|
| |
  |
Главная » Книги и журналы 1 ... 7 8 9 10 11 12 13 ... 30  Рис 6-18. Допустимая частота отключений контактором на ISO А в раЗШЧНШ режимах Выражение 6-11) учитывает индуктивность собственного яхоря обмопа дополнителх^кох, полюсов и последовательной обмотки и относщся 1;электро* двягаюмм без компенсационной обмотки. Индуктивность якорных дешй электродвигателе с шмпшсационной обмоткой оказывается меньшей. Растеты показывают, что контакторы постоянного тока с закрытыми штщш. тех же размеров, что и открытые камеш, допускают частоту {шботы, определяемую тысячами отключений час. На рис 6-18 в качестве примера приведены кривые, характеризующие откя. допустимую частоту отключений при различных режимах работы контактора на 150 А с закрытой камерой тех же размеров, что у контактора КП203. Расчет производился для наихудшего случая - отключения электродвигателя тина ПН-400, / ом =* = 154 А, 1/ о„ -220 В, п„ом = = 750 об/мин, = 3,9 мГн. Допустимая температура камеры принималась {шввой 2°С. Кривая 1 выражает допустимую частоту работы при отключении вращающегося электродвигателя. Кривая 2 относится к отключению электродвигателя, вращающегося с половинной номинальной частотой вращенйя а создающего противо-ЭДС, равную 0,5 [/яом- Кривая 3 относится к откшочевию заторможенного электродвигателя. В усдошях эксплуатации в одной и той же установке могут иметь м^о различные из утазанных случаи. Допустим, что эквивалентный режи4 соответствует отключению не достигшего номинальной частоты вращедцш алещф! двигателя при двойном номинальном токе (кривая 2). В таком случае для нашего контшто! допустимой окажется частота работы, равная 1000 отключений в час, т.е. закрытые дугогасительные устройства допускают высокую частоту отключш1. 6-7. ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ.ЯВЛЩИЯ В ЗАКРЫТЫХ ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ КАМЕРАХ В зак{штых (ограниченного объема) дугогасительных камерах движение дуги по контактам сопров(Ждается рядом газодинамических явлений, которое могут замедлить ее двияншЕие и способствовать повторным зщзкжашшл 6. Газодинамические boj№I. При появлении дуги возникает волна избыточного давления, котЬрая со скоростью, несколько превышающей скорость звука, распространяется перед движущейся дугой. Достигнув преграды, волна избыточного давлеши отражается. От1тженная волна давления движется тщр^чц дуге и. Складываясь с первичной волно] воздействует на фронт дуги, за $еддя№Г движение последней, что ухудшает условия гшнения. П<юле нескодьшк оэд-жений от преграды и дуги волновые прогдажы затухают. Если в преграде имеются щели или отверстия, то параду с отражением волны дав;юния щкжсходит проникновение части волны давления в эти щеш. Таким образом, снизить давление отраженных волн можно, если уменьояать акустическое сощютивлеиие преград, выполнив дополнительные вых^кшвые каналы или перфсфироваивые перегородки. Газвдпаянческяе ютоки. В закрытых кам^х значительная часть энергии дуги расходуется на нагрев замкнутого объема воздуха и на газовыделение из стенок KBjMepbL В камере при отключении возникает избыточное давление. Из-за наличия сквозных щелей, зазоров в стенках внутри камеры возникают потоки газа, которые могут способствовать или щюпятствовать движению дуги. Например, ветреные потоки направляются к отверстиям, прещизначенным для прохода контактодержателей подвижных контактов. Эти потоки тормозят движение дуги и, загоняя ионизированные газы в межконтактный промежуток, способствуют повторному зажиганию дуги. Выхлопные щели и каналы надо выполнять таким образом, чтобы потоки газа в камере способствовали движению дуги. Отверстия для прохода подвижных частей следует выполнять с закрытиями лаб1финтного типа или другими уплотнениями. 