1. Выбор и проверка защитной аппаратуры до 1 кВ

Аппаратом защиты называют аппарат, автоматически отключающий защищаемую электрическую цепь при КЗ или перегрузках. Электроприемником может быть один или группа синхронных или асинхронных ЭД, трансформаторы, электрические печи, преобразователи, электрическое освещение и т.д..

Все существующие или вновь сооружаемые электрические сети должны быть обеспечены необходимыми и достаточными средствами защиты участков цепей и ЭО от токов перегрузки, токов КЗ и от пиковых токов. При этом также необходима защита людей, работающих с этими сетями, от поражения электрическим током.

На рис. 1 представлены возможные схемы защит АД.

Рисунок 1 – Схемы защит асинхронного двигателя: а – с автоматическим выключателем QF и c комбинированным расцепителем; б – с автоматическим выключателем QF и c комбинированным расцепителем и тепловой защитой (КК); в – с плавким предохранителем FU и тепловой защитой (КК)

Каждая ТП, каждая воздушная линия, каждая кабельная линия и распределительные внутридомовые сети, каждый ЭП имеют собственные аппараты защиты, обеспечивающие их бесперебойную и надежную работу. Такие аппараты подбирают по типу, по способу подключения и по параметрам защиты. Они бывают разных видов:

• предохранители с плавкими вставками;
• автоматические выключатели (АВ);
• реле (токовые, тепловые, напряжения и т. п.).

2. Защита предохранителями с плавкими вставками

Конструкция предохранителей с плавкими вставками Предохранители с плавкими вставками («плавкие предохранители») защищают участок цепи от токовых перегрузок и токов КЗ. Они бывают одноразовые и со сменными вставками, используются в промышленности и в быту. Существуют предохранители, работающие на напряжении до 1 кВ, и высоковольтные предохранители, работающие на напряжении выше 1 кВ (например, плавкие предохранители на трансформаторах собственных нужд подстанций со стороны 6 кВ). Удобство в эксплуатации, простота конструкции и легкость при замене обеспечили предохранителям очень большую распространенность, рис. 2.

Рисунок 2 – Плавкий предохранитель типа ПН-2: 1 – корпус квадратного сечения (из фарфора или стеатита); 2 – ленточные плавкие вставки; 3 – наполнитель – кварцевый песок; 4 – диск; 5 – пластины; 6 – асбестовая прокладка; 7 – оловянные шарики, которые наносятся на вставки для снижения температуры плавления; 8 – зона сужения плавкой вставки; 9 – ножевые контакты

Плавкие вставки приваривают к диску, который крепится к пластинам, связанным с ножевыми контактами. Пластины крепятся к корпусу винтами. Плавкие предохранители считаются наиболее простыми, дешевыми и надежными аппаратами защиты в сетях НН и ВН (до 110 кВ). В то же время плавкий предохранитель является самым слабым звеном электрической цепи. Защитные свойства плавких предохранителей не регулируются и определяются габаритом патрона, номинальным током плавкой вставки, а также дополнительными факторами: температурой эксплуатации, способом монтажа, степенью старения плавкого элемента и т.п. На рис. 3 приведена классификация предохранителей по принципу действия, материалу плавкой вставки и конструкции.

Рисунок 3 – Классификация предохранителей

Основными элементами предохранителей являются плавкая вставка, включаемая в рассечку защищаемой цепи, и дугогасительное устройство, гасящее дугу, возникающую после плавления вставки.

На рис. 4. представлен способ включения плавкого предохранителя в электрическую сеть и вид плавкой вставки.

а                                                                         б                                                  в

Рисунок 4 – Устройство предохранителей ПР-2: а – способ установки предохранителя; б – схема установки плавкой вставки в корпусе; в – вид плавких вставок

В промышленности наибольшее распространение получили предохранители типов ПР-2 (плавкие предохранители с гашением дуги в закрытом объеме) и ПН-2 (плавкие предохранители с мелкозернистым наполнителем).

