Электрические и электронные аппараты. Конспект лекций. Часть 1 - файл n1.docx

Электрические и электронные аппараты. Конспект лекций. Часть 1
скачать (1865.7 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.docx2246kb.22.01.2011 14:14скачать

n1.docx

  1   2   3   4   5   6   7   8   9
Федеральное агентство по образованию РФ

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

Тульский государственный университет

Кафедра Электроэнергетики

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ


дисциплины
Электрические и электронные аппараты
Направление подготовки: 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии»

140200 «Электроэнергетика»

Форма обучения очная

Тула 20093
ЛЕКЦИЯ № 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОННЫХ АППАРАТАХ
План:


    1. Предмет и задачи изучения дисциплины, её значение

для подготовки дипломированных специалистов

    1. Понятие об электрическом и электронном аппарате.

    2. Электрический и электронный аппараты как средства управления режимами работы, защиты и регулирования параметров системы электроснабжения и управления автоматизированным электроприводом; электромеханические аппараты автоматики, управления, распределительных устройств (РУ) и релейной защиты.

    3. Расположение электрических и электронных аппаратов в установке по производству, распределению и потреблению электрической энергии.

    4. Требования, предъявляемые к электрическим и электронным аппаратам.

    5. Особенности схем электроустановок и общие требования к их выполнению.




    1. Предмет и задачи изучения дисциплины, её значение для подготовки дипломированных специалистов


Дисциплина "Электрические и электронные аппараты" (ЭиЭА) относится к базовым дисциплинам направления 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» специализации "Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов". Целью преподавания дисциплины являются освоение теоретических основ электрических и электронных аппаратов, ознакомление с назначением, устройством и их техническими характеристиками. Задачей изучения дисциплины является получение знаний, позволяющих правильно выбирать электрические и электронные аппараты в зависимости от технических и экономических требований, предъявляемых к ним.

Данная дисциплина базируется на фундаментальных и общеинженерных дисциплинах и общеинженерных дисциплинах

4

учебного плана специальности: физике, высшей математике, теоретической механике, теоретических основах электроники, электрических машинах и др.

Она будет использоваться при изучении дисциплин специализации, дипломном и курсовом проектировании.

4


    1. Понятие об электрическом и электронном аппарате


Широкая программа развития средств электрификации и автоматики делает непрерывным прогресс в области отечественного электроаппаратостроения. ЭиЭА являются одним из основных средств автоматизации и электрификации народного хозяйства и развиваются очень интенсивно.

Аппарат (от латинского apparatus - оборудование) - это прибор техническое устройство, приспособление.

1.2.1. Совершенствование электрических аппаратов как насущная необходимость повышения эффективности установок по производству, распределению и потреблению электрической энергии.

ЭА осуществляют потоком энергии от источника к приемнику. Они применяются в системах производства и распределения электроэнергии и электроснабжения во всех областях народного хозяйства, в схемах автоматического и неавтоматического управления электрическими машинами и разным оборудованием.

Наряду с электрическими машинами ЭА являются основными средствами электрификации и автоматизации. Стоимость их нередко оказывается соизмеримой со стоимостью управляемых ими электрических машин и оборудования или даже превышает ее. ЭА составляют самостоятельную и обширную область электротехники, к которой относится большинство средств автоматики.

Научно-технический прогресс непосредственно связан с электровооруженностью производства, так как производительность труда пропорциональна его электровооруженности. Простой рост качества выпускаемых аппаратов не обеспечивает темпы электрификации страны. Необходимо непрерывное их совершенствовании на основе развития общей теории электроаппаратостроения, углубление представления о физике явлений, протекающих в ЭА, при их проектировании. При снижении материалоемкости и трудозатрат на их изготовление требуется повышения уровней их напряжения и токов, быстродействия надежности и ресурса. На базе новых технологий и материалов должны быть расширены работы по созданию бесконтактных (статических) аппаратов, аппаратов с жидкометаллическими контактами, по

5

миниатюризации конструкций и модульному их исполнению.
1.3. Электрические и электронные аппараты как средства управления режимами работы, защиты и регулирования параметров системы электроснабжения и управления автоматизированным электроприводом; электромеханические аппараты автоматики, управления, распределительных устройств (РУ) и релейной защиты
1.3.1.Назначение и область применения электрических аппаратов (ЭА)

ЭА-электротехническое устройство, которое используется для включения и отключения электрических цепей, контроля, измерения, защиты, управления и

5
регулирования установок, предназначенных для производства (электростанции), передачи, распределения (электрические сети и подстанции) и потребления (электрический привод) электроэнергии.

