3-4. ГАШЕНИЕ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
При переменном токе и электродах из меди, серебра, композиций на основе серебра (с вольфрамом, никелем или небольшим количеством графита) и подобных материалов, «е создающих существенной термионной эмиссии из-за низкой температуры кипения основных компонентов, электрическая прочность дугового промежутка в короткий интервал времени, в течение которого ток проходит через нулевое значение, очень быстро возрастает вследствие того, что в дуге выделяется мало энергии. В дальнейшем, если не наступает пробой, прочность дугового промежутка продолжает увеличиваться приблизительно прямолинейно в функции времени и тем сильнее, чем интенсивнее деионизация под влиянием движения газовой среды, охлаждающего действия контактов, поверхностей разных материалов и т. п.
Если после того, как ток достиг нулевого значения, напряжение на дуговом промежутке ни в какой момент времени не превысит электрической прочности этого промежутка, то он не будет пробит и дуга не возобновится. Это напряжение быстро возрастает после прекращения тока и приближается к тому значению, которое было бы при установившемся режиме и отсутствии тока в цепи.
Процесс восстановления напряжения может иметь колебательный или апериодический характер. Наиболее важные параметры этого процесса — начальная скорость восстановления напряжения и первая его амплитуда — зависят от установившегося значения напряжения, соответствующего моменту прохождения тока через нулевое значение, а также от величин и распределения емкости, самоиндукции и активного сопротивления контура, включая сопротивление дугового промежутка в рассматриваемый период времени. Установившееся значение напряжения, соответствующее нулевому значению тока, равно 2U sin ср, где U — действующее значение 76 напряжения однофазной цепи, а <р — угол сдвига между напряжением и током. Сопротивление дуги до прохождения тока через нулевое значение может существенно уменьшить угол ф и облегчить гашение дуги. Таким образом, не только параметры источника тока, сети и отключаемой нагрузки определяют восстанавливающееся напряжение, но и оба вышеуказанные сопротивления дугового промежутка (до и после нулевого значения тока). Их роль очень велика, что осложняет изучение процесса гашения дуги.
При переменном токе благодаря быстрому восстановлению прочности дугового промежутка при проходе тока через нулевое значение гашение дуги значительно легче, чем при постоянном токе, когда для гашения необходимо удлинять дугу или создавать в ней высокую напряженность электрического поля. Если гашение дуги очень интенсивное, то дуга переменного тока может погаснуть значительно раньше естественного прохождения тока через нулевое значение, при этом условия гашения ее почти ничем не отличаются от условий гашения дуги постоянного тока при тех же напряжениях и токе. Как и на постоянном токе, возможны значительные перенапряжения, в дуге выделяется большая энергия (несколько большая, чем электромагнитная энергия, запасенная в контуре). Если нет нужды быстро отключать ток (например, ради токоограничения), то. вообще говоря, не следует таким образом гасить дугу переменного тока. Лучше, чтобы дуга горела при малом напряжении на ее концах и, следовательно, при малой выделяемой мощности и затем чтобы она погасла при прохождении тока через нулевое значение. В этом случае будет меньше ионизированных газов, и дугогасительная система выключателя получается проще.
Коммутационную аппаратуру низкого напряжения всегда стремятся выполнять так, чтобы дуга гасла не позже первого прохождения тока через нулевое значение, так как это, во-первых, обычно (при напряжении не выше 380 в) легко достигается, а, во-вторых, улучшает защиту установки, снижает износ контактов и камеры и снижает количество образовавшихся окислов азота. Однако иногда вполне допустимо, если дуга гаснет и не при первом переходе через нуль тока. Ниже приведены результаты основных исследований.
а) Исследования Слепьяна
После исследовании Слепьяна, опубликованных в 1928 г., считалось твердо установленным, что при переходе тока через нулевое значение скачкообразно (спустя доли микросекунд) прочность дугового промежутка составляет за счет прочности весьма тонкой зоны у катода £/0= 150—250-е. Большая цифра относится к латунным, а меньшая—к сильно разогретым медным электродам. Считалось, что эта прочность практически не зависит от тока.
