CC BY
81
УДК 621.316.717-573.2-048.24 ББК З264.344-013
Е.Г. ЕГОРОВ, Г.Е. ЕГОРОВ, Н.Ю. ЛУИЯ, В С. ПРЯНИКОВ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДУГОГАШЕНИЯ В КОНТАКТОРАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Ключевые слова: контактор, электрическая дуга, коммутационные испытания, восстанавливающаяся электрическая прочность, восстанавливающееся электрическое напряжение.
Приведены результаты анализа дуговых процессов при коммутации асинхронных электрических двигателей. Рассмотрены переходные процессы отключения активно-индуктивной нагрузки, механизмы пробоя межконтактных промежутков, отмечено влияние скорости подъема восстановления напряжения на величину пробивного напряжения, которое объясняется временами формирования и запаздывания разряда в процессе пробоя. Это явление было положено в основу метода коммутационных испытаний путем измерения волновых характеристик испытательной цепи: восстанавливающегося напряжения и восстанавливающейся прочности. Сущность предлагаемого метода заключается в обеспечении равенства скорости подъема испытательного напряжения и восстанавливающегося напряжения в номинальном режиме. Этим обеспечивается достоверность измерения восстанавливающейся прочности и оценки коммутационной способности испытуемого контактора. Приведены результаты экспериментальных исследований контакторов с различными вариантами дугогасительных камер. Показана возможность применения рассмотренного энергосберегающего и неразрушающего метода для контроля коммутационной способности контакторов.
Для управления асинхронными двигателями наиболее часто применяют магнитные пускатели, в составе которых основным устройством является контактор переменного тока. Такое применение обусловлено простотой схемы коммутации, малой стоимостью и доступностью при эксплуатации и обслуживании.
Основными показателями надежности контактора является его коммутационная износостойкость, на определения которой требуются большие затраты времени. В соответствии с требованиями нормативно-технической документации износостойкость устанавливается в диапазоне 1-3 млн циклов коммутации включения-отключения в режиме соответствующей категории применения АС-3, а для категории применения АС-4 - до 0,4 млн.
Показатели коммутационной износостойкости должны подтверждаться прямыми длительными (от нескольких месяцев до года) энергоёмкими испытаниями.
В связи с этим проблема энерго- и ресурсосбережения является значимой и весьма актуальной, решение которой в последнее время уделяется серьезное внимание, что подтверждается рядом отечественных и зарубежных публикаций [4-6, 8-10, 13-17].
Например, в работе [14] на основании результатов экспериментальных исследований и их статистической обработки вычислены параметры дуговой модели Майра, которые позволяют рассчитать напряжение на дуге, переходное восстанавливающееся напряжение, которые использованы для прогнозирования подобных или оптимизации существующих выключателей.
Влияние электрического поля на разбиение электрической дуги на ряд частичных дуг исследовано в статье [17]. Исследовалось распределение температуры и напряженности электрического поля для оптимизации процесса гашения дуги и повышения коммутационной способности аппаратов. Была разработана и рассчитана имитационная модель дуги, корректность которой была подтверждена экспериментально.
В работе [15] исследована имитационная модель с использованием ANSYS CFX с учетом излучения и тепловых свойств плазмы при оптимизации автоматических выключателей на токи 50-200 А с разным числом дуго-гасительных пластин и разной конструкцией дугогасительных камер. Результаты эксперимента были использованы для уточнения размеров расчетной сетки, также была показана достоверность имитационной модели.
Актуальность выбора аппаратуры для обеспечения надежной работы энергетического оборудования и ЛЭП обоснована в работе [14] с учетом основных характеристик и показателей надежности контакторов переменного тока.
Для высоковольтных выключателей [13] предложены расчетная методика определения разрядных напряжений и метод определения разности потенциалов между контактами по известной напряженности электрического поля. Моделирование характеристик электрической прочности выполнено в средах ANSYS, ELCUT, также было произведено сравнение с результатами коммутационных высоковольтных испытаний. Это позволило рассмотреть возможность повышения коммутационной способности выключателя. В работе [10] предложено определять отключающую способность контакторов методом неразрушающего испытания на основе учёта дуговых и плазменных процессов [11].
Известно, что отечественные производители контакторов (например, ОАО «Кашинский завод электроаппаратуры»), а также ряд зарубежных фирм, например Schneider Electric, непрерывно проводят испытания на коммутационную износостойкость, заменяя выработавший ресурс или отказавшие изделия для получения дополнительных статистических данных о надежности выпускаемой продукции.
Для создания энергоэффективных методов испытаний необходимо проанализировать дуговые процессы при отключении тока нагрузки, а также механизмы пробоя межконтактного промежутка и провести соответствующие экспериментальные исследования.
Процессы, определяющие формирование пробоя межконтактного промежутка, были исследованы в работах [1, 2, 7], где доказано, что в вакуумных камерах происходит микровзрыв с испусканием электронных капель (эффект эктонов). Развитие пробоя при высоких давлениях, так же как и в вакууме, возникает при примерно одинаковых значениях околокатодных процессов [2]. Например, работа выхода электронов для медных контактов составляет 4,4 эВ, вольфрамовых - 4,5 эВ, а для серебряных - 4,74 эВ [2, 4, 11].
Результаты ранее опубликованных работ [1, 4] показали, что методика исследований процессов отключения нагрузок переменного тока должна учитывать влияние околокатодных явлений на результат измерений, в частности скорости нарастания напряжения около нуля тока цепи нагрузки.
Для выработки предложения по неразрушающему контролю и разработке энергосберегающего метода был проведен ряд экспериментальных исследований процессов отключения магнитными пускателями нагрузок переменного тока. Для повышения достоверности результатов исследования были проведены испытания разных вариантов дугогасительных камер.
Схема коммутаций асинхронного электродвигателя (М) изображена на рис. 1.
КМ 1
КТ\
и О
Рис. 1. Схема коммутаций асинхронного электродвигателя: КАП - контактор магнитного пускателя; КТ\ - тепловое реле
Циклограмма коммутации испытаний в режимах, соответствующая категории применения АС-4, изображена на рис. 2.
к Л tK Л t
Рис. 2. Циклограмма коммутации испытаний: ^ - время коммутации; ^ - время дуги; ^ - продолжительность цикла; I - ток коммутации
Схема прямых испытаний трехполюсного контактора магнитного пускателя на коммутационную способность в режиме соответствующей категории применения АС-4 регламентирована ГОСТ 112061 и приведена на рис. 3.
Переходные процессы при отключении тока нагрузки и гашении электрической дуги изображены на рис. 4 (показан вариант успешного отключения тока дуги в одной из фаз цепи переменного тока).
Реальные переходные процессы (осциллограммы) при отключении нагрузки 1ком = 300 А, и = 660 В, / = 50 Гц приведены на рис. 5.
1 ГОСТ 11206-77. Контакторы электромагнитные низковольтные. Общие технические условия. М.: ИПК издательство стандартов, 2007. 10 с.
XI Х2 Х3 Х4
Рис. 3. Схема испытания для проверки на коммутационную способность трехполюсного аппарата в трехфазной испытательной схеме переменного тока: А - устройство для обнаружения перекрытий дуги; КМ1ИА - контакты испытуемого аппарата; Ы...Ь6 - регулируемые катушки индуктивности; РУ- вольтметр; К1...К6 - регулируемые резисторы; Ю - резистор для ограничения тока в устройстве А; . - шунты; Х1, Х2, Х3 - клеммы источника питания; Х4 - нейтральная точка источника питания; Х5, ...,Х10 - клеммы для подключения осциллографа для записи тока и напряжения
Рис. 4. Околонулевые процессы при гашении электрической дуги переменного тока: МРК - момент размыкания контактов; гд - ток дуги при гашении; гн - ток нагрузки; ия - напряжение на дуге; £7Г - пик напряжения на дуге в момент нуля тока; £7сетп - напряжение сети; £70 - напряжение сети в момент нуля тока; Ц°ш - мгновенная восстанавливающаяся электрическая прочность; иш (г) - характеристика восстанавливающейся электрической прочности; мвн ка) - характеристика восстанавливающегося электрического напряжения после гашения дуги;/0 = 1/С к„ = мвншах/ щ
1«. Момент __...........-..... размыкания контактов
—Г" (и,
ч
й I _.. X 1 "Ч. 1 у-^^ 5 V 10 '.V. ___ ——— /, мс
трехфазной нагрузки в режиме, соответствующем категории применения АС-4
В процессе испытаний определялись характеристики переходных процессов: время горения электрической дуги, восстанавливающейся электрической прочности (ВП), восстанавливающегося электрического напряжения (ВН).
Статистическая обработка экспериментальных данных измеренных иВН(0 и иВП(0 позволяет оценить вероятность зажигания электрической дуги и длительность горения электрической дуги после перехода тока через нуль, в процессе которого контакты подвергаются эрозии. При статистической обработке полученных экспериментальных значений иВН, иВП, рассчитываются среднее значение иВП ср и среднеквадратичное отклонение [3].
Повторное зажигание в момент нуля тока определяется сравнением значений ВПт1П и ВНтах.
Минимальная ВП определяется средним квадратичным отклонением и принятым квантилем вероятности к. Например, для вероятности 90% определяется табличное значение [3]: к = 1,282, для вероятности 95% - к = 1,645.
Максимальное значение ВН рассчитывается тоже с учетом среднего квадратичного отклонения и принятым квантилем вероятности к.
Гашение электрической дуги определяется сравнением характеристик иВП тт(0 и иВН тах(0.
Предложения по созданию и разработке энергосберегающих методов коммутационных испытаний разрабатывались с учётом результатов анализа известных методов испытаний. Для снижения энергозатрат коммутационных испытаний были разработаны следующие методы: ускоренные, сокращенные, синтетические, на основе планирования эксперимента, расчетно-эксперимен-тальные и математические методы расчетов дугогашения на основе решения фундаментальных уравнений тепловых и электрофизических процессов и др. [4, 5, 9, 10]. В работе [4] рассматривается инженерная методика измерения восстанавливающейся прочности по синтетической схеме, которая обеспечивает высокую точность измерения восстанавливающейся прочности. Однако этот метод требует синхронизации воздействующих импульсов испытательных напряжений, восстанавливающегося напряжения относительно нуля тока электрической дуги. Поэтому появилась необходимость упростить процедуру измерения восстанавливающейся прочности с учетом результатов ранее выполненных исследований.