ЭА представляют собой средства управления электрическим током, которые заключаются в управлении параметрами, характеризующими ток: электрическим напряжением, электрической мощностью и энергией, частотой электрического тока, его силой, формой импульсного тока (напряжения), магнитным потоком и т.д.

в техническом отношении к функциям управления током относятся:

коммутация (включение - отключение) электрического тока и связанных с ним параметров;

автоматическое и неавтоматическое регулирование, стабилизация, изменение по заданному закону электрического тока и связанным с ним параметров;

распределение тока (электроэнергии) по объектам и потребителям;

защита электрического оборудования от аварийных режимов (короткого замыкания, перегрузки, изменения частоты тока, направления потоков энергии и др.);

контроль параметров электрического тока для подачи информации на входные органы автоматических регуляторов или аппаратов защиты;

преобразование параметров тока (его вида, формы кривой, частоты и др.) для создания быстродействующих, высокочувствительных, высокоэффективных, и надежных ЭА и систем управления.

ЭА являются основными средствами автоматизации и электрификации народного хозяйства. Они нашли широкое применение в энергетике (электрические станции и сети), в различных схемах управления оборудованием, светотехнике, плазменной технике и др., а также в системах автоматики, телемеханики, электросвязи радиотехнике в автоматизированных системах управления. Условия работы ЭА в различных областях техники имеют существенные отличия в технических параметрах и характеристиках, а также в конструктивном исполнении.

Понятие "ЭА" охватывает очень обширный класс всевозможных устройств, применяемых в быту, промышленности и энергетике.

Для выполнения переключения в целях управления ЭА переменного и постоянного тока предназначены аппараты управления (АУ). Из большого разнообразия АУ можно выделить следующие основные группы: контроллеры, командоаппараты и реостаты, контакторы и магнитные пускатели, электромагнитные и тепловые реле, датчики неэлектрических величин.

Аппаратура РУ НН и ВН служит для управления, измерения, защиты и регулирования при генерировании, передачи, распределении и преобразовании электроэнергии. К ним относятся рубильники и переключатели, предохранители, автоматические воздушные выключатели (автоматы), выключатели переменного тока, разъединители, отделители и короткозамыкатели, реакторы разрядники, трансформаторы тока и напряжения, комплектные РУ ВН.

6
1.3.2. Классификация электрических аппаратов.

Для коммутационных аппаратов общим стандартом является ГОСТ 17703-72 "Аппараты электрические коммутационные. Основные понятия".

Для других групп аппаратов обобщающих стандартов нет, имеются частные стандарты, а также отраслевой каталог ("Электротехника СССР: Отраслевой каталог. Информэлектро 1986")

Классификация ЭА может быть проведена по ряду признаков: назначению (основной выполняемой функции), области применения, принципу действия, роду тока, исполнению защиты от воздействия окружающей среды, конструктивным особенностям и др. Основной является классификация по назначению, которая предусматривает разделение ЭА на следующие группы.

  1. Коммутационные аппараты распределительных устройств, служащие включения и отключения электрических цепей. Согласно ГОСТ 17703-72 к ним относятся рубильники, пакетные выключатели, выключатель нагрузки. Выключатели ВН, разъединители, отделители, короткозамыкатели, автоматические выключатели, предохранители. Для аппаратов этой группы характера сравнительно редкое их включение-отключение.

