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

Электромагнитные аппараты, которые коммутируют электрическую цепь с током, должны не только разрывать цепь, но и гасить дугу, возникшую между контактами. Для ускорения разрыва электрической дуги и смещения ее с поверхности контактов применяют дугогасительные камеры в электрических аппаратах. В низковольтных аппаратах применяют два способа гашения дуги: магнитный и диионный. При магнитом гашении контакты помещены внутри дугогасительной камеры, которая изготавливается из дугостойкого изоляционного материала. С обеих сторон дугогасительная камера охвачена стальными щеками, которые крепятся к стальному сердечнику электромагнита. На сердечник намотана дугогасительная катушка.

При размыкании контактов между ними образуется дуга, а вокруг нее магнитное поле. Катушка намотана таким образом, что ее магнитное поле ослабляет магнитный поток над дугой и усиливает под ней. В результате этого дуга сдувается вверх, растягивается, охлаждается и быстро гаснет внутри узких щелей дугогасительных камер.

При диионном гашении дуги над контактами, помещенными внутри дугогасительной камеры, располагается решетка из стальных пластин толщиной 2 мм. Для уменьшения коррозий пластины покрывают медью, расстояние между пластинами 3 мм. При размыкании контактов, образовавшаяся между ними дуга потоком воздуха выдувается к верху и попадая в зону металлических пластин, растягивается и быстро гаснет. Диионное гашение дуги позволяет уменьшить размеры дугогасительной камеры, широко применимо в аппаратах переменного тока. В плавких предохранителях применяют гашение дуги при помощи высокого давления, создаваемого самой дугой в плотно закрытых камерах. Для гашения дуги в высоковольтных аппаратах применяют следующие способы:

1. Гашение дуги в жидкости. Для этого применяют трансформаторное масло или другой жидкий диэлектрик. Контакты выключателей помещают в камеры заполненные маслом.
2. Гашение дуги воздушным дутьем. Дуга образованная при размыкании контактов обдувается воздухом под высоким давлением.
3. Гашение дуги в вакууме. Контакты помещены в камеры заполненные вакуумом, который обладает высокими изоляционными и дугогосящими свойствами.
4. Гашение дуги в элегазе. Для этого в высоковольтный аппарат вместо воздуха закачивают элегаз.

Originally posted 2019-03-20 21:44:16. Republished by Blog Post Promoter

Источник

Высоковольтные предохранители, назначение, устройство и принципы гашения дуги.

Высоковольтный предохранитель – это защитный однополюсный аппарат, обеспечивающий автоматическое однократное отключение высоковольтной цепи при коротком замыкании. Автоматическое отключение цепи происходит за счет расплавления специально предусмотренной в предохранителе плавкой вставки под действием протекающего тока, превышающего определенное значение. Возникающая при этом электрическая дуга гасится специальным дугогасительным устройством. Перед следующим включением цепи необходимо заменить перегоревшую плавкую вставку в предохранителе на исправную. Эта операция производится вручную. Высоковольтные предохранители характеризуются: номинальным напряжением – Uном; номинальным током — Iном. пред.; номинальным током плавкой вставки – Iном. вст.; номинальным током отключения – Iном. откл.. Изготавливаются они на напряжение до 110 кВ, номинальные токи до 400 А и токи отключения до 40 кА. Плавкие вставки к предохранителям выпускаются на токи от 2 А до 400 А с шагом при- мерно равным 1,6. В нормальном режиме работы цепи, когда по предохранителю протекает ток, не превышающий значения номинального тока плав- кой вставки (Iном. вст.), тепло, выделяемое в ней, передается в окружающую среду и температура всех частей предохранителя не превышает допустимую (100-105ºC). При увеличении тока в цепи выше Iном. вст. температура вставки возрастает. При некотором токе, называемом минимальным током плавления (Iпл.), вставка расплавляется. Возникающая электрическая дуга гасится в дугогасительной среде, и цепь оказывается отключенной. Чем больше ток превышает Iпл., тем быстрее расплавляется плавкая вставка.

В зависимости от способа гашения дуги и конструктивных особенностей предохранители могут быть с наполнителем и автогазовым гашением.

Предохранители с наполнителем.