6-8. ГАШЕНИЕ ДУГИ ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ Проводимость дугового промежутка зависит от степени ионизации газа. При неизменной температуре степень ионизации а = т. е. степень ионизации падает с ростом давления. Это значит, что для проведения того же тока при более высоком-давлений к дуговому промежутку необходимо приложить более высокое напряжение. Иначе говоря, продольный градиент напряжения в дуге возрастает с ростом давления. С ростом давления возрастает теплопроводность газа. При прочих равных условиях это приводит к усиленному силаждешио дуги и к увеличению градиента напряжения в ней. Таким образом, повышение давления газа, в котором горит дуга, йриводит к возрастанию продольного градиента напряжения в дуге. Экспериментально установлена следующая зависимость градиента напряжения в устойчиво горящей дуге от давления: £, = £о/10-*, (6-12) где Ео - градиент напряжения при нормальном атмосферном давлении, а fc = 7з-Соотношение (6-12) проверено в широком диапазоне давлений (до 1,2 МП а), но для небольших токов (До 10 А). В опытах [3], где исследования велись не при устойчиво горящей дуге, а при дуге отключения, имело место более быстрое возртстание градиента с ростом давления. Показатель степени к лриобретал значения от 0,5 до 1. Гашение дуги при помощи высокого давления, создаваемого самой же дугой в плотно закрытых камерах, широко используется в плавких предохранителях и ряде других аппаратов. В этих аппарттах вся энергия, выделяемая в дуге отключения, отдается газу, находящемуся в ограниченном объеме. При условии, когда стенки камеры не выделяют газа, справедливо (в первом приближении) следующее соотношение: pv = myW (6-13) где И^ -энергия дуги, Дж; d -объем, см; р - возникающее в камере давление. Па. В результате дугу удается погасить в небольших плотно закрытых камерах и сделать аппараты совершенно безопасными в пожарном отношении. 6. ГАШЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ В МАСЛЕ  Этот способ гашения нашел широкое применение в выклЮчателкс переменного тока на высокое напряжение (подробро см. работу [2]). Контакты аыключателя погружаются в масло. Возникающая при разрыве дуга (5000-6000 °Q приводит к очень интенсивному испарению окружающего ее масла с диссоциацией его паров. Вокруг дуги образуется газовая оболочка (рис. 6-19) - газовый пузырь, состоящий в основном из водорода (70 - 80% газов пузыря) и паров масйа. При этом водород, обладающий наивысшими среди всех газов дугогасящими свойствами, наиболее тесно соприкасается со стволом дуги. Вьщеляемые с громад ной скоростью гаы проникают непосредственно в зону ствола дуги, вызывают пфемешивание холодного и горятего газа в пузыре, создают интенсивное охлаждение и деионизацию дугового промежутка, особенно в момент прохождения тока через свой естественный нуль. Быстрое (взрывное) разложение масла приводит к повышешно давления внутри пузыря, что также спосо&гтвует гашению дуги. В обычных конструкциях масляных выключателей давление в газовом пузыре повышается до 0,5-1 МПа, а в выключателщ с дугогасительными камерами - еще больше. Следует отметить, что сам процесс разложения масла с образованием газопаровой смеси связан с отбором От дуги большого количества энергии (W-35%), что также благоприятно влия-ет на гашап^ Щгч. Процесс гашения в масле происходит тем интенсивнее, чем бтже соприкасается дуга с маслом й чем быстрее движется масло по отношению к дуге. При простом разрыве дуги в масле дуга о1фужейа пузырем, заполненным парами масла и газа, находящимися & относитель срокойнсш остояши. Воздействие саьйго шсла на дугу относительно м^. В^яШФхтс масла на дугу существенно увеличивается, если дуговой разрыв ограшчщ* каким-либо замкнутым изопШющШм устройством, так называемым дугвгаситеяьным устройством (камсой). В дугогасительных камерах создается более тесное соприкосновение масла с дуГой, а также интенсивное обдувание дуги потсжамя газов, паров масла и самим маслом, в результате чего значительно возрастает продолышй градиент тшрщ вяя, ускоряется процесс деионизздии, сокрапезется время горения дуги, уменшается ход контактов по сравнетию с простым разрывом в масле. В случае когда дуга горит в газовом пузыре, объем! которого не огтйи-чивается стенками, средняя темвтура газопаровой смеси находится в пределах 800-1000 К, а в случае горения дуги в узком, огранвгаенном обме Tqto бояших токах средняя температура газопаровой смеси достигает 20ОО-*25О0 К, т.