книги / Электрические аппараты

зультнрующая электрическая прочность равна сумме всех околокатодных прочностей. Если результирующая прочность больше пика восста навливающегося, напряжения, то дуга гаснет при первом же прохож­ дении тока через нуль.

4 8. ОТКЛЮЧЕНИЕ ЦЕПЕЙ С ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТОЙ ТОКА

В связи с широким применением высокочастотной за­ калки и высокочастотных печей электрические аппараты используются для отключения цепей с частотой тока до 10 000 Гц при напряжении до 1500 В и токах до 600— 1000 А Рассмотрим восстанавливающееся напряжение, которое имеет место при отключении таких установок.

При выводе (4.13) было принято, что ЭДС источника в процессе восстановления напряжения постоянна. При ча­ стотах порядка 10000 Гц такое допущение неправомерно, так как собственная частота рассматриваемых цепей соиз­ мерима с частотой источника. В этом случае напряжение, восстанавливающееся на контактах выключателя, выража­ ется формулой

щие и результирующая кривая представлены на рис. 4.19, а. Амплитуда восстанавливающегося напряжения возрастает

4.9. ОТКЛЮЧЕНИЕ МАЛЫХ ИНДУКТИВНЫХ ТОКОВ

При отключении малых индуктивных токов из-за эф­ фективной деионизации возможен обрыв (срез) тока до естественного прохождения его через нуль. Срез тока при отключении индуктивной цепи может привести к перенапря­ жению, опасному для изоляции аппарата и отключаемого оборудования. На практике срезы тока встречаются при от­ ключении первичных обмоток трансформаторов на холостом ходу или при небольшой индуктивной нагрузке.

Упрощенная схема замещения представлена на рис. 4.20, а. При срезе тока электромагнитная энергия, накоп­ ленная в индуктивности трансформатора, переходит в элек­ тростатическую:

Ст — эквивалентная емкость трансформатора; С/ср — напря-

женне на трансформаторе при срезе (параллельно с источ­ ником показана емкость источника питания Сг).

Согласно (4.20) напряжение на трансформаторе при срезе тока:

£/ср = tcpУ Ст/Ст.

Так как Ст невелика, то 1/ср может достигать весьма больших значений, которые могут привести к пробою изо­ ляции трансформатора. Исследования показали, что при от­ ключении малых индуктивных токов перенапряжения могут

Н =Н *2

достигать 4UНом в сетях ПО кВ и 8US0M в сетях 6 кВ [4.3]. Для ограничения перенапряжений контакты коммутирую­ щего аппарата шунтируются резистором, который перево­ дит колебательный процесс изменения напряжения на тран­ сформаторе в апериодический (рис. 4.20,6). В этом случае коммутирующий аппарат имеет два разрыва, один из ко­ торых шунтирован резистором Rm. Вначале расходятся кон­ такты К1, и резистор Rm через генератор подключается па­ раллельно трансформатору. Электромагнитная энергия переходит в тепловые потери на этом резисторе. Сопротив­ ление резистора должно быть

С точки зрения уменьшения перенапряжений значение Rm должно быть возможно меньше. Минимальное значение Rai ограничивается отключающей способностью второго разрыва К2.

4.10. ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ ПРИ КОММУТАЦИИ КОНДЕНСАТОРОВ И ДЛИННЫХ ЛИНИЙ

4.21, а. Зависимости токов и напряжений во времени даны на рис. 4.21, в. Поскольку нагрузка чисто емкостная, ток i'c в цепи опережает напряжение источника на 90°.

Пусть контакты разошлись в точке 1 и дуга погасла в точке 2. В этот момент напряжение на конденсаторе до­ стигает амплитудного значения напряжения источника. Н а­ пряжение на шинах (слева от выключателя) также равно напряжению источника, так что разность потенциалов на контактах выключателя и практически равна нулю. Если пренебречь сопротивлением утечки конденсатора, то после гашения дуги можно считать, что напряжение на конденса­ торе постоянно и равно Uc-

Напряжение на шинах иш меняется по закону Е cos at, и далее разность потенциалов на контактах выключателя будет изменяться по закону

и = Е — Е cos at = Е (1 — cos at).

