Условия возникновения дугового разряда

Прежде чем рассматривать конструкцию коммутационных аппаратов, необходимо ознакомиться с основными процессами, происходящими в электрической дуге. Подробно явление разряда в газах, в том числе дуговой разряд, изучается в курсе «Защита объектов энергетики от перенапряжений».

При размыкании контактов в цепи высокого напряжения воз­никает электрический разряд в виде дуги. В дуге различают около­катодное пространство, ствол дуги и околоанодное пространство (рис.). Все напряжение распределяется между этими областями UK, Uсл, Ua. Катодное падение напряжения в дуге постоянного тока 10 — 20 В, а длина этого участка составляет 10 -4 —10 -5 см, таким образом, около катода наблюдается высокая напряженность

Рис. Распределение напряжения U(a) и напряженности Е (б) в стационарной дуге постоянного тока

электрического поля (10 5 — 10 6 В/см). При таких высоких напряженностях происходит ударная ионизация. Суть ее заключается и том, что электроны, вырванные из катода силами электричес­кого поля (автоэлектронная эмиссия) или за счет нагрева катода (термоэлектронная эмиссия), разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать один элек­трон с оболочки нейтрального атома, то произойдет ионизация. Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги. Проводимость плазмы приближается к проводимости металлов [γ = 2500 1/(Ом•см)]. В стволе дуги проходит большой ток и создается высокая температура. Плотность тока может достигать 10000 А/см 2 и более, а температура — от 6000 К при атмосферном давлении до 18000 К и более при повышенных давлениях.

Высокие температуры в стволе дуги приводят к интенсивной термоионизации, которая поддерживает большую проводимость плазмы. Термоионизация — процесс образования ионов за счет соударения молекул и атомов, обладающих большой кинетичес­кой энергией при высоких скоростях их движения. Чем больше ток в дуге, тем меньше ее сопротивление, а поэтому требуется меньшее напряжение для горения дуги, т. е. дугу с большим током погасить труднее.

При переменном токе напряжение источника питания uс меняется синусоидально, так же меняется ток в цепи i (рис. 10, а), причем ток отстает от напряжения примерно на 90°. Напряжение на дуге uд, горящей между контактами выключателя, непостоянно. При малых токах напряжение возрастает до величины ы3 (напряжения зажигания), затем по мере увеличения тока в дуге ироста термической ионизации напряжение уменьшается. В конце полупериода, когда ток приближается к нулю, дуга гаснет при напряжении гашения иг. В следующий полупериод явление повторяется, если не приняты меры для деионизации промежутка.

Рис. 10. Изменение тока и напряжения при гашении дуги переменного

тока: а — момент горения дуги; б — после гашения дуги

Если дуга погашена теми или иными способами, то напряжение между контактами выключателя должно восстановиться до напряжения питающей сети. Однако поскольку в цепи имеются индуктивные, активные и емкостные сопротивления, возникает переходный процесс, появляются колебания напряжения (рис. 10, б), амплитуда которых uBmax может значительно превышать нормальное напряжение. Для отключающей аппаратуры важно, с какой скоростью восстанавливается напряжение на участке АВ.

Подводя итог, можно отметить, что дуговой разряд начинается за счет ударной ионизации и эмиссии электронов с катода, а после зажигания дуга поддерживается термоионизацией в стволе дуги.

Гашение дуги

В отключающих аппаратах необходимо не только разомкнуть контакты, но и погасить возникшую между ними дугу.

В цепях переменного тока ток в дуге каждый полупериод проходит через нуль (рис. 10), в эти моменты дуга гаснет самопроизвольно, но в следующий полупериод она может возникнуть вновь. Как показывают осциллограммы, ток в дуге становится близким к нулю несколько раньше естественного перехода через нуль (рис. 11, а). Это объясняется тем, что при снижении тока энергия, подводимая к дуге, уменьшается, следовательно, уменьшается температура дуги и прекращается термоионизация. Длительность бестоковой паузы tn невелика (от десятков до нескольких сотен микросекунд), но играет важную роль в гашении дуги. Если разомкнуть контакты в бестоковую паузу и развести их с достаточной скоростью на такое расстояние, чтобы не произошел электрический пробой, то цепь будет отключена очень быстро.

