Otwieranie obwodów elektrycznych

Otwarcie obwodów elektrycznych zwykle oznacza proces przejściowy, w którym prąd obwodu zmienia się od określonej wartości do zera. W ostatniej fazie otwierania obwodu między stykami rozłącznika pojawia się przerwa, która oprócz zerowej przewodności musi mieć również wystarczająco dużą wytrzymałość dielektryczną, aby wytrzymać działanie przywróconego do niej napięcia obwodu.

Właściwości fizyczne wyładowania łukowego

Łuk elektryczny może wystąpić, gdy szczelina między stykami (elektrodami) pęknie lub gdy się rozejdą. Gdy styki się otwierają, powstawaniu łuków między nimi sprzyja tworzenie się świecących „plam” na powierzchni styku, które są konsekwencją znacznych gęstości prądu na małych obszarach „separacji”. Powoduje to powstawanie łuku w przypadku zerwania styków, nawet przy dość niskim napięciu (rzędu kilkudziesięciu woltów).

Ogólnie przyjmuje się, że minimalne warunki wystąpienia co najmniej niestabilnego wyładowania łukowego na stykach są prąd około 0,5 A i napięcie 15 — 20 V.

Otwarciu styków przy niższych wartościach napięcia i prądu towarzyszą zwykle tylko niewielkie iskry. Przy wyższych napięciach obwodu otwartego, ale przy niższych prądach, możliwe jest tworzenie się między otwartymi stykami wyładowanie jarzeniowe.

Obecność wyładowania jarzeniowego charakteryzuje się znacznym spadkiem napięcia katody (do 300 V). Jeśli wyładowanie jarzeniowe zamienia się na przykład w wyładowanie łukowe, gdy prąd w obwodzie wzrasta, wówczas spadek napięcia na katodzie spada do 10 — 20 V.

Charakterystycznymi cechami wyładowania łukowego przy wysokim ciśnieniu ośrodka gazowego są:

• wysoka gęstość prądu w kolumnie łukowej;

• wysoka temperatura gazu w kanale łukowym dochodząca do 5000 K, aw warunkach intensywnej dejonizacji 12000 — 15000 K i więcej;

• wysoka gęstość prądu i niski spadek napięcia na elektrodach.

Zwykle celem jest zapewnienie, aby proces otwierania obwodu przebiegał tak szybko, jak to możliwe. W tym celu stosuje się specjalne urządzenia przełączające (przełączniki, wyłączniki, styczniki, bezpieczniki, wyłączniki obciążenia itp.).

Zjawiska łukowe obserwuje się nie tylko w wyłącznikach. Łuk elektryczny może powstać, gdy styki są otwarte. rozłączniki wysokiego napięcia, gdy izolacja linii zachodzi na siebie, gdy elementy ochronne bezpieczników są przepalone itp.

Złożoność urządzeń tych urządzeń zależy od stawianych im wymagań w zakresie poziomów napięć roboczych, prądów znamionowych i prądów zwarciowych, poziomów występujących przepięć, warunków atmosferycznych, prędkości znamionowych itp.

Cechy otwierania obwodów elektrycznych za pomocą rozłączników

Kwestia gaszenia długich otwartych łuków prądu przemiennego jest najczęściej spotykana podczas pracy z prostymi odłącznikami, takimi jak wyzwalacze. Takie odłączniki nie mają specjalnych urządzeń gaszących łuk, a gdy styki się otwierają, tylko rozciągają łuk w powietrze.

Aby poprawić warunki rozciągania łuku, odłączniki wyposaża się w elektrody tubowe lub dodatkowe elektrody prętowe, wzdłuż których łuk jest podnoszony i rozciągany na dużą długość.

W Internecie można znaleźć wiele filmów, które pokazują proces tworzenia się łuku, gdy styki rozłączników otwierają się pod obciążeniem (można je łatwo znaleźć, wyszukując hasło „odłącznik łukowy”).

Otwarte wyładowanie łukowe na odłącznikach lub między przewodami a ziemią na liniach elektroenergetycznych jest silnie wywoływane przez wiatr. W obecności wiatru łuk może być krótszy i przez to szybciej eliminowany niż w przypadku braku wiatru.Jednak takiego czynnika jak wiatr nie należy brać pod uwagę ze względu na jego niespójność, ale opierając się na trudniejszych warunkach — całkowity brak wiatru.