В установках 3-110 кВ для защиты силовых и измерительных трансформаторов, асинхронных короткозамкнутых двигателей, косинусных конденсаторных батарей широко применяются 63 предохранители с мелкозернистым наполнителем (кварцевым песком). Предохранители серии ПК имеют металлическое основание с изоляторами, контактную систему с зажимами для присоединения токоведущих частей цепи, патрон с плавкой вставкой. Патрон предохранителя ПК представляет собой фарфоровую (стеклянную) трубку, армированную по концам латунными колпачками. Внутри трубки размещается плавкая вставка из меди или серебра. Для обеспечения нормальных условий гашения дуги плавкая вставка должна иметь значительную длину и малое сечение. Это достигается применением нескольких параллельных вставок, намотанных на ребристый керамический сердечник или выполненных спирально. Чтобы уменьшить температуру плавления вставок, на них в нескольких местах напаяны оловянные шарики. Патрон со вставкой засыпается кварцевым песком, закрывается торцевыми крышками и запаивается герметически. На нижней крышке патрона имеется указатель срабатывания. Он состоит из втулки с пружиной, натянутой тонкой стальной проволокой-вставкой. При перегорании медных плавких вставок перегорает и стальная, пружина освобождается и выскакивает из втулки наружу, сигнализируя, что предохранитель сработал. Возникающая при перегорании вставки дуга горит в узком извилистом канале и, соприкасаясь с сыпучим песком, хорошо охлаждается и гаснет за время 0,005-0,007 с. Возникающие при этом перенапряжения могут быть значительными. Чтобы ограничить их величиной 3-4 Uф, плавкие вставки выполняют из проволок, имеющих по длине 2-3 разных сечения. В отдельных конструкциях кварцевых предохранителей для этого могут устанавливаться вспомогательные вставки с искровыми промежутками.

Предохранители с автогазовым гашением.

Предохранители с автогазовым гашением дуги предназначены для наружной установки в РУ10, 35 и 110 кВ. Обычно они применяются для защиты трансформаторов комплектных трансформаторных подстанций. Предохранители с автогазовым гашением дуги марки ПВТ состоят из основания, двух изоляторов, верхней контактной головки, патрона, наружного коммутирующего механизма с контактным подпружиненным ножом. Верхняя контактная головка смонтирована на верхнем опорном изоляторе и представляет собой стальную трубу с устройством для удержания патрона и линейным выводом. Патрон предохранителя состоит из соединенных между собой винипластовой трубки и оголовника. Внутри патрона находится токопровод, состоящий из двух электродов, со- единенных плавкой вставкой; отключающая пружина с гибкой связью. Внутренний токопровод в рабочем состоянии закрепляется в оголовнике при помощи пробки, а с другого конца фиксируется штифтом. Плавкая вставка включает в себя два контакта, натяжной элемент из нихромовой проволоки, плавкий элемент, выполненный из медной спирали. При протекании тока КЗ или тока перегрузки плавкая вставка разрушается, между контактами возникает дуга. Возникающая дуга растягивается, поскольку отключающая пружина перемещает электрод, а пружина контактного механизма – электрод в противоположные стороны. Под действием высокой температуры дуги ма- териал дугогасительного канала разлагается с образованием большого количества газов. Внутри дугогасительного канала возникает давление (до 10-20 МПа), и создается поперечно-продольное дутье через канал патрубка и нижнее отверстие патрона. Дуга быстро гасится. Под действием контактной пружины контактный нож поворачивается, вытягивая электрод II из патрона и обеспечивая тем самым видимый разрыв электрической цепи. Гашение электрической дуги сопровождается выбросом раскаленных газов вниз под углом и резким звуком. В этой связи предохранители ПВТ еще называют стреляющими. Их устанавливают в ОРУ так, чтобы в зоне выхлопа не находились электрические аппараты.

7. При проектировании и эксплуатации электрических сетей промышленных предприятий приходится иметь дело с различными видами их нагрузок: по активной мощности P, по реактивной мощности Q и по току.

Кривая изменения активной, реактивной и токовой нагрузки во времени, называется графиком нагрузкипо активной, реактивной мощностям и току соответственно.

Графики нагрузок дают возможность определить некоторые показатели, необходимые при расчетах нагрузок, и более рационально выполнить систему электроснабжения.

При проектировании и эксплуатации систем электроснабжения промышленных предприятий основными являются три вида нагрузок:

а) активная мощность P;

б) реактивная мощность Q;

В расчетах систем электроснабжения промышленных предприятий используются следующие значения электрических нагрузок:

а) средняя нагрузка за наиболее загруженную смену – для определения расчетной нагрузки и расхода электроэнергии;

б) расчетный получасовой максимум активной и реактивной мощности – для выбора элементов систем электроснабжения по нагреву, отклонению напряжения и экономическим соображениям;

в) пиковый ток – для определения колебаний напряжения, выбора устройств защиты и их уставок.

