Дослідження електричної дуги

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1

Дослідження електричної дуги

Вимикальні апарати, /вимикачі/ призначені для вимкнення нормальних і аварійних струмів електричного ланцюга. При вимкненні електричного ланцюга, як правило, між рухливими і нерухомими контактами вимикача утвориться електрична дуга, що повинна бути погашена якомога швидше. Вивчення конструкцій різних типів вимикальних апаратів, оцінка їхніх експлуатаційних якостей вимагає знань фізичних процесів, що відбуваються при горінні і гасінні електричної дуги.

 

Дуга постійного струму

Нехтуючи струмами корони і тихого розряду, можна вважати, що точка початку дугового розряду знаходиться поблизу осі ординат, тому вольтамперну характеристику дуги можна зобразити так, як показано на рис. 1.3.

Вольтамперну характеристику електрич­ної дуги можна одержати дослідним шляхом при незмінному іскровому проміжку апарата. Для цього необхідно підвести до досліджуваного контуру таку напругу, при якій дуга горить стійко при незмінному струмі. Це свідчить про те, що опір стовбура дуги постійний, тобто кількість іонізованих і деіонізованих часток в одиницю часу одна­кова. Вимірив­ши струм і напругу дуги, одержимо одну з точок вольтамперної характеристики.

По­вільно змінюючи напругу контуру, мож­на одержати стійку дугу при іншому струмі і напрузі іскрового проміжку, що відповідає однаковій швидкості іонізації і деіонізації іскрового проміжку при нових значеннях струму і напруги дуги.

Знята таким способом вольтемперна характеристика називається статичною характеристикою дуги (рис. 1.3). Цілком очевидно, що для даного апарату статична характеристика дуги єдина.

Статичну характеристику дуги можна зняти як при поступовому збільшенні струму, так і при повільному його зменшенні.

При зменшенні струму настільки швидкому, що зміна іонізаційного стану проміжку не поспіває за зміною струму, вийде інша характеристика (рис. 4, крива b), яку називають динамічною. Динамічних характеристик можна одержати велику кількість. Ці характеристики залежать від швидкості зміни струму, швидкості збільшення іскрового проміжку, від наявності спеціальних засобів для гасіння дуги і т.п. Але усі вони при зменшенні струму лежать нижче статичної, і напруга гасіння дуги UL динамічних характеристик має менше значення, ніж напруга загоряння дуги Uz, узята по статичній характеристиці.

Раніше було зазначено, що різні гази мають різні дугогасні властивості. Статичні характеристики також мають різний характер у залежності від газу, для якого вони одержані. Для ілюстрації сказаного приведемо криві статичних характеристик дуги (рис.1.5).

 

Рис. 1.4 Рис. 1.5

Для того, щоб погасити дугу постійного струму, необхідно створити такі умови, при яких число іонізованих часток у дуговому проміжку безперервно зменшувалося б.

Якщо число зникаючих іонізованих часток більше числа знову виникаючих, то опір дуги росте. При незмінній напрузі джерела струму і постійних параметрах зовнішнього ланцюга, струм у дузі буде спадати з ростом її опору. Якщо співвідношення між іонізацією і деіонізацією буде залишатися таким же і далі, то струм зменшиться до нуля і дуга згасне.

Дослідимо характеристики дугового проміжку і зовнішнього контуру (рис.1.6) для визначення умов горіння і гасіння дуги постійного струму. Для цього ланцюга можна написати наступне рівняння:

 

,

де - напруга постійного струму, що прикладена до досліджуваного ланцюга;

 

- падіння напруги в активному опорі зовнішнього ланцюга при даному струмі;

- напруга стовбура дуги, що необхідна для горіння дуги при даному струмі;

- е.р.с. індуктивності контуру при нестаціонарному режимі.

Графічне відображення цього рівняння дане на рис.7.

При до дуги прикладена така напруга, яка необ­хідна, щоб вона горіла при даному струмі.

При цьому має місце умова , струм у контурі не змінюється. На рис. 6 зображені дві точки перетину: 1 і 2, що відповідають рівності . Для кожної з цих точок виконується умова , але їх характеристики щодо стійкості горіння дуги відмінні.

При у контурі існує напруга більша, ніж необ­хід­но для горіння дуги при даному струмі. При цьому , струм у контурі росте, поки не наступить рівновага U – ir = Uд при но­вому зна­ченні струму. Цьому положенню рівноваги відповідає точка 2 (рис. 1.7).