Плавкие предохранители ПР-2 на токи от 15 до 60 А имеют упрощенную конструкцию, (см. рис. 4). Вставка предохранителя ПР-2 штампуется из легкоплавкого и стойкого к коррозии цинка и располагается в герметичном трубчатом патроне, который состоит из фибрового цилиндра, латунной обоймы и латунного колпачка. Плавкая вставка прижимается к латунной обойме колпачком, который является выходным контактом. Форма вставки позволяет получить благоприятную время-токовую (защитную) характеристику. В предохранителях на токи более 60 А плавкая вставка присоединяется к контактным ножам с помощью болтов. Существует модификация предохранителей с плавкой вставкой, снабженная индикатором срабатывания. Это удобно при большом количестве предохранителей, так как облегчается процесс поиска сработавшего защитного элемента.

Основные требования к плавким предохранителям:

1. время-токовая (защитная) характеристика предохранителя должна проходить ниже, но возможно ближе к время-токовой характеристике защищаемого объекта;
2. время срабатывания предохранителя при КЗ должно быть минимально возможным, особенно при защите полупроводниковых приборов. Предохранители должны ограничивать токи, иметь высокую отключающую способность;
3. замена сгоревшего предохранителя целиком или только плавкой вставки не должна требовать много времени;
4. предохранители должны работать селективно (избирательно);
5. характеристики предохранителя должны быть стабильными. Разброс параметров из-за технологических отклонений изготовления не должен ухудшать защитные свойства предохранителя.

Гашение дуги в плавком предохранителе ПР-2 происходит очень быстро (около 2 мс), поэтому можно считать, что уширенные части вставки в процессе гашения остаются неподвижными. Давление внутри патрона плавкого предохранителя пропорционально квадрату тока в момент плавления вставки и может достигать больших значений. Поэтому фибровый цилиндр должен обладать высокой механической прочностью, для этого на его концах установлены латунные обоймы. Диски, жестко связанные с контактными ножами, крепятся к обойме патрона с помощью колпачков.

Временем срабатывания плавкого предохранителя считают время плавления плавкого элемента до момента появления электрической дуги. Полное время отключения цепи составляет, мс:

где t_с – время срабатывания предохранителя, мс;

t_д – время гашения дуги, находится в пределах от 1 до 10 мс. Пропускаемый предохранителем ударный ток КЗ определяется временем срабатывания предохранителя (временем сгорания вставки).

Ток срабатывания – ток, приводящий к срабатыванию предохранителя за время, достаточное для достижения установившегося теплового состояния (за время 1÷4 часа в зависимости от номинального тока срабатывания плавкого элемента). Ток, который при тех же условиях не приводит к срабатыванию предохранителя, называют током несрабатывания. Среднее геометрическое этих двух токов называют пограничным током предохранителя (I_погр), и он должен соответствовать условию:

Условия выбора и проверка плавкого предохранителя:

1) номинальное напряжение предохранителя должно быть равно или больше номинального напряжения подключаемой сети:

2) номинальный ток плавкой вставки выбирают по расчетному току защищаемой цепи и отстраивают от токов кратковременной допустимой перегрузки, от пусковых и пиковых токов ЭП:

где I_р – расчетный ток защищаемой цепи, А:

I_п – расчетный ток перегрузки, (пиковый ток), А;

k_д.п. – коэффициент, учитывающий длительность перегрузки. Фактически это длительность переходного процесса и его значение принимают равным:

• k_д.п =2,5, если время разгона двигателя меньше 10 с;
• kд.п =1,6÷2, если время разгона больше 10 с или при частых пусках;

3) при выборе защиты трансформатора необходимо учитывать бросок тока при его включении, который выбирают больше двойного номинального тока трансформатора. Должно выполняться условие IstartT≥ 2IN. Номинальный ток патрона предохранителя должен соответствовать выбранной плавкой вставке;

4) выбранные плавкие предохранители проверяют на требуемую чувствительность защиты (ksen):

в электрических сетях общего назначения

для взрывоопасных помещений

где I_kmin — минимальный ток КЗ в конце защищаемой зоны;

5) также проводят проверку на отключающую способность:

Предохранители ПР-2 выпускаются двух размеров (короткие и длинные); они работают бесшумно, практически без выброса пламени и газов, что позволяет устанавливать их на близком расстоянии друг от друга. Короткие предохранители ПР-2 предназначены для работы в сетях переменного напряжения не выше 380 В. Они имеют меньшую отключающую способность, чем длинные, рассчитанные на работу в сети с напряжением до 500 В.

