книги / Электрические аппараты

Аналогичное устройство имеет вторая половина мостикового контакта.

Дугогасительный неподвижный контакт из металлоке­ рамики 9 расположен на вводе 10, подвижный И — на мо­ стике дугогасительных контактов 12. Аналогичное устрой­ ство расположено на второй половине выключателя. Вы­ ключатель имеет пневматический привод. При включении вначале перемещается верхний мостик 11 вниз, а нижний 13 вверх. Происходит замыкание дугогасительных контак­ тов. Затем перемещается верхний мостик 5 главного кон­ такта вниз, а нижний 6 вверх. При этом замыкаются глав­ ные контакты. При отключении вначале размыкаются (без дуги) главные контакты, а затем дугогасительные. Следует отметить, что из-за большого тока в переходных контактах выделяется мощность около 2 кВт. Для рассеивания этой

ходное сопротивление контактов, уменьшить мощность при­ водного механизма и габаритные размеры всего аппарата в целом.

Весьма перспективным является применение Ж М К в самовосстанавливающихся предохранителях (см. § 16.4).

Необходимо отметить и недостатки ЖМК:

1. Обычно применяемые контактные материалы галий и его сплавы с другими металлами требуют подогрева кон­ тактов до момента включения, так как температура окру­ жающей среды может быть ниже температуры затвердева­ ния этих материалов.

2. Большинство аппаратов с ЖМ К требуют определен­ ного положения в пространстве и подвержены влиянию сторонних механических воздействий (ударов, вибраций), что затрудняет их применение.

3.6. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА КОНТАКТОВ АППАРАТА

Пример 1. Контакты образованы двумя торнами медных цилиндров с диаметром d=0,03 м. Определить контактное нажатие при длитель­ ном токе 1000 А и токе КЗ 30 кА. Температура окружающей среды 0о=4О °С.

Необходимое контактное нажатие, Н, если исходить из длительного режима работы, по (3.10)

I2номВлНУ

Р =

Ш 2J^arccos

f 4 s '

<3340 Н неустойчива при КЗ. Если по конструктивным соображениям контактное нажатие нельзя увеличить до 3440 Н, то надо либо перехо­ дить на розеточную или многопальцевую контактную систему, либо за­ менить медь на металлокерамику. Так, при использовании металлоке­ рамики КМК-Б21 усилие 510 Н достаточно при ударном токе 76,6 кА

[3.1].

Пример 2. Определить необходимое давление серебряных одното­ чечных контактов. Длительный ток 10 А. Ток КЗ 100 А,

Для надежной работы контактов согласно (3.8) / н о м < 0,5t/K1.

Для серебра при l/Ki=0,09 В (табл. 3.1), (Ук доп—0,045 В; /?«=* =0,045/10=0,0045 Ом.

Для одноточечного контакта при RK=ki/P:^2 [формула (3.3)], kt— =0,006 (§ 3.1) P=(kJRK)2= (0,006/0,0045)2 = 1,68 H.

Для ориентировочного расчета можно принять, что условия непри­

варивания для серебряных контактов такие же, как и для медных, так как физические параметры материалов достаточно близки:

/уД = 255 A; fej= 1300 (табл. 3.2); Р = 255V069-104) = 0,0378 Н.

Поскольку контактное нажатие по номинальному току ЯПсм=1,68 Н больше контактного нажатия, определяемого по току КЗ Рк= 0,0378 Н, то выбираем нажатие Рпсм —1,68 Н.

Глава ч е т в е р т а я

ОТКЛЮЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Большая группа электрических аппаратов представле­ на коммутационными устройствами, с помощью которых замыкается и размыкается электрическая цепь. Электриче­ ский разряд, возникающий при размыкании контактов, приводит к их износу и в значительной степени определяет надежность и долговечность аппарата. Этот разряд в окру­ жающем контакт газе является либо тлеющим разрядом, либо электрической дугой. Тлеющий разряд возникает при отключении тока менее 0,1 А при напряжении на контак­ тах 250—300 В. Такой разряд происходит на контактах маломощных реле, а в более мощных аппаратах является переходной фазой к разряду в виде электрической дуги. Если ток и напряжение в цепи выше значений, указанных в табл. 3.3, то имеет место дуговой разряд, обладающий следующими особенностями:

1.Дуговой разряд имеет место только при относитель­ но больших токах. Минимальный ток дуги для различных материалов приведен в табл. 3.3 и для металлов составляет примерно 0,5 А.