Построение годового графика.На основании суточного графика строится годовой график по продолжительности. Т_max и τ_max определяются по формулам: Т_max= (ч) , τ_max=(0,124+ ) 2 *8760 (ч). Суточный график активной нагрузки перестраивается в годовой график нагрузки по продолжительности:

Площадь годового графика нагрузки по продолжительности – это количество потребленной за год промышленным предприятием электрической энергии(W_год). Число часов использования максимальной нагрузки (Tmax) – это такое время, в течение которого через электрическую сеть, работающую с максимальной нагрузкой, перердавалось бы такое же количество электроэнергии, которое передается через нее в течение года по действительному графику нагрузки. τ_max – время максимальных потерь, т.е. время, в течение которого электрическая сеть, работая с неизменной максимальной нагрузкой, имеет потери электроэнергии, равные действительным годовым потерям.

Основные коэффициенты, применяемые при расчете электрических нагрузок

Коэффициент использования – основной показатель для расчета нагрузки – это отношение средней активной мощности отдельного приемника (или группы их) к её номинальному значению.

(1)

Коэффициентом включения приемникаk_В–называется отношение продолжительности включения приемника в цикле t_В ко всей продолжительности цикла t_ц. Время включения приемника за цикл складывается из времени работы t_ри времени холостого хода t_х:

(3)

Коэффициентом включения группы приемников, или групповым коэффициентом включения K_В, называется средневзвешенное (по номинальной активной мощности) значение коэффициентов включения всех приемников, входящих в группу, определяемое по формуле:

(4)

Коэффициентом загрузкиk_з,априемникапо активной мощности называется отношение фактически потребляемой им средней активной мощности P_С,В (за время включения t_В в течение времени цикла t_ц) к его номинальной мощности:

(5)

Групповым коэффициентом загрузкипо активной мощности называется отношение группового коэффициента использования к групповому коэффициенту включения:

(6)

Коэффициентом максимумаактивной мощности называется отношение расчетной активной мощности к средней нагрузке за исследуемый период времени. Исследуемый период времени принимается равным продолжительности наиболее загруженной смены.

(8)

Коэффициентом спроса по активной мощности называется отношение расчетной (в условиях проектирования) или потребляемой P_n (в условиях эксплуатации) активной мощности к номинальной (установленной) активной мощности группы приемников:

8. Дуговые печи косвенного действия, применяемые преимущественно для плавки меди и ее сплавов, являются весьма простыми в обслуживании.

Дуговые печи косвенного действия применяют почти исключительно для переплавки цветных металлов ( иногда чугуна), поэтому температуры в них значительно меньше. Кроме того, в них производят лишь расплавление и перегрев металла без шлака. Поэтому их футеровку можно выполнять из шамота и лишь при выплавке чугуна футеровка должна быть из динаса. Дуга в этих печах горит только между электродами, поэтому ее режим спокойнее. С другой стороны, футеровка дуговой печи косвенного действия находится по, прямым воздействием излучения дуг, что требует дополнительных мер для ее равномерного нагрева, особенно в конце плавки. Для этого в современных печах применяют качание корпуса печи, благодаря чему нагретые части футеровки периодически омываются ( и тем самым охлаждаются) расплавленным металлом, более холодным, чем футеровка.

Конструктивно дуговая печь косвенного действия представляет собой цилиндрический или бочкообразный футерованный кожух, уложенный горизонтально двумя кольцевыми ободами на четыре роликовые опоры. Через отверстия в торцовых стенках по продольной оси в печь входят два угольных или графитизиро-ванных электрода, между которыми горит электрическая дуга. В боковой стенке печи имеется окно, через которое производятся загрузка шихты и слив расплавленного металла.

В печах косвенного нагрева очаг высокой температуры удален от поверхности металла на некоторое расстояние и на поверхность металла первоначально попадает лишь часть тепла, излучаемого дугой. Значительная его часть достигает поверхности металла после отражения от стен и свода, поэтому футеровка печи испытывает большие тепловые нагрузки. Низкая стойкость футеровки ограничивает возможность проведения в таких дуговых печах процессов, требующих нагрева металла свыше 1300—1400° С, и не позволяет применять их для плавления тугоплавких металлов. В черной металлургии такие дуговые печи иногда используют в небольших литейных цехах для расплавления чугуна.

Источник