Читайте также: |
|
Принцип магнитного дугогашения. Магнитное дугогашение предусматривает воздействие на электрическую дугу магнитного поля. Его устройства сравнительно просты, не требуют дополнительных источников энергии, поэтому получили в тяговых аппаратах широкое распространение. Такое дугогашение имеет большинство коммутационных тяговых аппаратов.
Существуют две разновидности магнитного дугогашения: электромагнитное и дугогашение с постоянными магнитами. Дугогаше
ние с постоянными магнитами применяют редко, обычно только в тех случаях, когда необходимо исключить влияние индуктивности дугогасительной катушки на постоянную времени цепи Т. На э. п. с. такое дугогашение используют только в разрядниках.
Принцип действия магнитного дугогашения основан на взаимодействии магнитного потока и тока I, протекающего в цепи дуги, которую можно рассматривать как проводник (рис. 3.26). Сила d , действующая на элемент дуги d ,
d = I d sin α,
где sin α — составляющая вектора индукции в зоне элемента d , нормальная к нему.
Сила , действующая на весь ствол дуги длиной ,
= I d l sin α.
В первом приближении индукцию в зоне расположения дуги можно усреднить
= (1/ d l (3.10)
Величину можно вывести из-под знака интеграла, а
dl = , где — расстояние между опорными точками дуги.
Таким образом,
≅ I . (3.11)
Полученные зависимости описывают связь дуги с дугогасящим потоком, однако использовать их непосредственно для определения длины дуги, ее скорости и других показателей трудно, учитывая воздействие на дугу многих факторов и ее случайный характер.
Рис. 3.26. К определению воздействия магнитного потока на дугу
Дугогасительные системы. Катушку, создающую магнитный дугогасящий поток, включают последовательно в цепь контактов коммутационного аппарата. Это обеспечивает ее автоматическое выключение после разрыва аппаратом цепи тока. М. д. с. дугогасительной катушки пропорциональна току дуги = Iw, где w — число витков катушки.
Последовательное включение катушки позволяет, не изменяя направления силы изменять направление тока в аппарате,
так как при этом изменяется направление индукции . В аппаратах с постоянными магнитами, изменяя направление тока в цепи (изменение полярности), требуется также изменить полярность магнитов.
Рис. 3.27. Система электромагнитного дугогашения (а) и ее основные характеристики (б)
В аппаратах оперативной коммутации при дугогашении ток снижается с начального значения до нуля. Поэтому d dt <0 и сила также снижается, замедляя удлинение дуги.
Рассмотрим электромагнитную дугогасительную систему контактора (рис. 3.27, а). Дугогасительная катушка 1 расположена вблизи неподвижного контакта 2 за верхним рогом. Число витков катушки сравнительно невелико. Невелик и потенциал ее относительно других токоведущих частей
∆ = I + ( ,
где , — очень небольшие соответственно активное сопротивление и индуктивность дугогасительной катушки.
Даже при больших интенсивностях изменения тока ∆ невелико, т. е. изоляция катушки относительно других частей аппарата может быть небольшой.
Катушка 1 имеет стальной сердечник 4, охваченный стальными полюсами (щеками) 5, которые непосредственно подводят поток к зоне дугогашения. Обычно в камере 6 закрепляют один из рогов (рог 7), обычно нижний, который электрически надежно соединяют с подвижным контактом 8. Дуга, возникшая между контактами 2 и 8, в дальнейшем под действием силы перебрасывается на рога 3 и 7 и растягивается на них под воздействием силы .
К дуге для ее деформации и растяжения не требуется прикладывать большие силы. Поэтому средние индукции в зоне дугогашения, которые закладываются в основу расчета дугогасительных систем, сравнительно невелики, Тл:
Постоянный и пульсирующий токи | |
Аппараты оперативной коммутации | 0,01—0,025 |
Аппараты прямой защиты | 0,05—0,10 |
Быстродействующие автоматические выключатели | 0,08—0,15 |
Переменный ток | |
Аппараты оперативной коммутации | 0,006—0,009 |
Аппараты прямой защиты | 0,008—0,03 |
Индукция создавалась в камере током еще до размыкания контактов. Она снижается по мере приближения к выхлопному отверстию камеры (рис. 3.27, б).
