Горения и гашения дуги переменного тока

Лекция №9.

Тема лекции:

9. Горения   и гашения дуги   переменного  тока:   в условиях активной деионизации, высокого напряжения, низкого напряжения.

УСЛОВИЯ ГАШЕНИЯ ДУГ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Дуга переменного тока обычно гасится легче, чем дуга постоянно­го тока. Чтобы погасить дугу постоянного тока, надо насильственно свести к нулю ток цепи путем непрерывного увеличения сопротивле­ния дугового столба (практически до бесконечности). При перемен­ном токе этого делать не требуется: здесь через каждый полу период ток естественным путем проходит через нулевое значение, и надо лишь воспользоваться этим обстоятельством и создать вблизи пере­хода через нуль такие условия в межконтактном промежутке, чтобы протекание тока цепи вслед за этим переходом не возобновлялось. Поэтому условия гашения дуги переменного тока следует трактовать иначе, чем условия гашения дуги постоянного тока. Исключением может быть лишь открытая дуга переменного тока в установках вы­сокого напряжения, когда определяющим фактором является актив­ное сопротивление сильно растянутого дугового столба. Тогда усло­вия гашения дуги переменного тока по существу становятся близки­ми к условиям гашения дуги при постоянном токе. В другом крайнем случае сопротивление столба дуги во время ее горения практически не влияет на процесс ее гашения (в условиях активной деионизации), и тогда при определении условий гашения дуги рассматривается вза­имозависимость процессов за переходом тока через нуль. Но сущест­вует и третий случай, когда при оценке условий гашения дуги надо считаться как с влиянием активного сопротивления столба дуги, так и учитывать характер протекания процессов за нулем тока.

Перейдем к рассмотрению этих трех случаев.

А. Открытая дуга переменного тока при высоком напряжении источника

Рекомендуемые материалы

Открытая дуга переменного тока в моменты перехода тока через нуль сохраняет высокую проводимость, и поэтому в установках высокого напряжения гашение открытой дуги происходит не вслед­ствие перехода через нуль и образования прочности промежутка, а главным образом вследствие растяжения дугового столба и обра­зования на нем высокого напряжения горения (на всем протяжении полупериода). При таком режиме ток в цепи начинает заметно падать за несколько периодов до полного обрыва дуги и причиной его ог­раничения является возрастание  сопротивления канала дуги.

При определенной длине дуги переменного тока напряжение сети оказывается недостаточным для поддержания горения дуги (критическая длина), наступает нарушение баланса мощностей (подводимой и отдаваемой), и ток цепи довольно быстро уменьша­ется и, наконец, совсем прекращается.

На рис. 9.1 приведена осциллограмма тока и напряжения на дуге переменного тока, возникшей при размыкании ножа разъедини­теля высокого напряжения.

Рис. 9.1.  Осциллограмма  тока и напряжения от­крытой дуги при высоком напряжении источника

В начале процесса, как можно видеть, ток в цепи меняется очень слабо и его величина определяется главным образом сопротивлением цепи. По мере же растяжения дуги доминирующим становится со­противление дуги.

Таким образом, если в основу анализа процесса гашения откры­той дуги переменного тока положить условие нарушения баланса напряжений при горении дуги (но не в нулевые переходы тока), то задача может быть сведена по существу к той же самой, которая возникает и при гашении дуги постоянного тока.

Для этой цели сделаем допущение, что статическая вольтамперная характеристика дуги при постоянном токе отражает зависи­мость между напряжением на дуге при переменном токе в момент максимума тока от амплитуды тока (амплитудная характеристика). Также предположим, как это мы делаем в случае постоянного тока, что для цепи переменного тока, содержащего только активное со­противление, можно принять то же условие устойчивости горения дуги, т. е.

                                                                           (9.1)

где   U_m — амплитудное  значение  напряжения   источника   (сети):

          амплитуда тока в цепи с дугой;

           напряжение па дуге в момент максимума тока

Если так же, как и ранее, предположить, что напря­жение при максимуме тока связывается с амплитудой тока уравне­нием

                                   (9.2)

то критическая длина дуги может быть представлена    

гдеамплитудное значение   тока   в   цепи,    ограниченного только собственным  сопротивлением  цепи  R  (дуговой промежуток замкнут накоротко). Если положить, для воздуха и относительно небольших токов как и ранее, С = 80 и а = 0,5 и выразить ток и напряжение в дей­ствующих значениях, то для цепи, содержащей только активное сопротивление (безиндуктивная цепь), получим

