Электрические дуги

Электрическая дуга

Электрическая дуга постоянного тока и условия её гашения

 

При коммутации токоведущих частей в определённый момент может произойти данная ситуация:

 

В результате повышенной плотности тока загорается дуга

 

 

 

 

 

 

Дуга – низкотемпературная плазма (несмотря на то, что в воздухе температура дуги около 10000° С), в основном состоит из ионизированных газов.

В процессе горения дуги действуют 2 противоположно направленных процесса:

Процессы ионизации (поставляют заряды в зону горения дуги)

1.Термоэлектронная эмиссия (ТЭЭ) – процесс испускания зарядов  с расплавленного проводника.

2.Автоэлектронная эмиссия (АЭЭ) – процесс испускания зарядов  под действием высокой разности  потенциалов на границе проводник-дуга.

3.Ударная ионизация (УИ) –  процесс ионизации нейтральных  частиц зарядами с высокой  энергией.

4.Тепловая ионизация (ТИ) – процесс ионизации частиц  за счёт броуновского движения.

Процессы деионизации (приводят к уменьшению количества зарядов в зоне горения дуги)

1.Рекомбинация

2.Вынос зарядов в окружающую  среду

Дуга горит устойчиво, когда процессы ионизации и деионизации уравновешенны (то есть когда число зарядов неизменно а, следовательно, сила тока в дуге постоянна)

Рассмотрим дугу постоянного тока (между двумя контактами)

I – зона прикатодного пространства, определяется длиной свободного пробега молекулы в среде (порядка 10-6 м) ∆UК не зависит от силы тока (для воздуха порядка 15-20 В)

II – ствол дуги Uст линейно зависит от длины дуги

III – зона прианодного пространства (порядка 10-6 м) ∆UА зависит от силы тока, но слабо.

 

 

В целом дуга является нелинейным сопротивлением. ВАХ дуги выглядит следующим образом:

 

                              1. Uз – напряжение зажигания дуги

2. Устойчивое горение дуги

3. Uг – напряжение гашения                        

 

 

 

Согласно со вторым законом Кирхгофа:

 

 

 

 

 

 

, если i=const, то есть когда дуга горит неизменно

                                                   

1,2 – точки устойчивого  горения дуги 

1 – точка неустойчивого  равновесия

2 – точка устойчивого  равновесия

Допустим происходит увеличение тока, тогда ток возвращается в точку 2. Если по какой либо причине произошло небольшое уменьшение тока, дуга вернётся в точку 2.

При уменьшении тока левее точки 1 дуга погаснет.

Единственный способ затушить дугу – повысить падение напряжения в дуге (увеличение падения напряжения в дуге приводит к сближению точек 1 и 2, что, в свою очередь, приводит к гашению дуги)

 

Для гашения дуги нам надо тормозить процессы ионизации и ускорять деионизацию.

Способы гашения дуги:

1)Охладить дугу (замедляется  Броуновское движение)

2)Обдув дуги (увеличивается  длина дуги, происходит вынос  электронов)

3)Увеличить расстояние  между электродами

4)Многократный разрыв (Применяется  для всех выключателей выше 10кВ)

 

Электрическая дуга переменного тока

 

Если после гашения дуги она не восстанавливается, то напряжение на контактах восстанавливается до Uсети. Процесс восстановления напряжения на контактах очень сложен.

Как видно из рисунка дуга переменного тока самопроизвольно загорается и гасится с частотой равной частоте сети. Логично попытаться успеть развести контакты на достаточное расстояние, но технически это очень сложно (слишком короткий промежуток времени)

 

1-точка загорания дуги

3-точка гашения дуги

Дуга повторно загорается когда напряжение на контактах  превышает диэлектрическую прочность между контактами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Способы гашения дуги в электрических аппаратах

 

Силовой выключатель – электрический аппарат, предназначенный для коммутации трёхфазных цепей переменного тока в различных режимах работы и для коммутации токов КЗ.

