Електрична дуга та способи дугогасіння
Завантажити конспект в форматі “docx” ви можете в кінці опису
Розмикання електричних кіл комутуючими пристроями під напругою супроводжується виникненням електричної дуги. Дуга виникає при струмах більше 0,5-1,0 А и напругах вище 15… 18 В. У тягових апаратах дуга з’являється при розмиканні під струмом силових і допоміжних кіл, а також кіл управління з великими індуктивностями.
Несприятливі впливи електричної дуги, такі як підгоряння контактів та її впливи на роботу електричного обладнання, значно менш небезпечні, чим комутаційні перенапруги, які виникають при її відсутності. Пристрої дугогасіння варто розглядати як засоби керування електричною дугою, для чого необхідно знати її властивості та характеристики.
Електричну дугу визначають як один з видів електричних розрядів у газовому середовищі. Електрична дуга — це процес проходження струму в середовищі іонізованих газів при термічному характері їхньої іонізації. Щільність струму в дугах, властивих тяговим апаратам, становить (0,4-0,9)х102 А/мм2, хоча в окремих випадках можуть бути й значно вище. З підвищенням температури щільність струму в дузі росте. На катоді утвориться катодна пляма у вигляді розплавленого металу, у безпосередній близькості від якого виникає об’ємний заряд — електронна хмара.
Електрони в стані вибивати з поверхні холодного катода нові електрони і іони. Однак стійке горіння дуги відбувається лише при активному (розпеченому) катоді. Розміри катодної плями випадкові. Стовбур дуги являє собою потік іонів, заряджених негативно, хоча в ньому є невелика кількість позитивних іонів, а також вільних електронів. Стовбур можна розглядати як своєрідний провідник, що володіє багатьма властивостями газів.
Тому стовбур легко деформується під впливом різних зовнішніх факторів. Природне гасіння дуги відбувається в результаті її подовження, охолодження та розділу на кілька послідовних дуг з використанням таких найпростіших пристроїв, як рога, захисні камери, перегородки та ряд інших. Штучне гасіння дуги здійснюється її видуванням під впливом магнітних потоків або повітрям в систему дугогасіння, а також включенням паралельно контактам резисторів або конденсаторів.
Також використовуються розмикання контактів в масляній ванні або у вакуумі. Магнітне дугогасіння передбачає вплив на електричну дугу магнітного поля. Його пристрої порівняно прості, не вимагають додаткових джерел енергії, тому одержали в тягових апаратах широке поширення. Таке дугогасіння має більшість комутаційних тягових апаратів.
Існують два різновиди магнітного дугогасіння — електромагнітне та дугогасіння з постійними магнітами. Дугогасіння з постійними магнітами застосовують рідко, тільки в тих випадках, коли необхідно виключити вплив індуктивності дугогасильної котушки. На ЕРС таке дугогасіння використовують тільки в розрядниках. У системі електромагнітного дугогасіння провідник одного з контактів завертають у котушку.
Котушку, яка створює магнітний потік, включають послідовно в ланцюг контактів комутаційного апарата. Це забезпечує її автоматичне вимикання після розриву апаратом ланцюга струму. При дії струму в котушці створюється магнітний потік, який направляє стовбур дуги в систему дугогасіння. Як правило, ця система являє собою два роги біля контактів та дугогасильну камеру.
Також вас може зацікавити:
Стовбур дуги перекидається на роги та витягується. При збільшенні довжини дуги опір її зростає, і дуга гасне. Горіння дуги проходить на рогах, контакти при цьому залишаються неушкодженими. Дугогасильна камера має бокові сталеві щоки, які направляють стовбур дуги до системи її дроблення. Дроблення дуги можливе у поперечній та повздовжній площинах і залежить від конструкції дугогасильної камери.
Розрізняють дугогасильні камери — багатощілинні, однощілинні, лабіринтові, радіальні і їхні модифікації. Вони призначаються для того, щоб забезпечити електричну та теплову ізоляцію дуги від елементів конструкції. У дугогасильних камерах тягових апаратів, які мають габаритні обмеження, прагнуть розмістити дуги можливо більшої довжини в обмеженому просторі.
Камери служать також приймачами теплової енергії, що розсіює дугу, а іноді підсилюють тепловіддачу від стовбура дуги в навколишній простір. Для виготовлення дугогасильних камер тягових апаратів застосовують переважно спеціальні дугостійкі пластмаси КМК-218, ПКО-1-3-1 або електротехнічний азбестоцемент АЦЭИД.
