Поиск по сайту
Начало >> Книги >> Архивы >> Аппараты распределительных устройств низкого напряжения

Влияние разных факторов на гашение дуги постоянного тока - Аппараты распределительных устройств низкого напряжения

Оглавление
Аппараты распределительных устройств низкого напряжения
Требования, предъявляемые к аппаратуре
Допустимое превышение температуры токоведущих частей аппаратов
Требования к изоляции
Экономия дефицитных материалов
Прочие требования
Предельная коммутационная способность
Определение предельной коммутационной способности
Величины токов короткого замыкания в установках
Выбор аппаратуры по предельной коммутационной способности
Основные закономерности, определяющие размеры и конструкцию
Влияние разных факторов на гашение дуги постоянного тока
Гашение дуги переменного тока
Гашение дуги в дугогасительных камерах
Износ контактов при замыкании цепи
Износ контактов при размыкании цепи
Приваривание контактов
Длительное прохождение тока через контакты
Назначение и классификация автоматических выключателей
Устройство автоматов
Устройство быстродействующих автоматов
Автоматы ВАБ-2
Автоматы ВАБ-28 и ВАБ-20-М
Автоматы 6ХВАБ10 и 6ХВАБ15
Быстродействующие короткозамыкатели
Автоматы серии АВ
Автоматы серии АМ
Установочные автоматы
Перспективы развития серий универсальных и установочных автоматов
Бытовые автоматы
Автоматы защиты сетей постоянного тока на до 24 В
Автоматы АГП
Веса и габаритные размеры автоматов
Обзор развития конструкций контактных систем
Рекомендации по конструкции контактных систем
Дугогасительные камеры
Приводы универсальных и установочных автоматов
Механизм универсальных и установочных автоматов
Механизм свободного расцепления
Конструкции расцепителей максимального тока
Сравнение расцепителей максимального тока
Расчет электромагнитных расцепителей
Расчет тепловых термобиметаллических расцепителей
Расцепители независимые и минимального напряжения
Плавкие предохраннтели-расцепители
Назначение и классификация плавких предохранителей
Плавкие вставки
Предохранители без патрона и с полузакрытым патроном
Наполнитель предохранителей с закрытым патроном
Длина плавкой вставки в предохранителях с наполнителем
Перенапряжения в предохранителях с наполнителем
Энергия, выделенная дугой в предохранителях с наполнителем
Предохранители высокой разрывной способности с наполнителем
Предохранители высокой разрывной способности с закрытым патроном без наполнителя
Предохранители низкой разрывной способности с закрытым патроном без наполнителя
Инерционные предохранители
Быстродействующие предохранители
Быстродействующие предохранители взрывного типа
Блоки предохранитель—выключатель
Тепловой расчет плавких вставок
Рубильники
Пакетные выключатели
Распределительные устройства
Распределительные устройства, осуществляющие разветвления
Выбор аппаратуры
Проверка защищенности элементов установки при коротком замыкании
Испытание аппаратуры распределительных устройств
Определение величии срабатывания аппаратов
Испытание на нагревание
Испытание изоляции
Испытание оболочек
Испытание на коммутационную способность
Испытание на механический износ и при разных температурах
Испытание контактов на подпрыгивание
Приложения

3-3. ВЛИЯНИЕ РАЗНЫХ ФАКТОРОВ НА ГАШЕНИЕ ДУГИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

а) Скорость раздвижения контактов

Увеличение скорости раздвижения контактов несколько способствует гашению дуги постоянного тока. При тех скоростях, какие имеют место в выключателях (порядка 1 м/сек. и более), растворах контактов от 5 до 20 мм и напряжениях от 100 до 500 в ток, отключаемый без затяжного горения дуги, увеличивается ориентировочно только на 10% по отношению к току, отключаемому при скоростях 1 см/сек.

б) Расположение контактов в пространстве

При растворах контактов более 10 мм горизонтальная дуга гаснет несколько легче, чем вертикальная. Это происходит из-за действия на дугу восходящих потоков воздуха. Однако влияние положения дуги в пространстве на дугогашение невелико. Проявляется оно главным образом при временах горения дуги более 0,1 сек. Практически его можно не учитывать.

в) Принудительное движение воздуха

Гашение душ в струе сжатого воздуха, полученного г помощью компрессора, весьма эффективно. Оно в аппаратах низкого напряжения не применяется, так как дугу можно погасить и более простыми способами, без применения специального оборудования для сжатия воздуха. Однако иногда для гашения дуги, в особенности при критических токах, применяется принудительное движение воздуха, специально создаваемое деталями подвижной системы при их движении в процессе отключения.

