МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Уфимский государственный технический университет
Кафедра электротехники и электрооборудования предприятий
РЕФЕРАТ
по курсу “Электротехнические и электронные аппараты”
“Виды дугогосящих устройств, классификация их по способу воздействия на
дугу.”
Выполнил: ст. гр. АЭ-99-01 Лопатин А. В.
Принял: доцент. к.т.н. Гузеев Б.В.
Уфа - 2001
Условия возникновения и горения дуги
При замыкании контактов в цепи высокого напряжения возникает электрический
разряд в виде дуги. В дуге различают околокатодное пространство, ствол дуги
и околоанодное пространство. Все напряжение распределяется между этими
областями. Около катода наблюдается высокая напряженность электрического
поля (105—106 В/см). При таких высоких напряженностях происходит ударная
ионизация. Электроны, вырванные из катода силами электрического поля
(автоэлектронная эмиссия) или за счет нагрева катода (термоэлектронная
эмиссия), разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтралый атом
отдают ему свою кинетическую энергию. Образовавшиеся в результате
ионизации свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги. В
стволе дуги проходит большой ток и создается высокая температура.
Высокие температуры в стволе дуги приводят к интенсивной термоионизации,
которая поддерживает большую проводимость плазмы. Чем больше ток в дуге,
тем меньше ее сопротивление, поэтому требуется меньшее напряжение для
горения дуги, т. е. дугу с большим током погасить труднее.
Если дуга погашена теми или иными способами, то напряжение между
контактами выключателя должно восстановиться до напряжения питающей сети.
Однако поскольку в цепи имеются индуктивные, активные и ем-жюстные
сопротивления, возникает переходный процесс, появляются колебания
напряжения, амплитуда которых может значительно превышать нормальное
напряжение. Для отключающей аппаратуры важно, с какой скоростью
восстанавливается напряжение. Таким образом, можно заключить, что дуговой разряд начинается за счет
ударной ионизации и эмиссии электронов с катода, а после зажигания дуга
поддерживается термоионизацией в стволе дуги.
Гашение дуги
В коммутационных аппаратах необходимо не только разомкнуть контакты, но и
погасить возникшую между ними дугу. В цепях переменного тока ток в дуге каждый полупериод проходит черв нуль,
в эти моменты дуга гаснет самопроизвольно, но в следующий полупериод она
может возникнуть вновь. Как показывают осцилограммы, ток в дуге становится
близким нулю несколько раньше естественного перехода через нуль. Это
объясняется тем, что при снижении тока энергия, подводимая к дуге,
уменьшается, следовательно уменьшается температура дуги и прекращается
термоионизация. Длительность бестоковой паузы невелика (от десятков до
нескольких сотен микросекунд), но играет важную роль в гашении дуги. Если
разомкнуть контакты в бестоковую паузу и развести их с достаточной
скоростью на большое расстояние, чтобы не произошел электрический пробой,
то цепь будет отключена очень быстро. Во время бестоковой паузы интенсивность ионизации сильно падает, так как
не происходит термоионизации. В коммутационных аппаратах, кроме того,
принимаются искусственные меры охлаждения дугового пространства и
уменьшения числа заряженных частиц. Резкое увеличение электрической прочности промежутка после перехода тока
через нуль происходит главным образом за счет увеличения прочности
околокатодного пространства. Задача гашения дуги сводится к созданию таких условий, чтобы
электрическая прочность промежутка между контактами была больше напряжения
между ними. В отключающих аппаратах до 1 кВ широко используются следующие способы
гашения дуги.
Способы гашения дуги в коммутационных аппаратах до 1 кВ.
