Меню

Условия гашения дуги в аппаратах переменного тока

Условия гашения дуг переменного тока

date image2018-02-14
views image1234

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

При горении дуги переменного тока в течение каждого полупериода имеют место такие же физические процессы, что и в дуге постоянного тока. В начале полупериода напряжение на дуге возрастает по синусоидальному закону до значения напряжения зажигания Uз — участок 0—а (рис. 304,б), а затем после возникновения дуги падает по мере возрастания тока — участок а — b. Во вторую часть полупериода, когда ток начинает снижаться, напряжение на дуге вновь возрастает до значения напряжения гашения Uг при спаде тока до нуля — участок b — с.

В течение следующего полупериода напряжение меняет знак и по синусоидальному закону возрастает до значения напряжения зажигания, соответствующего точке а’ вольт-амперной характеристики. По мере роста тока напряжение снижается, а затем вновь повышается при снижении тока. Кривая напряжения дуги, как видно из рис. 304, б, имеет форму срезанной синусоиды. Процесс деионизации заряженных частиц в промежутке между контактами продолжается лишь незначительную долю периода (участки 0 — а и с —а’) и, как правило, за это время не заканчивается, в результате чего дуга возникает снова. Окончательное гашение дуги будет иметь место только после ряда повторных зажиганий во время одного из последующих переходов тока через нуль.

Возобновление дуги после перехода тока через нуль объясняется тем, что после спада тока к нулевому значению ионизация, существующая в стволе дуги, исчезнет не сразу, так как она зависит от температуры плазмы в остаточном стволе дуги. По мере уменьшения температуры возрастает электрическая прочность межконтактного промежутка. Однако если в какой-то момент времени мгновенное значение приложенного напряжения будет больше пробивного напряжения промежутка, то произойдет его пробой, возникнет дуга и потечет ток другой полярности.

Дуга переменного тока обычно гасится легче, чем дуга постоянного тока. Чтобы погасить дугу постоянного тока, надо насильственно свести к нулю ток цепи путем непрерывного увеличения сопротивления дугового столба (практически до бесконечности). При переменном токе этого делать не требуется: здесь через каждый полу период ток естественным путем проходит через нулевое значение, и надо лишь воспользоваться этим обстоятельством и создать вблизи перехода через нуль такие условия в межконтактном промежутке, чтобы протекание тока цепи вслед за этим переходом не возобновлялось. Поэтому условия гашения дуги переменного тока следует трактовать иначе, чем условия гашения дуги постоянного тока. Исключением может быть лишь открытая дуга переменного тока в установках высокого напряжения, когда определяющим фактором является активное сопротивление сильно растянутого дугового столба. Тогда условия гашения дуги переменного тока по существу становятся близкими к условиям гашения дуги при постоянном токе. В другом крайнем случае сопротивление столба дуги во время ее горения практически не влияет на процесс ее гашения (в условиях активной деионизации), и тогда при определении условий гашения дуги рассматривается взаимозависимость процессов за переходом тока через нуль. Но существует и третий случай, когда при оценке условий гашения дуги надо считаться как с влиянием активного сопротивления столба дуги, так и учитывать характер протекания процессов за нулем тока.

Источник

13 Горения и гашения дуги переменного тока

9. Горения и гашения дуги переменного тока: в условиях активной деионизации, высокого напряжения, низкого напряжения.

УСЛОВИЯ ГАШЕНИЯ ДУГ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Дуга переменного тока обычно гасится легче, чем дуга постоянно­го тока. Чтобы погасить дугу постоянного тока, надо насильственно свести к нулю ток цепи путем непрерывного увеличения сопротивле­ния дугового столба (практически до бесконечности). При перемен­ном токе этого делать не требуется: здесь через каждый полу период ток естественным путем проходит через нулевое значение, и надо лишь воспользоваться этим обстоятельством и создать вблизи пере­хода через нуль такие условия в межконтактном промежутке, чтобы протекание тока цепи вслед за этим переходом не возобновлялось. Поэтому условия гашения дуги переменного тока следует трактовать иначе, чем условия гашения дуги постоянного тока. Исключением может быть лишь открытая дуга переменного тока в установках вы­сокого напряжения, когда определяющим фактором является актив­ное сопротивление сильно растянутого дугового столба. Тогда усло­вия гашения дуги переменного тока по существу становятся близки­ми к условиям гашения дуги при постоянном токе. В другом крайнем случае сопротивление столба дуги во время ее горения практически не влияет на процесс ее гашения (в условиях активной деионизации), и тогда при определении условий гашения дуги рассматривается вза­имозависимость процессов за переходом тока через нуль. Но сущест­вует и третий случай, когда при оценке условий гашения дуги надо считаться как с влиянием активного сопротивления столба дуги, так и учитывать характер протекания процессов за нулем тока.

