Принцип гашения дуги в автомате
Перейти к содержимому

Принцип гашения дуги в автомате

  • автор:

Электрические станции, подстанции, линии и сети — Гашение электрической дуги в коммутационных аппаратах

Общие сведения о возникновении электрической дуги в аппаратах.

В электрических схемах станций и подстанций предусматривают установку коммутационных, или отключающих аппаратов, назначение которых отключать отдельные участки цепи и основное оборудование, например, электрические генераторы, трансформаторы, электродвигатели и др. Эти аппараты устанавливаются и в сетях, для изменения общей схемы работы сети или отдельных ее участков. Отключающие аппараты (масляные и воздушные выключатели, разъединители) имеют контактную систему, осуществляющую разрыв электрической цепи при срабатывании аппарата. При размыкании участка цепи, по которой проходит ток, между контактами аппарата может возникнуть электрическая дуга, температура ее очень высока (порядка нескольких тысяч градусов). Поэтому процесс расхождения контактов при отключении аппаратов должен занимать как можно меньше времени, для того чтобы целостность контактов под действием электрической дуги не нарушилась. С возрастанием тока и номинального напряжения установки размеры и интенсивность горения дуги увеличиваются, что создает трудности для ее разрыва и гашения.
Рассмотрим упрощенную картину возникновения и гашения электрической дуги. При расхождении контактов коммутационного аппарата между ними образуется электрическое поле, величина которого прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна расстоянию между контактами. Обычно контакты высоковольтных аппаратов работают в масле. Процесс расхождения контактов сопровождается образованием газа, возникающего в результате испарения масла с поверхностей контактов. При появлении дуги масло разлагается и процесс ее горения в дальнейшем происходит в газовой среде. Первоначально газовая среда считается нейтральной, т. е. обладающей свойствами изолятора. Однако под действием электрического поля при расхождении контактов в газовой среде образуются электрические, заряды, она становится токопроводящей. Интенсивное движение заряженных частиц при большой их концентрации в токопроводящей среде и есть электрическая дуга. Таким образом, процесс возникновения электрической дуги связан с ионизацией нейтральной среды, т. е. образованием в ней движущихся заряженных частиц-электронов.
Различают два вида ионизации — ударную и термическую. При ударной свободные электроны за счет сил электрического поля перемещаются с большой скоростью и, сталкиваясь с нейтральным атомом газа, выбивают из него несколько электронов, в результате чего нейтральная частица газа распадается на свободные электроны и положительно заряженный ион. Термическая ионизация обусловлена резким увеличением переходного сопротивления контактов при их расхождении и в связи с этим значительным увеличением температуры как самих контактов, так и окружающей среды. При этом скорости движения заряженных частиц (электронов) сильно возрастают.
Отсюда ясно, что основные мероприятия, связанные с быстрейшим гашением дуги, должны быть направлены на уменьшение как ударной, так и термической ионизации дугового промежутка.
Для уменьшения ионизации первого вида стараются прежде всего увеличить скорость расхождения контактов коммутационного аппарата, так как значение напряженности поля при увеличении расстояния между ними быстро снижается. Следовательно, уменьшается и возможность образования новых заряженных частиц при ионизации. Другим методом является применение специальных гасительных камер с повышенным давлением газа, также уменьшающих скорость движения заряженных частиц или применение деионных решеток в виде омедненных стальных пластин, на которых снижается напряжение, приложенное к контактам. Для снижения действия термической ионизации контактная система выключателя охлаждается принудительным дутьем струи воздуха, масла или газа (в последнем случае — применением газогенерирующего вещества).
Однако для интенсивного гашения электрической дуги этих средств бывает недостаточно, поэтому в коммутационных аппаратах используют процесс обратной ионизации, т. е. деионизацию. При этом процессе количество заряженных частиц уменьшается, поток электронов ослабевает и в пределе образует пространство, заполненное лишь нейтральными частицами, т. е. среду, близкую к изолятору.
Процесс деионизации — это воссоединение (рекомбинация) электронов в первоначальную нейтральную частицу за счет снижения скорости их движения, и диффузии, т. е. проникновения одной газовой среды в другую. Это явление возникает при выбросе заряженных частиц в воздух во время горения электрической дуги и обеспечивается применением принудительного дутья, которое выполняют различными способами.
В современных коммутационных аппаратах, особенно масляных выключателях, для ускорения расхождения контактной системы широко используются быстродействующие пружинные приводы, различные газогенерирующие материалы для создания газового дутья (в воздушных выключателях) и дугогасительные камеры (в выключателях и контакторах различного типа).

Гашение электрической дуги постоянного и переменного тока.

