Главная » Книги и журналы

1 ... 4 5 6 7 8 9 10 ... 30

для многоточечных

Fi = 10- -In

о

(4-14)

где S - сечение контакта в том месте, где нет искривлений линий тока; Sq - действительная хшощадь контактирования; п - число мест контактирования.

В аппаратах на большие токи, в частности в автоматических выключателях, стремятся так выполнить контактную систему, чтобы компенсировать или ослабить действие электродинамических сил.

Рис. 4-21 Примеры выполнейия электродинамической и

электромагнитной компенсации электродинамических сил Р - контактное нажатие, f i - отбрасывающие усилия, f г - компенсирующие усилия

Например, в мостиковой системе (рис. 4-21, б) электродинамическая сила F контура abed, действующая на моетиковый контакт и равная

l + /l

+ 0,25], b =

направлена навстречу электродинамическим силам в переходных контактах. Можно подобрать размеры h и а так, чтобы Fj 2Fi.

В контактной системе по рис. 4-21, в электродинамическая сила Fj отсутствует, а в системе по рис. 4-21, г сила Fj складывается с силами F,. С точки зрения электродинамической устойчивости последняя система является наименее устойчивой.

На рис. 4-21, д показан пример электродинамической компенсации для рычажных контактов. Неподвижный контакт состоит из двух частей {1 и 2), соединенных посредством шарнира. Подвижная часть этого контакта удерживается в нейтральном положении двумя пружинами, действующими навстречу друг другу. Электродинамическая сила F2 стремится раздвинуть параллельные части 1 и 2 контакта. Сила F2 направлена навстречу силе F,. Можно подобрать длину петли / так, чтобы F2/2 > FJ,. Тогда при коротком замыкании контакт 2 будет всегда прижиматься к подвижному контакту и контактное нажатие будет при этом возрастать.

Схема электромагнитного компенсатора приведена на рис. 4-21, е. Магнитное поле вокруг токопровода подвижного контакта стремится притянуть якорь 5 магнитопровода компенсатора к его неподвижной части 4. Через рычаг 2 сила Рг передается на подвижный контакт 1, препятствуя его отбросу, вызываемому электродинамической силой Fi.

4-11. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ КОНТАКТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

От материала контакта в сильной степени зависят его срок службы и надежность работы. К этим материалам предъявляются следующие основные требования: они должны обладать высокой электрической проводимостью и теплопроводностью, быть устойчивыми против коррозии и иметь токопро-водящую окисную пленку, быть дугостойкими, т.е. иметь высокую температуру плавления и испарения, быть твердыми, механически прочными и легко поддаваться механической обработке, иметь невысокую стоимость. Перечисленные требования противоречивы, и почти невозможно найти материал, который удовлетворял бы всем этим требованиям.

Для контактных соединений применяются следующие материалы.

Медь. Удовлетворяет почти всем перечислшным выше требованиям, за исключением коррозионностойкости. Окислы меди имеют низкую проводимость. Медь - самый распространенный контактный материал, используется как для разборных, так и для коммутирующих контактов. В разборных соединениях применяют антикоррозионные покрытия рабочих поверхностей (см. § 4-2).

В коммутирующих контактах медь применяется при нажатиях свыше 3 Н для всех режимов работы, кроме продолжительного. Для продолжительного режима медь не рекомендуется, но если она применена, то следует принять меры по борьбе с окислением рабочих поверхностей (см. § 4-2). Медь может использоваться и для дугогасительных контактов.

При малых контактных нажатиях (Р < 3 Н) применение медных контактов не рекомендуется.

Серебро. Очень хороший контактный материал, удовлетворяющий всем требованиям, за исключением дугостойкости при значительных токах. При малых токах обладает хорошей износостойкостью. Окислы серебра имеют почти такую же проводимость, как и чистое серебро. Серебро применяется для главных контактов в аппаратах на большие токи, для всех контактов продолжительного режима работы, в контактах на малые токи при малых нажатиях (контакты реле, контакты вспомогательных цепей). Серебро обычно применяется в виде накладок - вся деталь выполняется из меди или другого материала, а на рабочей поверхности контакта приваривается серебряная накладка.