2.Температура центральной части дуги очень велика

иможет достигать 6000—25 000 К.

3.При дуговом разряде плотность тока на катоде чрез­

вычайно велика и достигает 102— 103 А/мм2.

4. Падение напряжение у катода составляет всего 10—

20 В и практически не зависит от тока.

В дуговом разряде можно различить три характерные области: о к о л о к а т о д н у ю , область с т о л б а д у г и и о к о л о а н о д н у ю. В каждой из этих областей процес­

сы и о н и з а ц и и и д е и о н и з а ц и и протекают по-раз­ ному.

а) Околокатодная область.

Занимает весьма небольшое пространство длиной не более 10~6 м. Около катода возникает положительный объ­ емный заряд, создаваемый положительными ионами. Меж­ ду этим положительным объемным зарядом и катодом со­ здается электрическое поле с напряженностью до 107 В/м, в котором движутся электроны, вышедшие из катода и со­ здающие электрический ток. Электрическое поле воздейст­ вует на электроны, увеличивая их скорость. При соударе­ нии такого электрона с нейтральной частицей может прои­ зойти ионизация, для чего электрон должен обладать определенной энергией.

Напряжение Ut (разгоняющее напряжение), которое должен пройти электрон для приобретения энергии, необ­ ходимой для ионизации, называется потенциалом иониза­ ции. Для газов этот потенциал колеблется от 24,58 В (ге­ лий) до 13,3 В (водород). Пары металлов имеют значи­ тельно меньший потенциал ионизации. Так, для паров меди он равен 7,7 В.

Положительные ионы, так же как и электроны, разгоня­ ются электрическим полем, но из-за большой массы ско­ рость их много меньше. При ударе положительного иона о нейтральную частицу меньшая часть энергии передается на ионизацию, так что ионизация толчком происходит в основном за счет электронов.

Ввиду малой протяженности околокатодной области электроны не набирают скорости, достаточной для иониза­ ции ударом. Чаще всего после удара атом переходит в возбужденное состояние (электрон атома переходит на более удаленную от ядра орбиту). Для ионизации возбуж­ денного атома требуется меньшая энергия. В результате необходимый потенциал ионизации уменьшается. Такая ионизация называется ступенчатой. При ступенчатой иони­ зации необходим многократный удар электронов по атому: на каждый образующийся положительный ион требуются десятки электронов. Поэтому ток около катода, несмотря на наличие положительных ионов, носит электронный ха­ рактер.

Образующиеся электроны не создают около катода от­ рицательного объемного заряда, так как их скорость зна­ чительно больше скорости тяжелых положительных ионов. Положительные ионы разгоняются в поле катодного паде­

ния напряжения и бомбардируют катод. Благодаря этому температура катода поднимается и достигает точки испа­

существовать только за счет автоэлектронной эмиссии, со­ здаваемой у катода электрическим полем.

не происходит.

При большой температуре, которая имеет место в об­ ласти дугового столба, скорость частицы возрастает до значения, при котором удар в нейтральный атом приводит к его ионизации. Такая ионизация называется термической. Основным источником ионов и электронов в столбе дуги является термическая ионизация. Чем меньше масса части­ цы, тем больше ее скорость движения. Количество зарядов, появляющихся в результате термической ионизации, мож­ но определить с помощью уравнения Саха;

ла ионизированных частиц к полному числу атомов в дан­ ном объеме; р — абсолютное давление газа, Па; Т — аб­

Таким образом, с ростом давления степень ионизации х уменьшается. В связи с этим во многих дугогасящих уст­ ройствах (ДУ) электрических аппаратов создается повы­ шенное давление газа, что способствует гашению дуги. Очень сильное влияние на ионизацию оказывает темпера­ тура. Для большого числа двухатомных газов из-за сту­ пенчатой ионизации процесс образования ионов начинается при температурах 6•103 К. Пары металла ионизируются значительно легче. Заметная ионизация начинается уже при температурах 3000—4000 К. Поэтому в ДУ необходимы меры против попадания металлических паров электродов

в столб дуги (уменьшение сечения плавких вставок предо­ хранителей, перемещение дуги по электродам, уменьшаю­ щее температуру электродов, а следовательно, их испаре­

ние, и др.).