При у контурі існує напруга менша, ніж необхідно для підтримки дуги. При цьому , струм у контурі зменшується до значення I₂, якщо зміна струму відбувається в області точки 2, або струм зовсім зникає, якщо зменшення струму відбувається в області точки 1 (рис.1.7). Таким чином, точку 2 можна вважати точкою стійкого горіння електричної дуги, а точку 1 – точкою нестійкого горіння.

 

Зі сказаного випливає, що для гасіння електричної дуги постійного струму необхідно, щоб на всьому діапазоні струмів мала місце умова . Ця умова зводиться до того, щоб крива характеристики дуги ніде не перетиналася з прямою (рис. 1.8). Якщо пряма дотикається до статичної характеристики дуги А, то умови гасіння дуги не дійсні. При цьому існує одна точка рівноваги, в якій виконується умова , і в залежності від додаткових умов дуга може існувати тривалий час.

Підняти криву ста­тичної характеристики можна двома способами: збільшенням опору дуги за рахунок підсилення деіонізації дугового проміжку і збільшенням опору дуги за рахунок її подовження.

В момент гасіння дуги струм дорівнює нулю, внаслідок чого рівняння приймає вигляд:

В цьому випадку виникає перенапруга:

Звідси випливає, що ве­­личина перенапруги обумов-люється швидкість падіння струму в дузі й індуктивністю лан­цю­га. Чим більше індук­тив­­ність ланцюга, тим біль­ша за інших рівних умов перена­пруга, що виникає в кінці гасіння дуги.

Перенапруги залежать також від середовища, у якому гаситься дуга. Ця обставина не дозволяє застосувати для гасіння дуги постійного струму сильно деіонізуючі засоби.

 

Дуга змінного струму.

 

Дуга змінного струму відрізняється від дуги постійного струму тим, що струм у дузі за кожний півперіод проходить через нульове значення, не залеж­но від ступені іонізації дугового проміжку. Вольтамперна харак­тери­стика дуги змінного струму, знята за один період, показана на рис.1.9.

Точки А і С вольтамперної характеристики (рис. 1.9) лежать дуже близько до ординати, і з деяким допущенням цю характеристику можна зобразити так, як показано на рис. 1.10.

Заштрихована площа на рис.9 і 10 пропорційна втратам у дузі за півперіод. U_Z відповідає напрузі запалювання дуги, а U_L - напрузі гасіння. Природно,що напруга дуги не змінюється миттєво з деякого позитивного значення до негативного, як це показано на рис. 10, тому рис. 9 дає більш правильну картину зміни цієї напруги.

Рис. 19 Рис. 1.10

Покажемо, як змінюється струм і напруга дуги за один період у залежності від часу (рис. 1.11).

Відповідно до викладеного вище, напруга дуги падає при збільшенні струму, і навпаки, при зменшенні струму напруга дуги росте. При цих умовах напруга дуги від чверті періоду трохи падає, а потім до проходження струму через нульове значення збільшується. Після цього знак напруги дуги змінюється і процес повторюється. При цьому спостерігається збільшення значення напруги загоряння, ніж значення напруги гасіння дуги.

Умови гасіння електричної дуги змінного струму ті ж, що і для постійного струму. При цьому також необхідно, щоб умови деіонізації іскрового проміжку домінували над умовами іонізації.

Принципово дугу змінного струму можна погасити в різні моменти часу: при переході струму через нульове значення й у другий момент напівперіоду. В другому випадку, щоб погасити дугу необхідно створити сильно деіонізуюче середовище, яке здатне знизити струм до нуля ще до кінця напівперіоду. Це зв'язано з великими перенапругами в момент гасіння дуги, так як у цьому випадку процес гасіння дуги змінного струму нічим не відрізняється від гасіння дуги постійного струму.

Практично гасіння дуги протягом часу меншого напівперіоду спостерігається дуже рідко. Зазвичай дуга гасне при проходженні струму через нульове значення, коли підвід енергії до дуги припиняється, температура її при цьому різко падає. Тому даний момент є найбільш сприятливим щодо гасіння дуги. Внаслідок спадання температури і посилення процесів деіонізації з моменту проходження струму через нульове значення сильно спадає ступінь іонізації дугового проміжку й опір між контактами росте. Одночасно в дуговому проміжку починає рости напруга, що прагне знову відновити дугу. Ріст напруги іскрового проміжку після проходження струму через нульове значення називається процесом відновлення напруги.

