1. Определения понятия электрический аппарат, классификация электрический аппарат, общие сведения.

Электрический аппарат - это электротехническоеустройство, которое используется для включения и отключения электрических цепей. Контроля, измерения, защиты, управления и регулирования электроустановок предназначенных для производства, преобразования, передачи и потребления электрической энергии.Понятие промышленный аппарат обхватывает очень большой круг промышленных и бытовых аппаратов.

Классификации по назначению - основной функции выполняемых аппаратов.

По этому признаку они могут быть подразделены на следующие группы:

1)коммутационный аппарат - предназначены для включения и отключения электрической цепи, к ним можно отнести разъединители, отделители, переключатели, рубильники, выключатели нагрузки и выключатели высокого и низкого напряжения.

2)аппараты защит - предназначены для защиты электрических цепей от ненормальных(аварийных) режимов работ. Пример: перегрузка, КЗ и прочее.

К этой группе относят предохранители высокого и низкого напряжений, различного рода реле.

3)пуск регулирующий аппарат - предназначены для управления электроприводами и другими промышленными потребителями электроэнергии. Пример: для двигателя это пуск, остановка, реверс, регулирование частоты вращения. К этой группе относят: электромагнитные контактеры, пускатели, реостаты и прочее.

4)ограничивающий аппарат - предназначен для ограничения токов короткого замыкания(реакторов) и ограничивание величины перенапряжения(разрядников).

5)контролирующий аппарат - предназначены для контроля заданных электрических и не электрических параметров(датчики)

6)регулирующий аппарат - предназначены для автоматической и непрерывной стабилизации и регулирования заданных электрических и не электрических параметров(стабилизаторы, регуляторы).

7)измерительный аппарат - предназначен для изоляции цепей первичной коммутации(первичных сетей, питающих сетей, силовых сетей) от вторичных цепей(цепей измерительных приборов релейной защиты). К этой группе относят измерительные трансформаторов тока и напряжений.

8)аппараты предназначенные для выполнения механической работы(подъемные удерживающие электромагниты, электромагнитные тормоза)

2. Электрический аппарат как правило состоит из трех элементов: воспринимающего, преобразующего и исполнительного.

По принципу действия воспринимающего элемента аппараты подразделяются:

1)электромагнитные 2)магниты электрические 3)индукционные 4)электродинамические 5)поляризованные 6)полупроводниковые 7)тепловые 8)электронные 9)магнитные

По принципу действия исполнительного элемента:

1)контактные2)без контактные

В пределах одной группы или типа различают:

1)по напряжению(высокого(более 1 кВт) и низкого(до 1 кВт))

2)по роду тока(постоянного, переменного тока промышленной частоты 50 Гц, переменного тока повышенной частоты более 50 Гц)

3)по величине тока(слаботочные до 5А, сильно точные свыше 5А)

4)по режиму работы(продолжительный режим s1, кратковременного режима s2, повторно кратковременного s3)

5)по времени срабатывания(безиннорционные до 3 мс, быстродействующие от 3 до 5 мс, нормального исполнения от 50 до 100 мс, замедленного исполнения от 150 мс до 1 с, реле времени более 1 с)

6)по способу управления(автоматические и не автоматические(ручного управления))

7)по роду защиты от окружающей среды(в открытом исполнении, в защищенном, водозащищенном, взрывозащищенном)

Основные требования предъявляемые к электрическим аппаратам(по мимо исполняемой ими функции):

1)при нормальном режиме работы, температура токоведущих частей не должна превышать допустимого(значений нормировнаных ГОСТами и правилами устройствами электроустановок)

2)аппараты должны выдерживать в течении определенного времени термическое воздействие токов КЗ без каких либо деформации препятствующих их дальнейшему использованию

3)-//- электродинамических токов КЗ -//-

4)контакты электрических аппаратов должны быть способны многократно включать и выключать нормальные рабочие токи, те аппараты должные показывать высокую износостойкость

5)изоляция аппарата должна быть рассчитана с учетом возможных перенапряжении возникающих в процессе эксплуатации с некоторым запасом учитывающим ее старение.

3. Электрические контакты, определения, общие сведения, классификацию.

Электрический контакт - это место перехода тока из одной контакт-детали в другую.

