Условия гашения дуги постоянного тока. Аналитическая и графическая формы записи условия. Способы выполнения условия.

Зависимости сопротивления контактов от температуры и от падения напряжения на них. Методика расчета контактного нажатия.

Условия гашения дуги постоянного тока. Аналитическая и графическая формы записи условия. Способы выполнения условия.

Условие гашения дуги на контактах ЭА при отключении R-L цепи (см.3.2)

Условие гашения дуги вытекает из анализа баланса U отключаемой цепи

U_C=iR+U_Д+ Ldi/dt.

Нужно выполнить di/dt<0 или Ldi/dt<0, но оно Ldi/dt=(U_C-iR)- U_Д<0

Нужно чтобы U_Д> U_C- iR – условие гашения дуги постоянного тока.

Дуга погаснет, если U_C станет недостаточным чтобы поддержать дугу с данным напряжением.

Для окончательного гашения дуги необходимо, чтобы данное неравенство выполнялось во всем диапазоне токов I_K= U_C/R (момент размыкания контактов) до 0.

Графически (рис 3,2) это условие изображается превышением ВАХ дуги (кривая 2) над зависимостью U_C- iR=ƒ(I) (линия 1). Эта линия называется линией нагрузки. Крутизна этой линии определяется значением сопротивления нагрузочного резистора R.

Построение л.н. ведется по двум точкам:

1) х.х.(контакты разомкнуты) I=0, U_C- iR= U_C. 2) к.з. (замкнуты) при этом I= U_C/R, U_C- iR=0

При взаимном расположении ВАХ и л.н. представленной на рис процесс гашения дойдет лишь до точки 1, которая является точкой устойчивого горения дуги. Для окончательного гашения дуги необходимо превышение ВАХ дуги над л.н. на всём диапазоне тока. ВАХ касающаяся л.н. называется критической и длина дуги крит. ВАХ назыв. критической, т.о. для надёжного гашения дуги пост тока необходимо, чтобы ВАХ дуги при max растворе контактов лежала выше критической.

Расчет времени горения дуги на контактах ком. аппарата при отключении цепи:

Определяется из соотн-я для превышения ВАХ дуги над ЛН (рис):

ΔU_д = -Ldi/dt, t_д= . Для случая, если ΔU_д=const (ВАХ // ЛН): .

Хар-ка разбивается на участки и:

1) Для ↓tд и ↓σ_из необходимо ↑ ΔUдi.

2) В нормально сконструированном ДУ

Способы уменьшения времени горения дуги на контактах ЭА, Дугогасительные устройства:

Принципы дугогашения вытекают из условий гашения дуги пост. и ~ тока:

; .

Механическое растяжения дуги. На этом принципе работает рубильник. Однако напряжённость Е_СТ в неподвижной открытой дуге всего 1…2 В/мм Þ при отключении: при А и U=220 В: l_ст.кр=25 см – критическая длина дуги; при А и U=220 В: l_ст.кр=2 м – это неприемлемо.

В чистом виде этот принцип используется только в маломощных ЭА.

Увеличение напряжённости Е_ст столба дуги. Несколько способов:

а) перемещение дуги в холодном воздухе: Q_ст¯Þ ОТИ¯ и деионизация­ ÞR_ст.д. ­ – U_ст.д­Þ Е_ст.д­.

Для перемещения дуги используется электродинамич. дутьё: послед-но с контактами вкл. катушку: при sinα=1

Недостаток: зависимость от тока отключаемой цепи.

б) Стеснение дуги стенками узкой щели. Щель образуется стенками дугогасит. камеры (асбоцемент или жаропрочная керамика). При ширине щели < Æ столба дуги растёт теплоотдача. Для перемещения дуги в щель использ-ся магнитное дутьё.

в) Гашение дуги в газе повышенного давления: Р­®ОТИ¯, деионизация­®n_э¯–R_ст­–U_ст­–Е_ст­.

Кроме того с ростом давления растёт теплопроводностьÞтеплоотдачаÞQ­–Е_ст­

, где к=0,5…1.

Этот способ повышения Е_ст прим-ся в предохранителях и др. КЭА с герметизированной дугогасит. камерой. Энергия, выделяемая в дуге повышает давление внутри камеры. Часто герметичные ДК выполняются из газогенерирующего материала (оргстекло, вулканизирующая фибра и т.д.). Под действием высокой температуры такой мат-л способен выделить 1000-2000 см³ газа из 1 грамма.

Использование приэлектродного падения напряжения.

.

В коротких дугах (хар-но для НН) в основном напр-е падает на приэлектродных областях. Увеличивают кол-во приэл. областей путём разделения дуги пластинами-электродами. Для реализации этой идеи ставят решётку из медных пластин, в к-ую дуга загоняется магн. дутьём. Также делают стальную решётку, в к-ую дуга загоняется из-за взаимодействия тока дуги с пластинами решётки. Кол-во пластин опр-ся из условия гашения дуги: , .

Для надёжного гашения дуги требуется не менее 10 пластин.

Эфф-ть гашения дуги с помощью решётки в ЭА ~ тока в 7…8 раз>, чем на пост. токе.

Недостатки ДР: снижение эфф-ти дугогашения при частой ком-ции цепи вследствие нагрева пластин эл. дугой. Решетка м. отказать. ДР прим-ся в КА, работающих с частотой 600 и менее включений в час. При больших – ставят камеру с узкой щелью. Рассмотренные принципы дугогашения хар-ны для ЭА НН. ЭА ВН хар-ся существенно большим отключаемым током при сущ-но большем напр-ии. Погасить такую дугу чрезвычайно сложно. Все ЭА ВН – это аппараты перем. тока.

Принципы гашения дуги ВН.

1. Гашение дуги в минеральном масле. При ­ температуре масло разлагаетсяÞ газовый пузырь: Н₂ 70-80%, пары масла. Причём водородная область непосредственно контактирует с дугой. При этом:

а) масло разлагается с большой скор-тьюÞрезко растёт давление до 5…8 МПа

б) Дуга горит в Н₂, коэф-т диффузии к-го α_д=10000Þбыстрая диффузия заряженных частиц.

в) взрывообразное разложение масла создаёт газовое дутьё.

Два типа масляных выключателей:

* Баковые. Большой объём масла выполняет роль не только дугогасит. среды, но и изоляции токоведущего контура от бака.

* Маломасляные. Изоляция твёрдая. Недостатки: низкая надёжность по сравнению с баковыми и низкая отключающая способность.

Обдув дуги газом высокого давления. Движение газа в ДУ носит турбулентный хар-р. При этом из зоны дуги интенсивно удаляются заряж. частицы. Т.о. ­Р, ­теплоотдача, вынос частиц обеспечивают­U_ВП и ­ .

Гашение дуги в вакууме. Вакуум хар-ся:

­эл. прочностью. При Р=10^-4 Па эл.пр. достигает 100 кВ/мм.

­­ скоростью нарастания U_ВП. Спустя 10 мс после 0 тока U_ВП достигает значения, соответствующему холодному вакууму. Это объясняется ­ скоростью диффузии.

U_ВП=f(t) межконт. пром-ка в вакууме идёт на неск-ко порядков выше, чем в др. средах.

Всё это позволяет в вакуумных ДК гасить дугу в первый 0 тока, иметь малый раствор контактов и небольшое контактное усилие (т.к. нет окисления).

Основные преимущества вакуумных ДК:

1) простота обслуж-я.

2) Высокое быстродействие из-за малого зазора

3) Высокая износостойкость

4) пожаро- и взрывобезопасность

5) малые габариты и масса

6) малая мощность управления.

Недостаток: сложность герметизации и высокая стоимость.

Гашение дуги в газе с сильно выраженными электроотрицательными свойствами. Молекулы такого газа способны захватить свободные электроны, превращаясь в тяжёлые отрицат. ионы SF₆.

Основные свойства SF₆: электроотрицательные свойства, высокая удельная теплоёмкость(в 4 раза>, чем у воздуха), высокая эл. прочность, высокая инертность.

Перенапряжения при гашении дуги постоянного тока.(рис 3.3)

На контактах ЭА появляются U, которые могут в 10 раз ↑ Uс. Эти U могут пробить межконтактный промежуток, п/п приборы, изоляцию и привести к аварийному режиму.

ПереU хар-ся к-том перенапряжения К_п= U_к.max/ U_с=1+ ΔU_п/ U_с, где U_к.max – maкс. мгновенное U на контактах при гашении дуги.

U_к.max= U_г, где U_г – напряжение гашения.

ΔU_п=U_г-U_с - перенапряжение при отключении цепи.

Ур-е U в момент откл-я: U_с=iR+U_д+ Ldi/dt│_i=0. ΔU_п= U_г-U_с= -Ldi/dt. Т.о.:

1) переU обусловлены противо ЭДС, которая наводится в L отключаемой цепи и равняется
ΔUп=-Ldi/dt.