Во время бестоковой паузы интенсивность ионизации сильно падает, так как не происходит термоионизации. В коммутационных аппаратах, кроме того, принимаются искусственные меры охлаждения дугового пространства и уменьшения числа заряженных частиц. Эти процессы деионизации приводят к постепенному увеличению электрической прочности промежутка uпр (рис. 11, б).

Резкое увеличение электрической прочности промежутка после перехода тока через нуль происходит главным образом за счет увеличения прочности околокатодного пространства (в цепях переменного тока 150 — 250 В). Одновременно растет восстанавливающееся напряжение uв. Если в любой момент uпр> ив промежуток не будет пробит, дуга е загорится вновь после перехода тока через нуль.

Рис. 11. Условия погасания дуги переменного тока:

а — погасание дуги при естественном переходе тока через нуль; б — рост электрической прочности дугового промежутка при переходе тока через нуль

Если в какой-то момент и’пр = uв, то происходит повторное зажигание дуги в промежутке.

Таким образом, задача гашения дуги сводится к созданию таких условий, чтобы электрическая прочность промежутка между контактами uпр была больше напряжения между ними ив.

Процесс нарастания напряжения между контактами отключаемого аппарата может носить различный характер в зависимости от параметров коммутируемой цепи. Если отключается цепь с преобладанием активного сопротивления, то напряжение восстанавливается по апериодическому закону; если в цепи преобладает индуктивное сопротивление, то возникают колебания, частоты которых зависят от соотношения емкости и индуктивности цепи. Колебательный процесс приводит к значительным скоростям вос­становления напряжения, а чем больше скорость duB/dt, тем вероятнее пробой промежутка и повторное зажигание дуги. Для облегчения условий гашения дуги в цепь отключаемого тока вводятся активные сопротивления, тогда характер восстановления напряжения будет апериодическим (рис. 11, б).

В статье узнаете что такое электрическая дуга, вспышка, как она появляется, историю происхождения, а также ее опасность, что происходит во время электрической дуги и как себя обезопасить.

Электробезопасность имеет первостепенное значение для поддержания любого эффективного и производительного объекта, и одной из самых серьезных угроз для безопасности работников является электрическая дуга и вспышка дуги. Советуем вам статье предотвращение поражения электрическим током.

Электрические пожары приводят к катастрофическим повреждениям, а в промышленных условиях они часто бывают вызваны электрическими дугами того или иного типа. В то время как некоторые типы электрических дуг трудно не заметить, «вспышка дуги громкая и сопровождается большим ярким взрывом», некоторые электрические дуги, такие как дуговой разряд, более тонкие, но могут быть столь же разрушительными. Неисправности дуги часто являются причиной электрических пожаров в жилых и коммерческих зданиях.

Проще говоря, электрическая дуга — это электрический ток, который намеренно или непреднамеренно разряжается через зазор между двумя электродами через газ, пар или воздух и создает относительно низкое напряжение на проводниках. Тепло и свет, производимые этой дугой, обычно интенсивны и могут использоваться для специальных применений, таких как дуговая сварка или освещения. Непреднамеренные дуги могут иметь разрушительные последствия, такие как: пожары, опасность поражения электрическим током и повреждение имущества.

Читайте также:  Кран маевского цена в леруа мерлен

Электрическая дуга

Электрическая дуга история происхождения

В 1801 году британский химик и изобретатель сэр Хэмфри Дэви продемонстрировал электрическую дугу своим товарищам в Лондонском королевском обществе и предложил название — электрическая дуга. Эти электрические дуги, выглядят как неровные удары молнии. За этой демонстрацией последовали дальнейшие исследования электрической дуги, показал русский ученый Василий Петров в 1802 году. Дальнейшие успехи в ранних исследованиях электрической дуги позволили получить такие важные в отрасли изобретения, как дуговая сварка.