                                                                               (9.2)

 где                    действующее значение критического тока, А;

                      действующее значение тока цепи при закороченном

                      ду­говом промежутке, А;

                     действующее значение напряжения сети, кВ
                           критическая длина дуги, м
При растянутой дуге напряжение на дуговом промежутке приближается к синусоидальному, поэтому для ориентировочных рас­четов можно сделать допущение о синусоидальности напряжения на дуге, что позволяет баланс напряжений для цепи содержащей индуктивное сопротивление и сопротивление столба дуги представить так:    

                                                                    (9.3)

Используя опять уравнение вольтамперной характеристики дуги   и решая задачу в отношении критической длины дуги и кри­тического тока, получим после   подстановки  для   частного   случая   С = 80   и   а = 0 5 по­лучим'

                                                                     (9.1)

где ток выражен в амперах; напряжение в киловольтах; l_кр — в метрах.

Из сопоставления формул можно видеть, что в цепях с индуктивным сопротивлением критический ток и крити­ческая длина дуги имеют более высокие значения по сравнению со значениями этих величин в цепи с чисто активным сопротив­лением.

Приведенные формулы  не учитывают ряда факто­ров, имеющих влияние на процесс гашения дуги (расположение электродов, ветровые условия и пр.), и могут служить лишь для ориентировочных расчетов критических токов и критических длин дуг при их угасании в установках высокого напряжения.

Б. Дуга переменного тока в условиях активной деионизации

Если столб дуги переменного тока подвергается интенсивной деионизации, то в этом случае механизм гашения дуги существенно меняется по сравнению с предыдущим (открытая дуга в цепи высо­кого напряжения). За счет активного воздействия газовой или жидкой среды диаметр дугового канала сокращается (плотность тока повышается) и изменение его следует почти синхронно с током.

При подходе тока к нулю дуговой столб приобретает весьма ма­лые размеры и благодаря этому быстро распадается после достиже­ния током нулевого значения, теряет свою проводимость и приобретает заметную электрическую прочность. В таком случае восстановление дуги в следующий полупериод связано с пробоем межконтактного промежутка. Эти условия характерны для отключающих ап­паратов относительно высокого напряжения.

Таким образом, дуга переменного тока в условиях активной деионизации дугового столба представляет собой такое явление, когда при каждом переходе тока через нуль возникает соревнова­ние двух процессов, а именно: процесса восстановления электри­ческой прочности промежутка и процесса восстановления напря­жения на промежутке. Исходя из такой трактовки процесса, не­трудно заключить, что для угасания дуги переменного тока при интенсивной деионизации необходимо обеспечить такой режим, при котором электрическая прочность дугового промежутка после достижения током его нулевого значения нарастала бы достаточно быстро и достигала бы достаточного уровня.

На рис. 9.2 показано изменение тока в цепи и напряжения на дуге, подвергающейся интенсивной деионизации, но все же горя­щей устойчиво в течение нескольких полупериодов. Как видно из этого рисунка, после первого и второго переходов тока через нуль напряжение на дуговом промежутке достигает относительно высо­ких значений пиков напряжения зажигания U₃, при которых возникает зажигание дуги в последующий период. В процессе протека­ния тока наблюдается задержка на нуле (ожидание пробоя). Эти задержки в токе на нуле могут быть большей или меньшей величины в зависимости от существующих условий в цепи (сдвига фаз между током и напряжением, величины напряжения, действующего в цепи, постоянных контура L, С и R).

Если обратиться снова к рис. 9.2, можно установить, что после третьего перехода через нуль прекратилось протекание тока по цепи, т. е. дуга погасла, а на межконтактном промежутке вы­ключателя полностью восстано­вилось напряжение, развивае­мое источником (рис. 9.2, а). Сдвиг фаз между током и напря­жением при этом принят близ­ким к 90°. Как можно видеть из рисунка, при активной деионизации дуги пики напряжения зажигания ее обычно значительно превосходят по своей величине напряжение горения дуги. Таким образом, в отличие от открытой дуги, напряжение горения U_Д не является опреде­ляющей величиной при оценке условий угасания дуги.

Из рис. 9.2 также видно, что при первом переходе тока через нуль пик напряжения на дуге несколько меньше напря­жения источника, и дуга легко зажигается вновь.   При   втором переходе тока через нуль, пик напряжения    зажигания     дуги несколько превышает напря­жение зажигания при первом переходе тока через нуль, но все же дуга зажигается. При восстановлении напряжения на проме­жутке после третьего перехода через нуль возникают колебания, вследствие чего напряжение на нем существенно превосходит напряжение источника (в данном рассмотрении амплитуду напря­жения).

