Магнитное дугогашение

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