Свойства и характеристики электрической дуги

Свойства дуги. Размыкание электрических цепей коммутирую­щими устройствами обычно сопровождается возникновением элект­рической дуги. Дуга возникает при токах более 0,5—1,0 А и напря­жениях выше 15—18 В. В тяговых аппаратах дуга появляется при размыкании под током силовых и вспомогательных цепей, а также цепей управления особенно с большими индуктивностями.

Представление об электрической дуге как о неизбежном зле при коммутациях не вполне оправдано. В ряде случаев неблаго­приятные воздействия дуги значительно менее опасны, чем те яв­ления — коммутационные перенапряжения, которые возникают при ее отсутствии. Устройства дугогашения следует рассматривать как средства управления электрической дугой, для чего необхо­димо знать ее свойства и характеристики.

Обычно дугу определяют как один из видов электрических раз­рядов в газовой среде. Вероятно, наиболее общее определение, вскрывающее природу явления, можно сформулировать так: элект­рическая дуга — это процесс прохождения тока в среде ионизирован­ных газов при термическом характере их ионизации.

Другие виды прохождения тока в газах, а именно корона, тлею­щий разряд, не оказывают заметного влияния на работу обычных тяговых аппаратов, поэтому не будем их здесь рассматривать.

Термическая ионизация, свойственная электрической дуге, в значительной степени зависит от степени ионизации х — отноше­ния числа ионизированных частиц Nn к их общему числу N в еди­нице объема.

Значение л: зависит от потенциала ионизации газов или паров и от их температуры. Так, для меди — 7,72 В, для же­леза — 7,86 В, для графита — 11,26 В, для водорода и кислорода — 13,6 В, для азота— 14,55 В. Степень ионизации зависит так­же от температуры (рис. 3.1). В тяговых аппаратах значение х срав­нительно невелико (0,4-0,5), при этом ионизируются преимущест­венно не частицы воздуха, а пары электродов. Плотность тока в дугах, свойственных тяговым аппаратам, велика; обычно они на­ходятся в пределах (0,4÷0,9) А/ , хотя в отдельных случаях могут быть и значительно выше. С повышением температуры плот­ность тока в дуге растет.

Обычно на катоде образуется катодное пятно в виде расплав­ленного и испаряющегося ме­талла, в непосредственной бли­зости от которого возникает объемный заряд — электронное облако. Несмотря на относи­тельно небольшую разность по­тенциалов относительно катода 10—15 В (это объясняется не­значительным расстоянием от пего до катода), возникает гра­диент потенциала, достигающий — В/мм. Это придает та­кие скорости электронам, при которых они в состоянии выбивать с поверхности даже сравнитель­но холодного катода новые электроны и ионы. Однако устойчивое горение дуги происходит обычно лишь при активном (раскаленном) катоде. Размеры катодного пятна случайны, его площадь, , ориентировочно можно определить, пользуясь эмпирической зави­симостью S≅0,02 .

Рис. 3.1. Зависимость степени иониза­ции паров и газов от абсолютной температуры:

1 — медь: 2 — железо; 3 — кислород и во­дород; 4 — азот

Ствол дуги представляет собой поток ионов, заряженных отри­цательно, хотя в нем имеется и некоторое (очень небольшое) коли­чество положительных ионов, а также свободных электронов. Ствол можно рассматривать как совеобразный проводник, обладающий многими свойствами газов и прежде всего незначительной связью между отдельными частицами. Поэтому ствол легко деформируется под воздействием различных внешних факторов.

Падение напряжения по длине дуги можно подразделить на три составляющие (рис. 3.2, а)

,

где - падение напряжения в непосредственной близости от катода, между катодным пятном и электронным облаком; — падение напряжения в стволе дуги, протяженность которого равна почти всей длине дуги ; —падение напряжения у анода в непосредственной близости от него; Е — гра­диент падения напряжения в дуге:

.

Как видно на рис. (3.2, б), градиент падения напряжения в стволе Дуги

,

где — длина ствола дуги, мало отличающаяся от длины всей дуги.