Таким чином, у момент проходження струму через нульове значення починається посилене відновлення електричної міцності іскрового про­між­ку внаслідок різкого зниження його іонізації. Одночасно з цим почи­нається процес відновлення напруги в іскровому проміжку, що є іоні­зуючим чинником.

Якщо швидкість відновлення електричної міцності більше швидкості відновлення напруги іскрового проміжку, то дуга, що погасла після про­ходження струму через нульове значення, більше не відновиться. Навпаки, якщо швидкість відновлення електричної міцності менша швидкості відновлення напруги іскрового проміжку, дуга відновлюється і горить до наступного проходження струму через нульове значення.

Співвідношення швидкості відновлення електричної міцності іскрового проміжку і швидкості відновлення напруги залежить від багатьох факторів. На це співвідношення впливають параметри елементів електричного ланцюга, особливості конструкції вимикального апарата, режим роботи системи і т.д. Але одним з головних факторів варто вважати конструкцію вимикального апарата, його швидкісні характеристики й особливості конструкції, що дозволяють швидко гасити утворену електричну дугу.

 

Процес вимкнення вимикача.

 

Розмикання контактів вимикача не приводить до негайного переривання струму, тому що розрив, що утворився, перекривається дугою, опір якої малий. В міру наближення сили струму до нуля температура іонізації і провідність дугового проміжку швидко зменшуються й у якийсь момент часу, що близький до моменту природного досягнення нуля струмом, дуга гаситься (рис. 12,а)

У цей момент проміжок між контактами, які розходяться до деякої міри ще іонізований, що визначається відставанням теплових процесів від зміни струму. Після гасіння дуги процес пере­творення дугового проміжку з провідника в діелектрик відбувається досить швидко, але не миттєво. У цей же період часу відновлюється напруга на контактах вимикача. Поки горить дуга, напруга на розриві U_д відносно малa. У момент гасіння дуги воно змінює знак і відновлюється до напруги мережі, що близька до амплітудної. Якщо відновлювальна електрична міцність проміжку (напруга, яка необхідна для пробою проміжку) Uпрб перевищує відновлювальну напругу, U_в, дуга не виникає (рис. 12,а). У протилежному випадку відбувається запа­лювання дуги (рис. 12,6). Через половину періоду процес повто­рюється, але за цей час контакти розійдуться на більшу відстань, що сприяє гасінню дуги. Зазвичай дуга у вимикачі горить 1-3 півперіоду.

Для успішного вимкнення ланцюга необхідно, щоб U_прб (ізоляційна властивість проміжку) збільшувалася швидше ніж напруга, що прикладена до контактів. Для цієї мети вимикачі постачають гасильними пристроями, які забезпечують ефективну деіонізацію дугового стовпа.

Способи гасіння дуги в апаратах напругою до 1000 В.

1. Подовження дуги швидким розведенням контактів до моменту, коли напруга джерела не в змозі підтримати дугу на такій відстані.

2. Поділ дуги на ділянки за допомогою струмопровідних пластин (рис. 1.13). У цьому випадку напруга дуги U_д буде складатися з n ділянок з анодним U_а і катодним U_k падіннями напруги і падінням напруги в стовпі дуги U_cт:

Коли падіння напруги в дузі буде менше напруги джерела, дуга гасне. Ефективність такого способу гасіння дуги полягає в тому, що сума катодного й анодного падінь напруги значно більша падіння напруги в стовпі нерозділеної дуги.

Для дуги постійного струму сума катодного і анодного падіння напруги складає:

Дугу змінного струму також можна розділити на ділянки. У момент проходження струму через нуль білякатодовий простір набуває електричної міцністі 150...250 В.

3. Дуга у вузьких щілинах з дугостійких ізоляційних матеріалів (рис. 14) гаситься інтенсивним охолодженням і деіонізацією стовпа дуги, що стикається з матеріалом щілини.

 

 

 

4. Рух дуги в магнітному полі. Якщо дугу помістити в магнітне поле, спрямоване перпендикулярно до її осі, дуга почне переміщатися, тому що вона являє собою провідник зі струмом. У радіальному магнітному полі (рис. 15) дуга буде обертатися і переміщуватися, що сприяє її інтенсивному охолодженню і деіонізації.