Перейдем к рассмотрению этих трех случаев.

А. Открытая дуга переменного тока при высоком напряжении источника

Открытая дуга переменного тока в моменты перехода тока через нуль сохраняет высокую проводимость, и поэтому в установках высокого напряжения гашение открытой дуги происходит не вслед­ствие перехода через нуль и образования прочности промежутка, а главным образом вследствие растяжения дугового столба и обра­зования на нем высокого напряжения горения (на всем протяжении полупериода). При таком режиме ток в цепи начинает заметно падать за несколько периодов до полного обрыва дуги и причиной его ог­раничения является возрастание сопротивления канала дуги.

При определенной длине дуги переменного тока напряжение сети оказывается недостаточным для поддержания горения дуги (критическая длина), наступает нарушение баланса мощностей (подводимой и отдаваемой), и ток цепи довольно быстро уменьша­ется и, наконец, совсем прекращается.

На рис. 9.1 приведена осциллограмма тока и напряжения на дуге переменного тока, возникшей при размыкании ножа разъедини­теля высокого напряжения.

Рис. 9.1. Осциллограмма тока и напряжения от­крытой дуги при высоком напряжении источника

Читайте также:  Прерыватель питания ппбр 2 220в постоянного тока

В начале процесса, как можно видеть, ток в цепи меняется очень слабо и его величина определяется главным образом сопротивлением цепи. По мере же растяжения дуги доминирующим становится со­противление дуги.

Таким образом, если в основу анализа процесса гашения откры­той дуги переменного тока положить условие нарушения баланса напряжений при горении дуги (но не в нулевые переходы тока), то задача может быть сведена по существу к той же самой, которая возникает и при гашении дуги постоянного тока.

Для этой цели сделаем допущение, что статическая вольтамперная характеристика дуги при постоянном токе отражает зависи­мость между напряжением на дуге при переменном токе в момент максимума тока от амплитуды тока (амплитудная характеристика). Также предположим, как это мы делаем в случае постоянного тока, что для цепи переменного тока, содержащего только активное со­противление, можно принять то же условие устойчивости горения дуги, т. е.

(9.1)

где Um — амплитудное значение напряжения источника (сети):

амплитуда тока в цепи с дугой;

напряжение па дуге в момент максимума тока

Если так же, как и ранее, предположить, что напря­жение при максимуме тока связывается с амплитудой тока уравне­нием

(9.2)

то критическая длина дуги может быть представлена

гдеамплитудное значение тока в цепи, ограниченного только собственным сопротивлением цепи R (дуговой промежуток замкнут накоротко). Если положить, для воздуха и относительно небольших токов как и ранее, С = 80 и а = 0,5 и выразить ток и напряжение в дей­ствующих значениях, то для цепи, содержащей только активное сопротивление (безиндуктивная цепь), получим

(9.2)

где действующее значение критического тока, А;

действующее значение тока цепи при закороченном

ду­говом промежутке, А;

действующее значение напряжения сети, кВ
критическая длина дуги, м
При растянутой дуге напряжение на дуговом промежутке приближается к синусоидальному, поэтому для ориентировочных рас­четов можно сделать допущение о синусоидальности напряжения на дуге, что позволяет баланс напряжений для цепи содержащей индуктивное сопротивление и сопротивление столба дуги представить так:

(9.3)

Используя опять уравнение вольтамперной характеристики дуги и решая задачу в отношении критической длины дуги и кри­тического тока, получим после подстановки для частного случая С = 80 и а = 0 5 по­лучим’

(9.1)

где ток выражен в амперах; напряжение в киловольтах; lкр — в метрах.

Из сопоставления формул можно видеть, что в цепях с индуктивным сопротивлением критический ток и крити­ческая длина дуги имеют более высокие значения по сравнению со значениями этих величин в цепи с чисто активным сопротив­лением.

Приведенные формулы не учитывают ряда факто­ров, имеющих влияние на процесс гашения дуги (расположение электродов, ветровые условия и пр.), и могут служить лишь для ориентировочных расчетов критических токов и критических длин дуг при их угасании в установках высокого напряжения.

Б. Дуга переменного тока в условиях активной деионизации

Если столб дуги переменного тока подвергается интенсивной деионизации, то в этом случае механизм гашения дуги существенно меняется по сравнению с предыдущим (открытая дуга в цепи высо­кого напряжения). За счет активного воздействия газовой или жидкой среды диаметр дугового канала сокращается (плотность тока повышается) и изменение его следует почти синхронно с током.

При подходе тока к нулю дуговой столб приобретает весьма ма­лые размеры и благодаря этому быстро распадается после достиже­ния током нулевого значения, теряет свою проводимость и приобретает заметную электрическую прочность. В таком случае восстановление дуги в следующий полупериод связано с пробоем межконтактного промежутка. Эти условия характерны для отключающих ап­паратов относительно высокого напряжения.

Таким образом, дуга переменного тока в условиях активной деионизации дугового столба представляет собой такое явление, когда при каждом переходе тока через нуль возникает соревнова­ние двух процессов, а именно: процесса восстановления электри­ческой прочности промежутка и процесса восстановления напря­жения на промежутке. Исходя из такой трактовки процесса, не­трудно заключить, что для угасания дуги переменного тока при интенсивной деионизации необходимо обеспечить такой режим, при котором электрическая прочность дугового промежутка после достижения током его нулевого значения нарастала бы достаточно быстро и достигала бы достаточного уровня.

На рис. 9.2 показано изменение тока в цепи и напряжения на дуге, подвергающейся интенсивной деионизации, но все же горя­щей устойчиво в течение нескольких полупериодов. Как видно из этого рисунка, после первого и второго переходов тока через нуль напряжение на дуговом промежутке достигает относительно высо­ких значений пиков напряжения зажигания U3, при которых возникает зажигание дуги в последующий период. В процессе протека­ния тока наблюдается задержка на нуле (ожидание пробоя). Эти задержки в токе на нуле могут быть большей или меньшей величины в зависимости от существующих условий в цепи (сдвига фаз между током и напряжением, величины напряжения, действующего в цепи, постоянных контура L, С и R).

Если обратиться снова к рис. 9.2, можно установить, что после третьего перехода через нуль прекратилось протекание тока по цепи, т. е. дуга погасла, а на межконтактном промежутке вы­ключателя полностью восстано­вилось напряжение, развивае­мое источником (рис. 9.2, а). Сдвиг фаз между током и напря­жением при этом принят близ­ким к 90°. Как можно видеть из рисунка, при активной деионизации дуги пики напряжения зажигания ее обычно значительно превосходят по своей величине напряжение горения дуги. Таким образом, в отличие от открытой дуги, напряжение горения UД не является опреде­ляющей величиной при оценке условий угасания дуги.

Из рис. 9.2 также видно, что при первом переходе тока через нуль пик напряжения на дуге несколько меньше напря­жения источника, и дуга легко зажигается вновь. При втором переходе тока через нуль, пик напряжения зажигания дуги несколько превышает напря­жение зажигания при первом переходе тока через нуль, но все же дуга зажигается. При восстановлении напряжения на проме­жутке после третьего перехода через нуль возникают колебания, вследствие чего напряжение на нем существенно превосходит напряжение источника (в данном рассмотрении амплитуду напря­жения).

Рис.9.2 .Процессы при гашении дуги переменного тока

Теоретически, если пренебречь пиком гашения дуги и затуханием колебаний (контур без потерь), амплитудное значе­ние восстанавливающегося напряжения на дуговом промежутке может достигнуть двойной величины. При третьем переходе тока через нуль прочность промежутка достигает такой величины, что пик восстанавливающегося напряжения U оказывается недостаточным, чтобы вызвать повторное зажигание дуги, и цепь обрывается окончательно. Напряжение на промежутке в своем переход­ном режиме совершает ряд колебаний и далее меняется с рабочей частотой.

При оценке жесткости сети обычно подразумевают идеальный выключатель, т. е. полагают, что напряжение на дуге равно нулю, а после перехода тока через нуль сопротивление промежутка становится сразу равным бесконечности. При таком предположении восстановление напряжения на выключателе начинается с нуля, а не с пика гашения, и на затухание восстанавливаю­щегося напряжения оказывает влияние только сопротивление цепи.

Существенно важной величиной при оценке жесткости сетей является коэффициент превышения амплитуды, представляющий собой отношение максимальной величины восстанавливающегося напряжения Uвт к мгновенному значению напряжения источника в момент перехода тока через нуль.

