Способы воздействия на электрическую дугу в коммутационных аппаратах

Цель воздействия на столб возникающей в аппарате дуги состоит в увеличении её активного электрического сопротивления вплоть до бесконечности, когда коммутационный орган переходит в изоляционное состояние. Практически всегда это достигается путем интенсивного охлаждения столба дуги, уменьшения её температуры и теплосодержания, в результате чего снижается степень ионизации и количество носителей электричества и ионизированных частиц и повышается электрическое сопротивление плазмы.

Для успешного гашения электрической дуги в коммутационных низковольтных аппаратах необходимо выполнить следующие условия:

- увеличить длину дуги путем её растяжения или увели­чения числа разрывов на полюс выключателя;

- переместить дугу на металлические пластины дугогасительной (деионной) решётки, которые являются как радиаторами, поглощающими тепловую энергию столба дуги, так и разбивают её на ряд последовательно соединённых дуг;

- переместить столб дуги магнитным полем в щелевую камеру из дугостойкого изоляционного материала с большой теплопроводностью, где дуга интенсивно охлаж­дается, соприкасаясь со стенками;

- образовывать дугу в закрытой трубке из газогенерирующего материала – фибры; выделяемые под воздействием температуры газы создают высокое давление, что способствует гашению дуги;

- уменьшить концентрацию паров металлов в дуге, для чего на этапе проектирования аппаратов использовать соответствующие материалы;

- гасить дугу в вакууме; при очень низком давлении газа недо­статочно атомов газа, чтобы ионизировать их и поддержать проведение тока в дуге; электрическое сопротивление канала столба дуги стано­вится очень высоким и дуга гаснет;

- размыкать контакты синхронно перед переходом переменно­го тока через нуль, что существенно снижает выделение тепловой энергии в образовавшейся дуге, т.е. способствует гашению дуги;

- применять чисто активные сопротивления, шунтирующие дугу и облег­чающие условия её гашения;

- применять шунтирующие межконтактный промежуток полу­проводниковые элементы, переключающие на себя ток дуги, что практиче­ски исключает образование дуги на контактах.

Определение, назначение, принцип работы и устройство контактора

Постоянного тока

Контакторы постоянного тока предназначены для ком­мутации цепей постоянного тока и, как правило, приводятся в действие электромагнитом постоянного тока.

Общие технические требования к контакторам и усло­вия их работы регламентированы ГОСТ 11206—77. Ниже описываются категории применения современных контак­торов и приводятся параметры коммутируемых ими цепей в зависимости от характера нагрузки.

Контакторы постоянного тока:

ДС-1 — активная или малоиндуктивная нагрузка.

ДС-2—пуск электродвигателей постоянного тока с парал­лельным возбуждением и их отключение при но­минальной частоте вращения.

ДС-3—пуск электродвигателей с параллельным возбуж­дением и их отключение при неподвижном состо­янии или медленном вращении ротора.

ДС-4—пуск электродвигателей с последовательным воз­буждением и их отключение при номинальной час­тоте вращения.

ДС-5—пуск электродвигателей с последовательным воз­буждением, отключение неподвижных или мед­ленно вращающихся двигателей, торможение про­тивотоком.

Общие требования к контакторам:

1.Высокая включающая и отключающая способность – не ниже 10I_ном, а в отдельных случаях до 20I_ном ;

2. Длительная работа при большой частоте отключений;

3. Высокая коммутационная износостойкость – до 3 млн. циклов с учетом отключений пусковых токов;

4. Высокая механическая износостойкость;

5. Технологичность конструкции, малая масса и габариты;

6. Высокая надёжность в эксплуатации.

Для контакторов существует еще режим редких комму­таций, характеризуемый более тяжелыми условиями, чем при нормальных коммутациях. Такие режимы возникают довольно редко (на­пример, при КЗ).

Основными техническими данными кон­такторов являются номинальный ток главных контак­тов, предельный отключаемый ток, номинальное напря­жение коммутируемой цепи, механическая и коммутацион­ная износостойкость, допустимое число включений в час, собственное время включения и отключения. Способность контактора, как и любого коммутационного аппарата, обе­спечить работу при большом числе операций характеризу­ется износостойкостью.