В данной работе экспериментально определялись значения восстанавливающейся электрической прочности и восстанавливающегося электрического напряжения, также длительность горения дуги для конкретных параметров нагрузки. Волновые характеристики коммутируемой цепи: колебательная частота цепи нагрузки /0 и коэффициент амплитуды ка рассчитывались с учетом тока и напряжения цепи нагрузки1.
Восстанавливающая прочность иВП измерялась по методу повторных пробоев [4, 8].
1 ГОСТ Р 50030.1-2007 (МЭК 60947-1:2004). Аппаратура распределения и управления низковольтная. М.: Стандартинформ, 2008. 142 с.
Основные положения предлагаемого энергосберегающего неразрушающегося метода контроля коммутационной способности можно рассмотреть на примере характеристик переходных процессов иВП(0 и иВН(0, изображенных на рис. 6, при гашении дуги переменного тока.
МРК - момент размыкания контактов; гд - ток дуги при гашении; гн - ток нагрузки; ид - напряжение на дуге; иг - пик напряжения на дуге в момент нуля тока; 1д - время горения дуги; ^ - время пика гашения; исети - напряжение сети;
Ц°вп - мгновенная восстанавливающаяся электрическая прочность; ивп (0 - характеристика восстанавливающейся электрической прочности; ивн (0 - характеристика восстанавливающегося электрического напряжения после гашения дуги
Если переходный процесс иВП(0 определяется характеристикой 1, а восстанавливающееся напряжение иВН(0 - характеристикой 3, то после нуля тока ИВП(0 > иВН(0 пробоя промежутка не происходит и электрическая дуга гаснет.
Если восстанавливающееся напряжение изменяется по кривой 2, то в момент времени иВН исп(0 = иВП происходит пробой межконтактного промежутка, а электрическая дуга горит до следующего нуля тока нагрузки.
Для получения достоверных результатов эксперимента необходимо учесть следующие положения.
В связи с тем, что при изменении восстанавливающейся прочности необходимо обеспечить гарантированный пробой межконтактного промежутка, следует увеличивать восстанавливающееся испытательное напряжение, кроме того, необходимо обеспечить равенство скорости изменения напряжения в номинальном режиме и в режиме увеличенного испытательного
В dUв восстанавливающегося напряжения. Влияние скорости подъема - на
dt
измеряемые значения ВП и время разряда установлены для условий комму-
тации цепей как высокого, так и цепей низкого напряжения переменного тока [1, 2, 7].
Предлагаемая процедура позволит уменьшить погрешность измерения величины восстанавливающейся электрической прочности и повысить достоверность оценки результатов коммутации.
Регулирование (изменение) скоростей подъема номинального напряжения U0 Н и напряжения испытательного U0 ИСП обеспечивается шунтирующими активным и емкостным СШ сопротивлениями, которые подключаются к клеммам Х7-Х8 или Х8-Х9 (см. рис. 3).
Равенство скоростей восстановления напряжения при номинальном (660 В) и испытательном повышенном напряжении (принимаем, например, равным 800 В) обеспечивается за счет изменения частоты f0 ИСП. Равенство изменения скорости подъёма испытательного и номинального напряжения регулируется изменением частоты испытательного восстанавливающегося напряжения.
Скорость подъёма восстановления напряжения рассчитывается по формуле [4, 11]
( dUBH ) = ^ fkU 0; U 0 = Um sin ф = -П Uh sin ф.
Скорость изменения восстанавливающегося напряжения при номинальном напряжении UH = 660 В, коммутируемом токе 300 А и волновых пара-
В
метрах испытательной цепи (f0H = 45 кГц, £а = 1,38) равна 82-.
мкс
Исходя из соотношения для определения скорости изменения восстанавливающейся прочности равенство изменения восстанавливающегося напряжения при испытательном напряжении ^cn = 800 В будет достигнуто при fcn = 37 кГц. Если при испытательном напряжении 800 В не достигаются условия пробоя, то испытательное напряжение необходимо увеличить, например, до 1000 В, тогда требуемое условие будет обеспечено при fcn = 30 кГц.
Предлагаемая методика проиллюстрирована на рис. 7.
/V/ /0=30 кГц
/"ч V—/\
и,- 800В-—/—V--/---V /„=37 кГц
Рис. 7. Обеспечение равенства скоростей роста восстановления прочности при разных испытательных напряжениях
Для апробации предлагаемой методики были приведены исследования коммутационной способности в режиме соответствующей категории применения АС-4 трёх вариантов дугогасительных камер трёхполюсных магнитных пускателей с номинальным током 63 А, напряжением 660 В, частотой 50 Гц (табл. 1) при коммутации тока 300 А, ео8ф = 0,35.
Таблица 1
Варианты параметров дугагасительных камер
Параметры ДК Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3
Раствор контактов 5 5 5
Объём дугогасительной камеры, см3 9 9 15
Длина пластин, мм 16 23 29
Толщина пластин, мм 1 1 1
Расстояние между пластинами, мм 5 5,5 2,3
Число пластин на каждый разрыв мостикового контакта 5 5 7
Варианты испытуемых образцов отличаются объемом дугогасительных камер, расстоянием между пластинами, длиной и числом пластин. По результатам экспериментальных данных оценивалась вероятностная характеристика успешности гашения.
Результаты испытаний приведены в табл. 2-4.
Таблица 2
Результаты испытаний контактора с дугогасительной камерой для варианта 1
н я 1-й полупериод 2-й полупериод
- С а © 'Д. '1. ^ВН н, ЛэТКЛ тах, 'д. '1. ^ВП 1. ^ВН н. ЛэТКЛ тах.
и мс мкс В В А мс мкс В В А
А 4,9 7,9 457 - 412 7,4 5,2 >456** 456 296
1 В 6,9 13 >1035* 1035 370 - - - 1035 -
С 1,7 7,9 344 - 372 10 11 >610** 610 320
А 4,9 11 855 - 405 6,9 7,9 >520** 520 282
2 В 6,8 13 >1100* 1100 370 - - - - -
С 2 7,9 342 - 372 9,7 7,9 >512** 512 292
А 4,7 11 366 - 405 6,9 15 >730** 730 260
3 В 6,8 13 >1150* 1150 356 - - - - -
С 1,4 7,9 375 - 373 9,8 13 >470** 470 292
А 4,9 11 570 - 405 9,4 20 >565** 565 240
4 В 6,8 20 >1030* 1030 364 - - - - -
С 1,9 7,9 407 - 372 9,6 7,9 >500** 500 276
А 4,7 7,9 730 - 405 7 13 >490** 490 240
5 В 7,1 15 >1060* 1060 348 - - - - -
С 1,8 13 375 - 370 9,5 13 >626** 626 280
А 5 7,9 670 - 405 7,2 13 >506** 506 244
6 В 7,1 26 >925 925 356 - - - - -
С 1,9 7,9 375 - 380 10 7,9 >520** 520 280
А 4,8 11 730 - 412 7 18 >670** 670 240
7 В 7 18 >1025 1025 356 - - - - -
С 1,6 7,9 440 - 372 7,3 7,9 >460** 460 292
А 4,9 15 850 - 412 11 13 >426** 426 240
8 В 7,2 7,9 480 - 380 7,5 11 >506** 506 245
С 1,6 7,9 344 - 388 8,5 11 >940** 940 280
Окончание табл. 2
н я 1-й полупериод 2-й полупериод
- с О а © 'д, мс *1, мкс ^ВШ, В ^ВН н, В ЛэТКЛ тах, А 'д, мс К мкс ^ВП 1, В ^ВН н, В ЛэТКЛ тах, А
А 4,6 18 1100 - 412 9,8 20 >640** 640 0
9 В 6,8 11 >1230 1230 385 - - - - -
С 2 5,2 375 - 390 10 7,9 >530** 530 0
А 5,1 7,9 550 - 412 11 13 >460** 460 260
10 В 7,2 5,2 230 - 356 7,7 18 >565** 565 245
С 1,7 11 344 - 384 8,7 11 >470** 470 292
Примечание. * - успешное гашение дуги в фазе в течение первого полупериода; ** - успешное гашение дуги в течение второго полупериода.
Из десяти коммутационных циклов в 8 опытах гашение дуги происходит при первом переходе тока через нуль, а в двух случаях окончательное гашение происходит во втором полупериоде. Полученные результаты объясняются хорошими условиями для перемещения дуги, вхождением ее в решётку за счёт оптимального соотношения числа пластин, расстояния между пластинами и объемом дугогасительной камеры.
Восстанавливающаяся прочность в первой гасящей фазе составляет 9251230 В. Восстанавливающееся напряжение в этих опытах менее этих величин. Полученные результаты в опытах 8 и 10 - гашение происходит во втором полупериоде - можно объяснить вероятностными процессами дугогашения, например, уменьшением скорости движения дуги на пластинах из-за изменения условий электро-, термо- и аэродинамических явлений внутри камеры, которые, в свою очередь, вызывают повышенный нагрев дугогасительной камеры.
