5-3. ДУГОГАСИТЕЛЬНЫЕ КАМЕРЫ
В зависимости от мер, принимаемых для ограничения выброса дуги, различают камеры герметизированные, рассчитанные на высокое давление, закрытые, рассчитанные на нормальное или слегка повышенное давление (в этих камерах газ выходит через щели в местах соприкосновения частей из-за неточности их изготовления), полузакрытые, у которых сделаны специальные щели для выхода газов, и открытые, у которых выход газов не затруднен.
Герметизированные камеры для аппаратов с механически раздвигаемыми контактами ранее изготовлялись, но в настоящее время они не применяются. Вследствие большого давления, развиваемого внутри камеры приемлемых габаритных размеров, при отключении токов по-
рядка 10 кА или более приходилось делать камеру очень прочной, трудоемкой и дорогой. Контакты потребовалось выполнять массивными с поступательным движением и уплотнением в месте их выхода, что часто приводило к ненадежной работе.
Закрытые камеры применяют для малых автоматов и контакторов при действующем значении отключаемого тока порядка до 1 000 а при напряжении 380 в. Чтобы закрытые камеры работали удовлетворительно, они должны иметь достаточный объем. В противном случае выброс ионизированных газов может привести к короткому замыканию между полюсами. Этот объем зависит от степени уплотнения камеры и расположения токоведущих частей. В общепринятых конструкциях трехполюсных контакторов при двукратном разрыве цепи на полюс, при напряжении 380 в и коэффициенте мощности 0,4 закрытые камеры (без деионной решетки) удовлетворительно отключают, когда отношение действующего значения фактически отключаемого тока к внутреннему объему одной камеры (или одного полюса трехполюсной камеры) не превосходит 10 а/см3 (в конструкциях обычно берут около 6 а/смъ). Объем закрытой камеры можно существенно уменьшить, если установить деионную решетку. При токах более 1 000 а и напряжении 380 е объем закрытой камеры получается чрезмерно большим.
Открытые камеры представляют собой по сути две перегородки из изоляционного материала, между которыми находятся контакты. Эти камеры мало воздействуют на процесс гашения дуги, они лишь направляют газы так, чтобы предотвратить перекрытие между полюсами (рис. 6-7). Выброс дуги у них очень большой. Достоинство камер состоит в том, что мала опасность появления затяжной дуги при отключении больших токов короткого замыкания или при частой работе. Такая опасность всегда имеется в закрытых и полузакрытых камерах, так как последние задерживают дугу внутри камеры и нагреваются. Поэтому применение открытых камер иногда оправдано для уникальных автоматов, которые должны разрывать токи порядка 100 кА и более. Для них можно отвести специальную камеру в распределительных устройствах. У автоматов широкого применения открытые камеры не ставят, так как это исключает компактное расположение оборудования в распределительных устройствах.
Рис. 5-7. Открытая дугогасительная камера автомата АВ-45-1/6000 на 6 000 а, 750 е постоянного тока.
1 — дугогасительная катушка; 2 — стальные щеки; 3 — стальной сердечник; 4 — разрывной подвижный контакт; 5 — гибкое соединение; 6 — дугогасительный рог, соединенный с подвижным контактом; 7 — дугогасительный рог, соединенный с неподвижным контактом.
Автоматы в большинстве случаев имеют полузакрытые камеры, в которых дан выход газам, но приняты меры для ограничения выброса пламени дуги и для охлаждения газов, так что зона ионизированного пространства над камерой очень мала (несколько сантиметров) или совсем отсутствует. Полузакрытые камеры должны иметь:
достаточный внутренний объем;
развитую внутреннюю поверхность охлаждения;
обтекаемую форму поверхностей охлаждения, чтобы не было большого аэродинамического сопротивления, препятствующего соприкосновению дуги со всеми участками поверхности охлаждения;
максимально затрудненный выход газов в том направлении, в котором это недопустимо (в особенности недопустим выброс газов назад на токоведущие части автомата);
затрудненный выход газов в положенном направлении, если это не вызывает выхода газов в непредусмотренном направлении;
расположение токоведущих частей, способствующее растяжению дуги и быстрому движению ее в направлении развитых поверхностей охлаждения.
Затруднительно привести какой-либо метод расчета для определения основных размеров камер. Размеры и
конструкция камер выбираются на основании результатов испытания. Данные о некоторых основных размерах приведены в § 3-5.
Применение дугогасительной катушки для автоматов с обычными камерами, имеющими выброс газов, вообще говоря, нежелательно, поскольку это способствует сильному выбросу дуги и ионизированных газов за пределы камеры. При номинальных напряжениях до 500 в переменного тока и 440 в постоянного тока в двух- и трехполюсных автоматах на большие номинальные токи дугогасительная катушка обычно не применяется, так как токи в области критических значений могут быть отключены и без магнитного гашения. Однополюсные автоматы на номинальное напряжение 440 в постоянного тока и выше исполняются, как правило, с дугогасительной катушкой для того, чтобы не получилось затяжного горения дуги при малых токах. При больших растворах контактов (у больших автоматов) можно обходиться и без магнитного гашения. Оно обязательно только в быстродействующих автоматах и в малых автоматах, где затруднительно иметь достаточно большой раствор контактов.
