Лабораторные работы по электротехнике Сопротивление в цепи синусоидального тока Работа трансформатора под нагрузкой Асинхронные двигатели Электромагнитные преобразователи Оптикоэлектронные преобразователи


Электрические дуги

Принципиальной разницы между дугой постоянного и переменного тока нет. Однако род тока накладывает свои особенности в отношении гашения дуги.

Когда переменный ток проходит через нуль, энергия дуги становится равной нулю, происходит деионизация дугового промежутка и если извне усилить этот процесс деионизации, что и делают дугогасительные устройства, то дуга переменного тока после прохождения через нуль вновь не загорается. Задача гашения дуги переменного тока облегчается. Здесь необходимо создать условия, при которых ток не восстанавливался бы после прохождения через нуль.

При переменном токе температура дуги является величиной переменной. Однако тепловая инерция газа оказывается довольно значительной, и в момент перехода тока через нуль температура дуги не падает до нуля и остается достаточно высокой.

В действительности при переходе переменного тока через нуль он меняется по закону отличном от синусоидального.

Немного раньше момента времени естественного перехода через нуль ток в дуге падает почти до нуля, а затем после перехода через нуль скачком снова достигает соответствующего значения.

Таким образом, при переходе переменного тока через нуль имеет место бестоковая пауза, во время которой происходит интен-сивная деионизация дуго-вого промежутка.

При малых индуктив-ностях L нагрузки эта пауза

большая, при больших L – пауза уменьшается или становится очень малой (0,1 мкс).

Условия гашения дуги переменного тока может быть сформулировано следующим образом: если нарастание сопротивления промежутка, выраженное его пробивным напряжением, будет опережать нарастание напряжения на промежутке, то дуга гаснет при переходе тока через нуль. Если медленнее, то в момент их сравнения произойдет повторное зажигание дуги.

Решающее значение для гашения дуги переменного тока при U < 1000В имеют явления, происходящие у катода при переходе тока через нуль. В момент этого перехода в околокатодной области дуги изоляция промежутка мгновенно восстанавливается до величины пробивного напряжения 150-250В (второе значение при меньших токах и холодном катоде, первая – при больших токах и горячем катоде).

Таким образом, изоляция всего дугового промежутка сразу приобретает указанную величину, а затем постепенно нарастает со скоростью, зависящей от способа воздействия на промежуток.

Такой ход процесса объясняется наличием положительного объемного заряда у катода. В соответствии с полярностью данной полуволны тока к аноду устремляются электроны, а к катоду – положительные ионы.

При переходе через нуль полярность электродов меняется. Электроны, находящиеся у анода, как более подвижные, мгновенно уходят в анод. Объемного отрицательного заряда у анода не будет. По сравнению с электронами положительные ионы можно считать неподвижными. Вследствие этого у катоды образуется положительный объемный заряд. Пространство у катода остается свободным от электронов.

Для возбуждения протекания тока по дуговому промежутку необходимо, чтобы у катода появились электроны.

Для этого в зависимости от состояния промежутка и электродов требуется напряжение порядка 150-250 В.

На рассмотренном выше принципе явления у катода при переходе тока через нуль построена большая часть дугогасительных устройств в аппаратах переменного тока.

Восстановление напряжения на дуговом промежутке может происходить апериодически или через колебательный процесс.

Частота и амплитуда колебаний переходного процесса определяется индуктивностью, емкостью и сопротивлением источника питания и цепи. Частота колебаний лежит в пределах 10-1000 Гц.

Дуга постоянного тока гасится труднее, всякий раз, если ее растянуть до критической длины.

Понятие критической длины дуги – понятие электрическое. Оно характеризуется тем, что при критической длине дуги количество энергии, поступающей из сети становится меньше того количества энергии, которое дуга отдает в окружающую среду, и дуга гаснет.

Важнейшей характеристикой дуги является вольт-амперная характеристика (ВАХ), представляющая зависимость напряжения на дуге Uд от тока дуги .

С ростом тока увеличивается температура дуги, усиливается термическая ионизация, возрастает число ионизированных частиц в разряде и падает электрическое сопротивление дуги – rдуги.

Падение напряжения на дуге равно – Iдrдуги.

При увеличении тока rдуги уменьшается так резко, что напряжение на ней падает, несмотря на рост тока.

При переходе от одного значения тока к другому тепловое состояние дуги не изменяется мгновенно. Электрическая дуга обладает тепловой инерцией.

Если ток в дуге изменяется во времени медленно, то тепловая инерция разряда не сказывается. Снятая при медленном изменении тока дуги ВАХ называется статической. Она зависит от расстояния между электродами (длины дуги), материала электродов, параметров среды и условий охлаждения.

Напряжение на дуге можно рассматривать как сумму около электродных падений напряжения Uэ и падения напряжения в столбе дуги

,

где Еn – напряженность электрического поля в столбе дуги; l – длина столба дуги.

Величина Еn зависит от тока и условий горения дуги.

Чем больше длина дуги, тем выше лежит ее статические ВАХ. С ростом давления среды, в которой горит дуга величина Еn также увеличивается и ВАХ также поднимается вверх.