Для допоміжних контакторів допускається застосування пластмаси МФК-20. Не нормуються, але мають велике значення властивості поверхні контактів, здатність виділяти при обгоранні деіонізуючі гази. У багатощілинних камерах (рис. 8.7) стовбур дуги розбивається внутрішніми перегородками на ряд
Рис. 8.7 Багатощілинна дугогасильна камера: 1 – дуга; 2 – стінки камери; 3 – перегородка
паралельних дуг, погасити які легше, ніж одну дугу великої потужності. Для того щоб дуга розділилася, потрібна ширина щілини 2-2,5 мм. Однак у багатощілинних камерах тягових апаратів робити такі щілини не можна, тому що виникають теплові деформації перегородок, при яких щілини такої ширини можуть бути перекриті, крім того, їх неможливо очищати при технічному обслуговуванні.
Зазвичай приймають розмір щілин 5-4-8 мм, і дуга горить у якійсь одній щілині. Вибірковість діючих щілин випадкова, а застосування декількох перегородок якоюсь мірою виправдано їхнім взаємним резервуванням, розосередженням зношування, підвищенням теплоємності дугогасильної камери. Тому ефективність багатощілинних камер невисока.
До позитивних якостей багатощілинних камер можна віднести порівняно мале зношування перегородок, найбільш просте технологічне оснащення для їхнього виготовлення, простоту технічного обслуговування. Привабливість застосування однощілинних камер, (рис. 8.8) визначається можливістю виготовлення їх з вузькою щілиною.
Вузька щілина, деформуючи поперечний переріз стовбура дуги, збільшує поверхню тепловіддачі (особливо на вході дуги у вузьку щілину), підсилює розсіювання енергії дуги. Первісний діаметр стовбура найбільше сильно деформується в зоні входу у вузьку щілину, при подальшому просуванні дуги знижується площа перетину стовбура, а розсіювання енергії дугою відносно стабілізується. Наприкінці процесу дугогасіння стовбур дуги може вільно розміститися в щілині.
При електромагнітному дугогасінні необхідно створити високу магнітну напруженість поля. Надмірне форсування гасіння дуги в цьому випадку неприпустимо, тому що воно може привести до зрізу струму і високих перенапруг. У тягових апаратах з однощілинними камерами коефіцієнт використання простору той же, що й у багатощілинних, а внаслідок швидкого зношування стінок їхні характеристики в експлуатації виявляються нестабільними, надійність нижче.
Рис. 8.8 Контактор з однощілинною камерою: 1 – дугогасильна камера; 2 – блок-контакти; 3 – якір; 4 – котушка; 5 -сердечник
Однощілинні камери із широкою щілиною застосовують на ЕРС змінного струму в допоміжних ланцюгах. Широка щілина сприяє швидкій деіонізації міжконтактного простору. Дугогасильна камера радіального типу (рис. 8.9) відрізняється тим, що її простір перегороджений глухими ізоляційними перегородками, спрямованими радіально стосовно дуги. У такій камері можна розмістити дугу значної довжини.
Використання простору камери тим краще, чим більше число перегородок і їхня висота. До недоліків радіальних камер, які широко застосовувані у закордонному тяговому апаратобудуванні і не достатньо використовувані у вітчизняному, можна віднести високе місцеве зношування перегородок. У щілинних камерах дуга сковзає по поверхні перегородок або бічних стінок камери.
У радіальних камерах дуга охоплює перегородки по фіксованих трасах, на які вона впливає до загасання. Особливо сильно вигорають внутрішні крайки перегородок. Для обмеження їхнього вигоряння в кінцях перегородок часто роблять вставки з теплостійкої порцеляни — стеатиту. Однак він, внаслідок крихкості, не дуже підходить для тягових апаратів.
Рис. 8.9 Радіальна дугогасильна камера
У лабіринтових камерах (рис. 8.10) можна регулювати процеси горіння дуги, змінюючи зазори — ширину щілини. Для більшості комутаційних апаратів такі камери найчастіше виконують із двох профільних
Рис. 8.10 Лабіринтова дугогасильна камера
боковин, скріплених шпильками. Змінюючи профіль боковин, можна одержати дугогасильну щілину різної форми. Найчастіше їх виконують зиґзаґоподібної форми, однакової ширини як на бічних стінках перегородок, так і на перегинах. При цьому радіальні подовження дуги не відбуваються, і камера стає, власне кажучи, однощілинною з вузькою щілиною, забезпечуючи подовження дуги тільки завдяки поперечним деформаціям дуги.