Za pomocą odłączników nie można wyłączyć dużego prądu, ponieważ łuk jednocześnie osiąga znaczną długość, tworząc dużo płomienia, silnie topiąc styki urządzenia rozłączającego. Potężny łuk otwarty łatwo uszkadza izolatory, z którymi się styka, powoduje nakładanie się faz, co prowadzi do zwarcia w sieci.

Konwencjonalne odłączniki są szeroko stosowane do odłączania prądów obwodu otwartego małych transformatorów, prądów pojemnościowych linii obciążenia, prądów małych obciążeń itp.

Sposoby otwierania obwodów elektrycznych

Zasadniczo możliwe są następujące metody otwierania obwodów elektrycznych prądem stałym i przemiennym.

1. Proste wyładowanie łukowe obwodów elektrycznych

Do tej grupy zalicza się takie sposoby otwierania obwodów elektrycznych prądem stałym i przemiennym, w których nie stosuje się specjalnych dodatkowych środków ograniczających prąd w obwodzie przed rozwarciem styków ani specjalnych środków zmniejszających energię łuku w przerwie łukowej przerywacz.

W tej metodzie otwierania warunki przerwania obwodu są zapewnione co najwyżej komora gaszenia łuku urządzenia odłączającego poprzez wytworzenie wymaganej wytrzymałości dielektrycznej przerwy, gdy prąd przekroczy zero (prąd przemienny) lub osiągnięcie wystarczającej wartości napięcia łuku (prąd stały).

Podczas wyładowania łukowego styki aparatu mogą się rozwarć w dowolnej fazie prądu płynącego w obwodzie, dlatego styki i elementy komory łukowej muszą być zaprojektowane na oddziaływanie łuku o stosunkowo dużej mocy i energii.

Komory do gaszenia łuku urządzeń elektrycznych

Komora łukowa wyłącznika

2. Ograniczone otwarcie łuku obwodów elektrycznych

Takie metody wykluczania obejmują te, w których stosunkowo duża aktywność lub reaktywność, przez co prąd w obwodzie maleje dość znacząco w porównaniu z jego wartością, która istniała przed wystąpieniem ograniczenia. Przełącznik wyłącza ograniczony prąd, który pozostaje w obwodzie.

W takim przypadku na stykach powstaje łuk o ograniczonej mocy, a wygaszenie łuku na pozostałym prądzie jest prostszym zadaniem, niż gdyby prąd nie był ograniczony.

Konwencjonalnie do tej samej grupy zaliczamy takie metody odłączania, w których faza przerwania prądu jest ściśle ustalona lub czas palenia się łuku na stykach jest ograniczony specjalnymi środkami, na przykład urządzeniami zaworowymi itp.

3. Bezłukowe otwieranie obwodów elektrycznych

Proces otwierania obwodów elektrycznych w tym przypadku charakteryzuje się tym, że wyładowanie łukowe na stykach głównych następuje całkowicie lub występuje w postaci bardzo krótkotrwałego niestabilnego łuku na skutek wpływu indukcyjności i wzajemnej indukcyjności obwodów . Ten typ otwierania obwodu jest zwykle realizowany za pomocą zaworów dużej mocy (diody krzemowe lub tyrystory) stosowanych jako elementy bocznikowe styków wyłącznika głównego.

Charakterystyka gaszenia łuku podczas otwierania obwodów elektrycznych prądu stałego i przemiennego

Warunki gaszenia łuku prądu przemiennego z aktywną dejonizacją szczeliny urządzenia przełączającego są zasadniczo wyłączone z warunków gaszenia łuków prądu stałego i długo otwartych łuków prądu przemiennego.

W łuku stałym lub w łuku otwartym długim przemiennym wygaszanie następuje głównie dlatego, że przy rozciągnięciu łuku źródło energii elektrycznej nie jest w stanie pokryć spadku napięcia w kolumnie łuku, w wyniku czego powstaje stan niestabilny i łuk gaśnie.

Kiedy łuk pojawia się w obwodzie prądu przemiennego, gdy kolumna łuku jest aktywnie dejonizowana lub pęka na serię krótkich łuków, łuk można zgasić nawet wtedy, gdy źródło nadal ma duże napięcie zasilania, aby utrzymać palenie łuku, ale które okazuje się być niewystarczające, aby zapewnić jego zapłon - przy obecnym przejściu przez zero.