е. отвод энергии от дуги здесь значительно больший. Некоторые средние значешя продольного градиента Напряжения п охлгйс* даемой в мяст дуге, пдлученные опытным путем, приведешь в 6-1. ДугоГаеителкда устрдйства современных масляных выключателей по врик-ципу действия ы<жуг быть разделены на три основные группы: Рис, 6-19. Элект1шяеская дуга в сфере газового нузыря в масле при простом одаократном разрыв ; - непощасшЖ т ткг; 2 - подвижный 1;оятвкт; 5 - стенка ша; водородйа)! oeoaoiflci:; В - зона рае-пада; Г - ЗОИ* mm; Д - зояа пара; Е - зоМ! iiapeBHC 1. Дугогасительные устройства с автодутьем, в которых дутье газонаро-вой смеси и масла в зону гашения дуги создается за счет энергии, выделяющейся в самой дуге. 2. Дугогасительные устройства с принудительным (импульсным) масляным дутьем, у которых масло в зону гашения дуги (к месту разрыва) подается с помощью специальных нагнетающих гидравлических механизмов за счет постороннего источника энергии.  Рнс. 6-20. Схемы процесса гашения электрической дуги в камерах с автодутьем: а - камера продольного дутья; б - камера поперечного / - масло; 2 - неподвижный контакт; 3 - клапан; 4 - дуга; 5 - газовый пузырь; 6 - камера; 7 - подвижный контакт 3. Дугогасительные устройства с магнитным гашением дуги в масле, у которых столб дуги под влиянием поперечного магнитного поля перемещается в узкие, заполненные маслом каналы и щели, образованные стенками из изоляционного материала. Наибольшее распроотранение нЯходят дугогасительные устройства первой группы, так как обеспечивают большую эффективность гашения при сравнительно несложных конструкциях. Принципиальные схемы работы простейших дугогасительных камер с автодутьем приведены на рис. 6-20. Газовый пузырь, образующийся вокруг дуги при размыкании контактов, приводит к существенному повышению давления в ограниченном объеме камеры (положение I). Масло и продукты его разложения, стремясь выйти через отверстия в камере, создают интенсивное обдувание дуги потоками газопаровой смеси и масла вдоль дуги (продольное Таблица б-l
дутье - рис. 6-20, а) при выходе подвижного контакта из камеры (положение 11) или поперек дуги (поперечное дутье - рис. 6-20,б) при наличии выхлопного отверстия, расположенного против места разрыва (положение 11). После гашения дуги камера наполняется маслом (положение 111). Современные масляные выключатели снабжены более сложными камерами, в которых используются указанные принципы в различных комбинациях с одним, двумя и большим числом разрывов. 6-10. ГАШЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ ВОЗДУШНЫМ ДУТЬЕМ Этот способ гашения также нашел широкое применение в выключателях переменного тока на высокое напряжение. Дуга, образующаяся между контактами, обдувается вдоль или поперек потоком воздуха под определенным давлением. Перемещающийся с большой скоростью (приближающейся к звуковой) поток воздуха удаляет из зоны дуги нагретые ионизированные частицы, замещая их другими, охлажденными. Температура ствола дуги резко падает, особенно в момент прохождения тока через нуль. Одновременно происходит и механическое разрушение ствола дуги. Основное влияние на процесс гашения оказывают давление и скорость истечения воздуха, собственная частота отключаемой цепи, расстояние между контактами, площадь выходного отверстия и направленность струи. Как уже указывалось, с ростом давления падает степень ионизации, с ростом скорости увеличивается интенсивное охлаждение ствола дуги. Поэтому с ростом давления и скорости истечения потока воздуха повышаются интенсивность