Електричні апарати (стр. 13 из 31)

Інша конструкція мостикової схеми, для компенсації електродинамічних сил приведена на рис. 7.8.

7.6 Задача

Визначити контактне натискання

при тривалому струмі 1000 А і струмі короткого замикання 30 кА, якщо контакти утворені двома торцевими поверхнями мідних циліндрів із діаметром 0.03 м.

Температура оточуючого середовища

. Коефіцієнт теплопровідності міді . Твердість по Вікерсу , . Вважати, що допустима температура (номінальна) 70 . Коефіцієнт – це коефіцієнт, який враховує зв’язок між ударним струмом і силою контактного прижиму.

8. Вимикання електричного кола постійного і змінного струму

Велика група електричних апаратів – комутаційні пристрої, за допомогою яких вимикаються електричні кола. Процес вимикання при різних умовах розглянуто в даному розділі.

8.1 Загальна характеристика вимикання електричних кіл. Відновлювана напруга та відновлювана міцність. Умова вимикання кола апарату

Характер процесів при відключенні електричного кола змінного і постійного струму показано на рис. 8.1, 8.2:

По осі абсцис відкладено час t, а по осі ординат значення напруги та струму в різні моменти часу.

Uc – напруга сітки;

I₀– струм в колі;

U_Bм – відновлювана міцність;

МРК – момент розмикання контакту.

U_к − спад напруги на контакті (рис. 8.2);

Електричний розряд в контактних апаратах, що виникає при розмиканні контактів, приводить до зношення контактів, і в значній мірі це визначає надійність і тривалість роботи апарату. Розряд зв’язаний із електромагнітною енергією, що запасається в індуктивності при вимиканні кола. В контактних апаратах комутуючим елементом є електрична дуга або інший вид газового розряду, що виникає при вимиканні. Електромагнітна енергія кола перетворюється в цих комутуючих елементах в теплову енергію, яка розсіюється в просторі. В цьому полягає позитивна роль дуги. Якби дуга не виникала, то електромагнітна енергія поля перетворювалася би в електростатичну енергію і виникала область перенапруги недопустимої величини, а коло неможливо було б відключити. Коли апарат ввімкнений, то спад напруги на комутуючих елементах складає долі вольта – в контактних апаратах і вольти в безконтактних.

Якщо апарат розірве коло, напруга на його комутуючому елементі стане рівною напрузі джерела живлення. Таким чином, в процесі вимикання апарату напруга на комутуючому елементі буде різко зростати від дуже малих до дуже великих значень.

Напруга на комутуючому органі, що наростає в процесі вимикання апарату називається відновлюваною напругою.

При вимиканні кола комутуючий орган переходить із стану провідника електричного струму в стан діелектрика. Характерна комутуючому органу зростаюча в часі при вимиканні електрична міцність називається відновлюваною міцністю (визначається в даний момент часу максимальною напругою, що може витримати без пробою комутуючий орган). Щоб успішно відключити електричне коло, необхідно створити в вимикаючому апараті такі умови, при яких його відновлювана міцність була б вищою за наростаючу на ньому відновлювану напругу.

- умова вимикання кола.

Розглянемо трифазне коло. Припустимо, що наше коло має індуктивний характер.

Поскільки коло – чисто індуктивне, то

, і при проходженні струму фази А через 0 миттєве значення е.р.с. в цій фазі дорівнює амплітуді, а е.р.с. фаз В і С – 0.5 амплітуди.

Тоді миттєве значення напруги промислової частоти на розриві А дорівнює:

Частоти коливань у верхньому та нижньому контурі однакові:

Індуктивність

.

Якщо виразити струм

через і напругу , то матимемо:

Підставимо у формулу такі числові значення величин і знайдемо індуктивність.

Гн

Відомо, що при підвищеній частоті індуктивність зменшується на 30%, тоді

0.7·0.126=0.088Гн.

А загальна ємність фази

пФ

Частота

= Гц.

Середня швидкість відновлення напруги:

.

Після вимикання фази А в наступний нуль струму гаситься дуга у фазах В і С (рис. в.). В фазах В і С приймемо, що напруга поділяється порівну. Тоді:

.

Порівняння швидкостей відновлення напруги у фазах А, В і С показує, що вимикання фаз В і С іде в більш легких умовах, ніж у фазі А: швидкість наростання напруги в

рази менша.

8.2 Стадії в міжконтактному проміжку при вимиканні кола. Дуга і її властивості

При вимиканні електричного кола із струмом в міжконтактному проміжку проходять наступні стадії:

1) початок вимикання, якому відповідає стан металічного провідника (замкнутий стан контактів);

2) утворення розплавленого металічного містка в початковій стадії розходження контактів, що супроводжується, внаслідок зменшення сили натискання, збільшенням перехідного опору і ростом виділення тепла в контакті;

3) вибух металічного містка під дією великої концентрації теплової енергії в ньому;

4) утворення електричної дуги (іскри) між контактами апарату. В процесі її гасіння комутаційний орган за допомогою дугогасильної системи збільшує її електроопір;

5) перетворення проміжку в діелектрик, коли всі іонізовані частинки із проміжку розсіюються, і він стає ізолятором.

В процесі вимикання кола можливе виникнення тліючого або дугового розряду. Нагадаємо, що електричний розряд – це процес протікання електричного струму в газі. Він буває самостійним і несамостійним. Тліючий, дуговий, іскровий – це види самостійних розрядів.

Тліючий розряд виникає при розмиканні при І < 0.1 А і напругах 250 – 300 В. Це спостерігається в малопотужних реле, в більш потужних апаратах спостерігається розряд у вигляді електричної дуги. Дуговий розряд виникає в першу чергу внаслідок термоелектронної емісії. Електрони іонізують молекули газу.

Особливості дугового розряду:

1) має місце тільки при відносно великих густинах струмів і відносно невеликих напругах між електродами;

2) температура центральної частини дуги від 6000 до 25000 К;

3) густина струму при дуговому розряді від 100 до 1000

;

4) спад напруги біля катода 10 – 20 В, і не залежить від струму.

Розрізняють три характерні області дугового розряду:

· прикатодна область;

· область стовпа дуги;

· прианодна область.

Області мають різну концентрацію носіїв, різну температуру, спад напруги та її градієнт. У короткої дуги, характерної для апаратів низької напруги, спад напруги на стовпі дуги є малим в порівнянні із спадом напруги (в сумі) у катода і анода. У довгої дуги, характерної для апаратів високої напруги – навпаки, тому біляелектродним спадом можна знехтувати.

8.3 Статична і динамічна вольтамперна характеристика (ВАХ) дуги. Умови стабільного горіння та гасіння дуги

На рис. 8.3 приведено типову схему кола, що вимикається, для апаратів, коли коло підключено до джерела з напругою . Послідовно з’єднані опір , комутуючий елемент апарату, індуктивність L. Опір R_Ш – опір розтікання по ізоляції, або опір комутуючого елемента в момент відновлення напруги. Ємність C включає ємність провідників, струмоведучих частин і т.д.