Гашение дуги в цепях постоянного тока затруднено наличием постоянного напряжения, неизменного по своей величине. Кроме того, в этих цепях, как правило, имеются различные катушки, обмотки электрических машин и другие индуктивные сопротивления. Если отключить их, появится электродвижущая сила, которая накладывается на основное напряжение и вызывает появление значительных перенапряжений на контактах. В цепях постоянного тока используют воздушные выключатели. Основным способом надежного и быстрого гашения дуги здесь является применение дугогасительных решеток. Эти решетки, хотя и не исключают полностью возникновение перенапряжений, однако снижают их величину до трех-четырехкратного значения номинального напряжения цепи.
В цепях переменного тока процесс гашения дуги облегчается тем, что при частоте 50 Гц напряжение 100 раз в секунду меняет свой знак, каждый раз проходя через нулевое значение. Естественно, что в момент прохождения напряжения через нуль напряжение на дуге также равно нулю. В этот момент процесс ионизации дугового промежутка прекращается, температура дуги снижается и усиливается процесс деионизации, способствующий восстановлению электрической прочности (изоляции) дугового промежутка. В отдельных случаях в момент прохождения напряжения через нуль электрическая дуга может погаснуть. Для восстановления дуги в последующий момент на контактах должно появиться напряжение, которое возникает не сразу. Это напряжение называется напряжением зажигания дуги. Чем медленнее нарастает напряжение зажигания, тем меньше возможность появления дуги. Если электрическая прочность дугового промежутка после прохождения напряжения через нуль нарастает быстрее напряжения зажигания, — дуга гаснет, если медленнее, — загорается вновь.
Процесс восстановления электрической прочности дугового промежутка, а следовательно, и гашения дуги облегчается при быстром расхождении контактов, поэтому в современных масляных выключателях применяют быстродействующие системы привода. Хороший отвод тепла также способствует быстрой деионизации и снижению температуры дуги. Поэтому для масляных выключателей применяют массивные медные электроды, обладающие большой теплопроводностью.

Принцип работы высоковольтных масляных выключателей.

В цепях высокого напряжения (3, 6, 10 кВ и выше) широко используются выключатели, заполненные трансформаторным маслом. Такие выключатели называются масляными. Условия гашения электрической дуги в масле значительно улучшаются, так как масло обладает дугогасящими свойствами и хорошими изоляционными качествами.

Рис. 49. Разрез многообъемного масляного выключателя бакового типа:
1— кривошипно-шатунный механизм, 2 — масло-указатель, 5 — неподвижные контакты, 4 — подвижные контакты, 5 — трансформаторное масло, 6 — общий бак, 7 — газоотводная трубка, 8 — проходной изолятор

Масляные выключатели выполняют с большим объемом масла и с малым. В соответствии с этим различают многообъемные, или баковые, и малообъемные, или горшковые, масляные выключатели. В многообъемных выключателях масло служит не только как средство гашения дуги, но и как изолирующая среда, для изоляции токоведущих частей друг от друга и стенок бака. В малообъемных выключателях масло используется исключительно как дугогасящая среда. Масляные выключатели снабжают дугогасительными камерами различных конструкций, ускоряющими процесс гашения дуги и повышающими отключающую способность выключателя.