Рис. 3.2. Схематическое изображение электрической дуги (а) и распределение по ее длине падения напряжения (б), градиента падения напряжения (в), аб­солютных температур (г)

На рис. 3.2 длины участков, находящихся вблизи катода и анода, сильно преувеличены для большей наглядности.

Падение напряжения в дуге определяет мощность потерь ∆ , рассеиваемых ею,

∆ =

Мощность потерь у катода ∆ = . Эта мощность в ос­новном затрачивается на образование и поддержание катодного пятна, на испарение металла и создание электронной эмиссии — ускорения электронов, выделяющихся из пятна. Потери у катода выделяются в столь узком пространстве, что вызывают интенсив­ное нагревание дуги. Именно здесь (рис. 3.2, в) температуры наи­большие; они достигают (6÷8) К. Температура самого кон­тактного пятна несколько ниже вследствие хорошей теплопровод­ности металла электродов, обеспечивающей интенсивный отвод тепла.

Мощность потерь у анода, вызванная падением напряжения , составляет = I . Эта мощность затрачивается на вы­деление свободных электронов из отрицательно заряженных ионов и внедрение их в тело анода. Она выделяется в очень узком прост­ранстве непосредственно у поверхности анода; все это вызывает значительное нагревание опорной точки дуги на аноде и обычно его оплавление.

Процессы в зонах, близлежащих к аноду и катоду, приводят к практически постоянному падению напряжений и . которые преимущественно зависят от материала электродов:

Материал электродов	сталь	медь	алюминий
Паление напряжения ,В	16—17	12—13	13—14
≫ ≫	6—9	10—11	10—11

Мощность потерь в стволе дуги ∆ =I =I . Она за­трачивается на воспроизводство ионов, утерянных в стволе вслед­ствие их рассеяния. С точки зрения тепловых процессов — это мощность, затрачиваемая на компенсацию теплорассеяния, т. е. мощ­ность тепловых потерь в стволе дуги. Она тем больше, чем боль­ше поверхность ствола и особенно длина дуги. Поэтому и падение на­пряжения в стволе Ес пропорционально /д. Вместе с тем оно зависит и от градиента падения напряжения в дуге, определяемого усло­виями, в которых находится ствол дуги, и, конечно, условиями его охлаждения.

Например, при токе I ≅ 2000 А для свободной, открытой дуги = 0,8 В/мм. При горении такой же дуги в щели шириной = 1 мм и магнитном дугогашении градиент падения напряжения в дуге ≅4 В/мм, а при тех же условиях, но ширине щели = 0,5 мм, градиент ≅10 В/мм. При уменьшении ширины щели усиливается деформация поперечного сечения ствола дуги, увеличи­вая его поверхность, а следовательно, и интенсивность охлаждения, т. е. теплового рассеяния. Обычно оценивают поперечное сечение ствола дуги его условным діаметром — диаметром окружности, в которую с наибольшей вероятностью вписывается сечение ствола. Диаметры ствола зависят от условий горения дуги и поэтому сильно различаются. Так, при неподвижной свободной дуге, мм,

;

при свободной дуге,перемещающейся со скоростью , см/с, диа­метр, мм,

Скорость свободной дуги в открытом воздухе, см/с,

≅37 .

Наиболее вероятные значения dn для тяговых аппаратов постоян­ного тока находятся в области, показанной на рис. 3.3.

Влияние электрической дуги на явления, происходящие в ком­мутируемых цепях, при их выключении. Особенности цепей э. п. с. определяются значительными индуктивностями L, что вызвано на­личием в них тяговых машин, магнитные системы которых облада­ют большим запасом электромагнитной энергии. При сравнительно небольших активных сопротивлениях R коммутируемая цепь, в которую входят L и R, шунтируется цепью с емкостью С (в основном обмотки и провода), которая сравнительно невелика и к тому же рассредоточена.

Рассмотрим схемы замещения такой цепи (рис. 3.4, а, б), где активные сопротивления, индуктивности и емкости считаются скон­центрированными. Если бы при размыкании цепи контактором К.

