Дуга переменного тока: физика процесса, условия возникновения, особенности гашения при различных видах нагрузки.. template1 готовый. Вид работы Курсовая работа Название дисциплины Электрические и электронные аппараты Тема Дуга переменного тока физика процесса, условия возникновения, особенности гашения при различных видах нагрузки
 Скачать 2.2 Mb.
|
Глава 2. Гашение электрической дуги переменного токаОсобенности гашения дуги переменного тока В сети переменного тока ток горящей дуги, независимо от степени ионизации дугового промежутка переходит через нуль каждый полупериод, то есть дуга каждый полупериод гаснет и зажигается вновь. Поэтому главной задачей дугогашения при переменном токе является создание условий, при которых ток при прохождении через нуль не восстановился бы. Кривые изменения напряжения и тока в дуговом промежутке при переменном токе приведены на рис. 4 [1]:  Рис.4. Кривые изменения тока и напряжения на дуговом промежутке при переменном токе В момент появления тока напряжение зажигания U3 резко возрастает. С дальнейшим ростом тока падение напряжения на дуге падает и при максимальном (амплитудном) значении тока достигает минимума. Затем напряжение на дуге снова резко возрастает и при исчезновении тока достигает напряжения гашения дуги Uг.  Рис. 5. Вольт-амперная характеристика дуги переменного тока за период На рис.5 приведена вольт-амперная характеристика дуги переменного тока за один период. Напряжение зажигания дуги зависит от амплитуды тока, и чем больше ток, тем напряжение зажигания меньше. Температура дуги при переменном токе также является величиной переменной. Однако тепловая инерция газа довольно значительна, поэтому в момент перехода тока через нуль, температура дуги практически не падает до нуля, оставаясь довольно высокой. Но некоторое снижение температуры дуги при переходе тока через нуль всё-таки способствует деионизации дугового промежутка и облегчает гашение дуги. Фактически при переходе тока через нуль, изменение тока в дуге происходит не по синусоидальному закону. Незадолго до момента времени естественного перехода тока через нуль, ток дуги падает почти до нуля, а затем, через некоторое короткое время после перехода через нуль снова скачком восстанавливается до соответствующего для синусоидального закона значения. Процесс перехода тока дуги через нуль показан сплошной линией на рис. 6 [1].  Рис. 6. Характеристика тока дуги при переходе через нуль Из рисунка видно, что при переходе тока через нуль имеется бестоковая пауза tI=0, во время которой дуговой промежуток активно деионизируется. В цепях с малой индуктивной нагрузкой эта пауза больше, а при большой индуктивности – очень мала (около 0,1 мкс). Благодаря интенсивной деионизации дугового промежутка за время бестоковой паузы при прохождении тока через нуль, проводимость промежутка уменьшается. Чем больше деионизирован промежуток, тем большее напряжение требуется для его пробоя и повторного зажигания дуги. Условия гашения дуги переменного тока графически приведены на рис. 7 [1]:  Рис.7. Условия гашения дуги переменного тока Условие гашения дуги переменного тока можно сформулировать так: если нарастание сопротивления дугового промежутка, выраженное его пробивным напряжением Uпр (кривая 1 на рис. 7), будет опережать нарастание напряжения U на этом промежутке (кривая 2), то дуга при переходе через нуль погаснет. Но если нарастание сопротивления в промежутке будет развиваться медленнее нарастания напряжения (кривая 3), то в некоторый момент времени (точка 0) дуга загорится повторно, а в цепи появятся ток и соответствующее ему падения напряжения на дуге (кривая 4). Для гашения дуги переменного тока при напряжениях до 1000В важное значение имеют явления, происходящие у катода при переходе тока через нуль. Ранее имелось представление, что в прикатодной области, при переходе тока через нуль, практически мгновенно (за время менее 1 мкс) изоляционная прочность дугового промежутка восстанавливается до значения пробивного напряжения (общий начальный участок для кривых 1 и 3 на рис.7) Uпр0=150÷250В. Большее значение напряжения относили к меньшим токам и холодному катоду, а меньшее значение – к большим токам и горячему катоду. На использовании данного явления спроектирована подавляющая часть дугогасительных устройств низковольтных коммутационных аппаратов. Однако, на практике не всегда наблюдается мгновенное