Недостатками плавких предохранителей является то, что они не обеспечивают защиту от перегрузок, а также то, что перегорание предохранителя в одной фазе приводит к ненормальному режиму работы ЭД, пуск и работа которых в двухфазном режиме может привести к аварии. Поэтому обязательно с предохранителем требуется установка в качестве дополнительного аппарата защиты магнитного пускателя или контактора (на большие токи) со встроенными электротермическими расцепителями, включенными в цепь управления катушки пускателя. Магнитный пускатель является одновременно аппаратом защиты и от минимального напряжения: при напряжении, меньше некоторого критического значения (обычно 0,6÷0,7 U_N), он отключается и, в случае использования обычного кнопочного управления, при восстановлении напряжения самостоятельно не включается. Это защищает оборудование от самозапуска. Если требуется самозапуск ЭД, то пусковую кнопку пускателя шунтируют контактами реле времени, выдержка по времени которого перекрывает кратковременный перерыв в электропитании или значительное снижение напряжения.

Номинальный ток теплового реле магнитного пускателя, который защищает от перегрузки, выбирают только по расчетному току линии:

К недостаткам плавких предохранителей также можно отнести:

• одноразовость срабатывания и невозможность проверки защитных свойств без разрушения вставки;
• независимая работа каждой фазы, т.к. они включаются в каждую фазу отдельно;
• возможность ошибочных срабатываний;
• сложность обеспечения защиты электрической цепи во всем диапазоне возможных сверхтоков;
• «старение» плавкой вставки и др.

Плавкие предохранители с мелкозернистым наполнителем ПН-2 более совершенны, чем предохранители ПР-2, (см. рис. 2 и рис. 4).

В качестве наполнителя в предохранителях ПН-2 используется кварцевый песок с содержанием SiO2 не менее 98 %, с зернами размером (0,2÷0,4)·10-3 м и влажностью не выше 3 %. Зерна песка имеют высокую теплопроводность и хорошо развитую охлаждающую поверхность. Перед засыпкой песок тщательно просушивается при температуре +120÷180 ºС.

Плавкая вставка выполняется из медной ленты толщиной 0,1÷0,2 мм. Для обеспечения ограничения тока плавкую вставку делают с сужением сечения, (см. рис. 7, в), и разделяют на три параллельные ветви для более полного использования наполнителя. Применение тонкой ленты и эффективный теплоотвод от суженных участков позволяет выбрать минимальное сечение вставки для номинального тока и обеспечивает высокую токоограничивающую способность. Последовательное соединение нескольких суженных участков способствует замедлению роста тока после плавления вставки, т. к. возрастает напряжение на дуге предохранителя.

Для снижения температуры плавления на вставки наносятся оловянные полоски или кладут оловянные зерна (металлургический эффект). При КЗ плавкая вставка предохранителя ПН-2 сгорает, и дуга горит в канале, образованном зернами наполнителя. Из-за горения в узкой щели, при токах выше 100 А дуга имеет возрастающую вольтамперную характеристику. Градиент напряжения на дуге очень высок, достигает (2÷6)·104 В/м, что обеспечивает гашение дуги за несколько миллисекунд. После срабатывания предохранителя плавкие вставки вместе с диском заменяют, а патрон вновь засыпают песком. Для герметизации патрона под пластины кладут асбестовую прокладку, что предохраняет песок от увлажнения.

Предохранители ПН-2 выполняют на токи до 630 А. Предельный отключаемый предохранителем ток КЗ в сети достигает 50 кА (действующее значение тока). Малые габариты, незначительные затраты дефицитных материалов (меди), высокая токоограничивающая способность — достоинство плавкого предохранителя ПН-2. При номинальном токе I_N ≤ 40 А предохранитель имеет еще более простую конструкцию.

3. Защита автоматическими выключателями

3.1. Конструкция и принцип действия АВ

Современный автоматический выключатель (АВ) – сложное многофункциональное электротехническое устройство многократного действия, что позволяет его использовать при выполнении схем сетевой автоматики (АВР, АПВ). АВ устанавливают в сетях постоянного и переменного тока, используют для включений и отключений электрических цепей ЭП, для защиты электроустановок от перегрузок, от КЗ и недопустимого снижения напряжения. Поэтому они находят широкое применение в установках переменного тока напряжением до 660 В.

