Почему при размыкании цепи питания трансформатора может возникнуть искра

Искрение контактов: причины возникновения и способы устранения

Практически все электромеханические коммутирующие устройства со временем начинают сильно искрить. Как вы уже догадались – это искрят контакты, замыкающие и размыкающие различные цепи. Строго говоря, искрение обычных контактов происходит всегда, но оно незначительно. Проблемы начинаются с того момента, когда искрообразование нарушает нормальный режим работы электроприбора, а в области рабочего пространства коммутационного узла ощущается запах озона и гари.

Основные причины искрения

Чтобы ответить на вопрос, почему и при каких обстоятельствах возникает электрическая искра, выясним, какие процессы лежат в основе искрообразования. Собственно говоря, их немного – всего два:

Существует ещё несколько факторов усиливающих процесс искрения. Это износ, превышение значений токов коммутации, ослабление пружин или уменьшение упругости пластин и некоторые другие.

Для лучшего понимания причин искрения рассмотрим более детально физику процесса. Начнём с понятия искры.

Из школьного курса физики известно, что между проводниками, на которых образовались электрические заряды, происходит ионизация воздушного пространства. По нему в определённый момент протекает ток. Если поддерживать разницу потенциалов на определённом уровне, то образуется электрическая дуга, с огромным тепловым излучением. Примером может служить работа сварочного аппарата.

Известно, что заданным током электрическую дугу можно зажечь лишь на определённом расстоянии между электродами. Чем больше разница потенциалов, тем больший промежуток, на котором происходит образование дугового электротока.

Искра – это частный случай кратковременной электрической дуги. Для этого явления справедливы утверждения приведённые выше. Отсюда вывод – для недопущения процесса искрообразования необходимо устранить причины, вызывающие зажигание электрической дуги. В частности, при разомкнутом или замкнутом положении контактов искрение прекращается по причине исчезновения условий для существования тока в ионизированном пространстве.

А теперь остановимся вкратце на процессах, вызывающих искрение в коммутационных устройствах.

Дребезг контактов

Когда катушка реле замыкает электрическую цепь или разрывает контакт, он под действием упругих сил несколько раз отскакивает. В определённые моменты расстояние между контактами оказывается настолько маленькое, что создаются условия для электрического пробоя. Поскольку процесс дребезга длится лишь доли секунды, то образуется именно искра, которая исчезает в положении замкнутого контакта. Искрение прекращается также в том случае, когда цепи полностью разомкнуты.

Влияние индуктивных цепей

При коммутации электродвигателей и различных соленоидов на выводах индуктивной нагрузки происходит образование ЭДС самоиндукции: E = -L*di/dt.

Из формулы видно, что ЭДС пропорциональна скорости изменения силы тока. Поэтому, при мгновенном расхождении контактов её величина резко возрастает. Кроме того, на ЭДС самоиндукции влияет индуктивность коммутируемого устройства. В частности, такой принцип коммутации использовался в старых моделях автомобилей. Контакты прерывателя с огромной скоростью разрывали цепь катушки индуктивности, в результате чего на электродах свечей зажигания напряжение достигало десятки киловольт.

В нашем случае напряжение разрыва, конечно же, значительно меньше, однако его вполне достаточно для образования искры. Заметим, что определённой индуктивностью обладают даже обычные провода. Поэтому искрение возможно при отключении нагрузки, находящейся в конце длинных линейных цепей.

Прочие причины искрения

Выше упоминалось о том, что усилить искрение могут различные факторы, связанные с эксплуатацией коммутационных устройств. В данном разделе мы рассмотрим, что происходит под действием некоторых факторов:

1. При плохом контакте увеличивается продолжительность дребезга, что является причиной усиления искрения.
2. Если ток коммутации сильно отличается от номинального (в большую сторону) то, во-первых, греются контакты, а во-вторых – искра получается более мощной и разрушительной.
3. Когда ослабление упругости пластин коммутационной системы не обеспечивает надёжного замыкания, то это ведёт к подгоранию контактов, образованию налёта и сажи, увеличивающих процесс искрообразования.

Заметим, что в электродвигателях постоянного тока искрят щетки. В оптимальном режиме работы мотора искрение незначительное. Но при перегрузках или в случаях междувитковых замыканий происходит значительное искрообразование, разрушающее коллектор. Похожее явление происходит при плохом прижимании щёток или в результате засорения промежутков между пластинами коллектора.

На рисунке 1 изображен якорь с подгоревшим коллектором.

Рис. 1. Подгоревший коллектор

Искрение наблюдается, когда вставляют в розетку вилки шнуров, во время подключения мощных электроприборов. Явление усиливается, если штырьки штепселя не соответствуют гнезду розетки.

Последствия, к которым приводят плохая коммутация в розетке, показаны на рис.2.

Рис. 2. Последствия плохой коммутации

Последствия

Искрение контактов не проходит бесследно. Возникают побочные следствия, сокращающие срок службы коммутирующих устройств:

• выгорают контакты;
• ослабляются упругие пластины, контактной группы;
• перегреваются реле и розетки;
• при наличии мощного тока отключения искра может стать причиной пожара, вызвать ожоги у обслуживающего персонала.

Пригоревшие контакты могут залипать, вследствие чего нарушается работа электрооборудования. Если такая неприятность случится в защитных коммутирующих устройствах, это может привести к непредсказуемым ситуациям.

Способы устранения

Выяснив причины искрения, вы можете выбрать действенный способ устранения неполадки. Например, если плохо соединяются контакты, это может быть признаком их засорения сажей. Необходимо удалить весь нагар, используя растворители. Обычно протирают контакты ваткой, пропитанной спиртом. В качестве растворителя подойдёт обычная водка или одеколон.

Изначально поверхность контактов делают очень гладкой для лучшего прижатия их друг к другу. Но в процессе эксплуатации искрение разрушает напыление, вследствие чего появляются шероховатости. Для восстановления работоспособности достаточно отшлифовать поверхность нулёвкой. Если покрытие серебряное – лучше использовать деревянную пластинку, а когда контакт сгорел, то он подлежит замене.

Возможна ситуация, когда искрит замкнутый контакт. Причиной может быть сильное его выгорание или потеря упругости пластины, которая разрывает контакт. Можно попытаться временно восстановить работоспособность реле путём шлифования или попытаться восстановить изгиб пластин.

Мы рассмотрели примеры устранения последствий искрения. Но существует ряд эффективных способов борьбы с причиной этого явления. Остановимся на некоторых из них:

1. Применение неокисляющихся металлов – серебра и различных сплавов.
2. Покрытие контактов ртутью (при условии, что они находятся в закрытой камере, например, контакты манометра).
3. Использование схем для шунтирования.
4. Встраивание в конструкции коммутирующих аппаратов искрогасительных RC цепей.

Метод с применением схем для подавления искрения довольно эффективен и не дорогой. При желании каждый, хоть немного разбирающийся в электротехнике человек, может самостоятельно изготовить искрогасящую цепь.

Для гашения искрообразования в индуктивных цепях постоянного тока достаточно установить диод параллельно нагрузке. При этом катод диода необходимо подключить к положительному, а анод соединить с отрицательным полюсом.

На рисунке 3 изображены схемы, объясняющие действие шунтирующего диода. Обратите внимание на то, как индукционный ток рассеивается на диоде, не попадая на коммутационное реле (позиция С).

Рис. 3. Схемы объясняющие действие шунтирующего диода

Для переменного тока устанавливают шунтирующую искрогасительную RC цепь. Накопленная энергия рассеивается на переходном сопротивлении, а не на контактах. Ёмкость шунтирующего конденсатора можно вычислить по формуле: C_ш = I 2 /10, здесь I — рабочий ток нагрузки, а 10 – условная постоянная, позволяющая производить расчёты для простых схем RC цепей.

Сопротивление резистора находим [ 1 ]: Rш = E₀ / (10*I*(1 + 50/E₀)), где E₀ – ЭДС (напряжение) источника питания, I – сила рабочего тока нагрузки, цифра 50 –стандартная частота переменного ток в электросети. Также пользуются для подбора параметров номограммой ниже.

По известным значениям напряжения источника питания U и тока нагрузки I находят две точки на номограмме, после чего между точками проводится прямая линия, показывающая искомое значение сопротивления резистора R. Значение емкости С отсчитывается по шкале рядом со шкалой тока I. Номограмма дает разработчику достаточно точные данные, при практической реализации схемы необходимо будет подобрать ближайшие стандартные значения для резистора и конденсатора RC-цепи.