восстановление изоляционной прочности дугового промежутка до значения Uпр0=150÷250В, в особенности при больших токах и частых отключениях. Исследования показывают, что указанное значение прочности достигается при холодных или очень быстро охлаждаемых контактах (менее 530 °С) у основания дуги сразу после перехода тока через нуль [3]. Но если дуга быстро перемещается по площади контактов, останавливаясь на их краях на относительно большое время (порядка 0,01-0,09 с), то контакты сильно нагреваются у основания дуги, и сразу после перехода тока через нуль эмиттируют электроны в межконтактный промежуток. Это явление существенно снижает значение восстанавливающейся изоляционной прочности дугового промежутка у катода, которая может составлять всего несколько десятков вольт. Поэтому, в межконтактном промежутке коммутационных аппаратов, в зависимости от теплового режима этого промежутка, могут наблюдаться любые значения восстанавливающейся прочности, в том числе и прочность 150÷250В около катода. Значение в 250В соответствует условиям, при которых в межконтактном промежутке создаётся режим близкий к стадии нормального тлеющего разряда. Такие условия встречаются в рационально спроектированных дугогасительных устройствах. После погасания дуги напряжение на дуговом промежутке нарастает от напряжения гашения дуги до мгновенного напряжения сети. Это называется процессом восстановления напряжения на дуговом промежутке. Схематически этот процесс представлен на рис. 8 [1]. На рисунке 8 (а, б) ток i изображён отстающим от ЭДС e на 90°, что, как правило, характерно при коротких замыканиях в сетях переменного тока, питающих промышленную нагрузку (преобладание индуктивной составляющей). Восстановление напряжения происходит за короткий промежуток времени – около десятков или сотен микросекунд. ЭДС источника тока принято считать в течение этого времени постоянной. Мгновенная ЭДС источника Uв.max, соответствующая переходному процессу восстановления напряжения на дуговом промежутке называется восстанавливающимся напряжением промышленной частоты.  Рис. 8. Процесс восстановления напряжения на дуговом промежутке Процесс восстановления напряжения на дуговом промежутке может происходить апериодически (рис. 8, а) или в виде колебательного процесса (рис.8, б). При первом варианте напряжение на дуговом промежутке Uв.max не может быть выше ЭДС источника тока е. При втором варианте напряжение может быть сколь угодно велико, однако практически оно не превосходит 2е. От индуктивности, ёмкости и активного сопротивления цепи и источника тока зависит частота и амплитуда колебаний переходного процесса. Рассмотрим также вариант с отключением цепи с активной нагрузкой. Здесь ток совпадает по фазе с ЭДС источника, поэтому они проходят через нуль одновременно, а восстанавливающееся напряжение дугового промежутка будет равно нулю. Поэтому, гашение электрической дуги в цепи с активной нагрузкой гораздо легче, чем в цепи с нагрузкой индуктивной. Условия гашения дуги. Общие сведения. Чтобы погасить электрическую дугу нужно создать такие условия, при которых падение напряжения на дуге будет превосходить напряжение сети. Гашения дуги можно добиться: её растягиванием, повышением продольного градиента напряжения воздействием на ствол дуги, использованием околоэлектродных падений напряжения. Растяжение дуги – это простейший способ её гашения, однако он малоэффективен сам по себе. Падение напряжения на дуге пропорционально её длине, и если продольный градиент напряжения мал, то для получения значительного падения напряжения требуется довольно большая длина дуги, что практически невозможно осуществить в коммутационных аппаратах. Например, при переменном токе средний градиент падения напряжения составляет 15В/см. При отключении тока свыше 100А на напряжении 220В требуется растянуть дугу на 25 – 30см. Также, следует принимать во внимание, то при относительно низких скоростях расхождения контактов, дуга, до своего погасания успевает привести к их сильному износу. Выше было рассмотрено, что главным ионизирующим дуговой промежуток и поддерживающим горение дуги фактором является термическая ионизация. Поэтому, гашение дуги должно в основном осуществляться путём её охлаждения. В высоковольтных выключателях применяется обдувание дуги газом или жидкостью, однако такие способы требуют относительно сложных и дорогих инженерных решений. Также, через неподвижные жидкость или газ дугу можно двигать, при этом, эффект охлаждения будет такой же, как при обдуве. Этот способ относительно прост в исполнении при помощи магнитного поля и широко применяется в коммутационных аппаратах, особенно – в низковольтных. На рис. 9 представлены вольт-амперные характеристики зависимости продольного градиента напряжения от скорости движения дуги в воздухе.  