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.

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

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.

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.

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.

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.

Гашение дуги высоким давлением

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.

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.

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

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

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Гашение дуги в контакторах постоянного тока

Выше ( рис.37, а ) было показано, что под действием электромагнитной силы F дуга

выдувается в узкую часть дугогасительной камеры 6 ( рис.37, б, нижний рисунок ), длина дуги при этом сильно увеличивается, дуга растягивается. Это увеличивает поверхность теплоотдачи, а значит, охлаждает дугу. Кроме того, часть тепла отбирается у дуги стенка-

ми щели дугогасительной камеры. В результате дуга быстро остывает и гаснет.

Из сказанного следует, что дуга, перемещаясь по поверхности контактов, не успе-

вает сильно нагреть их и на рабочую часть контактов почти не действует. Наиболее силь-

но обгорают верхние, нерабочие части контактов и съёмный дугогасительный рог. Этот рог по мере обгорания заменяют новым.

Гашение дуги в контакторах переменного тока

В контакторах переменного тока основным способом гашения дуги является приме

нение дугогасительных камер с деионной решеткой ( рис. 38 ). Корпус камеры изготовлен из дугостойкого материала – асбестоцемента, керамики и др. ( на рис.38 корпус не пока-

Читайте также:  Способы подставить человека под статью

Рис. 38. Гашение дуги в камере с деионной решеткой: 1 – подвижный контакт, 2 – неподвижный контакт; 3 – стальные пластины ( решетка ), f – электродинамиче-

Такая камера так же, как камера контактора постоянного тока, имеет узкую щель, в верхней части которой устанавливаются омедненные стальные пластины 3, не касающие

ся одна другой. Эти пластины как бы образуют решетку, отсюда название – деионная ре-

шетка. Расстояние между пластинами – не менее 2 мм.

Принцип действия такой камеры состоит в следующем.

Выдуваемая внутрь камеры дуга попадает на изолированные стальные пластины и разбивается на ряд коротких дуг. Каждая из них после этого движется самостоятельно – одна быстрее, другая медленнее. При этом образуются П-образные контуры, в которых электродинамические силы f cтремятся сместить опережающие дуги вверх, а отстающие – вниз. Дуга растягивается, что увеличивает поверхность теплоотдачи, а значит, охлаждает дугу.

Кроме объясненного электродинамического эффекта, в металлической решетке про

исходит электрофизический процесс — деионизация пламени дуги.

Деионизация дуги

Суть процесса деионизации состоит в следующем.

Ионы пламени дуги, соприкасаясь с более холодными стальными пластинами ре-

шетки, объединяются в нейтральные молекулы ( рекомбинируют ). Полной деионизации пламени способствуют высокая теплоемкость и теплопроводность пластин, значительная площадь соприкосновения пластин и пламени и довольно значительный путь, который проходит пламя вдоль пластин.

В контакторах переменного тока, работающих с частыми включениями, деионная решетка не обеспечивает надежного гашения дуги, т.к. в промежутках между включения-

ми пластины решетки не успевают остыть, а ионизированный воздух внутри камеры не успевает приобрести изолирующие свойства. Поэтому для таких контакторов применяют оба способа гашения дуги – магнитное и с помощью деионной решетки.

На переменном токе гашение дуги облегчается тем, что ток периодически принима-

ет нулевые значения. Поэтому дугогасительные решетки на переменном токе действуют намного эффективней, чем на постоянном. Этим и объясняется широкое применение ре-

шеток на переменном токе и ограниченное – на постоянном.

Источник

Способы гашения дуги в коммутационных 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.

Способы гашения дуги в коммутационных аппаратах до 1 кВ:

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.

Рисунок 1 – Удлинение дуги и её охлаждение при расхождении контактов

· Деление длинной дуги на ряд коротких дуг

Если дугу, образовавшуюся при размыкании контактов, разделить на К коротких дуг, 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 частности в автоматических воздушных выключателях.

Рисунок 2 – Дугогасительная решетка: 1 и 2 – контакты, 3 – неподвижные и изолированные друг от друга стальные пластины, 4– дуга

· Охлаждение (гашение) 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) (рис. 3). Благодаря соприкосновению дуги с холодными поверхностями происходят ее охлаждение.

Рисунок 3 – Дугогасительные камеры

Втягивание дуги в узкие щели обычно происходит под действием магнитного поля, взаимодействующего с дугой, которая может рассматриваться как проводник с током, на который действует сила, определяемая по правилу левой руки. Если создать магнитное поле, направленное перпендикулярно оси дуги, то она получит поступательное движение и будет затянута внутрь щели дугогасительной камеры. (рис. 4).

Рисунок 4 – Втягивание дуги в узкие щели под действием магнитного поля

Способ дугогашения с использованием внешнего магнитного поля называется магнитным дутьем.

Внешнее магнитное поле для перемещения электрической дуги в низковольтных аппаратах, например в контакторах (рис.6), может быть получено при помощи: электромагнитов с катушкой, включаемой последовательно с контактами, между которыми возникает электрическая дуга; электромагнитов с катушкой, включаемой на напряжение сети; постоянных магнитов.

На рисунке 5 показана конструкция дугогасительного устройства на основе магнитного дутья.

При протекании тока дуги по катушке 1 ее МДС создает в сердечнике 2 магнитный поток Ф, который выводится из сердечника при помощи пластин 3 (плотно примыкающих к сердечнику, располагаются по обе стороны контактов) в область горения электрической дуги между размыкающимися контактами. Взаимодействие тока дуги с потоком Ф приводит к возникновению электродинамической силы F_ЭДУ, действующей на дугу. Под действием этой силы дуга растягивается, охлаждается и гаснет.

