Системы управления ЭПС - Отключающая способность электрического аппарата

Отключающая способность электрического аппарата
Отключающая разрывная способность аппарата характеризуется значением отключаемого тока при определенном напряжении, и индуктивности цепи, и условиях монтажа. Различают номинальный, предельный и критический отключаемый ток.
В эксплуатации аппарат должен многократно отключать номинальный ток Iн откл, без повреждений (до 25 тыс. раз). При типовых испытаниях аппараты оперативной коммутации должны отключать этот ток 180 раз, а аппараты защиты — 60 раз.
При номинальном токе отключения электрическая дуга гаснет у края дугогасительной камеры, но не выходит за ее пределы.

Средняя мощность, выделяющаяся в дуге при отключении, есть величина постоянная для данной дугогасительной камеры:

Рис. 6.14. Определение отключающей способности электрического аппарата: а — осциллограмма; б — зависимость перенапряжений и времени горения дуги от тока нагрузки

Таким образом, номинальный отключаемый ток зависит от индуктивности цепи и конструкции дугогасительной камеры. Его можно определить на основании экспериментальной кривой  и значения для некоторого L1.
Предельный отключаемый ток Iпред откл аппарат должен отключить без существенных повреждений ограниченное число раз (обычно 6 раз с интервалом 2 мин). При этом допускается выхлоп электрической дуги за пределы дугогасительной камеры на 140—180 мм (при Uc=3 кВ), но при условии, чтобы не происходило переброса электрической дуги на другие аппараты или заземленные части. Величину предельного отключаемого тока определяют экспериментально несколькими последовательными отключениями с постепенным увеличением I. 

Границу выхлопа ионизированного газа из дугогасительной камеры определяют при помощи экрана из листовой стали с отверстиями. Экран соединяют через плавкий предохранитель П и ограничивающий резистор с тем выводом источника питания, к которому подключена нагрузка (рис. 6.16). Если ионизированный воздух достигнет экрана, то происходит перегорание предохранителя. Значение тока, при котором происходит перегорание предохранителя, соответствует предельному отключаемому току.
Критический отключаемый ток  — это наименьший ток, при отключении которого дуга может удлиняться за счет воздействия магнитного растягивания.
Приинтенсивность магнитного растягивания не
достаточна, и дуга устойчиво горит между разомкнутыми контактами, не выходя на дугогасительные рога. Таким образом, процесс гашения дуги в дугогасительной камере при некоторой индуктивности L можно охарактеризовать экспериментальной зависимостью(рис. 6.17).
При— гашение дуги происходит за счет расхождения
контактов аппарата.
Придуга устойчиво горит на разомкнутых кон
тактах аппарата. Ток слишком велик, чтобы гасить дугу за счет расхождения контактов и слишком мал для магнитного растягивания.
При — дуга гаснет внутри дугогасительной
камеры.

Рис. 6.16. Схема экспериментального определения предельного отключаемого тока

Рис. 6.17. Время гашения электрической дуги при различной нагрузке
При — дуга гаснет за пределами дугогасительной камеры.
При — дуга не гаснет, выходит за пределы дугогасительной камеры и возможен ее переброс на заземленные части.

Гашение электрической дуги в цепи переменного тока

Особенности электрической дуги переменного тока.

1. Электрическая дуга переменного тока имеет динамическую вольт-амперную характеристику (рис. 6.18). Напряжение зажигания дуги  больше, чем напряжение погасания дуги :

Рис. 6.18. Вольт-амперная характеристика дуги переменного тока

Рис. 6.19. Осциллограмма горения электрической дуги переменного тока
С увеличением индуктивности цепи длительность перерывов тока уменьшается.
4. При горении дуги напряжение на контактах Uдг определяется ее вольт-амперной характеристикой и зависит от величины тока i и длины дуги lдг. При погасании дуги напряжение на ее контактах восстанавливается до величины напряжения питающей сети. Величина восстанавливающегося напряжения возрастает:

1. при увеличении сдвига фаз между током и напряжением;
2. за счет наложения на напряжение сети высокочастотных колебаний, возникающих после погасания дуги в контуре, состоящем из индуктивности нагрузки и емкости изоляции.