г) Гашение дуги в жидкости

Гашение дуги в жидкости, например в трансформаторном масле, очень эффективно, так как образующиеся газообразные продукты интенсивно деионизируют ствол дуги, но из-за относительной сложности этот способ гашения дуги в аппаратах низкого напряжения не применяется. Однако для защиты от коррозии в атмосфере химически активных газов выключатели помещают в трансформаторное масло. В связи с этим надо иметь в виду, что при постоянном токе могут возникнуть недопустимые перенапряжения при отключении, так как бурное выделение газов приводит к резким колебаниям сопротивления ствола дуги. Гашение в трансформаторном масле приводит также к повышенному износу контактов (§ 3-7).

д) Повышенное давление воздуха

Повышение давления воздуха облегчает гашение дуги, так как при этом повышается теплоотдача. Изучая дугу постоянного тока до 10 а, Сюите [ Л.3-3] нашел, что вольт-амперные характеристики дуги в разных газах, находящихся при разных давлениях (больших атмосферного), будут одинаковы, если в этих газах будут одинаковы коэффициенты теплоотдачи конвекцией. Он также установил, что для азота напряженность электрического поля вдоль ствола дуги пропорциональна давлению в степени 0,31 (для давления от 1 до 30 ат). Можно считать, что при повышении давления воздуха падение напряжения в стволе дуги, требующееся для ее поддержания, растет пропорционально корню третьей или четвертой степени из величину давления.

Гашение при повышенном давлении осуществляется в предохранителях с закрытым патроном без наполнителя.

е) Пониженное давление воздуха

При понижении давления воздуха от атмосферного до некоторого давления, зависящего от тока, напряжения цепи и напряженности дугогасительного магнитного поля, условия гашения дуги существенно утяжеляются, а при дальнейшем понижении давления — облегчаются. При напряжении до 24 в постоянного тока, токе до 400 а,

Рис. 3-2. Зависимость раствора контактов I от тока /, при котором электрическая дуга постоянного тока при неблагоприятном расположении токоведущих частей в безындуктивной цепи гаснет при давлениях воздуха 1, 100, 760 мм рт. ст., при напряжении цепи 15 е —- сплошные линии и при напряжении 24 в — пунктирные линии.

давлении воздуха в пределах от 760 до 1 мм рт. ст., отсутствии дугогасительного магнитного поля в безындуктивной цепи чем ниже давление, тем больший раствор контактов требуется для гашения дуги.

При большем напряжении и наличии дугогасительного поля наиболее трудные условия гашения могут быть при давлениях до 100 мм рт. ст., и при снижении давления для погасания дуги потребуется меньший раствор. Некоторые результаты испытаний И. Н. Ермолаева по этому вопросу [ Л. 3 — 49] см. рис. 3-2 и 3-5.

В последнее время в радиоэлектронике с успехом применяются вакуумные выключатели при все больших токах и напряжениях. Кроме того, начались разработка п опытная эксплуатация силовых высоковольтных вакуумных выключателей. переменного тока на 220 кВ [ Л. 3-50, 3-51]. Начальное давление газа в таких запаянных выключателях около 10~~4 мм рт. ст. В дальнейшем при работе оно несколько увеличивается, однако прочность дугового промежутка после естественного перехода переменного тока через нуль (§ 3-4) остается весьма высокой — в 10 — 20 раз больше, чем при нормальном атмосферном давлении, и дуга не восстанавливается. При применении вакуумных выключателей возможны значительные перенапряжения при отключении индуктивных нагрузок. Эти выключатели особенно пригодны для отключения емкостных нагрузок. Пока нет оснований ожидать, что силовые выключатели низкого напряжения будут изготовляться вакуумными.

ж) Электродинамическое воздействие на дугу

При токах свыше 5 а большое влияние на гашение дуги оказывают электродинамические силы, возникающие между дугой и соседними токоведущими частями, если последние имеют соответствующую форму и взаимное расположение. Под влиянием этих сил дуга с большей или меньшей скоростью (в зависимости от величины тока) выходит из пространства между контактами, охлаждаясь при движении. Вследствие этого значительно увеличивается напряженность электрического ноля внутри ствола дуги, которая необходима для поддержания требуемой степени ионизации газа. Кроме того, увеличивается длина дуги. Оба эти фактора способствуют

гашению дуги. Поэтому в конструкциях выключателей токоведущие части располагает так, чтобы они выдували дугу в нужном направлении, как это указано на рис. 3-3,6. Расположение а соответствует тому, при котором получены характеристики, изображенные на. рис. 3-1 сплошными линиями. Здесь на дугу действуют только силы взаимодействия с удаленными частями контура тока, поэтому они невелики. Расположение б применяется в выключателях. При этом на дугу действуют силы взаимодействия с близлежащими частями контура тока. Поэтому они уже при небольших токах достаточно велики для того, чтобы выдуть дугу из пространства между контактами.

