Описание процесса отключения электрической цепи переменного тока при коротком замыкании

При размыкании контактов выключателя ток не прерывается. Согласно закону Ленца в цепи возникает ЭДС Е_L=-Ldi/dt, препятствующая изменению тока. Последний находит для себя путь через газовый промежуток между расходящимися контактами выключателя, который перекрывается электрической дугой. Чтобы прервать ток, дуга должна быть погашена. В цепях переменного тока благоприятные условия для гашения дуги возникают каждый раз, когда ток приходит к нулю, т.е. 2 раза в течение каждого периода. Диаметр дугового столба, температура и ионизация газа резко уменьшаются. В некоторый момент времени ток приходит к нулю и дуговой разряд прекращается. Однако цепь еще не прервана.

После нуля тока в газовом промежутке, еще в некоторой мере ионизованном, продолжается процесс деионизации, т.е. процесс превращения его из проводника в диэлектрик, а в электрической цепи начинается процесс восстановления напряжения на контактах выключателя от относительно небольшого напряжения на дуге до напряжения сети. Эти процессы взаимосвязаны. Исход взаимодействия дугового промежутка с электрической цепью зависит от соотношения между энергией, подводимой к промежутку, и потерями энергии в нем, зависящими от дугогасительного устройства выключателя.

Если в течение всего переходного процесса потери энергии преобладают, дуга не возникнет вновь и цепь будет прервана. В противном случае дуга возникнет вновь и ток будет проходить еще в течение половины периода, после чего процесс взаимодействия повторится. Функция выключателя заключается не столько в том, чтобы «погасить» дугу, а скорее в том, чтобы исключить возможность ее нового зажигания путем эффективной деионизации промежутка различными искусственными средствами. При этом используется исключительное свойство газа — быстро, в течение нескольких микросекунд, превращаться из проводника в диэлектрик, способный противостоять восстанавливающемуся напряжению сети.

Для понимания устройства и работы выключателей необходимо ознакомиться с физическими процессами в дуговом промежутке в процессе отключения. В этой статье рассмотрены методы гашения дуги в воздушных и масляных выключателях.

Физические процессы в дуговом промежутке выключателя при высоком давлении

Электрической дугой, точнее дуговым разрядом, называют самостоятельный разряд в газе, т.е. разряд, протекающий без внешнего ионизатора, характеризующийся большой плотностью тока и относительно небольшим падением напряжения у катода. Ниже рассмотрена дуга высокого давления, т.е. дуговой разряд при атмосферном и более высоком давлении.

Различают следующие области дугового разряда:

• область катодного падения напряжения;
• область у анода;
• столб дуги.

Область катодного падения напряжения представляет собой тончайший слой газа у поверхности катода. Падение напряжения в этом слое составляет 20-50 В, а напряженность электрического поля достигает 10⁵10⁶ В/см. Энергия, подводимая из сети к этой области, используется на выделение электронов с поверхности катода.

Механизм освобождения электронов может быть двояким:

• термоэлектронная эмиссия при тугоплавких и огнеупорных электродах (вольфрам, уголь), температура которых может достигнуть 6000 К и выше
• автоэлектронная эмиссия, т.е. вырывание электронов из катода действием сильного электрического поля при «холодном» катоде.

Плотность тока на катоде достигает 3000-10000 А/см⁵. Ток сосредоточен на небольшой ярко освещенной площадке, получившей название катодного пятна. Освобождающиеся электроны движутся через дуговой столб к аноду.

У анода положительные ионы приобретают ускорение в направлении к катоду. Электроны уходят в анод и образуют в тонком слое отрицательный заряд. Падение напряжения у анода составляет 10-20 В.

Процессы в дуговом столбе представляют наибольший интерес при изучении выключателей, поскольку для гашения дуги используют различные виды воздействия именно на дуговой столб. Последний представляет собой плазму, т.е. ионизованный газ с очень высокой температурой и одинаковым содержанием электронов и положительных ионов в единице объема.

Высокую температуру в дуговом столбе создают и поддерживают электроны и ионы, участвующие в тепловом хаотическом движении нейтральных молекул и атомов, но имеющие также направленное движение в электрическом поле вдоль оси дуги, определяемое знаком заряда частиц. Этому движению препятствует нейтральный газ. Происходят частые соударения электронов и ионов с нейтральными частицами. Поскольку длина свободного пробега электронов при высоком давлении мала, потеря энергии при упругих столкновениях с молекулами и атомами, приходящаяся на каждое столкновение, мала и недостаточна для ионизации частиц. Однако число столкновений, претерпеваемых электронами, весьма велико. В результате энергия электронов передается нейтральному газу в виде тепла.

Средняя энергия «электронного газа» не может сколько-нибудь заметно превысить среднюю энергию нейтрального газа, поскольку дополнительная энергия, приобретаемая электронами и ионами в своем направленном движении вдоль оси лугового столба, мала по сравнению с тепловой энергией газа. Следовательно, ионы, электроны, а также нейтральные атомы и молекулы находятся в тепловом равновесии. При этом удельная ионизация дугового столба полностью определяется температурой и при изменении одной из этих величин неизбежно изменяется и другая.

