Влияние электрической дуги на нарушение процесса работы низковольтных электрических устройств

В статье представлены результаты вычислений превышения температуры для стационарной дуги на контактах и в дугогасительной камере. Экспериментальные исследования эрозии материалов и перегрева токопроводящих частей производились на контакторах и миниатюрных выключателях.

Электрическая дуга имеет большое значение в технике электрической устройств. В отличие от многих других электрических оборудований являются с дугой связано с операционной электрических устройств. Чаще всего мы сталкиваемся с электрической дугой в распределительных устройствах. Механизм происхождения дуги задается операционной функцией контактов. Электрическая дуга образуется в поврежденной загруженой цепи. Она образуется при закрытии контактов тоже, когда доходит до контакта вибрации. Дуга существует очень короткое время и прекращается при урегулировании контактов - достижения закрытого положении. Этот короткий промежуток времени может иметь неблагоприятное влияние на увеличение эрозии контактов и даже приводит к сварке контактов. Это может привести к нарушению правильного функционирования распределительного устройства.

Для повторной активности дуга входит в кратковременный режим, что является типичным случаем контакторов. В большинстве случаев нарушается рабочий ток, возростая до значения номинального тока. Электрическая дуга при нарушении токов короткого замыкания (100 - 1000 А) представляет повышенную нагрузку контактов и системы пожаротушения. Время воздействия дуги очень мало - несколько миллисекунд - но энергия при контакте и системы пожаротушения высокая (103 Дж). Это приводит к повышению температуры всех устройств на пути. Нарушение дуги разрушительно влияет на контакты и тушение частей, приводит к разрушению материалов, так как температура достигает значений плавления и испарения.

Разрыв дуги представляет кратковременный переходный режим, который влияет как интенсивный тепловой источник и приводит к значительному повышением температуры в центре дуги. Теоретическое исследование этого процесса приводит к определению температуры при контакте.

Температура является функцией времени и пространственных координат [1]. Основное уравнение теплопроводности:

где t - время, с - удельная теплоемкость, γ - удельная плотность, λ – теплопроводность, х,у,z - координаты. При λ = const. Является действительным:

где а - теплопроводность. В зависимости от значения температуры, это приведет к пространственно-временному распределению температуры и будет зависеть от начальных условий. Определение величины дуги на контактах имеет значение с точки зрения различных факторов, а также процессов после прохождения тока через нуль. Расчет следует из основного уравнения теплопроводности (2). Существует возможность использовать метод источников [1] и после упрощения мы получили уравнение для стационарного корня дуги:

где r - радиус, Ue - эквивалентное падение напряжения на электроде, I – ток, Ω - угловая частота, tр - время дуги по отношению к предыдущему нулевому напряжению, tz - время тока. Результат представляет собой распределение температуры на недвижимое основание дуги. Кривые с равными температурами.

Рисунок 1

Для движущегося основания дуги отношения являются другими и более сложными. В этом случае можно использовать работы Tajev’s и повышение температуры будет рассчитываться по выражению:

где ν - скорость дуги корня. В этом случае движущееся основание дуги имеет вид искаженной линии, похожей на эллипс.

Тепловая энергия за счет теплопроводности распространяется от места его происхождения по пути тока и в процессе передачи тепла в окружающую среду. Температура в основании дуги быстро меняется, и мы можем говорить о тепловом импульсе на месте дуги с продолжительностью несколько мс.

Результаты расчетов показывают, при каких значениях диаметра, температура достигает плавления или испарения значение которого зависит от различных факторов. Грубо можно сказать, что температура пропорциональна значению тока.

Расчеты были произведены для радиуса 0,3 мм и среднеквадратичного значения тока 100 А и для времен tр = 1 - 10 мс, что представляет время дуги t0 = 1 - 10 мс (медь, рисунок 1) [2]. Для времени tр=> 4 мс температура в корне дуги пересекается со значением плавления. С ростом значения тока увеличится диаметр расплавленного материала. При больших токах, диаметр с температурой испарения возрастает тоже. В следствии плавления, испарения и других физических явлений, увеличивается эрозия материала контакта. Полученные результаты можно применить на контакты распределительных устройств различного времени отключения (tр).

В некоторых устройствах, контакторах и автоматических выключа-телях используются дугогасительные камеры. Камера создана с металлическими разветвителями. На рисунке 2 приведены расчеты распределения температуры для меди и железа разветвителей. Расчеты были проведены для радиуса 0,3 мм и среднеквадратичного значения тока 100 А и для времени tр = 5 - 9 мс, что представляет время t0 = 5 - 1 мс. Видно, что значение температуры зависит от свойств материала. Повышение температуры на длительное время (5 мс) достигает значения температуры испарения. Этот процесс ведет к разрушению разветвителей. Низкое значение теплопроводности железа приводит к 2-кратному повышению температуры, как в меди. Для меньшего радиуса и стационарной дуги речь идет о повышении температуры на величину плавления и испарения.

Рисунок 2

В случае металлических разветвителей, как частей камеры тушения, мы должны помнить, что разорванная дуга будет разделена на частичные дуги, а затем на каждый разветвитель будет действовать два тепловых источника. Толщина обычно составляет 1 мм, а окончательное распределение температуры задается в виде суперпозиции обоих термальных источников. Оба источника дуги находятся в движении. Временно ход тока искажается и ограничивается напряжение дуги. В нарушении токов короткого замыкания считаются значения токов 6 и 10 кА и время искрение в камере тушения составляет 3-4 мс (рисунок 3, верхняя линия - напряжение, нижняя линия - ток). Опыт экспериментальных измерений на ток короткого замыкания показывает, что тепловое напряжение металла разветвителей очень интенсивно. На поверхности разветвителей появляются следы основания дуги, материал плавится, испаряется и создаются кратеры и пики. Формирование пика при действии теплового удара приводит к короткому замыканию металла разветвителя и к неудачи тушения камеры и распределительного устройства (рисунок 4).

Рисунок 3

Рисунок 4

Рисунок 5

Тепловая нагрузка на материал контакта с электрической дуги приводит к эрозии материала. Это оказывает неблагоприятное влияние на прочность контактов и надежность работы устройства. Результаты эксперимента показали, что эрозия материала контакта сильно увеличивается с определенным значением тока. Почти 80% материала плавится. Этот разрыв происходит при значении тока 400 - 700 А. Это справедливо для меди и материалов на основе серебра с различными ингредиентами (C, CdO, Ni, W) (рисунок 5). Только для железа это происходит при токе 1000 А [3].

Анализ показал, что на эрозию расходуется 1 - 4% энергии дуги. Этот процент зависит от физических свойств материала контакта. Медь и серебро достигли верхней границы - 4% [3]. Мы видим, что процент является относительно небольшой, но последствия могут быть очень серьезными (капли материала, деформация поверхности контакта). На рисунке 6, мы можем увидеть контактную поверхность материалов AgCdO и AgNi после 600 прерывания тока 300 до 1300 А.

На торце и мосте контакта были экспериментально исследована доля энергии, отдаваемая на нагрев контакта. Был измерен рост температуры контактов на разрыв тока с магнитудой в диапазоне 150 - 1300 А. При расчете были неопределенны значения накопленной энергии. Результаты показали, что в контактах накапливается 50 - 90% энергии дуги. При малых токах (150 А), это 70 - 90%, а с ростом величины тока эта величина снижения на 50 - 65%.

Рисунок 6

Повышение температуры было до 50 - 60 К. Курсы нарушения энергии дуги Wo и накопленной энергии в контакте Wk отображены на рис 7.

Рисунок 7

В следующих опытах был исследован нагрев контакторов. Результаты энергетического баланса контакторов с номинальным током в пределах 6 - 25 А. Нарушение тока с частотой переключения 1200 в час показали, что нагрев достигает установившегося значения в 30 - 40 К. При каждом переключении повышение температуры достигает 5 - 7 К, а затем уменьшается в следствии теплопроводности. Большое влияние на время повышения температуры достигаются при изменении сопротивление контакта. В этом случае доля энергии переключения составляет 30 - 40% на нагрев контакта. Это значение влияет на величину коэффициента нагрузки тоже [4]. Испытание отключающей способности контакторов показало более сильное увеличение температуры, влияние дуги было двойным и повышение температуры достигло значения 10 - 15 К.

С точки зрения тепловой нагрузки подсистем (контактов, дугогасительных камер) важно, где возникает воспламенение и гашение дуги. При малых токах до 100 А достаточно системы с двойным прерывания тока без дугогасительной камеры (типичным случаем является контакторы с номинальным током до 16 А) и дуга гаснет на контакты. При больших токах необходимо использовать дугогасительную камеру и проложить путь движение дуги от контактов в камеру. Таким образом, тепловое повреждение контактов (в основном, эрозии) уменьшается и достигается надежный способ пожаротушения и отключения тока.

Энергетический баланс и влияние нарушения дуги были исследованы на нарушении токов короткого замыкания с MCB. Величины токов короткого замыкания достигать нескольких кА-с. Тепловые и динамические эффекты этих токов необходимо ограничить и это не приведет к повреждению устройства защиты и защитного оборудования. При ограничение тока MCB имеет характеристики, аналогичные характеристикам предохранителей, ограничивают величину тока короткого замыкания и сокращают время тока на несколько миллисекунд. Несмотря на этот факт нарушения энергии дуги достигает нескольких тысяч Дж. Значения задаются моделью и свойствами MCB.

Рисунок 8

Результаты экспериментов показали, что 60 - 70% энергии дуги накапливаются в разветвители дугогасительной камеры. Измерения проводились калориметрическим методом. Здесь были выполнены сложные манипуляции с использованием калориметра и были использованы термопары для измерения температуры. Это ускорило и упростило измерения. При этом методе мы можем исследовать распределение температуры в разветвители и даже в нескольких разветвителях одновременно (рисунок 8) [2]. Повышение температуры достигло 50 - 90 К при нынешних 6 кА и энергетическая ценность поднялась до 1500 Дж.

Результаты измерений показали перегрев, который на малых токах выходит до температуры плавления. Экспериментальные результаты при измерении температуры на пути тока контакторов и миниатюрный автоматический выключатель показали накопление энергии и повышение температуры тоже. С ростом тока увеличивается эрозия.