Исследование электрических разрядов замыкания емкостных цепей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

© А.С. Залогин, Э.Г. Коган, О.Б. Малкович, 2006

УДК 621.372

А.С. Залогин, Э.Г. Коган, О.Б. Малкович

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ ЗАМЫКАНИЯ ЕМКОСТНЫХ ЦЕПЕЙ

сследования разрядов замыкания проводились с использованием запоминающего осциллографа С8-13. Для исключения влияния сопротивления соединительных проводов конденсатор присоединялся непосредственно к конструкции искрообразующего механизма, рекомендованному МЭК [1], одним концом непосредственно, а вторым - через измерительный резистор. В качестве последнего использовался шунт амперметра сопротивлением 0,03 Ом. Несмотря на принятые меры, достоверных данных при измерении достичь не удалось, т. к., во-первых, принципиально невозможно из-мерить ток без применения измерительного резистора, а наличие его в схеме искажает электрический разряд, и, во-вторых, индуктивность измерительного резистора, принимая во внимание большие величины токов разряда, вызывает колебания э. д. с. самоиндукции, что снижает точность измерений. Поэтому результаты исследований характеризуют качественную сторону наблюдаемых процессов.

При замыкании емкостной электрической цепи возникновение электрического разряда возможно в следующих случаях:

1. По мере сближения контактов пробоя межконтактного промежутка не происходит. В момент соприкосновения контактов плотность тока недостаточно велика и не приводит к расплавлению металла контактов в точках соприкосновения.

В этом случае или не происходит разряда при замыкании цепи, или, если скорость сближения контактов достаточно

велика, то разряд возникает при отскакивании контакта.

2. При сближении контактов происходит пробой межконтактного промежутка. При наличии емкости в цепи такие разряды могут быть опаснее разрядов размыкания, так как в момент пробоя, при максимальном расстоянии между контактами в разряде выделится большая часть энергии, запасенной в емкости. В то же время, при индуктивном или безреактивном характере цепи разряды замыкания менее опасны, чем разряды размыкания, так как последние будут иметь большую длительность и выделят в разряд больше энергии.

3. При сближении контактов пробоя межконтактного промежутка не происходит, однако, при соприкосновении контактов плотность тока в точках соприкосновения вызывает расплавление и испарение материала контактов и разряд возникает в межконтактном промежутке, насыщенном парами металла. Такие разряды возникают при коротком замыкании емкостных цепей.

Электрические разряды, возникающие при дребезге контактов во время их замыкания, рассмотрены в [2]. Для исследования воспламеняющей способности этих разрядов разработано специальное устройство [3]._

Рассмотрим электрические разряды, возникающие при пробое межконтактного промежутка при уменьшении расстояния между контактами, когда в качестве электродов используется кадмий и вольфрам. Определим зависимость напряжения, про-

Рис. 1. Схема устройства для исследования разрядов

бивающего межконтактный промежуток, от расстояния между контактами. Для определения этой зависимости разработано специальное устройство, схема которого приведена на рис. 1.

Устройство состоит из источника питания Е, последовательно с которым включена индуктивность, шунтированная стабилитронами V1, V2 и диодом, и транзисторный ключ V10. Этот транзисторный ключ управляется транзистором V19, который в свою очередь управляется тиристором V13. Последовательно в цепь источника включен ограничительный резистор R2, задающий требуемый ток исследуемого разряда. Для задания требуемого расстояния (от 1 мкм до 100 мкм) используются два микрометра. На одном из них закрепляется вольфрамовая проволочка, а на другом кадмиевый диск. Переключающий контакт KI служит для отключения регулируемого контакта КР от исследуемой цепи и подключения к последовательному транзисторному ключу V5, который при замкнутом контакте КР подает

питания на мультивибратор на транзисторах Уб, У9. При наличии питания на мультивибраторе излучатель сигнализирует о том, что контакт КР замкнут, т.е. расстояние между контактами равно нулю. В процессе разведения контактов КР сигнал излучателя прерывается и с этого момента с помощью одного из микрометров устанавливается требуемое расстояние между контактами.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии через индуктивность Ь и транзистор У10 от источника Е протекает ток, величина которого определяется резистором Я2.

При замыкании контакта К2 включается тиристор У1б, через который происходит заряд емкости С4 до напряжения стабилизации стабилитрона У14. Время заряда этой емкости задается с помощью резистора Ыб. После достижения напряжения на емкости указанного напряжения открывается стабилитрон У14 и тиристор У13 включается. Это приводит к тому, что закрывается транзистор У19, который от-

1100

1000

900

800

700

600

500 400

1 /

/ / ■ 2

//

1

Рис. 2. Зависимости напряжения пробоя от расстояния между контактами при токе 1 А: 1 - катод-кадмий; 2 - катод-вольфрам

I, мкм

10°

2 3 5 101 2 3

102

крылся при включении тиристора У16. Открытый транзистор У19 шунтирует ба-за-эмиттерный переход транзистора У10 и закрывает этот транзистор. Так как запирание транзистора У10 эквивалентно введению в цепь источника питания и индуктивности большого сопротивления (сотни кОм), на индуктивности возникает э.д.с. самоиндукции, которая прикладывается к контакту с регулируемым расстоянием (КР). При достижении напряжения, достаточного для пробоя межконтактного промежутка, возникает электрический разряд. Таким образом, автоматически достигается пробойное напряжение для установленного расстояния между контактами. Длительность разряда равна времени заряда емкости, т.е. времени, в течение которого транзистор находится в открытом состоянии. Длительность разряда необходимо регулировать в связи с тем, что при большом токе разряда выделяется значительная энергия и происходит выгорание кадмиевого контакта. Это выгорание приводит к увеличению расстояния между контактами в процессе развития разряда и не позволяет установить зависимость пробойного напряжения от расстояния между контактами.

Зависимости величины напряжения пробоя от расстояния между контактами приведены на рис. 2.

Кривая 1 этого рисунка получена для случая, когда катодом служил кадмиевый диск, а кривая 2 - вольфрамовая проволочка. Ток в исследуемой цепи (коммутируемой транзистором У10) был равен 1 А. Напряжение пробоя в случае, когда катодом служил кадмиевый диск, на 10-19 % больше, чем напряжение пробоя в случае, когда катодом являлась вольфрамовая проволочка. Однако в обоих случаях при минимальных исследуемых расстояниях (порядка 0,5 мкм), напряжение пробоя было не ниже 400 В. Поэтому разряды такого типа не является характерными для искробезопасных цепей, где, как правило, применяются напряжения, не превышающие десятков вольт, а используемые индуктивные элементы снабжены искрогасящими шунтами.

Проведены исследования влияния коммутируемого тока и расстояния между контактами на падение напряжения на дуговом разряде после пробоя межконтактного промежутка. На рис. 3 приведены зависимости напряжения на разряде от расстояния между контактами.

Из них следует, что при коммутации тока 0,5 А (кривая 1) с увеличением расстояния между контактами увеличивается и напряжение на разряде (с 14 В до 37 В). При коммутации тока 1 А напряжение на разряде остается постоянным (11 В) во всем исследуемом расстоянии между контактами. Вероятно, это вызвано тем, что с увеличением тока увеличивается насыщение расстояния между контактами парами

5

30

20

10

металла. При уменьшении коммутируемого тока до 0,25 А дуговые разряды вообще не возникали, а возникали многопробойные искровые, т. к. для возникновения и поддержания дуги коммутируемый ток был мал. Поскольку размыкание цепи сопровождается испарением токопроводя-щих мостиков, то это также свидетельствует о том, что пары металла оказывают существенное влияние на параметры разряда.

Рассмотрим коммутацию цепи в случае, когда при соприкосновении контактов кратковременно протекают большие токи, которые могут привести к интенсивному испарению материала контактов, что наблюдается при коротком замыкании емкостных цепей.

Характерные зависимости изменения тока и напряжения на разряде при коротком замыкании источника питания с напряжением и = 24 В с параллельно подключенным конденсатором, приведены на рис. 4.

В результате исследований установ-ено следующее:

- разряд замыкания начинается непосредственно после соприкосновения контактов, причем в начальный момент ток резко возрастает, а напряжение на коммутируемых контактах при этом незначи-

Рис. 3. Зависимость напряжения пробоя на дуговом разряде от его длины: 1 - I = 0,5 А; 2 - I = 1 А

тельно отличается от максимального значения напряжения на конденсаторе;

- длительность разряда зависит от емкости конденсатора и составляет 2-3 мкс при емкости 0,1 мкФ; при увеличении емкости на порядок длительность разряда увели-

I, мкм чивается примерно в два раза;

- от напряжения на конденсаторе и тока короткого замыкания источника питания длительность разряда не зависит;

- время достижения максимального тока разряда не зависит от напряжения, емкости и тока короткого замыкания источника и равно приблизительно 0,5 мкс;

- максимальная величина тока разряда зависит только от напряжения на конденсаторе и составляет величину порядка 700 А при напряжении 24 В и более 3000 А при напряжении 50 В;

- напряжение прекращения разряда (остаточное напряжение на конденсаторе) зависит от напряжения на конденсаторе и от его емкости: при напряжении 24 В независимо от емкости конденсатора разряд прекращается при напряжении 6-10 В; при напряжении более 40 В конденсатор малой емкости разряжается до нуля, а при увеличении емкости остаточное напряжение на конденсаторе снова становится равным 6-10 В. Влияния тока короткого замыкания источника питания на параметры разряда не установлено.

Полученные результаты могут быть объяснены следующим образом. При соприкосновении контактов возникает ток разряда, вызывающий интенсивное испарение металла контактов и образование межконтактного промежутка. Ионизация межконтактного промежутка обусловлена парами металла и лавинообразным увели-

1

2 •

10° 2 3 5 101 2 3 5

U, B I, A

чением тока. При малых напряжениях разряд прекращается при снижении напряжения на конденсаторе до величины, равной минимальному напряжению дуги ио = 6 ... 10 В.

При увеличении напряжения на конденсаторе и соответствующем увеличении тока (интенсивности испарения материала

1. ГОСТ Р 51330.4-99 (МЭК 60079-3-90). «Электрооборудование взрывозащищенное. Часть 3. Искрообразующие механизмы для испытаний электрических цепей на искробезопасность».

2. Разумихин М.А. Эрозионная устойчи-

Рис. 4. Характерные осциллограммы разрядов замыкания емкостных цепей: и = 24 В, 1кз= 1 А Масштабы: напряжеиия - 5 В/дел, ток - 333 А/дел, время - 0,5 мкс/дел

контактов), пары металла перекрывают межконтактный промежуток, энергия конденсатора полностью выделяется в разряд и напряжение прекращения разряда ниже Ио. При увеличении емкости конденсатора максимальное значение тока (степень испарения материала контакта в момент замыкания) остается такой же, а величина выделяемой в разряде энергии и длительность разряда увеличивается. Испарение металла во время развития разряда приводит к увеличению расстояния между контактами и прекращению разряда при остаточном напряжении на конденсаторе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

вость маломощных контактов. - М.: Энергия, 1964. 80 стр.

3. А.С. № 1377410, Б.И. №10, 1988. Устройство для исследования электрических разрядов. Э.Г. Коган, В.П. Диденко, А.З. Куфман и А.А. Са-фин.

— Коротко об авторах

ЗалогинА.С. - кандидат технических наук, исполнительный директор, Коган Э.Г. - кандидат технических наук, Малкович О.Б. - инженер,

Некоммерческая автономная организация «Центр по сертификации взрывозащищенного и рудничного электрооборудования (ЦСВЭ)».

--© А. С. Залогин, О.Б. Малкович,

2006

УДК 621.372