По сравнению с искрой, которая является только мгновенной, дуговой разряд представляет собой непрерывный электрический ток, который выделяет так много тепла от несущих зарядов ионов или электронов, что он может испарять или плавить что-либо в пределах диапазона дуги. Дуга может поддерживаться в электрических цепях постоянного или переменного тока, и она должна включать в себя некоторое сопротивление, чтобы повышенный ток не оставался без контроля и полностью разрушал фактический источник цепи с его потреблением тепла и энергии.

Практическое применение

При правильном использовании электрические дуги могут иметь полезные цели. На самом деле, каждый из нас выполняет ряд ежедневных задач благодаря ограниченному применению электрических дуг.

Электрические дуги используются в:

  • вспышках камер
  • прожекторах для освещения сцены
  • люминесцентного освещения
  • дуговой сварки
  • дуговых печах (для производства стали и таких веществ, как карбид кальция)
  • плазменных резаках (в которых сжатый воздух объединяется с мощной дугой и преобразуется в плазму, которая имеет способность мгновенно разрезать сталь).

Опасность электрической дуги

Электрические дуги также могут быть чрезвычайно опасными, если они не преднамеренны в использовании. Ситуации, когда электрическая дуга создается в неконтролируемой среде, как в случае вспышки дуги, могут привести к травмам, смерти, пожару, повреждению оборудования и потере имущества.

Чтобы защитить работников от электрических дуг, компании должны использовать следующие продукты дуговой вспышки, чтобы уменьшить вероятность возникновения электрических дуг и уменьшить ущерб в случае их возникновения лучше использовать

Перчатки с защитным дуговым разрядом — эти перчатки предназначены для защиты рук от поражения электрическим током и сведения к минимуму травм в случае электрического проишествия.

Дуговая вспышка определение

Определение дуговых вспышек — нежелательный электрический разряда, который проходит через воздух между проводниками или из проводника к земле. Вспышка дуги является частью дугового разряда, который является примером электрического взрыва, вызванного соединением с низким импедансом, которое проходит через воздух к земле.

Когда возникает дуговая вспышка, она создает очень яркий свет и интенсивное тепло. Кроме того, он может создать дугу, которая может вызвать травмирующую силу, которая может серьезно ранить кого-либо в этом районе или повредить что-либо поблизости.

Что происходит во время вспышки дуги

Вспышка дуги начинается, когда электричество покидает намеченный путь, и начинает распространяться по воздуху в направлении заземленной зоны. Как только это происходит, он ионизирует воздух, что еще больше снижает общее сопротивление вдоль пути, по которому идет дуга. Это помогает привлечь дополнительную электрическую энергию.

Дуга будет двигаться таким образом, чтобы найти ближайшее расстояние к земле. Точное расстояние, которое может пройти вспышка дуги, называется границей вспышки дуги. Это определяется потенциальной энергией и множеством других факторов, таких как температура воздуха и влажность.

При работе по повышению безопасности вспышки дуги, установка будет часто отмечать границу вспышки дуги, используя клейкую ленту для пола. Любой, кто работает в этой области, должен будет носить средства индивидуальной защиты (СИЗ).

Потенциальная температура дуговой вспышки

Одной из самых больших опасностей, связанных с вспышкой дуги, является чрезвычайно высокая температура, которую она может создать. В зависимости от ситуации, они могут достигать высоких температур в 35000 градусов по Фаренгейту или 19426.667 градусов Цельсия. Это одна из самых высоких температур в мире, которая примерно в 4 раза выше, чем на поверхности Солнца.