АВ играют ту же роль, что и предохранители, но имеют более сложную конструкцию, а пользоваться АВ гораздо удобнее, рис. 5. АВ легко восстанавливаются (включаются), не требуют замены, одновременно отключают питание во всех трех фазах, а не в одной поврежденной жиле, что обеспечивает более эффективную защиту ЭО по сравнению с защитой плавкими предохранителями, что исключает работу ЭО в неполнофазном режиме.

Рисунок 5 – Различные виды автоматических выключателей

Это важно, так как после исчезновения одной фазы ЭД продолжил бы работу на двух, что является аварийным режимом работы и может привести к его повреждению, рис. 6. Пользоваться выключателями удобно и при проведении регламентных ремонтных работ.

АВ состоит из корпуса, дугогасительных камер, механизмов управления и коммутации, расцепителей (рис. 7). Для включения АВ, находящегося в расцепленном положении (положение «Отключено автоматически»), механизм должен быть взведен перемещением рукоятки (9) выключателя в направлении знака «О» до упора.

При этом происходит зацепление рычага (10) с защелкой (11), а защелки – с отключающей рейкой (12). Включение осуществляется перемещением рукоятки (9) в направление знака «1» до упора. Провал контактов и контактное сжатие при включении обеспечивается за счет смещения подвижных контактов (18) относительно контактодержателя (17).

а                                                                                                    б

Рисунок 6 – Схема (а) и характеристика срабатывания (б) автоматического выключателя: 1 – контакты; 2 – механизмы свободного расцепления; 3 – трансформатор тока утечки; 4 – усилитель-преобразователь; 5 – кнопка проверки исправности выключателя; 6 – ЭП; 7 – характеристика срабатывания выключателя; 8 – граница опасности возникновения фибрилляции сердца

Отключение АВ происходит при повороте расцепителем отключающей рейки (12) независимо от положения рукоятки АВ (9). При этом рукоятка занимает промежуточное положение между знаками «О» и «1», указывая, что выключатель отключен автоматически. Дугогасительные камеры (2) установлены в каждом полюсе выключателя и представляют собой деионные решетки, состоящие из ряда стальных пластин (6).

Искрогасители, содержащие искрогасительные пластины (3) и (4), закрепляют в крышке (5) выключателя перед отверстиями для выхода газов в каждом полюсе АВ. Если в защищаемой цепи хотя бы на одном полюсе ток достигает величины, равной или превышающей значение уставки по току, срабатывает соответствующий расцепитель, и выключатель отключает защищаемую цепь.

Рисунок 7 – Устройство автоматического выключателя ВА 04-36: 1 – основание, 2 – камера дугогасительная, 3 и 4 – искрогасительные пластины, 5 – крышка, 6 – стальные пластины. 7 и 8 – звено, 9 – рукоятка, 10 – рычаг опорный, 11 – защелка, 12 – рейка отключающая, 13 – пластина термобиметаллическая, 14 – расцепитель электромагнитный, 15 – проводник гибкий, 16 – токопровод, 17 – контактодержатель, 18 – контакты подвижные

Электромагнитный максимальный расцепитель тока (14) устанавливается в каждом полюсе выключателя. Расцепитель выполняет функцию мгновенной защиты от КЗ. АВ низкого напряжения снабжаются встроенными расцепителями разного типа:

• электромагнитным или электронным расцепителем максимального тока, мгновенного или замедленного действия. Скорость срабатывания практически не зависит от величины тока;
• электротермическим или электронным инерционным расцепителем максимального тока с зависимой от тока выдержкой времени;
• расцепителем от тока утечки;
• расцепителем минимального напряжения;
• расцепителем обратного тока или обратной мощности;
• независимым расцепителем (для дистанционного отключения выключателя).

Первые два типа расцепителей устанавливают на всех полюсах, остальные расцепители — по одному на выключатель. Токи уставки срабатывания АВ, а также токовые расцепители выдержки времени могут быть регулируемыми. В одном выключателе можно применять один или несколько типов токовых расцепителей и дополнительно к ним устанавливать расцепитель минимального напряжения, независимый расцепитель и электромагнит включения.

По времени срабатывания электромагнитные и электронные расцепители имеют четыре разновидности:

1. расцепители, обеспечивающие срабатывание АВ за время, намного меньшее 0,01 с, и выполняющие отключение тока КЗ раньше, чем он достигнет своего ударного значения. Такие АВ называют токоограничивающими;
2. расцепители, обеспечивающие отключение тока КЗ при первом прохождении тока через нулевое значение (t = 0,01 с);
3. нерегулируемые расцепители, время срабатывания которых превышает 0,01 с;
4. расцепители с регулируемой выдержкой времени (0,1÷0,7 с), позволяющие добиться их замедленной работы относительно других АВ той же сети. Их называют селективными.