После размыкания контактов ток в цепи начинает падать. Характер его изменения зависит от многих факторов, большинство из которых трудно учесть. Наиболее вероятный характер изменения тока можно описать уравнением
I (t) ≅ [1— ],
где — время горения дуги; m — показатель степени, зависящий от интенсивности дугогашения.
Зависимость I(х) определяется зависимостью I(t) и характеризует динамическое распределение индукции по ширине камеры (x). При этом индукция снижается быстрее > .
Падающий характер зависимостей (х) и I(х) вызывает еще более резкое снижание функции (х). Именно это приводит к замедлению удлинения дуги при ее перемещении по дугогасительной камере.
На дугу в камере воздействует также поток раскаленных газов, создающий силу . Он первоначально препятствует продвижению дуги в камере, так как сила направлена против . В дальнейшем характер этого воздействия изменяется, и когда дуга выходит к концам рогов, сила начинает способствовать ее удлинению. Чтобы получить более благоприятное воздействие газов на дугу, желательно располагать дугогасительную камеру так, чтобы ее выхлопное отверстие находилось вверху.
Хотя необходимые средние индукции в дугогасительных камерах невелики, очень сложно обеспечить их равномерное распределение, особенно в системах рассмотренного типа. Для дугогасительного магнитного потока воздушный зазор очень велик
+ 2 + 2 + 2 ,
где — ширина контакта; ≅ 8÷12 мм — толщина стенок камеры, ≅ 1÷2 мм — внутренний и ≅0,5÷1 мм — наружный монтажные зазоры.
Рис. 3.28. Тороидная (а) и П-образная (б) магнитные дугогасительные системы
Воздушные (немагнитные) зазоры в этом случае могут достигать 40—50 мм и в 8—10 раз превышать воздушные зазоры в мощных тяговых машинах. При таких зазорах сильно возрастают потоки магнитного рассеяния, условно показанные на рис. 3.27 магнитными силовыми линиями. Они замыкаются по всему внешнему контуру полюсов, повышая коэффициенты рассеяния σ. Для различных магнитных систем дугогашения коэффициенты σ имеют следующие значения:
Разомкнутая нешихтованная | 4,0—6,0 |
Разомкнутая шихтованная | 2,8-4.5 |
П-образная | 1,8-2,4 |
Тороидная | 1,2-1,5 |
Разомкнутой называют систему, представленную на рис. 3.27, а. П-образную и тороидную системы (рис. 3.28) обычно применяют для аппаратов прямой токовой защиты, особенно быстродействующих автоматических выключателей.
Приведенные значения коэффициентов рассеяния соответствуют номинальным режимам работы аппаратов. При малых токах коэффициенты рассеяния повышаются, что снижает эффективность дугогашения.
Для аппаратов оперативной коммутации расчет дугогасительной системы обычно проводят исходя из номинального тока аппарата. Необходимая м.д.с.
= σ / ( ∙ ).
С тем, чтобы исключить насыщение, в стальных магнитопроводах обычно принимают В ≤ 0,1÷0,15 Тл для режима предельного тока. В номинальном режиме значения В для стали невелики, поэтому при расчете системы можно учитывать только м. д. с. воздушного зазора; число витков катушки
ω ≅ (1,6 ÷ 2,0) .
Магнитный поток в дугогасительном зазоре, Вб,
= ≅(0,5 ÷0,6)
где , — площади боковых поверхностей соответственно полюса и камеры, .
Магнитный поток в сердечнике катушки
≅ ≅ σ.
Структура стальных магнитопроводов дугогасительных систем зависит от назначения аппарата. Процесс дугогашения протекает достаточно быстро и на работу системы дугогашения существенное влияние могут оказывать вихревые токи, возникающие в магнито- проводе,
— Ф d Ф / d t,
где — коэффициент, зависящий от структуры магнитопровода.
Учитывая малую насыщенность магнитной системы, можно считать
Ф = аl, где а — коэффициент пропорциональности между потоком и током. Соответственно
≅ - I d I / d t (3.12)
Так как при выключении аппаратов оперативной коммутации dl/dt < 0, то вихревые токи сдерживают падение м. д. с., что усиливает эффект дугогашения. Для таких аппаратов это выгодно и целесообразно выполнять магнитопроводы в системе дугогашения массивными.
В аппаратах прямой защиты после размыкания контактов ток обычно продолжает нарастать dl/dt > 0, что сдерживает нарастание м. д. с. и дугогасящего потока, снижая эффект дугогашения. В этом случае вихревые токи следует по возможности снижать, для чего магнитопроводы выполняют из шихтованной электротехнической стали (желательно трансформаторной). Именно такое исполнение имеют тороидные и П-образные магнитопроводы.
Время горения дуги. Для устройств дугогашения и особенно магнитного очень важно время горения дуги , а также зависимость I(t). Кроме экспериментального определения, эти показатели возможно найти расчетным путем исходя из динамических вольт-амперных характеристик. Исходная характеристика (I) представлена на рис. 3.29, а. Уравнение напряжений для соответствующей ей цепи имеет вид
= IR + (I) + L (I) dl / dt.
Здесь от тока зависит не только падение напряжения в дуге, но обычно и индуктивность L(I) отключаемой цепи (рис. 3.29, б). Из этого уравнения следует, что L(I)dI/dt = (I) — ( — IR) = (I).
Исходя из последнего уравнения удобно получить диаграмму (I). Для этого надо соединить прямой точку на оси ординат с точкой на оси абсцисс. Вычитая ординаты этой прямой из ординат кривой (I) получим значение .
Рис. 3.29. Определение времени горения дуги
На рис. 3.29, а это показано только для одного значения .
Соответственно
dt = L (I) dI / (I). (3.13)
Текущее значение времени
t = (I). (3.14)
Полное время горения дуги
(3.15)
Возможны различные методы интегрирования уравнений (3.14) и (3.15). Так как зависимости и точных математических описаний не имеют, задачу приходится решать приближенными способами. Рассмотрим способ кусочно-линейной аппроксимации.
Весь диапазон токов от до I = 0 делим на отдельные участки
∆ (см. рис. 3.29,6) так, чтобы в пределах каждого из них зависимость была
приблизительно линейной. Желательно, чтобы при выборе границ участков тока тот же принцип учитывался и в отношении зависимости L (I). Для каждого участка можно определить среднее значение - и
.
При этом уравнение (3.13) можно записать в виде ∆ , а уравнение (3.15) — .
Последовательное суммирование конечных приращений времени (рис. 3.29, в) дает кусочно-линейную аппроксимацию функции t (I) или, что то же самое, функции I (t). Полное время горения дуги соответствует пересечению кривой t(I) с осью ординат.
Точность расчета тем выше, чем больше число расчетных участков и чем правильнее выбраны их границы.
Динамические характеристики и параметры целесообразно определять, используя модели или макеты систем дугогашения.
Магнитное дугогашение в аппаратах переменного тока. Оно осуществляется легче, чем в аппаратах постоянного тока, и для получения эффективного гашения дуги достаточны меньшие индукции в зоне дугогашения. В этом случае сила, действующая на дугу, непостоянна. мгновенные значения
,
где — мгновенные значения соответственно тока и индукции в зоне дугогашения; — расстояние между опорными точками дуги.
Полагая примерно синусоидальным характер изменения тока и магнитной индукции (что не совсем точно), можно записать соответственно
r= ;
= sin ( +α),
где , — амплитудные значения соответственно тока и индукции; α-угол магнитного запаздывания, т. е. угол фазового сдвига между током и магнитным потоком, вызываемого преимущественно петлей гистерезиса стальных магнитопроводов.
Величину можно выразить как
sin ( +α),.
Временная диаграмма (рис. 3.30) показывает, что в соответствии с этим уравнением сила изменяется с частотой, соответствующей двойной частоте питания, а в пределах угла фазового сдвига а между током и индукцией она приобретает отрицательное значение. В пределах угла а дуга не выдувается дугогасительной камерой, а втягивается в нее. При высокой подвижности дуги силы, соответствующие отрицательным площадкам диаграммы, задерживают удлинение дуги, а следовательно, и ее гашение. Снизить неблагоприятное воздействие этого явления -можно, уменьшив угол магнитного запаздывания, для чего применяют в магнитной системе стали, у которых угол α мал, т. е. трансформаторные стали. Магнитопроводы аппаратов переменного тока необходимо выполнять шихтованными и с целью снижения их нагрева.