Алюминий По сравнению с медью обладает значительно меньшей проводимостью и механической прочностью. Образует плохо проводящую твердую окисную пленку, что существенно ограничивает его применение. Может использоваться в разборных контактных соединениях (шинопроводы, монтажные провода). Для этого контактные рабочие поверхности серебрятся, меднятся или армируются медью. Следует, однако, иметь в виду невысокую механическую прочность алюминия, вследствие чего соединения могут со временем ослабнуть и контакт нарушится.

Для коммутирующих контактов алюминий непригоден.

Платцна, золото, молибден. Применяются для коммутирующих контактов на очень малые токи при малых нажатиях. Платина и золото не образуют окисных пленок. Контакты из этих металлов имеют малое переходное сопро-

тивление. Для повышения износостойкости применяют сплавы из платины с иридием.

Вольфрам и сплавы из вольфрама. При большой твердости и высокой температуре плавления обладают -высокой электрической износостойкостью. Вольфрам и сплавы вольфрам - молибден, вольфрам - платина, вольфрам -платина - иридий и другие применяются при малых токах для контактов с большой частотой размыкания. При средних и больших токах они используются в качестве дугогасительных контактов на отключаемые токи до 100 кА и более.

Металлокерамика - механическая смесь двух практически не сплавляющихся металлов, получаемая методом спекания смеси их порошков или пропиткой одного расплавом другого. При этом один из металлов имеет хорошую проводимость, а другой обладает большой механической прочностью, является тугоплавким и дугостойким. Металлокерамика, таким образом, сочетает высокую дугостойкость с относительно хорошей проводимостью. Наиболее-распространенными КОМПОЗИЩ1ЯМИ металлокерамики являются: серебро- вольфрам, серебро - молибден, серебро - никель, серебро - окись кадмия, серебро - графит, серебро - графит - никель, медь - вольфрам, медь - молибден и др. Применяется металлокерамика в качестве дугогарительных контактов (КОМПОЗИЩ1И с серебром в основном для переменного тока) на средшю и большие отключаемые токи, а также как главные контакты на номинальные токи до 600 А.

ГЛАВА 5

Основы теории горения н гашения электрической дуги

5-1. ПРОЦЕССЫ В ДУГОВОМ ПРОМЕЖУТКЕ

Размыкание электрической цепи при сколько-нибудь значительных токах и напряжениях, как правило, сопровождается электрическим разрядом между расходящимися контактами. Воздушный промежуток между контактами ионизируется и становится на некоторое время проводящим, в нем возникает дуга. Тем или иным способом дуга гасится, т.е. ток в цепи падает от начального эиачения до нуля. Физический процесс отключения состоит в деионизации воздушного промежутка между контактами, т. е. в превращении его в диэлектрик и прекращении вследствие этого электрического разряда.

При особых условиях - очень малых токах и напряжениях, разрыве цепи переменного тока в момент перехода тока через нуль и некоторых других расхождение контактов может произойти без электрического разряда. Такое отключение называется безыскровым разрывом.

Зависи\4ость падения напряжения на разрядном промежутке от тока электрического разряда в газах приведена на рис. 5-1. Первый участок (область I) кривой, представляющий собой область тлеющего разряда, характеризуется высоким падением напряжения у катода (200 - 250 В) и малыми токами (до 0,1 А). При тлеющем разряде плотность тока в разрядном про-метсутке измеряется несколькими микроамперами на 1 см. С ростом тоКа {истет падение напряжения на разрядном промежутке (до 300 - 400 В).

Второй участок кривой (область ) представляет собой переход из тлеющего разряда в дуговой.

Третий участок кривой - дуговой разряд (область ПГ) - характеризуется малым падением напряжения у электродов (10-20 В) и большой плотностью тока (до 100 кА/см). С ростом тока напряжение на дуговом промежутке сперва падает, а затем практически мало меняется.

Электрическая дуга сопровождается высокой температурой и связана с этой температурой. Поэтому дуга - явление не только электрическое, но и тепловое.