Магнітне поле може бути створено постійними магнітами, спеціальними котушками чи самим контуром протікання струму, що вимикається. Способи гасіння дуги у вузьких щілинах і рух у магнітному полі вико­ристовуються також в апаратах напругою вище 1000 В.

 

 

Порядок виконання роботи.

 

1. Вивчивши попередньо теоретичне обґрунтування принципів горіння електричної дуги й конструкцію лабораторної установки, зібрати схему (рис.1.210) і підключити до неї осцилограф. Дуговий проміжок установити максимальним.

Рис. 1.210.

Схема дослідження електричної дуги: 1 - зварювальний трансформатор; 2 - регулювальний реостат; 3 - трансформатор струму (I_Н = 200 А); 4 - пристрій з регульованим дуговим проміжком.

 

2. Після перевірки схеми викладач подає напругу на схему і запалює дугу, змінюючи дуговий проміжок.

3. Перемалювати на кальку осцилограми струму і напруги дугового про­міжку, попередньо записавши покази вольтметра V₂ і амперметра А.

4. Записати показання приладів, змінюючи дуговий проміжок від мінімального (загоряння дуги) до максимального (гасіння дуги). Описати характер змінювання процесу горіння дуги, відображеного осцилографом.

 

Питання для самоконтролю

1. Причини виникнення клектричної дуги (електричного розряду).

2. Назвіть форми вимкнення електричного ланцюга. При яких умовах виникає та чи інша форма?

3. На які складові поділяється напруга дуги?

4. Які умови стійкого горіння дуги?

5. Охарактеризуйте фізичні процеси, що протікають в діелектрику під час горіння в ньому електричної дуги.

6. Назвіть умову гасіння дуги постійного струму. Перелічіть методи її досягнення.

7. Охарактеризуйте процеси, що виникають при згасінні дуги (відновлюванна напруга)

8. В чому особливості горіння і гасіння дуги змінного струму.

9. Процеси, що здійснюються при проходженні струму електричної дуги через «0».

10. Яку умову повинен забезпечити вимикач для успішного вимкнення ланцюга?

11. Перелічіть і охарактеризуйте способи гасіння дуги в вимикачах. Яким чином в кожному з них досягається умова гасіння дуги?

12. Чим відрізняються поняття напруга дуги і напруга дугового проміжку?

13. Як на процес гасіння дуги впливає струм в дузі?

14. Як на процес гасіння дуги впливає напруга мережі?

15. Як на процес гасіння дуги впливає cosφ?

16. Як впливає опір 2 (рис. 1.21) на процесс горіння і гасіння дуги подовженгням?

 

 

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2

Апарати на напругу до 1000в

 

Такі апарати по призначенню поділяються на дві групи:
-розподілу;
-управління.

Функції апаратів розподілу електричної енергії на напругу до 1000 В:

- неавтоматичне увімкнення і вимкнення електричних ланцюгів для подачі або зняття живлення електроенергією ділянки мережі;

- автоматичне вимкнення ділянки ланцюга при появі ненормальних режимів, що загрожують безпеці обслуговуючого персоналу або збереженню устаткування (наприклад, при короткому замиканні). Іноді апарати здійснюють автоматичне введення резерву (АВР) чи автоматичне повторне увімкнення (АПВ) після аварійного вимкнення.

Розрізняють три групи апаратів розподілу енергії:

- неавтоматичні вимикачі та рубильники;

- автоматичні вимикачі (скорочено автомати);

- плавкі запобіжники (скорочено запобіжники).

Перераховані апарати іноді встановлюють разом з апаратурою управління в пристроях для управління електроприводом.

Автомати служать як для неавтоматичних комутацій, так і для автоматичного вимкння при різних ненормальних режимах (надструмі, перенапрузі, зникненні напруги, зворотному струмі і т.д.), тобто виконують обидві функції.

Неавтоматичні вимикачі виконують тільки першу функцію: неавтоматичне увімкнення і вимкнення ланцюгів.

Запобіжники частково виконують другу функцію: тільки відключають ланцюг і тільки при одному виді ненормального режиму - при надструмі. Їхня особливість - плавлення металу при великих струмах, що веде до розриву ланцюга струму.

Всі апарати розрізняються по роду струму (частоті), номінальній напрузі, номінальному струму і струму що комутується та числу фаз, що комутуються.