Контакт-деталь - это токоведущая деталь осуществляющая контакт(соприкосновение) с другой токоведущей деталью. Предназначены для включения отключений электрической цепи(коммутации).

Контакты бывают: неразъемные(болтовое соединение двух шин); скользящие(реостат); коммутирующие(соприкосновением и разрывом друг от друга)

По форме:

1)точечные(контакт между одной к-д происходит в одной точке(небольшой области)), при точечном контакте, контактные нажатия небольшие и могут быть использованы драгоценные металлы для уменьшения сопротивления контакта, использование драгоценных металлов позволяет избежать окислов контактов и следовательно увеличения сопротивления; На малые токи контакты применяются точечные.

2)линейный контакт - контактирование происходит в доль одной линии, в этом случае можно создать большую степень нажатия, эти контакты выполняются так, что цилиндры во время контактирования перемещаются по плоскости и окислы стираются, следовательно можно применять более дешевые металлы, даже образующие окислы, удаление окислов при перемещении снижает величину сопротивления.

3)поверхностный - это контактирование между двумя поверхностями, применяются при больших токах, создается высокая степень нажатия, благодаря чему в некоторых местах поверхность очищается от окислов.

4. По конструктивному исполнению контакты рассчитанные на средние и большие токи делятся на группы:

1)рычажные - в них применяются проскальзование подвижного контакта по неподвижному, для стирания окислов, в качестве материала контакта применяется медь.

2)мостиковый - контакт осуществляется в месте соприкосновения двух сфер, применяются для прямоходовых магнитных систем, в качестве материала используются серебро и его сплавы, для удешевления драгоценные металлы напыляются на некую более дешевую подложку.

3)врубные - один контакт или оба контакта входят в друг друга. Применяются в низковольтной аппаратуре, материал медь.

4)роликовый - предназначены для токосъема с движущихся контакт деталей

5)торцевые - контактирование осуществляется по плоскости, контакт имеет большое переходное сопротивление и используется преимущественно как дугогаситель

6)двухступенчатый контакт - содержат главные контакты и дугогасящие контакты. Используется при коммутации больших токов. При включении или замыкании электрической цепи сначала замыкаются дугогасящие контакты, а потом главные. При отключении(размыкании) сначала размыкаются главные контакты, а потом дугогасящие.

К основным параметрам контактных соединений относят:

1)раствор - это наименьшее расстояние между полностью разомкнутыми контактами, величина раствора определяется условием гашения электрической дуги, родом и величиной тока.

2)провал - это расстояние которое проходит подвижный контакт, после первого соприкосновения с неподвижным до полной остановки. Провал существует за счет деформации. Наличие провала позволяет скомпенсировать износ контакта(износ), поэтому чем больше провал, тем больше срок службы контактов, но это и требует более мощную систему приводящей контакт в движение.

3)контактное нажатие - это сила сжимающая к-д в месте их соприкосновения. Различают: начальное контакт нажатие, в момент первого соприкосновения контактов; конечное контакт нажатие, при полностью выбранном провале.

Начальное контакт нажатие Р0=С*delta L1 Конечное контакт нажатие Рк=Р0+С*delta L2

Где С жесткость контактной пружины, дельта L – величина первоночального сжатия.

5. Переходное сопротивление контактов во включенном(замкнутом) состоянии.

Существование переходного сопротивление контактов связано с наличием окислов пленок на поверхностях контактов, а так же с тем фактором, что при соприкосновении к-д контактирование происходит не по идеальной поверхности, а в отдельных точках.

Рассчитывается по следующей форме Rк=Км/0,102*Рк^m

Км - коэффициент зависящий от материала контакта

Рк - величина конечного контакт нажатия

RК - переходное сопротивление

m - показатель степени зависящий от формы контакта 0.5 для точечных, от 0.5 до 0.8 для линейных и 1 для поверхностных

Из формулы видно что переходное сопротивление контактов зависит от е величины контактного нажатия, чем оно больше тем сопротивление меньше.

6. Переходное сопротивление контактов так же зависит от температуры, при увеличении температуры сопротивление увеличивается.

