3-5. ГАШЕНИЕ ДУГИ В ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ КАМЕРАХ
Не представляет принципиальных трудностей погасить дугу путем ее растяжения. Однако главная и наиболее трудная задача заключается в том, чтобы ограничить распространение дуги и ее пламени и погасить дугу в малом объеме, что необходимо для создания компактных распределительных устройств. Для этого размыкание цепи производят внутри дугогасительных камер.
Камеры стремятся делать так, чтобы горячие ионизированные газы, могущие вызвать пробой между соседними токоведущими частями, успевали охладиться и деионизироваться внутри камеры до выхода за ее пределы. Принципиально возможно сделать камеры настолько герметизированные, что из них не успеет выйти сколько-нибудь значительное количество горячих газов до их охлаждения, при этом внутри камеры создается большое давление. Такие камеры (фибровые патроны) нашли применение в предохранителях серии ПР (§ 6-9). Для выключателей они в настоящее время не применяются (§ 5-3). Все современные выключатели имеют камеры с выходом газов.
Для охлаждения и деионизации ствола дуги и образуемых ею газов внутри камер создают развитую поверхность охлаждения. При этом дуга находится в узкой щели. Ниже разобраны два характерных случая: первый— дуга горит в узкой щели между поверхностями изоляционных материалов, причем направления тока и движения дуги параллельны стенкам щели; второй —дуга горит в узкой щели между металлическими поверхностями, причем направление тока перпендикулярно к стенкам щели, а направление движения параллельно стенкам щели. Движение дуги является строго обязательным условием ее гашения при больших токах, так как в противном случае соприкасающиеся с дугой детали разогреются и выплавятся, а ослабление деионизации приведет к затяжному горению дуги.
Создание в камерах узких щелей, предназначенных для прохождения дуги, сильно ускоряет ее гашение и уменьшает выход горячих газов, если дуга в эти щели входит и движется до погасания. Если дуга в щель не войдет из-за большого аэродинамического сопротивления (или не будет двигаться), то это может быть причиной замедленного гашения или даже появления устойчивой дуги (из-за разогрева камеры), а также выброса газов в направлении, противоположном предусмотренному. Особенно велика эта опасность при больших токах. Сужение щелей приводит, с одной стороны, к уменьшению выброса горячих газов, если дуга движется, с другой — к увеличенному выделению тепла внутри камеры и к повышенной опасности получения затяжной дуги. Это должно быть соразмерно. Особенно опасно делать камеры с малым выбросом газов при частых отключениях (порядка тысячи в час) и большой энергии, выделяемой дугой (постоянный ток). Ниже рассмотрены некоторые основные закономерности.
а) Дуга в щели между поверхностями изоляционных материалов
Приведенные ниже данные о вхождении дуги в узкую щель из дугостойкого изоляционного негазогенерирующего материала (асбест—цемент) и движении в этой щели получены на основе анализа результатов испытаний В. С. Борисоглебского [Л. 3-7]. Испытания проводились при ширинах щели (S) от 1 до 16 мм постоянном токе (/) от 2 до 2 300 а, напряженностях внешнего магнитного поля (Я) от 0 до 800 э и отсутствии магнитного поля от контура тока в зоне горения дуги. При указанных условиях вольт-амперная характеристика дуги при малых токах (как и в случае отсутствия камеры) падающая, т. е. с увеличением тока напряженность электрического поля в стволе и, следовательно, напряжение на дуге уменьшаются. При увеличении тока напряженность электрического поля в стволе, пройдя свое минимальное значение, увеличивается. Ток /к, при котором получается минимальная напряженность электрического поля при постоянных напряженности магнитного поля и ширине щели, приведен в табл. 3-1.
