Выключатели гашения магнитного поля. Устройство, работа, расчет выключателей гашения магнитного поля.

При неисправностях (пробой изоляции, внутреннее замыкание и т. п.) в обмотках электрических машин необходимо как можно быстрее погасить магнитное поле возбуждения машины. Чем быстрее исчезнет магнитное поле, тем меньшими будут повреждения. Эту задачу осуществляют выключатели гашения магнитного поля, отключая обмотку возбуждения от источника питания. Однако непосредственное ее отключение недопустимо. Вследствие большой индуктивности обмотки при обрыве тока на ее зажимах возникает чрезвычайно большое напряжение, способное вызвать нарушение (пробой) изоляции самой обмотки.

 

 

Рис. 4-7. Процессы гашения поля и схемы выключателей.

Широкое распространение получил способ гашения поля путем разряда обмотки возбуждения на постоянный или переменный резистор. Применяемые в этом случае выключатели (рис. 4-7, а) имеют две пары контактов - замыкающие 3 и размыкающие 4. Контакты коммутируют с перекрытием. При включении замыкающими контактами подключаются к источнику питания (возбудителю 2) обмотка возбуждения 1 и разрядный резистор Rp, а размыкающими контактами через очень небольшое время (сотые доли секунды) отключается цепь разрядного резистора. Питание получает только обмотка возбуждения L. При отключении (аварийном или оперативном) работа контактов осуществляется в обратном порядке. Сперва подключается к обмотке возбуждения разрядный резистор, а затем обмотка возбуждения, шунтированная разрядным резистором, отключается от источника питания. Происходит разряд обмотки возбуждения на подключенный к ней резистор. Процесс гашения поля (тока) при постоянном значении сопротивления резистора показан кривыми 11 и U1 на рис. 4 -7.

При рассмотренном способе время гашения поля оказывается относительно большим. Сокращение длительности гашения может быть достигнуто за счет увеличения сопротивления разрядного резистора. Однако здесь быстро достигается предел. Максимальное напряжение Umах на обмотке возбуждения в первый момент равно IoRp, где Iо -ток в обмотке возбуждения в момент начала гашения, а Rр - сопротивление резистора. Необходимо, чтобы это напряжение не превосходило допустимого по условиям прочности изоляции значения Uиз, откуда сопротивление разрядного резистора не может превосходить величины

следовательно, время гашения поля не может быть уменьшено ниже определенного значения.

Применение способа гашения поля с помощью резисторов с нелинейным сопротивлением, а также других способов (относительно сложных) не дает оптимального решения.

Оптимальным является такой процесс гашения поля, при котором ток в обмотке возбуждения падает прямолинейно от Iо до нуля, а напряжение на обмотке поддерживается постоянным в течение всего времени гашения поля. Осуществить такой процесс удалось, использовав электрическую дугу в качестве нелинейного сопротивления [б]. Здесь ток и йапряжение при гашении поля изменяются по прямым I2 и U2 (рис. 4-7), время гашения равно 0,17T вместо 0,77Т при гашении на разрядный резистор.

Предложенный способ гашения поля [6] основан на том, что падение напряжения на короткой дуге (длина 2—3 мм) между двумя металлическими пластинами остается практически постоянным при изменении тока в широких пределах. Так, при токе свыше 50 А напряжение на каждой короткой дуге при медных пластинах составляет 28-32 В.

На рис. 4 -7,б приведена схема выключателя, в котором разрядный резистор заменен дугогасительной решеткой 5, подключенной параллельно контактам 4. Во включенном положении выключателя, как и ранее, контакты 3 замкнуты, а контакты 4 разомкнуты. При отключении контакты 4 замыкаются, контакты 3 размыкаются (как и ранее), а затем контакты 4 вновь размыкаются. Возникающая на них электрическая дуга загоняется магнитным полем в дугогасительную решетку, где она горит во время всего процесса гашения поля. Напряжение на решетке остается постоянным и равно

где Uд — напряжение на короткой дуге между двумя пластинами решетки;

п — число последовательно включенных дуг.

Резистор 6 пришлось ввести для исключения короткого замыкания на время, когда одновременно замкнуты контакты 3 и 4 в ходе отключения выключателя. Сопротивление ограничивающего резистора б много меньше сопротивления разрядного резистора, однако при этом наличие резистора б несколько снижает эффективность рассмотренного способа гашения поля.

При одновременном погасании дуги во всех промежутках дугогасительной решетки в момент, когда ток стремится к нулю (погасание дуги на одном промежутке ведет к погасанию всей дуги), на решетке возникает высокое напряжение, могущее привести к пробою изоляции обмотки. Для исключения этого явления параллельно решетке включен резистор 7 с относительно большим сопротивлением. Резистор разбит на части, каждая из которых имеет разное сопротивление и шунтирует определенную группу (секцию) пластин решетки. Одна группа пластин не шунтирована. Такая схема обеспечивает разновременное погасание дуги в секциях (в нешунтированной — в последнюю очередь), что позволяет ограничить перенапряжения допустимым значением.

Выключатель по схеме рис. 4-7,б имел сложную кинематику и требовал до­полнительного ограничивающего резистора б, который, как указывалось, несколько снижал эффективность гашения. Та же идея осуществлена в выключателе гашения поля (рис. 4-7,б) с обычной для автоматических выключателей кинематикой. Выключатель имеет основные 3 и дугогасительные 8 контакты, шунтированные дугогасительной решеткой. Первыми размыкаются основные контакты, а затем дугогасительные, на которых возникает электрическая дуга. Внешним магнитным полем дуга загоняется в решетку 5, где она и гаснет. Гашение поля идет по прямым I2 и U2, Резистор 7 служит для той же цели, что и в выключателе по схеме на рис. 4--7,б. Резистор 6 отсутствует.

 

 

Рис. 4-8. Общий вид выключателя серии АГП.

 

В этом выключателе дугогасительная решетка при гашении поля включена последовательно с обмоткой возбуждения в отличие от предыдущего, где она была включена параллельно. При параллельном включении решетки напряжение на обмотке

   (4.1)

и число пластин решетки

   (4.2)

где RВ — сопротивление обмотки возбуждения.

При последовательном включении решетки соответственно

   (4.3)

   (4.4)

где UВ — напряжение на возбудителе (источнике питания). Следовательно, при одинаковых напряжениях на обмотке возбуждения в процессе гашения поля генератора последовательное включение требует большего числа пластин дугогасительной решетки, чем параллельное. Это, однако, с лихвой окупается повышением эффективности гашения, отсутствием резистора 6 и более простой, а следовательно, и надежной кинематикой выключателя.

Общий вид одного из выключателей серии АГП, выполненного с последовательным включением дугогасительной решетки, приведен на рис. 4-8. Токопровод 15 и основные контакты — неподвижные 2 и подвижные 1 — расположены открыто, дугогасительные контакты 9, 10 размещены в камере дугогашения. Возникающая при отключении дуга под действием поперечного магнитного поля, создаваемого последовательной катушкой 5, быстро перемещается по рогам 8 и проникает в дуго-гасительную решетку 7.

Решетка состоит из ряда медных пластин, изолированных друг от друга кольцами из фибры 14. Пластины насажены на стальной изолированный стержень 6. Снаружи решетка охвачена изолированным стальным кожухом 4. С боков решетки размещены катушки 5. Катушки включаются самой дугой в момент вхождения ее в решетку. Они намотаны так, что их магнитные поля направлены навстречу друг другу. В результате между стержнем и кожухом возникает радиальное магнитное поле. Дуга, попав в такое поле, приходит во вращательное движение вокруг оси решетки. Она движется с большой скоростью и не плавит пластин решетки. Вся энергия, выделяющаяся в дуге, распределяется по поверхности пластин и поглощается ими.

При отключении цепи постоянного тока вся энергия, запасенная в отключаемой цепи, выделяется в дуге. Размеры пластин (объем металла) приняты такими, что решетка поглощает всю энергию, выделяющуюся при гашении поля, не перегреваясь свыше 200 °С. При этом выключатель допускает при номинальном токе пять гашении поля подряд. Шунтирующий резистор размещен вне дугогасительной камеры.

Электромагнит 11 с электромагнитной защелкой 12 служит только для включения. Во включенном положении выключатель удерживается защелкой. При освобождении защелки выключатель отключается. Выключатель снабжается соответствующим числом вспомогательных контактов 13 для цепей управления и сиг­нализации. Монтируется выключатель на стальной плите 3.

Выключатели серии АГП выполняются на номинальные токи 1200, 1600, 3200, 4000 и 6000 А.