Переходное сопротивление зависит от состояния поверхности контакта. Шлифовка контактной поверхности увеличивает переходное сопротивление, при шлифовке бугорки на поверхности материала становятся более пологими и их смятие(дифформация) затрудняется, что уменьшает величину овала и снижает значение контактного нажатия. Контакты сильноточных аппаратов должны зачищаться только крупно зернистыми напильниками, но не наждачной.

Наличие переходного сопротивления приводит к тому, что в зоне электрического контакта, происходит выделения тепла по закону Джоуля-Ленца.

Знание величины переходного сопротивления может быть использовано при точном расчете токов КЗ. Переходное сопротивление включается в схему замещения на ряду с сопротивлениями линии, трансформаторов, реакторов и прочих элементов.

7. Ru - характет конт

При увеличение тока через контакт, увеличивается падение напрежения через контакт Uк=I*Rк

Следовательно растет температура контактной площадки, а это в свою очередь растет температура контакт площадки, а это в свою очередь увеличивает переходное сопротивление контактов.

8. Работа силовых коммутирующих контактов в силовых режима.

А)включение цепи - при включении электрических аппаратов в их контактных системах могут иметь место следующие процессы: 1)вибрация к-д; 2)эрозия на поверхности к-д, в результате образования электрического разряда между ними.

Описание вибрации.

При включение контактора его электромагнит воздействует на контактный рычаг 2 перемещение которого или поворот, приводит к соприкосновению подвижного контакта 1 и неподвижного контакта 4. В момент соприкосновения контактов, происходит удар в результате которого контакты деформируются(сминаются) и контакт 1 отбрасывается от неподвижного контакта 4. Между контактами образуется зазор и под воздействием приложенного напряжения происходит электрический разряд, в частности говорят о возгорании электрической дуги. Движение контакта 1 в право прекратиться тогда, когда энергия полученная им при ударе, перейдет в энергию сжатия пружины 3. После этого под действием пружины контакт 1 начнет перемещаться в лево произойдет новый удар и новый отброс контакта 1. Возникает колебательный процесс(который называют вибрацией) и процесс вибрации закончиться, когда затухнет энергия колебательного контура. Энергия удара и энергия сжатия пружины полностью пойдет на деформацию и на нагрев частей колебательного контура. Контакты 1, 4 пружины 3 и контактный рычаг.

При вибрации контактов происходит многократное образование(зажигание) электрической дуги. Это приводит к сильному износу контакт детали из-за оплавления и распыления материалов поверхности этих контактов. В связи с износом контактов уменьшается усилия нажатия их нажатия во включенном состоянии, следовательно повышается переходное сопротивление.

Описание эрозии. В процесс включения по мере приближения подвижного контакта к неподвижному возрастает напряженность электрического поля между ними. При определенном расстоянии между контактами, произойдет пробой межконтактного зазора. В аппаратах низкого напряжения пробой возникает при очень малом расстояний между контактами(сотые доли мм). Электрическая дуга при этом не возникает. Так как расстояние между контактами мало и подвижный контакт продолжает двигаться, быстро замыкает промежуток и электрическая дуга просто не успевает возникнуть. При прробое межконтактного зазора электроды бомбардируют контакт с положительным потенциалом(анод) и его материал переходит на катод(контакт с отрицательным потенциалом) откладываясь на нем в виде различных образований. Износ контактов в результате переноса материалов с одного контакта на другой называется физическим износом или эрозией. Эрозия при замыкании контактов не велика, но в аппаратах низкого напряжения при малых контактных нажатиях и малых межконтактных зазоров, она может привести к свариванию контактов.

В аппаратах высокого напряжения при сближении контактов пробой происходит при больших расстояниях между контактами. Успевает возникнуть электрическая дуга, она горит относительно долго, что тоже может привести к свариванию контактов. Особенно велика вероятность сваривания при включении на существующие КЗ.

9. контакты во включенном состоянии

В этом режиме следует различать два случая: 1) через контакты проходит длительный номинальный ток; Для надежной работы контактов, необходимо что бы при номинальном токе, падение напряжения на контактах не превышало падения напряжения соответствующего рекристализации

2) через контакты происходит кратковременный ток КЗ.

Прохождение длительного номинального тока. Прохождение токов КЗ.

