепи Uи — iR = f(i). Из рис. 8.8 можно видеть, что (без шунта) кривая напряжения на дуге проходит вблизи прямой почти касаясь ее. Условия гашения дуги здесь соблюдаются, но они близки к предельным, так как даже небольшое понижение характеристики дуги привело бы к устойчивой дуге. Кроме того, пик напряжения на дуге в конце гашения весьма велик, а так же высоко значениет. е. напряжение на индуктивности

Если же мы подключаем к дуговому промежутку сопротивление r, имеющее вольтамперную характеристику в виде прямой общий ток в цепи i должен складываться из токов дуги и шунта, т. е.

Кривая напряжения на дуге в функции общего тока 2 (рис. 8.8) лежит существенно выше, чем кривая напряжения на дуге без шунта 1. Таким образом, процесс гашения происходит значительно быстрее, и наибольший пик напряжения на дуге будет В этот момент дуга гаснет. После этого ток продолжает убывать до момента пересечения прямых (iro). Этот ток остается в цепи. Он равен

Для полного разрыва цепи ток iro необходимо отключить дополнительным контактом К (рис. 8.5). В этом состоит недостаток метода шунтирования, так как он несколько усложняет коммутационный аппарат.

Рис.8.8. Построение вольтамперной характеристики при шунтировании дуги активным сопротивлением

Аналогичных результатов можно достичь, прибегая к шунтированию индуктивности цепи или всей нагрузки. Однако этот метод имеет недостаток, потому что при включенной цепи через шунт будет непрерывно протекать ток и в нем возникнут значительные потери. При сопоставлении рассмотренных методов можно заключить, что более рациональным является применение шунтов на выключателях.

Как уже было сказано, критическим можно назвать такой режим, когда характеристика UA = f(i) делается касательной к внешней характеристике цепи. Длину дуги, при которой наступает такой режим, называют критической. При длине, большей критической, дуга всегда гасится, а при меньшей — возможно устойчивое ее горение.

Лекция №9

Тема лекции:

Горения и гашения дуги переменного тока: в условиях активной деионизации, высокого напряжения, низкого напряжения.

Условия гашения дуг 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 (практически до бесконечности). При переменном токе этого делать не требуется: здесь через каждый полу период ток естественным путем проходит через нулевое 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. Поэтому условия гашения дуги переменного тока следует трактовать иначе, чем условия гашения дуги постоянного тока. Исключением может быть лишь открытая дуга переменного тока в установках высокого напряжения, когда определяющим фактором является активное сопротивление сильно растянутого дугового столба. Тогда условия гашения дуги переменного тока по существу становятся близкими к условиям гашения дуги при постоянном токе. В другом крайнем случае сопротивление столба дуги во время ее горения практически не влияет на процесс ее гашения (в условиях активной деионизации), и тогда при определении условий гашения дуги рассматривается взаимозависимость процессов за переходом тока через нуль. Но существует и третий случай, когда при оценке условий гашения дуги надо считаться как с влиянием активного сопротивления столба дуги, так и учитывать характер протекания процессов за нулем тока.

Перейдем к рассмотрению этих трех случаев.

А. 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.

На рис. 9.1 приведена осциллограмма тока и напряжения на дуге переменного тока, возникшей при размыкании ножа разъединителя высокого напряжения.

Рис. 9.1. Осциллограмма тока и напряжения открытой дуги при высоком напряжении источника

В начале процесса, как можно видеть, ток в цепи меняется очень слабо и его величина определяется главным образом сопротивлением цепи. По мере же растяжения дуги доминирующим становится сопротивление дуги.

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

Для этой цели сделаем допущение, что статическая вольтамперная характеристика дуги при постоянном токе отражает зависимость между напряжением на дуге при переменном токе в момент максимума тока от амплитуды тока (амплитудная характеристика). Также предположим, как это мы делаем в случае постоянного тока, что для цепи переменного тока, содержащего только активное сопротивление, можно принять то же условие устойчивости горения дуги, т. е.

 (9.1)

где Um — амплитудное значение напряжения источника (сети):

 амплитуда тока в цепи с дугой;

 напряжение па дуге в момент максимума тока

Если так же, как и ранее, предположить, что напряжение при максимуме тока связывается с амплитудой тока уравнением

 (9.2)

то критическая длина дуги может быть представлена

гдеамплитудное значение тока в цепи, ограниченного только собственным сопротивлением цепи R (дуговой промежуток замкнут накоротко). Если положить, для воздуха и относительно небольших токов как и ранее, С = 80 и а = 0,5 и выразить ток и напряжение в действующих значениях, то для цепи, содержащей только активное сопротивление (безиндуктивная цепь), получим

 (9.2)

где                       действующее значение критического тока, А;

действующее значение тока цепи при закороченном дуговом промежутке, А;

действующее значение напряжения сети, кВ критическая длина дуги, м При растянутой дуге напряжение на дуговом промежутке приближается к синусоидальному, поэтому для ориентировочных расчетов можно сделать допущение о синусоидальности напряжения на дуге, что позволяет баланс напряжений для цепи содержащей индуктивное сопротивление и сопротивление столба дуги представить так:        

 (9.3)

Используя опять уравнение вольтамперной характеристики дуги и решая задачу в отношении критической длины дуги и критического тока, получим после подстановки для частного случая С = 80 и а = 0 5 получим'

 (9.1)

где ток выражен в амперах; напряжение в киловольтах; lкр — в метрах.

Из сопоставления формул можно видеть, что в цепях с индуктивным сопротивлением критический ток и критическая длина дуги имеют более высокие значения по сравнению со значениями этих величин в цепи с чисто активным сопротивлением.

Приведенные формулы не учитывают ряда факторов, имеющих влияние на процесс гашения дуги (расположение электродов, ветровые условия и пр.), и могут служить лишь для ориентировочных расчетов критических токов и критических длин дуг при их угасании в установках высокого напряжения.

Б. 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 предыдущим (открытая дуга 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 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.

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.

На рис. 9.2 показано изменение тока в цепи и напряжения на дуге, подвергающейся интенсивной деионизации, но все же горящей устойчиво в течение нескольких полупериодов. Как видно из этого рисунка, после первого и второго переходов тока через нуль напряжение на дуговом промежутке достигает относительно высоких значений пиков напряжения зажигания U3, при которых возникает зажигание дуги в последующий период. В процессе протекания тока наблюдается задержка на нуле (ожидание пробоя). Эти задержки в токе на нуле могут быть большей или меньшей величины в зависимости от существующих условий в цепи (сдвига фаз между током и напряжением, величины напряжения, действующего в цепи, постоянных контура L, С и R).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22