Динамические характеристики дуги

Рис. 3.7. Динамические характеристики дуги в безиндуктивной цепи

Динамические характеристики дуги когут зависеть не только от свойств самой дуги, но прежде всего от параметров цепи, в ко­торой дуга возникает. Так, при отсутствии индуктивностей в вы­ключаемой цепи (практически при ее пренебрежимо малом значе­нии) = + IR или = - IR. Наибольший ток = . Именно такой ток будет перед размыканием цепи. Падение напряжения в дуге изменяется в дальнейшем по линейному закону (рис. 3.7), что определяется характером изменения падения напряжения на сопротивлении R. Динамическая вольт-амперная характеристика дуги в этом случае имеет вид прямой.

Динамическая характери­стика пересекает все статиче­ские характеристики, распо­ложенные ниже нее, т. е. в процессе выключения может иметь длины, соответствую­щие этим характеристикам.

Предельно возможная — кри­тическая - длина дуги соответствует точке соприкос­новения статической и дина­мической характеристик.

В диаграмме . Нетрудно убедиться, что изменяется как при изменении /тах, так и при изменении .

Рассмотренная цепь идеализирована, так как все цепи э. п. с., кроме цепи отопления, имеют высокие индуктивности. Выключению таких цепей соответствует схема замещения на рис. 3.4. Уравнение напряжения для этого случая

= + LdI/dt+IR или = — IR + .

При включении цепи dl/dt < 0, а поэтому изменяется на обрат­ный и знак перед . Величина оказывает большое влияние на процесс коммутации цепи, одновременно повышая динамические вольт-амперные характеристики дуги. За счет э. д. с. самоиндук­ции возможно > , что в конце процесса включения соответ­ствует коммутационному перенапряжению. Э. д. с. самоиндукции зависит не только от параметров цепи, но и от характеристик про­цессов дугогашения.

Исходя из уравнения = E можно записать

= (EL/R) (d dt) =ET d dt,

соответственно = ( ) — IR + ETd dt, где Т — постоянная времени контура.

На основании этого уравнения и рис. 3.8, можно сформулировать основные задачи, которые необходимо решать, создавая системы управления дугой в тяговых аппаратах. Цель управления — осу­ществление коммутации цепей с минимальными перенапряжения­ми. Для рассеивания дугой большого количества магнитной энер­гии, накопленной в элементах выключаемого контура, необходимо, чтобы в начале процесса выключения значение было большим, что обеспечивает интенсивное удлинение дуги и повышение гра­диента падения напряжения в ней. В конце процесса выключения следует снижать как скорость удлинения дуги , так и градиент Е.

Рис. 3.8. Динамические характеристики дуги в цепи с индуктивностью

На рис. 3.8 показаны два возможных завершающих участка динамической вольт- амперной характеристики: А — усиленное действие дуго­гасительной системы, Б — действие ее в конце процесса выключения ослабляется. На­пряжение , соответст­вующее вольт-амперной ха­рактеристике Б, значительно ниже напряжения характеристики А.

а)

Рис. 3.9. Шунтирование дуги резистором:

а —схема замещения; б — вольт-амперные характери­стики

Увеличение индуктивности в цепи дуги повышает ее критичес­кую длину lкр, что обычно соответствует большему выделению энер­гии в ней. Применительно к коммутационным аппаратам э. п. с. найдена эмпирическая формула

lкр (3.6)

где — коэффициент; обычно лежит в пределах 0,013—0,016. Зависимость параметров дуги и показателей систем дугогашения в коммутационных аппаратах от параметров выключаемых це­пей приводит к необходимости регламентировать величины посто­янных времени Т или соответствующие им cosφ испытательных це­пей. Нормированные значения и cosφ приведены на с. 14. Исклю­чение составляют контакторы цепей управления, для которых = 0,05 с и cosφ = 0,5. На значения установлен допуск ±15%, на cosφ — допуск ±0,05.

Коммутационные свойства аппаратов постоянного и пульси­рующего тока можно существенно повысить, одновременно снизив коммутационные перенапряжения, шунтируя дугу резистором. После размыкания контактора l падение напряжения на сопро­тивление (рис. 3.9, а) такое же, как и в дуге Д, а общий ток цепи l разделяется на ток дуги и ток шунта для обычных ре­зисторов и для резисторов с нелинейными характеристиками = + или = + .

При шунтировании вольт-амперная характеристика дуги ( ) (рис. 3.9, б) изменяется по сравнению с такой характеристикой ( ) без шунтирования вследствие изменения э. д. с. самоиндук­ции , зависящей от полного тока цепи,

= —Ld /dt= —Ld ( + )/dt. (3.7)

Кривую ( ) можно построить по точкам для любых про­извольных значений = . Именно таким путем построена кривая ( ). В точке происходит изменение знака производ­ной d /dI. Вследствие высоких значений d /dI существенно ус­коряется гашение дуги, а в точке возникает импульс э. д. с., вытесняющий ток в цепь шунта. Этому процессу соответствует наи­большее напряжение цепи < , что повышает коммута­ционные свойства аппарата. В дальнейшем ток снижается по линии значения = /(R + ) < .

Окончательно цепь может быть разомкнута контактором 2 (см. рис. 3.9, а) при меньших токах и напряжениях. Процесс может быть еще более эффективным, если использовать резисторы с нелинейным сопротивлением (например, вилитовые блоки). Обо­значим на рис. 3.9, б его вольт-амперную характеристику В этом случае еще больше снижается значение < ; < , т. е. условия выключения более благоприятны, чем при линейных сопротивлениях.