Рис. 9. Продольный градиент напряжения в стволе дуги при разных скоростях её движения Например, уже на скорости дуги 100 м/с при токе свыше 100А достаточно растянуть дугу на 5 см для гашения [1]. Также, следует принимать во внимание, что в открыто горящей, неподвижной, не охлаждаемой искусственно дуге плотность тока очень мала, а её диаметр велик. После того, как дуга приходит в движение или начинает искусственно охлаждаться, диаметр её уменьшается, при этом возрастают плотность тока дуги, внутреннее давление и температура. В итоге значительно возрастает продольный градиент напряжения и усиливается деионизация. Возрастание продольного градиента напряжения в движущейся дуге происходит не только за счёт диффузии и охлаждения, но и за счёт повышения давления в стволе дуги. Если, в неподвижной дуге плотность тока составляет 18-20 А/см2, то в движущейся дуге плотность тока может составить десятки тысяч ампер на см2. К примеру, при токе 40кА и скорости движения дуги 250 м/с, давление в стволе дуги может достигать 2,5 Мпа [1]. Гашение дуги в магнитном поле Для того, чтобы обеспечить перемещение дуги в магнитном поле, оно должно быть направлено перпендикулярно оси дуги. Дугу можно рассмотреть как проводник с током, расположенный в магнитном поле (рис. 10, а) [1].  Рис. 10. Движение электрической дуги в магнитном поле. Находясь в перпендикулярном относительно своей оси магнитном поле и в собственном поле контура тока (рис. 10, б), дуга получит поступательное движение, направление которого определяется «правилом левой руки». В радиальном же магнитном поле дуга будет двигаться по окружности или по спирали. В электрических коммутационных аппаратах дуга перемещается по расходящимся контактам, и длина её изменяется от нуля до определённого значения расстояния, при котором дуга гаснет. Эта зависимость скорости перемещения дуги от расстояния между расходящимися параллельными контактами (электродами) представлена на рис. 11 [1].  Рис. 11. Зависимость скорости перемещения дуги на параллельных электродах (контактах) от расстояния между ними Участок I характеризует не дугу, а перешеек из расплавленного металла, возникающий в начале расхождения контактов. Этот перешеек существует до тех пор, пока контакты не разойдутся на расстояние l>l1. Скорость движения перешейка очень мала, а при расстоянии между контактами менее 0,5мм, она может вовсе не двигаться. Отсюда можно сделать вывод о том, что дуга не может выйти из межконтактного промежутка, пока его величина будет менее 0,5-1мм. На участке II с увеличением длины дуги наблюдается резкое возрастание её скорости. При определённой длине перешеек з расплавленного металла рвётся и возникает дуга, которая приходит в быстрое движение. На узких электродах скорость возрастает ещё быстрее. Участок II – переходной от капельно-жидкого состояния к газовому. С увеличением длины дуги влияние капель и паров металла снижается, что сопровождается к возрастанию её скорости продольного градиента напряжения на ней. Чем больше будет скорость расхождения контактов на участках I и II, тем лучше условия для гашения дуги и менее интенсивен процесс износа контактов. Участок III характеризует собственно дугу. С увеличением длины дуги наблюдается некоторое снижение скорости её движения. Это происходит от того, что под действием собственного поля дуга стремится свернуться в спираль, а встречный поток воздуха, проникая в дугу, расщепляет её на отдельные параллельные волокна. С увеличением длины дуги действие этих тормозящих факторов сказывается всё сильнее. Внешнее магнитное поле в целях перемещения дуги может быть получено (возбуждено) несколькими способами: при помощи катушки, включенной последовательно с контактами (последовательное возбуждение); при помощи катушки, включенной параллельно контактам на напряжение сети (параллельное возбуждение); при помощи постоянных магнитов. Дугогасительные катушки и постоянные магниты имеют магнитопровод, который охватывает контакты