У автоматов с магнитным гашением на большой номинальный ток катушка во включенном положении током не обтекается, чтобы ее не делать слишком большой. В изображенной на рис. 5-7 камере катушка шунтируется главными контактами и включается в цепь только после перехода дуги на разрывной контакт.
Недостатком дугогасительных систем с катушкой, намотанной на железный сердечник (рис. 5-7), является большой поток рассеяния, вследствие чего для получения требуемой индукции в рабочей зоне надо иметь большие дугогасительные магнитные системы и катушки. Для устранения этого предложено устанавливать на пути потоков утечки около полюсных башмаков короткозамкнутые металлические витки, что может повысить индукцию в рабочей зоне на 30—80% [JT. 6-23]. Фирма Вестингауз применяет для контакторов дугогасительные одновитковые катушки, утопленные в обеих боковых щеках дугогасительных камер. В этом случае рабочая зона камеры находится внутри контура дугогасительного витка, и рассеяние практически отсутствует.
Полузакрытые камеры по принципу гашения дуги можно разделить на две следующие основные группы: первая — камеры с узкими щелями, у которых развитая поверхность для охлаждения ствола дуги создается преимущественно изоляционными деталями, вторая — камеры с деионной решеткой, у которых развитая поверхность охлаждения создается преимущественно металлическими деталями.
Рис. 5-8. Камера с одной узкой щелью автомата фирмы Сименс на 1 000 а, 500 в постоянного и переменного тока с разрывной способностью 26 кА.
1 — неподвижный контакт; 2 — подвижный контакт; 3 — дугогасительный рог, соединенный с подвижным контактом;
4 — стальной сердечник; 5 — стальная скоба.
В этом типе камер металлические детали (пластины) разбивают дугу на несколько последовательно включенных дуг, что существенно облегчает условия ее гашения (§ 3-4, 3-5). К третьей группе можно отнести комбинированные камеры, сочетающие свойства первых двух.
Камера с одной весьма узкой продольной прямой щелью представлена па рис. 5-8 [Л. 5-3].
Для увеличения охлаждающей дугу внутренней поверхности щели лучше делать ее ребристой. Щель при этом получится извилистой, более длинной и с достаточно малым аэродинамическим сопротивлением входа (рис. 5-9, 4-34) см. § 4-9,
Камера с нескольким продольными щелями изображена на рис. 5-10. Внутри камеры имеется большое количество металлических штифтов, что способствует охлаждению газов. Обычно такие камеры для простоты делаются без штифтов. В камере рис. 5-3 изоляционные перегородки с отверстиями для выравнивания давления разделяют параллельно включенные главные контакты. Камеры второй группы с деионной решеткой—наиболее распространенные (рис. I 32, 4-35). Они применяются в сериях универсальных и установочных автоматов (§ 4-8, 4-10). Подробнее о работе и размерах деталей камер см. § 3-5,6.
Прежде делали камеры с деионной решеткой, в которой дуга вращалась под влиянием радиального поля, созданного специальной дугогасительной катушкой. Камеры были сложны, дуга в них плохо входила при больших токах. Теперь такие камеры применяют только для автоматов гашения-поля (см. § 4-15).
Рис. 5-9. Извилистая цепь дугогасительной камеры.
В камерах третьей группы имеются металлические детали, разбивающие дугу на несколько частей, и поперечные или продольные щели между изоляционными деталями. Камера с поперечными пластинами показана на рис. 5-11 {Л. 5-7]. В первоначальной конструкции этой камеры дуга под влиянием электродинамических сил и притяжения к стальным пластинкам доходит до концов прорезей изоляционных пластинок и останавливается. Сила, действующая на дугу, приводит в движение воздух (движение передается ударами ионов и электронов). Воздух, проходя сквозь неподвижную дугу, интенсивно ее деионизирует. Чем больше ток, тем больше скорость воздуха. Напряженность электрического поля в дуге достигает больших величин, порядка 140 в!см, и сравнительно мало зависит от тока [Л. 5-7], что очень хорошо, так как при гашении дуги желательно иметь в ней постоянное напряжение. Здесь нет высокого перенапряжения в конце периода гашения, так как длина дуги мала, а при малом токе мала и скорость воздуха. Выброс ионизированных газов невелик.
В одной из Новых конструкций (Л. 5-21] камер этого типа сделано изменение: те поперечные пластины, которые ранее изготовлялись из стали, теперь делают из изоляционного материала, а те пластины, которые ранее изготовлялись из изоляционного материала, теперь выполняют из стали.
Иногда у выхода газов из продольной щели камеры по типу, изображенному на рис. 5-8, устанавливают поперечные короткие металлические пластинки. Эти пластинки образуют пламегасительную решетку, которая очень эффективно охлаждает выходящие газы и ограничивает выброс дуги и пламени.
