Условия загорания, стабильного горения и гашения электрической дуги. Перенапряжение

При размыкании контактов контактных аппаратов обычно образуется эл. дуга.

Сразу после начала перемещения подвижного контакта начинается процесс ионизации.

(ИОНИЗАЦИЯ, превращение атомов и молекул в ионы и свободные электроны; процесс, обратный рекомбинации. Ионизация в газах происходит в результате отрыва от атома или молекулы одного или нескольких электронов под влиянием внешних воздействий. В некоторых случаях возможно прилипание электронов к атому или молекуле и образование отрицательного иона. Происходит ионизация при поглощении электромагнитного излучения (фотоионизация), при нагревании (термическая ионизация), при воздействии сильного электрического поля (полевая ионизация), при столкновении частиц с электронами и возбужденными частицами (ударная ионизация) и др.)

Процессы ионизации бывают:

1. автоэлектронная эмиссия (за счет эл. поля и напряженности)

2. термоэлектронная эмиссия (за счет тепла)

3. толчковая (ударная) ионизация (за счет того, что электроны последующие выбивают предыдущих)

4. термическая ионизация (за счет большого кол-ва тепля, энергии).

Для загорания дуги нужно что бы наблюдался 1 и 2 процессы, для ее горения нужны 3 и 4.

Коммутирующему элементу присуща электрическая прочность, образующаяся в процессе отключения цепи. Она противостоит нарастающему на коммутирующем элементе напряжению.

Характер процессов отключения переменного тока в активно-индуктивной цепи можно изобразить в виде кривых (рис. 1-7, а).

Характер процессов отключения переменного тока в активно-индуктивной цепи можно изобразить в виде кривых (рис. 1-7, а).

Рис.1-6. Соотношение кривых и U_в и U_в.п из условия отключения цепи повременного тока (а) и кривые восстанавливающейся прочности (б)

Перенапряжения, образующиеся в процессе отключения цепи на перемен токе и на постоянном токе, имеют различный характер.

Перенапряжения, образующаяся в процессе отключения цепи на перемен токе:

На высоком напряжении:

За моментом размыкания контактов аппарата (t = 0) в момент времени t₁ происходит первый переход тока дуги через нулевое значение. Восстанавливающаяся прочность U_в.п может быть еще недостаточно высокой и за первым полупериодом тока дуги следует ее повторное зажигание при напряжении зажигания U_з.

Во втором полупериоде горения дуги ( t₁ — t₂ ) ее сопротивление значительно возрастает. В результате ток i_д ограничивается этим сопротивлением и угол сдвига фаз между током и напряжением сети к моменту времени i₂ уменьшается.

За вторым переходом тока дуги через нуль столб дуги разрушается, кривая U_в.п находится выше кривой U_в.. После этого перехода межконтактный промежуток может сохранить так называемую остаточную проводимость, присущую той или иной стадии газового разряда. В этом случае в процессе восстановления напряжения по нему проходит остаточный ток i_ост. Рациональным условием гашения дуги переменного тока следует считать такое, когда гашение осуществляется в первый после размыкания контактов переход тока через нулевое значение.

Коммутационные возможности электрической дуги отключения определяются характером роста ее активного сопротивления.

Перенапряжение, которое возникает при описанном характере отключения переменного тока, определяется значением максимального восстанав-гося напряжения U_{в mах}. По теории восстанавливающегося напряжения

Коэффициент амплитуды восстанавливающегося напряжения, определяющий кратность перенапряжений,

Здесь R и L — активное сопротивление (Ом) и индуктивность нагрузки отключаемой цепи, Гн; С— электрическая емкость, параллельная коммутирующему элементу аппарата, Ф; R_ш — сопротивление, шунтирующее коммутирующий орган (или сопротивление самого коммутирующего элемента в процессе восстановления напряжения), Ом.

Обычно коэффициент К_а == 1,0 - 2,0 и перенапряжения при отключении активно индуктивных цепей не превышают двукратной величины относительно амплитуды напряжения источника питания.

На низком напряжении:

В сравнении с отключением цепей высокого напряжения процесс отключения переменного тока на низком напряжении имеет характерные особенности. Обычно не наблюдаются срезы тока или его быстрые спады до нуля за счет скачкообразного роста электрического сопротивления коммутирующего органа. Поэтому моменты перехода через нулевое значение тока и напряжения на коммутирующем органе совпадают. Сопротивление дуги носит чисто активный характер и индуктивная слагающая в нем незначительна. Сопротивление электрической дуги соизмеримо с сопротивлением отключаемой нагрузки и даже может существенно превышать его, а при токах короткого замыкания оно значительно больше сопротивления короткозамкнутой цепи. Поэтому при отключении переменного тока наблюдается уменьшение тока дуги по полупериодам ее горения.

Снижение амплитудного значения тока дуги ведет к увеличению восстанавливающейся прочности межконтактного промежутка, а уменьшение сдвига между моментом перехода через нулевое значение тока дуги и напряжения источника— к снижению мгновенных значений, восстанавливающегося на­пряжения. Эти факторы облегчают условия отключения цепи и проявляются тем сильнее, чем ниже напряжение сети и чем больше отключаемый ток. В этом существенное отличие усло­вий гашения дуги в сетях низкого напряжения по сравнению с высоковольтными сетями, где указанные факторы не играют никакой роли.

Перенапряжения, образующиеся в процессе отключения цепи на постоянном токе:

Рассмотрим баланс напряжений в цепи (рис. 4.3, а) при дуге неизменной длины

В стационарном режиме ток в цепи не меняется и di/dt = 0. На рис. 4.3. совместно с ВАХ дуги построена прямая U—iR = f(i).

Для тока I отрезок аb соответствует напряжению на дуге, отрезок cd— падению напряжения на резисторе R и отрезок b с соответствует L di/dt. Очевидно, что в точках 1 и 2 L di/dt =0. В этих точках возможен стационарный режим. Рассмотрим более подробно равновесие напряжений вблизи этих точек. Если по каким-либо причинам напряжение источника питания снизится, то точка равновесного состояния перейдет в 2', при этом ток уменьшится до значения i₂ ', определяемого пересечением ВАХ с прямой U ', — iR.

Пусть теперь напряжение источника восстановится до прежней величины U. Для тока i₂ ', отрезок U—iR>uд поэтому в этой точке L di/dt>0. Таким образом, при токе i₂ ', на индуктивности возникает напряжение L di/dt>0, кото

Напряжение на контактах в момент достижения током нулевого значения называется напряжением гашения дуги. При 1 = 0 (4.6) имеет вид

Таким образом, в момент гашения дуги напряжение на контактах равно сумме напряжения источника и модуля напряжения на индуктивности. Увеличение напряжения на контактах относительно напряжения источника питания называется перенапряжением. Чем больше индуктивность и скорость спада тока в момент гашения, тем больше перенапряжение. Скорость спада тока di/dt зависит от скорости роста сопротивления дугового промежутка и скорости его деионизации. Поэтому в быстродействующих аппаратах, отключающих цепь постоянного тока за сотые доли секунды, возможны большие перенапряжения. Для оценки перенапряжения вводится понятие коэффициента перенапряжений

Следует отметить, что напряжение L di/dt приложено к индуктивности отключаемой нагрузки. Это напряжение может в десятки раз превышать номинальное напряжение источника и приводить к пробою изоляции нагрузки. Для ограничения перенапряжений при отключении больших ин-дуктивностей применяются устройства с дугогасительной решеткой.