Даже если фактическое электричество не касается человека, тело человека получит колоссальные повреждения, если он находится рядом с ним. В дополнение к прямым ожогам, эти температуры могут что-то поджечь в этом районе.

Как выглядит вспышка электрической дуги

Следующее видео показывает, насколько быстрой и взрывной может быть вспышка дуги. На этом видео показана управляемая вспышка дуги с «испытательным манекеном»:

Как долго длится вспышка электрической дуги

Вспышка дуги может длиться где-то от доли секунды до нескольких секунд, в зависимости от ряда факторов. Большинство вспышек дуги не длятся очень долго, потому что источник электричества быстро отключается автоматическими выключателями или другим защитным оборудованием.

Самые современные системы в настоящее время используют устройства, известные как элиминаторы дуги, которые обнаруживают и гасят дугу всего за несколько миллисекунд.

Однако, если система не имеет какого-либо типа защиты, вспышка дуги будет продолжаться до тех пор, пока поток электричества не прекратится физически. Это может произойти, когда работник физически отключает электричество от зоны или когда повреждение, вызванное вспышкой дуги, становится достаточно серьезным, чтобы каким-то образом остановить поток электричества.

Посмотрите на реальный пример дуговой вспышки, которая продолжается в течение длительного периода времени, в следующем видео. К счастью, люди на видео были одеты в свои средства индивидуальной защиты и остались без травм. Мощный взрыв, громкий шум, яркий свет и огромная температура — все это чрезвычайно опасно.

Потенциал повреждения от вспышки электрической дуги

Из-за высоких температур, интенсивных взрывов и других результатов дуговой вспышки, дуговые вспышки могут очень быстро нанести большой ущерб. Понимание различных типов повреждений, которые могут возникнуть, может помочь предприятиям планировать свои обязанности по обеспечению безопасности.

Потенциальный ущерб собственности

  • Тепло — тепло от дуговой вспышки может легко расплавить металл, что может повредить дорогостоящие машины и другое оборудование.
  • Пожар — тепло от этих вспышек может быстро привести к пожару, который может распространиться через объект, если его не остановить.
  • Взрывы — дуговой удар, который может возникнуть в результате дуговой вспышки, может разбить окна, расколоть дерево в этой области, погнуть металл и многое другое. Все, что хранится в радиусе взрыва дуги, может быть повреждено или уничтожено за считанные секунды.

Потенциальная травмы человека от вспышки электрической дуги

  • Ожоги — ожоги второй и третьей степени могут возникнуть в доли секунды, когда кто-то находится вблизи вспышки дуги.
  • Удар током — если вспышка дуги проходит через человека, он получит удар, как на электрическом стуле. В зависимости от силы тока, этот удар может быть смертельным.
  • Слуховое повреждение — дуговые вспышки могут вызывать очень громкие шумы, которые могут привести к необратимому повреждению слуха тех, кто находится в этом районе.
  • Повреждение зрения — Дуговые вспышки могут быть очень яркими, что может привести к временному или даже долговременному повреждению глаз.
  • Ущерб от взрыва дуги — Взрыв дуги может создать силу, которая составляет тысячи фунтов на метр. Это может сбить человека с ног на несколько метров. Это также может вызвать переломы костей, коллапс легких, сотрясение мозга и многое другое.
Читайте также:  Лампы люминесцентные компактные энергосберегающие со встроенным пра

Ношение средств индивидуальной защиты может обеспечить значительную степень защиты, но не может устранить все риски. Сотрудники, которые присутствуют при возникновении дуговой вспышки, всегда находятся под угрозой, независимо от того, какие СИЗ они носят.

Потенциальные причины вспышки электрической дуги

Вспышки дуги могут возникать по разным причинам. В большинстве случаев основной причиной будет поврежденный элемент оборудования, такой как провод. Это также может быть результатом того, что кто-то работает над оборудованием, что позволяет электричеству выходить с пути, к которому он обычно привязан.