При КЗ ток через контакты превосходит номинальный в десятки и сотни раз и за малой постонной времени нагрева контакты очень быстро нагреваются и свариваются. Поэтому при больших токах от 2 кА и выше может применяться жидкостное охлаждение контактов. Жидкостное охлаждение более эффективно, чем атмосферное при нормальном давлении.

10.отключение контактов

В процессе размыкания контактов, контактное нажатие уменьшается, переходное сопротивление возрастает, увеличивается выделение теплоты, растет температура точек касания. В момент разъединения контактов они могут нагреться до температуры плавления между ними возникнет мостик из жидкого металла, при дальнейшем расхождении контактов мостик разрывается и в зависимости от параметров от параметров отключаемой цепи, возникает дуговой либо тлеющий разряд.

Высокая температура при горении электрической дуги приводит к оплавлению и распылению материалов контактов. Все это влечет за собой износ контактов. Так же при горении дуги происходит перенос материалов с анода на катод, т.е. эрозии.

Для борьбы с эрозией и износом контактов в аппаратах на токе до 600 А:

1)сокращает длительность горения дуги с помощью дугогасительных устройств

2)устраняет вибрации контактов при включении применяют

3)дугостойкие материалы контактов

11. К материалу контактов предъявляются следующие требования:

• высокие электрическая проводимость и теплопроводность;

• стойкость против коррозии в воздухе и других газах;

• стойкость против образования пленок с высоким удельным соротивлением;

• малая твердость для уменьшения необходимой силы нажатия (во же время для уменьшения механического износа при частых вклюениях и отключениях хорошо иметь высокую твердость);

• малая эрозия;

• высокая термостойкость (температура плавления);

• большие значения тока и напряжения, возникающих при обраовании электрической дуги;

• простота обработки, низкая стоимость.

Рассмотрим свойства некоторых контактных материалов.

Медь. Положительные свойства контактов из меди: высокие элекрическая проводимость и теплопроводность, достаточная твердость, простота технологии изготовления, низкая стоимость. К недостаткам следует отнести низкую температуру плавления. Кроме того, при работе на воздухе контакты из меди покрываются слоем прочных окислов, имеющих высокое сопротивление, что требует довольно больших

ил нажатия. Для защиты меди от окисления поверхность контактов покрывают электролитическим способом слоем серебра толщиной 0 ... 30 мкм. Медь используется для изготовления плоских и круглых шин, контактов аппаратов высокого напряжения, контакторов, автоматических выключателей и др. Вследствие низкой термостойкости меди нежелательно ее применение в аппаратах, отключающих цепь с образованием мощной дуги и имеющих большое число включений в час.

Серебро. Положительные свойства контактов из серебра: высокие электро- и теплопроводность, малая механическая прочность пленки окисла серебра, в результате чего пленка быстро разрушается при нагреве контактной точки. Контакт из серебра устойчив, благодаря малой механической прочности для него достаточны малые

нажатия. Устойчивость, малое переходное сопротивление являются характерными свойствами контактов из серебра. В то же время малая термостойкость и недостаточная твердость серебра препятствуют использованию серебряных контактов в аппаратах с образованием мощной дуги, а также работающих при частых

включениях и отключениях. Серебро применяется в реле и контакторах при токах до 20 А. В аппаратах на большие токи (вплоть до 10 кА) из него изготовляют

главные контакты, работающие без дуги.

Алюминий. Этот материал имеет достаточно высокие электрическую проводимость и теплопроводность. Благодаря малой плотности токоведущая часть круглого сечения из алюминия, рассчитанная на такой же ток, что и медный проводник, имеет почти на 4 % меньшую массу. Это позволяет снизить массу аппарата. Недостатки контактов из алюминия: образование на воздухе и в активных средах пленок с высокой механической прочностью и высоким сопротивлением, низкая термостойкость (температура плавления алюминия значительно меньше, чем у меди и серебра) , малая механическая прочность. Кроме того, при контакте алюминия с медью образуется пара, подверженная сильной электрохимической коррозии. В связи с этим при соединении с медью алюминий необходимо покрывать тонким слоем меди электрохимическим путем либо оба металла следует покрывать серебром. Алюминий и его сплавы (дюраль, силумин) применяют главным образом для изготовления шин и конструкционных деталей аппаратов.