Независимые расцепители применяют для местного дистанционного и автоматического отключения АВ при срабатывании внешних защитных устройств. Расцепители обратного тока или обратной мощности применяют для защиты от выпадения из синхронизма СГ, работающих на электрическую сеть.

3.2. Расчет и выбор автоматического выключателя

АВ выбирают с соблюдением следующих требований:

1) U_Nавт > U_Nсети, где U_Nавт — номинальное напряжение автомата, В;

U_Nсети – номинальное напряжение защищаемого участка сети, В;

2) I_Nрасц ≥ I_расч, А, где I_Nрасц – номинальный ток расцепителя, А;

I_расч – расчетный ток защищаемого участка сети, А.

Для одиночных электродвигателей, защищаемых АВ, считаем, что

I_расч = I_N, где I_N – номинальный ток двигателя, А.

Если защищаемый элемент сети работает в режиме технологических перегрузок, то необходимо выбирать автоматы с регулируемым расцепителем замедленного срабатывания, которые не отключает ЭП при плановых перегрузках, но осуществляющим защиту в аварийных режимах. Уставка замедленного срабатывания регулируемых расцепителей, осуществляющих защиту от перегрузки Iуст.п, выбирается по выражению, А:

При выборе тока уставки мгновенного срабатывания электромагнитного расцепителя, осуществляющего защиту от КЗ, необходимо отстроиться от кратковременных перегрузок (принять большим ток отключения), вызываемых пуском (самозапуском) двигателей, А:

где Iпер (или Iпик) – ток кратковременной перегрузки (или пиковый ток), определяемый в зависимости от характера нагрузки защищаемого участка сети:

1) для одиночных двигателей, А:

где kпуск – кратность пускового тока двигателя;

2) для самозапускающихся ЭД, А:

где – сумма токов, возникающих при самозапуске ЭД, А;

3) для пуска мощного двигателя и обеспечения режима нормальной работы всех остальных ЭП, подключенных к защищаемой линии, должно выполняться условие, А:

Где – сумма номинальных токов двигателей, присоединенных к защищаемой линии, без учета наиболее мощного ЭД, A;

I_пуск.max – пусковой ток наиболее мощного ЭД на защищаемом участке сети, А; kc — коэффициент спроса, kc <1.

АВ выбирают по номинальному току выключателя (I_N.вык) и номинальному току расцепителя (I_N.расц), А:

где I_дл.лин= I_N – длительный ток в линии, равный номинальному току двигателя, А:

где P_N – номинальная мощность двигателя, кВт;

U_N – номинальное напряжение электродвигателя, кВ; η_N – КПД двигателя, о.е.;

cosφ – коэффициент мощности двигателя, о.е.;

kt – коэффициент, учитывающий условия установки АВ: при открытой установке kt = 1; при установке в закрытых шкафах kt = 0,85.

После определения номинальных токов двигателей, защищаемых АВ, определяют пусковой ток двигателей с учетом его кратности, А:

Для АД кратность пускового тока k_пуск= 5÷8.

Пиковый ток при расчетах принимается:

I_пик = I_{пуск.max.дв}+Σ_Iраб,

где I_{пуск.max.дв} – пусковой ток самого большого двигателя, А.

Рассчитаем номинальный ток расцепителя с учетом поправочного коэффициента kt = 0,85 и того, что автоматы монтируются в шкафах, что ухудшает теплоотдачу:

Для отстраивания от пусковых токов (обеспечение невозможности срабатывания расцепителя) следует установить ток срабатывания расцепителя (Iсраб.рас), который на 25 % превысит максимальный пусковой ток двигателя (Istart), А:

Это значит, что АВ не должен срабатывать пока пусковой ток не превысит номинальный на 25 %. Этот разрешенный диапазон. По полученным данным выбирают АВ из таблиц каталогов, где указана номенклатура завода — изготовителя. По току послеаварийного режима, с учетом поправочного теплового коэффициента, выбирают номинальный ток селективного автомата.