Рассмотрим принцип работы высоковольтного выключателя на примере масляного выключателя баковой конструкции. Схематический разрез такого выключателя показан на рис. 49. В общем баке 6, выполненном из стали, размещают контактную систему всех трех фаз выключателя и заливают бак трансформаторным маслом 5. Уровень масла контролируется по маслоуказателю 2. Провода или шины электрической цепи подводятся к вводам — проходным изоляторам 8. В нижней части токоведущих стержней изоляторов укреплены неподвижные контакты выключателя 3, помещенные в масло. Каждая фаза бакового выключателя имеет по два неподвижных контакта и по два замыкающих подвижных контакта 4, укрепленных на траверсе. Во включенном положении выключателя контакты 4 подняты и соединяются с неподвижными контактами 3, осуществляя замыкание силовой цепи масляного выключателя. Подъем контактов при включении осуществляется кривошипно-шатунным механизмом 1, который при повороте вала выключателя по часовой стрелке поднимает вертикальную изолированную тягу с закрепленной на ее конце траверсой с подвижными контактами. Размыкаются контакты при отключении масляного выключателя пружинным механизмом, перемещающим вертикальную тягу вниз. При расхождении контактов между ними возникает электрическая дуга (см. рис. 49). В баковых выключателях рассматриваемой конструкции происходит двукратный разрыв дуги в каждой фазе, т. е. между обеими парами подвижных и неподвижных контактов.
Масло под действием высокой температуры дуги разлагается на составные части и образует газ (в основном водород, способствующий быстрому гашению дуги). Таким образом, дуга горит не в масле, а в парах газа, образующего вокруг дуги газовый пузырь с высоким внутренним давлением. Это давление передается всему объему масла и действует на стенки бака, который должен обладать достаточной механической прочностью. Однако, несмотря на это, бак выключателя был бы I изорван, если бы он был герметически закрыт и над уровнем масла не было бы слоя воздуха (воздушной подушки, выполняющей роль буфера). При расширении масла во время возникновения дуги масло вытесняет воздух и он выходит через газоотводную трубку 7, тем самым снижая давление на стенки бака выключателя. После того как дуга гаснет, газы, образующие газовый пузырь, поднимаются вверх и выходят через трубку 7.
Уровень масла в баке должен быть таким, чтобы при разрыве максимального тока отключения, на который рассчитан выключатель, процесс гашения дуги и подъем масла за счет его расширения заканчивался раньше, чем масло заполнит все буферное пространство. В противном случае масло, вытесняя воздух, выплеснется через газоотводную трубку, повредит или даже сорвет крышку выключателя. Поэтому в процессе эксплуатации необходимо строго следить за уровнем масла в баке, поддерживая его на отметке, рекомендованной заводом-изготовителем. Некоторые конструкции баков снабжаются дополнительными предохранительными устройствами, через которые масло может выйти наружу.
Для изоляции токоведущих частей выключателя от заземленного корпуса бака его внутренние стенки покрывают электротехническим картоном, обладающим высокими изоляционными качествами. Прокладки из картона предохранят бак от переброски электрической дуги на его стенки.
В масляных выключателях, рассчитанных на большие токи и мощности отключения, предусматривают специальные устройства для ускорения охлаждения и гашения электрической дуги (гасительные камеры продольного и поперечного дутья, дугогасительные решетки в др.).
Наряду с выключателями, заполненными маслом, в последнее время в сельской электрификации стали применять автогазовые и воздушные выключатели. В автогазовых выключателях дугогасительные камеры выполняют из твердых диэлектриков (например, органического стекла), способных под действием высокой температуры дуги выделять большое количество газов. В воздушных выключателях гашение дуги осуществляется струей сжатого воздуха, поступающего под давлением до 20 атм от компрессорной установки. В таких выключателях применяют как продольное, так и поперечное дутье, способствующее скорейшему гашению дуги.

Как происходит гашение электрической дуги в автоматических выключателях

Автоматический выключатель должен обеспечивать гашение дуги при всех возможных режимах сети.

В автоматических выключателях нашли применение два исполнения дугогасительных устройств — полузакрытое и открытое.

В полузакрытом исполнении автоматический выключатель закрыт кожухом, имеющим отверстия для выхода горячих газов. Объем кожуха делается достаточно большим, чтобы избежать появления внутри кожуха больших избыточных давлений. При полузакрытом исполнении зона выброса горячих и ионизированных газов составляет обычно несколько сантиметров от выхлопных щелей. Такое конструктивное решение применяется в автоматических выключателях, монтируемых рядом с другими аппаратами, в распределительных устройствах, в автоматах с ручным управлением. Предельный ток автоматического выключателя не превышает 50 кА.

При токах 100 кА и выше в автоматических выключателях применяются камеры открытого исполнения с большой зоной выброса. Полузакрытое исполнение применяется, как правило, в установочных и универсальных автоматах, открытое — в быстродействующих и автоматах на большие предельные токи (100 кА и выше) или большие напряжения (выше 1000В).

Способы гашения электрической дуги в установочных и универсальных автоматических выключателях

Способы гашения электрической дуги в установочных и универсальных автоматических выключателях

В автоматических выключателях массового применения (установочных и универсальных) широкое применение получила деионная дугогасительная решетка из стальных пластин. Поскольку автоматические выключатели должны работать как на переменном, так и на постоянном токе, число пластин выбирается из условия отключения цепи постоянного тока. На каждую пару пластин должно приходиться напряжение менее 25 В.

В цепях переменного тока с напряжением 660 В такие дугогасительные устройства обеспечивают гашение дуги с током до 50 кА. На постоянном токе эти устройства работают при напряжении до 440 В и отключают токи до 55 кА. В дугогасительных устройствах со стальными пластинами гашение происходит спокойно, с минимальным выбросом ионизированных и нагретых газов из дугогасительного устройства.

Виды дугогасительных камер автоматических выключателей

При больших токах применяются лабиринтно-щелевые камеры и камеры с прямой продольной щелью. Втягивание дуги в щель осуществляется магнитным дутьем с катушкой тока.

Продольно-щелевая камера может иметь несколько параллельных щелей неизменного сечения. Это уменьшает аэродинамическое сопротивление камеры и облегчает вхождение дуги с большим током в щели. Вначале дуга разбивается на ряд параллельных волокон. Но затем из всех параллельных ветвей остается лишь одна, в которой окончательно происходит гашение. Стенки камеры и перегородки изготавливаются из асбоцемента.

Виды дугогасительных камер автоматических выключателей

В лабиринтно-щелевой камере постепенное вхождение дуги в зигзагообразную щель не создает высокого аэродинамического сопротивления при больших токах. Узкая щель повышает градиент напряжения в дуге, что сокращает необходимую длину дуги при гашении. Зигзагообразная форма щели уменьшает габариты автомата.