Операции коммутации:

1)Включение

2)Отключение

Отключать КЗ может только силовой выключатель.

 

 

 

Гашение дуги в масле.

 

При горении дуги масло, в основном, разлагается на водород,  который обладает хорошей теплоемкостью, следовательно является хорошим охладителем. Масло расширяется и выплескивается через отверстие  в корпусе, вокруг дуги создается «воздушный пузырь», что вызывает растяжение дуги и также способствует её гашению.

 

 

 

Выключатели

 

1)Масляные выключатели.

Трансформаторное масло является как изоляцией так и дугогасящей средой.

 

Недостатки:

- габариты: для выключателя 220кВ – 27т масла (3 бака по 9 тонн)

- взрыво - пожаро опасность

 

 

 

2)Маломасляные выключатели.

Объём масла в отличие от масляных выключателей несколько килограмм. Масло используется только в качестве дугогасительной среды.

Общим недостатком масляных и маломасляных выключателей является плохая способность к гашению малых токов.

 

 

 

 

 

 

 

 

3)Воздушные

Выключатели 110кВ и выше. Давление 20-40 атмосфер.

 

Преимущества:

- Интенсивное дутьё;

- Интенсивность дутья  не зависит от силы тока.

Недостатки:

- расстояние между контактами;

- большие габариты;

- наличие компрессора;

- взрывоопасность.

 

4)Электромагнитные выключатели

 

РК – рабочий контакт с маленьким сопротивлением

ДК – дугогасительный контакт из тугоплавкого металла с высоким сопротивлением

При разрыве РК электромагнитное поле начинает растягивать дугу и затягивать её в ДГК. Соприкасаясь

с холодным материалом ДГК дуга охлаждается и гасится.

 

 

 

5)Вакуумные выключатели

У дуги в вакууме отсутствует основной вид ионизации – тепловая ионизация. Источниками заряда являются только те заряды которые вырываются с поверхности проводника. У вакуума самая высокая диэлектрическая прочность (достаточно развести контакты всего лишь на 1,2 см)

Длина свободного пробега частиц больше длины камеры

 

Сложная форма контактов (показана на рисунке внизу) используется для раскрутки дуги. Пары метала осядут на ДГК.

Гарантируется 20000 циклов включения-отключения. Межремонтный промежуток 30 лет. Вероятность отказа оборудования 0,002 отказа/год – то есть практически абсолютная надёжность.

Достоинства: Чрезвычайная компактность, чрезвычайное быстродействие, гашение дуги при первом переходе через

     ноль, не требует обслуживания

     Недостатки: Неремонтопригодны, гашение дуги

     сопровождается  жёстким рентгеновским излучением.

     Проблемы связанные с использованием вакуумных

     выключателей: Отвод энергии дуги, рентгеновское  излучение,

     широкое применение  таких выключателей отрицательно

     сказывается  на уровне коммутационных перенапряжений  в

     электрической  сети.

6)Элегазовые выключатели

Используются повсеместно от 35 кВ и до 500 кВ.

Достоинства: Чрезвычайно высокая диэлектрическая прочность, чрезвычайная компактность, взрыво-пожаро безопасность, элегаз не поддерживает процессы коррозии и окисления, элегаз – хороший охлаждающий агент.

Недостатки: Необходимость специальных устройств для наполнения, перекачки и очистки элегаза, относительно высокая стоимость элегаза.

На рисунке показано устройство ЭлеКРУ. (элегазового комплектного распределительного устройства)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Условия работы проводников и аппаратов

 

Отрицательное воздействие на оборудование делится на тепловое и электродинамическое.