Даже когда есть потенциальный путь за пределами проводки, электричество будет идти по пути наименьшего сопротивления. Вот почему вспышка дуги не обязательно произойдет, как только что-то будет повреждено или появится альтернативный путь. Вместо этого электричество будет продолжать идти по намеченному пути, пока не станет доступен другой вариант с меньшим сопротивлением.

Вот некоторые вещи, которые могут создать путь с меньшим сопротивлением и, следовательно, вызвать вспышку дуги:

  • Пыль — в пыльных местах электричество может начать проходить через проводку или другое оборудование через пыль.
  • Уроненные инструменты — например, если инструмент упал на провод, он может повредить его и пропустить электричество в инструмент. Оттуда он должен найти другой путь, чтобы продолжить свое движение.
  • Случайное прикосновение — если человек касается поврежденной области, электричество может распространяться через его тело.
  • Конденсация — когда образуется конденсат, электричество может выходить из проводки через воду, и тогда возникнет дуга.
  • Отказ материала — Если провод поврежден до точки, в которой возникли проблемы с прохождением электричества, путь может быть более устойчивым, чем выход за пределы провода.
  • Коррозия — Коррозия может создать путь за пределами проволоки, после чего возникает вспышка дуги.
  • Неправильная установка — Если оборудование установлено неправильно, это может затруднить или сделать невозможным для электричества следовать по намеченному пути, что может вызвать вспышку дуги.

Предотвращение вспышек электрической дуги

Первый шаг в безопасности вспышки дуги сводит к минимуму риск возникновения. Это можно сделать, выполнив оценку электрического риска, которая может помочь определить, где находятся самые большие опасности на объекте. IEEE 1584 является хорошим вариантом для большинства объектов и поможет выявить общие проблемы.

Регулярные проверки всего высоковольтного оборудования и всей проводки являются еще одним важным шагом. Если есть какие-либо признаки коррозии, повреждения проводов или другие проблемы, их следует устранить как можно скорее. Это поможет безопасно хранить электрические токи внутри машин и проводов.

Некоторые конкретные области, которые должны быть проверены, включают в себя любые электрические распределительные щиты, щиты управления, панели управления, корпуса розеток и центры управления двигателями.

Надлежащая маркировка

В любом месте на объекте, где могут существовать высокие электрические токи, должны быть надлежащим образом отмечены предупреждающими метками дуги. Они могут быть приобретены предварительно изготовленными или распечатаны на любом промышленном принтере этикеток по мере необходимости. В статье 110.16 Национального электротехнического кодекса четко указано, что этот тип оборудования должен иметь маркировку для предупреждения людей о рисках.

Обесточивающее оборудование при выполнении технического обслуживания

Всякий раз, когда машина требует какой-либо работы, она должна быть полностью обесточена. Обесточивание машины — это больше, чем просто выключение. Все машины должны быть отключены и физически отключены от любого источника питания. После отсоединения следует также проверить напряжение, чтобы убедиться, что скрытая энергия не накапливалась.

В идеале должна существовать политика блокировки, которая установит физическую блокировку источника питания, чтобы его нельзя было случайно подключить обратно, пока кто-то работает на машине.

Предохранители

По возможности, автоматические выключатели должны быть установлены на всех машинах. Эти автоматические выключатели быстро обнаружат внезапный скачок напряжения и немедленно остановят поток. Даже при использовании автоматических выключателей может возникнуть дуговая вспышка, но она будет длиться лишь часть времени, так как электрический ток будет отключен.

Однако даже очень короткая вспышка дуги может привести к смертельному исходу, поэтому автоматические выключатели не должны рассматриваться как достаточная программа обеспечения безопасности вспышки дуги.

Стандарты безопасности

Все объекты должны учитывать различные стандарты безопасности при использовании дуговых вспышек, которые были установлены государственными и частными учреждениями. Определение того, какие стандарты должны соблюдаться, может помочь обеспечить соответствие объекта местным правилам и нормам, а также обеспечить безопасность объекта.