Обобщенной характеристикой дугогасительных свойств коммутационного тягового аппарата служит зависимость времени горения дуги от выключаемого тока () (рис. 3.31). Эту характеристику обычно снимают для аппаратов нового типа при постоянной нормированной индуктивности в цепи.
При малых отключаемых токах вся м. д. с. 0И идет на создание потоков рассеяния, никаких направленных внешних воздействий на дугу нет и ее можно рассматривать как свободную.
Рис. 3.30. Силы, действующие на дугу в аппаратах переменного тока с магнитным дугогашением
Рис. 3.31. Зависимость времени горения дуги и ее критической длины ототключаемого тока
В коммутационном аппарате в момент размыкания контактов должна быть обеспечена тепловая ионизация в опорных точках дуги. Для этого необходим ток ≥ ( + )/ .
Если ток окажется меньше, то процесс размыкания сопровождается только искрением. Конечно, картина меняется при предварительной ионизации зоны размыкания, а также при влиянии некоторых других факторов. Экспериментально установлено, что в тяговых аппаратах дуга в цепях даже со сверхнормативными индуктивностями возникает только при токах 6—10 А. При несколько больших токах длина дуги определяется лишь раскрытием контактов. Только в аппаратах, имеющих выхлоп из дугогасительной камеры вверх, дуга несколько растягивается и /д заметно возрастает. Для остальных аппаратов при токах 20—30 А < , т. е. высока вероятность устойчивого горения дуги.
На диаграмме ( ) этому соответствует уход кривой в бесконечность. Для правильно спроектированного аппарата нарастание действия дугогасительной системы начинается с (0,07÷0,1) . Для аппаратов с усовершенствованными шихтованными магнитными системами дугогашения заметное действие их начинается уже при токах (0,04÷0,05) .
С увеличением тока усиливается магнитное дугогашение, что ускоряет перемещение дуги по рогам и удлиняет ее. Время горения дуги снижается, так как ее длина становится больше критической. Ток, при котором исключается устойчивое горение дуги и время ее горения становится допустимым, называют критическим. При токах, меньших критического, аппарат нельзя использовать для выключения цепи. Критический ток должен быть не более 0,1 и для всех аппаратов не выше 50 А.
При токе, большем , характер зависимости (I) определяется, с одной стороны, усилением магнитного поля в зоне дугогашения в результате увеличения тока и м. д. с.дугогасительной катушки, что приводит к увеличению силы и удлинению дуги. С другой стороны, перемещаясь по рогам и удлиняясь, дуга все больше отходит от контактов и дугогасительной катушки в зону меньших индукций . Это ограничивает скорость ее перемещения и удлинения. Влияние указанных факторов на дугу противоположно, что несколько стабилизирует время горения дуги в зоне основных рабочих токов аппарата.
По мере приближения ствола дуги к выхлопному отверстию сила резко снижается (см. рис. 3.27, б), время нарастает. При правильно спроектированном аппарате в момент, когда длина дуги достигает наибольшей возможной в применяемой дугогасительной камере, время ее горения должно быть не больше предельного значения 0,1 с. Это соответствует току , который называют предельным для аппарата. Предельный ток должен соответствовать условию ≤ ( ), т. е. по уравнению (3.6)
.
В зависимости от типа камеры в соответствии с уравнением (3.8).
Если имеется опасение, что по условиям работы токи аппарата могут превышать , на выхлопном отверстии следует устанавливать дугогасительную решетку для того, чтобы вызванное ею резкое повышение падения напряжения погасило дугу.
Рассмотренная зависимость () не учитывает таких факторов, как остаточная ионизация в камере и др. Поэтому предусматривается проведение испытаний коммутационных аппаратов на повторные циклы включений-отключений предельных токов с активноиндуктивной нагрузкой. Так, для контакторов предусмотрено шесть циклов с интервалом по 2 мин, из которых три при минимальном и три при максимальном напряжении. Для быстродействующих автоматических выключателей э. п. с. предусмотрено три цикла при индуктивностях цепи 5, 10, 15 Гн без нормирования интервалов между ними, для других автоматических выключателей — три цикла с интервалами по 2 мин.
Дата добавления: 2015-07-12; просмотров: 1055 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
ЭЛЕМЕНТЫ ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ | | | ГАЗОВОЕ ДУГОГАШЕНИЕ |