Электрические аппараты

Для дуги большого тока околоанодное падение напряжения столь мало, что им можно пренебречь.

Распределение напряжения, напряженности электрического поля (градиента) и производной, пропорциональной объемному заряду а в дуге, представлено на рис.8.1.

Падение напряжения у катода составляет 10--20 В и зависит от материала катода и свойств газа, в котором горит дуга. Околокатодное падение напряжения несколько меньше потенциала ионизации газа из-за наличия около катода его паров, у которых потенциал ионизации значительно ниже.

Околоанодное падение напряжения составляет 5--10 В. При больших токах околоанодное напряжение уменьшается, в то время как околокатодное напряжение остается постоянным.



Рис. 8.1. Распределение напряжения, напряженности электрического поля и объемных зарядов в электрической дуге

В некоторых аппаратах низкого напряжения длина дуги невелика. Падение напряжения на столбе дуги мало по сравнению с суммой падения напряжения у катода и анода. Такие дуги называются короткими. Условия гашения короткой дуги в значительной степени определяются процессами, происходящими у электродов, и условиями их охлаждения.

В аппаратах высокого напряжения падение напряжения на столбе дуги значительно больше околоэлектродных, и последними можно пренебречь. Условия существования таких дуг, называемых длинными, определяются процессами в столбе дуги.

Физические особенности дугового разряда при высокой плотности газовой среды

Явление прохождения электрического тока через газ, называемое газовым разрядом, может наблюдаться практически при любых значениях тока. На рис. 8.2 изображена вольтамперная характеристика последовательных стадий газового разряда в воздухе при атмосферных условиях.

При несамостоятельном разряде (зона О -- В) ток поддерживается за счет внешних ионизаторов (космические лучи, рентгеновские лучи и др.); при самостоятельном разряде (зона В -- Е) носители электричества возникают в газоразрядном канале непосредственно за счет ионизирующих факторов, присущих газоразрядному каналу.

Между точками О -- А зависимость и = / (t) следует закону степени трех вторых.

В стадии «насыщения» (А -- В) все заряды, содержащиеся в промежутке, достигают электродов. Но так как никакой дополнительной ионизации здесь не возникает, то значительное увеличение напряжения не ведет к существенному изменению тока.

За точкой В напряжение становится достаточным для возникновения ударной ионизации (под действием сил электрического поля), начинается самостоятельная форма разряда.

Участок В -- С соответствует стадии пробоя, или «таунсендовской» стадии (по имени Таунсенда, разработавшего математическую теорию этой стадии).

Наиболее характерные признаки стадии пробоя: ударная ионизация, незначительные пространственные заряды, лавинообразный процесс образования электронов (и ионов). При больших расстояниях между электродами и достаточно высокой плотности газа таунсендовская стадия может перейти в так называемую стримерную стадию пробоя.

Когда мощность источника становится достаточно большой, способной вызвать в цепи токи порядка мА, стадия пробоя переходит в стадию тлеющего разряда (С -- D). Для тлеющего разряда характерна ударная ионизация, но уже в условиях резко неравномерного поля, когда основное падение напряжения приходится на слой у катода. Основной столб разряда в данном случае представляет собой как бы проводник тока, убыль электронов в котором восполняется за счет столкновения наиболее «быстрых» электронов с атомами газа. Для тлеющего разряда также характерно постоянство произведения давления газа на длину околокатодного слоя.
При достаточно большом токе тлеющий разряд переходит в дуговой (переходная стадия D -- Е).

Рис. 8.2. Вольтамперная характеристика газового разряда

Дуговой разряд в газовой среде относительно высокой плотности (при атмосферном и более высоком давлении) обладает следующими характерными чертами:

1) ясно очерчена граница между дуговым столбом и окружающей средой;

высокая плотность тока в дуговом столбе (десятки -- сотни А/мм²);

высокая температура газа внутри дугового столба, достигающая 5000 -10000° К и более высоких значений. В этих условиях преобладает термическая ионизация газа (см. ниже). При нормальных условиях дуговая стадия разряда (и термическая ионизация) в воздухе практически прекращаются при температурах около 3000° К;

высокая плотность тока на катоде и малое падение напряжения у катода.

Одно время полагали, что характерной особенностью дуги является высокая температура катода, однако теперь уже совершенно ясно, что дуговой разряд на металлических электродах может существовать практически и при холодном катоде. На рис. 2. 2 приведено изображение дугового столба между металлическими контактами и показано распределение напряжения вдоль него. Как можно видеть, падение напряжения на дуге складывается из трех слагаемых: катодного падения напряжения; падения напряжения в дуговом столбе и анодного падения напряжения.

Общее напряжение на дуге

При условии однородности дугового столба последний член -- напряжение на дуговом столбе -- может быть представлен как произведение напряженности электрического поля Е на длину канала дуги.

Катодное падение сосредоточено на очень небольшом участке дуги, непосредственно примыкающем к катоду (около 0,001 мм при нормальном атмосферном давлении). Оно составляет величину порядка 10 -20 В, следовательно, средняя напряженность электрического поля у катода достигает величины порядка 10⁵ В/см и выше. При таких напряженностях выход электронов с поверхности катода может осуществляться в значительной степени за счет автоэлектронной эмиссии. Если материал катода таков, что температура его кипения может превысить 2500° К, то эмиссия электронов с поверхности катода может происходить и за счет термических процессов (термоэлектронная эмиссия). При этих условиях выход электронов с катода обеспечивается и при более низких падениях напряжения у катода. В этом случае катодное падение является не прямой причиной выхода электронов с катода, как при автоэлектронной эмиссии, а косвенной, обеспечивающей выделение около катода необходимой энергии для подогрева катода.