В обычных условиях воздух является хорошим изолятором. Так, для пробоя тоздушного промежутка в 1 см требуется приложить напряжение не менее 30 кВ. Для того чтобы воздушный промежуток стал проводником, необходимо создать в нем определенную концентрацию заряженных частиц - отрицательных, в основном свободных электронов и положительных ионов. Процесс отделения от нейтральной частицы одного или нескольких электронов и образования свободных электронов и положительно заряженных частиц - ионов -Называется ионизацией.

Ионизация газа может происходить под действием света, рентгеновских лучей, высокой температуры, под влиянием электрического поля и ряда других факторов. Для дуговых процессов в электрических аппаратах наибольшее

т

А у А
i \ 1 \ 1 \ j \

-г

Рис. 5-1. Вольт-ампериая характерш!тика электрического разряда в газах

значение имеют: из процессов, происходяших у электродов,- термоэлектронная и автоэлектронная эмиссии, а из процессов, происходящих в дуговом промежутке,- термическая ионизация и ионизация толчком.

Термоэлектронная эмиссия. Термоэлектронной эмиссией называется явление испускания электронов из накаленной поверхности.

При расхождении контактов резко возрастают переходное сопротивление контакта и плотность тока в последней площадке контактирования. Эта площадка разогревается до расплавления и образования контактного перешейка из расплавленного металла, который при дальнейшем расхождении контактов рвется. Здесь происходит испарение металла контактов. На отрицатель- ном электроде образуется так называемое катодное дятяо (раскаленная площадка), которое служит основанием дуги и очагом излучения электронов в первый момент расхождения контактов. Плотность тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры и материала электрода. Она невелика и может быть достаточной для возникновения электрической дуги, но она недостаточна для ее горения.

Автоэлектроняая эмиссия. Это явление испускания электронов из катода под воздействием сильного электрического поля.

Место разрыва электрической цепи может быть представлено как конденсатор переменной емкости [24]. Емкость в начальный момент равна бесконечности, затем убывает по мере расхождения контактов. Через сопротивление цепи этот конденсатор заряжается, и напряжение на нем растет постепшно от нуля до напряжения сети. Одновременно увеличивается расстояние между контактами. Напряженность поля между контактами во время нарастания напряжения проходит через значения, превышающие 100 МВ/см. Такие значешя: напряженности электрического поля достаточны для вырывания электронов из холодного катода.

Ток автоэлектронной эмиссии также весьма мал и может служить только началом развития дугового разряда.

Таким образом, возникновение дугового разряда на расходящихся контактах объясняется наличием термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий. Преобладание того или иного фактора зависит от значения отключаемого тока, материала и чистоты поверхности контактов, скорости их расхождения и от ряда других факторов.

Ионизация толчком. Если свободный электрон будет обладать достаточной скоростью. То при столкновении с нейтральной частицей (атом, а иногда и молекула) он может выбить из нее электрон. В результате получатся новый свободный электрон и положительный ион. Вновь полученный электрон может, в свою очередь, ионизировать следующую частицу. Такая ионизащм носит название ионизации толчком.

Для того чтобы электрон мог ионизировать частицу газа, он должш двигаться с некоторой определенной скоростью. Скорость электрона зависит от разности потенциалов на длине его свободного пробега. Поэтому обычно указывается не скорость движения электрона, а то минимальное значение

разности потенциалов, какое необходимо иметь на длине свободного пути, чтобы электрон к концу пути приобрел необходимую скорость. Эта разность потенциалов носит название потенциала ионизации.

Потенциал ионизации для газов составляет 13-16 В (азот, кислород, водород) и до 24,5 В (гелий), для паров металла он примерно в два раза ниже (7,7 В для паров меди).

Потенциал ионизации газовой смеси определяется самым низким из потенциалов ионизации входящих в газовую смесь компонентов и в очень малой степени зависит от концентрации этих компонентов. В короткой дуге всегда имеются пары металла электродов, и потенциал ионизации дугового промежутка определяется потенциалом ионизации этих паров.