Особенности гашения электрической дуги переменного тока.

Поскольку на переменном токе каждый полупериод происходит естественный переход тока дуги через нуль, то задача гашения дуги состоит в том, чтобы не допустить повторного ее зажигания, так как дуговой промежуток ионизирован и сохраняет высокую проводимость. 

Рис. 6.20. Осциллограмма отключения цепи переменного тока при активной нагрузке

Для предотвращения повторного зажигания дуги существуют два способа.
1. Увеличение длины дугового промежутка, чтобы напряжение зажигания дуги стало больше амплитуды восстанавливающегося напряжения на дуговом промежутке. В качестве примера рассмотрим осциллограмму отключения цепи переменного тока при активной нагрузке (рис. 6.20). По мере возрастания длины дуги lдг увеличиваются напряжения ее зажигания Uдг з и погасания Uдг п, возрастает продолжительность перерывов тока при прохождении через нуль и после каждого повторного зажигания уменьшается амплитуда тока. В этих условиях дуга гаснет без перенапряжений.
При индуктивной нагрузке моменты прохождения тока и напряжения через нуль не совпадают, интервалы перерывов тока сокращаются и условия гашения дуги затрудняются. Гашение дуги переменного тока за счет увеличения длины дугового промежутка применимо только при низком напряжении.

1. Деионизация дугового промежутка. Способы деионизации:

—воздушное (или газовое) дутье (подача в зону дуги неионизированного воздуха или газа);

1. использование среды со специальными физико-химическими свойствами (трансформаторное масло, элегаз, вакуум);
2. повышение давления в зоне дугового промежутка.

 Зависимость электрической прочности от давления приведена на рис. 6.21.

Рис. 6.21. Зависимость электрической прочности дугового промежутка от давления:
1 — воздух; 2 — вакуум; 3 — трансформаторное масло; 4 — элегаз

Масляные выключатели на ЭПС не применяются вследствие пожароопасности. Элегаз (шестифтористая сера SF6) имеет дугогасительную способность в 2 раза выше воздуха, но при низких температурах переходит в жидкое состояние и требует подогрева. Последнее время на зарубежном ЭПС переменного тока, применяются вакуумные выключатели.
Вакуум — это среда, давление в которой не превышает 10 4 - 10 6 Па. Для сравнения давление 10 6 Па соответствует действию силы 1Н на площадь 1 км².
Свойства вакуума:

1. высокая диэлектрическая прочность 230 кВ/см;
2. быстрое восстановление электрической прочности после погасания дуги (за 0,1 мкс). (Для сравнения — у элегаза 10—100 мкс.)

Стадии гашения дуги в вакууме:

1. при расхождении контактов между ними образуется жидкометаллический мостик;
2. мостик нагревается, испаряется, и в парах металла горит дуга; при этом ионизированные пары металла удерживаются в столбе дуги ее магнитным полем;
3. при первом прохождении тока через нуль дуга гаснет, происходит быстрая диффузия зарядов из столба дуги в окружающий вакуум, и электрическая прочность дугового промежутка восстанавливается.

Рис. 6.22. Срез тока:
а — эквивалентная схема; б — осциллограмма

Погасание дуги до перехода тока через нуль называется срезом тока. Срез тока сопровождается перенапряжениями, которые возникают при колебательном процессе в контуре, образованном индуктивностью нагрузки L2 и емкостью ее изоляции С2 (рис. 6.22, а). Амплитуда колебаний напряжения (рис. 6.22, б)

Амплитуда возрастает при увеличении Т2 и уменьшении С2. Частота колебаний напряжения
Срез возникает при отключении малых токов (например, тока холостого хода трансформатора или емкостного тока кабельной линии) при помощи выключателя с мощным воздушным дутьем. Для ограничения перенапряжений применяют шунтирование дугового промежутка нелинейным резистором. Так сделано на воздушных выключателях отечественных электровозов переменного тока.