Первая амплитуда восстанавливающегося напряжения не может быть больше двойного мгновенного значения напряжения источника тока, соответствующего моменту, когда ток проходит свое нулевое значение. По данным Слепьяна она достигается за время, во много раз большее, чем время установления вышеуказанной околокатодной прочности. Если дуговой промежуток не пробит первой амплитудой напряжения, то практически можно считать, что он не будет пробит и последующими. Из этого следует, что при любых параметрах цепи дуга безусловно погаснет при первом прохождении тока через нулевое значение при всех практически возможных растворах контактов если будет удовлетворено неравенство:
(3-1)
где п — число разрывов цепи;
/га — коэффициент амплитуды 1 < /га < 2. Обычно можно считать /га = 1 [см. (3-6)].
Пренебрегая влиянием сопротивления дуги на сдвиг фаз, в наихудшем случае sin 9=1, и для гашения дуги однофазного тока достаточно, чтобы количество разрывов цепи удовлетворяло неравенству
(3-2)
[1] Вследствие того что при отключении тока между контактами образуются мостики из расплавленного металла, раствор контактов нельзя брать очень малым. Так, например, при переменном токе более 100 а проводящие мостики, перемыкающие контакты, могут образоваться при растворе менее 0,5 мм. При растворе 0,3 мм контакты из серебра успешно размыкают цепь при токе 50 а без образования мостиков, перемыкающих контакты.
При трехфазном токе и тех же условиях количество разрывов на фазу должно быть в ~ 1>15 раза меньше, чем при однофазном, так как в момент прохождения тока через нуль в какой-либо фазе восстанавливающееся напряжение в это число раз меньше линейного.
Хотя формулы (3-1), (3-2) не учитывают ряда весьма важных факторов, они дают первое приблизительное представление об условиях гашения дуги переменного тока. Из них следует, что при активной нагрузке дуга переменного тока в сетях низкого напряжения (во всяком случае при частотах порядка до 1 000 Гц) обязательно погаснет при первом естественном прохождении тока через нулевое значение. При индуктивной нагрузке и однократном разрыве (n = 1) можно создать устойчивую дугу на медных электродах при 127 в. Но в реальных условиях в камерах аппаратов дуга гаснет при первом переходе тока через нуль при напряжении 220 в и даже при напряжении 380 е, если ток не больше нескольких десятков ампер. Гашение дуги при больших токах и при напряжении 380 в зависит от растяжения ее и условий деионизации ствола. Вообще при малых токах (менее 10 а) для гашения дуги требуется значительно меньше разрывов, чем это вытекает из (3-1) и (3-2). При токах, больших 100 а, дуга обычно движется, сопротивление ствола ее оказывает очень большое влияние па весь процесс и условия гашения сильно зависят от конструкции камеры (§ 3-5). Если дуга не движется, то гашение дуги возможно только при значительно более низком напряжении. Одного наличия вышеуказанного числа разрывов еще не достаточно для гашения дуги. Это говорит о неточности формул (3-1), (3-2) и при больших токах.
При меньших токах начальная прочность получилась значительно большей, чем у Слепьяна, а при больших токах — существенно меньшей. При токах около 700 а были получены осциллограммы пробоя промежутка между медными электродами при мгновенном значении напряжения 50 в и между латунными электродами при напряжении 70 в. При токе 1 000 а были получены повторные зажигания дуги на медных электродах при действующем значении напряжения 75 в и коэффициенте амплитуды, равном единице. Хотя по кривым рис. 3-6 величина U0 (полученная как отрезок ординаты, отсекаемой прямой графика прочности дугового промежутка в функции времени, отсчитываемого от момента прохождения тока через нуль) доходит до 20 в, однако при опытах не удавалось получить повторных зажиганий дуги на медных электродах при действующем значении напряжения сети менее 75 в. Это вызвано тем, что при больших токах сопротивление дуги сильно снижает сдвиг фаз между током и напряжением. Кроме того, дуга сильно растягивается электродинамическими силами и существенное влияние оказывает возрастающая во времени прочность всего промежутка. Этим объясняется то, что, несмотря на сильно преувеличенные значения начальной прочности дугового промежутка, которые получены Слепьяном, многократный разрыв очень способствует гашению дуги переменного тока и формулы (3-1) и (3-2) дают не столь большую ошибку.