  2. Токоограничивающие аппараты, предназначенные для ограничения токов короткого замыкания (реакторы) и перенапряжения (разрядники). Режим короткого замыкания и перенапряжения являются аварийными и эти аппараты редко подвергаются наибольшим нагрузкам.

  3. Пускорегулируюшие аппараты, предназначены для пуска, регулирования частоты вращения и тока электрических машин. К этой группе относятся контроллеры, командоконтроллеры, контакторы, пускатели, резисторы и реостаты. Для аппаратов этой группы характерно частые включения и отключения, число которых достигает 3600 в час и более.

  4. Аппараты для контроля заданных электрических и неэлектрических параметров. К этой группе относятся реле и датчики. Для реле характерно плавное изменение входной (контролируемой) величины, вызывающее скачкообразное изменение выходного сигнала. Входной сигнал обычно воздействует на схему автоматически. В датчиках непрерывное изменение входного сигнала преобразуется в изменение какой-либо электрической величины, являющейся выходной. Это изменение выходной величины может быть как плавным (измерительные датчики), так и скачкообразным (реле-датчики). С помощью датчиков могут контролироваться как электрические так и неэлектрические величины.

  1. Аппараты для измерений. С помощью этих аппаратов цепи первичной коммутации (главного тока) изолируются от цепей измерительных и защитных приборов, а измеряемая величина приобретает стандартные значения, удобные для измерения. К ним относятся трансформаторы тока, напряжения, емкостные делители напряжения .

  2. Электрические регуляторы. Предназначены для регулирования заданного параметра по определенному закону.В частности, такие аппараты служат для поддержки на неизменном уровне напряжения, тока, температуры, частоты вращения и других величин.

7
Разделение аппарат по области применения более условно. Аппараты для электрических систем и электроснабжения объединяют в группу аппаратов РУ НН и ВН. Аппараты, применяющиеся в схемах автоматического управления электроприводами и для автоматизации производственных процессов удобно объединить в группу аппаратов управления. Одни и те же аппараты могут быть отнесены как к группе РУ, так и к группе аппаратов управления, например рубильники, пакетные выключатели, контакторы, трансформаторы тока и др.

В пределах одной группы или типа аппараты различаются:

по номинальному напряжению на две группы: аппараты низкого напряжения(с номинальным напряжением до 1000 В) и высокого напряжения (с номинальным напряжением свыше 1000 В);

по роду тока - постоянного тока: переменного тока промышленной частоты, переменного тока повышенной частоты;

по роду защиты от окружающей среды - в исполнении открытом, защищенном, брызгозащищенном, воздухозащищенном, герметичном, взрывобезопасном и т.д.:

по способу действия - электромагнитные, магнитоэлектрические, индуктивные, тепловые и т. д.;

по ряду других факторов (быстродействие, способы гашения дуги и т. п.).
1.4. Расположение электрических аппаратов в установке по производству по производству, распределению и потреблению электрической энергии
ЭА условно можно разделить на пять основных видов:

Аппараты высокого напряжения, управляющие режимом работы электрических сетей и систем ВН (6, 10, 20, 35, 110, 220, 330, 550, 750, 1150 кВ). С их помощью выполняются оперативные переключения в сетях и системам, а также осуществляется защита от токов КЗ, от перенапряжения, от перегрузки др.

Аппараты управления, управляющие режимом работы электрооборудования и распределительных сетей на номинальное напряжения 127, 220, 380, 500, 660, 1140 В, а также осуществляют автоматизированную защиту от аварийного режимов.

ЭА автоматики, выполняющих функцию контроля электрических и неэлектрических параметров, работающего оборудования и вырабатывающие сигналы в схемы автоматики и управления, которые соответствуют контролируемым параметрам, а также включающий в себя реле автоматики и защиты.

Автоматические регуляторы и стабилизаторы, предназначены для автоматического регулирования по заданному закону тока или иного параметра или поддержания этого параметра на заданном уровне.