Следует отметить, что Не всякий электрон, имеющий скорость выще скорости, соответствующей U , ионизирует нейтральную частицу, так как только часть таких электронов приходит в должное соприкосновение с нейтральными частицами. При скоростях, меньших скорости, соответствующей U , вероятность иойизации толчком равна нулю, при больших скоростях эта вероятность возрастает.

Термическая ионизация. Это - процесс ионизации под воздействием высокой температуры. Поддержание дуги после ее возникновения, т.е. обеспечение возникшего дугового разряда достаточным числом свободных зарядов, объясняется основным и практически единственным видом ионизации - термической ионизацией.

Температура ствола дуги достигает 4000 - 7000 К, а по отдельным данным- 15 000 К. При такой температуре сильно возрастает как число быстро движущихся частиц газа, так и скорость их движения. При столкновении быстро движущихся атомов или молекул большая часть их разрушается, образуя как нейтральные, так и заряженные частицы, т.е. происходит ионизация газа. Основной характеристикой термической ионизации является степень ионизации, представляющая собой отношение числа ионизированных атомов в дуговом промежутке к общему числу атомов в этом промежутке. Одновременно с процессами ионизации в дуге происходят обратные процессы, т. е. воссоединение заряженных частиц и образование нейтральных частиц. Эти а|к)1ессы носят название деионизации. При возникновении дуги преобладают процессы ионизации, в устойчиво горящей дуге процессы ионизации и деионизации одинаково интенсивны, при преобладании процессов деионизации дуга гаснет.

Деионизация происходит главным образом за счет рекомбинации и диффузии.

Рекомбинация. Процесс, при котором различно заряженные частицы, приходя во взаимное соприкосновение, образуют нейтральные частицы, называется рекомбинацией.

В электрической дуге отрицательными частицами являются в основном электроны. Непосредственное соединение электронов с положительным ионом ттду большой разности скоростей маловероятно. Обычно рекомбинация Я^кщсходит при помощи нейтральной частицы, которую электрон заряжает. При Соударении этой отрицательно заряженной частицы с положительным ИЖ(Ж образуется одна или две нейтральные частицы.

Различают рекомбинацию в объеме, когда третьим телом служит нейтральная частица газа, и рекомбинацию на поверхности, когда третьим телом служит повврхн<хлъ вблизи дуги (стенка камеры). В последнем случае электроны заряжают поверхность стенки до потенциала, при котором положительные ионы притягиваются к этой поверхности и, присоединив электрон, образуют нейтральные частицы.

Скорость рекомбинации в объеме прямо пропорциональна объемной плотности ионОв и обратно пропорциональна кубу абсолютной температуры. При относительно небольших концентрациях ионов и невысоких температушэс рекомбинация на поверхности превосходит рекомбинацию в объеме в 10 - 10 раз.

Диффузия. Диффузия заряженных частиц представляет собой процесс вьшоса заряженных частиц из дугового промежутка в окружаюшее пространство, что уменьшает проводимость дуги.

Диффузия обусловлена как электрическими, так и тепловыми фактораши Плотность зарядов в стволе дуги возрастает от периферии к центру. Ввиду этого создается электрическое поле, заставляюшее ионы двигаться от центра к периферии и покидать область дуги. В этом же направлений действует и разность температур ствола дуги и окружающего пространства. Заряженане частицы, вышедшие из области дуги, в конечном итоге рекомбинируются вне этой области.

В стабилизированной и свободно горящей дуге диффузия играет ничтожш) малую роль.

В дуге, обдуваемой сжатым воздухом, а также в быстро движущейся открытой дуге деионизация за счет диффузии может по значению быть бЛизкой к деионизации вследствие рекомбинации. В дуге, горящей в узкой щели или закрытой *:амере, деионизация происходит главным образом за счет рекомбинации.

Из рассмотрения процессов ионизации и деионизации вытекает, что в зависимости от своих физических постоянных различные газы будут обладая различными дугогасящими свойствами. Газы с большей тепяопроводностыо и теплоемкостью обладают лучшей охлаждающей способностью, а следовательно, и лучшими дугогасящими свойствами. Так, кислород, углекислота, водяной пар И/ водород имеют по отношению к воздуху теплопроводность (среднюю в пределах 0 - 6000 К) соответственно 1,8; 2,5; 5 и 17 и дугогасящйе свойства соответственнб 1,8; 2,6; 3,8 и 7.