Вводные автоматы в цеховую СЭС выбирают по установленной мощности цеховых трансформаторов с учетом их возможной перегрузки в послеаварийном режиме (согласно ГОСТ 14209-97), А:

Все выбранные АВ проверяют:

1. на отключающую способность: мальный ток трехфазного КЗ;
2. на чувствительность защит:

макси-

– при защите АВ с расцепителями замедленного действия, А:

где I⁽³⁾_{КЗmin  —} минимальный ток однофазного КЗ в электрически удаленной точке защищаемого участка сети, А;  I_Nрасц – номинальный ток расцепителя замедленного срабатывания, А;

– при защите автоматами с расцепителями мгновенного срабатывания, А:

где I_уст.КЗ – ток уставки мгновенного срабатывания, А; «1,4» – коэффициент для автоматов с INав < 100 А; «1,25» – коэффициент для автоматов с I_Nав ≥ 100 А.

4. Системы дугогашения в автоматических выключателях

4.1. Виды систем дугогашения в АВ

Системы дугогашения являются основными элементами конструкции АВ, т.к. в результате размыкания цепи может возникнуть электрическая дуга, которую системы дугогашения должны «погасить». Система дугогашения состоит из закрепленных параллельно друг другу металлических пластин, которые дробят, нейтрализуют или разрывают электрическую дугу в зависимости от конструкции.

Системы газового дугогашения применяют в выключателях ЭП переменного тока. При газовом дугогашении электрическая дуга горит в потоках газов, где она охлаждается, искривляется, удлиняется и разрывается.

Виды систем газового дугогашения:

1. газовое дугогашение – при появлении дуги зона разрыва разогревается, разогревает специальные газогенерирующие вещества (оргстекло, фибра) и происходит расширение потоков газов. Образовавшийся газ содержит большое количество водорода, который обладает высокой теплоемкостью и обеспечивает интенсивный отвод тепла от дуги. Газовое дугогашение применяют в аппаратах разового использования (предохранители с плавкими вставками), в разрядниках и в масляных выключателях;
2. при воздушном дугогашении на дугу действует поток сжатого воздуха. Воздушное дугогашение бывает:
   • поперечное – применяется в АВ напряжением не более 15 кВ;
   • продольное – используется в АВ сетей постоянного тока электровозов.
3. Системы магнитного дугогашения

Действие системы магнитного дугогашения основано на взаимодействии электрической дуги с магнитным полем: под действием поля электрическая дуга перемещается в пространстве, удлиняется и разрывается. Системы магнитного дугогашения классифицируют:

1. системы дугогашения с постоянными магнитами. К недостаткам таких систем следует отнести малые допустимые токовые нагрузки, высокую цену и хрупкость материалов магнитов;
2. системы дугогашения с электромагнитным дутьем (электродинамическое магнитное дугогашение). В этих системах гашение дуги основано на взаимодействии электрической дуги с собственным магнитным полем и магнитным полем токоведущих частей АВ. Электрическая дуга, возникающая между контактами, перемещается перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, перебрасывается на дугогасительные «рога», удлиняется и рвется. К преимуществам таких систем можно отнести простоту, отсутствие дополнительных устройств, поддержание постоянства направления электромагнитной силы при изменении направления тока. Недостатком является то, что иногда удлинения магнитной дуги недостаточно для разрыва (дугогашения);
3. электромагнитное дугогашение, основанное на взаимодействии электрической дуги с внешним магнитным полем, создаваемым специальными устройствами, состоящими из катушки возбуждения (дугогасительная катушка) и магнитопровода. Дугогасительные катушки возбуждения бывают с последовательным и независимым включением обмотки.

Каждая из этих систем имеет преимущества и недостатки:

• в системах с последовательным возбуждением к преимуществам можно отнести то, что возникающая сила пропорциональна току и при изменении направления тока не меняет своего направления. Недостатком является то, что при малых токах возникают трудности с гашением дуги из-за малой величины возникающей силы;
• в системах с независимым возбуждением преимуществом является то, что катушка питается от отдельного источника и величина возникающей силы не зависит от величины тока в цепи. К недостатку следует отнести необходимость изменения направления тока в дугогасительной катушке при изменении направления тока нагрузки.