Усилители и преобразователи, осуществляющие усиления слабых сигналов, подаваемых на входе (усилители), а также преобразование одной формы сигнала в другую (преобразователи) например сигналы постоянного тока в переменный и наоборот.
8
1.5. Требования, предъявляемые к электрическим аппаратам
Требования, предъявляемые к ЭА чрезвычайно разнообразны и зависят от назначения, условий применения и эксплуатации аппарата, необходимой надежности. Кроме специфических требований, относящихся к данному аппарату, все ЭА должны удовлетворять нескольким общим требованиям:

1. Каждый ЭА при работе обтекается каким-либо рабочим током, при этом в токоведущих частях выделяется определенное количество теплоты и аппарат нагревается. При номинальном режиме работы температура токоведущих частей аппарат не должна превышать некоторого определенного значения, установленного для данного аппарата и его деталей соответствующим ГОСТ или другим нормативным документам.

2. В каждой цепи может быть ненормальный (перегрузка) или аварийный(короткое замыкание) режим работы. Ток, протекающий по аппарату в это время, весьма заметно (в 50 и более раз) превышает номинальный или рабочий ток.

При коротком замыкании (КЗ) токоведушие части аппарата подвергаются чрезвычайно большим термическим и электродинамическим нагрузкам, вызываемым значительным током. Эти нагрузки ЭА должен выдержать без каких-либо деформаций и остаточных явлений, нарушающих работоспособность аппарата после устранения КЗ.

  1. Каждый ЭА работает в цепи с определенным напряжением, где возможно и перенапряжение. Изоляция ЭА должна обеспечивать надежную работу его при заданных значениях перенапряжения, которые имеют место в эксплуатации, и обладать определенным запасом, учитывающим ухудшение свойств изоляции с течением времени и вследствие осаждения влаги, пыли, грязи.

  2. Контакты аппарата должны быть способны включать и отключать все токи рабочих режимов, а многие аппараты также токи аварийных режимов, которые могут возникать в управляемых и защищаемых цепях. Контакты аппаратов, предназначенных для отключения тока К3, должны быть рассчитаны на этот режим.

  1. К каждому ЭА предъявляются требования по быстродействию, надежности и точности работы. При этом все функции аппарат должен выполнять в условиях, соответствующих внешним воздействиям.

  2. К каждому аппарату предъявляется ряд специфических требований, обусловленных его назначением. Так например, выключатель высокого напряжения должен отключать КЗ за малое время (0,04-0,О6с). Трансформатор тока должен токовую и угловую погрешности, не превышающие определённого значения.

  3. В связи с широкой автоматизацией производственных процессов, применением сложных схем автоматики увеличивается число аппаратов, участвующих в работе. Возможность отказа в работе ЭА требует их резервирования и создания специальной системы поиска неисправностей. В связи с этим ЭА должны обладать высокой надежностью. Выход из строя аппаратов ВН приводит к большим материальным потерям.

  4. Масса, габаритные размеры, стоимость и время, необходимое для установки и обслуживания ЭА должны быть минимальными. Отвечающие современным требованиям ЭА за срок службы 25 лет не должны нуждаться в ремонте и сложной ревизии. Конструкция ЭА должна быть удобна в

9
обслуживании и технологичной в производстве. Обеспечивать возможность применения автоматизации в процессе их сборки и эксплуатации.


    1. Особенности схем электроустановок и общие требования к их выполнению


Как известно, процессы получения, преобразования, передачи и потребления электроэнергии происходят в электрических цепях электроустановок и электрических устройств. Поэтому основным средством изображения электроустановок и устройств служат электрические схемы, на которых показывают соответствующие цепи. Наиболее важными являются принципиальные схемы, позволяющие понять взаимодействие всех элементов электроустановок.

Наряду с несложными электрическими схемами с одной или нескольким электрическими цепями и небольшим количеством элементов (например, схема освещения с несколькими светильниками, схема управления электродвигателями) во многих случаях выполняются схемы (дистанционное управления, телемеханики, релейной защиты и автоматики), содержащие десятки цепей и соответствующее множество элементов. ЭА различного назначения. В простых схемах, зная смысл условных графических обозначений отдельных элементов и связей между ними, разобраться нетрудно. Для чтения сложных схем этого недостаточно, так как на них дополнительно проставляются буквенно-цифровые обозначения, указывающие вид и порядковый номер каждого элемента, а также различные обозначения (буквами, цифрами, буквами и цифрами) цепей и их участков.