Возможно и совместное существование термической и автоэлектронной эмиссии при нагретом катоде.

Дуга может существовать между металлическими электродами и при холодном катоде. В этом случае имеет место в основном автоэлектронная эмиссия.



Рис. 8.3. Распределение напряжения по длине электрической дуги

Возможен и такой механизм выхода электронов с катода, когда за счет высокой удельной плотности энергии в области околокатодного пространства возникает высокая степень термической ионизации газа. При этом электроны уходят в зону Дуговой плазмы, а положительные ионы, падая на катод, забирают электроны из катода, образуя нейтральные атомы. Таким образом создается электрический ток в цепи. Вполне вероятно, что при холодном катоде имеет место совместное действие автоэлектронной эмиссии и эмиссии за счет термической ионизации в околокатодном пространстве. Следовательно, каким бы ни был механизм освобождения электронов с катода, при всех условиях у катода должна совершаться работа, т. е. выделяться энергия, что и обеспечивается благодаря катодному падению напряжения.

Анодное падение напряжения имеет место в области, непосредственно примыкающей к аноду. Оно не является необходимым условием существования дугового разряда, так как задача анода относительно пассивная -- принимать идущий к нему из зоны плазмы дуги электронный поток. Повышение же напряженности электрического поля у анода является следствием образования у анода пространственного отрицательного заряда из-за недостатка ионов у анода. Анод в дуговом разряде не излучает положительные ионы. Ионы же, возникающие в дуговом столбе, хотя и с небольшой скоростью, движутся к катоду, таким образом непосредственно у поверхности анода образуется преобладание отрицательных зарядов и создается условие для анодного скачка напряжения (анодного падения напряжения). Величина анодного падения напряжения зависит от температуры анода, рода металла и пр. Пришедшие из столба дуги электроны, нейтрализуясь на аноде, освобождают «работу выхода», затраченную ранее на выход электронов из катода. Часто температура анода бывает даже выше, чем температура катода.

Падение напряжения в дуговом столбе U_CT представляет собой произведение напряженности электрического поля Е на длину столба l. Произведение напряженности электрического поля на ток в дуге определяет мощность, подводимую к дуговому столбу из сети на единицу его длины W = Ei.

При установившемся состоянии эта мощность равна мощности, рассеиваемой дугой в окружающее пространство Р, т. е. Р = W.

Рассеивание энергии дуговым столбом идет посредством излучения, теплопроводности и конвекции. При различных условиях гашения дуги в отключающих аппаратах может преобладать тот или иной вид теплоотдачи. Это зависит от величины тока, среды, в которой образуется дуга (различные газы или жидкости), давления, состояния среды (неподвижная или движущаяся) и пр.

Величина напряженности электрического поля в дуговом столбе также существенно зависит от условий, в которых горит дуга, и свойств дугогасящей среды. На практике наблюдается колебание напряженности электрического поля в пределах 10 - 200 В/см. Меньшая цифра относится к открытым дугам в воздухе при относительно больших токах, а большая -- к дугам, находящимся в потоке газов или паров жидкости, когда отбор тепла от дугового столба делается особо интенсивным.

В дуговом разряде с изменением тока меняются радиус дугового столба, температура газа и плотность ионизации. В результате часто получается падающая вольтамперная характеристика, т. е. напряженность электрического поля в дуговом столбе уменьшается с ростом тока, как показано на рис. 8.4 (кривая 1).

Можно получить зависимость между напряженностью электрического поля и током в дуговом столбе. Мощность, поглощаемая дугой, в стационарном состоянии полностью отдается в окружающее пространство. Эту мощность дуга отдает не только с поверхности, как это имеет место у твердого тела, но и всем своим объемом.

Но иногда можно наблюдать, что Е остается постоянной величиной, не зависящей от тока. Это может иметь место когда плотность зарядов в дуговом канале остается величиной постоянной, не зависящей от тока. Такое состояние получается в том случае, когда сечение дуги пропорционально току, текущему через нее. Постоянство напряжения на дуге наблюдается при гашении дуги переменного тока в выключателях, т.е. в условиях интенсивной деионизации дугового канала. Отсюда можно заключить, что в таких дугах сечение канала возрастает пропорционально току и плотность тока сохраняется постоянной.

Рис. 8.4. Вольтамперные характеристики электрической дуги:

Рассмотренные зависимости относятся к статическим вольтамперным характеристикам. Однако при быстром изменении тока в дуге напряжение на ней может довольно существенно отличаться от того, которое имеет место при установившемся значении. Это происходит вследствие того, что процессы в дуговом канале обладают инерционностью и для их установления требуется некоторое время.

Рассмотрим рис. 8.4, а, на котором показано семейство вольт-амперных характеристик для различных скоростей убывания тока. Кривая 1 -- это статическая вольтамперная характеристика, относящаяся к открытой дуге в воздухе. Если от значения i = I ток убывает с различными скоростями, то чем выше скорость спада тока, тем ниже проходит вольтамперная характеристика. Это происходит потому, что при снижении тока такие параметры дуги, как сечение дуги, температура газа и степень ионизации, не успевают быстро измениться и приобрести значения, соответствующие меньшему значению тока при установившемся режиме. В результате напряжение на дуговом столбе может существенно отличаться от значений, определяемых статической характеристикой. Эта серия характеристик при резких скоростях спада тока носит название динамических вольтамперных характеристик.

При бесконечно высокой скорости спада тока к нулю активное падение напряжения на дуге изменяется по прямой 2, так как при очень быстром уменьшении тока в цепи физические свойства канала не успевают сколько-нибудь измениться, т. е. сопротивление канала остается неизменным и, следовательно, напряжение на дуге будет падать прямо пропорционально току. Этот крайний предел -- падающая к нулю прямая -- практически не достижим. Обычно те динамические характеристики, которые получаются в аппаратах отключения при спаде тока, имеют всегда возрастающий характер. Особенно большое отступление от статической характеристики при спаде тока наблюдается в области малых токов, т. е. при подходе тока к нулю (непосредственно перед гашением дуги), что способствует ограничению перенапряжений на выключателе и элементах цепи.

