Практическое занятие Электрическая дуга и способы её гашения
план-конспект урока
Практическое занятие на тему "Электрическая дуга и способы её гашения" проводится при изучении по МДК 01.04 «Электрическое и электромеханическое оборудование» профессионального модуля ПМ.01 «Организация простых работ по техническому обслуживанию и ремонту электрического и электромеханического оборудования» для специальности 13.02.11 «Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям)». Тема достаточно сложная. Но изучение её помогает разобраться в работе коммутационных аппаратов, как низковольтных, так и высоковольтных
Скачать:
| Вложение | Размер |
|---|---|
 prakticheskoe_zanyatie_elektricheskaya_duga_i_sposoby_eyo_gasheniya.docx | 318.12 КБ |
Предварительный просмотр:
Практическое занятие Электрическая дуга и способы её гашения
Цель: изучить процесс возникновения дуги, способы её гашения и устройство дугогасительных аппаратов
Краткие теоретические сведения.
Размыкание электрической цепи при наличии в ней тока сопровождается электрическим разрядом между контактами. Образование дуги при размыкании медных контактов возможно уже при токе 0,4-0,5А 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. 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. Около катода наблюдается высокая напряженность электрического поля (105-106 В/см). При таких высоких напряженностях происходит ударная ионизация. Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги. |
Высокие температуры в стволе дуги приводят к интенсивной термоионизации, которая поддерживает большую проводимость плазмы. Она близка к проводимости металлов [γ= 2500 1/(Ом×см)].
В стволе дуги проходит большой ток (плотность – более 10кА/см2) и создается высокая температура (от 6000 К при атмосферном давлении до 18000 К и более при повышенных давлениях).
Зависимость падения напряжения на стволе дуги от тока – это вольтамперная характеристика дуги. Напряжение, соответствующее началу дугового разряда, называется напряжением зажигания дуги uз. С ростом тока напряжение на дуге уменьшается.
Рис.2. Вольтамперные характеристики дуги | Для каждого значения тока в какой-то момент времени установится равновесное состояние, когда ионизация будет равна деионизации. Электрическое сопротивление дугового промежутка и падение напряжения на нем станут постоянными, не зависящими от времени. Такой режим носит название статического, а кривая 1, характеризующая этот режим, - статической характеристики дуги. Если уменьшать ток в дуге от I0 до нуля и при этом фиксировать падение напряжения на дуге в зависимости от тока, то получим ряд кривых 2, лежащих ниже кривой 1. При медленном изменении тока процесс будет происходить по статической характеристике. При мгновенном изменении тока до нуля, получим прямую 3. |
Вольтамперные характеристики дуги, полученные при быстром изменении тока до нуля, называют динамическими. Соответствующее этим характеристикам напряжение, при котором дуга гаснет, называется напряжением гашения uг. Если падение напряжения на дуге uд характеризует дуговой промежуток как проводник, то напряжения uз и uг характеризуют изоляционные свойства промежутка - они означают напряжения, которые необходимо приложить при данном состоянии промежутка, чтобы возбудить в нём электрическую дугу.
Способы гашения электрической дуги
Задача гашения дуги сводится к созданию таких условий, чтобы электрическая прочность промежутка между контактами uпр была больше напряжения между ними uв.
Диффузия - процесс выноса заряженных частиц из дугового промежутка в окружающее пространство. Это уменьшает проводимость дуги.
При особых условиях - очень малых токах и напряжениях, разрыве цепи переменного тока в момент перехода тока через нуль и некоторых других - расхождение контактов может произойти без электрического разряда. Такое отключение называется безыскровым разрывом.
Чтобы погасить дугу постоянного тока, необходимо создать такие условия, при которых в дуговом промежутке при всех значениях тока от начального до нулевого процессы деионизации превосходили бы процессы ионизации.
Условия гашения дуги переменного тока
При переменном токе напряжение источника питания ucд меняется синусоидально, так же меняется ток в цепи i, причем ток отстает от напряжения примерно на 90°. Напряжение на дуге uд, горящей между контактами выключателя, при малых токах 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.
Рис. 3. Изменение тока и напряжения при гашении дуги переменного тока в цепи с индуктивной нагрузкой. | Для отключающей аппаратуры важно, с какой скоростью восстанавливается напряжение на участке АВ. Дуговой разряд начинается за счет ударной ионизации и эмиссии электронов с катода, а после зажигания дуга поддерживается термоионизацией в стволе дуги. Процесс нарастания напряжения между контактами отключаемого аппарата может носить различный характер в зависимости от параметров коммутируемой цепи. |
Если дуга погашена, то напряжение между контактами выключателя должно восстановиться до напряжения питающей сети - uз (точка А). Однако поскольку в цепи имеются индуктивные, активные и емкостные сопротивления, возникает переходный процесс, появляются колебания напряжения (рис. 3), амплитуда которых Uв max может значительно превышать нормальное напряжение.