Поскольку степень ионизации определяется температу­ рой, во всех ДУ стремятся отводить тепло от дуги за счет либо охлаждения движущимся воздухом или газом (воз­ душные, масляные выключатели), либо отдачи тепла стен­ кам дугогасительной камеры.

В дуговом столбе наряду с ионизацией протекают про­ цессы деионизации за счет рекомбинации и диффузии.

Рекомбинация — это нейтрализация частиц за счет соединения ионов с зарядами различных знаков. В дуговом столбе рекомбинация электрона и положительно заряжен­ ного иона из-за большого различия в их массе маловероят­ на. Обычно рекомбинация происходит так, что сначала электрон отрицательно заряжает нейтральную частицу, после чего происходит рекомбинация положительного и об­ разовавшегося отрицательного ионов. Очевидно, что чем больше зарядов в единице объема, тем сильнее будет ре­

где \dri/dt\ï> — скорость уменьшения числа зарядов в ре­ зультате рекомбинации; а — коэффициент рекомбинации; п — число ионов одного знака (в стационарном режиме число положительных и отрицательных ионов в столбе ду­ ги одинаково).

Коэффициент рекомбинации зависит от рода газа, дав­ ления и температуры. При спадании температуры коэффи­ циент рекомбинации сильно возрастает. Ориентировочно можно считать, что коэффициент рекомбинации обратно пропорционален абсолютной температуре в третьей степе­ ни.

Деионизация в столбе идет также за счет диффузии. Вследствие теплового движения частиц происходит вырав­ нивание плотности заряженных частиц, число частиц в столбе дуги уменьшается, сопротивление дугового столба увеличивается.

Из теории диффузии газов известно, что. скорость убы­ вания числа частиц пропорциональна их количеству:

где \dn/dt\A— скорость убывания частиц за счет диффу­ зии; п — число заряженных частиц одного знака; г—ради­ ус столба дуги; D = Xv/3 — коэффициент диффузии; % — длина свободного пробега иона; v — средняя скорость дви­ жения иона.

Анализ (4.3) показывает, что скорость убывания числа заряженных частиц резко возрастает с уменьшением г. По­ этому в ДУ широко используется принцип узкой щели, об­ разованной дугостойкими стенками с высокой теплопровод­ ностью.

При этом столб дуги деформируется стенками ДУ, а его сечение приобретает прямоугольную форму. Суммируя ре­ зультаты ионизационных процессов в дуге, можно запи­

Для стабильно горящей дуги, сопротивление которой неизменно при данном токе, dn/dt= 0, т. е. скорость роста числа ионизированных частиц равна скорости их исчезно­ вения. Устанавливается динамический баланс. В случае погасания дуги d n /d t< 0. Зарядов, которые образуются при ионизации, меньше, чем исчезает при деионизации.

и процесс деионизации в значительной степени определя­ ются температурой дугового промежутка. Последняя за­ висит от количества тепла, выделяемого в дуге и отводи­ мого от дуги.

Охлаждение дуги происходит за счет излучения, тепло­ проводности и конвекции.

Для открытой дуги, горящей в воздухе, излучением от­ дается 15—30 % выделяемой в дуге энергии. Для дуги, го­ рящей в закрытом ДУ, доля тепла, отдаваемого лучеиспу­ сканием, меньше.

Отвод тепла за счет теплопроводности газа в значи­ тельной степени зависит от его температуры. Так, при тем­ пературе 4000 К молекулы водорода диссоциируют на атомы. При этом от дуги отводится большое количество тепла. Внешне этот процесс представляется как резкое уве­ личение теплопроводности. Теплопроводность газа сильно

зависит от его природы. Так, средняя теплопроводность водорода в 17 раз больше, чем воздуха. Благодаря своей высокой теплопроводности при прочих равных условиях водород способствует более быстрому охлаждению столба дуги. Ток, отключаемый в атмосфере водорода, в 7,5 раза больше, чем в воздухе при том нее давлении.