Поскольку при высоком давлении газа атомы и молекулы подавляющим образом преобладают над электронами и имеют почти ту же высокую температуру, большая часть возбужденных и ионизованных атомов и молекул получается при соударениях между нейтральными частицами, а не при столкновениях с электронами. Таким образом, электроны ионизуют не непосредственно при соударениях с нейтральными частицами (как это происходит в вакууме), а косвенно, повышая температуру газа в дуговом столбе. Такой механизм ионизации называют термической ионизацией. Источником энергии, необходимой для термической ионизации, является электрическое поле.

В дуговом столбе имеются потери энергии, которые в установившемся состоянии уравновешиваются энергией, получаемой из сети. Основная часть энергии уносится из дугового столба возбужденными и ионизованными атомами и молекулами. Вследствие разности концентраций заряженных частиц в дуговом столбе и окружающем пространстве, а также разности температур ионы диффундируют к поверхности дугового столба, где происходит их нейтрализация. Эти потери должны восполняться образованием новых ионов и электронов, связанным с затратой энергии. В установившемся состоянии градиент напряжения в столбе дуги всегда таков, что имеющая место ионизация компенсирует потери электронов через рекомбинацию. Градиент напряжения зависит от свойств газа, состояния, в котором он находится (спокойное, турбулентное), а также от давления и тока. При повышении давления газа градиент напряжения увеличивается вследствие уменьшения свободного пробега электронов. С увеличением тока градиент напряжения уменьшается, что объясняется увеличением площади сечения и температуры дугового столба. Дуговой столб стремится принять такое сечение, чтобы в рассматриваемых условиях потери энергии были минимальны.

Вольт-амперные характеристики дуги

Зависимость градиента напряжения Е=dU/dl в столбе дуги от тока при очень медленном изменении последнего представляет собой статическую характеристику дуги (рис.1,а), зависящую от давления и свойств газа.

Рис.1. Вольт-амперные характеристики дуги:
а — статическая характеристика;
б — динамические характеристики

В установившемся состоянии каждой точке характеристики соответствуют некоторое сечение и температура дугового столба. При изменении тока дуговой столб должен изменить свое сечение и температуру применительно к новым условиям. Эти процессы требуют времени, и поэтому новое установившееся состояние наступает не сразу, а с некоторым запозданием. Это явление называют гистерезисом.

Допустим, что ток внезапно изменился от значения I₁ (точка 1) до значения I₂ (точка 2). В первый момент дуга сохранит свои сечения и температуру, а градиент уменьшится (точка 2′). Подводимая мощность будет меньше необходимой для проведения тока I₂. Поэтому сечение и температура начнут уменьшаться, а градиент увеличиваться, пока не наступит новое установившееся состояние в точке 2 на статической характеристике. При внезапном увеличении тока от значения I₁ до значения I₃ градиент напряжения увеличится (точка 3′). Подводимая к дуге мощность будет больше необходимой для проведения тока I₃. Поэтому сечение и температура столба начнут увеличиваться, а градиент напряжения уменьшаться, пока не наступит новое установившееся состояние в точке 3 на статической характеристике.

При плавном изменении тока с некоторой скоростью градиент напряжения не успевает следовать за изменением тока в соответствии со статической характеристикой. При увеличении тока градиент напряжения превышает значения, определяемые статической характеристикой, а при уменьшении тока градиент напряжения меньше этих значений. Кривые E=f(I) при изменении тока с некоторой скоростью представляют собой динамические характеристики дуги (сплошные линии на рис.1,б).

Положение этих характеристик по отношению к статической характеристике (см. пунктирную кривую) зависит от скорости изменения тока. Чем медленнее происходит изменение тока, тем ближе расположена динамическая характеристика к статической. В заданных условиях дугового разряда может быть только одна статическая характеристика. Число динамических характеристик не ограничено.

При анализе электрических цепей принято оперировать понятием сопротивления. Поэтому говорят и о сопротивлении дуги, понимая под этим отношение напряжения у электродов к току. Сопротивление дуги непостоянно. Оно зависит от тока и многих других факторов. По мере увеличения тока сопротивление дуги уменьшается.

Рис.2. Напряжение на дуге при переменном токе:
а — напряжение дуги как функция тока;
6 — напряжение дуги как функция времени

Вольт-амперная характеристика дуги переменного тока показана на рис.2,а. В течение четверти периода, когда ток увеличивается, кривая напряжения лежит выше статической характеристики. Следующую четверть периода, когда ток уменьшается, кривая напряжения лежит ниже статической характеристики.

Дуга зажигается в точках 1 и 3 и угасает в точках 2 и 4. На рис.2,б показана характеристика дуги как функции времени. Интервалы 2-3 и 4-1 соответствуют неустойчивому состоянию, при котором происходит интенсивное взаимодействие дуги с постоянными цепи R, L и С. Эти короткие интервалы времени, продолжительность которых составляет несколько микросекунд, используются для интенсивной деионизации промежутка между контактами выключателя, чтобы воспрепятствовать новому зажиганию дуги. В зависимости от условий процесс взаимодействия может закончиться двояко: или дуга погаснет и цепь будет прервана, или дуга возникнет вновь и процесс взаимодействия повторится через половину периода при более благоприятных условиях.