Сама типовая схема искрогасительной RC цепи изображена на рисунке 5.

Рис. 5. Схема искрогасительной RC цепи

Защита контактов от искрения – лучший способ продлить срок службы коммутирующего устройства. Применив несложную схему можно успешно решить задачу, связанную с искрением.

Источник

Почему искрят контакты реле и как это просто устранить. Снаббер для реле

При коммутации нагрузки контактами реле,на этих контактах может возникнуть дуга,которая приводит к окислению контактов или их пригоранию,что в итоге приведет реле в неисправность.Искрение может возникнуть при коммутации емкостной нагрузки,когда при включении через контакты реле пойдет слишком большой ток заряда конденсатора.Также искрение будет при коммутации индуктивной нагрузки,когда контакты реле будут размыкать индуктивность.В этот момент, на выводах катушки индуктивности появляется высоковольтный импульс ЭДС самоиндукции,который приводит к возникновению дуги.При индуктивной нагрузке дугу можно устранить двумя способами: шунтирующим диодом и RC-цепочкой,которая еще называется для этих применений снаббером или демпфером,а по английски flyback или freewheeling diode.

На фото видно искрение контактов реле при коммутации контактами индуктивной нагрузки(дроссель,электродвигатель и т.д.).Питание на индуктивность поступает постоянное.Если индуктивность работает на постоянном токе,то дугу можно загасить шунтирующим диодом,подключив его катодом к плюсу питания а анодом к минусу.При размыкании контактов,знаки на выводах индуктивности поменяются и выброс пойдет через диод на выводы катушки,тем самым будет погашено высокое напряжение.Диод должен быть на высокое обратное напряжение и желательно быстродействующим,типа FR107.При питании переменным током диод будет разорван.

Для защиты контактов реле от дуги при питании нагрузки переменным током,нужен снаббер или демпфер, состоящий из резистора и конденсатора подключенных последовательно.Эта цепь снизит скорость нарастания напряжения и загасит высоковольтный импульс.Работает цепочка на переменном токе а параметры деталей рассчитывают.При питании индуктивной нагрузки 230 Вольт, резистор обычно ставят на 220 Ом а конденсатор до 0.47мкФ. При питании 13 Вольт,емкость конденсатора поставил на 1 мкФ и резистор на 1 Ом.Дуга при коммутации успешно была погашена.Надо учитывать,что через снаббер будет протекать небольшой ток на нагрузку если подключить параллельно к контактам реле.Подключают снаббер и параллельно нагрузке,тогда ток при разомкнутых контактах идти по нагрузке не будет,но неизвестно,как снаббер может повлиять в этом случае на индуктивную нагрузку.

Источник

Энергия магнитного поля

1. Повторение явления самоиндукции

Изучая явление самоиндукции, пришли к выводу о том, что при изменении силы тока, протекающего через проводник, в этом же проводнике возникает ЭДС индукции, препятствующая изменению основного тока в проводниках. Это приводит к тому, что сила тока в проводнике достигает своего максимального значения не мгновенно, а в течение некоторого времени. Данное явление наблюдается и при размыкании цепи — сила тока падает до нуля не мгновенно, а постепенно. Явление самоиндукции связано с тем, что проводник с током находится в пространстве собственного магнитного потока и при любом изменении тока в проводнике меняется и магнитный поток, что в свою очередь приводит к возникновению ЭДС индукции. ЭДС индукции определяется как отрицательное отношение изменения силы тока к изменению времени и умноженное на индуктивность проводника. А индуктивность определяется геометрическими параметрами проводника.

(1.1.)

Обратим внимание на то, что при размыкании цепи, ток в ней хоть и убывает, но всё равно существует – это доказывает процесс переноса заряда, которому необходима энергия. Но откуда она берётся? Поскольку никаких других изменений, кроме убывания магнитного поля вокруг проводника не происходит, можно сделать предположение, что энергия локализована в магнитном поле.

2. Энергия магнитного поля

Необходимо выяснить, откуда берётся энергия и как её рассчитать?