По истечении полупериода напряжение на промежутке достигает значения 2Е. Если прочность междуконтактного промежутка превышает 2Е, то на этом процесс отключе­ ния заканчивается.

Напряжение, появляющееся на контактах в установках высокого напряжения, может пробить промежуток. Рас­ смотрим наиболее тяжелый случай, когда пробой проме­ жутка происходит через 0,01 с после погасания дуги. В мо­ мент пробоя (точка 3) напряжение на промежутке равно 2Е. При пробое возникает высокочастотный процесс изме­ нения напряжения. Амплитуда переходной составляющей в начальный момент равна 2Е. Частота колебаний опреде­ ляется индуктивностью источника L и отключаемой емко­ стью С. Напряжение высокочастотной составляющей ко­ леблется около ЭДС источника как около нулевой линии. Из-за наличия потерь в емкости эта составляющая зату­ хает.

Высокочастотный ток колебательного разряда, меняясь с той же частотой /0, отстает от напряжения на 90°. Если дуга с высокочастотным током погаснет в первый нуль то­ ка (точка 4), то напряжение на конденсаторе будет равно

Рис. 4.21. Отключение емкостного тока:

а —схема замещения; б —отключение емкостного тока при наличии шунта Rîr : ь —процесс отключения емкостного то­

ка при наличии повторных пробоев; г—длинная линия с предвключаемым резистором /?ш

3Е, а напряжение на зажимах выключателя 2Е. Через полупериод основной частоты к промежутку будет приложе­ но напряжение 4Е. Если промежуток не выдержит этого напряжения, возникает повторный пробой с амплитудой переменной составляющей высокой частоты 4£\ В том слу­ чае, когда дуга с током высокой частоты будет погашена в первый нуль тока (точка 5), напряжение на конденсаторе станет равным ЪЕ. Если не учитывать затухания, то при

каждом повторном пробое напряжение на конденсаторе возрастает на 2Е. При первом пробое оно равно 3Е, при втором 5Е и т.д. Таким образом, повторные пробои дают чрезвычайно опасные перенапряжения, которые могут по­ вести к повреждению изоляции оборудования.

Повторные пробои должны быть устранены либо за счет быстрого роста прочности промежутка, либо снижением напряжения на емкости после гашения дуги в точке 2 за счет разряда этой емкости на шунтирующий резистор /?ш (рис. 4.21,6). В этом случае сначала размыкается контакт К1 и вводится сопротивление Rm, после чего отключается ток контактом К2. Расчеты напряжения на контактах вы­ ключателей и выбор Rm приведены в [4.1 и 18.5]. Величи­ на Rm выбирается так, чтобы, с одной стороны, снизить на­ пряжение на контактном промежутке и избежать повтор­ ных пробоев, с другой — обеспечить надежное отключение оставшегося тока контактом К2.

При отключении длинной не нагруженной на конце ли­ нии процесс проходит аналогичным образом, если не по­ является повторный пробой. При повторных пробоях в ли­ нии возникают волновые процессы, которые в конечном счете создают примерно такие же высокие потенциалы в ус­ тановке, как и при отключении конденсатора.

б) Перенапряжения при включении длинных линий. При включении длинных не нагруженных на конце линий электропередачи и при их АПВ (§ 18.1) возможны перена­ пряжения, опасные для установленного оборудования. Для борьбы с этими перенапряжениями используются два спо­ соба. При первом способе специальной схемой управления контакты выключателя замыкаются тогда, когда разность потенциалов на них равна нулю. При этом исключается причина возникновения переходного процесса, создающего перенапряжения. Выключатель должен иметь стабильное время включения, поддерживаемое с высокой точностью, и довольно сложную схему управления. Поэтому пока этот

сопротивление, их— напряжение на левом выводе выключа­ теля, и2-— напряжение в начале линии длиной I. При вклю­ чении линии вначале включаются вспомогательные контак­ ты К1 и в цепь вводится резистор /?ш. Введение этого резистора усиливает процесс затухания и снижает перена­

пряжения. Спустя 1,5—2 периода сети переходной процесс заканчивается, включаются главные контакты К2 и процесс включения завершается.