Дуга переменного тока отличается от стационарной дуги посто­янного тока тем, что изменения напряжения и тока повторяются в каждом полупериоде; она может быть неустановившейся (обычно при гашении), когда такое повторение отсутствует. В продолжение каждого периода направление тока в дуге меняется на обратное, что сопровождается переходом тока через нуль, т. е. его прерыва­нием. Одновременно изменяются положения катодного и анодно­го пятен. Все это делает дугу переменного тока менее устойчивой, чем дугу постоянного тока, и облегчает условия ее гашения. Время горения дуги переменного тока определяет различия как в ее харак­теристиках, так и влияние на процессы прохождения тока в вы­ключаемых цепях.

Наиболее близкие процессы к происходящим в дугах постоянного тока имеют место при так называемом срезе тока (рис. 3.10), когда весь процесс дугообразования и гашения дуги происходит в про­должении части одного полупериода, т. е. когда время горения ду­ги < Т/2 = 1/(2/f), где Т и f — соответственно период и частота переменного тока.

Срез тока возникает при интенсивном дугогашении, а начало процесса может иметь по времени различное смещение относитель­но начала полупериода напряжения . Смещение имеет чисто слу­чайный характер. В процессе гашения дуги изменение тока за­висит от параметров выключаемой цепи и, в частности, от ее по­стоянной времени Т, а также от характеристик дугогасительных

Рис. 3.10. Кривые, характеризующие Рис. 3.11. Напряжение u(t) и ток выключение цепи со срезом тока i(t) дуги при небольших разрываемых токах

устройств. В рассматриваемом случае дугогашение должно быть весьма интенсивным.

При снижении тока на участке дугогашения возникает э. д. с. , увеличивающая мгновенные значения напряжения до и = + .

Обычно процесс под влиянием емкостей цепи приобретает поли- гармонический характер, причем основная гармоника пульсаций имеет частоту

= I / (2π √LC).

Возникающее коммутационное перенапряжение при действую­щем значении исходного напряжения U0 может достигать

≅ (5÷7) √2 .

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

Для зависимости (t) при сравнительно малых токах (рис. 3.11) характерно значительное импульсное возрастание падения напря­жения в дуге при ее зарождении в начале каждого полупериода до значения . Несколько меньший импульс < возникает в конце каждого полупериода при погасании дуги. Вся энергия, выделяемая в дуге за время полупериода T/2,

= dt

По мере повышения напряжения, т. е. удлинения дуги, все большая энергия выделяется в ее стволе относительно энергии, вы­деляемой около электродов. Значительная часть этой энергии за­трачивается на ионизацию газов в зоне дуги, снижая пробивное на­пряжение между электродами при разомкнутых контактах и нара­стании приложенного напряжения противоположной полярности.

Квазиустановившийся характер переменного тока осложняет протекание процессов в дуге и определение ее длины.

При частоте 50 Гц критическая длина дуги

≅ √ ,

где , — действующие значения соответственно номинального на­пряжения и отключаемого тока; = 0,008÷0,0092.

Для того чтобы дуга любой длины не восстановилась после того, как ток достиг нулевого значения, восстанавливающаяся прочность межконтактного промежутка не должна превышать приложен­ного напряжения. Восстанавливающаяся прочность характери­зует степень деионизации межэлектродного пространства и опреде­ляется пробивным напряжением. Она зависит от ряда как регуляр­ных, так и случайных процессов, большинство из которых не под­дается точному математическому описанию. В этой области широко используют опытные данные и различные эмпирические зависимос­ти. Например, при магнитном дугогашении и свободной дуге, что обычно используют в аппаратах переменного тока для напряжений не выше 1000—1200 В, применяют зависимость

+ t,

где — начальная восстанавливающаяся прочность в момент про­хода тока через нуль; — результирующая скорость роста величины

Зависимости () и (), приведенные на рис. 3.12, по­строены на основе статистической обработки большого числа опыт­ных данных и проверены практикой проектирования.

Совмещение зависимости с кривой приложенного напря­жения позволяет определить, восстановится ли прохождение тока в рассматриваемый полупериод или нет. Так, по рис. 3.10 при дуга восстановится в рассматриваемый полупериод. При отсутствие общих точек с кривой приложенного напряжения сви­детельствует о невозможности возникновения дуги.

Восстанавливающаяся прочность еще сложнее определяется для длинных дуг высоковольтных коммутационных аппаратов перемен­ного тока: она сильно зависит от окружающей газовой среды

Рис. 3.12. Зависимости восстанавли­вающейся начальной прочности и результирующей скорости ее восстановления при различных на­чальных токах

Рис. 3.13. Кривые, характеризую­щие восстановление электрической прочности в различных средах:1 — вакуум; 2 — элегаз; 3 — азот;4 — водород

(рис. 3.13). В этом отношении наилучшими свойствами обладает ва­куум, так как в нем ствол дуги образуется только концентри­рованными парами электродов, термическая ионизация которых недолговечна.

Дуга пульсирующего тока при коэффициентах пульсации , свой­ственных электрооборудованию современного э. п. с. ( = 0,2÷0,3), по своим свойствам мало отличается от дуги в аппаратах по­стоянного тока. Присущие им нестабильности и колебания токов и напряжений превышают соответствующие переменные составляющие в системах пульсирующего тока. Большинство коммутационных ап­паратов э. п. с. постоянного тока пригодны и для работы на пульси­рующем токе.

Способы воздействия на электрические дуги с целью управления ими и гашения их основаны на рассмотренных свойствах и харак­теристиках электрических дуг. К ним относятся:

удлинение 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 всего 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.

Дата добавления: 2015-07-12