В отключающих аппаратах до 1 кВ широко используются следующие способы
гашения дуги. 1. Удлинение дуги при быстром расхождении контактов: чем длинее дуга, тем
большее напряжение необходимо для ее существования. Если напряжение
источника окажется меньше, то дуга гаснет. 2. Деление длинной дуги на ряд коротких дуг. 3. Гашение дуги в узких щелях. Если дуга горит в узкой щели, образованной
дугостойким материалом, то благодаря соприкосновению с холодными
поверхностями происходит интенсивное охлаждение и диффузия заряженных
частиц в окружающую среду. Это приводит к быстрой деионизации и гашению
дуги. 4. Движение дуги в магнитном поле. Электрическая дуга может
рассматриваться как проводник с током. Если дуга находится в магнитном
поле, то на нее действует сила, определяемая по правилу левой руки. Если
создать магнитное поле, направленное перпендикулярно оси дуги, то она
получит поступательное движение и будет затянута внутрь щели
дугогасительной камеры. В радиальном магнитном поле дуга получит вращательное движение. Магнитное
поле может быть создано постоянными магнитами, специальными катушками или
самим контуром токоведущих частей
Быстрое вращение и перемещение дуги способствует ее охлаждению и
деионизации. Последние два способа гашения дуги (в узких щелях и в магнитном поле)
применяются также в отключающих аппаратах напряжением выше 1 кВ.
Основные способы гашения дуги в аппаратах выше 1 кВ.
1. Гашение дуги в масле. Если контакты отключающего аппарата поместить в
масло, то возникающая при размыкании дуга приводит к интенсивному
газообразованию и испарению масла. Вокруг дуги образуется газовый пузырь,
состоящий в основном из водорода (70—80%); быстрое разложение масла
приводит к повышению давления в пузыре, что способствует ее лучшему
охлаждению и деионизации. Водород обладает высокими дугогасящими
свойствами; соприкасаясь непосредственно со стволом дуги, он способствует
ее деионизации. Внутри газового пузыря происходит непрерывное движение газа
и паров масла. Гашение дуги в масле широко применяется в выключателях.
2. Газовоздушное дутье. Охлаждение дуги улучшается, если создать
направленное движение газов — дутье. Дутье вдоль или поперек дуга
способствует проникновению газовых частиц в ее ствол, интенсивной диффузии
и охлаждению дуги. Газ создается при разложении масла дугой (масляные
выключатели) или твердых газогенерирующих материалов (автогазовое дутье).
Более эффективно дутье холодным неионизированным воздухом, поступающим из
специальных баллонов со сжатым воздухом (воздушные выключатели).
3. Многократный разрыв цепи тока. Отключение большого тока при высоких
напряжениях затруднительно. Это объясняется тем, что при больших значениях
подводимой энергии и восстанавливающегося напряжения деионизация дугового
промежутка усложняется. Поэтому в выключателях высокого напряжения
применяют многократный разрыв дуги в каждой фазе. Такие выключатели имеют
несколько гасительных устройств, рассчитанных на часть номинального
напряжения. Число разрывов на фазу зависит от типа выключателя и его
напряжения. В выключателях 500—750 кВ может быть 12 разрывов и более. Чтобы
облегчить гашение дуги, восстанавливающееся напряжение должно равномерно
распределяться между разрывами. Для выравнивания напряжения параллельно
главным контактам выключателя Г К включают емкости или активные
сопротивления.
4. Гашение дуги в вакууме. Высокоразреженный газ обладает электрической
прочностью, в десятки раз большей, чем газ при атмосферном давлении. Если
контакты размыкаются в вакууме, то сразу же после первого прохождения тока
в дуге через нуль прочность промежутка восстанавливается и дуга не
загорается вновь. Эти свойства вакуума используются в некоторых типах
выключателей.
5. Гашение дуги в газах высокого давления. Воздух при давлении 2 МПа и
более также обладает высокой электрической прочностью. Это позволяет
создавать достаточно компактные устройства для гашения дуги в атмосфере
сжатого воздуха. Еще более эффективно применение высокопрочных газов,
например шестифтористой серы SFg (элегаза). Элегаз обладает не только
большей электрической прочностью, чем воздух и водород, но и лучшими
дугогасящими свойствами даже при атмосферном давлении. Элегаз применяется в
выключателях, отделителях, короткозамыкателях и другой аппаратуре высокого
напряжения.