Таким образом, условие гашения дуги переменного тока при активной деионизации промежутка может быть сформулировано следующим образом: если после перехода тока через нуль прочность промежутка нарастает быстрее и остается все время выше, чем восстанавливающееся напряжение на выключателе, то процесс закан­чивается угасанием дуги.

При несоблюдении этого условия наступают повторный пробой и восстановление дуги.

В. Дуга переменного тока в условиях отключения цепей низкого напряжения

В установках низкого напряжения (до 1000 в) электрическое сопротивление столба дуги обычно бывает соизмеримым с сопротив­лением отключаемой цепи, а напряжение на дуге — с напряже­нием источника питания. В таких условиях уже нельзя пренебре­гать влиянием напряжения (и сопротивления) дуги, а с другой сто­роны, — нельзя не рассматривать явлений на нуле тока, т. е. не учитывать влияния восстановления прочности при переходе тока через нуль.

Общая картина процессов при отключении цепи переменного тока низкого напряжения представлена на рис. 9.3. До момента размыкания контактов аппарата (МРК) по цепи протекал ток I, определяемый в совокупности величинами

В момент t разомкнулись контакты аппарата и начало воз­растать сопротивление дугового промежутка Rд и напряжение на нем UД.

Увеличивающееся при гашении дуги сопротивление Rд приво­дит к некоторому уменьшению амплитудных значений тока (I1,I2,I3) по полупериодам и уменьшению сдвига фаз между током цепи iД и напряжением источника UИ. Соответствующие углы сдвига фаз, определяемые отрезками времени между моментами перехода через нуль тока дуги и напряжения источника, обозначены через Понятие о сдвиге фаз между током и напряже­нием относится к синусоидальным явлениям. В процессе гашения электрической дуги в установках низкого напряжения синусоида тока искажается вследствие роста сопротивления дуги. Поэтому понятие о сдвиге фаз здесь носит условный характер. В моменты перехода тока дуги через нуль (точки1 и 2) не создавалось необхо­димых условий для окончательного погасания дуги за этими пере­ходами и она повторно зажигалась вслед за ними. В момент 3-го пе­рехода тока через нуль такие условия создались, дуга погасла и протекание тока по цепи прекратилось. За этим переходом по цепи может протекать лишь небольшой остаточный ток iCT, определяе­мый так называемой остаточной проводимостью межконтактного промежутка аппарата.

При анализе условий возникновения между контактами выключателя электрической прочности, необходимой для гашения дуги, обычно рассматривают раздельно короткие и длинные промежутки с целью наиболее четкого выявления тех осо­бенностей, которые необходимо использовать при конструирова­нии дугогасительных устройств выключателей, предохранителей, контакторов, разрядников и пр.

В действительности, особенно в аппаратах низкого напряжения, имеют место смешанные процессы, т. е. свойственные и коротким, и длинным дугам одновременно.

Рис.9.3.Характер процессов при отключении цепи переменного тока низкого напряжения

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Условие — гашение — дуга — переменный ток

Условие гашения дуги переменного тока трактуется так: электрическая дуга переменного тока будет погашена и цепь отключена, если за переходом тока дуги через нулевое значение кривая восстанавливающейся прочности ив П межконтактного промежутка будет лежать выше кривой восстанавливающегося напряжения ив. Если эти кривые пересекутся, возникнет повторное зажигание дуги. [1]

Таким образом, условие гашения дуги переменного тока при активной деионизации промежутка может быть сформулировано следующим образом: если после перехода тока через нуль прочность промежутка нарастает быстрее и остается все время выше, чем восстанавливающееся напряжение на выключателе, то процесс заканчивается угасанием дуги. [2]

Расчет дугогасительных систем переменного тока проводится на основе известного условия гашения дуги переменного тока , выражающегося соотношением кривых восстанавливающейся прочности и восстанавливающегося напряжения. Если за переходом тока через нулевое значение первая кривая лежит на графике u f ( t) выше второй, дуга погаснет. Одночастным место, когде указанные кри — контур восстановления новые касаются друг друга в пряжения одной точке. [3]

В этом случае очень просто можно решить проблему получения необходимой прочности для удовлетворения условий гашения дуги переменного тока в сетях низкого напряжения. В самом деле, если прочность одного прикатодного слоя равна, например, 250 В, то при четырех разрывах в дугогаситель-ном устройстве результирующая прочность непосредственно за переходом тока через нуль равна 1000 В. Межконтактный промежуток аппарата с такой прочностью успешно выдержал бы восстанавливающееся напряжение в сетях 380 — 500 В и погасил бы дугу при первом прохождении тока через нуль после размыкания контактов. [5]