Ниже приведены наиболее распространенные стандарты безопасности дуговой электрической вспышки:

  • OSHA — OSHA имеет несколько стандартов, в том числе 29 CFR частей 1910 и 1926. Эти стандарты охватывают требования для производства, передачи и распределения электроэнергии.
  • Национальная ассоциация противопожарной защиты (NFPA) — стандарт NFPA 70-2014 , Национальный электротехнический кодекс (NEC) относится к безопасной электрической установке и практике. Стандарт NFPA 70E , Стандарт электробезопасности на рабочем месте, детализирует различные требования к предупредительным надписям, включая предупредительные надписи, касающиеся дуговых вспышек и дуговых взрывов. Он также предлагает рекомендации по внедрению лучших практик на рабочем месте, чтобы помочь сотрудникам, работающим с высоковольтным оборудованием, быть в безопасности.
  • Канадская ассоциация стандартов Z462 — Это очень похоже на стандарты NFPA 70E, но применимо для канадских компаний.
  • Лаборатории страховщиков Канады — этот набор стандартов предназначен для любой ситуации, когда производится, передается или распределяется электроэнергия, и охватывает требования безопасности. Аналогично стандартам OSHA, но для Канады.
  • IEEE 1584 — это набор руководящих принципов для точного расчета опасности дуговых вспышек.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

Размыкание электрических цепей коммутирующими устройствами обычно сопровождается возникновением электрической дуги. В тяговых аппаратах дуга появляется при размыкании под током силовых цепей, а также цепей управления, особенно с большими индуктивностями.

Электрическая дуга представляет собой процесс прохождения тока в среде ионизированных газов при термическом характере их ионизации [28]. Ствол дуги — это поток ионов, заряженных в основном отрицательно. Ствол можно рассматривать как своеобразный проводник, обладающий многими свойствами газов и, прежде всего, незначительной связью между отдельными частицами. Поэтому ствол легко деформируется под воздействием различных внешних факторов.

Дуговой разряд в газовой среде характеризуется:

  • 1) высокой плотностью тока в дуговом стволе (десятки-сотни А/мм 2 );
  • 2) высокой температурой газа внутри дугового столба (у катода 6000-8000 К).

Для возникновения дуги необходима ионизация воздуха между контактами. В момент размыкания контактов воздух ионизируют электроны, вылетающие из катода вследствие термоэлектронной эмиссии, поскольку металл контактов в зоне жидкого мостика нагрет до высокой температуры. Под действием напряжения, действующего между контактами, электроны устремляются к аноду и выбивают из атомов воздуха электроны, превращая их в ионы. Этот процесс, называемый ударной ионизацией, протекает лавинообразно. Образовавшиеся ионы перемещаются к катоду и создают около него электрическое поле, под действием которого из металла катода также вырываются электроны. Это явление называется автоэлек- тронной эмиссией.

При горении дуги одновременно с ионизацией происходит рекомбинация, в результате которой электроны и положительные ионы образуют нейтральные атомы. В установившемся режиме горения дуги между процессами ионизации и рекомбинации существует равновесие. При снижении интенсивности ионизации (например, при охлаждении ствола дуги) начинает преобладать рекомбинация, число ионов и электронов уменьшается — и дуга гаснет.

Читайте также:  Маленькая черная букашка дома

Канал дуги условно делят на три зоны (рис. 9.6):

  • 1) катодная зона; падение напряжения в этой зоне UK3 = 12— 13 В, напряженность электрического поля ЕСТ до 40 000 В/см;
  • 2) ствол дуги; напряженность электрического поля Ест = 8— 100 В/см.
  • 3) анодная зона; падение напряжения в этой зоне Ua = 10— 11 В.

