Дуговые процессы в выключателях и отключение тока

При размыкании пары контактов, несущих ток, между ними возникает электрическая дуга, которая поддерживает высокую проводимость межконтактного промежутка и позволяет току протекать между контактами, как будто они остались замкнутыми. Это требует подогрева среды межконтактного промежутка до довольно высокой температуры для диссоциации (разложения) ее молекул и ионизации промежутка. Например, для распространенной дугогасящей среды СF6 (элегаз) температура в центре дуги превышает 20000 °К. Аналогичные явления происходят в масляных выключателях, в которых масло разлагается на углерод и водород, а именно водород по­ставляет носители тока для дуги, таким образом, можно сказать, что масляный выключатель является, по сути, водородным выключателем.

Переходные процессы требуют значительной затраты энергии, которую дуга потребляет из системы. Напряжение, возникающее на дуге, препятствует протеканию тока, это противодействие является следствием расходования энергии отключаемого тока на диссоциацию молекул и ионизацию среды межконтактного промежутка. Потребляемая мощность рассеивается в конечном итоге в виде теплового и электромагнитного излучения, что и вызывает наблюдаемые при коммутации вспышки и звуковые эффекты. В газовом выключателе плотность тока в дуге может достигать 5 кА/см², напряженность электри­ческого поля – 200 В/см. Таким образом, мощность, рассеиваемая в дуге, может быть до 1 МВт/см³.

Существование электрической дуги характеризуется квазиравновестным состоянием, при котором напряжение дуги саморегулируется на уровне, достаточном для поддержания проводимости образующейся плазмы, а диаметр столба дуги сжимается или расширяется в зависимости от значения протекающего тока. Выделяющаяся при этом энергия отдается в окружающую среду
посредством теплопроводности (конвекцией и излучением). Этот энергетический баланс должен быть разрушен, если необходимо подавить дугу и прервать протекание тока. При достижении током естественного нуля приток энергии из сети прекращается, и если в этот момент интенсивно ох­лаждать межконтактный промежуток, то можно погасить дугу, нарушить проводимость промежутка и восстановить его электропрочность, т. е. осуществить отключение. В выключателях с газовым дутьем это достигается путем выдувания дуги сильной струей относительно холодного газа. Охлаждение должно быть очень быстрым, чтобы скорость подавления остаточной дуги и восстановления электропрочности промежутка превышала скорость увеличения ПВН.

Если контакты, несущие ток, размыкаются в вакууме, то весь ток устремляется к последней оставшийся точке контакта, вызывая интенсивный местный нагрев в этой точке. При дальнейшем разведении контактов формируется мостик из расплавленного металла, который вследствие огромной плотности тока в нем мгновенно ра­зогревается и взрывается, создавая дугу в среде ионизированных металлических паров, образовавшихся в результате взрыва. Ионизированный металлический пар является хорошим проводником тока, и в межэлект-родном промежутке начинается устойчивый дуговой разряд. Таким образом, вакуумная дуга представляет собой на самом деле дугу в среде металлического пара. Носители тока попадают в межэлектродный промежуток катода через множественные точечные источники тока, называемые катодными пятнами.

Через каждое пятно протекает ток 60 – 100 А, что при размерах катодного пятна от нескольких микрон до нескольких десятков микрон создает плотность тока до ста миллионов ампер на квадратный сантиметр. Огромная плотность тока разогревает металл электрода в катодных пятнах, он кипит и испаряется, давление в этих точках достигает десятков атмосфер, а температура – нескольких тысяч градусов. При таких значениях температуры и давлении из катодных пятен вытекают сверхзвуковые струи плотной сильно ионизированной плазмы, через которую и замыкается ток на анод. Количество пятен, су­ществующих на катоде в определенный момент времени, определяется амплитудой тока дуги и материалом катода.

Одновременно с повышением уровня тока будет увеличиваться и количество катодных пятен, по мере уменьшения тока количество пятен будет уменьшаться до тех пор, пока непосредственно перед естественным переходом тока через ноль не останется только одно пятно. При достижении предельного минимального тока, который называ­ется током среза и зависит в основном от материала катода, последнее катодное пятно прекращает свое существование, при этом ток через межэлектродный промежуток фактически перестает течь.

После исчезновения тока на разведенных электродах начинает восстанавливаться напряжение сети, этот процесс занимает примерно 50 – 60 мкс,
т. е. к моменту восстановления напряжения носители заряда в межэлектродном промежутке отсутствуют и он полностью восстанавливает свои диэлектри­ческие свойства.

Наличие катодных пятен необходимо для существования вакуумной дуги, поскольку они являются источником плазмы, без которой дуга не возникает. Анод в отличие от катода ведет себя как положительный зонд, «вытягивающий» из плазмы значительный ток, необходимый для внешней цепи.
Межэлектродная плазма обеспечивает проводящую среду, необходимую для переноса тока от катода к аноду.

В настоящее время в мировой практике широкое распространение получили несколько разновидностей контактных систем, наиболее типичные из которых рассматриваются ниже.

Самой простой и технологичной, а следовательно, и дешевой является контактная система торцевого типа, она изготавливается, как правило, из меди и снабжается контактными накладками из композиции «медь – хром» для увеличения устойчивости к свариванию и износостойкости.

Научные исследования и технические разработки позволили создать контактные системы с поперечным (радиальным) магнитным полем (рис. 11).
В этих системах при протекании по ним тока создается электромагнитная сила, заставляющая контрагированную дугу двигаться по поверхности электрода, что позволяет избежать локального перегрева. При этом дуга неравномерная, сильно шумящая, напряжение горения дуги составляет 60 – 80 В, переходный процесс характеризуется значительным выделением энергии. Электроды подобного типа широко используют в камерах выключателей такие известные фирмы, как Simens, Westinghouse, Alsthom, а также большинство российских предприятий. Применение таких контактных систем позволило увели­чить предел отключаемого тока до 30 кА при диаметре электрода 100 мм.

Однако контактные системы с радиальным магнитным полем имеют
недостатки, один из которых– это значительная эрозия электродов, она приводит к быстрому их износу и снижению срока службы выключателя при частой коммутации.

Вывод ВДК

Контактная накладка

Дальнейшие исследования поведения вакуумной дуги показали, что наложение продольного (аксиального) магнитного поля на горящую дугу ограничивает движение катодных пятен таким образом, что почти на всех стадиях своего существования дуга не контрагирует, а существует в диффузном режиме, т. е. энергия носителей заряда равномерно распределяется по всей поверхности анода, что позволяет избежать локального перегрева. При этом отключающая способность дугогасительной камеры по сравнению с электродами поперечного поля того же диаметра возрастает почти в три раза.

При использовании электродов с продольным магнитным полем напряжение на дуге, а следовательно, и тепловая нагрузка электродов минимальны, что существенно повышает отключающую способность систем такого типа.

Известно, что вакуум является прекрасным диэлектриком, однако, непосредственно после отключения тока условия в зазоре между контактами вакуумного выключателя уже не такие, как до отключения. Поверхности контактов «замусорены» продуктами горения дуги, могут оставаться отдельные раскаленные пятна, продолжающие источать пары металла, а в худшем слу-
чае – эмитировать электроны. По этой причине на сегодня нет проблем создания одноразрывных коммутационных аппаратов для классов напряжения 10 и
35 кВ, однако, для больших значений напряжения вакуумная технология пока не используется.

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: