Отключение электрических цепей

Размещено на http://allbest.ru

Отключение электрических цепей

Большая группа электрических аппаратов представлена коммутационными устройствами, с помощью которых замыкается и размыкается электрическая цель.

Электрический разряд, возникающий при размыкании контактов, приводит к их износу и в значительной степени определяет надежность и долговечность аппарата.

Этот разряд в окружающем ктактном газе является, либо тлеющим разрядом, либо электрической дугой.

Тлеющий разряд возникает при отключении тока менее 0,1А при напряжении на контактах 250- 300 В.

Такой разряд происходит на контактах маломощных реле, а в более мощных аппаратах является переходной фазой к разряду в виде электрической дуги.

Если ток и напряжение в цепи выше значений, указанных в таблице 1.3, то имеет место дуговой разряд, обладающий следующими особенностями:

- дуговой разряд имеет место только при относительно больших токах. Минимальный ток дуги для различных материалов приведен в таблице 1.3 и для металлов составляет примерно 0,5 А.

- температура центральной части дуги очень велика и может достигать 6000 - 25000 К.

- при дуговом разряде плотность тока на катоде чрезвычайно велика и достигает -А/мм².

- падение напряжение у катода составляет всего 10 - 20 В и практически не зависит от тока.

В дуговом разряде можно различить три характерные области: околокатодную, область столба дуги и околоанодную. В каждой из этих областей процессы ионизации и деионизации протекают по-разному.

Условия возникновения и горения дуги

Размыкание электрической цепи при наличии в ней тока сопровождается электрическим разрядом между контактами. Если в отключаемой цепи ток и напряжение между контактами больше, чем критические для данных условий, то между контактами возникает дуга, продолжительность горения которой зависит от параметров цепи и условий деионизации дугового промежутка. Образование дуги при размыкании медных контактов возможно уже при токе 0,4-0,5 А и напряжении 15 В.

Рис. 1. Расположение в стационарной дуге постоянного тока напряжения U(a) и напряженности Е(б).

В дуге различают околокатодное пространство, ствол дуги и околоанодное пространство (рис. 1). Все напряжение распределяется между этими областями Uк, Uсд, Uа. Катодное падение напряжения в дуге постоянного тока 10-20 В, а длина этого участка составляет 10-4-10-5 см, таким образом, около катода наблюдается высокая напряженность электрического поля (105-106 В/см). При таких высоких напряженностях происходит ударная ионизация. Суть ее заключается в том, что электроны, вырванные из катода силами электрического поля (автоэлектронная эмиссия) или за счет нагрева катода (термоэлектронная эмиссия), разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать один электрон с оболочки нейтрального атома, то произойдет ионизация. Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги.

Рис. 2. Изменение тока и напряжения при гашении дуги переменного тока в цепи с индуктивной нагрузкой.

электрический замыкание конденсатор высоковольтный

Проводимость плазмы приближается к проводимости металлов [у= 2500 1/(ОмЧсм)]/ В стволе дуги проходит большой ток и создается высокая температура. Плотность тока может достигать 10 000 А/см2 и более, а температура - от 6000 К при атмосферном давлении до 18000 К и более при повышенных давлениях.

Высокие температуры в стволе дуги приводят к интенсивной термоионизации, которая поддерживает большую проводимость плазмы.

Термоионизация - процесс образования ионов за счет соударения молекул и атомов, обладающих большой кинетической энергией при высоких скоростях их движения.

Чем больше ток в дуге, тем меньше ее сопротивление, а поэтому требуется меньшее напряжение для горения дуги, т. е. дугу с большим током погасить труднее.

При переменном токе напряжение источника питания ucд меняется синусоидально, так же меняется ток в цепи i (рис. 2), причем ток отстает от напряжения примерно на 90°. Напряжение на дуге uд, горящей между контактами выключателя, непостоянно. При малых токах напряжение возрастает до величины uз (напряжения зажигания), затем по мере увеличения тока в дуге и роста термической ионизации напряжение падает. В конце полупериода, когда ток приближается к нулю, дуга гаснет при напряжении гашения uг. В следующий полупериод явление повторяется, если не приняты меры для деионизации промежутка.

Если дуга погашена теми или иными способами, то напряжение между контактами выключателя должно восстановиться до напряжения питающей сети - uвз (рис. 2, точка А). Однако поскольку в цепи имеются индуктивные, активные и емкостные сопротивления, возникает переходный процесс, появляются колебания напряжения (рис. 2), амплитуда которых Uв,max может значительно превышать нормальное напряжение. Для отключающей аппаратуры важно, с какой скоростью восстанавливается напряжение на участке АВ. Подводя итог, можно отметить, что дуговой разряд начинается за счет ударной ионизации и эмиссии электронов с катода, а после зажигания дуга поддерживается термоионизацией в стволе дуги.

Условия гашения дуги переменного тока

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 через нуль (рис. 2), в эти моменты дуга гаснет самопроизвольно, но в следующий полупериод она может возникнуть вновь. Как показывают осциллограммы, ток в дуге становится близким нулю несколько раньше естественного перехода через нуль (рис. 3, а).

Рис. 3. Условия гашения дуги переменного тока:

а - погасание дуги при естественном переходе тока через нуль; б - рост электрической прочности дугового промежутка при переходе тока через нуль

Это объясняется тем, что при снижении тока энергия, подводимая к дуге, уменьшается, следовательно, уменьшается температура дуги и прекращается термоионизация. Длительность бестоковой паузы tп невелика (от десятков до нескольких сотен микросекунды), но играет важную роль в гашении дуги. Если разомкнуть контакты в бестоковую паузу и развести их с достаточной скоростью на такое 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. Эти процессы деионизации приводят к постепенному увеличению электрической прочности промежутка uпр (рис. 3, б).

Резкое увеличение электрической прочности промежутка после перехода тока через нуль происходит главным образом за счет увеличения прочности околокатодного пространства (в цепях переменного тока 150-250В). Одновременно растет восстанавливающееся напряжение uв . Если в любой момент uпр > uв промежуток не будет пробит, дуга не загорится вновь после перехода тока через нуль. Если в какой-то момент uпр = uв , то происходит повторное зажигание дуги в промежутке.

Нормальное гашение дуги переменного тока осуществляется в момент перехода тока через нуль, что существенно меняет картину процесса гашения дуги.

Если при постоянном токе необходимо принудительно оборвать ток дуги и деионизнровать дуговой промежуток, то на переменном токе достаточно обеспечить условия, чтобы после погасания при прохождении тока через - нуль дуга вновь не зажглась бы в следующем полупериоде.

Таким образом, задача гашения дуги сводится к созданию таких условий, чтобы электрическая прочность промежутка между контактами uпр была больше напряжения между ними uв.

Процесс нарастания напряжения между контактами отключаемого аппарата может носить различный характер в зависимости от параметров коммутируемой цепи.

Если отключается цепь с преобладанием активного сопротивления, то напряжение восстанавливается по апериодическому закону; если в цепи преобладает индуктивное сопротивление, то возникают колебания, частоты которых зависят от соотношения емкости и индуктивности цепи. Колебательный процесс приводит к значительным скоростям восстановления напряжения, а чем больше скорость duв/dt, тем вероятнее пробой промежутка и повторное зажигание дуги.

Для облегчения условий гашения дуги в цепь отключаемого тока вводятся активные сопротивления, тогда характер восстановления напряжения будет апериодическим (рис. 3, б).

Способы гашения дуги в коммутационных аппаратах до 1000 В

В коммутационных аппаратах до 1 кВ широко используются следующие способы гашения дуги:

Удлинение дуги при быстром расхождении контактов.

Чем длиннее дуга, тем большее напряжение необходимо для ее существования. Если напряжение источника питания окажется меньше, то дуга гаснет.

Деление длинной дуги на ряд коротких (рис. 4, а). Как показано на рис. 1, напряжение на дуге Uд складывается из катодного Uк и анодного Uа падений напряжений и напряжения ствола дуги Uсд:

Uд=Uк+Uа+Uсд=Uэ+ Uсд .

Если длинную дугу, возникшую при размыкании контактов, затянуть в дугогасительную решетку из металлических пластин, то она разделится на N коротких дуг. Каждая короткая дуга будет иметь свое катодное и анодное падения напряжений Uэ. Дуга гаснет, если:

U<n Uэ ,

где U - напряжение сети; Uэ - сумма катодного и анодного падений напряжения (20-25 В в дуге постоянного тока).

Дугу переменного тока также можно разделить на N коротких дуг. В момент прохождения тока через нуль околокатодное пространство мгновенно приобретает электрическую прочность 150-250 В.

Дуга гаснет, если

U<(150-250)n.

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.

Принцип гашения дуги путем охлаждения ее в узких изоляционных щелях (каналах), так называемых щелевых дугогасительных камерах, основан на тесном соприкосновении дуги с охлаждающими стенками камеры, обеспечивающими отвод от столба дуги большого количества тепла и тем самым повышение градиента напряжения дуги.

Независимо от типа гасительного устройства основными факторами деиони-зации дугового промежутка являются:

а) увеличение длины дуги;

б) быстрое ее перемещение в щелях;

в) тесное соприкосновение дуги с относительно холодными керамическими стенками камеры, металлическими пластинами.

Установлено, что чем больше диаметр канала камеры автогазового дугогасительного устройства, тем труднее происходит в ем гашение малых токов и легче - больших, так как газовыделение интенсивнее при более тесном соприкосновении дуги со стенками камеры.

Газоый-деление к моменту прохождения тока через нуль зависит от энергии, отданной стенками канала за полупериод.

Независимо от типа гасительного устройства основными факторами деионизации дугового промежутка являются:

а) увеличение длины дуги;

б) быстрое перемещение ее в щели ( щелях);

в) тесное соприкосновение дуги с относительно холодными керамическими стенками камеры, металлическими пластинами.

В итоге, как указано выше, сопротивление дуги увеличивается, ток ограничивается и дуга угасает.

Гасительные камеры комбинированного типа обеспечивают наилучшие условия для гашения дуги при больших токах в ограниченном объеме. Кривые изменения тока и напряжения при отключении токоограничи-вающим предохранителем цепи переменного тока при коротком замыкании. При расплавлении вставки дуга горит в канале малого диаметра, образованном телом испарившейся плавкой вставки.

Тесное соприкосновение дуги с окружающим наполнителем усиливает деионизацию дуги.

Рис. 4. Способы гашения дуги:

а - деление длинной дуги на короткие; б - затягивание дуги в узкую щель дугогасительной камеры; в - вращение дуги в магнитном поле; г - гашение дуги в масле: 1 - неподвижный контакт; 2 - ствол дуги; 3 - водородная оболочка; 4 - зона газа; 5 - зона паров масла; 6 - подвижный контакт

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 (рис. 4, б).

В радиальном магнитном поле дуга получит вращательное движение (рис. 4, в).

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 до 1 кВ

В коммутационных аппаратах свыше 1 кВ применяются способы 2 и 3 описанные в п.п. 1.3. а также широко применяются следующие способы гашения дуги:

1. Гашение дуги в масле: Если контакты отключающего аппарата поместить в масло, то возникающая при размыкании дуга приводит к интенсивному газообразованию и испарению масла (рис. 4, г).

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 дуги (рис. 5) 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 (рис. 6).

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. На рис. 6 схематически показан масляный выключатель с двумя разрывами на фазу.

При отключении однофазного КЗ восстанавливающееся напряжение распределится между разрывами следующим образом:

U1/U2 = (C1+C2)/C1

где U1 ,U2 - напряжения, приложенные к первому и второму разрывам; С1 - емкость между контактами этих разрывов; C2 - емкость контактной системы относительно земли.

Рис. 6. Распределение напряжения по разрывам выключателя: а - распределение напряжения по разрывам масляного выключателя; б - емкостные делители напряжения; в - активные делители напряжения.

Так как С2 значительно больше C1, то напряжение U1 > U2 и, следовательно, гасительные устройства будут работать в неодинаковых условиях. Для выравнивания напряжения параллельно главным контактам выключателя (ГК) включают емкости или активные сопротивления (рис. 16, б, в).

Значения емкостей и активных шунтирующих сопротивлений подбирают так, чтобы напряжение на разрывах распределялось равномерно. В выключателях с шунтирующими сопротивлениями после гашения дуги между ГК сопровождающий ток, ограниченный по значению сопротивлениями, разрывается вспомогательными контактами (ВК).

Шунтирующие сопротивления уменьшают скорость нарастания восстанавливающегося напряжения, что облегчает гашение дуги.

4. Гашение дуги в вакууме: Высокоразреженный газ (10-6-10-8 Н/см2) 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.

5. Гашение дуги в газах высокого давления: Воздух при давлении 2 МПа и более обладает высокой электрической прочностью. Это позволяет создавать достаточно компактные устройства для гашения дуги в атмосфере сжатого воздуха. Еще более эффективно применение высокопрочных газов, например шестифторисгой серы SF6 (элегаз). Элегаз обладает не только большей электрической прочностью, чем воздух и водород, но и лучшими дугогасящими свойствами даже при атмосферном давлении.