Рис. 3.3. Вероятные диаметры ствола дуги тяговых аппаратов

Рис. 3.4. Схемы замещения выклю­чаемой цепи э.п.с.

не образовалась дуга и разрыв тока произошел практически мгно­венно, то в отключаемом контуре возник бы переходный процесс, при котором почти вся запасенная в нем энергия (за малым исклю­чением) перешла в энергию заряда емкости. Энергетический баланс при завершении процесса отключения без учета энергии, поступаю­щей через дугу (мгновенное выключение), можно выразить как

, (3.1)

где , , — энергия соответственно исходного (до размыкания цепи) и конечного заряда емкости С\ — исходная электромагнитная энергия, йакопленная в индуктивностях L; —энергия, поглощаемая сопротивле­ниями R и переходящая в энергию нагревания.

Величины и можно определить соответственно как = и

= где — напряжение на зажимах цепи перед ее выключением;

— ток в цепи в тот же момент.

Энергия, поглощаемая резисторами .

Здесь пределы интегрирования — с момента выключения (0) и до момента завершения (t) переходного процесса.

По завершении переходного процесса в емкости будет накоплена энергия

. Это уравнение можно записать в виде

. (3.2)

Если пренебречь сравнительно небольшим последним членом правой части этого уравнения, то

.

Для обычных параметров э. п. с. расчеты показывают, что ком­мутационные перенапряжения 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.

Рассмотрим схему замещения цепи (рис. 3.4, б), в которой воз­никает дуга при выключении. Дуга замещена переменным сопро­тивлением , где - развернутая длина дуги; Е — градиент ее падения напряжения.

После размыкания контактов через дугу продолжает протекать ток , который зависит от изменения падения напряжения . Дуга играет роль регулируемого резистора с изменяющимся сопро­тивлением , включенным последовательно в выключаемую цепь. Она снижает интенсивность изменения токов в коммутационном про­цессе и несколько уменьшает разрывную мощность, необходимую при размыкании цепи. Характер изменения условного сопротивле­ния зависит от процесса дугогашения и в основном от изменения длины дуги, а следовательно, от конструкции и параметров дугога­сительных устройство аппарата.

Для снижения коммутационных перенапряжений необхо­димо увеличивать время горения дуги . При этом соотношение между модулями э. д. с. самоиндукции (при дуге) и (без дуги)

< = .

Включение в коммутационный процесс времени горения дуги существенно не меняет энергетический баланс, выраженный уравне­нием (3.2), но заметно увеличивает энергию, поглощаемую резисто­рами отключаемого контура:

.

Из уравнения видно, что при этом уменьшается его левая часть, т. е. энергия, накапливаемая в емкостях, а следовательно, и возможные значения перенапряжений. Для обеспечения нормальной работоспособности аппарата его дугогасительное устройство при каждом включении должно быть в состоянии поглотить и рассеять в окружающее пространство энергию

В основном это тепловая энергия и при нормальном дугогашении обычно должна отдаваться непосредственно от ствола дуги в окру­жающее воздушное (газовое) пространство. Частично же она расхо­дуется на ионизацию, поддержание катодного и анодного пятен.

На рис. 3.5 представлены приблизительные диаграммы токов и напряжений при выключении цепей тягового электрооборудова­ния. Как и в приведенных выше зависимостях, в них сделан ряд до­пущений, упрощающих понимание проходящих процессов. Так, не учтено влияние емкостей не только на окончательные результаты, но и в процессе изменения тока и напряжения: обычно при этом воз­никают их дополнительные колебания. Не учтено непостоянство индуктивностей, т. е. зависимостей L(I).

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 их установке совместно с разрядниками могут достигать 13,5 кВ.

