ŁUK ELEKTRYCZNY

5/12/2018 ŁUK ELEKTRYCZNY - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/luk-elektryczny 1/12

3. ŁUK ELEKTRYCZNY

PRĄ DU STAŁEGO I PRZEMIENNEGO

3.1. Cel i zakres ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi właściwościami łuku

elektrycznego palą cego się swobodnie, w powietrzu o ciśnieniu atmosferycznym.

Ćwiczenie obejmuje:

• badanie łuku w obwodzie prą du stałego i pomiar charakterystyki statycznej

łuku,

• badanie łuku w obwodzie prą du przemiennego, obserwacja przebiegów

napięcia i prą du oraz charakterystyki dynamicznej łuku w obwodzie

o rezystancyjnym i indukcyjnym charakterze obciąenia.Znajomość zjawisk zaobserwowanych podczas realizacji ćwiczenia jest pomocna

w zrozumieniu procesu gaszenia łuku w łą cznikach prą du stałego i przemiennego.

3.2. Wiadomości podstawowe

3.2.1. Informacje wstępne

Łuk elektryczny jest jedną z form wyładowania elektrycznego w środowisku

zjonizowanej plazmy. Jonizacja ta moe zachodzić w trzech typowych środowiskach:

• w gazie, np. w powietrzu, sześciofluorku siarki,

• w produktach rozkładu cieczy, np. oleju mineralnego, wody,• w parach metalu emitowanego z powierzchni elektrod, które przykładowo

stanowią nośniki prą du w łuku próniowym.

W większości aparatów łą czeniowych niskiego napięcia łuk pali się w powietrzu,

zwykle w powietrzu o ciśnieniu atmosferycznym. Łuk taki, nazywany łukiem

powietrznym, jest przedmiotem badań w opisanym ćwiczeniu laboratoryjnym.

Łuk elektryczny jest złoonym zjawiskiem fizycznym, na które składają się zasadniczo trzy rodzaje procesów:

• termodynamiczne,

• elektryczne,

• jonizacyjne.

Wszystkie te zjawiska są ze sobą ściśle powią zane. Badane w ćwiczeniu własnościelektryczne to jedynie stosunkowo wą ski fragment wiedzy o łuku elektrycznym.



Pozwalają one jednak w znacznej mierze wyjaśnić zasady gaszenia łuku w łą cznikach

elektrycznych.

3.2.2. Warunki palenia się i gaszenia łuku elektrycznego prą du stałego

Analizę przebiegów prą du i napięcia łuku elektrycznego prą du stałego prowadzi się w elementarnym obwodzie, którego schemat przedstawiono na rys. 3.1a. Zgodnie

z drugim prawem Kirchhoffa mona zapisać następują cą zaleność:

audt

di LiR E ++= , (3.1)

(oznaczenia wyjaśniono w podpisie pod rysunkiem 3.1). Parametry elektryczne łuku

to jego prą d i napięcie, których zmiany analizuje się w oparciu o tzw. charakterystyk ę łuku, czyli zaleności ua = f(i). W przypadku łuku prą du stałego, czyli przy

niewielkich zmianach prą du w czasie (di/dt ≈ 0) charakterystyka ta nosi nazwę

statycznej charakterystyki łuku. Iloraz napięcia i prą du daje informację o zmianach

rezystancji łuku, natomiast ich iloczyn – informację o mocy łuku. Przebieg

charakterystyki statycznej łuku przedstawiono na rys. 3.1b. Rysunek ten jest równie graficzną ilustracją równania (3.1).

R L

+

E

i

iR L di/dt

ua

a)

Ł A

zakres L di/dt > 0

zakres L di/dt < 0

B

E - iR

L di/dt

ua

ua=f(i) E - i R

i ik

E

ug

u

b)

Rys. 3.1. Łuk elektryczny w obwodzie prą du stałego; a) schemat obwodu, b) charakterystyka statycznałuku ua = f(i), wraz z graficzną interpretacją rozwią zania równania (3.1); E – napięcie źródła, R, L –

rezystancja i indukcyjność obwodu, Ł – układ styków (elektrod) na których pali się łuk, ua – napięcie

łuku, i – prą d łuku, ug – napięcie przy którym gaśnie łuk o charakterystyce ua = f(i), A, B – punktyrównowagi, odpowiednio: chwiejnej i stabilnej, ik – prą d zwarcia w rozpatrywanym obwodzie.