коммутационного аппарата. Поле катушки, воздействуя на поле дуги заставляет дугу быстро перемещаться. Наибольшее распространение получила последовательная дугогасительная катушка. Достоинствами такого способа возбуждения магнитного поля являются надёжность и независимость направления силы. действующей на дугу, от направления тока. Но у этого способа есть и недостатки. Основным недостатком является то, что при малых токах отключения, сила, действующая на дугу во внешнем магнитном поле дугогасительной катушки мала и время гашения малых токов получается большим. Для получения большей силы приходится увеличивать число витков катушки и зазор между контактами коммутационного аппарата. Это ведёт к повышенному расходу меди и к существенным перенапряжениям при отключении номинального тока. В параллельной же катушке сила тока не зависит от тока цепи и создаёт неизменное по величине магнитное поле, поэтому время гашения дуги меньше, чем при последовательной катушке. Но также, у способа с использованием параллельной катушки есть такие недостатки, которые почти исключают его применение: падение или исчезновение напряжения сети, из-за чего коммутационный аппарат окажется без дугогашения; при изменении направления тока в главной цепи, изменяется направление силы, действующей на дугу и дуга загоняется внутрь аппарата; необходимость в изолировании катушки от главной цепи. При использовании постоянных магнитов для дугогашения отпадают первый и третий недостатки, характерные для параллельного возбуждения магнитного поля, а достоинства – сохраняются. Кроме того, не нужно расходовать медь на катушки возбуждения. За счёт исключения катушек снижаются электрические потери. Уменьшение зазора между контактами позволяет уменьшить габариты дугогасительной системы и всего аппарата. Недостатком же остаётся то, что аппарат становится поляризованным, т.е. его неправильное включение или изменение тока может привести к нарушению процесса дугогашения и аварии. Задачей аппаратостроения является разработка неполяризованных систем для возбуждения поля дугогашения на постоянных магнитах. Гашение дуги в продольных щелях Дугу нужно не просто погасить. Дугогасящие устройства должны быть сконструированы так, чтобы дуга гасла в малом объёме, за малое время, при малом износе контактных групп и других частей аппаратов, при малых звуковом и световом эффектах, и при заданных перенапряжениях. Так широкое распространение в коммутационных аппаратах получили дугогасительные камеры с продольными щелями. Ось продольной щели совпадает по направлению с осью ствола дуги. Здесь щель – это зазор между двумя изоляционными пластинами. Основные формы продольных щелей дугогасительных камер приведены на рис. 12 [1].  Рис. 12. Формы продольных щелей дугогасительных камер. Верхняя часть камеры (рис. 12, а) между точками 1 и 2 имеет прямую продольную щель 3 с плоскопараллельными стенками. Камера на рис. 12, б) содержит несколько прямых параллельных друг другу щелей – такую конструкцию дугогасительных камер применяют при отключении больших токов. Камера на рис. 12, в содержит одну продольную щель извилистой формы. Сделано это для того, чтобы удлинить дугу при небольшом размере камеры. Также, из-за наличия рёбер на дуге повышается напряжение. Такие камеры применяются довольно широко. На рис. 12, г показана камера с продольной щелью, имеющей ряд рёбер и уширений 5, за счёт которых происходит возрастание продольного градиента напряжения. Комбинированная зигзагообразная щель с местными уширениями использована в камера на рис. 12, д. В этой камере сочетаются достоинства зигзагообразной щели и местных уширений, т.е. увеличение длины дуги с повышением продольного градиента напряжения. С точки зрения особенностей движения электрической дуги в продольных щелях различают широкие и узкие щели. Широкой называется щель 4, ширина её значительно больше диаметра дуги. Узкая – щель 1, её ширина близка диаметру дуги или меньше его. Диаметр дуги зависит от величины тока, скорости движения дуги и условий охлаждения, поэтому для одних условий щель будет широкой, а для других – узкой. Гашение дуги в масле Способ гашения электрической дуги в масле широко применяется в выключателях переменного тока на напряжении выше 1000В. На рис. 13 изображена электрическая дуга, горящая в масле [1].  Рис.13. Горение электрическая дуга в масле 1 – неподвижный контакт; 2 – подвижный контакт; 3 – стенка бака; 4 – масло; А – ствол дуги; Б – водородная оболочка; В – зона распада; Г – зона газа; Д – зона пара; Е – зона испарения. Контакты выключателя погружены в масло. Дуга, возникающая при разведении контактов, приводит к интенсивному испарению масла с диссоциацией его паров. Вокруг дуги образуется газовая сфера, состоящая преимущественно из водорода (70%-80%) и паров масла. Водород, обладающий весьма высокими дугогасящими свойствами, тесно соприкасается со стволом дуги. Газы, выделяемые с огромной скоростью, проникают в зону ствола дуги, вызывают перемешивание холодного и горячего газа в пузыре и интенсивно охлаждают и деионизируют дуговой промежуток, особенно при прохождении тока через нуль. Взрывное разложение масла повышает давление внутри газового пузыря, также способствуя гашению дуги. Кроме того, гашению дуги способствует и то, что процесс разложения масла связан с отбором от дуги значительного количества энергии (30-35%) [1]. Воздействие масла на дугу увеличивается, если дуговой промежуток расположить в замкнутой изоляционной камере. В таких дугогасительных камерах создаётся более тесное соприкосновение масла с дугой, происходит интенсивное обдувание дуги потоками газов, парами масла и самим маслом, в результате чего возрастает продольный градиент напряжения, ускоряется деионизация и сокращается время горения дуги. По принципу действия дугогасительные устройства масляных выключателей делятся на три группы: с автодутьём – где дутьё масла и газопаровой смеси в зону гашения создаётся за счёт энергии, выделяемой дугой; с принудительным дутьём – масло в зону гашения подаётся с помощью нагнетающих гидравлических механизмов, за счёт внешнего источника энергии; с магнитным гашением дуги в масле – где ствол дуги перемещается в заполненные маслом щели, образованные стенками из диэлектрического материала с помощью магнитного поля. Дугогасительные устройства с автодутьём получили наибольшее распространение, т.к. их конструкция относительно проста, а эффективность достаточна. На рис. 14 [1] изображены основные конструкции дугогасительных камер с автодутьём. При образовании газового пузыря вокруг дуги, в камере стремительно повышается давление (положение контактов I на рис.14). Масло и парогазовая смесь стремятся выйти через отверстия в камере, чем создают интенсивное обдувание дуги (положение II) вдоль дуги (продольное дутьё) или поперёк дуги (поперечное дутьё). После гашения дуги камера заполняется маслом (положение III). Масляные выключатели могут снабжаться и более сложными камерами, где указанные принципы могут использоваться в различных комбинациях.  Рис.14. Процесс гашшения дуги в камерах с автодутьём: а – камера продольного дутья; б – камера поперечного дутья 1 – масло; 2 – неподвижный контакт; 3 – клапан; 4 – дуга; 5 – газовый пузырь; 6 – камера; 7 – подвижный контакт Гашение дуги воздушным дутьём Способ гашения дуги воздушным дутьём также нашёл широкое применение в высоковольтных выключателях. Дуга обдувается продольным или поперечным потоком воздуха под определённым давлением. Воздух, перемещаясь со скоростью, близкой к звуковой, выдувает из зоны горения дуги ионизированные частицы и заменяет их охлаждёнными. Температура дуги резко снижается, особенно в момент прохождения тока через нуль. На процесс гашения в основном влияют давление и скорость движения воздуха, направленность его струи, расстояние между контактами и частота отключаемой цепи. С ростом давления и скорости воздуха повышается интенсивность гашения дуги. При этом, для каждого значения давления существует оптимальное расстояние между контактами, при котором осуществляется наиболее эффективное гашение дуги. На рис. 15 схематично показаны камеры с воздушным дутьём [2].  