Вольфрам. Положительными свойствами контактов из вольфрама являются высокая термостойкость, большая стойкость против эрозии, сваривания. Высокая твердость вольфрамовых контактов позволяет применять их в аппаратах, работающих с частыми включениями и отключениями. К недостаткам контактов из вольфрама относятся высокое удельное сопротивление, малая теплопроводность, образование прочных

оксидных и сульфидных пленок. В связи с высокой механической прочностью и образованием пленок вольфрамовые контакты требуют большого нажатия.

В реле на малые токиснебольшим нажатием применяются стойкие против коррозии материалы: золото, платина, палладий и др. Металлокерамические материалы. Анализ свойств рассмотренных металлов показывает, что ни один из них не удовлетворяет полностью всем требованиям, предъявляемым к материалу разрывных

контактов. Основные свойства контактного материала - высокие электрическая проводимость и термостойкость - не могут быть получены и за счет сплавов серебра и вольфрама, меди и вольфрама, поскольку указанные металлы сплавов не образуют. Материалы, обладающие необходимыми для контактов свойствами, получают методом порошковой металлургии (металлокерамики). Физические свойства металлов при изготовлении металлокерамических контактов сохраняются. Термостойкость керамике придают такие металлы, как вольфрам , молибден. Для получения низкого переходнаго сопротивления кон-

12.

Образование электрической дуги в электрических аппаратах

При размыкании электрических цепей в электрических аппаратах, выключателей, контакторов, разъединителей. Обычно на этих контактах возникает дуговой разряд если величины тока и напряжения превосходят некоторые критические значения.

Электрическая дуга - это явление прохождения электрического тока через газ, которые под действием различных факторов ионизируются.

В дуговом разряде различают три характерные области(если мы говорим о цепи постоянного тока).

1)Околокатодная область 2)ствол дуги 3)околоанодная область

Температурная центральной части дуги в электрических аппаратах может достигать от 6 до 18000°С. Плотность тока в околокатодной области очень велика от 100 до 1000 А на мм^2.Известно четыре основных пути появления в дуговом промежутке электрических зарядов: термо и автоэлектронная эмиссии, ударная и термическая ионизации. Термоэлектронная эмиссия - это явление испускания электронов из раскаленной поверхности катода. После разрыва жидкого металлического мостика на катоде образуется пятно, которое является основанием дуги. Под действием высокой температуры электроны получают энергию, для преодоления потенциального барьера и выскакивают с поверхности электрода(катода) в пространство. И под действием сил электрического поля электроны двигаются от катода к аноду, возникает электрический ток, зажигается дуга. Количество свободных электронов в результате термоэлектронной эмиссии относительно не велико и этот процесс служит для разжигания дуги, то есть является инициатором для ее возникновения, но для поддержания горения этого процесса не достаточно. Автоэлектронная эмиссия - это явление испускания электронов из катодов, под действием сильного электрического поля. Этот процесс тоже незначительный и может служить только началом развития дугового разряда. Таким образом возникновение дугового разряда обеспечивается термо и автоэлектронной эмиссиями. Ионизация - это процесс появления в дуговых промежутках свободных электрических зарядов, то есть электронов и положительных ионов. Горение электрической дуги поддерживается термической и ударной ионизациями. Термическая ионизация - процесс ионизации под воздействием высокой температурой. Это значит, что в нейтральных атомах электроны получают энергию и срываются со своих орбит, получается свободный отрицательный заряд. Температура ствола дуги достигает до 1000° под действием этой температуры возрастает число и скорость движения заряженных частиц. Свободные электроны соударяясь с нейтральными атомами выбивают из них электроны, то есть появляются новые свободные заряды, это и называется ударной ионизацией. По сколько горение дуги поддерживается под действием ионизации, то для гашения дуги необходимо использовать процессы дионизации.

Два основных процесса дионизации межконтактного промежутка:

1)рекомбинация - процесс образования нейтральных атомов при соударении электронов и положительных ионов(результат охлаждения столба дуги).

2)диффузия - процесс выноса заряженных частиц из дугового промежутка в окружающее пространство, что уменьшает проводимость дуги, увеличивая сопротивление(вынос заряженных частиц с помощью магнитного поля).

13.

ВАХ дуги постоянного тока.

