Гашение дуги в вакуумной среде

Ввакуумном ДУ контакты расходятся в среде с давлением 10⁴ Па ( мм рт. ст.), при котором плотность воздуха мала. Длина сво­бодного пробега молекулы достигает 50, а длина свобод­ного пролета электрона 300 м. При таких условиях элек­трический пробой между электродами затруднен из-за отсутствия носителей зарядов. Пробивное напряжение про­межутка длиной 1 мм в вакууме достигает 100 кВ.

Процесс горения и гашения дуги в вакууме при перемен­ном токе происходит следующим образом. При размыкании контактов контактное нажатие непрерывно уменьшается, а переходное сопротивление контактов увеличивается и при нажатии, равном нулю, стремится к бесконечности. Даже при небольших токах в момент размыкания контактов из-за выделения большого количества тепла материал контак­тов плавится и образуется жидкий металлический мостик, который под действием высокой температуры нагревается и испаряется. При разрыве мостика загорается дуга, кото­рая горит в среде паров металлов электродов. Вакуумная дуга при токах менее 10 кА характеризуется малым падением напряжения, составляющим 20—30 В. После прохождения тока через нуль вакуумная дуга гаснет. Скорость диффузии зарядов очень высока из-за большой разницы плотностей частиц в дуге и окружающем ее вакууме. Практически через 10 мкс после нуля тока между контактами восстанавливается электрическая прочность вакуума. Быстрая диффузия частиц, высокие электрическая прочность вакуума и скорость ее восстановления обеспечивают гашение дуги при первом прохождении тока через нуль. Боль­шим достоинством этого ДУ является высокая скорость восстановления электрической прочности промежутка.

Вакуумные ДУ являются в настоящее время наиболее эффек­тивными и долговечными. Их срок службы без ревизии до­стигает 25 лет. Созданы ДУ на ток отключения до 100 кА при напряжении 10 кВ и на отключаемый ток 40 кА при на­пряжении 160 кВ.

Вакуумные ДУ могут применяться и для отключения постоянного тока. Для этого используются схемы, аналогичные показанной на рис. 2.9. На отключаемый вакуум­ным выключателем Q1 постоянный ток накладывается переменный ток ₂ контура LC, который начинает протекать после замыкания выключателя Q2. В результате суммирования токов и ₂ в один из моментов времени результиру­ющий ток проходит через нуль и дуга гаснет. После этого выключатель Q2 отключается. Конденсатор С заряжается от специального источника. Вследствие сложности схемы вакуумные выключатели постоянного тока применяются по­ка редко.

 

Рис. 2.9. - Схема для отключения цепи постоянного тока

 

2.8 Гашение электрической дуги с помощью полупровод­никовых приборов

Бесконтактная коммутация. При боль­шом числе коммутаций в час возрастает износ контактов при обычной дуговой коммутации. Для повышения износо­стойкости контактов используются полупроводниковые приборы — тиристоры, транзисторы и диоды.

Тиристор является управляемым полупроводниковым вентилем. На рис. 2.10, апоказано условное обозначение тиристора: А - анод; К - катод; У - управляющий элек­трод. На управляющий электрод подается положительный потенциал, относительно катода.

 

Рис. 2.10. - Применение тиристоров в электрических аппаратах:

а – условное графическое обозначение; б – встречно-параллельное включение тиристоров в цепи переменного тока: в – симистор; г – ВАХ – вольтамперная характеристика тиристора; д – релейный элемент на тиристоре.

 

На рис. 2.10, б показаны два тирирстора, включенных в цепь переменного то ка. На рис. 2.10, в показан симистор, представляющий собой сдвоенный тиристор. Симистор обладает свойствами двух тиристоров по схеме рис. 2.10, 6. Ток управления подается на управляющий электрод. При отсутствии сигнала уп­равления (Iу=0) и U_max< тиристор имеет большое конечное сопротивление и через нагрузку протекает не­большой ток (ветвь 1 на рис. 2.10,г). Если U_max< то тиристор открывается и через нагрузку течет ток Iн, оп­ределяемый ее сопротивлением. При номинальном токе уп­равления переход на ветвь 2 происходит по штри­ховой кривой. Таким образом, при отсутствии тока управления Іу =0 тиристор ведет себя как очень большое активное сопротивление, при наличии номинального тока управления - как очень малое сопротивление. После прохождения переменного тока через нуль тиристор восстанавливает свои вентильные свойства, цепь тока обрывается.