4.2. Особенности процесса горения и гашения дуги в вакуумных дугогасительных камерах

Гашение дуги в вакуумной дугогасительной камере происходит в глубоком вакууме (при остаточном давлении 6÷10 мм рт. ст.). При разведении контактов загорается дуга и в вакуумных дугогасительных камерах появляются пары металла, которые «срываются» с поверхности контактов электродов при горении. После погасания дуги плотность паров металла между электродами и вокруг них снова уменьшается почти до нуля, и они оседают на поверхность холодных контактов. Поэтому в дугогасительной камере поддерживается достаточно высокий вакуум.

Дуга бывает двух разновидностей:

1. рассеянная («диффузная») дуга, возникающая в случае протекания небольшого тока (менее нескольких кА);
2. концентрированная дуга («сжатая») возникает при протекании тока, превышающего несколько кА, при определенных формах, размерах и материалах электродов, а также при определенных скоростях изменения отключаемого тока.

Диффузная дуга в вакууме гасится достаточно хорошо. Однако если под действием внешнего, направленного магнитного поля произойдет ее сжатие в одноствольный канал разряда, то на поверхности электродов могут образоваться обширные, сильно нагретые зоны, продолжающие эмитировать материал и после ее гашения. Интенсивность этого процесса зависит от материала контактов. Кроме того, в момент перехода тока через нуль, и даже некоторое время спустя погасить дугу в вакууме практически не удается. Поэтому простые торцевые контакты могут быть использованы в выключателях для коммутации токов нагрузки, не превышающих 4÷8 кА токов.

На рис. 8 показано уменьшение способности вакуумной дугогасительной камеры гасить дугу при увеличении тока отключения I_q из-за сжатия дуги, которая сформировалась магнитным полем в промежутке между простыми торцевыми контактами. При увеличении тока отключения Iq быстро уменьшается переходное восстанавливающееся напряжение UB, при котором происходит успешное гашение дуги. Зона 1 является зоной успешного гашения дуги, а зона 2 – зоной отказов в гашении.

Рисунок 8 – График уменьшения отключающей способности вакуумной дугогасительной камеры при увеличении тока отключения

Чтобы преодолеть ограничение, накладываемое на коммутационную способность выключателя с простыми торцевыми контактами, используют различные модификации этих контактов, чтобы «заставить» образовавшуюся дугу перемещаться по поверхности контактов с большой скоростью. К числу таких модификаций также относятся контакты, «заставляющие» дугу непрерывно вращаться от взаимодействия тока дуги с внешним магнитным полем постоянных магнитов или катушек, расположенных снаружи камеры. Наибольшее распространение получили два вида торцевых контактов:

1. в контактной системе типа «спиральный лепесток» сжатая дуга постоянно вращается по поверхности электродов (рис. 9);
2. контактная система чашеобразного типа (рис. 10), полностью препятствует образованию сжатой локализованной дуги, и поэтому остается в диффузном состоянии в течение всего процесса дугогашения.

Рисунок 9 – Эскиз контактной системы вакуумного выключателя типа «спиральный лепесток»

Рисунок 10 – Эскиз контактной системы вакуумного выключателя чашеобразного типа

На рис. 11 показаны осциллограммы отключения переменного тока в вакуумной камере выключателей серии BB/TEL, серийно выпускаемых фирмой «Таврида Электрик», где обозначено:

I – ток разрываемых контактов, А; х – ход контактов, мм; п – концентрация ионизированных паров металла в межконтактном промежутке, 1/м3; U, UД, UB – напряжения на промежутке, на дуге и восстанавливающееся напряжение соответственно, В; t0, t1 и t2 – моменты времени подачи команды на отключение, начала расхождения контактов и время перехода тока через нуль соответственно, с.

Рисунок 11 – Осциллограммы отключения переменного тока в вакуумной камере выключателей серии BB/TEL

После подачи команды на отключение (момент времени t0), через небольшой промежуток времени, начинается расхождение контактов (t1). При этом в межконтактном промежутке зажигается электрическая дуга, падение напряжения UД на которой очень небольшое (меньше 30 В). В момент перехода тока через нуль (t2) межконтактный промежуток заполняется ионизированными парами металла, образовавшимися за время горения дуги. Но из-за отсутствия среды, препятствующей распространению этих паров, их уход из межконтактного промежутка происходит очень быстро (в течение 5÷10 с).

После этого в вакуумном АВ напряжение восстанавливается. Электрическая прочность вакуумного промежутка высокая, и отключение тока гарантированно происходит даже при зазорах более 1 мм.