ДУ состоит в том, чтобы обеспечить гашение дуги за ма­ лое время с допустимым уровнем перенапряжений, при ма­ лом износе частей аппарата, при минимальном объеме рас­ каленных газов, с минимальным звуковым и световым эф­ фектами.

Рассмотрим ДУ аппаратов низкого напряжения. Для гашения дуги постоянного тока необходимо, чтобы ВАХ ду­ ги ид шла выше прямой U—Щ. Так как ия= Е п1-\-иа, то подъем характеристики можно получить за счет увеличе­ ния длины дуги I, напряженности электрического поля в столбе дуги (градиента) Еп и использования околоэлектродного падения напряжения иэ. Увеличить градиент Еп можно путем эффективного охлаждения дуги и подъема давления среды, в которой она горит. Охлаждение дуги мо­ жно создать за счет перемещения дуги в воздухе или газе, за счет их перемещения относительно дуги либо размеще­ ния дуги в узкой щели, стенки которой имеют высокую теп­ лопроводность и дугостойкость.

Поднятие ВАХ за счет увеличения длины малоэффектив­ но, так как значение Еп для свободно горящей в воздухе дуги мало (10 В/см) и ее гашение требует значительного растяжения, что увеличивает габариты аппарата.

В электрических аппаратах низкого напряжения наибо­ лее широко применяются ДУ с узкой щелью (§ 4.1). Для увеличения эффективности охлаждения ширина щели ô де­ лается меньше диаметра дуги с!я. Кроме того, по мере втя­ гивания дуги в щель она приобретает форму зигзага. При этом увеличивается не только длина дуги, но и отвод тепла от нее.

Перемещение дуги в такой камере осуществляется с по­ мощью магнитного поля.

Важнейшей характеристикой дугогасительной камеры является зависимость градиента Еи от ширины щели ô и то­ ка I (рис. 4.22) [3.2]. Для каждого значения ô меняются ток / и напряженность магнитного поля Н. Значение б = оо относится к открытой свободно горящей в воздухе дуге.

Рис 4.22. Зависимость градиента Еп nyi и от тока и ширины щели;

штриховые кривые—для открытой дуги, сплошные кривые—£n—f(/) для щел1Т шириной 1—4 мм и при скоростях движения дуги о=0—200 м/с

Для открытой дуги (штриховой линией) градиент Еп резко изменяется в зависимости от тока и для неподвижной дуги составляет всего 10 В/см. Для узкой щели 6 = 1 -f-4 мм гра­ диент Еп мало зависит от тока и увеличивается с умень­ шением б. Скорость движения дуги v может достигать 200 м/с и при неизменном токе дуги I меняется за счет из­ менения напряженности поля Н. Зависимость продольного градиента £ п от ширины щели показана на рис. 4.23. Сле­

в

8

■9

Рис. 4.25. ДУ с последовательной дугогасительной катуш­ кой

пластин. Газы, проходя через эту решетку, деионизируют­ ся, охлаждаются, и опасная зона их выброса резко сокра­ щается.

б) Перемещение дуги под воздействием магнитного по­ ля. Электрическая дуга является своеобразным проводни­ ком с током, который может взаимодействовать с магнит­ ным полем. Сила взаимодействия между током дуги и маг­ нитным полем перемещает дугу, создается так называемое магнитное дутье. ДУ с магнитным дутьем показано на рис. 4.25. Магнитное поле создается катушкой 1, включен­ ной последовательно с коммутируемой цепью. Внутри ка­ тушки 1 размещен сердечник 3, соединенный с ферромаг­ нитными полюсами в виде пластин 4. Между катушкой и

там б и гибкой связи 7 ко второму выходному контакту ап­ парата. При размыкании контактов 6 между ними возника­ ет сначала жидкий металлический мостик, а затем дуга 8. Под действием магнитного поля катушки возникает сила