Гашение дуги в масляных выключателях.
В масляных выключателях контакты размыкаются в масле, однако вследствие
высокой температуры дуги, образующейся между контактами, масло разлагается
и дуговой разряд происходит в газовой среде. Приблизительно половину этого
газа (по объему) составляют пары масла. Остальная часть состоит из водорода
(70%) и углеводородов различного состава. Газы эти горючи, однако в масле
горение невозможно из-за отсутствия кислорода. Количество масла,
разлагаемого дугой, невелико, но объем образующихся газов велик. Один грамм
масла дает приблизительно 1500 см3 газа, приведенного к комнатной
температуре и атмосферному давлению.
Гашение дуги в масляных выключателях происходит наиболее эффективно при
применении гасительных камер, которые ограничивают зону дуги, способствуют
повышению давления в этой зоне и образованию газового дутья сквозь дуговой
столб.
Гашение дуги в элегазовых выключателях
Элегаз (SFg — шестифтористая сера) представляет собой инертный газ,
плотность которого превышает плотность воздуха в 5 раз. Электрическая
прочность элегаза в 2—3 раза выше прочности воздуха; при давлении 0,2 МПа
электрическая прочность элегаза сравнима с прочностью масла.
В элегазе при атмосферном давлении может быть погашена дуга с током,
который в 100 раз превышает ток, отключаемый в воздухе при тех же условиях.
Способность элегаза гасить дугу объясняется тем. что его молекулы
улавливают электроны дугового столба и образуют относительно неподвижные
отрицательные ионы. Потеря электронов делает дугу неустойчивой, и она легко
гаснет. В струе элегаза поглощение электронов из дугового столба происходит
еще интенсивнее.
В элегазовых выключателях применяют автопневматические дугогасительные
устройства, в которых газ в процессе отключения сжимается поршневым
устройством и направляется в зону дуги. Элегазовый выключатель представляет
собой замкнутую систему без выброса газа наружу.
Гашение дуги в вакуумных выключателях
Электрическая прочность вакуумного промежутка во много раз больше, чем
воздушного промежутка при атмосферном давлении. Это свойство используется в
вакуумных дугогасительных камерах. Рабочие контакты имеют вид полых
усеченных конусов с радиальными прорезями. Такая форма контактов при
размыкании создает радиальное электродинамическое усилие, действующее на
возникающую дугу и заставляющее перемещаться ее через зазоры на
дугогасительные контакты. Контакты представляют собой диски, разрезанные
спиральными прорезями на три сектора, по которым движется дуга. Материал
контактов подобран так, чтобы уменьшить количество испаряющегося металла.
Вследствие глубокого вакуума происходит быстрая диффузия заряженных частиц
в окружающее пространство и при первом переходе тока через нуль дуга
гаснет. Подвод тока к контактам осуществляется с помощью медных стержней.
Подвижный контакт крепится к верхнему фланцу с помощью сильфона из
нержавеющей стали. Сильфон служит для обеспечения герметичности вакумной
камеры. Металлические экраны служат для выравнивания электрического
поля и для защиты керамического корпуса от попадания паров металла,
образующихся при гашении дуги.
Список использованой литературы
Чунихин А. А. Электрические аппараты: Учеб. пособие. – М.: Энергия, 1967. –
536 с.
Электрическая часть станций и подстанций: Учеб. для вузов/А. А. Васильев,
И. П. Крючков, Е. Ф. Наяшкова и др., Под ред. А. А. Васильева – М.:
Энергоатомиздат, 1990.
Рожкова Л. Д., Козулин В.С. Электороборудование станций и подстанции:
Учебник для техникумов. – М.: Энергоатомиздат, 1987.