При горении дуги в трансформаторном масле последнее разлагается с выделением водорода, что способствует эф­ фективному гашению дуги. В некоторых аппаратах под действием магнитного поля дуга перемещается с большой скоростью относительно воздуха, что приводит к ее ох­ лаждению за счет конвекции. Этот вид теплоотдачи наря­ ду с теплопроводностью является определяющим для про­ цесса гашения.

г) Околоанодная область. Поток электронов из столба дуги устремляется к положительному электроду — аноду. Анод при дуговом разряде не излучает положительных ионов, которые могли бы нейтрализовать электроны. По­ этому вблизи анода создается отрицательный объемный заряд, что и вызывает появление околоанодного падения напряжения и повышение напряженности электрического поля. Околоанодное падение напряжения зависит от темпе­ ратуры анода, его материала и значения тока.

Электроны разгоняются в поле, образованном отрица­ тельным объемным зарядом и анодом. Энергия, приобре­ тенная электронами, отдается аноду. Благодаря большой энергии электронов анод нагревается до очень высокой температуры, которая, как правило, выше температуры ка­ тода. Мощный поток электронов выбивает из анода элект­ роны, которые также участвуют в создании отрицательного объемного заряда.

Высокая температура анода и околоанодная область не оказывают существенного влияния на возникновение и ус­ ловия существования дугового разряда. Роль анода сво­ дится к приему электронного потока из дугового столба.

Для дуги большого тока околоанодное падение напря­ жения столь мало, что им можно пренебречь.

Распределение напряжения, напряженности электриче­

представлено на рис. 4.1.

Падение напряжения у катода составляет 10—20 В и за ­ висит от материала катода и свойств газа, в котором горит дуга. Околокатодное падение напряжения несколько мень-

При больших токах околоанодное напряжение уменьшает­ ся, в то время как околокатодное напряжение остается по­ стоянным.

В некоторых аппаратах низкого напряжения длина дуги невелика. Падение напряжения на столбе дуги мало по сравнению с суммой падения напряжения у катода и ано­ да. Такие дуги называются короткими. Условия гашения к о р о т к о й д у г и в значительной степени определяются процессами, происходящими у электродов, и условиями их охлаждения.

В аппаратах высокого напряжения падение напряже­ ния на столбе дуги значительно больше околоэлектродных, и последними можно пренебречь. Условия существования

число ионизированных частиц в разряде и падает электри­ ческое сопротивление дуги гд.

Напряжение на дуге равно ira. При увеличении тока сопротивление дуги гд уменьшается так резко, что напря­

возникающих зарядов. Однако при этом возрастает число исчезающих зарядов, так что результирующая скорость изменения числа заряженных частиц при новом значении тока равна нулю.

При переходе от одного значения тока к другому теп­ ловое состояние дуги не изменяется мгновенно. Электриче­ ская дуга обладает тепловой инерцией. Если ток изменя­ ется во времени медленно, то тепловая инерция разряда не сказывается. Каждому значению тока соответствует оп­ ределенное значение сопротивления дуги или напряжения на ней.

ВАХ дуги, снятая при медленном изменении тока, на­ зывается с т а т и ч е с к о й .

Статическая характеристика дуги зависит от расстоя­ ния между электродами (длины дуги), материала элект­ родов, параметров среды и условий охлаждения. Напря­ жение на дуге ид можно рассматривать как сумму околоэлектродных падений напряжения иэ и падения напряже­ ния в столбе дуги:

дуги; I — длина столба дуги.

Величина Еп зависит от тока и условий горения дуги. Статические ВАХ дуги изображены на рис. 4.2. Чем боль­ ше длина дуги, тем выше лежит ее статическая ВАХ. С ро­ стом давления среды, в которой горит дуга, также увели­ чивается напряженность Е„ и ВАХ поднимается так же, как показано на рис. 4.2.

Охлаждение дуги существенно влияет на ВАХ. Чем ин­ тенсивнее охлаждение дуги, тем большая мощность от нее отводится. При этом должна возрасти мощность, выделя­ емая дугой. Поскольку при заданном токе это возможно за счет увеличения напряжения на дуге, то ВАХ поднимается, что широко используется в ДУ.

б) Условия стабильного горения и гашения дуги. Рас-