Рисунок 5 – Магнитное дутье

Рисунок 6 – Контактор электромагнитный серии КТ–5043Б предназначен для включения и отключения приемников электрической энергии с номинальным током 400 А и напряжением 380 В

Способы гашения дуги в коммутационных аппаратах свыше 1 кВ:

· 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 (водород и пары масла). Газы с большой скоростью проникают в зону ствола дуги, вызывают перемешивание холодного и горячего газа в пузыре, обеспечивают интенсивное охлаждение дугового промежутка (рис. 7). Также охлаждающую способность газов повышает давление внутри пузыря.

Читайте также:  Нет правильно способа управления

Рисунок 7 – Гашение дуги в масле: 1 – неподвижный контакт; 2 – ствол дуги; 3 – водородная оболочка; 4 – зона газа; 5 – зона паров масла; 6 – подвижный контакт

Охлаждение дуги улучшается, если создать направленное движение газов – дутье (рис. 8).

Дутье вдоль или поперек дуги способствует проникновению газовых частиц в ее ствол, 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).

Рисунок 8 – Газовоздушное дутье (вдоль и поперек дуги)

· Другие способы гашения дуги в аппаратах на напряжение выше 1 кВ

1) Многократный разрыв цепи тока.Отключение большого тока при высоких напряжениях затруднительно. Поэтому в выключателях высокого напряжения применяют многократный разрыв дуги в каждой фазе. Такие выключатели имеют несколько гасительных устройств. Число разрывов на фазу зависит от типа выключателя и его напряжения.2) Гашение дуги в вакууме.Если контакты размыкаются в вакууме, то сразу же после первого прохождения тока в дуге прочность промежутка восстанавливается и дуга не загорается вновь. Это свойство используется в вакуумных выключателях.3) Гашение дуги в газах высокого давления. Воздух при давлении 2 МПа и более обладает высокой электрической прочностью. Более эффективно применение высокопрочных газов, например шестифтористой серы SF₆ (элегаза), обладающего большей электрической прочностью, чем воздух и водород, и лучшими дугогасящими свойствами даже при атмосферном давлении. Элегаз применяется в выключателях, отделителях, короткозамыкателях и другой аппаратуре высокого напряжения.

Источники

Разъединитель

Назначение

Разъединители служат для создания видимого разрыва, отделяющего выведенное из работы оборудование от токопроводящих частей, находящихся под напряжением. Это необходимо, например, при выводе оборудования в ремонт в целях безопасного производства работ.

Разъединители не имеют дугогасительных устройств и поэтому предназначаются, главным образом, для включения и отключения электрических цепей при отсутствии тока нагрузки и находящихся только под напряжением или даже без напряжения.

Требования, предъявляемые к разъединителям

Требования, предъявляемые к разъединителям с точки зрения обслуживания их оперативным персоналом, заключаются в следующем:

· разъединители должны создавать ясно видимый разрыв цепи, соответствующий классу напряжения установки;

· приводы разъединителей должны иметь устройства жесткой фиксации ножей в каждом из двух оперативных положений: включенном и отключенном. Кроме того, они должны иметь надежные упоры, ограничивающие поворот ножей на угол, больший заданного;

· разъединители должны включаться и отключаться при любых наихудших условиях окружающей среды (например, обледенении);

· опорные изоляторы и изоляционные тяги должны выдерживать механические нагрузки, возникающие при выполнении операций;

· главные ножи разъединителей должны иметь блокировку с ножами заземляющего устройства, исключающую возможность одновременного включения тех и других.

Конструкция разъединителей

Устройство высоковольтного разъединителя довольно сложное, но в то же время оно намного проще, чем у силового выключателя такого же напряжения. Рассмотрим примеры их исполнения для оборудования 330 кВ.

Для оперирования каждой фазой разъединителя по отдельности или в комплексе предназначены шкафы управления приводами.

.

На ОРУ–110 кВ безопасная высота расположения разъединителя меньше.

Так лучше их обслуживать, проще и дешевле монтировать. Однако, это требует от обслуживающего персонала, находящегося под введенным в работу разъединителем, повышенного внимания. На практике встречались случаи, когда работники в сырую погоду поднимали вверх косу, сокращая безопасное расстояние до электрооборудования и попадая под напряжение 110 кВ.

Месторасположение разъединителей воздушных ЛЭП 10 кВ на опорах около крытого распределительного устройства с силовыми выключателями подстанции показано на фотографии.

На следующей снимке виден способ управления разъединителем линии 10 кВ с помощью ручного привода. Питающий трансформатор находится рядом.

Разъединители воздушных линий на 6 кВ имеют такое же устройство, как и для линий 10 кВ.

На всех приведенных фотографиях видно, что любой разъединитель состоит из следующих конструктивных элементов:

· силовой рамы, размещенной на безопасной высоте;

· опорных изоляторов, жестко смонтированных на раме по концам образуемого разрыва для каждой фазы;

· контактной системы, обеспечивающей надежное прохождение номинального тока линии и исключающей в разомкнутом состоянии подачу напряжения на участок, выделенный для обслуживания;

· системы управления перемещением ножей.

У разъединителей, используемых для цепей с напряжением 110 кВ и выше, контактная система выполнена из двух подвижных полуножей, которые разводятся в противоположные стороны. В остальных конструкциях чаще используется один подвижный нож, вводимый в неподвижно закрепленный контакт.

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Источник