Гашение дуги в воздушных выключателях

В воздушных выключателях дуга гасится в потоке воздуха высокого давления. Гасительное устройство выключателя (рис.3,а) представляет собой камеру, в которой помещены два сопла, служащие одновременно контактами. Выхлопные стороны сопел соединены с областью низкого давления. При разведении контактов вследствие разности давлений возникает поток воздуха, направленный в сопла симметрично в обе стороны.

Рис.3. Дугогасительное устройство воздушного выключателя с двухсторонним дутьем:
а — схема;
б — распределение давления вдоль оси

На рис.3,б показано распределение давления вдоль оси. В середине промежутка между соплами имеется точка торможения потока, давление в которой обозначено через р_o.

В обе стороны от этой точки давление уменьшается и достигает в горловинах сопел приблизительно половины р_o. За горловинами давление продолжает падать до давления выхлопа.

Процесс гашения дуги протекает следующим образом. Между размыкающимися контактами возникает дуга, которая под действием воздушного потока быстро переносится вдоль оси. При этом опорные пятна дуги перемещаются внутрь сопел по потоку, как показано на рис.3. Дуга в промежутке между соплами имеет цилиндрическую форму.

Рис.4. Распределение температуры в поперечном направлении на участке между соплами:
а — дуга;
в — тепловой пограничный слой

Распределение температуры в поперечном направлении показано на рис.4. В зоне дуги а она составляет приблизительно 20000 К и резко спадает к тепловому пограничному слою в, образующемуся около дуги. Здесь температура изменяется в пределах от 2000 К до температуры холодного воздуха. По мере подхода тока к нулю диаметр цилиндрической части дуги быстро уменьшается. При токе, равном нулю, он меньше 1 мм. Однако температура в этой части дуги еще очень высока (15000 К).

Важнейшим фактором, способствующим гашению дуги, является турбулентность в пограничном слое между дугой и окружающим ее относительно холодным воздухом. Вследствие высокой температуры дуги плотность газа в столбе приблизительно в 20 раз меньше, чем в окружающей среде. Поэтому скорость газа внутри дугового столба значительно выше скорости в соседних слоях (скорость обратно пропорциональна корню квадратному из плотности). Вследствие диффузии частиц из области с большой скоростью в область с малой скоростью и обратно в пограничном слое возникают значительные срезывающие силы, образуются вихри и весь объем приобретает высокую турбулентность. В дуговой столб вносится относительно холодный неионизованный газ, вследствие чего столб теряет свою однородность. Он расщепляется на тысячи тончайших проводящих нитей, непрерывно изменяющих свою форму и положение (рис.5).

Рис.5. Влияние турбулентности на столб дуги вблизи нуля тока (схема)

Они имеют высокую температуру и высокую удельную ионизацию и окружены холодным слабо ионизованным газом. Известно, что скорость диффузии из цилиндрического объема обратно пропорциональна квадрату диаметра. Чем тоньше ионизованные нити, тем быстрее происходит обмен частиц с окружающей более холодной и менее ионизованной средой. Турбулентность увеличивает диффузию во много раз. Она проявляется особенно резко в горловинах сопел, где скорость плазмы максимальна — 6000 м/с. После нуля тока в течение короткого промежутка времени, исчисляемого микросекундами, происходит распад проводящего канала и дальнейшее уменьшение температуры определяется тепловым пограничным слоем, остывание которого происходит значительно медленнее.

Рис.6. Схема замещения, поясняющая влияние сопротивления дуги и емкости

Рис.7. Взаимодействие дуги с электрической цепью

Существенное влияние на процесс отключения оказывает сопротивление дуги и емкость, включенная параллельно дуговому промежутку (рис.6). Если пренебречь сопротивлением дуги, ток i₀=I_msinɷt подходит к нулю практически линейно (рис.7). Однако сопротивление дуги не равно нулю. Поэтому ток i_B в дуговом промежутке выключателя уменьшается:

(1)

где t₀ — момент размыкания контактов.

Как видно из рисунка, напряжение на дуге изменяется в соответствии с вольт-амперной характеристикой. Скорость снижения тока существенно уменьшается в течение последних 5…10 мкс до прихода его к нулю. Это время мало, но оно в несколько раз больше постоянной времени дуги и поэтому существенно влияет на состояние дуги при нуле тока (точка 1). Дуга легко угасает. Сопротивление дуги видоизменяет и кривую ПВН. Процесс восстановления напряжения начинается в точке 1; напряжение достигает максимума в точке 2, когда i_L=i_C=0.

Этап возможного теплового пробоя

Если температура газа в промежутке не снизится до некоторого критического значения, определяемого свойством газа и давлением, промежуток сохранит свою проводимость после нуля тока (точка 1) и под действием ПВН возникнет ток остаточной проводимости (рис.8).

Рис.8. Погасание дуги с задержкой,
вызванной появлением тока остаточной проводимости

При благоприятных условиях он невелик и быстро затухает (точка 2). Однако если процесс охлаждения недостаточно интенсивен, ток остаточной проводимости увеличивается; происходит повторный разогрев плазмы, возобновляется процесс ионизации и дуга возникает вновь. Это явление получило название теплового пробоя, так как электрический пробой невозможен, поскольку промежуток ионизован и не приобрел еще электрической прочности.