Рис. 3-6. Зависимость начальной прочности дугового промежутка
U0 от тока I при 50 Гц и электродах из разных материалов, 1 — медь; 2 — латунь; 3 — серебро; 4 — серебро—15% окиси кадмия; 5 — серебро— 40% никеля; 6 — серебро—50% вольфрама; 7 — серебро —3% графита. Раствор контактов: сплошные линии —1 мм пунктирная—8 мщ,
При напряжении 660 в в аппаратах наблюдаются критические токи при тех же значениях (около 15 а) и по той же причине, что и при постоянном. При критических токах дуга не выходит из области между контактами, и влияние сопротивления столба дуги на сдвиг фаз и на прочность всего промежутка не так велико, как при больших токах. В этом случае можно считать (с запасом), что условием гашения однофазной дуги при первом нуле тока является (3-1), где U0 выбирается по рис. 3-6 для /==15 а, а п— 1 при однократном разрыве цепи и п= 1,5 при двухкратном (вместо 2 для учета неравномерного распределения напряжения между промежутками). k можно считать равным единице (3-6). При трехфазной цепи, как это указано выше, величину U надо принимать в 1,15 раза меньшей линейного напряжения. Вышеуказанные достаточные условия гашения дуги при критических токах дают существенный запас, так как за время, пока напряжение на дуговом промежутке достигнет максимума, прочность дугового промежутка вырастает. Испытания[4] контакторов с медными контактами при растворе около 10 мм при токах 10-г- 100 а показали, что гашение в первом нуле тока еще происходит при напряжениях сети, на 80% больших, чем это определяется (3-1) и графиками на рис. 3-6. При 15 а и отсутствии магнитного гашения затяжная дуга получается при напряжении, в 3 — 4 раза большем, чем определенное по (3-1).
При токах, несколько больших критических, дуга выходит из области между контактами, условия гашения облегчаются, время горения дуги уменьшается. Погасание дуги при больших токах зависит от конструкции дугогасительного устройства (§ 3-5).
в) Влияние разных факторов на гашение дуги переменного тока
Вследствие эффективности многократного разрыва дуги при переменном токе обычно применяют дугогасительную камеру с несколькими металлическими пластинками, стоящими на пути дуги (деионная решетка), которая разбивает ее на несколько частей (§ 3-5). Гашение дуги эффективно осуществляется также в узких щелях между поверхностями изоляционных материалов. При этом создается особенно высокое сопротивление ствола дуги, уменьшается сдвиг фаз тока и напряжения, и гашение (в момент прохождения тока через нулевое значение) происходит из-за малого восстанавливающегося напряжения. В камерах с узкими щелями из-за большего сопротивления дуги выделяется больше энергии, чем в камерах с деионной решеткой.
При переменном токе, частоте 60 Гц и напряжении не выше 380 в у выключателей обычно не бывает критических токов, поэтому нет необходимости применять магнитное гашение. Оно может быть вредно, так как растягивает дугу (которая и без этого погасла бы в нуле тока) и увеличивает выделяющуюся в ней энергию. При больших напряжениях такая необходимость может возникнуть. Однако увеличение числа разрывов в этом случае более эффективно, чем магнитное гашение.
Электродинамическое воздействие на дугу, как и при постоянном токе, приводит к увеличению напряжения на ней и способствует гашению. Оно необходимо для обеспечения движения дуги в нужном направлении и с достаточной скоростью для того, чтобы не вызвать сильного местного разогрева контактов и камеры, что может существенно ухудшить условия гашения. Электродинамическое воздействие (и магнитное гашение) так сильно влияет на гашение дуги при больших токах, что, несмотря на значительно меньшую начальную прочность U0 (рис. 3-6), при этих токах гораздо легче достигнуть гашения в первом нуле тока, чем при малых токах (и напряжении 660 в).