Рис.9.2 .Процессы при гашении дуги переменного тока

Теоретически, если пренебречь пиком гашения дуги и затуханием колебаний (контур без потерь), амплитудное значе­ние восстанавливающегося напряжения на дуговом промежутке может достигнуть двойной величины. При третьем переходе тока через нуль прочность промежутка достигает такой величины, что пик восстанавливающегося напряжения U  оказывается недостаточным, чтобы вызвать повторное зажигание дуги, и цепь обрывается окончательно. Напряжение на промежутке в своем переход­ном режиме совершает ряд колебаний и далее меняется с рабочей частотой.

При оценке жесткости сети обычно подразумевают идеальный выключатель, т. е. полагают, что напряжение на дуге равно нулю, а после перехода тока через нуль сопротивление промежутка становится сразу равным бесконечности. При таком предположении восстановление напряжения на выключателе начинается с нуля, а не с пика гашения, и на затухание восстанавливаю­щегося напряжения оказывает влияние только сопротивление цепи.

Существенно важной величиной при оценке жесткости сетей является коэффициент превышения амплитуды, представляющий собой отношение максимальной величины восстанавливающегося напряжения U_вт  к мгновенному значению напряжения источника в момент перехода тока через нуль.

Таким образом, условие гашения дуги переменного тока при активной деионизации промежутка может быть сформулировано следующим образом: если после перехода тока через нуль прочность промежутка нарастает быстрее и остается все время выше, чем восстанавливающееся напряжение на выключателе, то процесс закан­чивается угасанием дуги.

При несоблюдении этого условия наступают повторный пробой и восстановление дуги.

В. Дуга переменного тока в условиях отключения цепей низкого напряжения

В установках низкого напряжения (до 1000 в) электрическое сопротивление столба дуги обычно бывает соизмеримым с сопротив­лением отключаемой цепи, а напряжение на дуге — с напряже­нием источника питания. В таких условиях уже нельзя пренебре­гать влиянием напряжения (и сопротивления) дуги, а с другой сто­роны, — нельзя не рассматривать явлений на нуле тока, т. е. не учитывать влияния восстановления прочности при переходе тока через нуль.

Общая картина процессов при отключении цепи переменного тока низкого напряжения представлена на рис. 9.3. До момента размыкания контактов аппарата (МРК) по цепи протекал ток I, определяемый в совокупности величинами

Лекция "Болезни копытец у рогатого скота и свиней" также может быть Вам полезна.

В момент t₀ разомкнулись контакты аппарата и начало воз­растать сопротивление дугового промежутка R_д и напряжение на нем U_Д.

Увеличивающееся при гашении дуги сопротивление R_д приво­дит к некоторому уменьшению амплитудных значений тока (I₁,I₂,I₃) по полупериодам и уменьшению сдвига фаз между током цепи i_Д и напряжением источника U_И. Соответствующие углы сдвига фаз, определяемые отрезками времени между моментами перехода через нуль тока дуги и напряжения источника, обозначены через  Понятие о сдвиге фаз между током и напряже­нием относится к синусоидальным явлениям. В процессе гашения электрической дуги в установках низкого напряжения синусоида тока искажается вследствие роста сопротивления дуги. Поэтому понятие о сдвиге фаз здесь носит условный характер. В моменты перехода тока дуги через нуль (точки1 и 2) не создавалось необхо­димых условий для окончательного погасания дуги за этими пере­ходами и она повторно зажигалась вслед за ними. В момент 3-го пе­рехода тока через нуль такие условия создались, дуга погасла и протекание тока по цепи прекратилось. За этим переходом по цепи может протекать лишь небольшой остаточный ток i_0CT, определяе­мый так называемой остаточной проводимостью межконтактного промежутка аппарата.

При анализе условий возникновения между контактами выключателя электрической прочности, необходимой для гашения дуги, обычно рассматривают раздельно короткие и длинные промежутки с целью наиболее четкого выявления тех осо­бенностей, которые необходимо использовать при конструирова­нии дугогасительных устройств выключателей, предохранителей, контакторов, разрядников и пр.

В действительности, особенно в аппаратах низкого напряжения, имеют место смешанные процессы, т. е. свойственные и коротким, и длинным дугам одновременно.

Рис.9.3.Характер процессов  при  отключении цепи переменного тока низкого напряжения