Общее падение напряжения на дуге

где UCT падение напряжения на стволе дуги;

Диаметры ствола dR зависят от условий горения дуги и поэтому сильно различаются. Так, при неподвижной свободной дуге, мм,

где I — ток цепи дуги.

Зависимость напряжения U от тока цепи дуги / называется волыпамперной характеристикой дуги. Различают статическую и динамическую вольтамперные характеристики дуги.

Рис. 9.6. Зоны электрической дуги

Статическая вольтамперная характеристика дуги соответствует ее установившемуся состоянию при постоянной длине дуги ЬСТ и постоянной поперечной скорости дуги (рис. 9.7).

Рис. 9.7. Расчетная схема (а) и вольт-ам- перные характеристики дуги (б) статические характеристики — при различной длине ствола (/); динамическая характеристика при активном сопротивлении цепи дуги (2)

Обычно приходится иметь дело с динамическими характеристиками. Динамическая вольт-амперная характеристика дуги соответствует ее неустойчивому состоянию, когда скорость изменения тока (обычно его снижение), не позволяет установить в ней тепловой баланс. Динамическая характеристика дуги зависит прежде всего от параметров цепи, в которой дуга возникает. Так, при отсутствии или пренебрежимо малом значении индуктивности выключаемой цепи подведенное к ней напряжение (рис. 9.7, а)

I

где R — активное сопротивление коммутируемой цепи.

Наибольший ток будет перед размыканием цепи / =U / R

(рис. 9.7, о). Падение напряжения в дуге с/д изменяется по линейному закону, что определяется характером падения напряжения на сопротивлении R. Таким образом, при активном сопротивлении цепи динамическая вольтамперная характеристика дуги имеет вид прямой. Она пересекает все статические характеристики, которые расположены ниже нее, т.е. в процессе выключения дуги она может иметь длины, соответствующие любой из пересекаемых статических характеристик.

Предельно возможная — критическая— длина дуги LKp соответствует точке соприкосновения статической и динамической характеристик. Очевидно, что значение LKp будет изменяться при изменении UH и R.

Реальная коммутируемая цепь, как правило, содержит индуктивность, которую не учитывать нельзя. В этом случае напряжение на коммутируемой цепи (рис. 9.7, а)

4*, L — соответственно потокосцепление и индуктивность коммутируемой цепи / — мгновенное значение тока цепи.

Если можно считать, что индуктивность коммутируемой цепи

остается постоянной, е =-L—.

Величина ек оказывает большое влияние на процесс коммутации цепи, одновременно повышая динамические вольтамперные характеристики дуги (рис. 9.8). За счет ЭДС самоиндукции возможно

U >U , что соответствует коммутационному перенапряжению.

На основании вышеизложенного 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 ек было большим, что обеспечивает интенсивное удлинение дуги и повышение гра-

Рис. 9.8. Статические вольт-амперыые характеристики дуги при различной длине ствола (/); динамическая вольт-амперная характеристика дуги при активном сопротивлении цепи дуги (2) и при реактивном сопротивлении цепи (3)

диента падения напряжения в ней. В конце процесса выключения следует снижать значение ек.

Увеличение индуктивности в цепи дуги повышает ее критическую длину LKp, что обычно соответствует большему выделению энергии в ней.

Рис. 9.9. Принципиальная схема шунтирования дуги резистором

Коммутационные свойства аппаратов постоянного и пульсирующего тока (в цепи возбуждения тягового генератора) можно существенно повысить, шунтируя дугу резистором (рис. 9.9). При этом одновременно снижаются коммутационные перенапряжения в цепи. После размыкания контакта контактора 1 падение напряжения на сопротивление Яш такое же, как и в дуге Д, а общий ток цепи / разделяется на ток дуги /д и ток шунта /ш.

Возникающая при коммутации ЭДС вытесняет ток в цепь шунта, что существенно ускоряет гашение дуги.

