Дугогашение и дугогасительные устройства

Условия возникновения и гашения дуги. Размыкание электрических цепей коммутирующими устройствами обычно сопровождается возникновением электрической дуги. Дуга возникает при токах более 0, 5-1 А и напряжениях выше 15-18 В. Ток и напряжение, при которых образуется дуга, зависят в значительной мере от материала контактов. В тяговых аппаратах дуга появляется при размыкании под током силовых и вспомогательных цепей, а так же цепей управления, особенно с большими индуктивностями.

Представление об электрической дуге как «неизбежном зле» при коммутациях не вполне оправдано. В ряде случаев неблагоприятное воздействие дуги значительно менее опасны, чем те явления (коммутационные перенапряжения), которые возникают при ее отсутствии. Устройства дугогашения следует рассматривать как средства управления

Рис. 2.7. Диаграмма распределения напряжения

электрической дугой для чего необходимо знать ее свойства и характеристики. Электрическая дуга — это процесс прохождения тока в среде ионизированных газов при термическом характере их ионизации. Напряжение между электродами при горении дуги распределяется согласно диаграммы (рис. 2.7.). Катодное и анодное падение напряжения соответственно на участках К и А происходят на малой длине дуги порядка 10" 4 см. В сумме эти падения напряжения составляют от 15 до 30 В в зависимости от материала и температуры катода. Вся остальная часть дуги (длина С), называемая столбом, характеризуется довольно равномерным градиентом около 20—30 В/см.

При относительно больших токах и напряжениях дуга — необходимый элемент процесса разрыва цепи. Она обеспечивает плавное уменьшение тока в цепи благодаря непрерывному нарастанию сопротивления в ней и поглощению электромагнитной энергии, запасенной в индуктивностях. Если бы дуга отсутствовала, то при мгновенном разрыве контактов электромагнитная энергия преобразовалась бы в электростатическую, что при малой емкости цепи привело бы к большим перенапряжениям.

Электрическая дуга может быть погашена в том случае, если процесс деионизации столба протекает с большей скоростью, чем процесс ионизации. Особенности цепей ТПС определяются значительными индуктивностями, что вызвано наличием в них тяговых машин, магнитные системы которых обладают большим запасом электромагнитной

энергии.

Для обычных параметров ТПС расчеты показывают, что коммутационное перенапряжение в зависимости от исходного режима могут превышать 40-90 кВ. Такие перенапряжения для изоляции электрооборудования недопустимы. Даже в более легких случаях, например при слишком быстром гашении дуги в быстродействующих выключателях при номинальном напряжении на токоприемнике 3 кВ, перенапряжения достигали 21-28 кВ.

При управлении дугой можно ограничивать коммутационные перенапряжения, но полностью избежать их нельзя. ГОСТ 9219-88 предусматривает, что наибольшие напряжения на контактах при отключении нагрузки не должны превышать амплитудных значений испытательных напряжений, за исключением аппаратов на номинальное напряжение 3 кВ, для которых коммутационные перенапряжения не должны быть выше 9 кВ, а при установке совместно с разрядниками могут достигать 13, 5 кВ.

Аппараты должны выдерживать в течение одной минуты следующие испытательные напряжения переменного тока 50 Гц (действующие значения) (табл.2.1).

Таблица 2.1.

* Для аппаратов без корпусов, ящиков, испытательное напряжение 1, 2(2, 5 Uнoм +2000) В.

Дугогасительные устройства. Такие устройства должны обеспечивать по возможности малое время гашения и малую энергию выделяемую дутой (во избежания значительного перегрева контактов), отсутствие опасных перенапряжений при гашении дуги, приемлемые размеры дугогасительного устройства. Применяемые дугогасительные устройства зависят от назначения и отличаются разными способами гашения, позволяющими удовлетворить указанные требования без существенного усложнения и увеличения их габаритов.

В аппаратах, специально рассчитанных для защиты цепи от коротких замыканий, все конструктивные решения подчиняются основному требованию — быстродействию. На электровозе или моторном вагоне обычно устанавливают один быстродействующий выключатель, поэтому можно допустить относительно большие размеры дугогасительной камеры. В контакторах, которые предназначены только для разрыва рабочих токов цепи, быстродействие не столь обязательно; здесь существенно важно не допустить чрезмерных габаритов камеры, так как обычно на каждой единице ТПС устанавливается несколько контакторов.

Магнитное дугогашение. Существуют две разновидности магнитного дугогашения: электромагнитное и дугогашение с постоянными магнитами. Последнее применяется редко, на ТПС такое дугогашение используют только в разрядниках. По способу включения дугогасительных катушек различают: последовательное и независимое возбуждение. Для разрыва больших токов дугогасительные катушки обычно включают последовательно в цепь контактов коммутационного аппарата. Это обеспечивает ее автоматическое выключение после разрыва аппаратом цепи тока. При этом с увеличением разрываемого тока возрастает магнитное поле и, следовательно, сила выдувающая дугу. Кроме того, при последовательном включении сохраняется всегда одинаковое направление электродинамических сил гашения.

Рассмотрим простейшую дугогасительную камеру с электромагнитным гашением (рис. 2.8, а). Последовательно с контактам в цепь тока между зажимом Б и рогом PJ включена дугогасительная катушка К со стальным сердечником. К сердечнику примыкают полюсы П (рис. 2.8, б) из листовой стали, между которыми в области горения дуги создается магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости рисунка. Полюсы изолированы от дуги стенками дугогасительной камеры Т из изоляционного дугостойкого материала.

На рис. 2.8, 6 штриховыми линиями со стрелками. Их на правление выбирается так, чтобы дуга перемещалась к выходу из камеры, перебрасываясь с контактов на рога Р1 и Р2 и все более удлиняясь. Переднюю (правую по чертежу) часть камеры оставляют открытой для свободного выхода газов. Дугогасительные рога, между которыми дуга горит большую часть времени, способствуют быстрейшему ее удлинению и защищают контакты от чрезмерного нагрева. Дугогасительная камера служит для защиты от перебросов дуги на полюсы и другие близко расположенные детали. Кроме того, стенки камеры способствует охлаждению и деионизации дуги.

Дуга, возникающая между контактами, под действием магнитного поля полюсов перемещается перпендикулярно силовым линиям поля, показанным

Рис. 2.8. Дугогасителыюе устройство (а) и схема, поясняющая взаимодействие магнитного потока дугогасительной катушки и дуги (б)

Сила, действующая на элементы дуги, пропорциональна произведению индукции В магнитного поля гашения и тока I в дуге: F_к= кВi В процессе гашения дуги, по мере ее удлинения и удаления от оси дугогасительной катушки, индукция магнитного поля гашения резко падает. В связи с одновременным снижением тока сила, действующая, на дугу, резко уменьшается и скорость перемещения дуги снижается. Все это способствует уменьшению перенапряжений при гашении, но ограничивает разрывную способность дугогасительных устройств. На дугу также дополнительно воздействуют газы, выделяемые при горении стенками ее камеры.

Газовое дугогашение. В тяговых аппаратах нашли применение два основных вида газового дугогашения: расширительное, при котором поток газов создает сама дуга, и воздушное, когда на дугу действует искусственная воздушная струя.

Расширительное дугогашение. При расширительном дугогашении не требуется сложных устройств для создания направленной газовой струи. Оно наиболее подходит для аппаратов (или их элементов) одноразового исполнения вставок плавких предохранителей. Принцип расширительного дугогашения заключается в разрушении ствола дуги в процессе импульсного повышения давления в зоне дугогашения. а затем его импульсного снижения. При этом ионизированные частицы ствола рассеиваются и разрушается его целостность как проводника тока. Эффект дугогашения усиливается, если пространство ствола заполняется нейтральной, неионизированной массой(жидкостью, порошком, песком). Расширительное дугогашение используют только в плавких предохранителях.

Воздушное дугогашение. Необходимость применения воздушного дугогашения в тяговых аппаратах вызвана тем, что на участках электрифицированных переменным током при коротких замыканиях, приходиться отключать мощности до 200-250 MB А и токи до 20-25 кА. Выключатели других типов по ряду причин оказываются для ЭПС неприемлемыми. Дуга гасится струей сжатого воздуха преимущественно

вследствие быстрого отвода тепла от ее ствола и связанной с этим яеионизацией. Различают два способа гашения: при поперечном и продольном направлении струи сжатого воздуха по отношению к оси дуги. Поперечно струю воздуха направляют преимущественно в аппаратах, рассчитанных на напряжение менее 15 кВ. Для выключателей ЭПС переменного тока почти всегда применяют продольное дутье.

Контакты. Виды контактов. Электрическим контактом называют поверхность соприкосновения двух или нескольких проводников, через которые проходит ток. В аппаратостроении контактами называют также специальные детали, при соприкосновении которых замыкается электрическая цепь.

По ГОСТ 9219-88 контакты аппаратов подразделяют на коммутирующие — замыкающие и размыкающие цепи в процессе работы электрооборудования и контактные соединения — разборные и неразборные.