Министерство образования и науки Российской Федерации

КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра электроснабжения промышленных предприятий

Производство электроэнергии

Конспект лекций

для студентов дневной формы обучения специальности

140211  Электроснабжение

Лекция 5

Электрические аппараты и токоведущие части

главных схем ТЭС

(3 часа)

Краснодар

2010

5 Электрические аппараты и токоведущие части главных схем ТЭС

5.1 Высоковольтные выключатели

5.1.1 Электрическая дуга в высоковольтных выключателях

При отключении высоковольтного выключателя необходимо не только разомкнуть контакты, но и погасить дугу, возникшую между ними.

В дуге различают (рисунок 5.1):

1) около­катодное пространство (К);

2) ствол дуги (СД);

3) околоанодное пространство (А).

Все напряжение распределяется между областями: U_K, U_СД и U_A.

а  распределение напряжения U

б  распределение напряженности Е

Рисунок 5.1  Распределение напряжения и напряженности

в ста­ционарной дуге постоянного тока

В ДУГЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА катодное падение напряжения 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. Суть ее заключается в том, что электроны, вырванные из катода силами электричес­кого поля (автоэлектронная эмиссия) или за счет нагрева катода (термоэлектронная эмиссия), разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать один элек­трон с оболочки нейтрального атома, то произойдет ионизация. Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги. Проводимость плазмы близка к проводимости металлов:  = 2500 1/(Омсм). В стволе дуги проходит большой ток и создается высокая температура. Плотность тока может достигать 10000 А/см² и более, а температура  от 6000 К при атмосферном давлении и до 18000 К и более при повышенных давлениях.

Высокие температуры в стволе дуги приводят к интенсивной термоионизации, которая поддерживает большую проводимость плазмы.

Термоионизация  процесс образования ионов за счет соударения молекул и атомов, обладающих большой кинетичес­кой энергией при высоких скоростях их движения.

Чем больше ток в дуге, тем меньше ее сопротивление, поэтому требуется меньшее напряжение для горения дуги  дугу с большим током погасить труднее.

ПРИ ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ напряжение источника питания u_C и ток в цепи i ме­няются синусоидально (рисунок 5.2,а), причем ток отстает от напряжения примерно на 90° (при индуктивном характере цепи).

В начале полупериода тока напряжение u_Д на дуге, горящей между контактами выключателя, возрастает до величины на­пряжения зажигания u_З, затем, по мере увеличения тока в дуге и роста термической ионизации, уменьшается.

В конце полупериода, когда ток приближается к нулю, дуга гаснет при напряжении гашения u_Г. В следующий полупериод явление повто­ряется, если не приняты меры для деионизации промежутка.

Если дуга погашена, то напряжение между контактами выключателя должно восстановиться до напря­жения питающей сети. Однако поскольку в цепи имеются индуктив­ные, активные и емкостные сопротивления, возникает переходный процесс, появляются колебания напряжения (рисунок 5.2,б), ампли­туда которых u_в,mах может значительно превышать нормальное напря­жение. Для отключающей аппаратуры важно, с какой скоростью восстанавливается напряжение на участке АВ.

В цепях переменного тока ток в дуге каждый полупериод про­ходит через нуль (рисунок 5.2), в эти моменты дуга гаснет само­произвольно, но в следующий полупериод она может возник­нуть вновь. Как показывают осциллограммы, ток в дуге стано­вится близким к нулю несколько раньше естественного перехо­да через нуль (рисунок 5.3,а), поскольку при сни­жении тока энергия, подводимая к дуге, уменьшается, уменьшается температура дуги и прекращается тер­моионизация. Длительность бестоковой паузы t_П невелика (от десятков до нескольких сотен микросекунд), но играет важную роль в гашении дуги. Если разомкнуть контакты в бестоковую паузу и развести их с достаточной скоростью на такое расстоя­ние, чтобы не произошел электрический пробой, то цепь будет отключена очень быстро.

а  момент горения дуги

б  после гашения дуги

Рисунок 5.2  Изменение тока и напряжения

при гашении дуги переменного тока

Во время бестоковой паузы интенсивность ионизации сильно падает, так как не происходит термоионизации. В коммутацион­ных аппаратах, принимаются искусственные меры охлаждения дугового пространства и уменьшения числа заряжен­ных частиц. Процессы деионизации приводят к постепенному увеличению электрической прочности промежутка u_ПР (рисунок 5.3,б).

Электрическая прочность промежутка – напряжение, при котором происходит его электрический пробой.

Резкое увеличение электрической прочности промежутка пос­ле перехода тока через нуль происходит главным образом за счет увеличения прочности околокатодного пространства (в цепях пе­ременного тока 150250 В). Одновременно растет восстанавлива­ющееся напряжение u_В. Если в любой момент u_ПР > u_В промежуток не будет пробит, дуга не загорится вновь после перехода тока че­рез нуль. Если в какой-то момент u'_ПР = u_В, то происходит повтор­ное зажигание дуги в промежутке.

а  погасание дуги при естественном переходе тока через нуль

б  рост элек­трической прочности дугового промежутка при

переходе тока через нуль

Рисунок 5.3  Условия погасания дуги переменного тока