Рассмотрим опыт. Пусть имеется электрическая цепь, в которой катушка с индуктивностью (L) последовательно соединена с лампочкой и через переключатель может быть замкнута либо на источник постоянного тока (), либо на резистор с сопротивлением (R) (рис.1).

Если в цепь включить амперметр, то можно получить график зависимости тока в цепи от времени. Сначала, замкнём катушку на источник ЭДС – в цепи будет протекать ток І (рис. 2).

Затем, в некоторый момент времени t0 переключим ключ, замыкая катушку на резистор R – в цепи будет протекать убывающий ток. С момента времени t0 до полного исчезновения тока пройдёт определённое время, в течение которого будет происходить перенос заряда в цепи катушки и резистора. Следовательно, будет совершаться работа – убывание тока в катушке вызовет явление самоиндукции и в ней возникнет ЭДС самоиндукции. Разобьём участок 2 движения тока на бесконечно малые интервалы времени ∆t, такие, что на каждом интервале изменения тока можно считать линейными (рис.3).

На каждом таком участке будет совершаться работа численно равная произведению ЭДС индукции на переносимый за этот интервал времени заряд

(1.2.)

(1.3.)

Подставим выражение для ЭДС самоиндукции в работу на интервале времени ∆t.

(1.4.)

Отношение перенесённого заряда ∆q к интервалу времени ∆t является средним значением тока на этом элементарном интервале времени.

(1.5.)

Тогда выражение для работы на элементарном интервале времени примет вид.

(1.6.)

Если просуммировать работу по всем элементарным участкам ∆t от t0 до 0 получим выражение для полной работы за весь интервал времени.

(1.7.)

Такая работа пойдёт на нагревание проводников внутри катушки замкнутой на резистор.

Выразим энергию магнитного поля, через параметры магнитного поля. Для катушки индуктивность равна произведению магнитной постоянной на объём катушки и квадрат числа витков на единице длины.

(1.8.)

(1.9.)

Модуль магнитной индукции катушки определяется соотношением (1.10.).

(1.10.)

Тогда для энергии магнитного поля получим выражение (1.11.). Разделим выражение для энергии магнитного поля катушки на её объём, считая, что всё магнитное поле сосредоточено в объёме катушки (1.12.).

(1.11.)

(1.12.)

3. Плотность энергии магнитного поля

Развивая теорию электромагнетизма, Джеймс Кларк Максвелл показал, что полученное выражение для длинной катушки справедливо для любых магнитных полей, а полученная величина называется плотность энергии.

4. Итоги

При замыкании цепи ток нарастает не мгновенно, а в течение некоторого времени, поскольку источник тока должен совершить работу против ЭДС самоиндукции. Эта работа аккумулируется в магнитном поле, которое окружает проводник с током. В последствие, энергия магнитного поля преобразуется в работу вихревого электрического поля, которое возникает в проводнике после размыкания цепи и, затем, некоторое время поддерживает индукционный ток в этом проводнике. Энергия магнитного поля вычисляется по формуле половина произведения индуктивности проводника на квадрат силы тока, протекающего через проводник.

(1.13.)

Список рекомендованной литературы

1. Касьянов В.А., Физика 11 кл.: Учебн. для общеобразоват. учреждений. – 4-е изд., стереотип. — М.: Дрофа, 2004. – 416с.: ил., 8 л. цв. вкл.

2. Тихомирова С.А., Яровский Б.М., Физика 11. М.: Мнемозина.

3. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., Физика 11. М.: Мнемозина.

Рекомендованные ссылки на ресурсы интернет

Рекомендованное домашнее задание

1. Касьянов В.А., Физика 11 кл.: Учебн. для общеобразоват. учреждений. – 4-е изд., стереотип. — М.: Дрофа, 2004. – 416с.: ил., 8 л. цв. вкл., ст. 101, в. 5, з. 4, 5.

2. Почему при размыкании цепи питания трансформатора или электродвигателя может возникнуть сильная искра?

3. Какова индуктивность контура, если при равномерном изменении силы тока на 5 А за 50 мс в этом контуре создаётся ЭДС 10 В?

4. * Катушку с индуктивностью 50 мГн, по которой шёл ток 2 А, с помощью переключателя замкнули накоротко. Какое количество теплоты выделилось в катушке к тому моменту, когда сила тока уменьшилась до 1 А?

Источник