  

Охлаждение дуги существенно влияет на ВАХ. Чем интенсивнее охлаждается дуга, тем большая мощность от нее отводится. При этом должна возрасти мощность, выделяемая дугой. Поскольку при заданном токе это возможно за счет увеличения напряжения дуги, то ВАХ поднимается вверх, что широко используется в дугогасительных устройствах.

Вывод: ВАХ может быть поднят вверх в результате:

- увеличения длины дуги;

- повышение давления среды, в которой горит дуга;

- интенсивного охлаждения дуги.

Условия стабильного горения и гашения дуги

Рассмотрим баланс напряжений в цепи при дуге неизменной длины

.

В стационарном режиме ток в цепи не меняется и .

В точках 1 и 2 возможен стационарный режим. Точка 2 является точкой устойчивого равновесия горения дуги.

Точка 1 является точкой неустойчивого равновесия. При выходе из нее ток становится или равным i2 или нулю и дуга гаснет.

В электрических аппаратах принимаются все меры к тому, чтобы дуга гасла в минимально короткое вре-

мя, для этого необходимо условие .

Для выполнения этого условия необходимо, чтобы

 - условие гашения.

Это возможно за счет либо подъема ВАХ, либо увеличения сопротивления цепи.

Если длина дуги и напряжения источника неизменны, то при увеличении сопротивления ток в цепи будет уменьшаться.

Токи и сопротивление, при которых наступают условия для гашения дуги называются критическими.

С ростом отключаемого тока и напряжения источника условия отключения дуги утяжеляются.

R3 > R2 > R1

Анализ рисунка показывает, чтобы снять ВАХ за счет изменения сопротивления R можно только при токе i ³ Iкр. Чтобы снять эту ВАХ при меньших токах, необходимо увеличивать напряжение источника питания.

Длительность горения дуги , где .

Чем больше DU, тем меньше длительность горения дуги, но больше напряжение на контактах в момент гашения.

В реальных условиях ток меняется довольно быстро. Вследствие тепловой инерции дугового столба изменение сопротивления дуги отстает от изменения тока.

ВАХ при быстром изменении тока называется динамической. При возрастании тока динамическая ВАХ идет выше статической (кривая В), так как при быстром изменении тока сопротивление дуги падает медленнее, чем растет ток.

При уменьшении тока – лежит ниже статической, поскольку в этом режиме сопротивление дуги меньше, чем при медленном изменении тока (кривая С).

Динамические ВАХ в значительной степени зависит от скорости изменения тока в дуге. При введении в цепь сопротивления бесконечно большое за бесконечно малое время, по сравнению с постоянной времени дуги, то во время спада тока до нуля сопротивление дуги остается неизменным.

В этом случае динамическая ВАХ изображается прямой, проходящий через начала координат (кривая Д), т.е. дуга ведет себя как металлический проводник на напряжение на дуге пропорционально току.

В реальных условиях в аппаратах при размыкании контактов расстояние между ними меняется, и длина дуги имеет переменное значение.

Длина дуги, при которой статическая ВАХ касается прямой U-iR называется критической. При дальнейшем увеличении длины дуги наступают условия ее гашения.

Дуга постоянного тока при активной нагрузке гасится легче, чем при индуктивной. При этом возникают большие перенапряжения.

Чем больше L и скорость спадения тока в момент гашения (), тем больше перенапряжение.

 

 

Рис. Дуговой разряд между контактами аппарата

Рис. Вольт-амперная характеристика электрической дуги постоянного тока

 

Рис. Вольт-ампер-ная характеристика электрической дуги переменного тока

Рис. Диаграмма изменения тока и напря-жения дуги во времени при переменном токе

Рис. Схематическое устройство дугогаситель-ной системы с роговыми разрядниками

Рис. Принцип дейст-вия электромагнитного дугогасительного устройства

Рис. Гашение дуги при помощи поперечного воздушного дутья

Рис. Гашение дуги в предохранителях высокого напряжения

Рис. 9.37. Гашение дуги в масле

Рис. 9.38. Гашение дуги при помощи продольного воздушного дутья

Рис. Принцип действия устройства с деионным гашением дуги

Рис. Схема дугогасительного устройства при помощи магнитного дутья и деионной решетки

Дугогасящая среда

Свойства к дугогашению

Воздух

1

Азот

1

Кислород

1,8

Углекислый газ

2,6

Водяной пар

3,8

Водород

7,5

Способы гашения электрической дуги Задачи дугогасительных устройств состоит в обеспечении гашения электрической дуги за минимальное время с допустимым уровнем перенапряжений, малом износе контактов, минимальном объеме распыленных газов, с минимальным звуковым и световым эффектами.

Дугогасительные решетки Здесь используются околоэлектродные падения напряжения Uэ (в электрических аппаратах постоянного тока) и околокатодная электрическая прочность (в электрических аппаратах переменного тока).

Выключатели переменного тока высокого напряжения Предназначены для коммутации цепей переменного тока с напряжением 3 кВ и выше во всех режимах:


Разъединители, отделители и короткозамыкатели