W warunkach aktywnej dejonizacji podczas przejścia prądu przez zero konduktywność kolumny łuku spada na tyle, że przynajmniej na krótki czas trzeba do niej przyłożyć znaczne napięcie, aby zajarzyć łuk w kolejnym półcyklu.

Jeżeli obwód nie jest w stanie zapewnić wystarczającego napięcia i tempa jego narastania w przerwie, po przejściu prądu przez zero prąd zostaje przerwany, czyli łuk nie pojawia się w kolejnym półokresie i obwód ostatecznie wyłączony.

Następnie rozważ najczęstsze po prostu otwierając obwody łukowe.

Jeżeli napięcie i prąd źródła obwodu przekraczają określone wartości krytyczne, to na stykach elektrycznego urządzenia odłączającego kiedy się otwierają, następuje stabilne wyładowanie łukowe… Jeżeli styki dalej się rozejdą lub łuk zostanie wdmuchnięty do komory gaszenia łuku odłącznika, powstają niestabilne warunki palenia się łuku i łuk może zostać wygaszony.

Wraz ze wzrostem napięcia i prądu w obwodzie szybko wzrasta trudność w tworzeniu niestabilnych warunków wyładowania łukowego. Przy napięciach sięgających tysięcy i dziesiątek tysięcy woltów i stosunkowo dużych prądach (tysiące amperów) w stykach urządzenia odłączającego powstaje bardzo silny łuk, aby go ugasić, a tym samym przerwać obwód, należy podjąć środki, aby użyć mniej lub bardziej wyrafinowane urządzenia do gaszenia łuku ... Szczególnie duże trudności pojawiają się przy wyłączaniu obwodów prądu stałego.

Spore trudności trzeba pokonać również podczas skały. prądy zwarciowe w obwodach prądu przemiennego przez krótkie okresy czasu (setne i tysięczne części sekundy).

Szybkie wyłączanie obwodu i usuwanie powstałych zwarć w instalacjach elektrycznych podyktowane jest szeregiem okoliczności, a przede wszystkim koniecznością zachowania stabilności pracy. systemy elektryczne, ochrona przewodów i urządzeń przed termicznymi skutkami prądów zwarciowych, ochrona styków i komór łukowych urządzeń odłącznikowych przed niszczącym działaniem silnego łuku.

Duże znaczenie ma również szybkie usunięcie łuku otwartego w urządzeniach do obwodów sterowania niskiego napięcia, które są zwykle zaprojektowane dla bardzo dużej liczby procesów przełączania. Skrócenie czasu palenia się łuku prowadzi do zmniejszenia spalania styków i innych elementów aparatury, a co za tym idzie do wydłużenia żywotności.

Jednak bardzo szybkie wyeliminowanie łuku może spowodować bardzo duże przepięcia w obwodzie, ponieważ łuk, gdy obwód jest otwarty, pochłania energię elektromagnetyczną zmagazynowaną w obwodzie, która może zostać przekształcona w energię przepięć elektrostatycznych. Zatem wyładowanie łukowe może w niektórych przypadkach odgrywać pozytywną rolę. Należy to uwzględnić.

Problem tworzenia niezawodnych szybkich urządzeń odłączających wysokiego i niskiego napięcia opiera się przede wszystkim na prawidłowym rozwiązaniu kwestii gaszenia w nich łuku.

Przerwanie obwodów elektrycznych niskiego i wysokiego napięcia z utworzeniem silnego łuku w stykach urządzeń elektrycznych jest złożonym procesem, którego badanie jest poświęcone ogromnej liczbie badań teoretycznych i eksperymentalnych oraz opracowaniom projektowym.

Istnieje wiele metod gaszenia łuków AC i DC stosowanych w praktyce w zależności od poziomów napięć roboczych, wielkości prądów, wymaganego czasu pracy urządzeń odłączających, warunków bezpieczeństwa itp.

Obecnie proste wyładowania łukowe są nadal główną drogą, którą podąża technologia urządzeń przełączających AC i DC wysokiego i niskiego napięcia.

Zobacz też:Wysokonapięciowe wyłączniki próżniowe — konstrukcja i zasada działania