2015-04-12
1045
2.8.1. Использование дополнительных дугогасительных контактов
В дугогасительном устройстве некоторых ЭА предусматривается дополнительный контакт, включенный параллельно главному контакту (ГК). Как правило, это стыковой контакт, выполненный из дугостойкого материала, например, металлокерамики. Его называют дугогасительным контактом (ДК).
Привод контактной системы ЭА построен таким образом, что при размыкании электрической цепи вначале размыкается ГК, при этом ток цепи продолжает протекать по ДК, а затем размыкается ДК, разрывая цепь. В результате для ГК выполняется первая часть условия (2.1). При восстановлении электрической цепи вначале замыкается ДК, затем замыкается ГК. Иногда в контактной системе предусматривают еще промежуточный контакт (ПК) для облегчения перевода тока из ГК в ДК при размыкании цепи. Последовательность размыкания контактов: ГК-ПК-ДК; последовательность замыкания контактов: ДК-ПК-ГК.
2.8.2. Применение полупроводниковых приставок к коммутирующим контактам
По существу полупроводниковая приставка заменяет дугогасительный контакт (ДГ). Точнее, ДГ заменяет электронный ключ - полупроводниковый прибор, например, тиристор, подключенный параллельно главному контакту. В полупроводниковой приставке предусматривается система управления электронным ключом, которая включает его на некоторое время при размыкании коммутирующего контакта (главного контакта ГК). Ток цепи отводится от ГК к электронному ключу. Продолжительность включенного состояния электронного ключа выбирается таким образом, чтобы при его отключении выполнялось условие (2.1) для ГК.
2.8.3. Механическое растягивание электрической дуги
В конструкции некоторых контактных систем предусматривается значительный по величине раствор контакта и быстрое перемещение подвижной контактной детали (особенно при размыкании контакта) с помощью пружины. Например, контакт замкнут – пружина сжата относительно своего свободного состояния, контакт размыкается – когда снимается приводом ЭА упор, сдерживающий пружину, и она расправляется, перемещая контактную деталь. Длина дуги lД увеличивается до критического значения lКР, при котором она гаснет. Значение lКР тем больше, чем больше сила тока I0 отключаемой цепи. Так при I0 =600 А и U =220 В критическая длина дуги lКР составляет примерно 25 см; градиент напряжения ЕД в свободно горящей дуге: ЕД =10…15 В/см.
Механическое растягивание дуги не исключает значительное обгорание контактных деталей. Для уменьшения их обгорания стремятся получить большие скорости расхождения контактных деталей за счет применения мощных отключающих пружин.
В низковольтных аппаратах механическое растягивание дуги применяют при отключении относительно небольших токов.
2.8.4. Применение устройств интенсивного охлаждения дуги
Электрическую дугу можно охлаждать, обдувая ее потоком воздуха или инертного газа. Однако при таком способе требуется применять дополнительные весьма сложные устройства. Можно перемещать дугу в неподвижном воздухе. Тогда эффект увеличения теплоотвода от дуги будет принципиально таким же, как при обдувании ее воздухом. С ростом скорости движения дуги усиливается ее охлаждение и градиент напряжения ЕД резко возрастает. Так при токе I =600 А и напряжении U =220 В градиент напряжения ЕД в перемещаемой со скоростью 100 м/с дуге составит примерно 45. В/см, критическая длина дуги lКР будет около 5 см.
Для перемещения дуги используется так называемое магнитное дутье. Оно создается в результате взаимодействия тока дуги iД с магнитным полем. В низковольтных аппаратах внешнее по отношению к дуге магнитное поле может быть создано:
1) катушкой, включенной последовательно с контактом, на котором возникает дуга;
2) катушкой, включенной параллельно с контактом на напряжение сети;
3) постоянным магнитом.
Дуга перемещается под действием электродинамической силы, возникающей при взаимодействии тока с магнитным полем. При этом возрастает плотность тока и давление в стволе дуги, что также способствует увеличению градиента напряжения ЕД.
Конструкцию дугогасительного устройства (ДГУ) стремятся создать такой, чтобы гасить дугу в малом объеме, при малых звуковом и световом эффектах и при малом износе частей ЭА. С этой целью применяют дугогасительные камеры (рис. 2.11а) с продольными (рис. 2.11б), зигзагообразными (рис. 2.11в) или иными специальной формы щелями в приемнике дуги 1, выполненном из изоляционного материала.
Магнитный поток Ф (показаный пунктирными линиями на рис. 2.11а) создается катушкой 5, по виткам которой протекает ток iК, и магнитопроводом 4, охватывающим приемник 1 электрической дуги.
При взаимодействии тока iД дуги 3 с магнитным потоком Ф возникает электродинамическая сила Fэд, под действием которой дуга перемещается в щель 2. В узкой щели теплоотвод от дуги увеличивается, и она быстро гаснет.
В настоящее время для дугогасительной камеры чаще применяют последовательную катушку магнитного дутья. ЭА с последовательной катушкой называется неполяризованным аппаратом. В его дугогасительной камере при изменении направления тока iК (iК=iД ) в обмотке катушки (в цепи) изменяется направление магнитного поля, создаваемого катушкой. Направление электродинамической силы Fэд, действующей на дугу, остается неизменным.