 

Термическое воздействие токов на части электроустановок

 

1)Термическое действие  длительно протекающих токов (нормальный  режим с допустимыми перегрузками)

Q=I2R=dt Эта теплота расходуется нагрев проводника(Q1) и нагрев окружающей среды(Q2)

Q1=mc∆t=mcϑdt

ϑ=θпр-θ0          

Q2=kFdϑ, где F-площадь поверхности, k-коэффициент теплопередачи

i2Rdt=mcϑdt+kFdϑt

ϑ =

ϑ =   при t=0 (то есть в начальный момент времени) A=

При длительном протекании тока по проводнику ϑ достигнет своего установившегося значения ϑуст

 

τ-постоянная времени нагрева (для проводника это минуты для трансформатора – часы)

τ=

Процесс нагрева можно считать установившимся за 3-4τ

t=0:

t=∞:

 

Нагрев проводников при КЗ

 

Уровни токов КЗ несколько порядков превышают токи нормального режима.

Процесс нагрева посредством тока КЗ можно считать адиабатическим.

, где  - время срабатывания релейной защиты

      - собственное время отключения выключателя

Ограничением по нагреву является механическая прочность проводника.

- нагрев проводника

- нагрев среды

- тепловой импульс

Под термической стойкостью аппарата понимают его способность выдерживать без повреждений и перегрева свыше норм термическое действие токов короткого замыкания определенной длительности. 
 
Термическая стойкость характеризуется током термической стойкости /т. 
 
Для выключающих аппаратов термическая стойкость задается обычно 10-секундным током и наибольшим током термической стойкости /т. 
 
Термическая стойкость аппарата может быть оценена величиной кратности тока термической стойкости по отношению к номинальному току или коэффициентом термической стойкости &т. 
 
Наибольший ток термической стойкости аппарата не должен превышать начального эффективного значения периодической составляющей предельного сквозного тока, т. 
 
Материалы для дугогасительных устройств должны обладать повышенной стойкостью к воздействию электрической дуги, прочностью, влагостойкостью. 
 
Под термической стойкостью реле понимают его способность противостоять тепловым перегрузкам при протекании в обмотках аварийных токов. 
 
Термическая стойкость характеризуется допустимыми значениями кратности тока, протекающего по реле в 1 с. 
 
Термической стойкостью ЭА называется способность выдерживать без повреждений препятствующее дальнейшей работе термическое воздействие, протекающих по токоведущим частям токов заданной длительности. Качественной характеристикой термической стойкости является ток термической стойкости, протекающий в течение определенного промежутка времени. 
 
Наиболее напряженным для ЭА является режим КЗ, в процессе которого токи могут возрастать в 10-ки раз, а мощности источников теплоты-в сотни раз. 
 
Термическая стойкость ЭА зависит не только от режима КЗ, но и от теплового состояния, предшествующего режиму КЗ. 
 
Режим КЗ - это как правило аварийный режим, поэтому время его действия ограничивается до минимально возможного. Для большинства ЭА это время не превосходит время нагрева при адиабатном процессе (нагрев без теплообмена с окружающей средой). 
 
Количество тепла, выделенного в проводнике в течение времени dt, будет составлять:

где I — действующее значение тока, проходящего по проводнику, а; Ra — активное сопротивление проводника при переменном токе, ом; Р—мощность потерь, переходящих в тепло, вm. Часть этого тепла идет на нагрев проводника и повышение его температуры, а остальное тепло отводится с поверхности проводника за счет теплоотдачи.

Энергия, идущая на нагрев проводника, равна

где G — вес токоведущего проводника, кг; с — удельная теплоемкость материала проводника, em•сек/кг•град; Θ — перегрев — превышение температуры проводника по отношению к окружающей среде:

v и vо—температуры проводника и окружающей среды, °С.

Энергия, отводимая с поверхности проводника в течение времени dt за счет теплоотдачи, пропорциональна превышению температуры проводника над температурой окружающей среды:

где К — общий коэффициент теплоотдачи, учитывающий все виды теплоотдачи, Вm/см2 °С; F — поверхность охлаждения проводника, см2,

Уравнение теплового баланса за время неустановившегося теплового процесса можно записать в следующем виде:

или

или