Особенностью схем электроустановок является использование в них условно-графических обозначений, применяемых в схемах других видов. Это обусловлено например в электроустановках электрических устройств с кинематическими или гидропневматическими связями элементов.

Кроме того, при выполнении электрических схем отдельные элементы одного и того же устройства (например, обмотки и контакты реле, обмотки тока и напряжения ваттметров и счетчиков, магнитных усилителей) разносят по разным цепям, иногда находящихся на разных чертежах. Этим обусловлена необходимость выполнения чертежей двумя разными способами: совмещенным и разнесенным. Второй способ преимущественно применяется при выполнении управления и контроля силовым электрооборудованием.

Общие требования к электрическим схемам установлены стандартом ЕСКД, в которых даны определения различных видов и типов схем, приведены правила их выполнения, уловные графические, буквенно-цифровые обозначения электрических устройств и их элементов, а также обозначение электрических цепей.

Основными из них являются следующие.

Разрядники. Предохранители (ГОСТ 2727-68).

Резисторы. Конденсаторы (ГОСТ 2.728-74).

Полупроводниковые приборы (ГОСТ 2.730-73).

Коммутационные устройства и контактные соединения (по ГОСТ 2.755-74).

10
Воспринимающая часть электромеханических устройств (ГОСТ 2.756-76).

ГОСТ 2.748-68. Обозначения условные графические для электрических схем.

ГОСТ 2.710-81 (СТ СЭВ 2182-80). Обозначения буквенно-цифровые в принципиальных схемах.

11
ЛЕКЦИЯ № 2
2.1. Свойства электрической дуги и условия её гашения

2.1.1. Свойства дугового разряда.

2.1.2. Вольтамперные характеристики электрической дуги.

2.1.3. Условия гашения дуги постоянного тока.

2.1.4. Энергия, выделяемая в дуге.

2.1.5. Условия гашения дуги переменного тока.

2.1.6. Способы гашения электрической дуги.

2.1.7. Дугогасительные устройства постоянного и переменного тока.

2.1.8. Применение полупроводниковых приборов для облегчения

гашения дуги.


    1. Свойства дугового разряда


В коммутационных ЭА, предназначенных для замыкания и размыкания цепи с током, при отключении возникает разряд в газе либо в виде тлеющего разряда, либо в виде дуги. Тлеющий разряд возникает тогда, когда отключаемый ток ниже 0,1 А, а напряжение на контактах достигает величины 250-300 В. Такой разряд встречается либо на контактах маломощных реле, либо как переходная фаза к разряду в виде электрической дуги.

Если ток в цепи напряжения выше значений = 0,03-0,9 А, то имеет место дуговой разряд. Основные свойства дугового разряда:

1.Дуговой разряд имеет место только при токах большой величины. Минимальный ток дуги для различных материалов и для металлов составляет 0,5А.

2. Температура центральной части дуги очень велика и в аппаратах может достигать 6000-25000 К.

3. Плотность тока на катоде чрезвычайно велика и достигает .

4. Падение напряжения у катода составляет всего 10-20 В и практически не зависит от тока.

В дуговом разряде можно различить три характерные области: околокатодную, область столба дуги и околоанодную.
2.2. Вольт-амперная характеристика дуги (ВАХ)
Важнейшей характеристикой дуги является зависимость напряжения на ней от величины тока. Эта характеристика называется волтамперной. Имеет место статическая вольт-амперная характеристика и динамическая вольт-амперная характеристика.

С ростом тока i увеличивается температура дуги, усиливается термическая ионизация, возрастает число ионизированных частиц в разряде и падает электрическое сопротивление дуги . Напряжение на дуге равно .

12
Зависимость напряжения на дуге от тока при медленном его изменении называется статической вольт-амперной характеристикой дуги.