Таблица 3-1
Приблизительные значения тока /к, при котором получается минимальная напряженность электрического поля в стволе дуги при данных напряженности магнитного поля Н и ширине щели 5
При данной Напряженности магнитного поля и данной ширине щели напряженность электрического поля в стволе дуги при токе 2,5 а в 2,5 — 5 раз, а при токе 2 300 а в 2 — 4 раза больше минимальной. Если напряженность магнитного поля пропорциональна величине тока, то при сохранении постоянства их отношения (что имеет место при последовательно включенной дугогасительной катушке и ненасыщенной магнитной системе) значение тока /к, при котором получается минимальная напряженность электрического поля в стволе дуги в данной щели, находится в пределах 10 — 100 а. Так как для гашения дуги требуется, чтобы «реостатная» характеристика цепи * (Л. 3-4, 3-5] проходила ниже вольт-амперной характеристики дуги или, в крайнем случае, касалась ее, то представляет интерес главным образом минимальное напряжение на дуговом промежутке. При отключении токов, значительно больших, чем /", можно считать, что реостатная характеристика проходит параллельно координатной оси токов и что, следовательно, минимальные напряжения дуги и являются теми наивысшими напряжениями цепи, при которых дуга может погаснуть в данной щели при данной напряженности магнитного поля. Это допущение можно с достаточной для практики точностью принять для отключаемых токов более 5/к, при этом значения расчетных напряжений сети, при которых обеспечивается гашение дуги, будут ниже действительных не более, чем на 20%. Это напряжение может быть определено по уравнению
*Под реостатной характеристикой понимается зависимость UR— напряжения на дуге, которое может быть подведено к дуговому промежутку, от тока I в установившемся режиме: Ол= — U—/г, где U — напряжение сети, а г — сопротивление, включенное в цепь последовательно с дугой.
(3-7)
где I — длина дуги, см, мин — минимальная напряженность электрического поля ствола дуги, в[см;
24- — околоэлектродное падение напряжения, в; Gmijh может быть определен по данным рис. 3-7.
На этом рисунке сплошные линии относятся к постоянному магнитному полю в месте, где находится дуга, а пунктирные — к более реальному случаю — магнитному полю, пропорциональному току, которое создано сериесной дугогасительной катушкой (если она есть) и самим контуром тока.
При гашении дуги постоянного тока желательно для уменьшения энергии, выделившейся в. дуге, возможно скорее увеличить напряжение на дуге до величины, безопасной для изоляции, и поддерживать его на постоянном уровне до конца гашения. Желательно это увеличение производить за счет напряженности электрического поля, а не за счет длины дуги, так как, во-первых, большую напряженность электрического поля можно быстрее получить, чем большую длину, а, во-вторых, большая
длина дуги приводит к большим габаритам аппарата.
Напряженность электрического поля получается тем больше, чем уже щель, но в очень узкую щель дуга может не войти или не двигаться в ней. Движение дуги в щели обязательно для того, чтобы она могла достигнуть нужной длины, и для того, чтобы не разогревались
Рис. 3-7. Зависимость минимального градиента потенциала ствола дуги постоянного тока от ширины щели, в которой она горит при разной напряженности
магнитного поля Н. Сплошные кривые — постоянная напряженность магнитного поля, пунктирные кривые — напряженность магнитного поля, пропорциональная току I. Кривая 0 эре относится к неподвижной дуге.
стенки камеры. Надо создать условия, необходимые для вхождения дуги в щель и движения в ней.
Если стенки камеры не затрудняют перемещения дуги, то скорость ее движения тем больше, чем больше ток. Снижение скорости с увеличением тока указывает на близость условий, при которых возможна остановка дуги. Соответствующие данные приведены в табл. 3-2.
Аналогичные опыты Л. А. Родштейна [Л. 3-25] показали, что дуга останавливается в щели при токах:
где 5-—ширина щели, мм; Н — напряженность поля,,5.
Формула получена для 1<5<4, 100<Ж2 000; 100 </<2 500.
Рис;3-8. Разрез камеры с узкой щелью.
