Дугообразование в автоматических выключателях: причины, методы прерывания дуги и когда следует беспокоиться

Вытащите сработавший автоматический выключатель из панели, и вы часто обнаружите сажу или изменение цвета вокруг контактов. Это само по себе не означает, что выключатель неисправен. Возникновение дуги внутри автоматического выключателя является предусмотренной частью прерывания тока: каждый раз, когда выключатель размыкает цепь под напряжением, контролируемая дуга замыкает разъединяющие контакты на несколько миллисекунд, пока система гашения дуги не погасит ее. Важно то, осталась ли дуга внутри компонентов, предназначенных для ее содержания. Дуга, ограниченная дугогасительной камерой или вакуумным прерывателем, является нормальной работой. Дуга на незакрепленной клемме, на потрескавшейся изоляции или внутри корпуса, не рассчитанного на нее, является неисправным состоянием и одной из основных причин электрических пожаров. В этой статье объясняется, почему образуется дуга, как прерыватели ее гасят, как отличить расчетную дугу от опасной и что означают эти различия при выборе распределительного устройства для проекта распределения.

Что на самом деле представляет собой искрение в выключателе

Дуга — это столб ионизированного газа или плазмы, который проводит ток через физический зазор. Когда контакты разъединяются под нагрузкой, последняя точка металлического контакта плавится и испаряется, и ток продолжает течь через этот пар. Ядро дуги имеет температуру выше 6000 К, что выше температуры поверхности Солнца, и может выдерживать зазор в несколько миллиметров. С точки зрения схемы, дуга — это просто проводник, который поддерживает ток на пути. С точки зрения аппаратного обеспечения, это концентрированный источник тепла, который разрушает материал контактов и создает большую часть давления и термического напряжения, которое выключатель должен выдержать во время неисправности. Вот почему работа выключателя никогда не описывается как мгновенное прекращение тока. Это описывается как управление дугой, ее охлаждение и доведение тока до чистого нуля.

Почему дуга образует момент размыкания контактов

Два физических факта делают дугу практически неизбежной. Во-первых, каждая реальная цепь содержит индуктивность, и ток через катушку индуктивности не может измениться мгновенно. Принуждение тока к нулю за нулевое время приведет к всплеску напряжения, достаточно большому, чтобы повторно поразить открывающийся зазор, поэтому дуга — это способ схемы поддерживать протекание тока, в то время как энергия, накопленная в индуктивности, рассеивается. Во-вторых, контактный зазор ионизируется сам по себе: эмиссия электронов на катоде и остающиеся после него горячие пары металла создают проводящий путь за микросекунды разделения.

Цепи переменного и постоянного тока здесь ведут себя совершенно по-разному. В цепи переменного тока ток проходит через ноль дважды за цикл, и задача выключателя состоит в том, чтобы предотвратить повторное возгорание после перехода через ноль. В цепи постоянного тока нет естественного нуля, поэтому автоматический выключатель должен повышать напряжение дуги выше напряжения источника, чтобы снизить ток. Это основная причина, по которой автоматический выключатель, рассчитанный на переменный ток, не может автоматически прерывать постоянный ток того же уровня, и почему для приложений постоянного тока требуются устройства со специальным номиналом постоянного тока.

Запланированное искрение против опасного искрения

Производители проектируют выключатели, предполагая, что на контактах возникнет искрение, которое необходимо локализовать, охладить и погасить в течение миллисекунд. Появление дуги в другом месте является дефектом. Ослабленные клеммные соединения являются наиболее распространенной проблемой: термоциклирование ослабляет болты с наконечниками, контактное сопротивление возрастает, и соединение начинает дуговать и гореть под нагрузкой. Треснутая или загрязненная изоляция позволяет отслеживать, при котором обуглившаяся проводящая дорожка медленно растет по поверхности, пока не загорается.

Предупреждающие знаки, призывающие к действию

• Следы ожогов, сажа или плавление на клеммах линии или нагрузки, а не внутри герметичных прерывающих компонентов
• Постоянный запах гари при нормальной работе, а не только после серьезного аварийного отключения.
• Жужжание, шипение или шипение возле выключателя, что может указывать на искрение в зазоре, которого быть не должно.
• Обесцвеченная изоляция проводника или следы тепла на прилегающих поверхностях панели.
• Повторное ложное отключение в цепи, нагрузка которой не изменилась
• Карбонизированные следы видны на корпусе выключателя или изоляции панели.

Любой из этих признаков оправдывает обесточивание цепи и проверку соединения, проводника и выключателя перед ее возвращением в эксплуатацию.

Как автоматические выключатели гасят дугу

Дугогасительные камеры, деионные пластины и магнитный выброс

В конструкциях с воздушным прерывателем дугопроводная направляющая направляет дугу от контактов в дугогасительную камеру, представляющую собой стопку стальных деионных пластин. Желоб разделяет одну длинную дугу на серию коротких дуг, и каждая пластина добавляет падение напряжения на аноде и катоде, в то время как ее охлаждаемые поверхности повышают сопротивление дуги и поглощают тепло. Около следующего нуля тока деионизированный промежуток больше не может поддерживать дугу, и ток прекращается. Магнитные дугогасительные катушки добавляют электромагнитную силу, которая быстро направляет дугу в желоб, ограничивая продолжительность горения контактов.

Основные контакты и защитные дугогасительные контакты

Многие силовые выключатели используют два набора контактов параллельно. Главные контакты, изготовленные из низкоомных сплавов на основе серебра, пропускают постоянный ток нагрузки. Разрушающие дугогасительные контакты, обычно из вольфрам-медных или серебряно-вольфрамовых сплавов, устойчивых к эрозии, замыкаются первыми и размыкаются последними. Горящая дуга прикрепляется к жертвенной паре, поэтому эрозия происходит там, где ее можно выдержать и измерить, а не на прецизионных поверхностях, несущих нагрузку. Проверка износа дугогасительных контактов является стандартной процедурой при обслуживании выключателя среднего напряжения.