2) Противо ЭДС исходя из закона Ленца действует согласно с U_сети, т.е. складывается с ним и тем самым вызывает переU.

3) di/dt│_i=0 зависит от эффективности ДУ. Откл-е цепи с мощным ДУ может привести к очень большой скорости падения тока, что приведет к ↑ переU (рис.3.3).

4) Коммутация активной цепи не сопровождается переU.

На рис.3.3 классический вид типичных осциллограмм I_k,U_k при отключении цепи постоянного тока

Способы снижения перенапряжений.

1) конструктивный способ, применяется на стадии разработки ДУ. Оптимальным решением противоречия явл-ся создание такого ДУ, которое обеспечивает >di/dt в начальный момент гашения дуги(с целью↓tд) и малое di/dt в конце дугогашения, когда I подходит к 0. ДУ будет обеспечивать оптимальное дугогашение, если ВАХ дуги горящей в ДУ будет в начальный момент сущ-но превышать л.н., а в конце чуть-чуть. Из ВАХ (рис.3.4) целесообразна под номером 2.

Такую ВАХ обеспечивает ДК (камера), выполненная в виде узкой щели, между стенками из жаропрочной керамики.θ_ст↓- ОТИ↓- R_ст.д↑-U_д↑- ΔU_д↑↑.

2)Схемный способ (рис 3,5)↓переU: применяется при эксплуатации готовых ЭА. Основные схемы позволяющие↓переU

Схема а) Нагрузка шунтируется (R_ш).

ПереU↓ т.к. создаётся КЗ-контур, по которому будет протекать ток от наведенной ЭДС.

Недост.: ↑ I_к через замкн. контакты, дополнит.потери в Rш, больш потреб мощ-ть.

Схема б) Вместо R_ш - диод. Недост.: соблюдение полярности.

Схема в) Неполярная схема: R_ш - обеспечивает усл-я, чтобы контур превратился из колебательного в апериодический. Rн+ Rш>2 :

- (// с RL): С=(0,2-2)мкФ, Rш=(50-100)Ом.

- (// с контактами): С=(0,2-2)мкФ, R_ш- ограничивает разрядный ток конденса-ра, что уменьшает подгорание контактов R_ш= (100-500)Ом.

Схема г) Применяется при ↓ переU в высоковольтных цепях, где конд-р выбрать сложно. R_ш и ВК – вспомогательные контакты, которые размыкаются с запаздыванием относительно ГК (маломощные т.к.↓ I), I_к= U_с/(R_н+R_ш) – ток через ВК.

Условие гашения дуги переменного тока. Аналитическая и графическая формы записи условия. Способы выполнения условия.(рис 3.6)

Эл. дуга перем. тока гасится знач. легче, чем дуга пост. тока. При гашении дуги перем. тока не требуется насильственно ↓ I_д до 0. Здесь ток сам по закону синуса спадает до 0, при переходе через 0 дуга гаснет. Необх-мо выполнить условие, чтобы при прохождении через 0 дуга не возникала бы вновь. Проанализируем врем. диаг-му U_с, U_д, I_д,R_д, U_вн, U_вп=ƒ(t) при откл-ии инд. цепи перем. тока (см. рис.3.6)

До МРК по цепи протекал ток опр-мый U_с= U_стsinwt, x=wL, I отстаёт от U на угол φ=90º.

В wt= t₀, контакты начали размыкаться, появл-ся дуга с U_д и ток I_д. По мере размыкания контактов Rд↑, при этом I_д и угол φ постепенно↓.

При t= t₁ и t= t₂ дуга погасла, но после 0 тока вновь возобновилась.

В t= t₃ дуга вновь погасла, а возобновиться не смогла, т.к. после погасания дуги в 0 тока начинает интенсивно проходить 2 процесса:

1) процесс восстановления U на контактах, к-ое хар-ся восстанавливающимся напр-ем Uвн.

2) Процесс восстановления эл. прочности межконт. пром-ка, к-ое хар-ся восстанавливающейся прочностью Uвп.

рис 3,7: Uвн – мгн. знач-е напр-я на контактах, изменяется с напр-я в момент гашения дуги U_г до U_сети.

Uвп – мгн. знач-е эл. прочности межконт. пром-ка нарастающее с эл. прочности межконт. пром-ка в момент гашения до знач-я соотв-му max раствору контактов.

Условия окончат. гашения дуги перем. тока заключается в выполнение после погасания дуги в момент перехода I через 0 неравенства: U_вп> U_вн.