В отношении гашения дуги переменного тока в жидкости, влияния расположения контактов в пространстве, принудительного движения воздуха, частоты отключений справедливо все, что сказано относительно влияния этих факторов на гашение дуги постоянного тока (§3-3).
Индуктивность цепи, как следует из (3-1), особенно сильно влияет на гашение дуги при переменном токе, так как она увеличивает мгновенное значение напряжения в момент прохождения тока через нулевое значение.
Величина раствора контактов при переменном токе не играет такой положительной роли, как при постоянном, ввиду того, что нет такой опасности затяжного горения дуги при малых токах. При 60 Гц и растворах контактов до 3 мм начальная прочность дугового промежутка даже увеличивается с уменьшением раствора контактов (рис. 3-6). Увеличение раствора с 0,3 до 1—2 мм при 50 Гц может существенно утяжелить гашение дуги (см. также выше в настоящем параграфе о мостиках между контактами). При больших растворах скорость роста прочности тем больше, чем больше раствор. Отрицательное влияние увеличения раствора контактов проявляется особенно при малых токах, когда гашение происходит вследствие большой величины U0- Введение более длинной дуги без нужды увеличивает выделяющуюся в ней энергию. Аналогично влияет и скорость расхождения контактов, так как при большей скорости в данный момент времени получается больший раствор. Так, например, испытания [Л. 3-24] показали, что при увеличении скорости движения контактов при отключении тока 90 а напряжением 500 в с 0,5 до 1 м/сек число отключений, при которых дуга горела более одного полупериода, возросло в 11 раз, а максимальное время горения дуги — в 3,5 раза. Минимальный раствор контактов ограничивается необходимостью предотвращения повторного включения контактов при отключении после отброса контактной системы от упора. Кроме того, при отключении больших токов в закрытых камерах, где ионизированные газы медленно уходят из области между контактами, может потребоваться увеличение раствора контактов для того, чтобы избежать повторного зажигания дуги при напряжении 380 в и особенно при напряжении 660 е.
Существенное влияние оказывает собственная частота колебаний отключаемого контура, так как она определяет скорость роста напряжения на дуговом промежутке после прохождения тока через нулевое значение. Наибольшие собственные частоты f0 [Л. 3-2,3] приблизительно равны.
При отключении двигателей
f0 = с (7 000 +1 500Р075) [;Гц], (3-3)
где с= 1 при кабельной сети; с=2 при шинопроводах;
Р — номинальная мощность двигателя, квтп\ формула справедлива при 0,5<Р<50.
При отключении короткозамкнутых участков цепей
(3-4)
где /к — длина проводника от места расположения отключающего аппарата до места короткого замыкания, м.
При отключении катушек аппаратов
f0= 1000 — 7000 Гц. (3-5)
Наибольшая частота имеет место при отключении короткозамкнутых участков цепей. Цепи с воздушными реакторами имеют большую частоту, чем цепи с асинхронными двигателями, из-за значительной распределенной емкости их обмоток. Поэтому условия гашения при применении воздушных реакторов будут тяжелее.
Исследования показали, что с увеличением собственной частоты колебаний контура коэффициент амплитуды восстанавливающегося напряжения уменьшается. Это вызвано тем, что при малой собственной частоте напряжение на промежутке растет медленно. За время первого подъема напряжения вследствие интенсивной деиони- зации сопротивление промежутка резко возрастает, и оно слабо демпфирует рост напряжения. При высокой собственной частоте за время первого подъема напряжения дуговой столб не успевает рассеяться и относительно невысокое остаточное сопротивление столба дуги демпфирует процесс восстановления напряжения. Кроме того, высокая собственная частота соответствует малым значениям емкости и индуктивности цепи и, следовательно, малой энергии, запасенной в них, за счет которой поддерживается колебательный процесс. Коэффициент амплитуды /га может быть приближенно вычислен по опытной формуле:
(3-6)
Из этой формулы видно, что при обычном /о>10 000 /га<1,05.