Результаты испытания дугогасительной камеры для варианта 2 приведены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты измерения характеристик восстанавливающейся прочности, восстанавливающегося напряжения и времени горения электрической дуги для варианта 2 дугогасительной камеры
Опыт Фаза 1-й полупе риод 2-й полупе] эиод
'д, мс '1, мкс ^ВП 1, В ^ВН н, В ■^ОТКЛ тах, А 'д, мс '1, мкс ^ВП1, В ^ВН н, В ^ОТКЛ тах, А
1 А 7,9 7,9 375 - 368 9,7 13 660 - 292
В 9,2 10,5 317 - 410 9,36 7,9 357 - 330
С 0,1 7,9 457 - 418 9,36 7,9 335 - 360
2 А 10,4 7,9 376 - 372 9,62 7,9 825 - 320
В 3,56 7,9 300 - 400 9,4 7,9 605 - 330
С 0,66 7,9 855 - 425 9,23 10,5 396 - 370
3 А 7,15 7,9 426 - 372 9,45 23 970 - 300
В 3,32 7,9 276 - 388 9,62 7,9 260 - 324
С 0,18 7,9 1350 - 413 9,45 7,9 457 - 360
4 А 7,7 5,2 440 - 372 9,75 5,2 440 - 296
В 3,6 5,2 260 - 390 9,1 7,9 346 - 326
С 0,34 5,2 855 - 405 9,15 7,9 396 - 370
5 А 8,1 5,2 218 - 372 10,8 18 >626** 626 320
В 4,4 18 350 - 420 9,27 23 >1070** 1070 312
С 1,44 5,2 365 - 425 8,96 5,2 >490* 490 392
Окончание табл. 3
Опыт Фаза 1-й полупе риод 2-й полупе] риод
«Д, мс «1, мкс иВП 1, В иВН н, В ЛэТКЛ тах, А «Д, мс «1, мкс иВП1, В иВН н, В ЛэТКЛ тах, А
6 А 7,85 5,2 282 - 372 7,2 15 >470** 470 240
В 3,88 5,2 318 - 410 10,4 7,9 >430** 430 280
С 0,61 7,9 700 - 400 8,85 23 >975** 975 356
7 А 5,5 5,2 250 - 328 9 7,9 >514** 514 200
В 4,9 7,9 350 - 328 9 7,9 >435** 435 200
С 0,36 10,5 >1400* 1400 414 - - - - -
8 А 7,35 5,2 280 - 365 9,6 20 >344** 344 248
В 3,22 5,2 230 - 400 10,3 10,5 >690** 690 285
С 9,1 20 >975* 975 357 - - - - -
9 А 7,74 7,9 344 - 380 7,6 31,2 >800** 800 220
В 3,68 2,6 260 - 410 10,6 5,2 >375** 375 290
С 0,445 7,9 975 - 412 9 23 >975** 975 350
10 А 8 5,2 560 - 360 10,7 15 >520** 520 270
В 3,94 7,9 317 - 380 8,89 7,9 >920** 920 280
С 10,78 7,9 457 - 410 9,3 18 >790 790 260
Примечание. * - успешное гашение дуги в одной фазе в течение первого полупериода; ** - успешное гашение дуги в течение второго полупериода. В опытах 1-4 время дуги более трёх полупериодов.
В опытах 7 и 8 дуга горит в течение первого и второго полупериодов, в опытах 5, 6, 9, 10 - в течение второго полупериода, а остальных четырёх опытах - более трёх полупериодов переменного тока.
Результаты измерения характеристик восстанавливающейся прочности, восстанавливающегося напряжения и времени горения электрической дуги для дугогасительной камеры по варианту 3 приведены в табл. 4.
Таблица 4
Результаты измерения характеристик восстанавливающейся прочности, восстанавливающегося напряжения и времени горения электрической дуги для варианта 3 дугогасительной камеры
н я 1-й полупериод 2-й полупериод
- С О а © «Д, мс «1, мкс иВП 1, В иВН н, В ■^ОТКЛ тах, А «Д, мс «1, мкс иВП 1, В иВН н, В ^ОТКЛ тах, А
А 0,98 15,7 658 - 388 9,1 10,5 976 - 360
1 В 6,9 21 810 - 387 8,25 15,7 577 - 302
С 4,65 7,8 457 - 435 11,2 15,7 640 - 313
А 1,05 10,5 525 - 400 9,62 7,68 445 348
2 В 6,75 5,2 460 - 400 10,3 7,86 >808** 808 330
С 4,7 5,2 384 - 435 9,55 10,5 640 326
А 0,945 26 690 - 400 9,15 7,9 507 - 331
3 В 5,83 13 460 - 396 10,1 7,9 432 - 325
С 4,65 11 427 - 435 9,25 7,9 488 - 318
А 1,05 39 >1380* 1380 400 - - - - -
4 В 5,36 13 >363* 363 333 - - - - -
С 6,04 7,9 >760* 760 435 - - - - -
А 1,05 16 520 - 400 9,5 8 470 - 330
5 В 6,75 65 550 - 400 10,1 8 290 - 334
С 4,8 7,9 460 - 435 9,8 8 308 - 326
Окончание табл. 4
Опыт Фаза 1-й полупериод 2-й полупериод
*Д. мс *1, мкс ^ВП 1, В ^ВН н, В ЛэТКЛ тах, А *Д. мс *1, мкс ^ВП 1, В ^ВН н, В ■^ОТКЛ тах, А
6 А 1,02 10,5 520 - 400 9,55 2,6 356 - 340
В 6,94 7,9 375 - 378 10,3 7,9 318 - 334
С 4,78 2,6 366 - 435 9,6 23,6 1010 - 318
7 А 1,36 15,7 425 - 400 9,1 7,9 655 - 355
В 7,45 10,6 303 - 386 10,4 10,5 670 - 356
С 5,04 7,9 366 - 435 9,65 15,7 760 - 318
8 А 1,1 23,6 720 - 400 9,45 5,2 312 - 340
В 7,2 15,7 520 - 378 10,4 5,2 577 - 356
С 4,77 5,2 610 - 435 9,9 5,2 366 - 318
9 А 1,15 15,7 690 - 400 9,5 5,2 438 - 348
В 7,5 13 460 - 388 10,7 7,9 577 - 356
С 4,54 7,9 400 - 435 9,8 7,9 366 - 312
10 А 1,18 10,5 532 - 400 9,6 5,1 532 - 340
В 7,4 5,2 547 - 388 10,5 2,6 278 - 356
С 4,84 5,2 427 - 435 10,1 5,2 305 - 350
Примечание. * - успешное гашение дуги в фазе в течение первого полупериода; ** - успешное гашение дуги в течение второго полупериода.