 

Неавтоматичні вимикачі

Неавтоматичні вимикачі призначені для проведення неавтоматичних комутацій електричного ланцюга в нормальних режимах при струмах, що не перевищують номінального струму вимикача. До них відносяться неавтоматичні вимикачі, пакетні вимикачі і перемикачі та рубильники.

У розподільчих пристроях до 1кВ і в слабкострумових ланцюгах автоматики широке застосування знайшли пакетні перемикачі і вимикачі, що замінили стару конструкцію рубильників. На рис. 2.1 показаний пакетний кулачковий вимикач. На підставці вимикача укріплені два пакети I, II, усередині яких розташовані по три полюса контактної системи.

При повороті рукоятки 9 повертаються вал 2 і кулачок 3. Якщо шток 5 попадає у виїмку кулачка, то контакти 7, 8 зами­каються під дією пружини 6. Якщо шток 5 попадає на виступ кулачка, то контакти розмикаються. Виникаюча дуга гаситься в закритому об’ємі герметизованного корпуса 4. Зовнішня мережа підключається до вихідних виводів I.

Пакетні вимикачі і перемикачі серій В і ПМ випускаються одне -, двох - і трьохполюсні розраховані на номінальні струми 20-400 А постійного струму на­пру­­гою 220 В та 63-250 А змінного струму напругою 380 В. Найбільша частота спрацювання - 300 за годину.

Пакетні перемикачі мають малі габаритні розміри, зручні в мон­тажі; при переключенні унеможливується викид полум'я і газів. Такими перемикачами дозволяється відключати номінальні струми.

Вони не забезпечують видимого розриву ланцюга, тому в деяких ланцюгах установлюють рубильники.

Рубильники

Рубильники призначені для комутацій окремих знеструмлених частин електричного кола, зняття з них напруги, та для утворення видимого проміжка в лектричної ланці.

Останні, по конструкції, розрізняються на одне -, двох - і трьохполюсні рубильники.

На рис. 2.2. показаний рубильник з підоймовим приводом. Рухливий контакт-ніж 3 обертається в шарнірній стійці 4, створюючи розриви з не­рухомим контактом 1. Дугогасильна камера 2 забезпечує гасіння дуги. Ножі всіх полюсів об'єднані ізоляційним валиком, рух якому передається тягою. 5. Рукоятка монтується на передній стороні шафи, а контактна частина - усередині шафи; отже, операції з рубильником безпечні для персоналу. Таким рубильником можна відключати номінальний струм в установках 380 В й 50% номінального струму в установках 500 В.

 

 

 

Найважливіша частина рубильника - контакти. Звичайно засто­совуються лінійні контакти рублячого типу, контакт в них забезпечується спеціальними сталевими пружинами.

Гасіння дуги постійного струму (до 75 А) відбувається за рахунок її механічного розтягування. При великих струмах гасіння дуги здійснюється за рахунок її переміщення електродинамічними силами взаємодії, причому чим коротше ніж, тим більше сили взаємодії між дугою і деталями рубильника, що підвищує відключаючу здатність рубильника.

Гасіння дуги змінного струму здійснюється за рахунок білякатодової електричної міцності (150-250 В), що спостерігається при переході струму через нуль. Довжину ножа в рубильниках змінного струму вибирають по механічних умовах.

Застосування дугогасильних камер забезпечує гасіння дуги при вимкнні номінальних струмів рубильниками постійного 220 В й змінного 380 В струмів. При напругах 440 і 500 В струми, що відключаються, складають 0,5 І_ном. Дугогасильні камери запобігають викиду іонизованих газів, перекриттю електричної дуги між фазами або на корпус.

Рубильники без гасіння дуги випускаються на струми до 5000А, але не призначені для вимкнення струму навантаження.

 

Запобіжники

Запобіжник - це комутаційний електричний апарат, призначений для вимкнення ланцюга руйнуванням, спеціально передбачених для цього, його струмоведучих частин під дією струму, що перевищує визначене значення.

У більшості запобіжників ланцюг відключається за рахунок розплавлювання плавкої вставки, яка нагрівається струмом ланцюга. Після вимкнення ланцюга необхідно замінити перегорілу вставку на справну.

Запобіжник включається послідовно в ланцюг, який захищається, а для створення видимого розриву використовується неавтоматичний вимикач (рубильник).