Динамическая характеристика дуги лежит в общем ниже статической, если она соответствует условиям спадания тока от некоторого сравнительно большего значения к меньшему. В другом случае, когда ток цепи не уменьшается, а, наоборот, возрастает независимо от сопротивления дуги, динамическая характеристика дуги в принципе может лежать выше ее статической характеристики.

На рис. 8.4, б представлена динамическая характеристика дуги синусоидального тока. Ее ветви 1 и 2 относятся к первой половине полупериода, когда ток нарастает во времени, а ветви 3 и 4 -- ко второй полуволне, когда ток уменьшается.

Вид статических (и динамических) характеристик определяется многими условиями, в том числе и способом гашения дуги.

Гашение электрических дуг в цепях постоянного тока

При размыкании контактов аппарата, находящегося в цепи постоянного тока, возникает дуговой разряд. Для гашения возникающей дуги постоянного тока обычно стремятся повысить напряжение на дуге (и ее сопротивление) или путем растяжения дуги, или путем повышения напряженности электрического поля в дуговом столбе, а большей частью -- одновременно и тем и другим путями.

Это достигается применением специальных дугогасительных камер в выключающих аппаратах, задача которых состоит в том, чтобы обеспечивать быстрое растяжение дуги и повышение напряжения на ней, с одной стороны, а с другой -- ограничивать распространение порождаемого ею пламени и раскаленных газов в приемлемом объеме пространства.

Казалось бы, что идеальным выключателем постоянного тока будет тот, сопротивление межконтактного промежутка в котором может мгновенно возрастать от нуля до бесконечности. Тогда мгновенно прекращалось бы протекание тока по цепи. Однако для реальных цепей постоянного тока, которые всегда содержат индуктивность L, такой выключатель не пригоден. Дело в том, что запасенная в индуктивной цепи электромагнитная энергия должна куда-то израсходоваться в процессе отключения цепи. Она может уйти, например, на заряд емкости С (рис. 8.5), параллельной дуговому промежутку, и существенно повысить напряжение на ней.

В пределе максимально возможное перенапряжение на емкости определится из равенства энергии:

(8.1)

Для примера возьмем реальные величины:

Тогда

Естественно, что такие большие перенапряжения для низковольтных установок недопустимы. Электрическую цепь следует отключать так, чтобы перенапряжения не превышали тех величин, которые может выдержать без пробоя электрическая изоляция. Такие условия выполняются в рационально сконструированных выключателях с электрической дугой, при гашении которой большая часть электромагнитной энергии цепи превращается в тепловую и рассеивается столбом дуги в окружающую среду. В результате энергия, запасаемая в емкости, и перенапряжения на емкости снижаются. В этом отношении электрическая дуга играет, очевидно, положительную роль.



Рис.8.5.Цепь постоянного тока с электрической дугой.

Для того чтобы уяснить условие угасания дуги в цепи постоянного тока, необходимо сначала выяснить условия стабильного ее горения, На рис. 8.6 показана статическая вольтамперная характеристика дуги Там же приведены величина напряжения источника U_И и вольтамперная характеристика сопротивления цепи

На рис. 8.5 была изображена электрическая цепь постоянного тока с дугой. Принципиально во всех реальных схемах присутствует емкость С (емкости между токоведущими проводами, проводами и землей и т. д.). Но обычно в процессе горения дуги D через С протекают относительно небольшие токи в сравнении с основным током цепи i, и влияние С обычно не учитывается. Это влияние становится заметным в конце процесса гашения дуги, когда ток i приближается к нулевому значению, а напряжение на дуговом промежутке резко возрастает. При таком допущении общее уравнение баланса напряжений для цепи с дугой будет выглядеть следующим образом:

(8.2)



Рис.8.6. Графическая интерпретация условия гашения дуги постоянного тока

В установившемся состоянии при

(8.3)

Для удобства анализа вместо прямой проведем реостатную или внешнюю характеристику . Это будет прямая (рис. 8.6), исходящая из точки на оси ординат и пересекающая ось абсцисс в точке

где установившийся ток в цепи при замкнутом выключателе В, т. е. при U_R = 0.

Нетрудно видеть, что прямая пересекает вольтамперную характеристику дуги " в точках А и Б. В них соблюдается уравнение (8.3). Однако подлинно устойчивое состояние обеспечивается в точке А, так как при меньшем токе мы должны написать

а при токе, большем, чем в точке

В рассматриваемом контуре (см. рис.8.5) величина бU может компенсироваться только за счет э. д. с. самоиндукции (см. соотношение 8.2), т. е. При этом слева от точки А, а следовательно, и, должны быть положительными. Справа же от точки А , следовательно, и, должны быть отрицательными. Это возможно только в том случае, когда слева от точки А ток возрастает, а справа -- убывает. В точке Б это условие равновесия не обеспечивается, так как справа от нее ток возрастает (переходит в точку А), а слева - убывает (дуга угасает), точка Б характеризует собой неустойчивое равновесие.

Таким образом, если разомкнуть цепь при токе I и при этом на контактах установится дуга с напряжением U_л (полагаем, что дуга сразу достигает определенной длины, которой соответствует характеристика U_R = f(i), нанесенная на рис. 8.6), то ток спадет со значения I до и дуга при этом будет устойчиво гореть.