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. Для облегчения условий гашения дуги в цепь отключаемого тока вводятся активные сопротивления.
При переменном токе ток в дуге необходимо создать условия, при которых ток не восстановился бы после прохождения через нуль. Для этого можно:
снизить температуру дуги при переходе тока через нуль
создать условия, при которых падение напряжения на дуге превосходило бы напряжение сети
использовать околоэлектродные падения напряжения.
Технические решения:
- гашение открытой дуги в магнитном поле;
- гашение электрической дуги высоким давлением;
- гашение электрической дуги в масле;
- гашение электрической дуги воздушным дутьём;
- гашение дуги в дугогасительной решётке;
- использование контактной системы с тиристорным блоком бездугового отключения.
3. Способы гашения дуги в коммутационных аппаратах до 1 кВ.
1. Удлинение дуги при быстром расхождении контактов: чем длинее дуга, тем большее напряжение необходимо для ее существования. Если напряжение источника окажется меньше, то дуга гаснет.
2. Деление длинной дуги на ряд коротких дуг.
Напряжение на дуге складывается из катодного Uк, 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. 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.
3. 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.
4. Движение дуги в магнитном поле (магнитное дутьё). 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.
В радиальном магнитном поле дуга получит вращательное движение. Магнитное поле может быть создано постоянными магнитами, специальными катушками или самим контуром токоведущих частей
Быстрое вращение и перемещение дуги способствует ее охлаждению и деионизации.
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 |
4. Основные способы гашения дуги в аппаратах выше 1 кВ.
В коммутационных аппаратах свыше 1 кВ дополнительно применяются способы гашения дуги:
1. Гашение дуги в масле.
В масляных выключателях контакты размыкаются в масле, однако вследствие высокой температуры дуги масло разлагается и дуговой разряд происходит в газовой среде. (рис. 5, 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. Один грамм масла дает приблизительно 1500 см3 газа, приведенного к комнатной температуре и атмосферному давлению.
Гашение дуги в масляных выключателях происходит наиболее эффективно при применении дугогасительных камер, которые ограничивают зону дуги, способствуют повышению давления в этой зоне и образованию газового дутья сквозь дуговой столб.
2. Газовоздушное дутье.
Рис. 5. Газовоздушное дутьё | Охлаждение дуги улучшается, если создать направленное движение газов - дутье. Дутье вдоль или поперек дуги 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.
В выключателях высокого напряжения применяют многократный разрыв дуги в каждой фазе. 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.
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.
| а – распределение напряжения по разрывам масляного выключателя; б – емкостные делители напряжения; в – активные делители напряжения. |
Рис. 6. Распределение напряжения по разрывам выключателя (2 разрыва на фазу) | |
Так как С2 значительно больше C1, то напряжение U1 > U2. Для выравнивания напряжения параллельно главным контактам выключателя (ГК) включают емкости или активные сопротивления. Их значения 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 (электрический газ). Это инертный газ, плотность которого превышает плотность воздуха в 5 раз. Электрическая прочность элегаза в 2—3 раза выше прочности воздуха; при давлении 0,2 МПа электрическая прочность элегаза сравнима с прочностью масла. В элегазе при атмосферном давлении может быть погашена дуга с током, который в 100 раз превышает ток, отключаемый в воздухе при тех же условиях. Молекулы элегаза улавливают электроны дугового столба и образуют относительно неподвижные отрицательные ионы. Потеря электронов делает дугу неустойчивой, и она легко гаснет. В струе элегаза поглощение электронов из дугового столба происходит еще интенсивнее.
В элегазовых выключателях применяют автопневматические дугогасительные устройства, в которых газ в процессе отключения сжимается поршневым устройством и направляется в зону дуги. Элегазовый выключатель представляет собой замкнутую систему без выброса газа наружу. Он применяется в выключателях, отделителях, короткозамыкателях и другой аппаратуре высокого напряжения.
Ход работы
Задание 1. Начертите и объясните вольтамперную характеристику дуги.
Задание 2. Начертите схему классификации способов гашения электрической дуги.
Задание 3. Перечислите виды дугогасительных устройств
Задание 4. Изучите дугогасительное устройство контактора КТ60, начертите его конструкцию и опишите способ гашения дуги в этом коммутационном аппарате
Задание 5. Изучите дугогасительное устройство вакуумного выключателя BB-TEL, начертите его конструкцию и объясните способ гашения дуги
Контрольные вопросы
- Дайте определение электрической дуги.
- Опишите процесс возникновения электрической дуги.
- Назовите условия, которые надо создать для гашения дуги в цепи постоянного тока.
- Какие условия требуются для гашения дуги в цепи переменного тока?
- Какое отключение называется безыскровым разрывом?
- Как происходит гашение дуги её делением на короткие дуги в аппаратах до 1000В?
- В чём особенность многократного разрыва цепи тока в высоковольтных аппаратах?