Сравнение среды прерывания: воздух, вакуум и газ

Размыкающая среда во многом определяет, насколько быстро гаснет дуга, какой объем обслуживания требует устройство и какой класс напряжения оно обслуживает.

В распределительных сетях среднего напряжения вакуумное прерывание стало основным выбором: дуга гаснет при первом нулевом токе, износ контактов минимален, и нет газа, который нужно контролировать или пополнять. Выдвижная металлическая конструкция обеспечивает доступ к вакуумному прерывателю для периодического тестирования и замены.

Бронированное выдвижное распределительное устройство в металлическом корпусе 24 кВ В этом распределительном устройстве среднего напряжения KYN28A-24 используется выдвижная металлическая конструкция с вакуумным выключателем VS1 и блокировкой с пятью блокировками, что соответствует пункту статьи о том, что такие конструкции обеспечивают доступность прерывателей для тестирования. Номинальный ток 630–3150 А, кратковременная выдержка до 31,5 кА. Посмотреть продукт →

Соответствие характеристик дуги вашему решению о покупке

Стандарты определяют выбор. Выключатели низкого напряжения тестируются в соответствии с IEC 60947-2 или UL 489, а выключатели среднего напряжения и распределительные устройства в металлическом корпусе соответствуют IEC 62271-100 и IEC 62271-200. Решающим показателем является отключающая способность: Icu — это максимальный ток повреждения, который может отключить выключатель, а Ics — это доля этого тока, которую он может прерывать повторно и оставаться в рабочем состоянии. В разумных спецификациях номинальная отключающая способность превышает предполагаемый ток повреждения в точке установки с запасом на будущий рост сети.

Риск закупок концентрируется в трех местах. Устройство, рассчитанное на переменный ток, подключенное к цепи постоянного тока, не погасит дугу. Номинал прерывания ниже доступного тока повреждения не позволяет оборудованию безопасно устранить короткое замыкание. А оборудование на основе SF6, хотя оно и технически мощное, сталкивается с ужесточением правил в отношении фторсодержащих газов на многих рынках, что заставляет покупателей взвешивать конструкции, не содержащие SF6, на соответствие требованиям и целям устойчивого развития.

Для компактных кольцевых магистральных схем по-прежнему широко используются кольцевые магистральные блоки с элегазом, но газовые смеси с меньшим воздействием на окружающую среду набирают популярность там, где правила ограничивают использование SF6.

Кольцевой основной блок с элегазовой изоляцией Полностью герметичный кольцевой главный блок из нержавеющей стали с изолированными, экранированными выдвижными шинами и модульными 2–6-контактными конфигурациями, подходящий для городских сетей с кабельным питанием. Он иллюстрирует широко распространенный вариант кольцевой магистрали с элегазом, который в статье контрастирует с газовыми смесями с меньшим воздействием. Посмотреть продукт →

Конструкции с твердой изоляцией идут еще дальше: вакуумный прерыватель гасит дугу, а литая эпоксидная смола полностью заменяет газ в качестве диэлектрика, исключая обращение с элегазом, контроль утечек и рекуперацию отработанного газа из уравнения технического обслуживания. Для проектов со строгими экологическими целями это сооружение заслуживает места в шорт-листе.

Интеллектуальный кольцевой основной блок с твердой изоляцией GTXGN-12 заменяет газовую изоляцию твердой композитной изоляцией, используя независимые пофазные модули и дополнительные контроллеры FTU для поэтапной модернизации. Он соответствует обсуждению в статье альтернатив без элегазовых соединений, обеспечивающих номинальное напряжение до 12/24 кВ и отключающую способность 25 кА. Посмотреть продукт →

Чтобы более подробно рассмотреть стоимость жизненного цикла, производительность и компромисс между приложениями, см. руководство по выбору вакуумного выключателя охватывает детали, которые стоит сравнить перед покупкой.

Методы технического обслуживания, позволяющие сдерживать искрение

1. Измеряйте контактное сопротивление на каждом полюсе при вводе в эксплуатацию и через определенные промежутки времени; значения находятся в диапазоне микроом, а тенденция к росту указывает на эрозию контактов или ослабление соединений.
2. Зарегистрируйте счетчик операций в соответствии с графиком производителя, поскольку каждый выключатель имеет механические пределы и пределы работы при коротком замыкании.
3. Проверьте момент затяжки клемм на каждом наконечнике после первых месяцев эксплуатации, поскольку термоциклирование ослабляет соединения.
4. Осмотрите дугогасительные камеры на воздушных прерывателях на наличие трещин или сильно наплавленных пластин и замените их, а не очищайте бесконечно.
5. Сканируйте соединения под напряжением с помощью тепловизионной камеры под нагрузкой, чтобы обнаружить горячие точки до возникновения дуги.

Сравнение прерывающих устройств, номиналов и ремонтопригодности проще в рамках одного каталога; рассмотрение полного высоковольтное распределительное устройство линейка бок о бок делает эти компромиссы конкретными.

Выключатель, который образует дугу только во время запланированного прерывания, внутри компонентов, рассчитанных на это, делает именно то, для чего он был создан. Признаки возникновения электрической дуги где-либо еще являются ранним предупреждением, на которое стоит обратить внимание. Если относиться к этому таким образом и намеренно указывать прерывающие рейтинги, доступ к носителям и техническому обслуживанию при покупке, то дуга остается на своем месте.