Различают механическую и комму­тационную износостойкость. Механическая износостойкость определяется числом циклов включение-отключение кон­тактора без ремонта и замены его узлов и деталей. Ток в цепи при этом равен нулю. Механическая износостойкость современных контакторов составляет (10—20)10⁶ опера­ций.

Коммутационная износостойкость определяется таким числом включений и отключений цепи с током, после кото­рого требуется замена контактов. Современные контакторы должны иметь коммутационную износостойкость порядка (2—3)10⁶ операций (некоторые выпускаемые в настоящее время контакторы имеют коммутационную износостойкость 10⁶ операций и менее).

Собственное время включения состоит из времени нарастания потока в электромагните контактора до значения потока трогания и времени движения якоря. Большая часть этого времени тратится на нарастание магнитного потока. Для контакторов постоянного тока с номинальным током 100 А собственное время включения составляет 0,14с, для контакторов с током 630 А оно увеличивается до 0,37с.

Собственное время отключения - время с момента обесточивания электромагнита контактора до момента размы­кания его контактов. Оно определяется временем спада по­тока от установившегося значения до потока отпускания. Временем с начала движения якоря до момента размыка­ния контактов можно пренебречь. В контакторах постоян­ного тока с номинальным током 100 А собственное время отключения составляет 0,07, в контакторах с номинальным током 630 А — 0,23 с.

Номинальный ток контактора I_ном представляет собой ток, который можно пропускать по замкнутым главным контактам в течение 8 часов без коммутаций, причем превышение температуры различных частей контактора не должно быть больше допустимого (прерывисто-продолжительный режим работы).

Номинальный рабочий ток контактора I_ном.р - это допустимый ток через его замкнутые главные контакты в конкретных условиях применения. Так, напри­мер, номинальный рабочий ток I_ном.р контактора для ком­мутации асинхронных двигателей с короткозамкнутым ро­тором выбирается из условий включения шестикратного пускового тока двигателя.

Номинальным напряжением называется наибольшее напряжение коммутируемой цепи, для работы при котором предназначен контактор. Коммутационная износостойкость главных контактов для категорий ДС-2, ДС-4 в ре­жиме нормальных коммутаций должна быть не менее 0,1, а для категорий ДС-3 не менее 0,02 механической износостойкости. Вспомогательные контакты должны ком­мутировать цепи электромагнитов переменного тока, у ко­торых пусковой ток может во много раз превышать устано­вившийся.

Контактор имеет следующие основные узлы: контакт­ную систему, дугогасительное устройство, электромагнит и систему вспомогательных контактов. При подаче напря­жения на обмотку электромагнита контактора его якорь притягивается. Подвижный контакт, связанный с якорем электромагнита, замыкает или размыкает главную цепь. Дугогасительное устройство обеспечивает быстрое гашение дуги, благодаря чему достигается малый износ контактов. Система вспомогательных слаботочных контактов служит для согласования работы контактора с другими устройст­вами.

Контактная система. Контакты аппарата подвержены наиболее сильному электрическому и меха­ническому износу ввиду большого числа операций в час и тяжелым условиям работы. С целью уменьшения изно­са преимущественное распространение получили линей­ные перекатывающиеся контакты.

Для предотвращения вибраций контактов контактная пружина создает предварительное нажатие, равное при­мерно половине конечной силы нажатия. Большое влия­ние на вибрацию оказывает жесткость крепления непод­вижного контакта и стойкость к вибрациям всего кон­тактора в целом. В этом отношении очень удачна конструкция контактора серии КПВ-600 (рис.1). Не­подвижный контакт 1 жестко прикреплен к скобе 2. Один конец дугогасительной катушки 3 присоединен к этой же скобе. Второй конец катушки вместе с выводом 4 надеж­но скреплен с изоляционным основанием из пластмассы 5. Последнее крепится к прочной стальной скобе 6, кото­рая является основанием аппарата. Подвижный контакт 7 выполнен в виде толстой пластины. Нижний конец пла­стины имеет возможность поворачиваться относительно точки опоры 8. Благодаря этому пластина может перека­тываться по сухарю неподвижного контакта 1. Вывод 9 соединяется с подвижным контактом 7 с помощью гиб­кого проводника (связи) 10. Контактное нажатие созда­ется пружиной 12.

При износе контактов сухарь 1 заменяется новым, а пластина подвижного контакта поворачивается на 180° и неповрежденная сторона ее используется в работе.

Для уменьшения оплавления основных контактов ду­гой при токах более 50 А контактор имеет дугогасительные контакты — рога 2, 11. Под действием магнитного поля дугогасительного устройства опорные точки дуги быстро перемещаются на скобу 2, соединенную с непод­вижным контактом 1, и на защитный рог подвижного контакта 11. Возврат якоря в начальное положение (пос­ле отключения магнита) производится пружиной 13.

Основным параметром контактора является номи­нальный ток, который определяет размеры контактора.

Рис.1. Контактор постоянного тока серии КПВ-600.

Характерной особенностью контакторов КПВ-600 и многих других типов является электрическое соединение вывода подвижного контакта с корпусом контактора. Во включенном положении контактора магнитопровод нахо­дится под напряжением. Даже в отключенном положении напряжение может оставаться на магнитопроводе и других деталях. Соприкосновение с магнитопроводом по­этому опасно для жизни.

Серия контакторов КПВ имеет исполнение с размы­кающим главным контактом. Замыкание производится за счет действия пружины, а размыкание - за счет си­лы, развиваемой электромагнитом.

Номинальным током контактора называется ток пре­рывисто-продолжительного режима работы. При этом режиме работы контактор находится во включенном со­стоянии не более 8 ч. По истечении этого промежутка ап­парат должен быть несколько раз включен и отключен (для зачистки контактов от окиси меди). После этого аппарат снова включается.

Если контактор располагается в шкафу, то номи­нальный ток понижается примерно на 10% из-за ухуд­шающихся условий охлаждения.

В продолжительном режиме работы, когда длитель­ность непрерывного включения превышает 8 ч, допусти­мый ток контактора снижается примерно на 20%. В та­ком режиме из-за окисления медных контактов растет переходное сопротивление, что может привести к повы­шению температуры выше допустимой величины. Если контактор имеет небольшое число включений или вообще предназначен для длительного включения, то на рабочую поверхность контактов напаивается серебряная пластина. Серебряная облицовка позволяет сохранить допустимый ток контактора, равный номинальному току, и в режиме продолжительного включения. Если контактор наряду с режимом продолжительного включения исполь­зуется в режиме повторно-кратковременного включения, применение серебряных накладок становится нецелесо­образным, так как из-за малой механической прочности серебра происходит быстрый износ контактов.

Согласно рекомендациям завода допустимый ток повторно-кратковременного ре­жима для контактора КПВ-600 определяется по формуле:

,

где п – число включений в час.

Необходимо отметить, что если при отключении в повторно-кратковременном режиме длительно горит ду­га (отключается большая индуктивная нагрузка), то температура контактов может резко увеличиться за счет нагрева контактов дугой. В этом случае нагрев контак­тов в продолжительном режиме работы может быть мень­ше, чем в повторно-кратковре­менном режиме. Как правило, контактная система имеет один полюс.

Для реверса асинхронных двигателей при большой часто­те включений в час (до 1200) применяется сдвоенная кон­тактная система. В этих кон­такторах типа КТПВ-500, име­ющих электромагнит постоян­ного тока, подвижные контак­ты изолированы от корпуса, что делает более безопасным обслуживание аппарата. На рис.2 показана схема вклю­чения контакторов для ревер­са асинхронных двигателей. По сравнению со схемой, име­ющей однополюсные контакто­ры, схема рис.2 имеет большое преимущество. При неполадках и отказе одного контактора подается напря­жение только на один зажим двигателя. В схеме с од­нополюсными контакторами отказ одного контактора ведет к возникновению тяжелого режима двухфазного питания двигателя.

Рис.2. Схема включения главных контактов контактора КТПВ-500

для реверса асинхронного двигателя.

Контакторы с двухполюсной контактной системой очень удобно использовать для закорачивания сопротив­лений в цепи ротора асинхронного двигателя.

В контакторах типа КМВ-521 применяется также двухполюсная система. Эти контакторы предназначены для включения и отключения мощных электромагнитов приводов постоянного тока масляных выключателей. На­личие двухполюсной контактной системы, включенной в оба провода сети постоянного тока, обеспечивает на­дежное отключение индуктивной нагрузки.