Если магнитопровод катушки магнитного дутья не насыщен, то величина силы Fэд пропорциональна квадрату тока iД дуги (
). При малых токах (iК = iД) сила Fэд мала. Поэтому для быстрого гашения дуги приходится применять катушку с относительно большим количеством витков.
Дугогасительное устройство с параллельной катушкой создает силу Fэд пропорциональную отключаемому току iД (iД ≠ iК), так как катушка магнитного дутья в этом случае подключается под напряжение сети и поэтому iК=сonst. При малом токе дуги iД создаваемая электродинамическая сила Fэд пропорциональна произведению iК.iД. Она больше соответствующей силы, создаваемой с помощью последовательной катушки.
Недостатки дугогашения с использованием параллельной катушки магнитного дутья проявляются в том, что: а) при снижении напряжения в сети, например, при токах короткого замыкания, когда iК → 0, ЭА оказывается без надежного дугогашения; б) направление силы Fэд зависит от направлений токов iК и iД.
Дугогасительное устройство с постоянным магнитом позволяет устранить первый из отмеченных недостатков. Однако ЭА становится поляризованным. Поэтому приходится применять специальные меры для сохранения неизменным направления электродинамической силы, действующей на дугу, если направление тока iД изменяется.
2.8.5. Применение плотно закрытых дугогасительных камер
В некоторых ЭА, например, пакетных выключателях, кнопках управления и др. размыкаемые контакты помещают в плотно закрытые камеры. Энергия загоревшейся электрической дуги расходуется на увеличение кинетической энергии молекул газа. Давление в камере увеличивается. В результате уменьшается интенсивность ионизации в столбе дуги и возрастает теплопроводность газа. Это приводит к увеличению градиента напряжения ЕД и, в конечном счете, гашению дуги.
2.8.6. Применение дугогасительных решеток
Гашение дуги в дугогасительной решетке основано на использовании околоэлектродного падения напряжения UЭ.
Дугогасительную решетку (ДР) образуют неподвижные изолированные друг от друга металлические пластины, расположенные над контактом (рис.2.12).
Пунктирными линиями на рис.2.12 показана так называемая открытая дуга, которая имела бы место, если бы не было дугогасительной решетки.
В дугогасительной решетке при размыкании контакта дуга под действием электродинамических сил последовательно входит в промежутки между пластинами. При этом падение напряжения на дуге возрастает приблизительно по линейному закону. Продолжительность горения дуги τГ тем меньше, чем больше скорость размыкания контакта и количество пластин, приходящихся на единицу длины дуги.
Если дугогасительная решетка состоит из m пластин, то дуга разбивается на m +1 коротких дуг. Напряжение на всей дуге в решетке:
,
где UД0 = UЭ+ЕД lД – падение напряжение на открытой дуге.
При большом количестве пластин 
. В этом случае можно оценить значение m, при котором дуга погаснет: m > UДГ / UЭ, где UДГ - напряжение на дуге в момент ее погасания. Для расчетов принимают UДГ = (2…2,5) Uсети и
.
Таким образом, количество пластин m дугогасительной решетки пропорционально величине напряжения UИ источника (сети).
2.8.7. Применение герметичных камер для контактных систем
В аппаратах, коммутирующих цепи переменного тока, например, в некоторых контакторах, контакты помещают в герметичную камеру, из которой откачан воздух до давления 10-4…10-5 Па или которая заполнена инертным газом при малом давлении. Перенос тока в «вакуумной» дуге осуществляется за счет электронов, эмитированных с катода контакта. Совместно с парами металла они образуют газоразрядную среду, в которой горит дуга.
Вакуум обладает способностью быстрого восстановления электрической прочности дугового промежутка. Поэтому дуга не возобновляется после достижения переменным током нулевого значения. Такая особенность вакуума позволяет применять контакты с малым раствором (1…2 мм) и снизить продолжительность горения дуги до 0,01 с для токов промышленной частоты 50 Гц (дуга гаснет при первом переходе тока через ноль).
2.8.8. Применение синхронизирующих устройств отключения контактов
В аппаратах - синхронных контакторах предусматривается устройство, синхронизирующее начало размыкания контакта с моментом перехода переменного тока через нулевое значение. Сигнал на размыкание контакта формируется таким синхронизирующим устройством на основе информации о текущих значениях тока и напряжения. Специальное синхронизирующее устройство может быть встроено в контакт аппарата.
2.8.9. Применение жидкометаллических контактов
Использование жидкого металла (ртуть, галлий, индий и др.) для электрического соединения между собой токоведущих твердометаллических деталей контактной системы позволяет создать сильноточные аппараты на токи 200 кА и выше, а также уменьшить габариты и массу ЭА. При этом нет необходимости в больших контактных нажатиях и применении дефицитных материалов для снижения переходного сопротивления коммутирующего контакта. Снимаются проблемы сваривания, вибрации и отброса (за счет действия электродинамических сил) контактов.
2.8.10. В высоковольтных аппаратах широко используют устройства гашения электрической дуги в масле или элегазе.