Окончательно цепь может быть разомкнута контактом контактора 2 при меньших токах и напряжениях.

При размыкании низковольтных цепей необходимая вольтампер- ная характеристика дуги получается путем регулирования величины раствора контактов.

Для надежного гашения дуги контактов, размыкающих цепи с большими значениями тока и напряжения, длина дуги настолько велика, что не представляется возможным выполнить необходимый раствор контактов. В этом случае применяют специальные дугогасящие устройства, обеспечивающие удлинение и охлаждение дуги — дугогасительные камеры.

Дугогасящее устройство с целью уменьшения износа контактов должно обеспечивать надежное и быстрое гашение дуги. Однако время гашения дуги должно быть таким, чтобы перенапряжения на контактах не превышали допустимого напряжения по электрической прочности изоляции аппарата и цепи. Обычно время гашения дуги составляет от нескольких сотых секунды до 0,1 с.

Основные методы гашения дуги при коммутации контактов:

  • 1) растягивание ствола дуги расходящимися контактами;
  • 2) перемещение и удлинение ствола дуги внешним магнитным полем, создаваемым специальными системами магнитного дутья;

Рис. 9.10. Переходной процесс размыкания цепи постоянного тока контактами:

в трансформаторном масле; –

контакты, оборудованные щелевой охлаждающей камерой

  • 3) охлаждение дуги в щелевых камерах, выполненных из термостойкого изоляционного материала, куда дуга затягивается внешним магнитным полем;
  • 4) разбиение ствола дуги металлическими пластинами на ряд коротких участков, в результате чего растет напряжение на дуге и улучшаются условия теплоотвода от нее;
  • 5) помещение контактов в трансформаторное масло;
  • 6) выдувание дуги с контактов струей сжатого воздуха;
  • 7) помещение контактов в вакуум.

На рис. 9.10 приведены переходные процессы в цепях, отключаемых контактами с разными дугогасительными устройствами. Из них следует, что использование масляных выключателей в цепях постоянного тока недопустимо из-за больших перенапряжений; масляные выключатели могут применяться в цепях переменного тока, где иные условия гашения дуги.

Рис. 9.11. Электромагнитное дугогасительное устройство:

1 — главные контакты; 2 — дугогасительная катушка; 3 — сердечник катушки; 4 — дугогасительные рога; 5 — стальные полюсные наконечники

У тепловозных низковольтных коммутационных аппаратов гашение дуги выполняется растягиванием ее ствола расходящимися контактами; у силовых контакторов — удлинением ствола дуги внешним магнитным полем, создаваемым дугогасительной катушкой и охлаждением дуги в щелевых камерах.

Дугогасительная катушка (катушка магнитного дутья) 2 включается в цепь тока, разрываемого главными контактами 1 контактора (рис. 9.11). Стенки дугогасительной камеры имеют стальные полюсные наконечники 5, замкнутые сердечником катушки 3. Между полюсами возникает магнитное поле, направление которого выбирают таким, чтобы дуга вытеснялась в дугогасительные рога 4. Под действием магнитного дутья и потоков нагретого воздуха внутри камеры электрическая дуга перемещается к концам дугогасительных рогов, удлиняясь и охлаждаясь, что приводит к быстрому ее гашению. Число витков дугогасительной катушки определяется зависимостью:

где Вк — магнитная индукция в зоне контактов (при расчете параметров катушки принимается не более 0,01 Тл);

/к — длина воздушного зазора (ширина дугогасительной камеры), м;

ц = 4п-10 -7 Гн/м — абсолютная магнитная проницаемость воздуха;

/ — номинальный ток контактов, А.

Дугогасительные камеры изготовляют из материалов, обладающих высокой теплостойкостью и хорошими изолирующими свойствами. Они препятствует распространению электрической дуги на близко расположенные металлические части. Чтобы ускорить гашение дуги, дугогасительную камеру разделяют перегородками.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock detector