Статическая характеристика дуги зависит от расстояния между электродами (длины дуги), материала электродов и параметров среды, в которой горит дуга.
а) Статическая вольт-амперная характеристика
,

где:

- напряжение на дуге;

- сумма околоэлектродного падений напряжений;

- напряженность поля в столбе дуги;

l - длина дуги.

Величина l зависит от тока и условий, в которых горит дуга. Статические вольт-амперные характеристики дуги имеют вид:

Рис. 1.

Чем больше длина дуги, тем выше лежит ее статическая вольт-амперная характеристика. С ростом давления среды, в которой горит дуга, также увеличивается напряженность Е и поднимается вольт-амперная характеристика. Охлаждение дуги существенно влияет на эту характеристику. Чем интенсивнее охлаждение дуги, тем больше от нее отводится мощность. При этом должна возрастать мощность, выделяемая дугой. При заданном токе это возможно за счет увеличения напряжения на дуге. Таким образом, с ростом охлаждения вольт-амперная характеристика поднимается. Этим широко пользуются в дугогасительных устройствах аппаратов.

б) Динамическая вольт-амперная характеристика дуги.

В реальных установках ток может меняться довольно быстро. Вследствие тепловой инерции дугового столба изменение сопротивления дуги отстает от изменения тока.

Зависимость напряжения на дуге от тока при быстром его изменении называется динамической вольт-амперной характеристикой.

При возрастании тока динамическая характеристика идет выше статической (кривая В на рис. 2), так как при быстром росте тока сопротивление дуги падает медленнее, чем растет ток. При уменьшении - ниже, поскольку в этом режиме

13
сопротивление дуги меньше, чем при медленном изменении тока (кривая С на рис.2).

Рис.2

Динамическая характеристика в значительной степени определяется скоростью изменения тока в дуге. Если в цепь ввести очень большое сопротивление за время, бесконечно малое по сравнению с тепловой постоянной времени дуги, то в течение времени спада тока до нуля сопротивление дуги остается постоянным. В этом случае динамическая характеристика изобразится прямой проходящей из точки 2 в начало координат (прямая Д), т.е. дуга ведет себя как металлический проводник, так как напряжение на дуге пропорционально току.

В реальном аппарате после размыкания контактов расстояние между ними меняется и дуга имеет переменную длину. В этом случае процесс отключения можно представить следующим образом.

Разобьем путь, который проходит контакт, на участки и нанесем статические вольт-амперные характеристики, соответствующие концу каждого участка (рис. 3). Если индуктивность цепи мала, то по мере увеличения длины дуги ток будет быстро принимать значения, соответствующие точке пересечения статических характеристик с прямой . В точке 0 ток достигнет критического значения. При дальнейшем увеличении длины дуги наступят условия для гашения.



Рис. 3

14
Длина дуги, при которой статическая характеристика касается прямой , называется критической длиной дуги. После точки О ток быстро уменьшается до нуля, дута гаснет.

В цепи с большой индуктивностью спадание тока из-за большой величины индуктивности замедляется; вольт-амперная характеристика дуги сразу же после расхождения контактов поднимается выше прямой . В момент гашения дуги возможны большие перенапряжения.

При отключении активной нагрузки гашение происходит быстро, никаких перенапряжений не происходит.
2.3. Условия гашения дуги постоянного тока
В электрических аппаратах принимаются все меры к тому, чтобы дуга гасла в минимально короткое время. Очевидно, для гашения дуги при всех значениях тока напряжение должно быть отрицательно. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы



Это возможно либо за счет поднятия вольт-амперной характеристики, либо за счет увеличения сопротивления цепи.

Вольт-амперная характеристика дуги может быть поднята за счет увеличения длины дуги, интенсивного охлаждения, повышения давления среды, в которой горит дуга.

При замкнутых контактах дуга отсутствует, и ток в цепи равен . При разведении контактов между ними возникает дуга с током . Если дуги и напряжение источника неизменны, то при увеличении сопротивления ток в цепи будет уменьшаться, принимая значения , и . При дальнейшем возрастании сопротивления соблюдается неравенство , т.е. создаются условия для гашения дуги.