Основной характеристикой электрической дуги является ее вольт амперная характеристика, то есть зависимость падения напряжения на дуге от величины тока через дуговой промежуток. ВАХ дуги постоянного тока имеет падающих характер, то есть с увеличением тока, падение напряжения на дуге уменьшается, так как сопротивление дуги уменьшается обратно пропорционально квадрату тока. С ростом тока увеличивается температура дуги усиливается термическая ионизация, увеличивается количество свободных зарядов, что эквивалентно уменьшению электрическому сопротивлению. Падение напряжения на дуге зависит не только от величины ток, но и от скорости его изменения. При медленном изменении тока, процессы ионизации и дионизации успевают следовать за изменениями тока, ВАХ снятые при таких условиях носит название статическое. При быстром же изменении количество зарядов в дуговом промежутке не успевает придти в соответствие с величиной тока(из-за инерционности тепловых процессов в столбе дуги). И напряжение на дуге будет уже не таким, как при медленном изменении тока. Характеристику дуги для такого случая называют динамеческой.

14. Распределение напряжения по длине дуги постоянного тока.

Катодное падение напряжение сосредоточено на очень не большом участке непосредственно прилегающем к катоду около 0,001 мм при нормальном давлении. Зависит от материала катода и свойств газов, в котором горит дуга.

Uk=10-20 В, Ek=10^5 В/см

Анодное падение напряжения имеет место в области непосредственно примыкающей к аноду, оно не является необходимым условием существования дугового разряда, так как задача анода относительна пассивна принимать поток электронов. Величина анодного падения напряжения зависит от температуры анода, металла из которого он сделан и прочее.

Uk=5-10 В, Ek=10^4 В/см

Падение напряжение в дуговом столбе.

Главная составляющая падения напряжения Ucm=Ed*l, Ed=10-20 В/см.

Величина напряженности электрического поля в дуговом столбе существенно зависит от условий в которых горит дуга и от свойств дугогасящей среды.

Меньшее значение относится к открытым дугам в воздухе при относительно больших токах, а большее к дугам находящимся в потоке газов или паров жидкости, когда отбор тепла от дугового столба делается особо интенсивным.

Аналогичный сдвиг ВАХ происходит при увеличении давления среды межконтактного промежутка.

Так же на ВАХ влияет охлаждение дуги, чем интенсивней происходит охлаждение, тем больше от нее отводиться мощности, при этом для сохранения баланса должна возрастать мощность выделяемая дугой, при заданном токеэто возможно за счет увеличения падения напряжения на дуге.

Таким образом с ростом охлаждения ВАХ дуги так же поднимается. Этим широко пользуются в дугогасящих устройствах коммутационных аппарато

15.Условие горения и гашения дуги цепи постоянного тока.Чтобы погасить дугу постоянного тока необходимо создать такие условия, при которых бы процесс дионизации превосходил процесс ионизации. При уменьшении тока уменьшается выделение тепла в столбе дуги, ослабевает процесс термической ионизации, то есть уменьшается количество зарядов в дуговом промежутке, что эквивалентно увеличению сопротивления.

Для гашения дуги наша ВАХ должна подняться выше реостатной.

Способами гашения дуги будут увеличение длины дуги, плотности среды в дуговом промежутке, усиление охлаждения.

16.

Перенапряжение при отключении дуги в цепях постоянного тока.

Напряжение на контактах в момент достижения током нулевого значения называется напряжением гашения дуги. При мгновенном значении тока равном i=0 выражение для баланса напряжения примет вид U=Uгаш+Ldi/dt

Так как при гашении дуги падение напряжения на индуктивности отрицательно(ток все время уменьшается) Ldi/dt<0 Uгаш=U+|Ldi/dt|

Получается что в момент гашения дуги напряжение на контактах больше напряжения источника, это явление называетсяперенапряжением или коммутационным перенапряжением.

Для оценки перенапряжения вводят понятия коэффициенты оценки перенапряжения k=Uгаш/U=1+|Ldi/dt|/U.

Как видно из формул величина перенапряжения будет тем больше, чем больше индуктивность отключаемой цепи ичем выше скорость изменения тока.

Скорость спада тока зависит от скорости роста сопротивления дугового промежутка, те от скорости его деионизации. В быстродействующих коммутационных аппаратах выключающих цепь за сотую долю секунду di/dt велико и поэтому величина перенапряжения может в десятки раз превышать напряжение источника, при этом изоляция как самого электрического аппарата, так и элементов отключаемой им цепи, подвергается опасным перегрузкам.

Во избежание пробоя изоляции и выхода электрооборудования из строя необходимы специальные меры и средства защиты от перенапряжения(установка разрядников).

Энергия дуги.

Результаты различных опытов показывают, что для всех аппаратов с дугогасящими устройствами доля энергии поступающая в дугу от источника питания составляет всего лишь 3-5% от общего количества, остальная часть приходиться на электромагнитную энергию отключаемого контура из-за наличия индуктивности в цепи. Энергия выделяемая в дуге частично тратиться на поддержание температуры разряда и частично отдается окружающему пространству. Для погашения дуги необходимо чтобы ее температура уменьшалась, при этом энергетический баланс должен быть отрицательным:

Количество энергии подводимое к дуге должно быть меньше количества теплоты отводимого от дуги, за счет охлаждения(отрицательный энергетический баланс).

Чем больше индуктивность и ток в подключаемой сети, тем труднее погасить дугу.

Электрическая дуга в цепи переменного тока.

Горение и гашение дуги в цепи переменного тока при отключение активной нагрузки.

При промышленной частоте 50 Гц ток в дуге меняется достаточно быстро и происходящие в ней процессы необходимо рассматривать с помощью динамической ВАХ.

Рисунок дин. ВАХ дуги.

При синусоидальном токе напряжение на дуге сначала поднимается до точки 1, затем движется по участку 1 - 2 этот участок похож на статистическую ВАХ для цепи постоянного тока, затем после прохождения тока через максимум 2, динамическая ВАХ опускается и проходит через точку 3, затем напряжение на дуге быстро падает до нуля, в отрицательный полупериод процесс повторяется.

При высокой частоте динамическая ВАХ описывается кривыми 4 и 5. Изменения тока на столько быстрые, что точки 1, 2, 3 сливаются в одну.

Зависимость тока и напряжения на дуге во времени представлены на следующем рисунке.

1-падение напряжения на дуге при частоте 50 Гц

2-падение напряжения на дуге при большой частоте

18.

Рассмотрим отключение цепи с чисто активной нагрузкой cos(f)=1

Пусть контакты аппаратов начали размыкаться в точке (а) МРК-момент размыкания контактов, при этом между контактами загорается дуга. К концу половины периода из-за уменьшения тока i и воздействия дугогасящего устройства наблюдается увеличение сопротивление дугового промежутка и подъем напряжения на дуге uд при подходе тока i к 0 к дуге подводиться малая мощность температура ее уменьшается, что приводит к замедлению термической ионизации и увеличению степени деионизации, все это приводит к погосанию дуги в точке о.

Резкий подъем наряжения на дуге к концу полупериода ведет к тому, что ток обрывается до своего естественного прохождения через нуль.

После погосания дуги, дуговой промежуток не прекращается мгновенно в изоляционный, по скольку температура его еще великаи в дуговом промежтке есть свободные заряженные частицы. Напряжение при котором дуга гаснет, называет напряжением или пиком гашения.

В процессе гашения дуги число заряженных частиц в области дугового промежутка уменьшается и после гашения дуги сопротивление промежутка резко возрастает, при этом возрастает и так называемая электрическая прочность промежутка, те напряжение при котором происходит пробой промежутка. После прохождения напряжения источника через нуль, оно меняет знак и начинает расти по закону синусоиды. Электрическая прочность промежутка возрастает при этом не с нуля, а со значения соответствующего точке а1. Это значение называется начальной прочностью промежутка. Начальная прочность и дальнейший рост электрической прочности зависит от свойств дугогосящего устройства и скорости расхождения контактов. Чем эффективнее действует дугогасящее устройство, тем больше начальная прочность и тем круче идет последующее нарастание электрической прочности.