Для управления электродвигателями переменного тока небольшой мощности применяют прямохо-довые контакторы с мостиковыми контактными узлами. Благодаря двукратному разрыву цепи и облегченным условиям гашения дуги переменного тока в этих контакторах не требуются специальные дугога-сительные камеры с магнитным дутьем, что существенно уменьшает их габаритные размеры. [7]

Читайте также:  Водный раствор хлорида цинка проводит ток

Считалось, что если дугу разбить металлическими пластинами на ряд коротких дуг, то суммарная электрическая прочность будет равна числу дуговых промежутков, умноженному на прочность единичного промежутка. В этом случае очень просто могла бы быть решена проблема получения необходимой прочности для удовлетворения условий гашения дуги переменного тока в сетях низкого напряжения. [8]

Интенсивная деионизация дугового промежутка при переходе тока через нуль приводит к уменьшению его проводимости. Чем больше промежуток будет деионизирован, тем большее напряжение потребуется для его пробоя и повторного зажигания дуги. Условие гашения дуги переменного тока может быть сформулировано следующим образом: если нарастание сопротивления промежутка, выраженное его пробивным напряжением t / np ( кривая 1 на рис. 5 — 8), будет опережать нарастание напряжения U на промежутке ( кривая 2), то дуга погаснет при переходе тока через нуль. [10]

Интенсивная деионизация дугового промежутка при переходе тока через нуль приводит к уменьшению его проводимости. Чем больше промежуток будет деионизирован, тем большее напряжение потребуется для его пробоя и повторного зажигания дуги. Условие гашения дуги переменного тока может быть сформулировано следующим образом: если нарастание сопротивления промежутка, выраженное его пробивным напряжением t / np ( кривая /, рис. 5 — 9), будет опережать нарастание напряжения U на промежутке ( кривая 2), то дуга погаснет при переходе тока через нуль. [12]

Интенсивной рост прочности наступает за переходом тока через нуль. Условие гашения дуги переменного тока , которое является исходным при разработке соотношений для расчета ду-гогасительных устройств переменного тока, формулируется так: дуга переменного тока будет погашена, если за переходом тока через нулевое значение кривая восстанавливающейся прочности межконтактного промежутка отключающего аппарата будет лежать выше кривой восстанавливающегося напряжения на этом промежутке. [14]

Дугогасительная решетка является более эффективной при переменном токе, чем при постоянном. После перехода переменного тока через нулевое значение около каждого катода образуется слой газа с повышенной электрической прочностью. Увеличение числа разрывов п решетки ведет к повышению результирующей восстанавливающейся прочности и улучшению условий гашения дуги переменного тока . [15]

Источник



3.1.2. Условия гашения дуги переменного тока

В коммутационных 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. 3.2), в эти моменты дуга гаснет самопроизвольно, но в следующий полупериод она может возникнуть вновь. Как показывают осциллограммы, ток в дуге становится близким нулю несколько раньше естественного перехода через нуль (рис. 3.3, а). Это объясняется тем, что при снижении тока энергия, подводимая к дуге, уменьшается, следовательно, уменьшается температура дуги и прекращается термоионизация. Длительность бестоковой паузыtпневелика (от десятков до нескольких сотен микросекунды), 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. 3.3,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250В). Одновременно растет восстанавливающееся напряжениеuв .Если в любой моментuпр>uвпромежуток не будет пробит, дуга не загорится вновь после перехода тока через нуль. Если в какой-то моментuпр=uв, то происходит повторное зажигание дуги в промежутке.

Рис. 3.3. Условия гашения дуги переменного тока:

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

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

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 duв/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. 3.3,б).

3.1.3. Способы гашения дуги в коммутационных аппаратах до 1000 в

В коммутационных аппаратах до 1 кВ широко используются следующие способы гашения дуги:

Удлинение дуги при быстром расхождении контактов.

Чем длиннее дуга, тем большее напряжение необходимо для ее существования. Если напряжение источника питания окажется меньше, то дугагаснет.

Деление длинной дуги на ряд коротких (рис. 3.4, а).

Как показано на рис. 3.1, напряжение на дуге складывается из катодного Uки анодногоUападений напряжений и напряжения ствола дугиUсд:

Если длинную дугу, возникшую при размыкании контактов, затянуть в дугогасительную решетку из металлических пластин, то она разделится на Nкоротких дуг. Каждая короткая дуга будет иметь свое катодное и анодное падения напряженийUэ. Дуга гаснет, если:

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Источник