Charakterystyka łuku ua = f(i) posiada dwa punkty przecięcia się z charakterystyk ą obwodu (prosta E – iR), przy czym punkt A nazywany jest punktem równowagi

chwiejnej, natomiast punkt B – punktem równowagi stabilnej. Punkty te dzielą obszarwykresu na dodatni zakres napięcia występują cego na indukcyjności obwodu L di/dt

oraz zakres ujemny, jak to ilustruje rys. 3.1. Ujemny bą dź dodatni zakres L di/dt



oznacza odpowiednio ujemny bą dź dodatni znak pochodnej prą du di/dt . Warunkiem

zgaszenia łuku prą du stałego jest przesunięcie punktu pracy w ujemny zakrespochodnej prą du (di/dt < 0), dzięki czemu prą d będzie się systematycznie zmniejszał,

a osią gnie wartość zbyt małą do podtrzymania wyładowania i łuk gaśnie.

Przesunięcie punktu pracy w ujemny zakres pochodnej prą du di/dt oznacza takie

wzajemne ułoenie charakterystyk: łuku (ua = f(i)) i obwodu ( E – iR), aby nie miały

one punktów wspólnych. Istnieją dwa podstawowe sposoby realizacji tego zadania:

a) wydłuenie łuku, a tym samym przesunięcie jego charakterystyki w zakres

wyszych wartości napięcia (krzywe 1 i 2 , rys. 3.2),

b) zwiększenie rezystancji obwodu i „obnienie” charakterystyki E – iR, (prosta

3, rys. 3.2).

E

ug1

ug2

ug3

u

i iK1

iK2

E - i R 1E - i R

2 , ( R 2 > R

1 )

ua=f ( i), l1

ua=f ( i), l2 >l1

ua=f ( i), l3>l2

A

B

(1)

(2)

( 3 )

Rys. 3.2. Ilustracja wzajemnego przesunięcia statycznej charakterystyki łuku ua = f(i) względem

charakterystyki obwodu E – iR w celu uzyskania ujemnej wartości pochodnej prą du di/dt ; l1 , l2 , l3 –

długości łuku, pozostałe oznaczenia jak na rys 3.1; charakterystyka ua = f(i) dla najmniejszej długości

łuku l1 jest charakterystyk ą wyjściową .

Znacznie łatwiejszym do praktycznej realizacji jest pierwszy z wymienionych

sposobów. Zwiększenie długości łuku l w łą cznikach realizuje się na kilka rónych

sposobów, z których najczęściej spotykane to:

a) rozwarcie styków na odpowiednią odległość,b) odpowiednie ukształtowanie styków (np. rokowy kształt styków),

c) wydmuch łuku.



Naley jednak zwrócić uwagę na to, e wraz ze wzrostem długości łuku l rośnie

wartość napięcia ug (rys. 3.2), przy którym łuk gaśnie, a tym samym rośnie przepięciełą czeniowe zwią zane z procesem wyłą czania prą du. Przepięcie to charakteryzowane

jest współczynnikiem przepięcia k p zgodnie z zalenością (3.2):

E

uk

g p = . (3.2)

Istnieje szereg rónych sposobów ograniczania przepięć łą czeniowych w łą cznikach

prą du stałego. Niektóre z nich opisano w literaturze [3.1].

3.2.3. Łuk elektryczny w obwodach prą du przemiennego

W gaszeniu łuku prą du przemiennego wykorzystuje się naturalne przejście prą du

przez wartość zerową . Zapłon łuku w danym półokresie po przejściu prą du przez zero

następuje wówczas, gdy napięcie pomiędzy elektrodami osią ga wartość napięcia

zapłonu u z (rys. 3.3) i gaśnie, gdy napięcie łuku ua zmniejsza się poniej napięcia

gaszenia ug podczas zbliania się prą du do kolejnego przejścia przez zero. Odcinek

czasu t b (rys. 3.3) upływają cy od chwili zgaszenia łuku t g do chwili jego ponownego

zapłonu t z nosi nazwę przerwy bezprą dowej.

ua

uz

ug

tg tz

tb

i

0

40V

ua

0

4A

i

5 ms

Rys. 3.3. Oscylogramy napięcia ua i prą du i łuku prą du przemiennego w obwodzie o charakterzerezystancyjnym; u z , ug– napięcia odpowiednio: zapłonu i gaszenia łuku w danym półokresie prą du, t b – czas trwania przerwy bezprą dowej, t g , t z – począ tek i koniec przerwy bezprą dowej.



Charakterystyka łuku ua = f(i) w obwodzie prą du przemiennego nosi nazwę charakterystyki dynamicznej. Jest ona wykreślona dla dodatniej i ujemnej części

okresu napięcia i prą du, czyli mieści się w I i III ćwiartce na płaszczyźnie u-i (rys.

3.4). Cechą charakterystyki dynamicznej jest to, e jej część w fazie narostu prą du

(di/dt >0) odpowiada wyszym bezwzględnym wartościom napięcia ni część w fazie

zmniejszania się prą du do zera (di/dt <0). Wynika stą d, e zarówno rezystancja łuku

jak i jego energia jest wysza w fazie narostu prą du ni w fazie jego zmniejszania się.

Zjawisko to jest zwią zane z procesami energetycznymi i jonizacyjnymi zachodzą cymi

w plazmie łuku prą du przemiennego [3.1, 3.2].

W zaleności od tego, czy obwód ma charakter rezystancyjny (rys. 3.3, 3.4) czy

indukcyjny (rys. 3.5) róny jest czas trwania przerw bezprą dowych t b. W obwodzie

o charakterze rezystancyjnym napięcie źródła zasilania jest w fazie z napięciem łuku

i w chwili wystą pienia przerwy bezprą dowej wartość napięcia źródła jest w pobliuzera. Stromość narostu napięcia powrotnego jest więc stosunkowo niedua i zgodna

z sinusoidalnym przebiegiem napięcia zasilania. W obwodzie o charakterze

indukcyjnym w chwili przejścia prą du przez zero wartość siły elektromotorycznej

źródła jest bliska jej amplitudy. Napięcie powrotne na stykach cechuje więc znacznie

większa stromość narostu, gdy po dojściu prą du do zera (chwila t g, rys. 3.5) zmierza

ono natychmiast do wartości bliskiej amplitudzie napięcia zasilają cego. Na

przykładowym oscylogramie przebiegu prą du w obwodzie indukcyjnym z rys. 3.5

przerwa bezprą dowa jest tak krótka, e jest praktycznie niewidoczna.

Gaszenie łuku w łą cznikach prą du przemiennego polega na niedopuszczeniu do

ponownego zapłonu łuku po kolejnym przejściu prą du przez zero (rys.3.6). Łuk

gaśnie, jeśli krzywa wzrostu napięcia powrotnego u p, (rys 3.6) pojawiają cego się na

rozchodzą cych się stykach, nie przetnie się z krzywą wzrostu wytrzymałościpołukowej uw (rys. 3.6b). Jeśli natomiast dojdzie do przecięcia się tych krzywych, łuk

zapala się ponownie i następuje kontynuacja wyładowania w cią gu następnego

półokresu (rys. 3.6a). Na przebieg wytrzymałości połukowej uw = f(t) ma wpływ czas

trwania przerwy bezprą dowej t g. Proces gaszenia łuku jest więc łatwiejszy

w obwodach o charakterze rezystancyjnym (rys. 3.3, 3.4), gdzie przerwa ta jest

dłusza ni w obwodach o charakterze indukcyjnym (rys. 3.5).



0

40V

ua

0

4A

i

2 ms

i

uz1

ua

ug2

ug1

uz2

tb1

tb2

imax1

imax2

a)

0

40V

ua

0 4Ai

uz1

ug2

ug1

uz2

imax1

imax2

d i / d t > 0

d i / d t < 0

d i / d t > 0

d i / d t < 0

b)

Rys. 3.4. Przykładowy oscylogram jednego okresu prą du i napięcia łuku w obwodzie prą du

przemiennego o charakterze rezystancyjnym (a) i odpowiadają ca mu charakterystyka dynamiczna (b);

imax1 , imax2 - amplituda prą du łuku, pozostałe oznaczenia jak na rys. 3.3.



0

40V

ua

0

4A

i

uz1

ug2

ug1

uz2

imax1

imax2

2 ms

tb1

tb2

imax1

uz2

ug1

uz1

ug2

imax2

0

40V

ua

0 4Ai

d i / d t > 0

d i / d t < 0

d i / d t > 0

d i / d t < 0

a)

b)

Rys. 3.5. Przykładowy oscylogram jednego okresu prą du i napięcia łuku w obwodzie prą du

przemiennego o charakterze indukcyjnym (a) i odpowiadają ca mu charakterystyka dynamiczna (b);oznaczenia jak na rys. 3.3 i 3.4.



e, i

t

tb

e

uw

i

i

uz

ug

ua

uau

p

e, i

t

euw

iu

g

ua

up

b)a)

Rys. 3.6. Przebiegi prą du i napięcia podczas gaszenia łuku prą du przemiennego:

a) przy ponownym zapłonie łuku, b) przy skutecznym wyłą czeniu obwodu; e – przebieg siły

elektromotorycznej źródła, uw – przebieg wzrostu wytrzymałości przerwy połukowej, u p – przebiegnapięcia powrotnego na stykach; pozostałe oznaczenia jak na rys. 3.3.

3.3. Niezbędne przygotowanie studenta

Studentów obowią zuje znajomość materiału z zakresu łuku elektrycznego zawarta

w [3.1], rozdziały 5.3 i 5.4.

3.4. Opis stanowiska laboratoryjnego

Stanowisko laboratoryjne składa się z dwóch części, pozwalają cych na badanie

odpowiednio łuku prą du stałego i łuku prą du przemiennego.

3.4.1. Stanowisko do badania łuku prą du stałego

Łuk prą du stałego jest badany w układzie, którego schemat przedstawiono na rys.

3.7. Komora łukowa wyposaona jest w układ dwóch płaskich styków miedzianychporuszanych napędem elektromagnetycznym, które w stanie wyjściowym są zwarte.Zainstalowana w dolnej części komory śruba mikrometryczna umoliwia nastawianie



odległości na którą rozwierane są styki. Zakres nastaw tej odległości to 0,5 – 5 mm.

Zadaniem układu sterują cego ST jest załą czenie prą du (chwila t 1, rys. 3.8), którywyprostowany w układzie prostują cym płynie w obwodzie B-KŁ-L-R. Bezpośredniopo załą czeniu prą du układ ST rozwiera styki komory łukowej (chwila t 2, rys. 3.8),

inicjują c zapłon łuku. Styki rozwierają się na nastawioną wcześniej odległość.

Osc

L

N

ATr Tr L1

L2

W

V V

A

KŁ

ST

R L

Sterowanie napędem styków KŁ

B

DN

Rys. 3.7. Schemat układu pomiarowego do badania łuku prą du stałego; ATr – autotransformator,

Tr – transformator separacyjny, W – łą cznik, ST – sterownik, B – bocznik prą dowy, DN – dzielnik

napięciowy, KŁ – komora łukowa, Osc – oscyloskop, R, L – rezystor i dławik.

0

20V

ua

0

1A

i

50 ms

ua

ua śr

i

iśr

t1 t

2

Rys. 3.8. Przykładowy oscylogram przebiegów napięcia ua i prą du łuku i w obwodzie prą du stałego (rys.3.7); ua , ua śr – przebieg napięcia łuku i jego uśredniona wartość, i, i śr – przebieg prą du łuku i jego

uśredniona wartość, t 1 – chwila załą czenia prą du przez sterownik ST (rys. 3.7), t 2 – chwila rozwarcia

styków i zapłon łuku.



Czas palenia się łuku jest nastawiany na sterowniku ST w zakresie od 1 do 10

sekund. Po wyłą czeniu prą du łuku przez sterownik ST styki nadal pozostają rozwartew celu ostygnięcia. Czas rozwarcia styków jest nastawiany równie na sterowniku ST

w zakresie od 10 do 120 sekund. Czas palenia się łuku, nastawiony zwykle na ok. 1 s

jest wystarczają cy do zarejestrowania przebiegu prą du i napięcia łuku na oscyloskopie

(rys. 3.8). Znają c rezystancję bocznika prą dowego B = 0,1 Ω i przekładnię dzielnika

napięciowego ϑ = 1:100, mona określić uśrednione wartości prą du (i śr ) i napięcia

(ua śr ), jak to zilustrowano na rys. 3.8. „Tętnią cy” przebieg prą du jest wynikiem

zasilania układu poprzez prostownik. Tak odczytane napięcie i prą d to jeden punkt na

charakterystyce statycznej dla danej odległości styków. Zmieniają c prą d obwodu

poprzez zmianę nastaw rezystora R mona odczytać inne punkty charakterystyki

powtarzają c opisany cykl pomiarowy.

3.4.2. Stanowisko do badania łuku prą du przemiennego

Łuk prą du przemiennego jest badany w układzie, którego schemat przedstawiono na

rys. 3.9. Po załą czeniu obwodu łą cznikiem W i nastawieniu odpowiedniej wartości

napięcia zasilają cego przy pomocy autotransformatora Atr, kręcą c pokrętłem komory

łukowej KŁ naley zewrzeć jej elektrody węglowe. Z chwilą gdy amperomierz A

wskae wartość płyną cego prą du naley powoli rozsunąć elektrody węglowe, inicjują czapłon łuku. Na oscyloskopie Osc mona prowadzić obserwację przebiegów prą du

i napięcia łuku oraz jego charakterystyk dynamicznych jak to zilustrowano na rys. 3.3,

3.4 i 3.5. Rezystancyjny bą dź indukcyjny charakter obciąenia ustala się nastawiają codpowiednie wartości rezystancji R i indukcyjności L.

L

N

ATr Tr L1

L2

W

V

A

R L

KŁDN

Osc

B

Rys. 3.9. Schemat układu do badania łuku prą du przemiennego; KŁ – komora łukowa wyposaonaw elektrody węglowe; pozostałe oznaczenia jak na rys. 3.7.



3.5. Program ćwiczenia

3.5.1. Badanie łuku prą du stałego

Badanie łuku prą du stałego prowadzi się w układzie z rys. 3.7. W trakcie ćwiczenianaley zmierzyć i porównać charakterystyki statyczne łuku dla rónych jego długości,

zmienianych poprzez odpowiednie nastawienie końcowej odległości styków komory

łukowej KŁ. Dla podanych przez prowadzą cego trzech rónych odległości

międzystykowych w zakresie od 0,5 do 5 mm, naley dokonać pomiarucharakterystyk, powtarzają c kilkakrotnie cykle pomiarowe opisane w punkcie 3.4.1.Po załą czeniu łą cznika W (rys. 3.7) naley nastawić napięcie zasilają ce układ, około

150 V. Wartość prą du łuku, a tym samym jego napięcie, dla danej odległościmiędzystykowej zmienia się nastawiają c odpowiednie wartości rezystancji na

rezystorze R. Prą d łuku naley nastawiać wstępnie na sterowniku ST (rys. 3.7)w zakresie od 1 do 10 A. Po załą czeniu danego cyklu pomiarowego przy pomocy

sterownika ST , na oscyloskopie zostaną zarejestrowane przebiegi napięcia i prą dułuku (rys. 3.8). Przebiegi te pozwalają na odczytanie uśrednionych wartości prą du i śr

oraz napięcia ua śr (rys. 3.8), które są współrzędnymi jednego punktu charakterystykistatycznej. Pomiary naley powtórzyć dla kilku wartości prą du przy danej odległości

międzystykowej tak, aby uzyskać ok. 6-7 punktów charakterystyki statycznej ua = f(i),

co pozwala na jej wykreślenie. Podobne pomiary naley wykonać dla pozostałychzadanych przez prowadzą cego odległości międzystykowych.

3.5.2. Badanie łuku prą du przemiennego

Badanie to polega na obserwacji przebiegów prą du i napięcia oraz charakterystykidynamicznej łuku w układzie przedstawionym na rys. 3.9, dla dwóch rónych

charakterów obciąenia: rezystancyjnego oraz indukcyjnego. Po załą czeniu łą cznikaW naley nastawić napięcie zasilają ce przy pomocy autotransformatora ATr na około

200 V. Następnie dla określonego charakteru obciąenia (rezystancyjne bą dź indukcyjne) naley dokonać zapłonu łuku jak to opisano w punkcie 3.4.2

i zarejestrować na oscyloskopie przebiegi: ua = f(t) oraz i = f(t), zblione do

przedstawionych na rysunkach 3.3, 3.4 i 3.5. Podobnie naley dokonać obserwacjicharakterystyki dynamicznej łuku ua = f(i).

3.6. Opracowanie wyników badań

Wyniki pomiarów charakterystyk statycznych łuku naley zestawić w tabeli dlawszystkich trzech odległości międzystykowych. Na tej podstawie naley wykreślić



charakterystyki ua = f(i) na wspólnej płaszczyźnie i porównać ich wzajemne

połoenie. Naley krótko opisać zaobserwowane prawidłowości.Na podstawie zarejestrowanych oscylogramów przebiegów ua = f(t), i = f(t) oraz

ua = f(i) dla łuku prą du przemiennego naley dokonać analizy i krótkiego opisu

zaobserwowanych zjawisk, ze szczególnym uwzględnieniem czasów trwania przerwbezprą dowych t b (rys. 3.3, 3.4 i 3.5) oraz wzajemnego połoenia ramion

charakterystyki dynamicznej w zaleności od wartości pochodnej di/dt. Zalenie odwskazań prowadzą cego, oscylogramy naley naszkicować w oparciu o obraz

zapamiętany na ekranie oscyloskopu lub wydrukować.Sprawozdanie powinno zawierać wnioski końcowe stanowią ce podsumowanie

przeprowadzonych badań.

3.7. Literatura

[3.1] Markiewicz H.: Urzą dzenia elektroenergetyczne, WNT, Warszawa 2001.[3.2] Ciok Z. Procesy łą czeniowe w układach elektroenergetycznych, WNT,

Warszawa 1976.

ŁUK ELEKTRYCZNY

Documents

Transcript of ŁUK ELEKTRYCZNY