На рис. 2.10,д показана схема релейного элемента на тиристоре. При отключенном К тиристор VS закрыт и ток в нагрузке R_n равен 0. При включении К положительный ток управления Іу подается, на управляющий электрод ти­ристора и он открывается. Через нагрузку протекает ток . В следующий полупериод тиристор закрывается и ток Ін=0. Диод V D защищает тиристор от отрицательного тока управления. В настоящее время применяются так называе­мые гибридные схемы коммутаторов на тиристорах (рис. 2.11). Главные контакты ГК, рассчитанные на пропускание номинального тока и тока КЗ, шунтированы встречно включенными тиристорами VS1 и VS2. В цепь ГК включен трансформатор тока ТА, вторичные обмотки которого через диоды VD1 и VD2 подключены к управляющим электродам тиристоров. На эти электроды должен подаваться только положительный сигнал относительно катода. В каждом плече схемы включены стабилитроны VD3— VD6 для огра­ничения сигнала. Конденсатор СЗ и резистор R4 облегчают условия восстановления напряжения на тиристорах. Во включенном положении аппарата ГК з амкнуты и на вто­ричных обмотках трансформатора тока присутствует сигнал управления. Пусть в данный положительный полупериод тока положительный, сигнал управления подается на тиристор VS1 и он подготавливается к открытию. В этот момент тиристор VS2 закрыт, так как к нему приложено напряжение обратной полярности. Благодаря диоду VD2 сигнал управления на этот тиристор не подается.

 

 

 

 

Рис. 2.11 - Схема полюса гибридного коммутатора переменного тока

 

 

Для протекания тока через тиристор напряжение между катодом и анодом должно быть не менее 1—2 В. Переходное сопро­тивление Г К мало, и падение напряжения на них и пер­вичной обмотке трансформатора составляет доли вольта. Поэтому, несмотря на то, что на тиристор VS1 подан открывающий сигнал, он остается закрытым. При размыкании ГК напряжение на дуге достаточно для открытия тиристора VS1 и ток переходит в его цепь. Поскольку ток в первичной обмотке трансформатора прекратился, сигнал, открываю­щий тиристор, стал равным нулю. Однако ток через тирис­тор продолжает протекать до своего естественного нулево­го значения. При прохождении тока через нуль тиристор закрывается и отключение цепи заканчивается. Если контакты расходятся в отрицательный полупериод, то подоб­ным образом работает тиристор VS2. Процесс перехода тока в цепь тиристора показан на рис. 2.11, б. Здесь ток ти­ристора обозначен , ток ГК - , напряжение на ГК напряжение восстанавливающееся на тиристоре, . В мо­мент начинается переход тока в цепь тиристора. В мо­мент t₂ процесс перехода тока закончен и ток цепи полностью переходит в тиристор. Длительность перехода тока определяется параметрами тиристора и его цепей уп­равления, а также активным сопротивлением и индуктив­ностью цепи ГК. Длительность горения дуги ГК составля­ет малую долю полупериода, что резко ограничивает их износ. Электрическая износостойкость ГК приближается к механической. При прохождении тока через нуль в мо­мент времени t₃ тиристор закрывается. Длительность про­текания тока через тиристор не превышает полупериода. В таком режиме тиристор выдерживает ток, значительно больший номинального. Это позволяет использовать тири­сторы на небольшие номинальные токи (по сравнению с то­ком КЗ цепи), что уменьшает габаритные размеры и стои­мость аппарата.

Описанная схема используется и в аппаратах высокого напряжения. Поскольку номинальное напряжение тиристо­ров не превышает 1,5 кВ, то в этих случаях используется цепочка последовательно включенных тиристоров. Достоинствами рассмотренной схемы являются простота, высокая надежность и облегченный режим работы тиристоров. К недостаткам можно отнести увеличение стоимости и габаритов, отсутствие гальванической развязки между сетью и нагрузкой после отключения. В схеме на рис. 2.12 глав­ные контакты ГК шунтированы цепями дугогасительных контактов 1 и 2. В цепь контактов 1, 2 включены дио­ды VD1, VD2 и синхронизирующие электромагниты 3, 4, имеющие обмотки тока. После размыкания Г К ток цепи перебрасывается в цепь диода VD1 или VD2 в зависимости от полярности тока. При указанном на рисунке направле­нии ток І протекает через электромагнит 3 и его якорь удерживает контакты 1 замкнутыми. При подходе тока к нулю сила электромагнита уменьшается и контакты 1 размыкаются. Таким образом, дуга возникает вблизи нуля тока и горит кратковременно, что уменьшает ее энергию, облегчает гашение и снижает износ контактов. После прохождения тока через нуль диод находится в непроводящем состоянии, что облегчает процесс восстановления напряжения на промежутке, так как восстанавливающееся напряжение в основном приложено к диоду (R_обр ). Процесс отключения заканчивается. Контакторы с диодной коммутацией созданы на напряжение до 1140 В и ток до 250 А. Применяемые в таких устройствах кремниевые диоды более дешевы, чем тиристоры, и допускают 15—16-кратную токовую перегрузку в течение 0,01 с. Большим достоинст­вом схемы является отсутствие гальванической связи на­грузки и сети после отключения.

 

 

Рис. 2.12 - Силовая цепь коммутационного устройства с диодами для

гашения дуги