Основні елементи запобіжника - корпус, плавка вставка (плавкий елемент), контактна частина, дугогасильний пристрій і дугогасильне середовище.

Запобіжники виготовляють для змінного струму на напруги 35В, 220В, 380В, 660 В і для постійного струму напругою 24В, 110В, 220В, 440 В.

Запобіжники характеризуються номінальним струмом плавкої вставки, тобто струмом, на який розрахована плавка вставка для тривалої роботи. У той самий корпус запобіжника можуть бути вставлені плавкі вставки на різні номінальні струми, тому сам запобіжник характеризується номінальним струмом запобіжника.

Запобіжники напругою до 1 кВ виготовляють на номінальні струми до 1000 А.

У нормальному режимі теплота, утворена струмом навантаження в плавкій вставці, передається в навколишнє середовище і температура всіх частин запобіжника не перевищує припустиму. При перевантаженнях або коротких замиканнях температура вставки збільшується и вона розплав­ляється. Чим більше протікає струм, тим менше час плавлення. Ця залеж­ність називається захисною (ампер-секундною) характеристикою запобіж­ника (рис.2.3).

 

 

 

 

Щоб зменшити час спрацьовування запобіжника, застосовують плавкі вставки з матеріалів спеціальної форми, а також використовують металургійний ефект.

Найбільш розповсюджені матеріали плавких вставок - мідь, цинк, алюміній, свинець і срібло.

Цинк і свинець мають низьку температуру плавлення (419 і 325 °С), що забезпечує невелике нагрівання плавких вставок для їх розплавлення. Цинк стійок до корозії, тому перетин плавної вставки не змінюється за час експлуатації і захисна характеристика залишається незмінною. Цинк і свинець мають великі питомі опори, тому плавкі вставки з них виготовляються великого перетину. Такі плавкі вставки звичайно застосовуються в запобіжниках без наповнень. Запобіжники з вставками з цинку і свинцю мають великі витримки часу спрацювання при перевантаженнях.

Мідні вставки піддаються окислюванню; їхній перетин згодом змен­шу­ється, і захисна характеристика запобіжника змінюється. Для зменшення окислювання звичайно застосовують луджені мідні вставки. Температура плавлення 1080 °С, тому при струмах, близьких до мінімального струму плавлення, температура всіх елементів запобіжника значно зростає.

Срібні вставки не окислюються, і їхні характеристики найбільш стабільні.

Алюмінієві вставки застосовуються в запобіжниках у зв'язку з дефіцитом кольорових металів. Високий опір окісних плівок на алюмінії ускладнює здійснення надійного рознімного контакту.

Для прискорення плавлення вставок з міді і срібла використовується металургійний ефект - явище розчинення тугоплавких металів у розплавлених менш тугоплавких. Якщо, наприклад, на мідний дріт діаметром 0,25 мм напаяти кульку з олов'яно-свинцового сплаву з температурою плавлення 182°С, то при температурі дроту 650°С вона розплавиться протягом 4хв, а при 350°С - протягом 40 хв.

Той же дріт без розчинника плавиться при температурі не менш 1000 °С. Звичайно для створення металургійного ефекту на мідних і сріб­них вставках застосовують чисте олово с більш стабільними властивостями. У нормальному режимі роботи кулька практично не впливає на температуру вставки.

Прискорення плавлення вставки досягається також застосу­ван­ням плавкої вставки спеціальної форми (рис. 2.4). При струмах короткого замикання вузькі ділянки нагріваються настільки швидко, що відвід теплоти майже не відбувається. Вставка перегоряє одночасно в декількох звужених місцях (перетин В-В) перш ніж струм короткого замикання досягне свого сталого значення в ланцюзі постійного струму або ударного струму в ланцюзі змінного струму (див. рис. 2.3).Струм короткого замикання при цьому обмежується до значень І_обмеж (у 2-5 разів менш І_устал). Таке явище називається струмообмежуючою дією запобіжника. Електродинамічні сили в ланцюзі, захищеному таким запобіжником, настільки зменшуються, що в деяких випадках струмоведучі частини й апарати не вимагають перевірки на електродинамічну стійкость.

Гасіння електричної дуги, що виникає після перегоряння плавкої вставки, повинне здійснюватися в можливо короткий час. Час гасіння дуги залежить від конструкції запобіжника.