Оригинальная камера третьей группы (рис. 5-12) применяется для высоковольтных автоматов. Однако камеру по такому типу можно применять и для аппаратов низкого напряжения. В этой камере после переброса дуги на дугогасительные рога 2 в цепь вводится дугогасительная катушка.
Рис. 5-10. Камера с несколькими продольными щелями и штифтами автомата фирмы ДЖИИ на 600 а, 250 е постоянного и 600 в переменного тока с разрывной способностью 20 кА (действующее значение симметричной составляющей).
1—неподвижный контакт; 2 — подвижный контакт; дугогасительный рог; 4 — металлические штифты; 5 —узкие, щели между изоляционными пластинками.
Дуга направляется в решетку и разбивается на части медными накладками 5. Дуги между накладками горят в изоляционных щелях, образуя как бы витки соленоида (отсюда название «соленарк»). Под влиянием поля, созданного несколькими витками, дуги весьма интенсивно растягиваются. Резервуар 7 сжимается при отключении и создает поток воздуха, необходимый для предотвращения затяжного горения дуги при малых токах. Следует учесть, что при весьма больших отключаемых токах дугогасительная
катушка, включаемая дугой, работает плохо, так как ее действие сильно запаздывает.
В быстродействующих автоматах для ускорения снижения тока делают дугогасительные рога из материала с большим удельным сопротивлением или соединяют их с подвижным и неподвижным контактами через сопротивления [Л. 5-12, 5-13].
Рис. 5-11. Камера с поперечными пластинками для автомата фирмы Вестингауз с разрывной способностью 80 /са постоянного и переменного тока (действующее значение симметричной составляющей).
I — двухступенчатые контакты, совмещающие предварительные и разрывные; 1— главные контакты; 3 — пластинки стальные — в старой конструкции, изоляционные —в новой; 4 — пластинки изоляционные — в старой конструкции, стальные— в новой
Одна из основных трудностей при разработке камер состоит в том, чтобы заставить дугу войти в соприкосновение с максимально развитыми поверхностями металлических и изоляционных деталей в узких щелях. При затруднительном входе дуга не погаснет или после погасания будет пробито сильно ионизированное пространство между контактами и возникнет повторное
Зажигание. Если для облегчений входа сделать широкие щели, то они будут малоэффективны. В последнее время наметилась тенденция делать комбинацию из узких и широких щелей между изоляционными деталями
Рис. 5-12. Дугогасительное устройство автомата "Соленарк" фирмы Мерлин Жерин (Франция) на 7 кВ переменного тока.
1 — разрывные контакты; 2 — дугогасительные рога; 3 — дугогасительная катушка; магнитная система; 5 — медные накладки на изоляционных пластинках; 6 — токоведущие ножи; 7 — резервуар с гибкими стенками.
[Л. 4-18] (рис. 5-13) или специальные параллельные вентиляционные каналы, не занятые дугой (рис. 6-14) {Л. 4-12]. Широкие щели и вентиляционные каналы улучшают вентиляцию внутренности камеры, предотвращают повторное зажигание и облегчают вход дуги в решетку.
Для ускорения погасания дуги необходимо увеличивать перенапряжение, однако оно может быть опасно для изоляции. Для регулировки величины перенапряжения предложено менять число пластин, охватываемых решеткой путем перестановки дугогасительного рога [Л. 4-19].
Сопоставление характеристик разных типов камер приводит к выводам, которые надо рассматривать как ориентировочные, так как работа камер очень сильно зависит от конструктивного оформления. Наиболее простыми являются камеры с одной узкой продольной
Рис. 5-13. Дугогасительная камера быстродействующего автомата (ЧССР) на 3 000 в постоянного тока с последовательно включенными широкими 2 и узкими I щелями.
щелью. Они могут работать как на постоянном, так и на переменном токе, как при малых, так и больших токах короткого замыкания. Недостатком их является относительно большой выброс пламени и существенный износ стенок при частой работе. Вследствие первой причины такие камеры обычно не применяются для автоматов, монтируемых в распределительных устройствах. Наиболее распространенными являются камеры с деионной решеткой. Они дают малый выброс пламени, так как дуга между пластинками горит спокойно (из-за малой длины) и не создается большого объема ионизированных газов. Газы хорошо охлаждаются в узких щелях между пластинами.
Рис. 5-14. Часть стальной деионной решетки камеры автоматов фирмы Делль на 500- 2 000 я, 500 е.
1 — вентиляционные каналы; 2 — каналы, в которых проходит дуга; 3 — дугогасительная облицовка.
В этих камерах при переменном токе энергия, выделяемая дугой, очень мала (в стволе дуги не создается высокого градиента), мало перенапряжение и мал шум при отключении. Несколько большая сложность такой камеры по сравнению с камерой с узкой щелью вполне искупается вышеуказанными ее преимуществами. В этих камерах иногда затруднительно отключать большие токи (порядка сотни килоампер). При больших токах из-за магнитного насыщения пластин они недостаточно притягивают дугу, чтобы преодолеть большое аэродинамическое сопротивление. Это может приводить к выбросу дуги в обратном направлении. По-видимому, лучше всего гасят большие токи и ограничивают выброс дуги комбинированные камеры.