Влияние расположения токоведущих частей на гашение дуги

Рис. 3-3. Влияние расположения токоведущих частей на гашение дуги, а — дуга неподвижна; б — дуга движется под влиянием электродинамических сил.

Движение дуги задерживается катодными и анодными пятнами (нагретыми частями поверхности контактов, через которые электроны выходят из катода и входят в анод). Поэтому дуга движется не плавно, а скачкообразно, и движение ее начинается при токе, большем некоторого значения, зависящего от ряда условий, в том числе от материала [ Л. 3-52]. Особенно медленно движутся катодные пятна у тугоплавких материалов (углерод, вольфрам). Пятна на серебре и меди движутся быстрее, чем на латуни.

Для успешного гашения дуги при малых токах требуется, чтобы расстояние между электродами по ходу движения дуги увеличивалось плавно. Никакие, даже очень маленькие, ступеньки (высотой порядка 1 мм) нежелательны, так как у их края дуга может задержаться, и гашение произойдет почти при тех же токах, что при расположении токоведущих частей по рис. 3-3,а (если ток недостаточно большой для того, чтобы дуга смогла соскочить со ступеньки). При вышеуказанном благоприятном расположении токоведущих частей дуга гаснет не только в области, расположенной ниже сплошных кривых, но и в области, расположенной выше горизонтальных и слева от вертикальных пунктирных кривых, (рис. 3-1[2]). Область, где дуга не гаснет, является областью так называемых критических токов, при которых время горения дуги недопустимо большое или дуга вовсе не гаснет. При токах, больших критических, электродинамические силы достаточны для движения дуги, и она гаснет при данном напряжении. В зависимости от конструкции аппарата критические значения тока, соответствующие минимальному напряжению, при котором они возникают, обычно находятся в пределах 3 — 30, а; иногда они доходят до 100 а.

Если при критическом значении тока Дуга гаснет, то при всех меньших значениях дуга тоже погаснет. Дуга погаснет и при всех любых больших токах, если ей будет предоставлена возможность двигаться по достаточно длинным рогам и постепенно удлиняться под влиянием магнитного поля контура тока (при условии, что не будут созданы препятствия для движения дуги, указанные в § 3-5) и если изоляция между полюсами будет достаточной, чтобы не дать возможности ионизированным газам вызвать короткое замыкание между полюсами.

Форма пунктирных кривых рис. 3-1 может показаться неправдоподобной. Например, при растворе контактов 3 мм и токе 50 а (до появления дуги) дуга не гаснет при напряжении 60 в и гаснет при напряжении 300 в. Это объясняется следующим: при относительно малых напряжениях введение сопротивления дуги длиной 3 мм настолько снижает ток, что электродинамическая сила недостаточна для выталкивания дуги из междуэлектродного пространства. При больших напряжениях сети снижение тока менее значительно, дуга выходит из междуэлектродного пространства, растягивается и гаснет.

з) Магнитное гашение

Если путем соответствующего расположения токоведущих частей не удается достигнуть гашения дуги при приемлемых растворах контактов, то чтобы их не увеличивать чрезмерно, применяют так называемое магнитное гашение. Для этого в зоне, где горит дуга, создают магнитное поле с помощью постоянного магнита или электромагнита, дугогасительная катушка которого включена последовательно в главную цепь. Иногда магнитное поле, созданное контуром тока, усиливается специальными стальными деталями. Магнитное поле направляет дугу в требуемую сторону.

При последовательно включенной дугогасительной катушке изменение направления тока в главной цепи не вызывает изменения направления движения дуги. При постоянном магните дуга будет двигаться в разные стороны, в зависимости от направления тока в главной цепи. Обычно конструкция дугогасительной камеры этого не позволяет. Тогда аппарат может работать только при одном направлении тока, что представляет значительные неудобства. Это является главным недостатком конструкции с постоянным магнитом, которая проще, компактнее и дешевле конструкции с дугогасительной катушкой. Недостаток способа гашения дуги с помощью последовательно включенной катушки состоит еще в том,, что наибольшую напряженность поля надо создать при критических токах, которые невелики. Дугогасительное поле становится большим только при больших токах, когда можно обойтись и без него, так как электродинамические силы становятся достаточно большими для выдувания дуги.