Для обеспечения условий гашения дуги после размыкания контактов необходимо, чтобы вольтамперная характеристика дуги оказалась выше внешней характеристики цепи, т. е. прямой

когда не будет пересечения этих кривых и не возникнет точка А. В этом случае ток в цепи со значения I будет убывать до нуля. Во всем диапазоне изменения тока от I до 0 будет сохранено условие

(8.4)

Весьма эффективным средством, повышающим дугогасящие свойства аппарата и снижающим перенапряжения при отключении цепей постоянного тока, являются шунтирование дугового промежутка активным сопротивлением г (рис. 8.7).

На рис. 8.8 дано построение, позволяющее сделать заключение об эффективности шунтирования дугового промежутка сопротивлением r. Шунтирующее сопротивление r находится под тем же напряжением U_д, что и дуга. Ток в цепи, текущий через индуктивность L и сопротивление R, разветвляется на ток дуги и ток шунта, при этом всегда остается справедливым равенство

Рис. 8.7. Электрическая цепь постоянного тока с дугой, шунтированной активным сопротивлением

Для оценки условий гашения дуги необходимо построить зависимость напряжения на дуге от общего тока, т. е. U_A = f(i), чтобы судить, как ориентируется кривая напряжения по отношению к реостатной характеристике цепи U_и -- iR = f(i). Из рис. 8.8 можно видеть, что (без шунта) кривая напряжения на дуге проходит вблизи прямой почти касаясь ее. Условия гашения дуги здесь соблюдаются, но они близки к предельным, так как даже небольшое понижение характеристики дуги привело бы к устойчивой дуге. Кроме того, пик напряжения на дуге в конце гашения весьма велик, а так же высоко значениет. е. напряжение на индуктивности

Если же мы подключаем к дуговому промежутку сопротивление r, имеющее вольтамперную характеристику в виде прямой общий ток в цепи i должен складываться из токов дуги и шунта, т. е.

Кривая напряжения на дуге в функции общего тока 2 (рис. 8.8) лежит существенно выше, чем кривая напряжения на дуге без шунта 1. Таким образом, процесс гашения происходит значительно быстрее, и наибольший пик напряжения на дуге будет В этот момент дуга гаснет. После этого ток продолжает убывать до момента пересечения прямых (i_ro). Этот ток остается в цепи. Он равен

Для полного разрыва цепи ток i_ro необходимо отключить дополнительным контактом К (рис. 8.5). В этом состоит недостаток метода шунтирования, так как он несколько усложняет коммутационный аппарат.



Рис.8.8. Построение вольтамперной характеристики при шунтировании дуги активным сопротивлением

Аналогичных результатов можно достичь, прибегая к шунтированию индуктивности цепи или всей нагрузки. Однако этот метод имеет недостаток, потому что при включенной цепи через шунт будет непрерывно протекать ток и в нем возникнут значительные потери. При сопоставлении рассмотренных методов можно заключить, что более рациональным является применение шунтов на выключателях.

Как уже было сказано, критическим можно назвать такой режим, когда характеристика U_A = f(i) делается касательной к внешней характеристике цепи. Длину дуги, при которой наступает такой режим, называют критической. При длине, большей критической, дуга всегда гасится, а при меньшей -- возможно устойчивое ее горение.

Лекция №9

Тема лекции:

Горения и гашения дуги переменного тока: в условиях активной деионизации, высокого напряжения, низкого напряжения.

Условия гашения дуг переменного тока

Дуга переменного тока обычно гасится легче, чем дуга постоянного тока. Чтобы погасить дугу постоянного тока, надо насильственно свести к нулю ток цепи путем непрерывного увеличения сопротивления дугового столба (практически до бесконечности). При переменном токе этого делать не требуется: здесь через каждый полу период ток естественным путем проходит через нулевое значение, и надо лишь воспользоваться этим обстоятельством и создать вблизи перехода через нуль такие условия в межконтактном промежутке, чтобы протекание тока цепи вслед за этим переходом не возобновлялось. Поэтому условия гашения дуги переменного тока следует трактовать иначе, чем условия гашения дуги постоянного тока. Исключением может быть лишь открытая дуга переменного тока в установках высокого напряжения, когда определяющим фактором является активное сопротивление сильно растянутого дугового столба. Тогда условия гашения дуги переменного тока по существу становятся близкими к условиям гашения дуги при постоянном токе. В другом крайнем случае сопротивление столба дуги во время ее горения практически не влияет на процесс ее гашения (в условиях активной деионизации), и тогда при определении условий гашения дуги рассматривается взаимозависимость процессов за переходом тока через нуль. Но существует и третий случай, когда при оценке условий гашения дуги надо считаться как с влиянием активного сопротивления столба дуги, так и учитывать характер протекания процессов за нулем тока.

Перейдем к рассмотрению этих трех случаев.

А. Открытая дуга переменного тока при высоком напряжении источника

Открытая дуга переменного тока в моменты перехода тока через нуль сохраняет высокую проводимость, и поэтому в установках высокого напряжения гашение открытой дуги происходит не вследствие перехода через нуль и образования прочности промежутка, а главным образом вследствие растяжения дугового столба и образования на нем высокого напряжения горения (на всем протяжении полупериода). При таком режиме ток в цепи начинает заметно падать за несколько периодов до полного обрыва дуги и причиной его ограничения является возрастание сопротивления канала дуги.

При определенной длине дуги переменного тока напряжение сети оказывается недостаточным для поддержания горения дуги (критическая длина), наступает нарушение баланса мощностей (подводимой и отдаваемой), и ток цепи довольно быстро уменьшается и, наконец, совсем прекращается.

На рис. 9.1 приведена осциллограмма тока и напряжения на дуге переменного тока, возникшей при размыкании ножа разъединителя высокого напряжения.