В лабиринтно-щелевой камере осуществляется интенсивное охлаждение дуги стенка-ми камеры. Ввиду того что дуга отдает большое количество тепла стенкам щели, материал камеры должен обладать высокой теплопроводностью и температурой плавления.

Виды дугогасительных камер автоматических выключателей

Для того чтобы не происходило разрушение камеры от высокой температуры, необходимо, чтобы дуга двигалась непрерывно с большой скоростью. Это требует создания мощного магнитного поля на всем пути движения дуги в щели. При недостаточной скорости движения происходит разрушение дугогасительного устройства.

В качестве материала для камеры применяется кордиерит. Газообразующие материалы типа фибры, органического стекла не применяются из-за повышения аэродинамического сопротивления.

В настоящее время с целью упрощения конструкции (отказ от мощных и сложных систем магнитного дутья) вновь возвращаются к идее деионной стальной решетки. Стальные пластины, имеющие паз для дугогасительных контактов создают усилие, перемещающее дугу. В отличие от обычной решетки дуга соприкасается с изолированными стальными пластинами: гашение происходит так же, как в камере с поперечными изоляционными перегородками, но при отсутствии специальной магнитной системы, двигающей дугу.

Влияние электрической дуги на контакты автоматических выключателей

alt

Наиболее ответственной частью токоведущей цепи автоматических выключателей являются контакты. При номинальных токах до 200 А в автоматических выключателях применяется одна пара контактов, которые для увеличения дугостойкости могут быть облицованы металлокерамикой.

Большие номинальные токи требуют применения в автоматических выключателях двухступенчатого контакта типа перекатывающегося моста или пары основных и дугогасительных контактов. Основные контакты автоматических выключателей облицовываются либо серебром, либо металлокерамикой (серебро, никель, графит). Дугогасительный неподвижный контакт покрывается металлокерамикой СВ-50 (серебро, вольфрам), подвижный СН-29ГЗ. В автоматичекских выключателях применяется металлокерамика и других марок.

В автоматических выключатлелях на большие номинальные токи применяется включение нескольких параллельных пар основных контактов.

В быстродействующих автоматических выключателях с целью уменьшения собственного времени применяются исключительно торцевые контакты, имеющие малый провал. Контакты изготавливаются из меди и поверхности касания подвергаются серебрению. В связи с ростом номинального тока и относительно высоким сопротивлением контактов автоматических выключателей, в настоящее время, проводятся работы по искусственному охлаждению контактов с помощью жидкости. Такое решение задачи позволяет сохранить малую массу и быстродействие автоматического выключателя и увеличить длительный ток с 2500 до 10 000 А.

Устойчивость контактов автоматических выключателей при включении на короткое замыкание

Устойчивость контактов автоматических выключателей при включении на короткое замыкание

Устойчивость контактов автоматических выключателей при включении на короткое замыкание зависит от скорости нарастания давления в контактах. При амплитуде включаемого тока более 30 — 40 кА применяют автоматы моментного действия, у которых скорость движения контактов и нажатие в них не зависят от скорости перемещения включающей рукоятки.

В универсальных автоматических выключателях, работающих селективно, создается намеренная выдержка времени при протекании тока короткого замыкания.

Во избежание сваривания контактов автоматического выключателя обязательно применяется электродинамическая компенсация. При протекании тока в дугогасительном контуре на проводник, несущий неподвижный дугогасительный контакт автоматического выключатлеля, действует электродинамическая сила, увеличивающая нажатие контактов.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Процесс образования электрической дуги и способы ее гашения

При размыкании электрической цепи возникает электрический разряд в виде электрической дуги. Для появления электрической дуги достаточно, чтобы напряжение на контактах было выше 10 В при токе в цепи порядка 0,1А и более. При значительных напряжениях и токах температура внутри дуги может достигать 3 — 15 тыс. °С, в результате чего плавятся контакты и токоведущие части.

Сравнение температур различных источников теплоты

При напряжениях 110 кВ и выше длина дуги может достигать нескольких метров. Поэтому электрическая дуга, особенно в мощных силовых цепях, на напряжение выше 1 кВ представляет собой большую опасность, хотя серьезные последствия могут быть и в установках на напряжение ниже 1 кВ. Вследствие этого электрическую дугу необходимо максимально ограничить и быстро погасить в цепях на напряжение как выше, так и ниже 1 кВ.

Причины возникновения электрический дуги

Причины возникновения электрический дуги

Процесс образования электрической дуги может быть упрощенно представлен следующим образом. При расхождении контактов вначале уменьшается контактное давление и соответственно контактная поверхность, увеличиваются переходное сопротивление ( плотность тока и температура — начинаются местные (на отдельных участках площади контактов) перегревы, которые в дальнейшем способствуют термоэлектронной эмиссии, когда под воздействием высокой температуры увеличивается скорость движения электронов и они вырываются с поверхности электрода.

В момент расхождения контактов, то есть разрыва цепи, на контактном промежутке быстро восстанавливается напряжение. Поскольку при этом расстояние между контактами мало, возникает электрическое поле высокой напряженности, под воздействием которого с поверхности электрода вырываются электроны. Они разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать хотя бы один электрон с оболочки нейтрального атома, то происходит процесс ионизации.

Причины возникновения электрический дуги

Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги, то есть ионизированного канала, в котором горит дуга и обеспечивается непрерывное движение частиц. При этом отрицательно заряженные частицы, в первую очередь электроны, движутся в одном направлении (к аноду), а атомы и молекулы газов, лишенные одного или нескольких электронов, — положительно заряженные частицы — в противоположном направлении (к катоду). Проводимость плазмы близка к проводимости металлов.

В стволе дуги проходит большой ток и создается высокая температура. Такая температура ствола дуги приводит к термоионизации — процессу образования ионов вследствие соударения молекул и атомов, обладающих большой кинетической энергией при высоких скоростях их движения (молекулы и атомы среды, где горит дуга, распадаются на электроны и положительно заряженные ионы). Интенсивная термоионизация поддерживает высокую проводимость плазмы. Поэтому падение напряжения по длине дуги невелико.

В электрической дуге непрерывно протекают два процесса: кроме ионизации, также деионизация атомов и молекул. Последняя происходит в основном путем диффузии, то есть переноса заряженных частиц в окружающую среду, и рекомбинации электронов и положительно заряженных ионов, которые воссоединяются в нейтральные частицы с отдачей энергии, затраченной на их распад. При этом происходит теплоотвод в окружающую среду.

Таким образом, можно различить три стадии рассматриваемого процесса: зажигание дуги, когда вследствие ударной ионизации и эмиссии электронов с катода начинается дуговой разряд и интенсивность ионизации выше, чем деионизации, устойчивое горение дуги, поддерживаемое термоионизацией в стволе дуги, когда интенсивность ионизации и деионизации одинакова, погасание дуги, когда интенсивность деионизации выше, чем ионизации.

Причины возникновения электрический дуги

Способы гашения дуги в коммутационных электрических аппаратах

Для того чтобы отключить элементы электрической цепи и исключить при этом повреждение коммутационного аппарата, необходимо не только разомкнуть его контакты, но и погасить появляющуюся между ними дугу. Процессы гашения дуги, так же как и горения, при переменном и постоянном токе различны. Это определяется тем, что в первом случае ток в дуге каждый полупериод проходит через нуль. В эти моменты выделение энергии в дуге прекращается и дуга каждый раз самопроизвольно гаснет, а затем снова загорается.

Практически ток в дуге становится близким нулю несколько раньше перехода через нуль, так как при снижении тока энергия, подводимая к дуге, уменьшается, соответственно снижается температура дуги и прекращается термоионизация. При этом в дуговом промежутке интенсивно идет процесс деионизации. Если в данный момент разомкнуть и быстро развести контакты, то последующий электрический пробой может не произойти и цепь будет отключена без возникновения дуги. Однако практически это сделать крайне сложно, и поэтому принимают специальные меры ускоренного гашения дуги, обеспечивающие охлаждение дугового пространства и уменьшение числа заряженных частиц.

В результате деионизации постепенно увеличивается электрическая прочность промежутка и одновременно растет восстанавливающееся напряжение на нем. От соотношения этих величин и зависит, загорится ли на очередную половину периода дуга или нет. Если электрическая прочность промежутка возрастает быстрее и оказывается больше восстанавливающего напряжения, дуга больше не загорится, в противном же случае будет обеспечено устойчивое горение дуги. Первое условие и определяет задачу гашения дуги.

В коммутационных аппаратах используют различные способы гашения дуги.

При расхождении контактов в процессе отключения электрической цепи возникшая дуга растягивается. При этом улучшаются условия охлаждения дуги, так как увеличивается ее поверхность и для горения требуется большее напряжение.

Деление длинной дуги на ряд коротких дуг

Если дугу, образовавшуюся при размыкании контактов, разделить на К коротких дуг, например затянув ее в металлическую решетку, то она погаснет. Дуга обычно затягивается в металлическую решетку под воздействием электромагнитного поля, наводимого в пластинах решетки вихревыми токами. Этот способ гашения дуги широко используется в коммутационных аппаратах на напряжение ниже 1 кВ, в частности в автоматических воздушных выключателях.

способы гашения электрической дуги

Охлаждение дуги в узких щелях

Гашение дуги в малом объеме облегчается. Поэтому в коммутационных аппаратах широко используют дугогасительные камеры с продольными щелями (ось такой щели совпадает по направлению с осью ствола дуги). Такая щель обычно образуется в камерах из изоляционных дугостойких материалов. Благодаря соприкосновению дуги с холодными поверхностями происходят ее интенсивное охлаждение, диффузия заряженных частиц в окружающую среду и соответственно быстрая деионизация.

Кроме щелей с плоскопараллельными стенками, применяют также щели с ребрами, выступами, расширениями (карманами). Все это приводит к деформации ствола дуги и способствует увеличению площади соприкосновения ее с холодными стенками камеры.

Втягивание дуги в узкие щели обычно происходит под действием магнитного поля, взаимодействующего с дугой, которая может рассматриваться как проводник с током.

Внешнее магнитное поле для перемещения дуги наиболее часто обеспечивают за счет катушки, включаемой последовательно с контактами, между которыми возникает дуга. Гашение дуги в узких щелях используют в аппаратах на все напряжения.

способы гашения электрической дуги

Гашение дуги высоким давлением

способы гашения электрической дуги

При неизменной температуре степень ионизации газа падает с ростом давления, при этом возрастает теплопроводность газа. При прочих равных условиях это приводит к усиленному охлаждению дуги. Гашение дуги при помощи высокого давления, создаваемого самой же дугой в плотно закрытых камерах, широко используется в плавких предохранителях и ряде других аппаратов.

Гашение дуги в масле

Если контакты выключателя помещены в масло, то возникающая при их размыкании дуга приводит к интенсивному испарению масла. В результате вокруг дуги образуется газовый пузырь (оболочка), состоящий в основном из водорода (70. 80 %), а также паров масла. Выделяемые газы с большой скоростью проникают непосредственно в зону ствола дуги, вызывают перемешивание холодного и горячего газа в пузыре, обеспечивают интенсивное охлаждение и соответственно деионизацию дугового промежутка. Кроме того, деионизирующую способность газов повышает создаваемое при быстром разложении масла давление внутри пузыря.

Интенсивность процесса гашения дуги в масле тем выше, чем ближе соприкасается дуга с маслом и быстрее движется масло по отношению к дуге. Учитывая это, дуговой разрыв ограничивают замкнутым изоляционным устройством — дугогасительной камерой . В этих камерах создается более тесное соприкосновение масла с дугой, а при помощи изоляционных пластин и выхлопных отверстий образуются рабочие каналы, по которым происходит движение масла и газов, обеспечивая интенсивное обдувание (дутье) дуги.

способы гашения электрической дуги

Дугогасительные камеры по принципу действия разделяют на три основные группы: с автодутьем, когда высокие давление и скорость движения газа в зоне дуги создаются за счет выделяющейся в дуге энергии, с принудительным масляным дутьем при помощи специальных нагнетающих гидравлических механизмов, с магнитным гашением в масле, когда дуга под действием магнитного поля перемещается в узкие щели.

способы гашения электрической дуги

Наиболее эффективны и просты дугогасительные камеры с автодутьем . В зависимости от расположения каналов и выхлопных отверстий различают камеры, в которых обеспечивается интенсивное обдувание потоками газопаровой смеси и масла вдоль дуги (продольное дутье) или поперек дуги (поперечное дутье). Рассмотренные способы гашения дуги широко используются в выключателях на напряжение выше 1 кВ.

Другие способы гашения дуги в аппаратах на напряжение выше 1 кВ

способы гашения электрической дуги

Кроме указанных выше способов гашения дуги, используют также: сжатый воздух, потоком которого вдоль или поперек обдувается дуга, обеспечивая ее интенсивное охлаждение (вместо воздуха применяются и другие газы, часто получаемые из твердых газогенерирующих материалов — фибры, винипласта и т. п. — за счет их разложения самой горящей дугой), элегаз (шестифтористая сера), обладающий более высокой электрической прочностью, чем воздух и водород, в результате чего дуга, горящая в этом газе, даже при атмосферном давлении достаточно быстро гасится, высокоразреженный газ (вакуум), при размыкании контактов в котором дуга не загорается вновь (гаснет) после первого прохождения тока через нуль.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Автоматический выключатель — назначение и устройство

Автоматический выключатель - назначение и устройство

Аппараты, предназначенные для защиты от коротких замыканий и перегрузок, а также коммутации электрической цепи — автоматические выключатели. Исходя из этого они служат для оперативных или аварийных отключений. Данные коммутационные аппараты способны выполнять следующие действия в зависимости от величины тока и заложенных конструкцией защитных функций:

  • пропускать ток нормальной величины
  • отключать ток короткого замыкания
  • отключать ток аномальной величины (например, в режиме перегрузки) с выдержкой времени.
  • отключаться при снижении напряжения сети ниже величины заложенной уставки
  • коммутация цепей без тока

Данные устройства различаются в зависимости от типа тока (постоянный или переменный), величины напряжения (низковольтные, высоковольтные), среды для гашения дуги (воздушные, элегазовые, вакуумные, масляные).

В данном материале будут рассматриваться воздушные автоматы до 1кВ переменного напряжения, преимущественно бытового назначения. Хотя для понимания процессов и некоторых функций будут рассмотрены и более технологичные автоматы.

внешний вид автоматических выключателей

Никто не называет их воздушные автоматические выключатели, потому что они все воздушные. Отличные от воздуха среды для гашения дуги применяются на классы напряжения, где за счет дугогасящей среды уменьшаются допустимые расстояния и это позволяет добиваться меньших габаритов.

Устройство и принцип работы автоматических выключателей

Если посмотреть на выключатель, то первое что бросается в глаза: нижние и верхние места подключения проводов, рычаг включения/отключения. Но это явно не всё! Что же скрыто от глаз? Контактные группы, расцепители, камеры гашения дуги. Но давайте по порядку.

Рассмотрим понятие “число полюсов” у выключателей.

Что вообще значит понятие полюс?

Полюс — это часть выключателя, которая связана одной токопроводящей частью с его цепью и имеющая контакты для замыкания и размыкания, исключая те части, которые служат для монтажа и оперирования полюсами совместно. Так написано в ГОСТ Р 51324.1-2005.

сколько полюсов?

Определение ну такое себе. Здесь важно не уйти в ошибку, путая число полюсов и, например, число фаз. Или число полюсов и число контактов в выключателе. Может ли в трехфазной цепи стоять однополюсный выключатель? Может, если защищает одну фазу.

автоматические выключатели с разным числом полюсов

А может ли выключатель быть однофазным, трехфазным, двухфазным? Он может применяться в таких цепях, но его характеризует число полюсов, которое описывает конструктивные особенности конкретной модели.

вот трехполюсный и 4 однополюсных выключателя

Следовательно выключатели бывают: однополюсные, двухполюсные, трехполюсные и четырехполюсные.

В цепях постоянного тока встречаются однополюсные и двухполюсные — он может защищать или плюс и минус вместе или плюс/минус по отдельности.

А как может быть 4 полюса, если фазы всего три? Четвертый для защиты нулевого провода.

три полюса и за счет модульной конструкции допопции

На изображениях выше приведены примеры 1, 2, 3 полюсных аппаратов. Нагляднее это легче воспринять.

Расцепители автоматических выключателей

И если вы выдохнули, подумав, что число полюсов это самое сложное, то возрадуйтесь расцепителям. Что из себя представляет расцепитель по функционалу? Это релейное устройство — реле, которое воздействует на выключатель, реагируя на изменение величины тока или напряжения.

Расцепители, реагирующие на увеличение тока называют максимальные расцепители, они бывают:

  • электромагнитные — защита от тока КЗ
  • тепловые — защита от тока перегрузки
  • комбинированные
  • полупроводниковые

Кроме максимальных расцепителей тока автоматические выключатели могут дополнительно быть оснащены следующими устройствами:

  • минимальный расцепитель (срабатывает при снижении уровня напряжения ниже заданной уставки)
  • независимый расцепитель
  • вспомогательные контакты

В бытовых выключателях в основном есть электромагнитный и тепловой расцепители.

Принцип работы автоматических выключателей

Работа автоматического выключателя зависит от режима в котором он находится. Выше мы рассмотрели возможные режимы, теперь опишем что происходит с выключателем в некоторых из них.

Изначально выключатель в коробке и его необходимо подключить к электрической цепи. У выключателя есть силовые клеммы для подключения и клеммы контактов. Клеммы контактов соединяются с релейным отсеком, где собирается схема РЗА. Но это в распределительных устройствах. В бытовом выключателе вся релейка находится внутри устройства и у нас есть только число клемм равное числу полюсов умножить на два.

Подключение АВ

Перед тем как подключать выключатель под нагрузку, неплохо бы удостовериться в его целостности. Для этого необходимо проверить целостность фаз, целостность изоляции между фазами, работоспособность расцепителей. Об этом будет написано ниже. После того как мы проверили, необходимо провести монтаж выключателя.

внешний вид подключенного автоматического выключателя

На всех выключателях присутствует электрическая схема. Например, три фазы и группы контактов. Рассмотрим на примере АВДТ32. На корпусе максимально расписано что куда — фаза к фазе, нуль к нулю. Сеть сверху, нагрузка снизу. Есть ли разница? Самое главное — не соединить фазу с нулем. Остальное для порядка при эксплуатации. Но и эксплуатация не доверяет при первом осмотре подключенным проводам, а производит замер где фаза, а где ноль в проводке. Это базовая безопасность.

В каких режимах может работать выключатель

Когда выключатель введен в электрическую схему его включают и он работает. Если его выключают — электроэнергия в цепи не протекает. Это два нормальных режима — выключатель включен и выключатель отключен. В зависимости от объекта эксплуатации число этих циклов включение-отключение может быть от одного в год до одного в день — все индивидуально.

Теперь к самому интересному — аномальные режимы. Режимы при которых в работу включаются защитные функции выключателей.

Режим короткого замыкания выключателя

Режим, когда между двумя точками с потенциалами в нормальном режиме полное сопротивление цепи становится очень мало и возрастает ток (сверхток).

Выключатели имеют заложенную ожидаемую величину максимального тока КЗ, на которое он может безболезненно реагировать — не загорится, не пробьется изоляция, отключится за заложенное время отключения.

Отключение тока КЗ должно происходить максимально мгновенно для исключения плавления проводки и возгорания.

Принцип гашения дуги

При переходе в режим КЗ образуется сверхток, который течет от места повреждения, доходит до выключателя. Выключатель имеет электромагнитный расцепитель, представляющий собой катушку соленоида, внутри которой стальной сердечник, удерживаемый пружиной.

на фото видны катушки соленоида на каждой фазе выключателя

При прохождении сверхтока через соленоид увеличивается магнитный поток и сердечник втягивается в катушку и, сдавливая пружину, нажимает на спусковую планку. Тем самым контакты размыкаются.

При размыкании контактов дуга растягивается между контактами (подвижным и неподвижным). Через неподвижный контакт дуга попадает по проводнику в дугогасительную камеру, где она дробится и затухает.

дугогасительная камера на примере АП-50

Режим протекания тока перегрузки

Режим перегрузки может встречаться на электродвигателях при долгом развороте при самозапуске из-за неисправностей частей агрегата. Может данный режим встречаться и в бытовой проводке из-за подключения приборов больше, чем рассчитана сеть.

Чем опасен данный режим? Протекание токов, величины которых более, чем допустимые в нормальном режиме, приводят к старению изоляции. Старение изоляции в итоге может привести к пробою изоляции.

Для защиты от перегрузки в автоматических выключателях используют биметаллическую пластину, которая изгибается при протекании токов перегрузки. Изгиб происходит постепенно во времени и в конце пластина приводит в действие механизм отключения.

Бывали случаи, когда из-за неверно заданных уставок перегрузки при самозапуске двигатель отключался до разворота — приходилось менять уставку. Бывало и наоборот, когда двигатель отключался перегрузкой и причиной было заклинивание вала.

Режим минимального напряжения

Выключатели могут дополняться расцепителями минимального напряжения. Данные расцепители срабатывают, когда напряжение на них снижается до величины меньше допустимой — от 0,7Uном и ниже. Это необходимо в случаях, когда на подключенном оборудовании нельзя допускать снижение напряжения. В бытовых ситуациях для этих целей используют реле контроля напряжения.

Характеристики автоматических выключателей

Общие

  • Число полюсов
  • Род тока
  • Категории применения
  • Селективность
  • *Время-токовая характеристика

Номинальные величины

  • Номинальное рабочее напряжение
  • Номинальное напряжение изоляции
  • Номинальное импульсное выдерживаемое напряжение
  • Условный тепловой ток на открытом воздухе
  • Условный тепловой ток в оболочке
  • Номинальный ток
  • Номинальная частота
  • Номинальный режим эксплуатации

Характеристики в условиях короткого замыкания

  • Номинальная наибольшая включающая способность
  • Номинальные наибольшие отключающие способности
  • Номинальная предельная наибольшая отключающая способность
  • Номинальная рабочая наибольшая отключающая способность
  • Стандартное соотношение между наибольшими включающей и
  • отключающей способностями и соответствующий коэффициент мощности для выключателей переменного тока
  • Номинальный кратковременно выдерживаемый ток

Расцепители

  • Независимый расцепитель
  • Максимальный расцепитель тока
  • Минимальный расцепитель напряжения
  • Токовая уставка максимальных расцепителей тока
  • Уставка по времени расцепления максимальных расцепителей тока

Проверка автоматических выключателей

Объем проверки автоматических выключателей до 1кВ зависит от заявленных функций или функций, которые будут использоваться. То есть это:

  • прозвонка во включенном и отключенном состоянии
  • проверка сопротивления изоляции между фазами и полюсами
  • проверка отключения на сверхтоки (перегрузки и КЗ) — прогрузка автоматов
  • проверка времени срабатывания
  • проверка напряжения отключения (при наличии)

Для автоматов выше 1 кВ объем испытаний включает дополнительные проверки. Вообще выключатели используются для защиты цепей (кэп). Поэтому они могут встречаться на участках цепей, которые защищают: квартиру, электродвигатель, электрический прибор, устройство РПН и так далее — в общем, везде. Кроме того, их используют, если необходимо собрать цепь для подачи напряжения — например для испытания оборудования или проверки электрической схемы.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *