Главная » Книги и журналы

1 ... 5 6 7 8 9 10 11 ... 30

Таким образом, независимо от способа гашения дуги постоянного тока в ней выделится знергия, запасенная в магнитном поле отключаемой цеш, плюс еще какая-то доля энергии, которая поступит от генератора за время горения дуги (в устойчиво горящей дуге вся вьщеляющаяся в ней Знергия поступает от генератора).

Изменение тока в дуге при отключении может быть охарактеризовано следующим эмпирическим выражением:

i = /о [1 - {tm (5-9)

где fr - время гашения; t - текущая координата; п - некоторая постоянная для данных условий величина.

щ

Рис. 5-5, Кривые: а - за-

висимости

I

зависимости fe = / (и)

к Г
				л

0,2 0, 0,6 0,8 1.0

О 1

Графически уравнение (5-9) представлено семейством кривых на рис. 5-5, а. Для дугогасительных устройств с узкими щелями и для закрытых дугогасительных устройств, а также при значительных индуктивностях и > 1 (порядка 2 - 4). Для открытых дугогасительных устройств и при активной нагрузке и 4 1.

Подставив (5-9) в выражение для Щ-, получим

(5-10)

где к = п/(2п^ -Ь Зп -Ь и); Т= L/R - постоянная времейи отключаемой цепи.

Кривая, характеризующая зависимость к= f(и), приведена на рис. 3-5,б. Энергия, поступающая в дугу от генератора, пропорциональна времени горешя и зависит от коэффициента к, характеризующего в некоторой степени дуго-гасительное устройство. Максимальное количество энергии вьщелится в дуге при изменении тока по закону, близкому к линейному. При этом fc =i =0,167, а ток в цепи за время отключения меняется по линейному закону:

i = /o(l-t/0.

Таким образом, знергия, вьщеляющаяся в Дуге при отключении постоянного тока,

п

(5-11)

в дуге отключения переменного тока, если гашение происходит в момент перехода тока через нуль, выделится только энергия

Щ = (-~г1 и„т, (5-12)

где / - частота; - ток; С/д - падение напряжения на дуге; т - число полупериодов горения дуги.

Энергия, запасенная в магнитном поле отключаемой цепи, L/o/2 возвращается в генератор. Минимальное количество энергии выделится, если дуга погаснет при первом прохождении тока через нуль (т = 1). Если дуга начнет гаснуть раньше естественного перехода через нуль, то часть энергии Ыо/2 не успеет вернуться в генератор и вьщелится в дуге.

5-5. ОСОБЕННОСТИ ГОРЕНИЯ И ГАШЕНИЯ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Если для гашения дуги постоянного тока необходимо создать такие условия, при которых ток упал бы до нуля, то при переменном токе ток в дуге независимо от степени ионизации дугового промежутка переходит через нуль

Рис. 5-6. Характеристики дуги переменного тока

каждый полупериод, т.е. каждый полупериод дуга гаснет и зажигается вновь. Задача гашения дуги несколько облегчается. Здесь необходимо создать условия, при которых ток не восстановился бы после прохождения через нуль.

На рис. 5-6, а приведены кривые изменения тока и напряжения на дуговом промежутке при переменном токе. В момент появления тока имеет место резкое нарастание напряжения С/, (напряжение зажигания). С ростом тока падение напряжения на Дуге падает и достигает минимума при максимальном токе (при амплитудном значении). Затем напряжение на дуге снова возрастает и достигает значения напряжения погасания С/г при исчезновении тока.

Вольт-амперная характеристика дуги переменного тока за период приведена на;,рис. 5-6,6. Напряжение зажигания дуги зависит от амплитуды тока, и при больших токах оно меньше.

При переменном токе температура дуги является величиной переменной. Однако тепловая инерция газа оказывается довольно значительной, и в момент перехода тока через нуль температура дуги не падает до нуля и остается достаточно высокой. Все же имеющее место снижение температуры дуги при пе)еходе тока через нуль способствует деионизации промежутка и облегчает гашение.

в действительности при переходе через нуль ток в дуге меняется по закону, отличному от синусоидального [i ф 1 sin (cat - ф)]. Немного раньше момента времени естественного перехода через нуль ток в дуге падает почти до нуля, а затем после перехода через нуль скачком снова достигает соответствующего зна'4ения. Схематично процесс перехода тока через нуль показан на рис. 5-7 (сплошной линией).

Таким образом, при переходе тока через нуль имеет место бестоковая пауза f / = о во время которой происходит интенсивная деионизация дугового промежутка. При малоиндуктивной нагрузке зта пауза больше, при большй! индуктивности эта пауза меньше или очень мала (порядка 0,1 мкс).

i-UinCwt-cf)

Рис. 5-7. Переход тока через нуль

Рис. 5-8. Условия гашения дуги переменного тока

Интенсивная деионизация дугового промежутка при переходе тока через нуль приводит к уменьшению его проводимости. Чем больше промежуток будет деионизирован, тем большее напряжение потребуется для его пробоя и повторного зажигания дуги. Условие гашения дуги переменного тока может быть сформулировано следующим^ образом: если нарастание сопротивления промежутка, выраженное его пробивным напряжением Unp (кривая 1 на рис. 5-8) будет опережать нарастание напряжения U на промежутке (кривая 2), то дуга погаснет при переходе тока через нуль. Если же нарастание сопротивления промежутка пойдет медленнее (кривая 3), то в момент времени, соответств;Ую-щий точке О, произойдет повторное зажигание дуги, в цепи появятся ток и соответствующее ему падение напряжения на дуге (кривая 4).

Весьма важное значение для гашения дуги перемешюго тока при напряжениях до 1000 В имеют явления, происходящие у катода при переходе тетса через нуль. Существовало представление, что в момент перехода тока через нуль в прикатодной области практически мгновенно (за время f < 1 мкс) изоляционная прочность промежутка восстанавливается до значения пробивного напряжения Unpo = 150250 В (начальный участок кривой 1 на рис. 5-8). Большую цифру относили к меньшим токам и холодному катоду, меньшую - к большим токам'и горячему катоду.

На принципе использования указанного явления у катода выполнена большая часть дугогасительных устройств низковольтных выключающих аппаратов. Практика, однако, не всегда подтверждала значение мгновенно восстанавливающейся прочности дугового промежутка 150-250 В, особенно при больших токах и частых отключениях. Исследования и анализ, выполненные

в последние годы [16], показывают, что такое значение прочности имеет место при холодных или очень быстро охлаждаемых электродах (© < 800 К) у основания дуги за переходом тока через нуль. Если же дуга быстро пробегает по электродам и останавливается на их краях в течение относительно большого времени (сотые доли секунды), то электроды у основания дуги сильно разогреваются и за переходом тока через нулевое значение эмигрируют электроны в межконтактный промежуток. Последнее существенно снижает значение восстанавливающейся прочности промежутка у катода, и она может составлять всего несколько десятков вольт.

			/г
			г

Рис. 5-9. Процесс при восстановлении напряжения иа джутовом промежутке

Таким образом, в зависимости от теплового режима в межконтактном промежутке отключающих аппаратов могут наблюдаться практически любые №ачения восстанавливающейся прочности, в том числе и околокатодная прочность 150- 250 В. Последнее значение соответствует условиям, когда в мгаккоятактном промежутке создается режим, близкий к стадии нормального тлеющего разряда. Эти условия могут встречаться в рационально сконструированных дугогасительных устройствах.

При погасании дуги напряжение на дуговом промежутке нарастает от фяження погасания дуги до соответствующего мгновенного напряжения < ти или Э.Д.С. С/втм источника тока. Этот процесс носит название проде сса восстановления напряжения на дуговом промежутке, который схематически представлен на рис. 5-9.

На рис. 5-9, а и б ток взят отстающим от ЭДС на 90°, что обычно шеет место при коротких замыканиях в промышленных сетях переменного тока. Процесс восстановления напряжение совершается за короткий промежуток времени - порядка десятков или сотен микросекунд Э. д. с. источника тока, еняющся с частотой 50 Гц, можно считать за это время постоянной. Мгновенная ЭДС источника

max> соответствз^ющая переходному процессу напряжения на дуговом промежутке, носит название восстанавливающегося напряжения промышленной частоты.

Восстановление напряжения на дуговом промежутке может происходить апериодически (рис. 5-9, а; или через колебательный процесс (рис. 5-9,6). В Пф-вом случае напряжение на промежутке С/в шах не может быть выше ЭДС источника тока Е„. Во втором случае напряжение теоретически может быть сколь угодно велико, практически оно не превосходит 2Е„. Частота и амплитуда колебаний переходного процесса определяются индуктивностью, емкостью и сопротивлением источника тока (генератора) и цепи. Частота колебательного процесса лежит в пределах от нескольких тысяч до одного-двух десятков Тысяч герц.

Мы рассматривали случай отключения индуктивной цепи, когда ток сдвинут на 90° по отношению к ЭДС. Возьмем второй крайний случай - отключение активной цепи. Здесь ток совпадает по фазе с ЭДС. Ток и ЭДС переходят чфез нуль одновременно (рис. 5-9, в) - восстанавливающееся напряжение промежутка будет равно нулю. Тем самым отключение активной нагрузки происходит существенно легче, чем индуктивной.

5-6. НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ГАШЕНИЯ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТЫ

Аппараты низкого напряжения изготовляются для переменного тока повышенной частоты 400 - 500 Гц, а также 2,5-10 кГц (закалочные установки). В последнем случае частота колебательного процесса при восстановлении напряжения на дуговом промежутке оказывается того же порядка, что и частота тока. Здесь уже нельзя считать ЭДС источника питания неизменной за время переходного процесса. Близкое совпадение частот источника питания и собственных колебаний существенно меняет характер переходных процессов. Если при промышленной частоте отключение индуктивного контура (ф - 90°) оказывалось тяжелее, чем отключение активного контура (ф -> 0), то при повышенной частоте отключение активного контура осуществляется труднее, нежели индуктивного контура.

При гашении дуги в индуктивном контуре промышленной частоты напряжение на дуговом промежутке может достигнуть 2Е„. При гашении дуги в активном контуре повышенной частоты напряжение не может превзойти величины Е„. Этим при прочих равных условиях облегчается гашение высокочастотной дуги по сравнению с дугой промышленной частоты.

Существуют, однако, и факторы, ухудшающие условия гашения дуги повышенной частоты. При промышленной частоте температура дугового промежутка при переходе тока через нуль успевает упасть на 30-50%, что способствует интенсификации процессов деионизации. При дуге повышенной частоты существенного снижения температуры дугового промежутка при переходе тока через нуль не происходит. Если не учитывать явлений у катода при переходе тока через нуль, то условия гашения дуги повышенной частоты (/ - 10 кГц) приближаются к условиям гашения дуги постоянного тока.

ГЛАВА

Способы гашения электрической дуги

6-1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Для гашения электрической дуги (см. § 5-4) необходимо создать условия, при которых падение напряжения на дуге превосходило бы напряжение сети. Согласно (5-1) гасить дугу можно: а) увеличивая ее длину (растягивая), б) воздействуя на ее ствол и добиваясь повышения продольного градиента напряжения и в) используя околоэлектродные падения напряжения.

Отключающие аппараты имеют обычно два электрода, и для использования околоэлектродных падений напряжения необходимо создать дугогасительные устройства со многими электродами. Такие устройства получили название дугогасительных решеток и будут рассмотрены ниже.

Простейший способ гашения -растяжение дуги - сам по себе малоэффективен. Падение напряжения на J дуге пропорционально длине дуги, и если продольный градиент мал, то для получения сколько-нибудь значи-Рис. 6-1. Продольный градиент напряжения тельного падения напряжения требу-в стволе открытой дуги постоянного тока ется большая длина дуги, что в ап-при разных скоростях движения дуги (данные паратах осуществить практически не-Г. А. Кукекова) возможно. Так, при постоянном токе

свыше 100 А продольный градиент напряжения в открытой дуге составляет 6 - 8 В/см (кривая t) = О на рис. 6-1), а для длинных дуг, где влияние паров металла электродов сказывается меньше, градиент напряжения при тех же токах достигает 12 В/см. При переменном токе среднее значение градиента рквно 15 В/см. Отключение тока свыше 100 А при напряжении 220 В требует растяжения дуги на 25 - 30 см. Следует учестн, что при относительно малых скоростях расхождения контактов дуга до погасания приводит к их сильному износу.

Главным ионизирующим фактором, поддерживающим горение электрической дуги, является термическая ионизация. Отсюда вытекает, что гашение дуги должно в основном осуществляться за счет ее охлаждения. Дугу можно обдувать газом, жидкостью. Такие способы применяются в высоковольтных выключателях, но они требуют относительно сложных и дорогих устройств. Можно дугу двигать через неподвижные газ или жидкость, эффект охлаждения

будет таким же, как при обдуве. Этот способ осуществляется относительно просто при помощи магнитного поля и широко применяется, а в низковольтных аппаратах - почти исключительно. Представление о зависимости продольного градиента напряжения от скорости движения дуги в воздухе дают вольт-амперные характеристики на рис. 6-1. Уже при скорости движения дуги 100 м/с для гашения открытой дуги с током свыше 100 А при напряжении 220 В достаточно растянуть ее на 5 см.

Следует отметить еще одно обстоятельство. В открытой неподвижной и искусственно не охлаждаемой дуге плотность тока мала. Диаметр такой дуги велик. Как только дуга приходит в движение или начинает искусственно охлаждаться, ее диаметр уменьшается, плотность тока и температура в ней возрастают, увеличивается и давление внутри дуги. В итоге усиливается деионизация и возрастает продольный градиент напряжения. Таким образом, возрастание продольного градиента напряжения в движущейся дуге происходит не только за счет лучшего ее охлаждения и диффузии, но и за счет повышения давления в ее стволе.

Если в неподвижной дуге плотность тока составляет 18-20 А/см, то в движущейся дуге плотность тока достигает десятков тысяч ампер на квадратный сантиметр. Например, при токе 40 кА и скорости движения дуги, равной 250 м/с,- максимальное давление в стволе дуги достигает 2,5 МПа.

6-2. ГАШЕНИЕ ОТКРЫТОЙ ДУГИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Для обеспечения перемещения дуги магнитное поле должно быть перпендикулярно оси дуги. Можем рассматривать дугу как проводник с током (рис. 6-2, а), расположенный в магнитном поле. Направление движения этого проводника определится пра-

вилом левой руки . В перпендикулярном относительно оси дуги магнитном поле (рис. 6-2, а), а также в собственном магнитном поле контура тока (рис. 6-2, б) дуга получит поступательное движение. В радиальном магнитном поле (рис. 6-2, в) дуга будет двигаться по окружности или спирали. В однородном магнитном поле сила, действующая на единицу длины дуги, равна

и

Рис 6-2. Движение электрической дуги в магнитном поле

f 1 = Ш,

(6-1)

где / - ток в дуге; Я - суммарная напряженность магнитного поля (внешнего магнитного поля и собственного магнитного поля контура тока).

При своем движении дуга встречает сопротивление воздуха. В первом приближении можем принять его равным аэродинамическому сопротивлению движению твердого цилиндрического стержня. При установившемся равномерном движении сила аэродинамического сопротивления пропорциональна квадрату скорости:

f 2 = kv\ (6-2)

при постоянной скорости движения дуги

Fi=F2, IH = kv; ю = к\/1н.

(6-3)

Опыты показывают, что движущаяся дуга ведет себя не совсем так, как твердый стержень. Благодаря своей подвижности, наличию магнитного поля и встречного потока газов дуга стремится свернуться в спираль и расщепиться на параллельные волокна, что замедляет скорость ее движения. Диаметр дуги

также является величиной, зависимой от скорости, и поэтому уравнение (6-3) дает качественную оценку зависимости скорости движения дуги от тока и напряженности магнитного поля. В боль-щинстве электрических аппаратов нет неизменного магнитного поля гашения. Поле гашения создается отключаемым током и пропорционально ему, т. е. Н = kl. В таком случае

V = feJ, (6-4)

Рис. 6-3. Электрическая дуга на параллельных (а) и рогообразных (б) электродах

где к обычно определяется экспериментально.

В электрических аппаратах дуга перемещается по расходящимся контактам я рогам, ее длина изменяется от нуля до некоторого значения, при котором дуга гаснет. Схематично это представлено на рис. 6-3,6. Однако для уяснения закономерностей движения дуги в магнитном поле в зависимости от ее длины рассмотрим кривую на рис. 6-4, которая представляет собой зависимость скорости движения дуги от расстояния между параллельными электродами (рис. 6-3, а).

Участок J (О < / < /i) - здесь имеет место не дуга, а перешеек из расплавленного металла, возникаю-вшй при расхождении контактов. Этот перешеек существует, пока электроды (контакты) не разойдутся на определенное расстояние 1> li, которое зависит от значения отключаемого тока и материала электродов. Например, в опытах [3] предельное расстояние между электродами, Гфи котором еще возникал перешеек из расплавленного металла (/ = =? 7000 А), было равно 1 мм (электроды медные) и 2 мм (электроды стальные). Скорость движения перешейка чрезвычайно мала, а при рас-Стояний между электродами меньше 0,5 мм он может и вовсе не двигаться даже при наличии значительного магнитного поля. Отсюда следует, что в выключающих аппаратах дуга не может выйти из промежутка между контактами, пока они не разойдутся на расстояние больше 0,5 - 1 мм.

Участок П (h < I < I2) - здесь наблюдается резкое возрастание скорости дуги с увеличением ее длины. При некоторой длине перешейка расплавленного металла он рвется, возникает дуга, которая приходит в быстрое движение.

Рнс 6-4 Зависимость скорости движения дуги на параллельных электродах от расстояния между ними

На более узких электродах скорость дуги возрастает быстрее. Участок П является переходным от капельно-жидкого состояния к газовому. С увелвчен;1ем длины дуги влияние капелек и паров металла уменьшается, что приводит к возрастанию скорости дуги и продольного градиента в ней. Большая скорость расхождения контактов на участках I а П благоприятно сказывается как на износе контактов, так и на условиях гашения дуги.

Участок HI {I > I2) - здесь мы имеем собственную дугу. С увеличением ее длины наблюдается некоторое снижение скорости ее движения. Под действием собственного поля дуга стремится свернуться в спираль. Встречный поток воздуха, проникая в дугу, стремится расщбпить ее на отдельные волокна. С увеличением длины дуги тормозящее действие этих факторов сказывается сильнее. Рассматриваеш ю в настоящей главе закономерности движения дуга относятся к этому участку.

6-3. ГАШЕНИЕ ДУГИ В ПРОДОЛЬНЫХ ЩЕЛЯХ

Широкие и узкие п ли. Задача конструирования дугогасящих устройств заключается не в простом гашении дуги. Дугу нужно гасить в малом объеме, при малом звуковом и световом эффекте, за малое время, при малом износе частей аппаратов и заданных перенапряжениях.

А-А

Рис. 6-5. Характерные формы продольных щелей дугогасительных камер

В современных выключающих аппаратах пгарокое распространение получили дугогасительные камеры с продольными щелями. Продольной называют щель, ось которой совпадает по направлению с осью ствола дуги. Такая щель образуется между двумя изолящюнными пластинами. На рис. 6-5 схематично изображены характерные формы продольных щелей камер дугогасительных устройств.

В верхней части камеры (рис. 6-5, а) между точками 1 и 2 имеется одна прямая продольная щель 3 с плоскопараллельными стенками. В камере (рис. 6-5,6) применено несколько прямых параллельных щелей, аналогичных щели в камере на рис. 6-5, а. Несколько параллельных щелей применяют нрн отключении больших токов. Однако параллельные дуги существуют иежотх . Они тесьма неустойчивы, и все, кроме одной, последней, быстро погасают. Условия- гашения оставшейся дуги такие же, как в камере с одной п^лью.

На рис. 6-5, в показана камера с одной продольной щелью 3, которой придана извилистая форма. При такой форме представляется возможньпи в камере небольших размеров уместить длинную дугу. Кроме того, наличие ребер способствует повышению напряжения на дуге. Именно эти особенности обусловливают те преимушества рассматриваемой камеры, которые обеспечивают ей широкое применение.

Продольная щель с рядом ребер и уширений 5, за счет которых происходит возрастание продольного градиента напряжения, изображена на рис. 6-5, г

Камера (рис. 6-5, д) имеет комбинированную зигзагообразную щель 3 с местными уширениями 5. В такой щели, по-видимому, должны сочетаться все достоинства зигзагообразной щели с преимуществами, которые дают местные уширения

С точки зрения особенностей движения электрической дуги в продольных щелях различают щели широкие и узкие. Широкой называют щель 4, ширина которой значительно больше диаметра дуги. У з-кой называют щель 1, ширина которой меньше диаметра дуги или близка ему.

Так как диаметр дуги зависит от тока, скорости движения дуги и условий охлаждения, то для одних условий щель будет широкой, для других условий эта же щель будет узкой. В широких щелях движение дуги мало стеснено стенками, сечение ее ствола не деформировано. Качественно все явления здесь происходят так, как и в открыто горящей дуге. Наличие стенок вносит только некоторые количественные изменения в закономерности, которые имеют место в открытой дуге.

В узких щелях движение дуги сильно стеснено, сечение ствола дуги деформировано, условия охлаждения резко изменены. Все это приводит к появлению ряда новых явлений, качественно и количественно отличающихся от тех, что происходят в открытой дуге.

Скорость движения дуги. Кривые, характеризующие зависимость скорости движения дуги в широкой щели (S = 16 мм) от тока при разных напряженностях магнитного поля, приведены на рис. 6-6. Характер кривых качественно ана-лoгичeвJapaктepy кривых для открытой дуги (штриховые кривые). Количественного Совпадения между кривыми не наблюдается.

В узкой щели эти количественные расхождения приводят к качественно новым явлениям.

На рис. 6-7 приведены кривые, характеризующие зависимость скорости дшшеиия дуги от тока в узкой щели. И здесь вначале с ростом тока скорость движения дуги растет (участки кривых слева от кривой 6). Далее явление приобретает неустойчивый характер: дуга либо движется с соответствующей скоростью (штриховые линии), либо ее скорость падает до нуля. В более узких щелях и при меньших напряженностях магнитного поля Неустойчивое движение дуги (вплоть до остановки) наблюдается при меньших

Рис 6-6 Зависимость скорости движения открытой дуги и дуги в широкой щели от тока (данные О. Б Брона)

1 ... 5 6 7 8 9 10 11 ... 30