Токи и сопротивления, при которых наступают условия для гашения, называются критическими.

Если при неизменном значении тока цепи увеличить напряжение питания U или при неизменном значении напряжения U увеличить ток цепи , то прямая будет проходить выше. Тогда для соблюдения условий гашения необходимо поднять вольт-амперную характеристику дуги.

Таким образом, с ростом отключаемого тока и напряжения источника условия отключения утяжеляются.

Определим длительность горения дуги.

Обозначим .

Тогда .

15
Таким образом, чем больше , тем меньше длительность горения дуги. Но увеличение ведет к росту напряжения на контактах в момент гашения дуги.
2.4. Энергия, выделяемая в дуге
Сопротивление дуги Rд независимо от рода тока можно считать чисто активным. Оно является величиной переменной, падающей с ростом тока, и может быть определено из вольт-амперной характеристики дуги.

Сопротивление дуги

Rд = Uд/i. (1)

Мощность электрической дуги

Рд = U i. (2)

Энергия Wд, выделяемая в дуге за время tг её горения.

Wд = (3)

Для выключающих аппаратов весьма важно определить значение этой энергии за одно отключение. Подставив в выражение (3) значение UД согласно формуле (), получим для дуги постоянного тока
WД = R(I0-i)dt+Lidt = L+R(I0-i)dt = WM+ WГ, (4)

где WM = L—энергия, запасенная в магнитном поле отключаемой цепи; WГ = R(I0-i)dt — энергия, поступающая от генератора в дугу за время ее горения;

I0 = U/R — начальное значение тока.

Таким образом, независимо от способа гашения дуги постоянного тока в ней выделится энергия, запасенная в магнитном поле отключаемой цепи, плюс еще какая-то доля энергии, которая поступит от генератора за время горения дуги (в устойчиво горящей дуге вся выделяющаяся в ней энергия поступает от генератора).

Изменение тока в дуге при отключении может быть охарактеризовано следующим эмпирическим выражением:

i = I0 [1 - (t/tГ) (5)

где tг — время гашения; tтекущая координата; n — некоторая постоянная для данных условий величина.

Графически уравнение (5) представлено семейством кривых на рис.4, а. Для дугогасительных устройств с узкими щелями и для закрытых дугогасительных устройств, а также при значительных индуктивностях п > 1 (порядка 2 — 4). Для открытых дугогасительных устройств и при активной нагрузке п < 1.

Подставив уравнение (5) в выражение для WГ, получим

WГ = kRtГ = L k, (6)

16


Рис.4: а - графическая интерпретация уравнения (5) и б – зависимость
где к = n /(2n2 + 3n + n); T= L/Rпостоянная времени отключаемой цепи.

Кривая, характеризующая зависимость к = f(n), приведена на рис.4, б. Энергия, поступающая в дугу от генератора, пропорциональна времени горения и зависит от коэффициента k, характеризующего в некоторой степени дугогасительное устройство. Максимальное количество энергии выделится в дуге при изменении тока по закону, близкому к линейному. При этом kn=1 = 0,167, а ток в цепи за время отключения меняется по линейному закону:

i = I0 (1-(t/tГ).

Таким образом, энергия, выделяющаяся в дуге при отключении постоянного тока,

WД = WM + WГ = L(l + 2k). (7)

В дуге отключения переменного тока, если гашение происходит в момент перехода тока через нуль, выделится только энергия

WГ = (ImUД)m, (8)

где f — частота; Imток; UД — падение напряжения на дуге; m — число полупериодов горения дуги.


Рис.5. Характерные осциллограммы тока и напряжения при отключении цепи с большей (а) и малой (б) индуктивностью

17
Энергия, запасенная в магнитном поле отключаемой цепи, L возвращается в генератор. Минимальное количество энергии выделится, если дуга погаснет при первом прохождении тока через нуль (m = 1). Если дуга начнёт гаснуть раньше естественного перехода тока через нуль, то часть энергии L не успеет вернуться в генератор и выделится в дуге. Таким образом, гашение дуги переменного тока в момент естественного прохождения тока через нуль облегчается и за счет меньшей энергии, выделяемой в дугогасительном устройстве.