Произойдет такой пробой или нет, зависит от исхода двух взаимосвязанных процессов, протекающих в промежутке, из которых один определяется интегралом во времени подводимой мощности (произведения тока и напряжения на промежутке), а второй — интегралом во времени потерь, вызванных теплопроводностью и конвекцией. Это означает, что процесс взаимодействия продолжится до тех пор, пока ток не исчезнет или дуга не возникнет вновь. Явление теплового пробоя характерно для первых 20 мкс после нуля тока в условиях, когда скорость восстанавливающеюся напряжения велика, например при неудаленных КЗ.

Этап возможного электрического пробоя

Если тепловой пробой не произошел, межконтактный промежуток продолжает подвергаться воздействию ПВН. Дуговой канал имеет еще повышенную температуру и пониженную плотность. Спустя несколько сотен микросекунд после нуля тока, когда ПВН достигает максимального значения, наступает этап возможного электрического пробоя. В основе его лежит не баланс энергий, а процесс образования электронов в электрическом поле. Если увеличение концентрации электронов превысит некоторое критическое значение, то произойдет образование искры, которая перейдет в дуговой разряд.

Гашение дуги в масляных выключателях

В масляных выключателях контакты размыкаются в масле, однако вследствие высокой температуры дуги, образующейся между контактами, масло разлагается и дуговой разряд происходит в газовой среде. Приблизительно половину этого газа (по объему) составляют пары масла. Остальная часть состоит из водорода (70%) и углеводородов различного состава. Газы эти горючи, однако в масле горение невозможно из-за отсутствия кислорода. Количество масла, разлагаемого дугой, невелико, но объем образующихся газов велик. Один грамм масла дает приблизительно 1500 см³ газа, приведенного к комнатной температуре и атмосферному давлению.

Гашение дуги в масляных выключателях происходит наиболее эффективно при применении гасительных камер, которые ограничивают зону дуги, способствуют повышению давления в этой зоне и образованию газового дутья сквозь дуговой столб. На рис.9 приведена схема простейшей гасительной камеры.

Рис.9. Схема простейшей гасительной камеры масляного выключателя

В процессе отключения контактный стержень 1 перемещается вниз. Между контактами 1 и 2 возникает дуга. Происходит интенсивное газообразование и давление в камере быстро увеличивается. Относительно холодный газ, образующийся на поверхности масла, перемешивается с плазмой дуги. Пограничный слой приходит в турбулентное состояние, способствующее деионизации. Однако дуга не может погаснуть до тех пор, пока расстояние между контактами не достигнет некоторого минимального значения, определяемого восстанавливающимся напряжением. Этот минимальный промежуток образуется, когда подвижный контакт еще находится в камере. Когда стержень покидает пределы камеры, газы с силой выбрасываются наружу. Возникает газовое дутье, направленное по оси, способствующее гашению дуги.

После погасания дуги контактный стержень продолжает свое движение, чтобы обеспечить необходимое изоляционное расстояние в отключенном положении.

Напряжение на дуге масляного выключателя по крайней мере в 3 раза больше, чем у воздушного выключателя. Электрическая прочность промежутка восстанавливается быстрее (со скоростью около 2 кВ/мкс). Поэтому при одинаковом токе КЗ дугогасительное устройство масляного выключателя может быть рассчитано на вдвое большее напряжение и вдвое большее волновое сопротивление, чем устройство воздушного дутья.

Характерные свойства воздушных и масляных выключателей

В воздушных выключателях дутье в дуговом промежутке создается от внешнего источника энергии и не зависит от отключаемого тока. После нуля тока восстанавливающееся напряжение оказывается приложенным к короткому промежутку, заполненному горячим ионизованным газом. Скорость восстановления электрической прочности промежутка определяется охлаждением газа и удалением его из промежутка потоком свежего воздуха. Это требует времени и поэтому процесс восстановления электрической прочности промежутка запаздывает.

Рис.10. Характеристики восстанавливающейся электрической прочности
дугового промежутка воздушного выключателя

На рис.10 приведены типичные кривые восстанавливающейся электрической прочности дугового промежутка воздушного выключателя. Они имеют S-образную форму. При этом основная стадия процесса восстановления электрической прочности промежутка протекает со скоростью, не превышающей 1-2 кВ/мкс, и начинается спустя 10-15 мкс после нулевого значения тока. С увеличением отключаемого тока запаздывание увеличивается, а скорость восстановления электрической прочности уменьшается. Нижняя пунктирная кривая соответствует случаю неудовлетворительной работы выключателя, поскольку процесс восстановления электрической прочности промежутка протекает слишком медленно. Номинальный ток отключения воздушною выключателя ограничен восстанавливающейся электрической прочностью промежутка.

В масляных выключателях для образования газовою дутья используется энергия самой дуги. Давление в гасительной камере и сила дутья в первом приближении пропорциональны отключаемому току. Чем больше последний, тем эффективнее деионизация промежутка и быстрее восстанавливается его электрическая прочность. Однако по мере увеличения тока увеличиваются механические напряжения в частях гасительной камеры. Поэтому номинальный ток отключения ограничен механической прочностью гасительной камеры.