Рис. 15. Схемы камер с воздушным дутьём: а – поперечное дутьё; б – продольное одностороннее в горловине камеры; в – продольное одностороннее через металлическое сопло; г - продольное одностороннее через изоляционное сопло; д, е – продольное двустороннее через соплообразные контакты По отношению потока воздуха к стволу дуги различают группы дутья: поперечное; продольное; продольно – поперечное. Наиболее эффективны камеры с поперечным дутьём, но они расходуют большое количество воздуха. Поэтому их применяют в выключателях на большие токи отключения при напряжении до 20кВ. Камеры же с продольным и продольно-поперечным дутьём – это относительно простые устройства, позволяющие осуществить многократный разрыв дуги, при простом регулировании дутья и небольшом расходе воздуха. Гашение дуги в элегазе Элегаз (гексафторид серы, химическая формула SF6) – это инертный тяжёлый газ с высокой, по сравнению с другими газами, электрической прочностью. Элегаз нетоксичен, не имеет запаха и цвета. В СССР изучать элегаз применительно к электротехнике начали в 30-х годах. Это дало начало его использованию в качестве изоляционной среды в том числе и в высоковольтных выключателях. Элегаз имеет высокую электрическую прочность по сравнению с другими газами, например, с азотом или воздухом. Характеристики зависимостей пробивного напряжения для элегаза, трансформаторного масла и воздуха приведены на рис. 16 [4].  Рис. 16. Пробивные напряжения трансформаторного масла, воздуха и элегаза в зависимости от давления Из рисунка видно, что электрическая прочность элегаза при давлении в 3 бара примерно в 2,5 раза выше, чем у воздуха и равна электрической прочности трансформаторного масла. благодаря этому, габариты элегазового оборудования на порядок ниже габаритов воздушного оборудования при равных классах напряжения. Поэтому закрытые распредустройства и подстанции, укомплектованные комплектными распределительными устройствами с элегазовой изоляцией (КРУЭ), занимают намного меньшую площадь, чем распредустройства с воздушными выключателями. Благодаря высокой дугогасящей способности и электрической прочности элегаза, остаточный ток после прохода через нуль в элегазовых дугогасящих устройствах крайне мал (1-4А), по сравнению воздушными дугогасящими устройствами (10-100А) [4]. С  хема одностороннего дутья в элегазовых дугогасящих устройствах приведена на рис. 17, а [4].Рис. 17. Схемы дутья в элегазовых выключателях: а – продольное дутьё; б – двустороннее автодутьё; в – электромагнитное дутьё. Эти схемы дугогашения нашли применение в конструкциях дугогасящих устройств элегазовых выключателей. Гашение дуги в вакууме Вероятность ионизации молекул газа путём соударения электронов с ними в вакууме чрезвычайно мала, поэтому вакуум является хорошей изоляционной средой. Абсолютное давление в дугогасительных устройствах вакуумных выключателей находится в пределах 10-10 – 10-3 Па [5]. Это позволяет интенсивно деионизировать дуговой промежуток и восстановить его электрическую прочность после погасания дуги в момент прохода тока цепи через нуль. Сравнение зависимостей восстановления электрической прочности промежутка от времени, прошедшего после нуля тока цепи для вакуума (1), элегаза (2), азота (3) и водорода (4) показано на рис. 18 [5]. В вакууме при малых токах (до нескольких кА) дуга существует в виде  Рис. 18. Восстановление электрической прочности межконтактного промежутка в различных средах. диффузной (рассеянной дуги), либо в виде концентрированной (сжатой) дуги при больших значениях тока. Ток, при котором дуга переходит от одного вида к другому, зависит от материала и формы контактов выключателя, и от скорости изменения тока. Также, эти факторы влияют и на скорость восстановления электрической прочности межконтактного промежутка. Диффузная дуга гасится в вакууме намного легче, чем дуга сжатая [5]. Поэтому, при проектировании вакуумных дугогасительных устройств необходимо сконструировать контакты так, чтобы дуга на протяжении времени до прохождения тока через нуль была бы диффузной. Длина дуги в вакууме значительно меньше, чем в других выключателях (масляных, воздушных). Это позволяет значительно снизить габариты дугогасительной камеры и самого коммутационного аппарата. Однако, существенным недостатком вакуумных выключателей является то, что вследствие быстрого восстановления электрической прочности межконтактных промежутков (15-20кВ/мкс для промежутка 10мм) происходит срез тока, вызывающий перенапряжения в коммутируемой цепи, особенно при преобладании индуктивной нагрузки. Перенапряжение в цепи можно устранить установкой ограничителей перенапряжения (ОПН). Также трудностью в конструировании вакуумных дугогасительных камер является отвод тепла от контактов как при длительном рабочем токе, так и при отключении. Достоинства же вакуумного дугогашения перекрывают указанные недостатки и вакуумные выключатели в настоящее время являются самым перспективным путём развития электрических коммутационных аппаратов в сетях напряжением до 35кВ. |