5-2. ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДУГИ

Зависимость падения напряжения на стволе дуги от тока - вольт-амперная характеристика дуги - приведена на рис. 5-2. Она представляет собой часть кривой (область III) на рис. 5-1. Напряжение U, соответствующее началу дугового разряда, носит название напряжения зажигания дуги. С ростом тока напряжение на дуге уменьшается. Это означает, что сопротивление дугового промежутка падает быстрее, чем увеличивается ток. Для кшк-дого значения тока в какой-то момент времени установится равновесное состояние, когда ионизация будет равна деионизации. Электрическое сопротивление дугового промежутка и падение напряжения на нем станут величинами постоянными, не зависящими от времени. Такой режим носит название статического, а кривая 1, характеризующая этот режим,- статической характеристики дуги.

Если с той или иной скоростью уменьшить ток в дуге от !(, до нуля и при этом фиксировать падение напряжения на дуге в зависимости от тока, то получим ряд кривых 2, лежащих ниже кривой 1. Чем быстрей будет происходить уменьшение тока, тем ниже будет лежать вольт-амперная харшс-теристика дуги. В пределе, при мгновенном изменении тока до нуля, получйМ прямую 3. Только при медленном изменении тока процесс будет происходить по статической.характеристике.

Рис. 5-2.

Вольт-амперные дуги

характеристики

Такой характер вольт-амперных характеристик объясняемся тем, что При быстром изменении тока ионизационное состояние дугового промежутка не успевает за изменением тока. Для деионизации промежутка требуется некоторое время, и поэтому, несмотря на то, что ток в дуге упал, проводимость промежутка осталась прежней, соответствующей большему току.

Вольт-амперные характеристики дуги, полученные при быстром изменении тока до нуля, носят название динамических. Соответствующее этим характеристикам напряжение, при котором дуга гаснет, называется напряжением гашения С/.

Для данного дугового промежутка, материала электродов и среды имеются одна вполне определенная статическая характеристика дуги а множество динамических, заключенных между кривыми ] и 3.

Если падение напряжения на дуге С7д характеризует дуговой промежуток как проводник, то напряжения С/, и 11 характеризуют изоляционные свойства промежутка - они означают напряжения, которые необходимо приложить при данном состоянии промежутка, чтобы возбудить в нем электрическую дугу.

Падение напряжения на стационарной дуге распределяется неравномерно вдоль дуги. Картина изменения падения напряжения С7д и продольного градиента

напряжения £д вдоль дуги приведена на рис. 5-3. Под градиентом напряжения понимают падение напряжения на единицу длины дуги. Как видно из рисунка, ход характеристик С7д и £д в при-электродных областях резко отличается от хода характеристик на остальной части дуги. У электродов, в при-катодной и прианодной областях, на промежутке длины порядка 10 * см имеет место резкое падение напряжения, называемое катодным С/к и анодным С/а. Значение этого падения напряжения зависит от материала электродов и окружающего газа. Суммарное значение прианодного и прика-тодного падений напряжений составляет 15 - 30 В, градиент напряжения достигает 10 - 10* В/см.

Шять/агтвЛш пОеш

Обпасть атдтго падения

Рис. 5-3. Распределение напряжения и градиента напряжения в стациойариой дуге постоянного тока

в остальной части дуги, называемой стволом дуги, падение напряжения t/д практически прямо пропорционально длине дуги. Градиент здесь приблизительно постоянен вдоль ствола. Он зависит от многих факторов и может изменяться в широких пределах, достигая 100 - 200 В/см.

Околоэлектродное падение напряжения не зависит от длины дуги, падение напряжения в стволе дуги пропорционально длине дуги. Таким образом, падение напряжения на дуговом промежутке

С7д = С/з + EJ, (5-1)

где £д - продольный градиент напряжения на стволе дуги; - длина дуги;

и,= и,+ С/а.