При расчете дугогасительных устройств постоянного тока следует учитывать, что дугогасительное устройство должно быть способно принять и рассеять (отвести) выделяемую в дуге энергию, которая может быть весьма большой, в частности при отключении цепей обмоток возбуждения.

Индуктивность стремится поддержать неизменным протекающий по цепи ток, что приводит к автоматическому поддержанию напряжения, равного iR, пока не будет израсходована вся запасенная в цепи магнитная энергия. Чем больше индуктивность, тем трудней погасить дугу постоянного тока и тем больше будет напряжение на дуге при том же времени гашения. Характерные осциллограммы тока и напряжения на дуге при отключении цепей с различными индуктивностями приведены на рис.5.
2.5. Условия гашения дуги переменного тока
Рассмотрим цепь, у которой . Пусть контакты аппарата разошлись в точке а (рис.6).




Рис.6. Процесс отключения активной нагрузки переменного тока
Между ними загорается дуга. К концу полупериода из-за уменьшения тока и воздействия дутогасительного устройства наблюдается увеличение сопротивления дугового промежутка и подъем напряжения на дуге. При подходе тока к нулю к дуге подводится малая мощность, температура ее уменьшается, что

18
с одной стороны, ведет к замедлению термической ионизации, с другой - способствует деионизации. Все это приводит к погасанию дуги. Напряжение, при котором дуга гаснет, называется напряжением или пиком гашения . Резкий подъем напряжения к концу полупериода ведет к тому, что ток в цепи обрывается до своего естественного прохождения через нуль.

После погасания дуги дуговой промежуток не превращается мгновенно в изоляционный, поскольку температура не снижается до нуля. В процессе гашения дуги число заряженных частиц в области дугового промежутка уменьшается; после гашения дуги сопротивление промежутка резко возрастает. При этом возрастает и электрическая прочность промежутка, т.е. такое напряжение, при котором происходит его электрический пробой.

После прохождения напряжения через нуль напряжение источника изменяет знак, и начинает расти по закону синусоиды.

Электрическая прочность промежутка начинает нарастать не с нуля, а со значения, соответствующего точке (начальная прочность промежутка). Начальная прочность и дальнейший рост прочности зависит от свойств ДУ: чем эффективней оно действует, тем больше начальная прочность, тем круче идет нарастание этой прочности.

В момент напряжение на промежутке пересекает кривую прочности b1. В этой точке дуга загорается вновь. Напряжение называется напряжением зажигания. В связи с тем, что ток в первой половине полуволны синусоидой возрастает, напряжение на дуге уменьшается. После прохождения током максимального значения напряжение на дуге начинает возрастать, поскольку ток уменьшается. Таким образом, кривая на дуге имеет седлообразную форму. При больших токах из-за сильной термической ионизации почти на протяжении всего полупериода горения дуги напряжение не изменяется. Только в начале и конце полупериода появляются пики зажигания и гашения.

В точке О дуга вновь гаснет и происходят процессы, аналогичные списанным раннее.

19

ЛЕКЦИЯ № 3
2.6. Способы гашения электрической дуги
В современных аппаратах гашение дуги при отключении цепи осуществляется в дугогасительных устройствах, задача которых погасить дугу в малом объеме (желательно замкнутом), за малое время, при малом износе частей аппаратов, при заданных перенапряжениях, при малых звуковом и световом эффектах.

Способы гащения дуги:

  1. Гашение дуги в продольных щелях.

  2. Гашение дуги с помощью дугогасительной решётки.

  3. Гашение дуги высоким давлением.

  4. Гашение дуги в масле.

  5. Гашение дуги воздушным дутьём.

  6. Гашение дуги в элегазе.

  7. Гашение дуги в вакууме.

  1   2   3   4   5   6   7   8   9


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации