Теория расчета электромагнитного дутья (в коммутационных аппаратах)

Аннотация. В статье рассматривается вопрос теории электромагнитного дутья в коммутационных аппаратах. Описаны основные причины возникновения электрической дуги. Рассмотрены вопросы теории расчета электромагнитного дутья и его виды. Описаны главные особенности и ключевые моменты при выборе вида электромагнитного дутья и всех его электрических и технических параметров. Приведены и проанализированы электромагнитные силы, возникающие в межконтактном промежутке в период горения электрической дуги. Проанализированы виды гашения дуги при переменном и постоянном токе и их обоснование. Выполнен анализ напряженности электромагнитного поля в межконтактном пространстве при различных значениях тока и приведены конкретные данные. Раскрыто понятие критической длины электрической дуги для каждого значения отключаемых токов, а также температурное воздействие на камеру дугогашения и значение допустимой температуры для керамики в области горения электрической дуги.
Цель исследования
Изучение и анализ теории расчета электромагнитного дутья, причины возникновения электрической дуги, виды дугогашения. Проанализировать напряженность магнитного поля в зоне горения дуги.
Задачи исследования
В научной работе ставятся следующие основные задачи
Изучить теорию расчета электромагнитного дутья
Рассмотреть причины и виды появления электрической дуги
Изучить основные принципы построения системы дугогашенияФункционирование любого электрического или электронного аппарата сопровождается электромагнитными явлениями, которые воспроизводят основные и вспомогательные функции устройства, а также, возможно, создают нежелательные паразитные эффекты. Многообразие происходящих явлений подчиняется известным законам, обобщающим знания о возникновении, распространении и взаимодействии электромагнитных полей со средой. На основании этих законов строятся математические модели для анализа поля, т.е. замкнутые системы расчётных уравнений, учитывающие условия конкретной задачи.
Электромагнитное дутье в коммутационных аппаратах создается электромагнитом, состоящим из стального магнитопровода в разомкнутом состоянии, который охватывает зону дуги и магнитную катушку, которая включается в цепь последовательно с контактами аппарата в момент переброса электрической дуги с неподвижного контакта на контакт дугогасительный [3]. Катушка для магнитного дутья присоединена к розетке, закрепленной на изоляционной пластине. В комплект розетки входит контактный штырь, соединённый с неподвижным контактом.
Коммутационные аппараты с электромагнитным дутьем находят свое применение в электроустановках с частыми коммутациями [1].
В системах с магнитным дутьем довольно затруднено гашение небольших токов по причине малых электродинамических сил. Именно поэтому часто конструкции снабжаются автопневматическим аппаратом, связанным с подвижной системой [7]. На рисунке 1 показано направление магнитного поля при процессе магнитного дутья.
Рис.1 Направление магнитного поля.
Наиболее распространено в дугогасительных устройствах электромагнитное дутье. В дугогасительных камерах дутье может осуществляться посредством газогенерации камер; чтобы передвинуть дугу с контактов, токопроводы обычно выполняют в форме петли. Зазор между контактами и стенками камеры должен быть минимален, чтобы не допустить переход электромагнитной дуги на поверхности контактов [8]. Данный дефект часто приводит к уменьшению нажатия контактов и к подгоранию контактов - иногда контакты даже не могут замкнуться и разомкнуться. На рисунке 2 показан принцип действия магнитного дутья и основные элементы.
Рис.1 Процесс магнитного дутья
Контакты катушки; 2-дугогасительная катушка; 3-дугогасительная зона.
Если ток дуги перейдет на катушку для дутья в конце полупериода, дуга не сможет затянуться в дугогасительную решетку[1].
Возникающая между электрическими контактами дуга начинает движение не сразу, а лишь тогда, как сила F достигнет нужного значения Fмин, которую можно вычислить (в ньютонах) по формуле [5]
Fмин=I*H*10-6
где I-ток дуги, H-напряжённость электромагнитного поля катушки.
Для гашения электрической дуги с током до нескольких десятков aмпеp достаточно весьма малой скорости дуги. Зная это значение тока, который гаснет в элегазе определяют значения напряженности магнитного поля Hmin, при которых электрическя дуга приводится в движение.
Для каждой конструкции дугогасительной камеры существует определенное значение тока, который гаснет при конкретных указанных условиях.
Необходимо, чтобы при этом токе электрическая дуга двигалась. Данный параметр является исходной определенной величиной при определении минимального числа витков электромагнитной катушки ωмин [9]. На рисунке 3 показаны основные элементы коммутационного аппарата.
Рис.3 Основные элементы коммаутационного аппарата
Расчет электромагнитной системы для магнитного дутья основаны на выборе конструктивных форм системы и расчете напряженности электромагнитного поля [3].