5-3. УСЛОВИЯ ГАШЕНИЯ ДУГИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Чтобы погасить дугу постоянного тока, необходимо создать такие условия, при которых в дуговом промежутке при всех значениях тока от начального до нулевого процессы деионизации превосходили бы процессы ионизации.

Для содержащей сопротивление R, индуктивность Lh дуговой промежуток с падением напряжения С/д цепи (рис. 5-4, а), к которой приложено напряжение источника тока U, будет для любого момента времени справедливо уравнение

и -U+iR + L~, (5-2)

здесь падение напряжения на ин-

дуктивности при изменении тока.

При устойчиво горящей дуге dijdt = = 0 и

с/ = ид -Ь iR.

(5-3)

1 +/ 1 ut

Рис. 5-4. Условия гашения дуги постоянного тока

Для погасания дуги необходимо, чтобы ток в ней все время уменьшался. Это означает, что dijdt < О, а

С/д > С/ - iR. (5-4)

Графическое решение уравнения (5-2) приведено на рис. 5-4,6. Прямая 1 представляет собой напряжение источника С/, прямая 2 - падение напряжения в сопротивлении (реостатная характеристика цепи), отсчитываемое от С/, кривая 3 - вольт-амперную характеристику дугового промежутка С/д. Заключенные между кривыми отрезки представляют собой соответственно: iR - между

кривыми 7 и 2; ±L-между 2 и 5; С/- iR - Между 2 и осью абсцисс;

С/д - между 3 и осью абсцисс.

В точках а и б выполняется условие С/ = С/д - iR; L - = 0. В этих точках

имеет место равновесное состояние. Однако в точке а это равновесие неустойчивое, а в точке б - устойчивое.

При токах i < la напряжение l/д > С/ - iR, а L - имеет отрицательное

значение, и если по какой-либо причине ток станет меньше то он упадет до нуля - дуга погаснет.

Если же по какой-либо причине ток станет несколько больше 1а, то будет 17д < 17 - iR, т. е. в цепи как бы окажется избыточное напряжение, которое приведет к возрастанию тока до значения Ig. При любом значении Ia<i < I ток в дуге будет возрастать до значения Ig.

Между точками а и б величина L - является положительной - рост тока

в цепи сопровождается накоплением электромагнитной энергии.

При токе i > 1в снова оказывается Ua> U - IR, а - величиной отрицательной, т.е. для поддержания такого значения тока напряжение U недостаточно. Ток в цепи будет падать до значения 1. Дуга в этой точке будет гореть устойчиво.

Для погасания дуги необходимо, чтобы при любом значении тока соблюдалось условие (5-4). Это значит, что вольт-амперная характеристика дуги должна на всем своем протяжении лежать вьппе характеристики U - iR (как это показано на рис. 5-4, в) и не иметь с этой характеристикой ни одной точки соприкосновения. Следует иметь в виду, что под вольт-амперными характеристиками дуги здесь надо понимать динамические характеристики.

5-4. СОПРОТИВЛЕНИЕ И МОЩНОСТЬ ДУГИ.

ЭНЕРГИЯ, ВЫДЕЛЯЕМАЯ В ДУГЕ

Сопротивление дуги Кд независимо от рода тока можно считать чисто

активным. Оно является величиной переменной, падающей с ростом тока, и может бы.ть определено из вольт-амперной характеристики дуги.

Сопротивление дуги

д.= UJi. (5-5)

Мощность электрической дуги

Рд = UJ. (5-6) Энергия W, вьщеляемая в дуге за время t ее горения,

г

W=jUJdt. (5-7)

Для выключающих аппаратов существенно определить значение этой энергии за одно отключение. Подставив в (5-7) значение С7д догласно (5-2), получим для дуги постоянного тока

= R(Jo - Of + J bidt = L-f-Ь R(/o - i)dt = + Щ; (5-8)

где Wi, = L--- энергия, запасенная в магнитном поле отключаемой цепи;

г

Wr= R(/o - энергия, поступающая от генератЬра в дугу за время ее

о

горения; Iq = U/R - начальное значение тока. 74

1 ... 4 5 6 7 8 9 10 ... 30