Створення лабіринтових камер зі змінними профілями у радіальному напрямку дозволяє гнучко регулювати в продовженні періоду горіння дуги градієнт спадання напруги для одержання кращих комутаційних властивостей апарата. Дугогасильні (деіонні) ґрати являють собою набір мідних або сталевих пластин, розташованих радіально і ізольованих одна від іншої в зоні дугогасіння. Досягши цих пластин, дуга розбивається між ними на окремі, включені послідовно дуги.
При цьому різко зростає її сумарний опір. Таке підвищення спадання напруги дуги досить ефективно, особливо при змінному струмі. Ця властивість підсилюється зі збільшенням числа пластин. Такий спосіб широко використовують у низьковольтних апаратах змінного струму, застосовуючи дугогасильні ґрати як основний засіб дугогасіння. При напругах в десятки тисяч вольт цей спосіб не такий ефективний через необхідність мати велику кількість пластин.
Деіонні ґрати на вихлопному отворі камери можуть викликати різке зниження струму, подібне його зрізу. Для згладжування процесу вимикання іноді частину пластин шунтують резистором. Газове дугогасіння засновано на використанні впливу на дугу потоку газів. При цьому можливий як механічний вплив газів на дугу (захоплення часток стовбура дуги газовим потоком, його подовження і розрив), так і посилення охолодження стовбура дуги холодним газовим потоком або газами підвищеної теплоємності, що роблять сильний деіонізуючий вплив.
У тягових апаратах знайшли застосування два основних види газового дугогасіння — розширювальне, при якому потік газів створює сама дуга, і повітряне, коли на дугу діє штучний повітряний струмінь. При повітряному дугогасінні в більшості випадків неминуча поява зрізів струму або його різких знижень, близьких до зрізів. Тому для обмеження комутаційних перенапруг повітряний вимикач шунтують резистором нелінійного опору.
Це створює необхідність встановлення додаткового роз’єднувача. Повітряне дугогасіння не слід змішувати із застосовуваною іноді в контакторах продувкою дугогасильної камери. Продувка призначена для деіонізації камери після загасання дуги, але не може зробити помітного впливу на горіння дуги. Для цього недостатня швидкість повітря, і, крім того, потік спрямований не оптимально стосовно дуги.
Принцип розширювального дугогасіння полягає в руйнуванні стовбура дуги в процесі імпульсного підвищення тиску в зоні дугогасіння, а потім його імпульсного зниження. При цьому іонізовані частини стовбура розсіюються та руйнується його цілісність як провідника струму. Ефект дугогасіння підсилюється, якщо простір стовбура заповнюється нейтральною, неіонізованою масою (рідиною, порошком, піском).
Прискорити процес гасіння дуги можуть деіонізуючі гази, які виділяються в зоні гасіння. За умовами роботи на ЕРС застосовувати масляні вимикачі, що працюють за цим принципом, неможливо. Розширювальне дугогасіння використовують тільки в плавких запобіжниках (рис. 8.11).
Рис. 8.11 Загальний вид – а); розрізи плавких запобіжників на струми 20 А, 30 А – б); ПКПС-3-32/32-20 до 20…80 А – в); ПР-2 на 15, 60,100 та 200 А – г); ПК-45 від 0,15 до 15 А – д); 80 А та вище – е); до 10 А – ж): 1, 5 – опорні ізолятори; 2. 4 – контакти, 3 – порцелянова або скляна трубка; 6 – плавка вставка; 7, 8, 20 – пружини; 9, 12 -металеві ковпачки; 10, 11 – фіброва трубка; 13 – азбестова вата, 14 – пробка, 15 – мармурова крихта; 16, 22 – контактний ніж; 17 – пластмасова підстава, 18 – втулка металева; 19 – пластмасова голівка, 21 – отвір для виходу газу; 23 – сталева скоба; 24 -азбест
Спочатку такі запобіжники виконували з вихлопом газів у навколишній простір (високовольтні запобіжники «стріляючого» типу для захисту допоміжних кіл). Однак при цьому відбувалася така іонізація повітря високовольтної камери, при якій виникали дуги в інших ланцюгах. Застосовують плавкі запобіжники тільки герметичним, заповненим кварцовим піском або мармуровою крихтою та крейдою. У герметичних запобіжниках, особливо із кварцовим піском, при розплавлюванні вставки утвориться трубчастий канал зі стінками з склоподібної маси.
Також вас може зацікавити:
Електрорухомий склад (електровози, електропоїзди) Електронний підручник (docx)