Результаты испытаний образца для варианта 3 (см. табл. 4) показали, что увеличение числа пластин и их длины, а также увеличение объёма дугогаси-тельной камеры ухудшает динамику вхождения дуги в решетку и условия перемещения дуги по пластинам. Это подтверждается результатами в восьми опытах: электрическая дуга переменного тока горит более трех полупериодов, а во втором и четвёртом опытах дуга гасится в течение первого и второго полупериодов переменного тока.
В результате испытаний было установлено, что на процесс дугогашения влияют конструктивные особенности дугогасительной камеры. В варианте 1 созданы более благоприятные условия для гашения электрической дуги.
По результатам этих испытаний определена оптимальная конструкция дугогасительной камеры - это вариант 1 со следующими параметрами: объём - 9 см3, длина пластины - 16 мм, расстояние между пластинами - 5 мм и число разрывов дуги на каждый полюс мостикового контакта - 5.
Предлагаемый метод испытаний по измеренным значениям ВП и ВН позволяет определить с минимальными энергозатратами коммутационную способность контактора, а также выбрать оптимальную конструкцию дугогаси-тельных камер.
Рассмотренный энергосберегающий метод коммутационных испытаний контакторов переменного тока предполагает экспериментальное измерение характеристик восстанавливающейся электрической прочности и восстанавливающегося электрического напряжения. При этом необходимо обязательное соблюдение равенства скоростей восстановления испытательного и номинального напряжения сети, что обеспечивает достоверность измеренных значений ВП. Этот метод исключает возможность разрушения испытуемого образца и позволяет принять решение о сокращении (уменьшения) числа испытательных коммутационных циклов и обеспечивает снижение энергозатрат на проведение коммутационных испытаний.
По мере накопления статистических данных по каждому типу исполнения аппаратов может быть рекомендовано оптимальное значение контролируемых коммутационных циклов для установления в нормативно-технической документации дополнительных показателей надежности контакторов переменного тока.
Литература
1. Бычкова Л.Г., Бычков Ю.И., Месяц Г.А. Эффект сильного роста времени запаздывания пробоя газовых промежутков при высоких электрических полях // Известия вузов. Сер. Физика. 1969. № 2. С. 36-39.
2. Баренгольц С.А., Месяц Г.А., ЦвентухМ.М. Инициирование эктонных процессов при взаимодействии плазмы с микровыступом на металлической поверхности // ЖЭТФ. 2008. Т. 134. Вып. 6 (12). С. 1213-1224.
3. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. 6-е изд. стер. М.: Высш. шк., 1999. 576 с.
4. Егоров Е.Г. Испытания и исследования низковольтных коммутационных аппаратов: учебное электронное издание. Часть 1. Исследования низковольтных коммутационных аппаратов [Электронный ресурс]. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2014. 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).
5. Егоров Е.Г., Иванова С.П., Рыжкова Н.Ю., Егоров Е.Г. Некоторые направления энергосбережения при испытаниях магнитных пускателей на надежность // Электротехника. 2012. № 5. С. 16-19.
6. Егоров Е.Г., Иванова С.П., Луия Н.Ю. Энергосберегающий метод коммутационных испытаний магнитных пускателей // Вестник Чувашского университета. 2016. № 1. С. 47-55.
7. Месяц Г.А., Кремнёв В.В., Коршунов Г.С., Янкелевич Ю.Б. Ток и напряжение искры при импульсном пробое газового промежутка в наносекундном диапазоне времени // Журнал технической физики. 1969. Т. 39, вып. 1. С. 75-81.
8. Основы теории электрических аппаратов / под ред. П.А. Курбатова. 5-е изд., перераб., и доп. СПб.: Лань, 2015. 592 с.
9. Розанов Ю.К., Егоров Е.Г., Егоров Г.Е. Неразрушающие испытания контактной коммутационной аппаратуры методом контроля восстанавливающейся электрической прочности // Электротехника. 2007. № 4. С. 47-53.
10. Рыльская Л. А. Определение отключающей способности вакуумных дугогасительных камер по критерию отказа при использовании метода неразрушающих испытаний // Электротехника. 2016. № 6. С. 2-9.
11. Таев И. С. Электрические контакты и дугогасительные устройства аппаратов низкого напряжения. М.: Энергия, 1973. 424 с.