При последовательном дутье магнитная сила прямо пропорциональна квадрату тока. При параллельном дутье магнитная сила прямо пропорциональна току [6].
Последовательное дутье является самым распространенным вариантом построения дугогасительного устройства. Последовательное дутье работает в области больших токов (более 120 А), обеспечивает малый износ контактных соединений. При изменении основного направления тока дуги изменяется знак, поэтому система работает как при постоянном, так и при переменном токе и напряжении. В этом случае обеспечивается значительно высокая надежность при гашении номинальных токов.
Недостатком являются значительные затраты на медную катушку; нагрев контактов в дугогасительной катушке [8]. При использовании параллельного дутья направление электродинамической силы, которая воздействует на электрическую дугу, зависит в значительной степени от полярности тока. При изменении направления тока меняется и направление движения дуги и дугогасительное устройство теряет работоспособность.
При коротком замыкании значительно снижается напряжение на источнике, который питает катушку. В результате чего гашение электрической дуги происходит неэффективно и она не гаснет. Параллельное дутье в основном применяется при отключении незначительных постоянных токов (5-10 А) и никогда не используется на переменном токе.
При определении напряженности электромагнитного поля используют экспериментальные данные, опыт, полученный при проектировании и следующие основные рекомендации. В области малых токов не должно наблюдаться насыщения (напряженность электромагнитного поля в зоне горения дуги в этом случае максимальная).
При значениях больших токов вся магнитная система должна быть насыщена, что приведёт к значительному снижению напряженности поля в области горения дуги, уменьшению силы гашения дуги, снижению перенапряжений. Значение напряженности должно быть достаточным для удаления дуги из межконтактного пространства.
Требуется минимизировать износ контактных соединений. Оптимальное значение напряженности при этом составляет:
I=120 А Н=110 А/см;
I =250 А Н=85 А/см;
I =450 А Н=52 А/см;
I =650 А Н=0 А/см.
Предполагая, что электромагнитная система не достигла насыщения и учитывая, что требуемая магнитодвижущая сила определяется как [2]
I * w = 0,5 * I от • w
Где, w - число витков обмотки катушки для системы дугогашения, получаем выражение для определения значения необходимой напряженности магнитного поля
H=I*w/h,
где h – межполюсное расстояние системы магнитного дутья.
Далее строится зависимость Н = f(I от).
Затем необходимо определить диаметр электрической дуги для контроля корректности применения формул с точки зрения величины ширины зазора.
При неподвижной дуге ее диаметр (в см)
D=0,27*Iот,
для перемещающейся дуги
D=1,12*Iот .
Критическая длина электрической дуги для каждого значения отключаемых токов находится методом последовательных приближений с использованием вольт-амперных характеристик. Если вычисленные данные удовлетворяют требованиям, то рассчитываются габариты камеры для гашения. Если же считать длину дуги как часть окружности, то допускается определение расстояния от коммутирующих контактов до наиболее удаленной части дуги [1]. Этот размер определяется, рассчитав стрелу дуги
ht =vd *t, см.
При закрытой камере и значительно большой частоте отключений z требуется определить температуру камеры для гашения. Температура камеры определяется в предположении, что вся тепловая энергия горения дуги идет на нагрев стенок камеры. Полученное значение температуры должно соответствовать неравенству Q

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: Буль Б.К. Основы теории электрических аппаратов / Б.К. Буль и др.: под ред. Г.З. Буткевича. - М.: Зысш. шк.. 1970. - 599 с.
Буткевич Г.В Задачник по электрическим аппаратам: учебное пособие / Буткевич Г.В, Дегтярь В.Г., С'ливинская А.Г. - 2-е изд., пере- раб. и доп. - М.: Высшая школа, 1987. - 232 с.
Гордон А.В. Электромагниты постоянного тока / А.В. Гордон, А.Г. С'ливинская. - М.: Энергоиздат, 1972. - 446 с.
Грачёв А.С. Электрические аппараты: руководство по решению задач проектирования электрических аппаратов / Map. гос. ун-т; А.С. Грачёв. - Йошкар-Ола, 2009. - 111 с.
Кляйн Р.Я. Электрические и электронные аппараты: учебное пособие. Ч. I: Физические явления в электрических аппаратах / Кляйн Р.Я.
Коновалов. О.А. Электрические и электронные аппараты : учеб. пособие / О.А. Коновалов. А.В. Пяталоз. - Комсомольск-на-Амуре, 2003.- 145 с.
Любчик М.А. Расчет и проектирование электромагнитов постоянного и переменного токоз / М.А. Любчик. -М.: Госэнергоиздат, 1959.
223 с.
Никитенко А.Г. Автоматизированное проектирование электрических аппаратов. - М.: Высш.школа, 1983. - 192 с.