Достаточно большая напряженность магнитного поля нужна не столько для получения большой напряженности электрического поля дуги, сколько для обеспечения движения дуги в щели. Исследования доказали также эффективность прорезей в направлении, перпендикулярном щели. Каждая такая (несквозная) односторонняя прорезь при токах, дающих наименьшее напряжение на дуге, может увеличить напряжение на дуге примерно на 5 в при S = 2, /7 = 400— 800 э и ширине прорези 1—2 мм. Эта величина в указанных диапазонах не зависит от ширины прорези и напряженности поля. Сквозная прорезь, соединяющая узкую щель с наружным пространством, добавляет напряжение на дуге, в 1,5 раза большее, чем несквозная.
Таблица 3-2
Значение токов, при которых дуга останавливается или уменьшает скорость своего движения при увеличении тока (исследовано до 2300 а)
Для вхождения дуги в щель требуется, чтобы переход из широкой части камеры в узкую был по возможности плавным с малым аэродинамическим сопротивлением (рис. 3-8).
Напряженность поля, требующаяся для вхождения дуги в такую щель, указана в табл. 3-3.
Вхождение дуги в узкую щель чрезвычайно затрудняется, если материал камеры генерирует газ. Поэтому камеры с узкими щелями не рекомендуется делать газогенерирующими. Обычное затруднение, которое встречается при борьбе с выбросом ионизированных газов, заключается в том, что по мере сужения щели увеличивается опасность выброса газов через отверстия камеры, в которые входят подвижные контакты. ОВ некоторых конструкциях удается эти отверстий почти совсем закрыть. В этом случае в камере создается повышенное давление которое способствует вхождению дуги в узкую щель. Тогда можно щели делать очень узкими и весьма эффективно ограничить объем выходящих ионизированных газов.
Таблица 3-3 Минимальная напряженность магнитного поля, требующаяся для вхождения дуги в узкую щель
Решетки из металлических пластин c. узкими щелями между ними значительно способствуют охлаждению газов, выходящих из щелей между изоляционными поверхностями.
б) Дуга в щели между поверхностями проводящих материалов
В камерах с деионной решеткой, состоящей из расположенных под малым углом металлических пластин, дуга должна войти в решетку и погаснуть в ней (рис. 4-35). При вхождении дуги в решетку отсутствуют статические силы сопротивления [Л. 3-8]. Движущаяся дуга, встречая аэродинамическое сопротивление у входа в решетку, резко уменьшает скорость движения. Время вхождения дуги в решетку довольно значительно — порядка 4 мсек [Л. 3-9].
Время вхождения должно быть по возможности малым для того, чтобы уменьшить обгорание решетки и предотвратить выброс газов в нежелательном направлении. Для этого: 1) пластины изготовляют из стали, что способствует притяжению дуги к решетке; 2) в пластинах делают вырезы несимметричной формы и располагают их так, чтобы дуга при входе в решетку постепенно разбивалась на все большее количество коротких дуг по мере того, как она доходит до кромок пластин; 3) щели между пластинами в месте входа дуги делают не менее 3 мм; толщину пластин во избежание прогорания берут 1,5 — 3 мм; 4) на кромках пластин снимают фаски. Крайние пластины соединяют с размыкаемыми контактами, что способствует вхождению дуги в решетку. Для уравнивания давления газа в пластинах делают отверстия.
Обширные исследования гашения дуги переменного тока в стальной деионной решетке при свободном движении ее по пластинам произвел Й. С. Таев. Анализ результатов его опытов показывает, что для гашения трехфазного тока трехполюсным аппаратом достаточно, чтобы в каждом полюсе число разрывов в решетке удовлетворяло неравенству:
(3-9)
где U —• действующее значение линейного напряжения сети, в;
<рн — угол сдвига фаз между электродвижущей силой и током цепи при отсутствии дуги.
При этом необходимо, чтобы длина пластин была достаточно велика, чтобы за полупериод дуга не смогла пройти расстояние от одного края пластины до другого.