12. Финкельбург В., Меккер Г. Электрические дуги и термическая плазма. М.: Изд-во иностр. лит., 1969. 370 с.
13. ЧерноскутовД.В., ЧерныхИ.В., ХомяковР.А. Математический метод расчета электрической прочности и анализ отключающей способности высоковольтного элегазового выключателя // ЭЛЕКТРО. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2016. № 5. С. 33-39.
14. Bao-ying Wang. The Study on the Design of Low voltage AC Contactor in the Electrical System and the Control Applications. Proc. of 4th Int. Conf. on Mechatronics, Materials, Chemistry and Computer Engineering (ICMMCCE) 2015. Published by Atlantis Press, 2015, pp. 140-143. doi: 10.2991/icmmcce-15.2015.27.
15. Iturregi A., Barbu B., Torres E., Berger F., Zamora I. Electric Arc in Low-Voltage Circuit Breakers: Experiments and Simulation. IEEE Transactions on Plasma Sciences, 2016, pp. 1-8. doi: 10.1109/TPS.2016.2633400.
16. Nitu S., Nitu C., Anghelita P. Electric Arc Model, for High Power Interrupters. IEEE EU-ROCON 2005 - The International Conference on «Computer as a Tool», 2005, vol. 2, pp. 14421445. doi: 10.1109/EURC0N.2005.1630234.
17. Tiansheng Z., Nairui Y., Shenli J. Hongwu L., Ruiliang G. Research on the effect of electric field in arc separating process. IEEE Electric Power Equipment - Switching Technology (ICEPE-ST), 2015 3rd Int. Conf., 2015, pp. 18-21. doi: 10.1109/ICEPE-ST.2015.7368328.
ЕГОРОВ ЕВГЕНИЙ ГРИГОРЬЕВИЧ - кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой электрических и электронных аппаратов, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (ea@chuvsu.ru).
ЕГОРОВ ГРИГОРИЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ - инженер-программист, ОАО ВНИИР, Россия, Чебоксары (yegreg@mail.ru).
ЛУИЯ НАТАЛИЯ ЮРЬЕВНА - аспирантка кафедры электрических и электронных аппаратов, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (nataliluiya@mail.ru).
ПРЯНИКОВ ВИССАРИОН СЕМЕНОВИЧ - доктор технических наук, профессор кафедры радиотехники и радиотехнических систем, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (pryanikoff@list.ru).
E. EGOROV, G. EGOROV, N. LUIYA, V. PRYANIKOV
EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF ARC SUPPRESSION IN AC CONTACTORS
Key words: contactor, arc, switching tests, restored electric strength, restored electric voltage.
Analysis results of arc processes under switching asynchronous electric motors are given. Transient processes of switching off the active and inductive loading, mechanisms of breakdown of intervals between contacts are considered, the influence of a hoisting speed of voltage recovery on value of puncture voltage is marked , and time of both formation and delay of discharge in the course of breakdown explains this. The marked phenomenon was put into the basis of a method of switching tests by measuring wave characteristics of a test circuit: tension and durability under recovery. The offered method is to support the equality of a hoisting speed of test voltage and voltage under recovery in the rated mode. This provides reliability of measurement of the recovered durability and assessment of switching ability of the contactor being examined. Results of the pilot studies of contactors with different versions of cameras of arc extinction are given. The possibility to apply considered energy saving and nondestructive method to monitor switching ability of contactors is shown.
References
1. Bychkova L.G., Bychkov Yu.I., Mesyats G.A. Effekt sil'nogo rosta vremeni zapazdyvaniya proboya gazovykh promezhutkov pri vysokikh elektricheskikh polyakh [The effect of strong growth breakdown delay time of gases in strong electric fields. Proceedings of the universities]. Izvestiya. vuzov. Ser. Fizika [News of higher education institutions. Ser. Physics], 1969, no. 2, pp. 36-38.
2. Barengol'ts P.A., Mesyats G.A., Tsventukh M.M. Initsiirovanie ektonnykh protsessov pri vzaimodeistvii plazmy s mikrovystupom na metalliche-skoi poverkhnosti [Initiation ectonic processes in the plasma interaction with microscopic projections on the metalsurface]. ZhETF [Journal of Physics eletkrotehnicheskoy], 2008, vol. 134, iss. 6(12), pp. 1213-1224.
3. Venttsel' E.S. Teoriya veroyatnostei [Probability theory]. Moscow, Nauka Fizmatgiz Publ., 1969, 576 c.
4. Egorov E.G. Ispytaniya I issledovaniya nizkovol'tnykh kommutatsionnykh apparatov: ucheb-noe elektronnoe izdanie. Chast' 2. Issledovaniya nizkovol'tnykh kommutatsionnykh apparatov [Tests and studies of low-voltage switching devices: educational electronic edition. Part 2: Studies of low-voltage switching devices]. Cheboksary, Chuvash University Publ., 2014, 1 electronic optical disc (CD-ROM).
5. Egorov E.G., Ivanova S.P., Ryzhkova N.Yu., Egorov G.E. Nekotorye napravleniya energosberez-heniya pri ispytaniyakh magnitnykh puskatelei na nadezhnost' [Some areas of energy savings in testing the reliability of magnetic starters]. Elektrotekhnika [Electrical Engineering], 2012, no. 5, pp. 16-19.
6. Egorov E.G., Ivanova S.P., Luiya N.Yu. Energosberegayushchii metod kommutatsionnykh ispytanii magnitnykh puskatelei [Energy-saving method of testing switching magnetic contactors]. Vestnik Chuvashskogo universiteta, 2016, no. 1, pp. 47-55.
7. Mesyats G. A., Kremnev V.V., Korshunov G.S., Yankelevich Yu.B. Tok i napryazhenie is-kry pri impul'snom proboe gazovogopromezhutka v nanosekundnom diapazone vremeni [Current and voltage sparks during pulsed breakdown of the gas gap in the nanosecond range time]. Zhurnal tekh-nicheskoi fiziki [Journal of Technical Physics], 1969, vol. 39, iss. 1, pp. 75-81.
8. Kurbatov P.A., ed. Osnovy teorii elektricheskikh apparatov. 5-e izd., pererab, i dop. [Fundamentals of the theory of electrical apparatus. Ed. PA Kurbatov. 5 ed.]. St. Petersburg, Lan' Publ., 2015, 592 p.
9. Rozanov Yu.K., Egorov E.G., Egorov G.E. Nerazrushayushchie ispytaniya kontaktnoi kom-mutatsionnoi apparatury metodom kontrolya vosstanavlivayushcheisya elektricheskoi prochnosti [Non-destructive testing of the contact switchgear control method recovering electric strength]. Elektrotekhnika [Electrical Engineering], 2007, no. 4, pp. 47-53.
10. Ryl'skaya L.A. Opredelenie otklyuchayushchei sposobnosti vakuumnykh dugogasitel'nykh kamer po kriteriyu otkaza pri ispol'zovanii metoda nerazrushayushchikh ispytanii [Determinatuion of the breaking capacity of the vacuum interrupters on the criterion of failure using method the nondestructive testing]. Elektrotekhnika [Electrical Engineering], 2016, no 6, pp. 2-9.
11. Taev I.S. Elektricheskie kontakty i dugogasitel'nye ustroistva apparatov nizkogo napryazheniya [Electrical contacts and arc suppression of apparatuses low-voltage]. Moscow, Energiya Publ., 1973, 424 p.
12. Finkel'burg V., Mekker G. Elektricheskie dushi i termicheskaya plazma [Electric arc and thermal plasma], Moscow, Inostrannaya literature Publ., 1969, 370 p.
13. Chernoskutov D.V., Chernykh I.V., Khomyakov R.A. Matematicheskii metod rascheta elektricheskoi prochnosti i analiz otklyuchayushchei sposobnosti vysokovol'tnogo elegazovogo vyk-lyuchatelya [Mathematical method of calculation of electric durability and the analysis of the disconnecting ability of the high-voltage gas-insulated switch]. ELEKTRO. Elektrotekhnika, elektroenerge-tika, elektrotekhnicheskaya promyshlennost', 2016, no 5, pp. 33-39.
14. Bao-ying Wang. The Study on the Design of Low voltage AC Contactor in the Electrical System and the Control Applications. Proc. of 4th Int. Conf. on Mechatronics, Materials, Chemistry and Computer Engineering (ICMMCCE) 2015. Published by Atlantis Press, 2015, pp. 140-143. doi: 10.2991/icmmcce-15.2015.27.
15. Iturregi A., Barbu B., Torres E., Berger F., Zamora I. Electric Arc in Low-Voltage Circuit Breakers: Experiments and Simulation. IEEE Transactions on Plasma Sciences, 2016, pp. 1-8. doi: 10.1109/TPS.2016.2633400.
16. Nitu S., Nitu C., Anghelita P. Electric Arc Model, for High Power Interrupters. IEEE EU-ROCON 2005 - The International Conference on «Computer as a Tool», 2005, vol. 2, pp. 14421445. doi: 10.1109/EURC0N.2005.1630234.
17. Tiansheng Z., Nairui Y., Shenli J. Hongwu L., Ruiliang G. Research on the effect of electric field in arc separating process. IEEE Electric Power Equipment - Switching Technology (ICEPE-ST), 2015 3rd Int. Conf., 2015, pp. 18-21. doi: 10.1109/ICEPE-ST.2015.7368328.
EGOROV EVGENIY - Candidate of Technical Sciences, Professor, Head of Electrical and Electronic Apparatus Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary (ea@chuvsu.ru).
EGOROV GREGORY - Software Engineer, OAO VNIIR, Russia, Cheboksary (yegreg@mail.ru).
LUIYA NATALIA - Post-Graduate Student of Electrical and Electronic Apparatus Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary (nataliluiya@mail.ru).
PRYANIKOV VISSARION - Doctor of Technical Sciences, Professor of Radio and Radio Systems Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
Ссылка на статью: Егоров Е.Г., Егоров Г.Е., Луия Н.Ю., Пряников В.С. Экспериментальные исследования дугогашения в контакторах переменного тока // Вестник Чувашского университета. - 2017. - № 1. - С. 88-102.