Рассмотрим случай когда возрастание электрической прочности идет по кривой а1 б1. В момент времени т1 кривая прочности пересекает кривую напряжения на источнике. В этой точке произойдет пробой в межконтактном промежутке и дуга загорится вновь. Напряжение при котором зажигается дуга, называется напряжением зажигания. Поскольку ток в первой половине синусоиды возрастает, то согласно ВАХ дуги напряжение падает. После прохождения тока максимального значения он падает и следовательно напряжение возрастает. При больших токах из-за сильной термической ионизации кривая напряжения на дуге будет иметь горизонтальный участок. В начале и конце полупериода присутствуют пики зажигания и гашения. Напряжение появляющееся на контактах после прохождения тока через нуль называется восстанавливающимся, его величина зависит от напряжения источника и параметров отключаемой цепи(соотношение активных и реактивных сопротивлении). В данном случае при чисто активной цепи восстанавливающееся напряжение будет совпадать с напряжением источника. В точке о' дуга опять гаснет и происходят процессы описанные ранее. В момент подхода тока к нулю дуга будет иметь более высокую температуру, чем при зажигании и поэтому пик гашения на дуге, всегда меньше пика зажигания. К моменту о' в следствие расхождения контактов длина дуги возрастает. Из-за увеличения длины дуги увеличивается интенсивность отвода тепла от дуги, в результате начальная прочность промежутка и дальнейший ее рост будут больше, чем в предыдущий период гашения, увеличивается и время безтоковой паузы. Однако и в момент времени о' окончательного гашения дуги не происходит и в точке т' дуга загорается вновь. Из-за возросшей длины дуги, поскольку контакты дуги продолжают расходиться, напряжение зажигания будет большим чем в предыдущем периоде. Окончательное гашение дуги происходит в точке о'' из-за возросшей длины дуги начальное значение прочности увеличилось и электрическая прочность восстанавливается по кривой а3 б3. Электрического пробоя не происходит, дуга окончательно гаснет.

Если бы дугогасительное устройство было бы более эффективно и вместо кривой а3 б3, была бы кривая а2 б2, то дуга погасла после первого прохождения нуля.

В эффективно-работающих дугогасительных устройствах после возникновения дуги, ее сопротивление так быстро возрастает, что ток в цепи уменьшается за счет этого увеличения сопротивления и не достигает своего амплитудного значения, такой процесс называется процессом стока ограничений.

19.

Горение и гашение дуги в цепи переменного тока при отключении индуктивной нагрузки.

Рассмотрим процесс гашения дуги в цепи с большой индуктивностью cos(f)<0,1

В МРК дуга загорается и напряжение на дуге меняется так же как на предыдущем рисунке. В точке о дуга гаснет. Благодаря процессу деионизации в дугогасительном устройстве диэлектрическая прочность восстанавливается по кривой а1. К промежутку при этом прикладывается восстанавливающееся напряжения Uв. Данный случай принципиально отличается от предыдущего по скольку в момент погасания дуги в точке о напряжение на источнике близко в амплитудному. Поэтому восстанавливающееся напряжение растет с большой скоростью. В точке С восстанавливающееся напряжение становиться выше электрической прочности и происходит пробой, дуга загорается вновь. Дуга горит еще пол периода и снова гаснет в точке о'. Напряжение восстанавливается по кривой U'в, а электрическая прочность восстанавливается по кривой a' 1'. В точке с' снова происходит пробой, дуга загорается вновь. В точке о'' дуга снова гаснет и снова начинается процесс восстановления напряжения по кривой U''в и нарастание электрической прочности по кривой a'' 1''. По скольку длина дуги увеличилась, контакты начинают расходиться то кривая электрической прочности а'' 1'' становиться выше кривой U''в. Пробоя не происходит дуга гаснет. Восстанавливающееся напряжение при этом может превысить напряжение источника, те происходит перенапряжение, а потом оно затухает до величины напряжения источника.

При гашении дуги переменного тока одним из решающих факторов является восстанавливающееся напряжение. Для погашения дуги с ростом скорости восстановления напряжения необходимо увеличивать скорость нарастания электрической прочности. В противном случае либо увеличивается длительность горения дуги, либо аппарат не сможет погасить дугу и отключить цепь. Избежать этого можно: увеличением скорости нарастания электрической прочности, снижением скорости восстановления напряжения. Второй способ используется чаще и для снижения скорости восстановления напряжения используется низкоомные и высокоомные шунты.