Электрические аппараты конспект лекций ( лекции 1 - 10)
Страница 4 из 9
ЛЕКЦИЯ № 4
ОТКЛЮЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
Большая группа электрических аппаратов представлена коммутационными устройствами, с помощью которых замыкается и размыкается электрическая цепь. Электрический разряд, возникающий при размыкании контактов, приводит к их износу, и в основном определяют надежность и долговечность аппарата. Этот разряд является либо тлеющим, либо электрической дугой. Тлеющий разряд возникает при отключении тока менее 0,1 А при напряжении на контактах 250-300 В. Такой разряд происходит в маломощных реле, а в более мощных аппаратах является переходной фазой к разряду в виде электрической дуги.
Дуговой разряд имеет следующие особенности:
1. Дуговой разряд имеет место только при относительно больших токах. Минимальный ток дуги для металлов составляет примерно 0,5 А;
2. При дуговом разряде плотность тока на катоде чрезвычайно велика и достигает 102 ‑ 103 А/мм2;
3. Падение напряжения у катода составляет всего 10÷20 В и практически не зависит от тока.
В дуговом разряде различают три характерные области: околоанодную, область столба дуги и околоанодную.
ОКОЛОКАТОДНАЯ ОБЛАСТЬ
Занимает весьма небольшое пространство длиной не более 10-6 м. Около катода возникает положительный объемный заряд, создаваемый положительными ионами. Между этим положительным объемным зарядом и катодом создается электрическое поле с напряженностью до 107 В/м, в котором движутся электроны, вышедшие из катода и создающие электрический ток. Образующиеся электроны не создают около катода отрицательного объемного заряда, т. к. их скорость значительно больше скорости тяжелых положительных ионов. Положительные ионы разгоняются в поле катодного падения напряжения и бомбардируют катод. Благодаря этому температура катода поднимается и достигает точки испарения материала электрода.
ОБЛАСТЬ ДУГОВОГО СТОЛБА
Энергия, приобретенная заряженными частицами в электрическом поле дугового столба, столь мала, что практически ионизация толчком не происходит.
При большой температуре, которая имеет место в области дугового столба, скорость частицы возрастает до значения, при котором угар в нейтральный атом приводит к его ионизации. Такая ионизация называется термической. Основным источником ионов и электронов в столбе дуги является термическая ионизация
Степень ионизации (Х) зависит от давлении газа в столбе дуги [Лекция 1]
|
|
(3.1)
|
Из (3.1) следует, что с ростом давления степень ионизации (Х) уменьшается.
В связи с этим во многих дугогасильных устройствах (ДУ) электрических аппаратов создается повышенное давление газа, что способствует гашению дуги. Кроме этого в (ДУ) принимаются меры против показания металлических паров электродов в столб дуги (уменьшение сечения плавких вставок предохранителей, перемещение дуги по электродам, уменьшение температуры электродов и др.).
Поскольку степень ионизации определяется температурой, во всех ДУ стремятся отводить тепло от дуги за счет охлаждения движущимся воздухом или газом (воздушные, масляные выключатели) либо отдачи тепла стенкам дугогасительной камеры.
ОКОЛОАНОДНАЯ ОБЛАСТЬ
Поток электронов из столба дуги устремляется к положительному электроду – аноду. Анод при дуговом разряде не излучает положительных ионов, которые могли бы нейтрализовать электроны. Поэтому вблизи анода создается отрицательный объемный заряд, что и вызывает появление околоанодного падения напряжения и повышения напряженности электрического поля.
Электроны разгоняются в поле, образованном отрицательным объемным зарядом и анодом. Энергия, приобретенная электронами, отдается аноду. Благодаря большой энергии электронов, анод нагревается до очень высокой температуры, которая выше температуры катода.
Высокая температура анода и околоанодная область не оказывают существенного влияния на возникновение и условия существования дугового разряда. Роль анода сводится к приему электронного потока из дугового столба.
СПОСОБЫ ГАШЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ
В современных электрических аппаратах различают множество способов гашения дуги. К ним относятся: воздействие на столб электрической дуги; перемещение дуги под воздействием магнитного поля; гашение дуги с помощью дугогасительной решетки; гашение дуги высоким давлением; гашение в потоке сжатого газа; гашение в трансформаторном масле; гашение электрической дуги с помощью полупроводниковых приборов и др.
ВОЗДЕЙСТВИЕ НА СТОЛБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ
Задача ДУ состоит в том, чтобы обеспечить гашение дуги за малое время с допустимым уровнем перенапряжений, при малом износе частей аппарата, при минимальном объеме раскаленных газов, с минимальным звуковым и световым эффектами.
Для гашения дуги постоянного тока необходимо, чтобы вольтамперная характеристика (ВАХ) дуги (U
) шла выше прямой U – iR (рисунок 3.1).
Рисунок 3.1 – Статическая ВАХ дуги и прямая U-iR.
Учитывая, что
|
 ,
|
(3.2)
|
Где 
- напряженность электрического поля в столбе дуги (градиента);
- околоэлектродное падение напряжения;
- длина дуги.
То подъем характеристики можно получить за счет увеличения длины дуги, увеличения градиента и увеличении околоэлектродного падения напряжения. Увеличение градиента можно получить за счет эффективного охлаждения дуги, подъема давления окружающей дугу среды.
В электрических аппаратах низкого напряжения наиболее широко применяют ДУ с узкой щелью. Для увеличения эффективности охлаждения ширина щели делается меньше диаметра дуги. Кроме того, по мере втягивания дуги в щель она приобретает форму зигзага. При этом увеличивается не только длина дуги, но и улучшается ее охлаждение. Перемещение дуги в такой камере осуществляется с помощью магнитного поля. Наиболее характерные формы в керамических пластинах ДУ изображены на рисунке 3.2.
Рисунок 3.2 –Гашение дуги с помощью дугогасительной решетки.
ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ДУГИ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Электрическая дуга, являясь своеобразным проводником с электрическим током может взаимодействовать с магнитным полем. Сила взаимодействия между током дуги и магнитным полем перемещает дугу, создается так называемое магнитное дутье. ДУ могут быть с последовательным включением катушки, создающей магнитное поле или с параллельным включением.
Достоинства ДУ с последовательной катушкой: система хорошо работает в области больших токов; система работает при любом направлении тока; падение напряжения на катушке составляет доли вольта.
Недостатки: неэффективно работает в системах с малыми токами; большая затрата меди на катушку; нагрев контактов за счет тепла в дугогасительной катушке.
Недостатки ДУ с параллельной катушкой: напрвление электродинамической силы, действующей на дугу, зависит от полярности тока; при КЗ в сети возможно снижение напряжение на катушке.
В связи с отмеченными недостатками ДУ с параллельной катушкой применяют только при отключении небольших токов (5-10 А).
ГАШЕНИЕ ДУГИ С ПОМОЩЬЮ ДУГОГАСИТЕЛЬНОЙ РЕШЕТКИ
Как отмечалось выше ВАХ дуги можно поднять за счет увеличения околоэлектродного падения напряжения (U
). Это достигается в электрических аппаратах путем использования дугогасительных решеток (рисунок 3.2).
После размыкания силовых контактов (1 и 2) (рисунок 3.2) возникшая между ними дуга (3) под воздействием магнитного поля движется вверх на пластины (5) и разбивается на ряд коротких дуг (4). На каждой пластине образуются катод и анод. Падение напряжения на каждой паре пластин составляет 20-25 В.
Таким образом удается поднять ВАХ дуги и обеспечить условия ее гашения.
ГАШЕНИЕ ДУГИ ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ
На основании (3.1) следует, что степень ионизации (Х) уменьшается с увеличением давления. На этом принципе работают практически все корпусные предохранители.
ГАШЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ В ПОТОКЕ СЖАТОГО ГАЗА
В высоковольтных коммутационных аппаратах для гашения дуги используют потоки сжатого воздуха или других газов.
Сжатый воздух (или газ) обладает высокой плотностью и теплопроводностью. Омывая дугу с большой скоростью, он охлаждает ее и при прохождении тока через нуль обеспечивает деионизацию дугового столба. Воздух (газ) при высоком давлении обладает также высокой электрической прочностью, что создает высокую скорость нарастания электрической прочности промежутка. Конструктивно ДУ выполняют как с поперечным, так и с продольным дутьем (рисунок 3.3 а, б).
а) б)
Рисунок 3.3 –Камеры ДУ с воздушным дутьём а – поперечное дутьё б – продольное дутьё