Графич. это условие изобр-ся превышением кривой Uвп над кривой Uвн (рис.3.7.б).

В t= t_1, t= t₂ дуга гасла, но затем возобновляется т.к. кривая Uвн> Uвп (см.рис.3.7.а), к t= t₃ контакты разомкнулись на значительную величину Uвп> Uвн - окончательное гашение дуги. Силовые коммут-ые ЭА должны отк-ть цепь переем. тока за t=0,02с.

Способы снижения скорости нарастания восстанав-ся напр-я:

Напр-е на контактах = напр-ю на конденсаторе в схеме замещения рис 3,8 Þ:

1. Чем С > в схеме замещения, тем медленнее заряжается к-р.Þ ¯. Поэтому С увеличивают, включая параллельно контактам реальный к-р (используется для цепей НН).

2. R_ш¯ Þ С заряжается медленнее. Для этого параллельно контактам включают высокоомный резистор (для ВН).

При некоторых условиях периодич. процесс перейдёт в апериодический. На границе перехода ω₀=0, т.е. — критический случай.

1). – сопротивление цепи. .

Для надежности берут R_ш < R_ш.кр.

2). .

Для увеличения восстанавливающейся прочности применяется дугогасительная решётка: увеличивается число прикатодных зон.

6 Восстанавливающееся напряжение U_ВН но контактах ЭА при отключении переменного тока.

В общем случае отключаемую цепь ~ т. в первый момент времени можно представить схемой замещения (рис3.8)

U₀ – мгновенное значение ЭДС источника энергии отключаемой цепи в момент погасания дуги, называемое мгновенным возвращающимся напряжением.

R и L – акт. сопр. и индуктивность отключаемой цепи.

R_ш – сопр. межконтактного промежутка после погасания дуги, называемое остаточным сопр-ем дугового канала.

С – приведённая к контактам ЭА ёмкость обмоток источника энергии, приёмника, соед. проводов и самих контактов.

Решение этой схемы отн-но напряжения на контактах показывает, что процесс восстановления напряжения на них может быть апериодическим и колебательным.

Наиб. тяжёлые условия возникают при колебат. процессе.

При этом:

, – коэф-т. затухания перех проц.

– собственная частота отключаемой цепи.

. f₀ =3…100 кГц – в низковольтных цепях. В высоковольтных ниже, но всё равно намного больше, чем 50 Гц. Поэтому в схеме показан источник постоянного напряжения, т.к. в процессе гашения дуги напряжение сети практически неизменно.

Пренебрегаем U­_Г, т.е. U­_Г=0 ,т.е. напряжение изменяется по затухающей косинусоиде (рис 3.9)

При . мс =10 мкс.

контакты за это время не успевают разойтись так, чтобы . Это достигается только в 3 переход через 0 (рис 3.6).

.

Восстанавливающееся напряжение хар-ся 2-мя параметрами:

1.Коэф-т превышения амплитуды восстанавливающегося напряжения

.

т.е. когда L­ и С¯ и R®0, тогда f¯ Þ и К_а®2.

Этот случай хар-н. для для цепей высокого напряжения и для случая отключеня КЗ.

Когда L¯ и С¯ и R­, тогда f­ Þ и К_а®1. Этот случай хар-н. для для цепей низкого напряжения.

К_а=1,5…2,0 для цепей ВН.

К_а=1,1…1,5 для цепей НН.

2. Средняя скорость нарастанияU_ВН (рис 3.10)

Скорость нарастания вост. напр. определяется прежде всего параметрами отключаемой цепи, к-е определяют угол j_Н (R и L) и f₀. а также от напряжения сети. Если L=0, то j_Н=0 (рис 3.11).

Отключение активной цепи ~ т. – наиболее лёгкий случай.

Индуктивная цепь: j_Н=90º. Отключение цепи облегчается, если снизить .

Способы снижения скорости нарастания восстанавливающегося напряжения:

Напряжение на контактах = напряжению на конденсаторе в схеме замещения Þ:

1. Чем С > в схеме замещения, тем медленнее заряжается к-р.Þ ¯. Поэтому С увеличивают, включая параллельно контактам реальный к-р.(используется для цепей НН).

2. R_ш¯ Þ С заряжается медленнее. Для этого параллельно контактам включают высокоомный резистор (для ВН).

При некоторых условиях периодич. процесс перейдёт в апериодический. На границе перехода ω₀=0, т.е. — критический случай.

1). – сопротивление цепи. .

Для надежности берут R_ш < R_ш.кр.

2). .

Дата добавления: 2015-07-11