Найбільший струм, що плавкий запобіжник може відключити без яких-небудь ушкоджень чи деформацій, називається граничним струмом вимкнення.

Запобіжники знайшли широке застосування в промислових електро­установках, на електростанціях, підстанціях, у побуті і мають різну конструкцію. Розглянемо конструкцію запобіжників, найбільше широко застосовуваних в електричних установках.

Запобіжники з закритими розбірними патронами без наповнення типу ПР-2 (див. рис. 2.4) виготовляються на 220 і 500 В, номінальні струми 100...1000 А, струми, що відключаються при струмах вимикання 6...20кА.(cos(0,4))

 

Патрон запобіжника ПР-2 (див. рис. 2.4) на струми 100 А й вище складається з товстостінної трубки (фібрової) 1, на яку щільно насаджені латунні втулки 3, що запобігають розриву трубки. На втулку нагвинчуються ковпачки 4, що закріплюють плавку вставку 2, пригвинчену до ножів 6, до установки її в патрон. Для запобігання повороту ножів передбачена шайба 5, що має паз для ножів. Патрон вставляється в нерухомі контактні стійки, укріплені на ізоляційній плиті.

Запобіжники насипні типу ПН-2 широко застосовуються для захисту силових ланцюгів напругою до 500В змінного і 440В постійного струмів і виготовляються на номінальні струми 100...600 А. Порцелянова, квадратна зовні і кругла усередині, трубка має чотири різьбових отвори для гвинтів, за допомогою яких кріпиться кришка з ущільнювальною прокладкою. Плавка вставка приварена точковим зварюванням до шайб контактних ножів. Кришки з азбестовими прокладками герметично закривають трубку. Трубка заповнена сухим кварцовим піском. Плавка вставка виконана з однієї чи декількох мідних стрічок товщиною 0,15...0,35 мм і шириною до 4 мм. На вставці зроблені насічки, що зменшують перетин вставки в 2 рази. Для зниження температури плавлення вставки використовується металургійний ефект - на стрічки міді напаяні кульки олова. Температура плавлення в цьому випадку не перевищує 475 °С. Дуга виникає в декількох рівнобіжних каналах (відповідно до числа вставок); це забезпечує найменшу кількість пару металу в каналі між зернами кварцу і найкращі умови гасіння дуги у вузькій щілині. Насипні запобіжники так само, як запобіжники ПР, мають струмообмежуючу властивість.

Для зменшення виникаючих перенапруг плавка вставка має по довжині насічки, причому їхня кількість залежить від номінальної напруги запобіжника (з розрахунку 100...150 В на ділянку між насічками). Тому що вставка згоряє у вузьких місцях, то довга дуга виявляється розділеною на ряд коротких дуг, сумарна напруга на який не перевищує суми катодних і анодних спадань напруги.

Автоматичні вимикачі

Автоматичний вимикач призначений для автоматичних вимикань ланцюгів при аварійних режимах, а також нечастих неавтоматичних оперативних комутацій (від 6 до 30 у добу) електричних ланцюгів.

Автоматичні вимикачі виготовляють одно-, двох-, трьох- і чотирохполюсні; на номінальні струми 6,3...6300А; для ланцюгів напругою змінного струму до 1000В і постійного струму - до 440В.

Автоматичні вимикачі мають встроєні реле прямої дії, що забезпечують вимкнення при перевантаженнях, коротких замиканнях та зниженні напруги. Вимкнення може відбуватися без витримки часу чи з витримкою часу. За власним часом вимкнення t_відк. (проміжок часу від моменту, коли контрольований параметр перевершив установлене для нього значення, до початку розходження контактів) розрізняють вимикачі: - нормальні (t_відк.=0,02-1с), - з витримкою часу, - селективні і - швидкодіючі (t_відк. <0,005 с).

Нормальні і селективні автоматичні вимикачі струмообмеженою дією не володіють. Швидкодіючі вимикачі, так само, як запобіжники, мають струмообмежуючу дію, оскільки відключають ланцюг до того як струм КЗ досягне значення і_уд.

Селективні автоматичні вимикачі дозволяють здійснити селективний захист мереж установкою автоматичних вимикачів з різними витримками часу.

Автоматичні вимикачі виготовляють з ручним і двигунним приводом, у стаціонарному або у висувному виконанні.