гашения и отключающая способность дугогасительного устройства. Расстояние между контактами существенно сказывается на процессе гашения. Казалось, что увеличение расстояния между контактами должно улучшать условия гашения. В действительности для каждого значения давления существует оптимальное расстояние между контактами, при котором обеспечиваются наилучшее гашение и максимальная Отключающая способность. Уменьшение, как и увеличение, этого расстояния ухудшает гашение. При этом весьм^ часто оптимальное из условий гашения расстояние между контактами оказывается меньше требуемого из условий электрической прочности, и после гашения дуги во избежание пробоя промежутка необходимо принять меры к доведению расстояния между контактами до значения, определяемого требованиями электрической прочности. Это достигается перемещением дополнительных, последовательно включенных контактов, применением многократного разрыва, где каждый разрыв имеет расстояние между контактами, оптимальное по условиям гашения, а суммарное расстояние всех разрывов обеспечивает электрическую прочность; применением отделителей и другими способами [2]. С увеличением выходного отверстия растет скорость истечения потока воздуха, условия гашения улучшаются. По отношению к стволу дуги поток воздуха может быть поперечным -поперечное воздушное дутье (рис. 6-21, а), продольным - продольное воздушное дутье (рис. 6-21, б - е) и продольно-поперечным - п р о-  Рис 6-21. Схемы камер q воздушным дутьем: а - поперечное дутье; 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 / - иеподви*вый контакт; 2 - изоляционные перегородки; 3 - дуга; 4 - подвижный контакт; 5 - корпус камеры; 6 - металлическое сопло; 7 - изоляционное сопло дольно-поцеречное дутье. Продольное и продольно-поперечное дутье может быть односторонним и двусторонним. По эффективности воздействия на дугу лучшие характеристики дают камеры поперечного дутья, но их работа связана с большим расходом воздуха. Поэтому они находят преимущественное применение в выключателях на большие номинальные и отключаемые токи при напряжении до 20 кВ. Достоинствами камер продольного и продольно-поперечного дутья являются возможность создания простых устройств с многократным разрывом дуги, простое регулирование дутья формой контактов и выхлопных отверстий и сравнительно небольшой расход воздуха. В последние годы для гашения дуги начинает применяться элегаз (шести-фтористая сера SFe), полученный впервые у нас, в Советском Союзе. Элегаз -очень устойчивый инертный газ. По сравнению с воздухом его электрическая прочность почти в 2,5 раза выше, при давлении 0,2 МПа она примерно равна электрической прочности трансформаторного масла. Удельная объемная теплоемкость элетаза почти в четыре раза выше, чем у воздуха, что позволяет увеличить нагрузку токоведущих частей и уменьшить массу медн в аппарате. Соответственно теплоемкости дугогасящйе свойства элегаза в камерах продольного дутья в пять раз выше, чем у воздуха. Повышенные дугогасительные свойства элегаза объясняются еще способностью его молекул захватывать электроны. По отношению к последним образующиеся отрицательные ионы малоподвижны, и при обдуве дуги происходят поглощение электронов и усиленная деионизация. Недостатком элегаза является высокая температура сжижения. Например, при давлении 1,31 МПа он из газообразного состояния переходит в жидкое при температуре 0°С. Это заставляет либо прибегать к подогревающим устройствам, либо использовать газ при низком давлении. Для получения хороших результатов требуется газ высокой чистоты. 