Характерные свойства воздушных и масляных выключателей проявляются при отключении асимметричного тока КЗ. Как известно, быстродействующие выключатели при наличии соответствующей релейной защиты размыкают свои контакты, когда апериодическая составляющая отключаемого тока еще не успевает затухнуть. Следовательно, эти выключатели должны быть способны отключать как симметричный, так и асимметричный ток, т.е. ток, не смещенный или смещенный относительно оси времени в зависимости от условий. Асимметрия тока β (относительное содержание апериодической составляющей в токе КЗ) определяется как отношение апериодической составляющей к амплитуде периодической составляющей тока КЗ к моменту τ размыкания контактов выключателя

(2)

Асимметрия отключаемого тока зависит от постоянной времени цепи Т_a=Х/(ɷR), а также от τ — времени размыкания контактов выключателя с учетом времени срабатывания релейной защиты. Чем больше постоянная времени и чем быстрее размыкаются контакты выключателя, тем больше асимметрия отключаемого тока. Наибольшую постоянную времени имеют генераторы, трансформаторы и реакторы. Поэтому наибольшую асимметрию следует ожидать при КЗ вблизи генераторов и сборных шин станций. Расчеты показывают, что асимметрия тока, отключаемого быстродействующими выключателями, установленными в главных РУ мощных станций, может достигнуть 80%. Менее быстродействующие выключатели в этих же условиях могут встретиться с асимметрией порядка 40-50%. Выключатели, установленные в распределительных сетях, встречаются с асимметрией, не превосходящей 20%.

При наличии апериодической составляющей в отключаемом токе:

• увеличивается действующее значение тока;
• промежутки времени между моментами, когда ток достигает нуля, становятся неодинаковыми: они попеременно больше или меньше полупериода;
• уменьшается скорость изменения тока di/dt при подходе его к нулевому значению;
• уменьшается возвращающееся напряжение на полюсе выключателя.

Увеличение действующего значения тока и изменение промежутков времени между нулевыми значениями тока могут при неблагоприятных условиях привести к значительному увеличению выделяемой энергии по сравнению с энергией, выделяемой при отсутствии апериодической составляющей тока. Энергия, выделяемая в дуге, определяет ионизацию газа в промежутке, а в масляных выключателях — также количество образующихся газов и давление в камере, следовательно, механические напряжения в элементах выключателя, степень оплавления контактов и др.

Уменьшение скорости изменения тока при подходе его к нулю уменьшает ионизацию промежутка к моменту погасания дуги, что облегчает процесс отключения.

Уменьшение возвращающегося напряжения также облегчает процесс отключения.

Рис.11. Возвращающееся напряжение при асимметрии отключаемого тока

Как видно из рис.11, периодическая составляющая тока КЗ i_п смещена по отношению к напряжению сети на угол φ, близкий к π/2. Если фаза замыкания α=φ, то апериодическая составляющая тока отсутствует, момент прихода тока к нулевому значению и погасания дуги близок к моменту максимума напряжения. Возвращающееся напряжение определяется ординатой ab. При замыкании в любой другой момент времени в составе отключаемого тока появляется апериодическая составляющая и момент прихода тока к нулю смещается. В рассматриваемом случае при α=27° возвращающееся напряжение после большой полуволны тока определяется ординатой а’b’, а после малой полуволны — ординатой а»b» (при построении кривых периодическая и апериодическая составляющие тока приняты условно незатухающими).

Из приведенного анализа следует, что при наличии апериодической составляющей в отключаемом токе появляется ряд новых факторов, влияющих на процесс отключения, часть которых утяжеляет этот процесс, другая часть облегчает его.

Итоговое действие апериодической составляющей зависит от свойств выключателя.

Масляные выключатели, отключающая способность которых ограничена механической прочностью гасительной камеры, имеют при отключении большого тока значительный запас в восстанавливающейся электрической прочности дугового промежутка. Увеличение действующего значения отключаемого тока, обусловленное наличием апериодической составляющей, увеличивает тяжесть отключения, поскольку увеличивается энергия, выделяющаяся в дуге, а облегчающие факторы, вносимые апериодической составляющей тока КЗ (уменьшение скорости подхода тока к нулю и уменьшение возвращающегося напряжения), масляными выключателями не используются. О таких выключателях говорят, что они чувствительны к току, поскольку энергия, выделяющаяся в дуге, определяется в основном током.

Воздушные выключатели, отключающая способность которых ограничена электрической прочностью промежутка, используют облегчающие факторы, вносимые апериодической составляющей тока (уменьшение скорости снижения тока и возвращающегося напряжения). Увеличение действующего значения отключаемого тока, вызываемое апериодической составляющей, не увеличивает тяжести отключения, поскольку вносимые утяжеляющие и облегчающие факторы компенсируются. О таких выключателях принято говорить, что они чувствительны к напряжению.

При выборе выключателя по отключающей способности следует учитывать асимметрию отключаемого тока КЗ. Однако нормированные (номинальные) значения асимметрии β_ном установлены одинаковыми как для масляных, так и для воздушных выключателей.

Гашение дуги и дуговая защита

При механической коммутации мощных нагрузок бездуговое размыкание цепи возможно при введении дополнительного сопротивления, с помощью которого убывание тока происходит постепенно. Таким образом, формируется простейшее устройство дуговой защиты.

В теории роль этого сопротивления может выполнять переходное сопротивление контакта переключателя, проводимость которого уменьшается при размыкании контактов до бесконечных значений.

На практике переходной режим проводимости изменяется столь быстро, что протекающий ток в контуре при действии нарастающего переходного сопротивления контактов образует электрическую дугу или искру. В этом случае, дуга при размыкании стает все явней и явней.

В случае, если напряжение и ток в цепи коммутации достаточно большие и превышают критическое условие безыскрового переключения, то искра перерастает в электрическую дугу, время которой длится в зависимости от условий деионизации воздуха и параметров электрической цепи. К примеру, возникновение дуги возможно при коммутации медных контактов током в 0.5 А и напряжением 15 В.

Размыкание контактных площадок при меньших значениях напряжения и тока обычно приводит к появлению искры, которая не переходит в дугу. Защита от дуговых замыканий в таких случаях чаще всего сводится к добавлению диода в цепь коммутации.

Если напряжение коммутации довольно высокое, а протекающий ток маленький, то можно наблюдать эффект тлеющего разряда. Для данного явления характерно падение напряжения катода до 300 В, а при переходе в дуговой разряд, потенциал падает до значения 10…20 В.

Основные характеристики дугового разряда

1. Большая плотность тока в дуговом пучке и четкие границы отшнурованных дуговых плазм.

2. Повышенная температура газа в дуговом пучке до 5000 °К, а в условиях деионизации – до 15 000 °К.

Благодаря вольтамперной характеристике дуги (Рисунок 1), можно определить условия угасания и мощность дугового разряда. Под первой кривой понимается статическое условие – горение дуги, под второй кривой понимается семейство динамических характеристик дуговых зарядов. Способы гашения дуги существуют разные, рассмотрим самые основные.

Рисунок 1.

Гашение дуги в коммутационной цепи индуктивной нагрузки

Как упоминалось выше, возникшая дуга при размыкании контактов нуждается в необходимой ликвидации.

Для этих случаев линии коммутации снабжаются дугогасительными цепями, роль которых сводится к следующему:

• Ускорение гашения дуги с помощью повышения напряженности электрического поля в дуговом пучке.

• Ограничение распространения дугового пучка в пространстве. Этот способ приемлем при условии эксплуатации распределительных устройств.

Гашение дуги с помощью шунтирующего диода

При подключении обычного реле РП21 и напряжения питания 24 В, разница потенциалов между контактами может достигать 1200 В. При этом наблюдается сокращение срока службы переключателя, а импульсные помехи негативно влияют на слаботочные сигналы, которые могут находиться рядом с силовой частью.

Во избежание подобных проблем, самым простым способом будет подключение шунтирующего диода. На Рисунке 2 представлена схема подключения защитного диода в цепь коммутацииреле. По сути, гашение дуги постоянного тока происходит за счет обратного включения полупроводникового диода.

Рисунок 2.

Недостатком данной схемы является затягивание затухания тока. Для частичной компенсации этой особенности можно воспользоваться скоростным диодом. Однако для простых схем, где нет рядом пролегающих чувствительных цепей, можно воспользоваться обыкновенным диодом с напряжением пробоя 1 кВ и выше.

Гашение дуги с помощью RC-цепочки

Выше представленную защиту из диода нельзя использовать в цепях переменного тока. В этом случае целесообразно применить RC-демпфирующую цепочку. На Рисунке 3 изображена схема простейшей защиты для коммутации реле переменного тока.

Рисунок 3.

Значения R и C являются усредненными для обычных коммутационных реле. При подобной защите можно использовать метало оксидный варистор. Этот прибор хорошо зарекомендовал себя при напряжениях питания 10…1000 В и значениях тока до 1000 А.

Для цепей переменного тока рекомендовано устанавливать варистор Ch3-1, который рассчитан на напряжение до 420 В. С помощью этого прибора происходит подавление не только индуктивных наводок, но и качественное гашение больших всплесков импульсных сигналов.

Электрическая дуга — это… Что такое Электрическая дуга?

Электрическая дуга (Вольтова дуга, Дуговой разряд) — физическое явление, один из видов электрического разряда в газе.

Впервые была описана в 1802 году русским учёным В. В. Петровым, однако большой вклад в развитие данного раздела внес ученый Никола Тесла. Электрическая дуга является частным случаем четвёртой формы состояния вещества — плазмы — и состоит из ионизированного, электрически квазинейтрального газа. Присутствие свободных электрических зарядов обеспечивает проводимость электрической дуги.

Электрическая дуга между двумя электродами в воздухе при атмосферном давлении образуется следующим образом:

При увеличении напряжения между двумя электродами до определённого уровня в воздухе между электродами возникает электрический пробой. Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния между электродами и пр. Зачастую, для инициирования пробоя при имеющемся напряжении электроды приближают друг к другу. Во время пробоя между электродами обычно возникает искровой разряд, импульсно замыкая электрическую цепь.

Электроны в искровых разрядах ионизируют молекулы в воздушном промежутке между электродами. При достаточной мощности источника напряжения, в воздушном промежутке образуется достаточное количество плазмы для того, чтобы напряжение пробоя (или сопротивление воздушного промежутка) в этом месте значительно упало. При этом искровые разряды превращаются в дуговой разряд — плазменный шнур между электродами, являющийся плазменным тоннелем. Эта дуга является по сути проводником, и замыкает электрическую цепь между электродами, средний ток увеличивается ещё больше нагревая дугу до 5000–50000 K. При этом считается, что поджиг дуги завершён.