Влияние материала контактов более существенно при малых токах (рис. 3-6). Из кривых видно, что при частоте 50 Гц латунь лучше меди. При малых токах наибольшая начальная прочность получается при серебряных контактах. Добавка к этим контактам тугоплавких компонентов снижает прочность. Особенно сильно влияние графита. Испытания бытового автомата с контактами из пары серебро — 40% никеля и серебро — 3% графита показали, что горение дуги затягивается при однократном разрыве цепи, напряжении 240 в, токе 700 а и cos ф=0,88, что при других материалах не наблюдалось.
При переменном токе 380 в, 50 Гц иногда не принимают особых мер для гашения дуги (например, при малых токах ограничиваются двухкратным разрывом цепи). Однако во всех случаях необходимо создавать надежную изоляцию между полюсами, чтобы ионизированные газы не вызвали пробоя между ними и как следствие большого тока короткого замыкания.
При высоких частотах сети (400 Гц и более) характер протекания процесса гашения дуги существенно отличается от того, который имеет место при частоте 50 Гц. Если дуга гаснет при первом нуле тока, то время ее горения очень мало, световой эффект ничтожный, пламени мало. При не очень больших токах дуга не выходит из области между контактами, и нет опасности пробоя между фазами. При испытаниях может создаться ложное впечатление, что дугогасительное устройство легко справляется со своей задачей и имеет большие запасы по разрывной способности. Однако после некоторого числа отключений при тех же или немного отличных параметрах цепи неожиданно может появиться затяжная дуга из-за повторных зажиганий, так как прочность дугового промежутка может оказаться малой. Действительно, при увеличении частоты, хотя и уменьшается время протекания полуволны тока, предшествующей нулевому значению, и, следовательно, выделившаяся в дуге энергия, но зато возрастает скорость изменения тока. Поэтому в период непосредственно перед прохождением тока через нулевое значение его величина при высокой частоте будет больше, чем при низкой частоте. Поэтому прочность дугового промежутка с увеличением частоты может как уменьшиться, так и увеличиться. Надо учитывать также, что в высокочастотных цепях частота собственных колебаний выше из-за меньшей индуктивности этих цепей.
Испытания И. С. Таева показали, что при частоте 400 Гц, медных контактах, растворе 8 мм, токах 1— 60 а начальная прочность дугового промежутка на 15 — 25% меньше, чем при 50 Гц (рис. 3-6). >При токах выше 100 а и относительно небольших растворах контактов (3 — 5 мм) особенно заметно, что при частоте 4)00 Гц гашение дуги труднее, чем при частоте 50 Гц. При токах 15 — 60 а и растворах контактов 1 мм отношение начальных прочностей дугового промежутка при частоте 2 500 и 50 Гц (рис. 3-6) равно при материале контактов:
латунь 0,85
серебро 1,3
серебро -15°/0 окиси кадмия ........ 1,75
серебро—40% никеля 1
серебро—50% вольфрама 1,45
серебро—3% графита 1,6
Затрудненные условия гашения при частотах несколько тысяч герц и больших токах могут быть из-за того, что под действием вихревых токов дуга может не войти в металлическую решетку или не сойти с контактов из-за наличия по соседству массивных металлических деталей.
При частотах 400—2 500 Гц в течение полупериода контакты расходятся обычно менее, чем на 1 мм, и на погасание дуги при первом нуле тока величина конечного раствора контактов (если он больше 1 мм) не оказывает влияния. Однако в целом для гашения высокочастотной дуги (хотя бы через несколько периодов)
увеличение раствора контактов (когда он более 3 мм) и увеличение начальной скорости раздвижения контактов очень полезно, так как это увеличивает прочность дугового промежутка. При высоких частотах можно рекомендовать применение магнитного гашения, причем дугогасительное поле можно создать постоянным магнитом. При этом из-за малого времени существования дуги (до перехода тока через нуль) нет опасности переброса между фазами, так как объем пламени мал и дуга не может далеко выйти в нежелательном направлении, а вибрационное движение ее может повысить прочность дугового промежутка. Расположение токоведущих частей, способствующее движению дуги в начале расхождения контактов, весьма значительно повышает прочность дугового промежутка и очень способствует гашению.