6-11. ГАШЕНИЕ ДУГИ В ДУГОГАСИТЕЛЬНОЙ РЕШЕТКЕ Рассмотренные выше способы гашения дуги сводились к воздействию на ее ствол. Дугу можно также гасить, используя электродные падения напряжения. Впервые этот принципиально новый способ гашения предложил М. О. Доливо-Добровольский. Над контактами / и 2 аппарата (рнс. 6-22) устанавливаются неподвижные изолированные друг от друга металлические пластины 5, образующие дугогасительную решетку. Возникающая при отключении дуга 3 загоняется в эту решетку, где разбивается на ряд последовательно включенньус коротких дуг 4. У каждой пластины решетки возникает около электродное падение напряжения. Гашение дуги происходит за счет суммы околоэлектродных падений напряжения (подробно см. работу [4]). Гашение дуги постоянного тока. При числе пластин т коротких дуг будет ш + 1, столько же будет анодных и катодных С/ падений напряжения. Напряжение а всей дуге в решетке [/др=С7,(т+1) + £д;д, (6-14) где и^ - + и^ - сумма околоэлектродных падений напряжения. В; Ед -градиент напряжения в дуге. В/см; /д = /о(ш + 1) - длина дуги, см. Для открытсш дуги той же длины (/д о = + EJa- Таким образом, напряжение на дуге в решетке р = о + и^, (6-15) т. е. при неизменной длине статическая характеристика дуги в дугогасительной решетке (кривая 2 на рис. 6-22) выражается той же по форме кривой, что и характеристика открытой дуги (кривая 1), но перенесенной на сумму околоэлектродных падений напряжения в область более высоких напряжений. Б:ли число пластин велико, то величиной С/д по сравнению с t/,m можно пренебречь, н уравнение (6-15) примет вид 17д р W и^. (6-16) Для того чтобы дуга в решетке погасла, число пластин, между которыми оНа должна находиться, должно быть т > U/Ur где U - напряжение сети, В. Возможны две типичные схемы решетки. В схеме на рис. 6-22, а дуга, возникшая на контактах, переходит на рога и, двигаясь кверху, под действием магнитного поля всеми своими точками одновременно проникает в область, занятую решеткой. Напряжение на дуге достигает значения U, ток в цепи снижается до нуля по кривой, представляющей собой экспоненту. В схеме на рис. 6-22,6 дуга, возникшая на контактах, последовательно входит в промежутки между пластинами решетки по мере удаления подвижного контакта от неподвижного. Напряжение на дуге возрастает постепенно по закону, близкому к линейному. Длительность горения дуги будет уменьшаться с возрастанием скорости расхождения контактов и числа пластин на единицу длины.  1©
 Рис. 6-22. Статические вольт-амперные характеристики электрической дуги в решетке и схемы дугогасительных решеток При прочих равных условиях схема на рис. 6-22, а позволяет получить меньшую продолжительность горения дуги, чем схема на рис. 6-22,6. Однако для обеспечения одновременного входа дуги во все промежутки между пластинами требуется внешнее магнитное поле. Гашение дуги переменюгО тока. При гашении дуги переменного тока в дугогасительной решетке основную роль играют процессы у катода, заключающиеся в том, что в рационально спроектированной дугогасительной решетке в момент прохождения тока через нуль околокатодное пространство мгновенно приобретает электрическую прочность 150- 250 В. Если и„ро является тем минимальным напряжением, которое необходимо для пробоя о|солокатодного слоя после прохождения тока через нуль, а дуго-гасительная решетка имеет т катодов (т - 1 пластин), то при и„,т>и,ш^ (6-17) дуга на промежутке не восстановится. В решетке (рис. 6-22, а) дуга погаснет в тот полупернод, за который она войдет в решетку. При схеме рис. 6-22,6 дуга за один полупериод может не успеть войти в необходимое число промежутков, так как длина дуги зависит от скорости расхождения контактов. Как указывалось выше, L/omax практически не превосходит lE. Условие (6-17) определяет число пластин решетки, между которыми должна находиться дуга переменного тока, чтобы получить ее погасание при прохождении тока через нуль. Необходимое для погасания дуги переменного тока число пластин существенно меньше, чем для постоянного тока, где составляет всего 20-25 В. Дугогасительная решетка на переменном токе действует в 7-8 раз эффективнее, чем на постоянном Этим и объясняется широкое ее применение на переменном токе и ограниченное применение - на постоянном. Дугогасительная решетка позволяет сильно сократить размеры дуги и гасить ее в ограниченном объеме при малом световом и звуковом эффектах. Это обеспечило ей широкое применение в дугогасительных устройствах контакторов и автоматических выключателей. Выше рассмотрены основные процессы, происходящие в дугогасительной решетке. Эти процессы осложняются дополнительными явлениями. В частности, существенное значение имеют процессы, происходящие при вхождении дуги в решетку, форма и материал пластин. Вхождение дуги в решетку. Быстро движущаяся дуга встречает существенное аэродинамическое сопротивление при вхожде!нии в решетку. Дойдя до нижнего края пластин, дуга замедляет свою скорость или вовсе останавливается. Аэродинамическое сопротивление (в первом приближении пропорциональное квадрату скорости) падает, и дуга начинает проникать в решетку. Степень снижения скорости дуги или время ее остановки у нижнего края пластин зависят от формы пластин, расстояния между ними, сил, движущих дугу, и общей конструкции решетки. Так, решетка схемы 3 (рис. 6-22, в) имеет преимущества перед другими схемами: условия вхождения дуги в решетку здесь более благоприятны. В решетку, выполненную по схемам 1, 2, 3, дуга всегда входит. Внешние силы могут только сократить время остановки дуги у нижнего края пластин. В решетке по схеме 4 опорные точки дуги не могут проникать в область, занятую решеткой, дуга здесь не всегда входит в решетку. Длительная остановка дуги у нижнего края пластин приводит к их выгоранию. Расстояния между пластинами решетки желательно делать весьма малыми. Чем большее число пластин удается поместить на единицу длины, тем компактнее получается дугогасительное устройство. Расстояние между пластинами ограничивается возможностью появления между ними металлического перешейка и их сплавлением. Стальные пластины ближе чем на 2 мм располагать нельзя. Второе ограничение сближению пластин ставят условия вхождения дуги в решетку. Чем гуще решетка, тем труднее дуге проникать в нее. Электрическая дуга в решетке из немагнитного материала. Движение электрической дуги в решетке из немагнитного материала и силы, действующие на дугу, схематично изображены на рис. 6-23, а. На возникшую между контактами электрическую дугу действуют электродинамические силы Fq контура тока. Эти силы, а при наличии внешнего магнитного поля и сила взаимодействия тока в дуге с этим полем загоняют дугу в решетку. Силы Fq продолжают существовать в течение всего времени нахождения дуги в решетке. Проникая в решетку, дуга разбивается на ряд коротких дуг. Она перестает двигаться как нечто цедое. Каждая из коротких дуг приобретает возможность двигаться самостоятельно. Некоторые из них могут продвинуться вперед, некоторые могут отстать. Как только это произойдет (а произойдет это обязательно), в контурах тока по решетке возникнут местные силы F стремящиеся задержать движение отставших дуг и ускорить движение дуг, выдвинувшихся вперед. На одних участках дуги будет действовать сила Fo - Fi,  
  Рис. 6-23. Силы, действующие на дугу в решетке из немагнитного (а) и магнитного (б) материала 1 - контакт медный, 2 - стенка камеры, i - пластина решетки, 4-отверстие в пластине, 5 - траектории опорных точек дуги при ее возникновении в точках А и В на других fQ + Fj. В результате одни дуги в решетке сильно продвинутся вперед, друЫё отстанут или даже получат обратное движение. При малых токах силы Fq малы, и при решетке из немагнитного материала дуга не всегда проникает в решетку и будет гореть под решеткой. При больших токах дуга быстро пройдет через решетку и будет гореть над решеткой. Электрическая дуга в решетке из магнитного материала. Движение дуги в решетке из магнитного материала и силы, действующие при этом на дугу, схематично изображены на рис. 6-23,6. Силы Fq и Fj действуют так же, как в решетке из немагнитного материала, к ним добавляются силы взаимодействия 1 ... 7 8 9 10 11 12 13 ... 30 |