Обычно для получения наибольшего усилия угол между направлениями магнитного поля и тока делают равным 90°. Если этот угол равен нулю, то дуга стремится закрутиться в спираль, и хотя усилия, действующие на дугу, значительно меньше, но все же иногда получается удовлетворительное гашение. В этом случае при поле, созданном постоянным магнитом, направление тока в главной цепи не меняет условий гашения.

При наличии добавочного магнитного поля дуга гораздо легче выходит из области между контактами. Поэтому для гашения ее во всем диапазоне токов надо

Зависимость минимального раствора контактов

Рис. 3-4. Зависимость минимального раствора контактов, при котором не имеется критических токов, от напряжения сети постоянного тока при постоянном дугогасительном поле (Н = const) и при последовательно включенной дугогасительной катушке (#// = const). Сплошные кривые — постоянная времени индуктивной нагрузки 0 — 0,01 сек, пунктирные кривые — 0,1 сек.

иметь меньшие растворы. На рис. 3-4 показано[3], какие растворы контактов надо иметь, чтобы при благоприятном расположении токоведущих частей не было критических токов при отсутствии магнитного гашения (#=0), при дугогасительном поле постоянной величины (#= = 10 — 100 э) и при дугогасительной катушке, включенной последовательно в цепь когда поле

дугогасительной катушки Н пропорционально току I (насыщение отсутствует). Сплошная кривая Н=0 построена по пунктирным кривым рис. 3-1. При малых токах и растворах даже при наличии дугогасительного поля дуга может не выйти из области между контактами, однако и в этом случае наличие поля повышает напряжение, при котором дуга гаснет. Так, например, при растворе контактов 3 мм, напряженности поля 40 э и

токе до 5 а дуга гаснет при напряжении, на 40% большем, чем при отсутствии дугогасительного поля (рис. 3-1, кривая 1—3).

Зависимость минимального раствора контактов  от постоянного тока

Рис. 3-5. Зависимость минимального раствора контактов I от постоянного тока I при напряжении цепи 55 в и разной напряженности магнитного поля Я, при котором дуга гаснет в диапазоне давлений 760—100 мм рт. ст. (пунктирные кривые) и 760 — 1 мм рт. ст. (сплошные кривые).

В разреженном воздухе при 55 в (на одну дугу), напряженности поля 50—500 э и токах до 400 а наиболее трудно гашение дуги при давлении, находящемся в интервале 1—100 мм рт. ст. Из кривых рис. 3-5 видно, что уже при 55 в требуется иметь весьма большие растворы контактов, несмотря на сильное дугогасительное поле. Вообще магнитное гашение при разрежении малоэффективно, так как катодное пятно движется в сторону, противоположную движению ствола дуги, и при некоторых давлениях дуга становится неподвижной.

В аппаратах, рассчитанных на нормальное атмосферное давление, магнитное гашение применяется широко. В автоматических воздушных выключателях на напряжение до 500 в (за исключением быстродействующих) дугогасительных катушек не применяют; так как эти аппараты преимущественно ручного управления и двухполюсные, у них легко сделать достаточно большой раствор контактов. Однако усиление поля с помощью стальных скоб, охватывающих токоведущие части, применяется часто. Дугогасительные катушки применяются в электромагнитных контакторах постоянного тока, так как они однополюсные и раствор контактов там надо делать значительно меньшим во избежание применения чрезмерно большого втягивающего электромагнита. Кроме того, магнитное гашение там нужно для уменьшения износа контактов (§ 3-7) ввиду большой частоты отключения тока.

и) Влияние поверхности изоляционных материалов

Стенки дугогасительной камеры вблизи размыкающихся контактов мало влияют на условия гашения при критических токах, даже если материал камеры генерирует газ, так как диаметр дуги мал из-за малой величины тока, и дугу, находящуюся между контактами, нельзя привести в достаточно тесное соприкосновение с поверхностью изоляционного материала. Исключение составляют конструкции, в которых путь дуги преграждается движущейся изоляционной перегородкой. Однако такие конструкции не нашли применения из-за их сложности.

Влияние изоляционных поверхностей камер на гашение дуги является решающим при больших токах, когда надо ограничить распространение газов, охладить их и денонизировать ствол дуги, вышедший из области между контактами (§ 3-5).