Перенапряжения при отключении конденсатора

Рассмотрим процесс отключения конденсатораС в схеме рисунка 2.21, а. Зависимости токов и напряжений во времени даны на рисунке 2.21, в. Поскольку нагрузка чисто емкостная, ток i_c в цепи опережает напряжение источника на 90°.

Пусть контакты разошлись в точке 1 и дуга погасла в точке 2. В этот момент напряжение на конденсаторе достигает амплитудного значения напряжения источника.

Напряжение на шинах (слева от выключателя) также равно напряжению источника, так что разность потенциалов на контактах выключателя и практически равна нулю. Если пренебречь сопротивлением утечки конденсатора, то после гашения дуги можно считать, что напряжение на конденсаторе постоянно и равно U_C.

Напряжение на шинах U_ш меняется по закону, и далее разность потенциалов на контактах выключателя будет изменяться по закону

.

По истечении полупериода напряжение на промежутке достигает значения 2Е. Если прочность междуконтактного промежутка превышает 2Е, то на этом процесс отключения заканчивается.

Напряжение, появляющееся на контактах в установках высокого напряжения, может пробить промежуток. Рассмотрим наиболее тяжелый случай, когда пробой промежутка происходит через 0,01 с после погасания дуги. В момент пробоя (точка 3) напряжение на промежутке равно 2Е. При пробое возникает высокочастотный процесс изменения напряжения. Амплитуда переходной составляющей в начальный момент равна 2Е. Частота колебаний определяется индуктивностью источника и отключаемой емкостью С. Напряжение высокочастотной составляющей колеблется около ЭДС источника как около нулевой линии. Из-за наличия потерь в емкости эта составляющая затухает.

Высокочастотный ток колебательного разряда, меняясь с той же частотой f₀ отстает от напряжения на 90°. ,а дуга с высокочастотным током погаснет в первый нуль тока (точка 4), то напряжение на конденсаторе будет равно 3Е а напряжение на зажимах выключателя - 2Е. Через полупериод основной частоты к промежутку будет приложено напряжение 4Е.

Если промежуток не выдержит этого напряжения, возникает повторный пробой с амплитудой переменной составляющей высокой частоты 4Е. В том случае когда дуга с током высокой частоты будет погашена и первый путь тока (точка 5), напряжение на конденсаторе станет равным 5Е.

Если не учитывать затухания, то при каждом повторном пробое напряжение возрастает на 2Е. При первом пробое оно равно 3Е, при втором - 5Е и т. д. Таким образом, повторные пробои дают чрезвычайно опасные перенапряжения, которые могут привести к повреждению изоляции оборудования.

Повторные пробои должны быть устранены либо за счет быстрого роста прочности промежутка, либо снижением напряжения на емкости после гашения дуги в точке 2 за счет разряда этой емкости на шунтирующий резистор (рисунок 2.21, б). В этом случае сначала размыкается контакт К1 и вводится сопротивление после чего отключается ток контактом К2. Расчеты напряжения на контактах выключателей и выбор . Величина выбирается так, чтобы, с одной стороны, снизить напряжение на контактном промежутке и избежать повторных пробоев, с другой - обеспечить надежное отключение оставшегося тока контактом К2.

При отключении длинной не нагруженной на конце линии процесс проходит аналогичным образом, если не появляется повторный пробой. При повторных пробоях в линии возникают волновые процессы, которые в конечном счете создают примерно такие же высокие потенциалы в установке, как и при отключении конденсатора.

Перенапряжения при включении длинных линий

При включении длинных не нагруженных на конце линий электропередачи и при их АПВ возможны перенапряжения, опасные для установленного оборудования. Для борьбы с этими перенапряжениями используются два способа.

При первом способе специальной схемой управления контакты выключателя замыкаются тогда, когда разность потенциалов на них равна нулю.

При этом исключается причина возникновения переходного процесса, создающего перенапряжение. Выключатель должен иметь стабильное время включения, поддерживаемое с высокой точностью, и довольно сложную схему управления. Поэтому пока этот способ распространения не получил.

При втором способе применяется схема с предвключаемым резистором (рисунок 2.21, г). Здесь е(t) - ЭДС источника, х - его индуктивное сопротивление, u₁ - напряжение на левом выводе выключателя, u₂- напряжение в начале линии длиной .

При включении линии вначале включаются вспомогательные контакты К1 и в цепь вводится резистор .

Введение этого резистора усиливает процесс затухания и снижает перенапряжения. Спустя 1,5 - 2 периода сети переходной процесс заканчивается, включаются главные контакты К2 и процесс включения завершается.

Размещено на Allbest.ru