Аппараты должны выдерживать в течение 1 мин следующие ис­пытательные напряжения переменного тока 50 Гц (действующие зна­чения):

Номинальное напряжение, В:

постоянного тока - до	30 30 — 300 300—660
переменного -	30 30—100 100—660
Испытательное напряжение, В	750 1500 2 +500
Номинальное напряжение, В:
постоянного тока....	660—3000 —
переменного....	660—3000* 10000, 25000
Испытательное напряжение, В	2,5 +2000 2,2 +20000

Рис. 3.5 Диаграммы напряжений и токов при выключения цепей без дуги j[a) и с дугой (б)

Характеристики дуги. Статические характеристики — это за­висимости при постоянной длине дуги = const или E(I) при постоянной поперечной скорости дуги и наибольшей интен­сивности изменения тока, при которой успевают устанавливаться тепловые балансы и балансы носителей зарядов для каждого но­вого значения тока. Это возможно, если ток изменяется очень мед­ленно. Примеры таких характеристик представлены на рис. 3.6. Характеристики для дуг различной длины подобны по форме, но расположены тем выше, чем больше длина . Характеристики E(I) имеют форму, близкую к гиперболической, и лежат тем выше, чем больше поперечная скорость дуги.

Динамические характеристики соответствуют таким Скоростям изменения тока (обычно его снижения), при которых не успевает устанавливаться тепловой баланс, а иногда и баланс переносимых зарядов. Обычно приходиться иметь дело с динамическими харак­теристиками.

Рис.3.6.Характеристики , E(I)

Вольт-амперные характеристики и E(I) не имеют точного математического описания вследствие случайного характера про­цессов, влияющих на дугу. Обычно их получают в результате ста­тистической обработки большой выборки опытных данных. Исполь­зуют также некоторые эмпирические зависимости, обычно имеющие ограниченное распространение. Например, для свободной дуги в воздушном пространстве динамическая характеристика

E(I)≅92(1+0.01 ( 3.3)

где E — градиент падения напряжения в дуге, В/см; — поперечная скорость движения дуги, см/с; I — ток, А.

Для дуги в узкой щели, имеющей ширину

E(I) ≅92/ +0,312 . (3.4)

Для дуги в широкой щели, когда

E(I) ≅92/ +0,312 , (3.5)

Приведенные зависимости имеют лишь ориентировочный харак­тер.

Вольт-амперные характеристики и E(I) связаны зависи­мостью, вытекающей из уравнения Е =д , которое из-за отсутствия точных математических описаний, при пересчете харак­теристик приходится использовать в конечных приращениях:

Е =d ≅ ∆ .

Обычно характеристики представляют как семейство кри­вых для дуг различной постоянной длины ≤ ≤ и т. д. (рис. 3.6, а). Для любого тока

/().

Примем = ; = .Расчетная длина дуги = + 0,5 .

Если значение невелико, можно считать ≅ и получен­ную характеристику E(I) относить к длине дуги , т. е. . Прин­цип пересчета характеристики E(I) при = const в характеристику поясняет рис. 3.6, б:

≅ .

Интегрирование не по длине дуги, а по току допустимо в тех случаях, когда в дуге + ≤ (0,20÷0,25) , что свойственно дугам в тяговых аппаратах. В этом случае при отсутствии матема­тического выражения E(I) возможен любой метод приближенного интегрирования. Рассмотрим графическое интегрирование, при котором весь диапазон тока I разбивают на равные отрезки ∆ I и затем определяют середины этих отрезков — точки 1—5 на характеристике E(I). Их относят на оси ординат (точки —5') и, выбрав полюс О на оси абсцисс, соединяют с ним точки —5' лучами О— 5'0. Положение полюса О зависит от масштаба, принятого для функции ил(1).

Далее, начиная с точки , проводят прямые, параллельные лу­чам О -5'О, в пределах соответствующих отрезков тока ∆ (точ­ки 1"—5"). По точкам 1"—5" последовательно строят кусочноли-нейную характеристику — Величина — постоянная интегрирования: = . Чтобы получить функцию I), значение добавляют ко всем ординатам зависимости

Характер изменения тока при горении дуги зависит от многих случайных факторов. Ориентировочно можно принять зависимость

I(t)≅ ]

Здесь m≅I для условий горения дуги на открытом воздухе. При ее горении в узких щелях m< 1. Фактические изменения тока могут существенно отличаться от ожидаемых.

Дата добавления: 2015-07-12