О гашении дуги, возникающей при перегорании плавкой вставки в зернистом наполнителе, сказано в гл. 6.

к) Индуктивность цепи

В главных цепях при больших токах отключаемая нагрузка обычно не содержит значительной индуктивности: она представляет собой при коротких замыканиях индуктивность проводов и якорей машин постоянного тока (см. гл. 2). Высокоиндуктивные цепи большой мощности нельзя размыкать под нагрузкой обычными аппаратами во избежание появления большого перенапряжения и ввиду трудности гашения дуги. Для отключения таких цепей применяют специально предназначенные для этой цели аппараты (§ 4-15). К аппаратуре обычно предъявляются требования отключать высокоиндуктивные цепи только малой мощности (цепи управления). Нагрузка этих цепей состоит из одной или нескольких катушек электромагнитов, каждый из которых потребляет мощность порядка 10 — 100 Вт. Постоянная времени таких цепей находится в пределах 0,05 — 0,25 сек (катушки контакторов на ток 20—600 а).

Индуктивность увеличивает время горения дуги, так как она уменьшает скорость изменения тока. Это вызывает увеличенный разогрев и обгорание контактов, повышенное количество ионизированных газов (в особенности металлических паров от контактов), разогрев поверхностей изоляционных материалов, что в свою очередь увеличивает время горения дуги и способствует появлению затяжной дуги. Ввиду этого обычно при индуктивной нагрузке (в особенности при больших токах) создаются значительно более тяжелые условия работы для коммутационной аппаратуры.

Во время горения дуги к напряжению сети U добавляется э. д. с. самоиндукции. Если принять, что при отключении тока I скорость изменения тока в течение времени горения дуги 1п постоянна, то э. д. с. самоиндукции равна

где Т — постоянная времени цепи.

Поэтому можно приближенно считать, что гашение дуги в индуктивной цепи происходит, как в цепи с безындуктивной нагрузкой, при напряжении,

в раз большем, чем напряжение цепи с индуктивной нагрузкой.

На рис. 3-4 приведены растворы контактов, которые должны быть для того, чтобы не было критических токов при разной постоянной времени и /д=0,1 сек. Из этих кривых видно, что при данном растворе контактов (и данной напряженности дугогасительного поля) напряжение (при котором дуга еще гаснет), соответствующее нагрузке с постоянной времени Т — = 0,1 сек, примерно в 2 раза меньше напряжения, соответствующего Т — 0—0,01 сек. Это подтверждает вышеприведенные расчеты.

Обычно считают желательным, чтобы время горения дуги при отключении индуктивных цепей было (как и при отключении безындуктивных цепей) не больше 0,1 сек, чтобы не слишком обгорали контакты В аппаратах управления большее время нежелательно также потому, что требуется обеспечить точность управления исполнительным механизмом, а в аппаратах распределительных устройств — сократить размеры возможной аварии. При сильно индуктивной нагрузке разница в напряжениях, при которых дуга горит 0,1 сек и длительно, больше, чем при неиндуктивной нагрузке (§ 3-2). Однако разница в напряжениях, при которых получается длительная дуга при сильно индуктивной и безындуктивной нагрузках, весьма значительна.

Наличие спадающей ветви U-образных пунктирных кривых на рис. 3-1 указывает на то, что увеличение напряжения при данном токе может вызвать облегчение гашения дуги при критических токах (§ 3-3,ж). Естественно, что при этих токах индуктивность тоже может облегчить гашение, так как в процессе размыкания контактов она временно поддержит ток на уровне, необходимом для создания достаточных усилий, выдувающих дугу на рога. Это надо иметь в виду при испытаниях. Сплошные кривые рис. 3-4 относятся к наиболее тяжелым условиям гашения, возникающим в цепи при Т=0 или Г = 0,01 сек.

л) Частота отключений

Частота отключений оказывает значительное влияние на условия гашения больших токов из-за разогрева соседних частей и воздуха. Особенно велико ее влияние при отключении тока внутри камер, ограничивающих выброс дуги. На условия гашения при критических токах частота отключения также оказывает некоторое влияние. При испытаниях на разрывную способность всегда задаются определенной величиной интервала времени между отключениями тока.



 
« Агрегаты питания электрофильтров   Архивы 2001 »
Карта сайта + все метки | Контакты
© Электроэнергетика При перепечатке и цитировании активная гиперссылка на сайт обязательна.