Взаимодействие электродов с плазмой дуги приводит к их нагреву, частичному расплавлению, испарению, окислению и другим видам коррозии.

После поджига, дуга может быть устойчива при разведении электрических контактов до некоторого расстояния.

При эксплуатации высоковольтных электроустановок, в которых неизбежно появление электрической дуги, борьба с электрической дугой осуществляется при помощи электромагнитных катушек, совмещённых с дугогасительными камерами. Среди других способов известны использование вакуумных и масляных выключателей, а также методы отвода тока на временную нагрузку, самостоятельно разрывающую электрическую цепь.

Электрическая дуга используется при электросварке металлов, для выплавки стали (Дуговая сталеплавильная печь) и в освещении (в дуговых лампах).

См. также

Литература

1. Дуга электрическая — статья из Большой советской энциклопедии
2. Искровой разряд — статья из Большой советской энциклопедии
3. Райзер Ю. П. Физика газового разряда. — 2-е изд. — М.: Наука, 1992. — 536 с. — ISBN 5-02014615-3

Гашение электрической дуги в цепях постоянного и переменного тока

Гашение электрической дуги в цепях постоянного тока. При размыкании контактов аппарата, находящегося в цепи постоянного тока, возникает дуговой разряд. Для гашения возникающей дуги постоянного тока обычно стремятся повысить напряжение на дуге (и ее сопротивление) или путем растяжения дуги, или  путем повышения напряженности электрического поля в дуговом столбе, а большей частью – одновременно и тем и  другим путями. Это достигается применением специальных дугогасительных камер в выключающих аппаратах, задача которых состоит в том, чтобы обеспечивать быстрое растяжение дуги и  повышения напряжения  на ней, с одной стороны, а с другой, – ограничивать распространение порождаемого ею пламени и раскаленных газов в приемлемом объеме пространства.

Электрическую цепь следует отключать так, чтобы перенапряжения не превышали тех величин, которые может выдержать без пробоя электрическая изоляция. Такие условия выполняются  в рационально сконструированных выключателях с электрической дугой, при гашении которой большая часть электромагнитной энергии цепи превращается в тепловую и рассеивается столбом дуги в окружающую среду. В результате энергия, запасаемая в емкости, и перенапряжения на емкости снижаются. В этом отношении электрическая дуга играет положительную роль.

Напряжение на дуговом промежутке U_д меняется в процессе гашения дуги в соответствии с вольтамперной характеристикой (ВАХ) дугогасительного устройства. Для многих видов этих устройств ВАХ такова, что при малых токах напряжение U_д принимает большие значения. Это определяет возможность больших перенапряжений при гашении дуги. При применении ДУ типа дугогасительной решетки, в которой U_д почти не зависит от тока, а при малых токах остается относительно небольшим, эти перенапряжения значительно снижаются.

На рис. 3.5  представлены две формы ВАХ, где зависимость 1 имеет малое напряжение в области больших токов и очень высокий пик напряжения в области малых токов, а зависимость 2, наоборот, характеризуется более высокими напряжениями на дуге в области больших токов и имеет небольшой подъем напряжения при подходе тока к нулю. Вид 2 (см. рис. 3.5) приобретает ВАХ дуги, затянутой в узкую щель между плоскостями из жаростойкой керамики. В этом случае при больших токах дуговой столб испытывает сильную деформацию и подвергается интенсивному охлаждению. Вследствие этого напряжение на дуге значительно возрастает. В области же малых токов сечение дугового канала делается небольшим, следовательно, охлаждающее влияние плоскостей резко снижается, что приводит к относительно низким значениям напряженности электрического поля и напряжения на дуговом канале. Форму характеристики, подобную 1 (см. рис. 3.5), можно наблюдать, если контакты аппарата постоянного тока были погружены в масло. В этом случае охлаждающая и деионизирующая роль масла в области большого тока может быть незначительной, т.к. дуговой канал окутан газовым пузырем с малой теплопроводностью. В области же малых токов окружающее дугу масло может тесно соприкасаться с дуговым каналом, что существенно повышает отбор тепла от дугового канала и ведет к повышению напряженности на нем.

Задача гашения дуги постоянного тока сводится к соблюдению одного  из двух основных условий:

·   увеличению напряженности электрического поля Е в дуговом столбе, увеличению длины дуги или увеличению суммы падений напряжений у электродов. Последнее достигается увеличением количества металлических электродов, разбивающих дугу на ряд коротких дуг. Все эти факторы приводят к повышению напряжения на межконтактном промежутке;

·   увеличению сопротивления или снижению напряжения цепи.

Необходимо отметить, что чрезмерное увеличение длины дуги приводит к возрастанию размеров ДУ и может порождать в некоторых случаях значительные перенапряжения, опасные для изоляции установок, находящихся в коммутируемой цепи.

Весьма часто в ДУ постоянного тока применяют магнитное дутье, т.е. создают в зоне горения дуги поперечное магнитное поле, которое увеличивает скорость перемещения (и растяжения) дуги и способствует вхождению дугового столба в узкие щели между изоляционными стенками, что активно способствует гашению дуги и улучшает форму ВАХ.