Автоматичні вимикачі з дистанційним керуванням (АВМ) розраховані на комутацію максимальних струмів, що вмикаються або вимикаються у циклі АПВ операцій «Відкл.-УВ.-Відкл.-П- УВ.-Відкл.» при номінальній напрузі. Тут Відкл - вимкнення, П - пауза (< 180 с), УВ - увімкнення, вимкнення.

Основні елементи автоматичного вимикача і їхню взаємодію розглянемо на принциповій схемі (рис. 2.5).

 

 

Контактна система вимикачів на великі струми двоступінчаста, складається з головних 11, 5 і дугогасильних контактів 7. Головні контакти повинні мати малий перехідний опір, тому що по них проходить основний струм. Звичайно це масивні мідні контакти зі срібними накладками на нерухомих контактах і металокерамічних накладках на рухливих контактах. Дугогасні контакти замикають і розмикають ланцюг, тому вони повинні бути стійкі до дуги, яка виникає, їхня поверхня металокерамічна.

При номінальних струмах 630 А контактна система односту­пінчата, тобто одні і тіж контакти виконують роль головних і дугогасних.

На рис. 2.5 вимикач показаний у вимкному положен­ні. Для його увімкнення обертають рукоятку 2 чи подають напругу на електромаг­ніт­ний при­вод 1. Виникаюче зусилля переміщує важелі 3 вправо, при цьому повертається де­таль 13, замикаються спочатку дугогасні контакти 7 і створюється ланцюг струму через ці кон­такти і гнучкий зв'язок 12, а потім через головні контакти 5-11. Після завершення операції вимикач утримується у увімкному положенні засувкою 14 із зубцями 15 і пружиною 16.

Відключають вимикач рукояткою 2, приводом 1 чи автоматично при спрацьовуванні розчіплювача.

Розчеплювач 17 спрацьовує при протіканні по його обмотці УАТ1 струму короткого замикання. Створюється зусилля, що переборює натяг Р пружини 16, важелі 3 переходять нагору за мертву точку, у результаті чого автоматичний вимикач відключається під дією пружини, що відключає, 4. Цей же розчеплювач виконує функції незалежного розчеплення. Якщо на нижню обмотку УАТ2 подати напругу кнопкою SB, вона спрацює і здійснить дистанційне вимкнення.

При зниженні чи зникненні напруги спрацьовує розчеплювач 18 і також відключається автоматичний вимикач.

При вимкнні спочатку розмикаються головні контакти і весь струм переходить на дугогасильні контакти. На головних контактах дуга не утвориться.

Дугогасильні контакти 7 розмикаються, коли головні знаходяться на достатній відстані друг від друга. Між дугогасильними контактами утвориться дуга, що видувається нагору в дугогасильну камеру 8, де і гаситься.

Дугогасильні камери виконують зі сталевими пластинами (ефект розподілу довгої дуги на короткі) і лабіринтовими - щілинами (ефект гасіння дуги у вузькій щілині). Дуга втягується в камеру магнітним дуттям. Матеріал камери повинний володіти високою дугостійкістю.

При протіканні струму короткого замикання через увімкний автоматичний вимикач між контактами виникають значні електро­динамічні сили, що перевищують сили контактних пружин 6 і 10, що можуть відірвати один контакт від іншого, а дуга, що утворилася, може зварити їх. Щоб уникнути мимовільного вимкнення., застосовують електродинамічні компенсатори у виді шинок 9, вигнутих петлею. Струми в шинках 9 мають різний напрямок, що створює електродинамічну силу, що збільшує притиснення контактів друг до друга.

Важелі 3 виконують роль механізму вільного розчіплювання, що забезпечує вимкнення автоматичного вимикача в будь-який момент часу, у тому числі при необхідності й у процесі увімкнення. Якщо вимикач включається на існуюче коротке замикання, то розчеплювач 16 спрацьовує і переводить важелі 3 нагору за мертву точку, порушуючи зв'язок привода 1 (чи 2) з рухливою системою автоматичного вимикача, що відключається пружиною 4 незважаючи на те, що приводом буде передаватися зусилля на увімкнення. У реальних автоматичних вимикачах механізм вільного розчіплювання має більш складний пристрій

Захисна характеристика ав­то­матичного вимикача показана на рис. 2.6. Макси­мальний роз­чеп­лювач електромагнітного типу має зворотно залежну від стру­му витримк