Рис. 9.1. Осциллограмма тока и напряжения открытой дуги при высоком напряжении источника

В начале процесса, как можно видеть, ток в цепи меняется очень слабо и его величина определяется главным образом сопротивлением цепи. По мере же растяжения дуги доминирующим становится сопротивление дуги.

Таким образом, если в основу анализа процесса гашения открытой дуги переменного тока положить условие нарушения баланса напряжений при горении дуги (но не в нулевые переходы тока), то задача может быть сведена по существу к той же самой, которая возникает и при гашении дуги постоянного тока.

Для этой цели сделаем допущение, что статическая вольтамперная характеристика дуги при постоянном токе отражает зависимость между напряжением на дуге при переменном токе в момент максимума тока от амплитуды тока (амплитудная характеристика). Также предположим, как это мы делаем в случае постоянного тока, что для цепи переменного тока, содержащего только активное сопротивление, можно принять то же условие устойчивости горения дуги, т. е.

(9.1)

где U_m -- амплитудное значение напряжения источника (сети):

амплитуда тока в цепи с дугой;

напряжение па дуге в момент максимума тока

Если так же, как и ранее, предположить, что напряжение при максимуме тока связывается с амплитудой тока уравнением

(9.2)

то критическая длина дуги может быть представлена

гдеамплитудное значение тока в цепи, ограниченного только собственным сопротивлением цепи R (дуговой промежуток замкнут накоротко). Если положить, для воздуха и относительно небольших токов как и ранее, С = 80 и а = 0,5 и выразить ток и напряжение в действующих значениях, то для цепи, содержащей только активное сопротивление (безиндуктивная цепь), получим

(9.2)

где действующее значение критического тока, А;

действующее значение тока цепи при закороченном дуговом промежутке, А;

действующее значение напряжения сети, кВ критическая длина дуги, м При растянутой дуге напряжение на дуговом промежутке приближается к синусоидальному, поэтому для ориентировочных расчетов можно сделать допущение о синусоидальности напряжения на дуге, что позволяет баланс напряжений для цепи содержащей индуктивное сопротивление и сопротивление столба дуги представить так:

(9.3)

Используя опять уравнение вольтамперной характеристики дуги и решая задачу в отношении критической длины дуги и критического тока, получим после подстановки для частного случая С = 80 и а = 0 5 получим'

(9.1)

где ток выражен в амперах; напряжение в киловольтах; l_кр -- в метрах.

Из сопоставления формул можно видеть, что в цепях с индуктивным сопротивлением критический ток и критическая длина дуги имеют более высокие значения по сравнению со значениями этих величин в цепи с чисто активным сопротивлением.

Приведенные формулы не учитывают ряда факторов, имеющих влияние на процесс гашения дуги (расположение электродов, ветровые условия и пр.), и могут служить лишь для ориентировочных расчетов критических токов и критических длин дуг при их угасании в установках высокого напряжения.

Б. Дуга переменного тока в условиях активной деионизации

Если столб дуги переменного тока подвергается интенсивной деионизации, то в этом случае механизм гашения дуги существенно меняется по сравнению с предыдущим (открытая дуга в цепи высокого напряжения). За счет активного воздействия газовой или жидкой среды диаметр дугового канала сокращается (плотность тока повышается) и изменение его следует почти синхронно с током.

При подходе тока к нулю дуговой столб приобретает весьма малые размеры и благодаря этому быстро распадается после достижения током нулевого значения, теряет свою проводимость и приобретает заметную электрическую прочность. В таком случае восстановление дуги в следующий полупериод связано с пробоем межконтактного промежутка. Эти условия характерны для отключающих аппаратов относительно высокого напряжения.

Таким образом, дуга переменного тока в условиях активной деионизации дугового столба представляет собой такое явление, когда при каждом переходе тока через нуль возникает соревнование двух процессов, а именно: процесса восстановления электрической прочности промежутка и процесса восстановления напряжения на промежутке. Исходя из такой трактовки процесса, нетрудно заключить, что для угасания дуги переменного тока при интенсивной деионизации необходимо обеспечить такой режим, при котором электрическая прочность дугового промежутка после достижения током его нулевого значения нарастала бы достаточно быстро и достигала бы достаточного уровня.

На рис. 9.2 показано изменение тока в цепи и напряжения на дуге, подвергающейся интенсивной деионизации, но все же горящей устойчиво в течение нескольких полупериодов. Как видно из этого рисунка, после первого и второго переходов тока через нуль напряжение на дуговом промежутке достигает относительно высоких значений пиков напряжения зажигания U₃, при которых возникает зажигание дуги в последующий период. В процессе протекания тока наблюдается задержка на нуле (ожидание пробоя). Эти задержки в токе на нуле могут быть большей или меньшей величины в зависимости от существующих условий в цепи (сдвига фаз между током и напряжением, величины напряжения, действующего в цепи, постоянных контура L, С и R).

Если обратиться снова к рис. 9.2, можно установить, что после третьего перехода через нуль прекратилось протекание тока по цепи, т. е. дуга погасла, а на межконтактном промежутке выключателя полностью восстановилось напряжение, развиваемое источником (рис. 9.2, а). Сдвиг фаз между током и напряжением при этом принят близким к 90°. Как можно видеть из рисунка, при активной деионизации дуги пики напряжения зажигания ее обычно значительно превосходят по своей величине напряжение горения дуги. Таким образом, в отличие от открытой дуги, напряжение горения U_Д не является определяющей величиной при оценке условий угасания дуги.

Из рис. 9.2 также видно, что при первом переходе тока через нуль пик напряжения на дуге несколько меньше напряжения источника, и дуга легко зажигается вновь. При втором переходе тока через нуль, пик напряжения зажигания дуги несколько превышает напряжение зажигания при первом переходе тока через нуль, но все же дуга зажигается. При восстановлении напряжения на промежутке после третьего перехода через нуль возникают колебания, вследствие чего напряжение на нем существенно превосходит напряжение источника (в данном рассмотрении амплитуду напряжения).

Рис.9.2 .Процессы при гашении дуги переменного тока

Теоретически, если пренебречь пиком гашения дуги и затуханием колебаний (контур без потерь), амплитудное значение восстанавливающегося напряжения на дуговом промежутке может достигнуть двойной величины. При третьем переходе тока через нуль прочность промежутка достигает такой величины, что пик восстанавливающегося напряжения U оказывается недостаточным, чтобы вызвать повторное зажигание дуги, и цепь обрывается окончательно. Напряжение на промежутке в своем переходном режиме совершает ряд колебаний и далее меняется с рабочей частотой.

При оценке жесткости сети обычно подразумевают идеальный выключатель, т. е. полагают, что напряжение на дуге равно нулю, а после перехода тока через нуль сопротивление промежутка становится сразу равным бесконечности. При таком предположении восстановление напряжения на выключателе начинается с нуля, а не с пика гашения, и на затухание восстанавливающегося напряжения оказывает влияние только сопротивление цепи.

Существенно важной величиной при оценке жесткости сетей является коэффициент превышения амплитуды, представляющий собой отношение максимальной величины восстанавливающегося напряжения U_вт к мгновенному значению напряжения источника в момент перехода тока через нуль.

Таким образом, условие гашения дуги переменного тока при активной деионизации промежутка может быть сформулировано следующим образом: если после перехода тока через нуль прочность промежутка нарастает быстрее и остается все время выше, чем восстанавливающееся напряжение на выключателе, то процесс заканчивается угасанием дуги.

При несоблюдении этого условия наступают повторный пробой и восстановление дуги.

В. Дуга переменного тока в условиях отключения цепей низкого напряжения

В установках низкого напряжения (до 1000 в) электрическое сопротивление столба дуги обычно бывает соизмеримым с сопротивлением отключаемой цепи, а напряжение на дуге -- с напряжением источника питания. В таких условиях уже нельзя пренебрегать влиянием напряжения (и сопротивления) дуги, а с другой стороны, -- нельзя не рассматривать явлений на нуле тока, т. е. не учитывать влияния восстановления прочности при переходе тока через нуль.

Общая картина процессов при отключении цепи переменного тока низкого напряжения представлена на рис. 9.3. До момента размыкания контактов аппарата (МРК) по цепи протекал ток I, определяемый в совокупности величинами

В момент t₀ разомкнулись контакты аппарата и начало возрастать сопротивление дугового промежутка R_д и напряжение на нем U_Д.

Увеличивающееся при гашении дуги сопротивление R_д приводит к некоторому уменьшению амплитудных значений тока (I₁,I₂,I₃) по полупериодам и уменьшению сдвига фаз между током цепи i_Д и напряжением источника U_И. Соответствующие углы сдвига фаз, определяемые отрезками времени между моментами перехода через нуль тока дуги и напряжения источника, обозначены через Понятие о сдвиге фаз между током и напряжением относится к синусоидальным явлениям. В процессе гашения электрической дуги в установках низкого напряжения синусоида тока искажается вследствие роста сопротивления дуги. Поэтому понятие о сдвиге фаз здесь носит условный характер. В моменты перехода тока дуги через нуль (точки1 и 2) не создавалось необходимых условий для окончательного погасания дуги за этими переходами и она повторно зажигалась вслед за ними. В момент 3-го перехода тока через нуль такие условия создались, дуга погасла и протекание тока по цепи прекратилось. За этим переходом по цепи может протекать лишь небольшой остаточный ток i_0CT, определяемый так называемой остаточной проводимостью межконтактного промежутка аппарата.

При анализе условий возникновения между контактами выключателя электрической прочности, необходимой для гашения дуги, обычно рассматривают раздельно короткие и длинные промежутки с целью наиболее четкого выявления тех особенностей, которые необходимо использовать при конструировании дугогасительных устройств выключателей, предохранителей, контакторов, разрядников и пр.

В действительности, особенно в аппаратах низкого напряжения, имеют место смешанные процессы, т. е. свойственные и коротким, и длинным дугам одновременно.



Рис.9.3.Характер процессов при отключении цепи переменного тока низкого напряжения

Лекция №10

Тема лекции:

Магнитные усилители (МУ), дроссельный МУ, характеристики и режимы работы. МУ с самоподмагничиванием (МУС). Двухполупериодные схемы МУС

Общие сведения

Бесконтактными электроаппаратами называют устройства, предназначенные для включения, выключения или переключения (коммутации) электрических цепей без физического разрыва цепи.

Основой построения бесконтактных электроаппаратов служат различного рода нелинейные элементы. Главными из них являются нелинейные индуктивности -- ферромагнетик с обмотками и нелинейные активные сопротивления -- полупроводниковые приборы.

Ниже будут рассмотрены выполняемые на базе ферромагнетиков и полупроводниковых приборов некоторые основные элементы (магнитные и полупроводниковые усилители, логические элементы), на базе которых могут быть выполнены различного рода бесконтактные электрические аппараты.

Большинство из рассматриваемых элементов называют усилителями. Блок-схема простейшего усилителя приведена на рис. 10.1, в нем последовательно с напряжением питания включены нагрузка Z„ и управляемое нелинейное сопротивление (L = var, или R = var); эта цепь называется рабочей. Нелинейное сопротивление управляется от специального источника сигнала управления (чаше от источника постоянного напряжения U_y). Цепь, состоящая из источника сигнала управления, сопротивления Z.. и нелинейного сопротивления, называется цепью управления.

С изменением тока цепи управления i_y меняются параметры нелинейного сопротивления и ток в рабочей цепи i_р. В результате оказывается возможным малыми мощностями в цени управления управлять большими мощностями в нагрузке. Усиление происходит за счет мощности источника питания.

Рис. 10.1. Блок-схема усилителя

Если управляемым нелинейным сопротивлением является ферромагнитный сердечник с обмотками (L = var) -- усилитель называется магнитным. Если это полупроводниковый прибор R= var) -- усилитель называется полупроводниковым.

Полупроводниковые усилители питаются от источника постоянного или переменного тока. Магнитные усилители -- от источника переменного напряжения (иногда импульсного, однополярного).

В то время как принцип работы полупроводникового усилителя весьма прост и достаточно поясняется блок-схемой (рис. 6.1), прин_цип работы магнитного усилителя требует специального пояснения.

Дело в том, что при перемагничивании ферромагнитного сердечника на его рабочей обмотке (включенной в рабочую цепь) создается противо-э. д. с, препятствующая протеканию тока в рабочей цепи. Если при этом сердечник достиг насыщения (состояния, при котором резко уменьшается магнитная проницаемость ферромагнетика), противо-э. д. с. на его рабочей обмотке резко падает и практически вовсе не препятствует протеканию рабочего тока, т. е. ферромаг нитный сердечник играет роль дросселя, заслонка которого то закрыта (сердечник перемагничивается и не достиг насыщения), то открыта (сердечник, перемагничиваясь, достиг насыщения). Причем в течение одного полупериода напряжения питания сердечник может одну часть этого полупериода находиться в «непроводящем состоянии» (перемагничивается, не достигнув насыщения), а другую в «проводящем» (достигнув насыщения). Ферромагнитный сердечник, работающий в таком режиме, будем называть дросселем насыщения (ДН). В зависимости от того, какую часть полупериода ДН находится в непроводящем состоянии, а какую -- в проводящем, будет зависеть и величина тока и напряжения на нагрузке. Соотношение проводящих и непроводящих долей полупериода зависит от многих факторов, в частности от величины напряжения питания и, что весьма существенно, от величины постоянной составляющей тока (или напряжения) на какой-либо из обмоток ДН.

ДН, в котором не предусмотрено протекание по обмоткам по-стоянной составляющей тока, называется дросселем насыщения без подмагничивания, а в котором предусмотрено протекание по какой-либо из обмоток постоянной составляющей тока, называется дро& селем насыщения с подмагничиванием.

Магнитные усилители выполняются на дросселях насыщения с подмагничиванием: благодаря разной величине постоянной составляющей тока (или напряжения) изменяется соотношение проводящих и непроводящих долей полупериода и изменяется ток (напряжение) в нагрузке.

Магнитные усилители делятся на две основные группы: дроссельные магнитные усилители и магнитные усилители с самоподмагничиванием.

Дроссельным называют магнитный усилитель, по рабочим обмоткам которого протекает переменный ток (иногда их называют ДН с подмагничиванием).

Магнитным усилителем с самоподмагничиванием (МУС) называют усилитель, по рабочим обмоткам которого протекает однополупериодный выпрямленный ток (или однополярный импульсный), т. е. в МУС по рабочим обмоткам проходит постоянная составляющая тока, и его сердечники можно было бы назвать ДН с самоподмагничиванием.

а) Принцип действия. Магнитный усилитель (МУ) -- это электрический аппарат, предназначенный для усиления электрического сигнала по току, напряжению или мощности. В схеме простейшего дроссельного МУ (ДМУ), называемого дросселем насыщения (рис. 10.2), используется управляемое индуктивное сопротивление. Замкнутый магнитопровод изготавливается из материала с резко выраженной нелинейностью кривой намагничивания B=f(H). Рабочая обмотка переменного тока w_p включается в цепь нагрузки R_H. В обмотку управления w_y подается управляющий постоянный ток I_у. Кривая намагничивания материала магнитопровода дана на рис. 10.3. При прохождении переменного тока по обмотке w_p на обмотке w_y наводится ЭДС. Эта ЭДС будет создавать переменный ток в цепи управления, для ограничения которого включается балластный дроссель Х_б.

Рис. 10.2. Дроссельный МУ на одном магннтопроводе

Рис. 10.3. Изменение индукции В, напряженности Н и тока Iр при Iу = 0 и Iу = Iутах

При отсутствии тока управления (цепь управления разомкнута) индуктивное сопротивление обмотки

(10.1)

где

активное сечение магнитопровода;

число витков рабочей обмотки;

ее индуктивность;

средняя длина магнитной линии в магнитопроводе.

При неизменныхиндуктивность, определяется абсолютной магнитной проницаемостьюПрисостояние магнитопровода характеризуется ненасыщенной зоной 1 (рис. 10.3). В этой зоне магнитная проницаемость велика и индуктивное сопротивление обмотки максимально.

Обычнопоэтому ток в цепи рабочей обмотки определяется только значением,. и имеет минимальное значение, равное. Напряженность магнитного полянаходится по индукции .

Подадим в обмотку управления такой постоянный ток управления I_Уmax, чтобы рабочая зона перешла в область 2. В этой области насыщения материал имеет магнитную проницаемость Индуктивное сопротивление рабочей обмоткирезко уменьшается. Значения выбираются так, что. Тогда ток в цепи определяется только сопротивлением нагрузки. При этом все напряжение источника питания приложено к сопротивлению нагрузкии активному сопротивлению r_р рабочей обмотки

Мы рассмотрели два крайних режима усилителя -- режим холостого хода, когда и ток в нагрузке имеет минимальное значение и режим максимального тока нагрузки. При плавном увеличении токаток нагрузки плавно увеличивается от

до максимального значенияза счет уменьшения магнитной проницаемости. Характеристика управления ДМУ приведена на рис. 10.4. По оси абсцисс отложен ток управления, приведенный к рабочей обмотке

Идеальная характеристика управления 1 является прямой, идущей из начала координат под углом 45° к оси. Реальная характеристика 2 отличается от идеальной наличием тока холостого ходаи плавным переходом от линейной части характеристики к току

В линейной зоне характеристики соблюдается равенство средних значений МДС

(10.2)

Рис. 10.4. Характеристика управления ДМУ

Равенство (10.2) не зависит от колебаний питающего напряжения, сопротивления нагрузки и частоты источника. Данному значению тока управления всегда соответствует единственное значение тока нагрузки Таким образом, ДМУ является управляемым источником тока.

Вследствие низких значений коэффициента усиления и большой массы ДМУ в настоящее время применяются редко, в основном как измерительные трансформаторы постоянного тока и напряжения. В первом случае роль обмотки управления w_y выполняет шина, по которой проходит измеряемый постоянный ток. Под воздействием магнитного потока, созданного током I_у, магнитопроводы 1 и 11 насыщаются (рис. 10.4,а). Рабочие обмотки подключены к источнику переменного напряжения u_Р и создают, магнитные поля с индукцией B_p1 и В_р2. В цепь рабочих обмоток через выпрямительный мост включен измерительный прибор ИП, который является нагрузкой усилителя. Допустим, в рассматриваемый полупериод вектор индукции В_Р1 совпадает по направлению с вектором индукции В_у управляющего поля обмотки w_y, а вектор индукции В_р2 направлен встречно вектору В_у. В результате магнитопровод 1 насыщен и сопротивление обмотки х_р1 переменному току равно нулю, а магнитопровод 11, наоборот, далек от насыщения. Материал магнитопроводов 1 и 11 имеет кривую намагничивания, форма которой близка к прямоугольной. Обозначим через В_s значение индукции насыщения материала магнитопровода. В таком материале при суммарном значении магнитной индукции напряженность поля/ При B>B_Sи, следовательно, и не оказывает влияния на полное сопротивление цепи рабочих обмоток. В магнитопроводе 11, где можно записать

(10.3)

Из этого равенства следует, что токв течение рассматриваемого полупериода повторяет форму тока управления I_у. Так както и токв течение данного полупериода, т.е. принимает прямоугольную форму. В следующий полупериод встречно направлены вектора индукции В_Р1 и By в магнитопроводе 1. Токизменит знак, но сохранит прямоугольную форму. На рис. 10., б показаны временные зависимости тока управления /_у, тока в цепи рабочих обмотоки токапротекающего через измерительный прибор ИП. Мгновенные значения токов связаны равенствомкоторое выполняется и для средних значений

Реальная форма кривой намагничивания материала магнитопроводов отличается от прямоугольной. Поэтому и форма тока i_p не прямоугольна, а в токе i_Н появляются глубокие провалы, что вызывает определенную погрешность измерения.

Рассмотренное устройство может быть использовано и в качестве измерительного трансформатора напряжения постоянного тока. Для этого многовитковая обмотка управления w_у подключается к измеряемому напряжению U через большое добавочное сопротивление (рис. 10.5, в).

Ток в обмотке управления w_y пропорционален напряжению: Для уменьшения потерь в добавочном сопротивлении ток берется малым -- около 10 мА. Измерение этого тока производится так же, как в рассмотренной выше схеме.

Рис. 10.5. Схема трансформатора постоянного тока (а), изменение токов в его обмотках (б) и измерительный трансформатор постоянного напряжения (в)

Усилитель с самонасыщением (МУС)

а) Физические процессы. Если в цепь рабочей обмотки МУ включить диод, то под действием постоянной составляющей выпрямленного тока происходит подмагничивание магнитопровода. Такие усилители называются усилителями с самоподмагничиванием или с самонасыщением (МУС). При рассмотрении такого усилителя (рис. 10.6) примем, что обратное сопротивление диода VD равно бесконечности, а прямое учитывается сопротивлением R_B. В цепи управления включен балластный дроссель Хб для ограничения переменного тока, создаваемого рабочей обмоткой. Полярность напряжения источника, при которой диод проводит ток, примем за положительную, полупериод, при котором ток проходит через нагрузку, назовем рабочим (РП). Процессы, происходящие в МУС, в основном определяются формой динамической петли гистерезиса материала магнитопровода. Динамической петлей гистерезиса материала называется зависимостьВ(Н) при быстром изменении намагничивающего тока. Вследствие магнитной вязкости и вихревых токов в материале процесс перемагничивания замедляется и ширина динамической петли гистерезиса превышает ширину статической петли. Чем больше тем шире петля гистерезиза. Для материала с высокой степенью прямоугольности кривой намагничивания динамическая петля гистерезиса имеет форму параллелограмма (рис. 6.6, о).

Рис. 10.6. Схема однополупериодного МУС

При отсутствии управляющего поля магнитопровод под-магничивается полем, созданным постоянной составляющей тока рабочей обмотки. Под действием этого поля в магнитопроводе устанавливается остаточная индукция В рабочем полупериоде рабочая точка, характеризующая состояние магнитопровода, с ростом тока перемещается по участку 1--3. Так как магнитопровод насыщен, индуктивное сопротивление обмотки w_p равно нулю. Все напряжение источника приложено к активному сопротивлению цепи К концу рабочего полупериода состояние магнитопровода вновь возвращается в точку 1. Таким образом, при отсутствии сигнала управления ток нагрузки в рабочий полупериод

В следующий полупериод диод не пропускает ток и состояние магнитопровода характеризуется точкой 11 (напряжение источника приложено к вентилю и i_Р =0)