Исходя из экспериментально определенной зависимости скорости движения дуги от тока и расстояния между пластинами, рекомендуется применять следующее условие (при отсутствии дутья):
(3-10)
где L — длина пластин, мм;
S — расстояние между пластинами, мм;
I — действующее значение тока, а;
I — время движения дуги, сек; рекомендуется принимать его равным половине периода (при 50 Гц = 0,01 сек).
Вышеуказанные соотношения исследованы при следующих диапазонах изменения величин:
толщина пластин 1 — 5 мм; температура пластин 20 — 400° С.
Формула (3-9) учитывает изменение сдвига фаз из- за сопротивления дуги (§ 3-4) й исходит из экспериментально определенных прочностей дуговых промежутков между стальными пластинами решетки. При стальных пластинах прочность дуговых промежутков получилась еще меньше, чем при медных и латунных (рис. 3-6). Формула (3-9) дает верхнее значение числа пластин, которое необходимо иметь для того, чтобы дуга безусловно никогда не горела более одного полупериода. В конструкциях иногда применяют несколько меньшее число пластин. Однако, учитывая необходимость уменьшения количества ионизированных газов, выходящих из камеры, не следует идти по этому пути, так как стоимость пластин невелика, а эффект от увеличения числа пластин значителен.
Исследования показали, что начальная прочность дугового промежутка приблизительно пропорциональна корню квадратному из числа пластин. Это связано с неравномерным распределением восстанавливающегося напряжения между пластинами, так как оно определяется емкостью и сопротивлением деионизированных слоев газа и зависит от многих случайных причин, в частности от неодинаковой скорости движения отдельных дуг.
Расстояния между пластинками не влияют на начальную прочность промежутка. Но при больших расстояниях скорость восстановления прочности несколько больше, что не играет существенной роли. Большее расстояние между пластинами требует большей длины пластин (3-10). Слишком малое расстояние может препятствовать вхождению дуги в решетку.
Температура решетки не сильно влияет на прочность дугового промежутка. Увеличение температуры с 20 до 400° С уменьшает прочность промежутка примерно на 15%.
При частотах несколько тысяч герц вход дуги в решетку сильно затруднен вследствие противодействия вихревых токов, индуктируемых в решетке. Для уменьшения этого противодействия пластинки надо делать тонкими и узкими. При переменном токе решетки работают очень хорошо.
При постоянном токе напряжение между соседними пластинами лишь немного превышает сумму анодного и катодного- падений напряжения. В автоматах А2050 при токах в дуге от 300 до 20 000 а это напряжение равно соответственно от 30 до 20 в {Л. 3-9]. Для гашения дуги требуется значительное число пластин. Камеры с деионной решеткой плохо работают (оплавляются) при напряжении более 300 в на полюс (на одну камеру). При напряжении до 220 в постоянного тока они широко и успешно применяются.
в) Разные исследования дуги
iB последнее время в связи c. необходимостью отключения больших токов и достижения токоограничивающего действия были проведены исследования путей ускорения роста напряжения на дуге после раздвижения контактов. Это необходимо для более быстрого прекращения роста тока при отключении цепи быстродействующими аппаратами. Исследования Ш. 3-26, 3-27,3-28,3-48] были направлены на выяснение рациональной конструкции и размеров устройств, которые предотвращали бы повторное зажигание и быстро растягивали дугу. В этих конструкциях дуга двигалась в пространстве с изоляционными стенками, окруженном железом. Это примерно на 50% увеличивало скорость движения дуги под действием собственного магнитного поля. При отсутствии внешнего магнитного поля и при токе 14 кА была достигнута скорость растяжения дуги 700 м/сек [Л. 3-26], при токе 12 кА была достигнута скорость роста напряжения на дуге 1 500 в[мсек и обеспечено прекращение роста тока через 1 мсек после размыкания контактов при напряжении 1 000 в [Л. 3-27].