Гашение электрической дуги в цепях переменного тока. Дуга переменного тока обычно гасится значительно легче, чем дуга постоянного тока. Чтобы погасить дугу постоянного тока, надо насильственно свести к нулю ток цепи путем непрерывного увеличения сопротивления дугового столба (практически ®¥).

При переменном токе этого делать не требуется: здесь через каждый полупериод ток естественным путем проходит через нулевое значение, и надо лишь воспользоваться этим обстоятельством и создать вблизи перехода через ноль такие условия в межконтактном пространстве, 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.

Однако существует ряд случаев, которые оказывают специфическое влияние на условия гашения дуги переменного тока.

Открытая дуга переменного тока при высоком напряжении источника. Открытая дуга переменного тока в моменты перехода через ноль сохраняет высокую проводимость, и поэтому в установках высокого напряжения гашение открытой дуги происходит не вследствие перехода тока через ноль и образования прочности промежутка, а главным образом вследствие растяжения дугового столба и образования на нем высокого напряжения горения.  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, наступает нарушение баланса мощностей (подводимой и отводимой), и ток цепи довольно быстро уменьшается и, наконец, совсем прекращается. Таким образом, в цепях, содержащих только активное сопротивление, критический ток и критическая длина дуги определяются выражениями: ; , где I_з – действующее значение тока цепи при закороченном дуговом промежутке.  Для цепей с индуктивным сопротивлением эти

выражения примут вид: ; , т.е. в цепях с индуктивным сопротивлением  I_кр и  l_кр имеют более высокие значения.

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 гашением открытой дуги 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 распадаетсяпосле 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 высокого напряжения.

Таким образом, дуга переменного тока в условиях активной деионизации дугового столба представляет собой такое явление, когда при каждом переходе тока через ноль возникает соревнование  двух процессов: процесса восстановления электрической прочности промежутка и процесса восстановления напряжения на промежутке. Исходя из такой трактовки процесса, можно 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. Существенно важной величиной при оценке жесткости сетей  является коэффициент превышения амплитуды, представляющий собой отношение максимального значения восстанавливающего напряжения U_вm к мгновенному значению напряжения источника в    момент перехода тока через ноль U₀: a= U_вm/ U₀ (1<a<2).

Таким образом, условие гашение дуги переменного тока при активной деионизации промежутка может быть сформулировано следующим образом: если после перехода тока через ноль прочность промежутка нарастает быстрее и остается все время выше, чем восстанавливающее напряжение на выключателе, то процесс заканчивается угасанием дуги.  При несоблюдении этого условия наступает повторный пробой и восстановление электрической дуги.

Электрическая дуга — это… Что такое Электрическая дуга?

Электрическая дуга (Вольтова дуга, Дуговой разряд) — физическое явление, один из видов электрического разряда в газе.

Впервые была описана в 1802 году русским учёным В. В. Петровым, однако большой вклад в развитие данного раздела внес ученый Никола Тесла. Электрическая дуга является частным случаем четвёртой формы состояния вещества — плазмы — и состоит из ионизированного, электрически квазинейтрального газа. Присутствие свободных электрических зарядов обеспечивает проводимость электрической дуги.

Электрическая дуга между двумя электродами в воздухе при атмосферном давлении образуется следующим образом:

При увеличении напряжения между двумя электродами до определённого уровня в воздухе между электродами возникает электрический пробой. Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния между электродами и пр. Зачастую, для инициирования пробоя при имеющемся напряжении электроды приближают друг к другу. Во время пробоя между электродами обычно возникает искровой разряд, импульсно замыкая электрическую цепь.

Электроны в искровых разрядах ионизируют молекулы в воздушном промежутке между электродами. При достаточной мощности источника напряжения, в воздушном промежутке образуется достаточное количество плазмы для того, чтобы напряжение пробоя (или сопротивление воздушного промежутка) в этом месте значительно упало. При этом искровые разряды превращаются в дуговой разряд — плазменный шнур между электродами, являющийся плазменным тоннелем. Эта дуга является по сути проводником, и замыкает электрическую цепь между электродами, средний ток увеличивается ещё больше нагревая дугу до 5000–50000 K. При этом считается, что поджиг дуги завершён.

Взаимодействие электродов с плазмой дуги приводит к их нагреву, частичному расплавлению, испарению, окислению и другим видам коррозии.

После поджига, дуга может быть устойчива при разведении электрических контактов до некоторого расстояния.

При эксплуатации высоковольтных электроустановок, в которых неизбежно появление электрической дуги, борьба с электрической дугой осуществляется при помощи электромагнитных катушек, совмещённых с дугогасительными камерами. Среди других способов известны использование вакуумных и масляных выключателей, а также методы отвода тока на временную нагрузку, самостоятельно разрывающую электрическую цепь.

Электрическая дуга используется при электросварке металлов, для выплавки стали (Дуговая сталеплавильная печь) и в освещении (в дуговых лампах).

См. также

Литература

1. Дуга электрическая — статья из Большой советской энциклопедии
2. Искровой разряд — статья из Большой советской энциклопедии
3. Райзер Ю. П. Физика газового разряда. — 2-е изд. — М.: Наука, 1992. — 536 с. — ISBN 5-02014615-3