Глава третья
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ РАЗМЕРЫ И КОНСТРУКЦИЮ ТОКОВЕДУЩИХ И ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
3-1. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
В этой главе приведены главным образом обобщенные опытные данные, необходимые для конструирования токоведущих и дугогасительных систем. Токоведущие и дугогасительные системы должны быть выполнены так, чтобы было обеспечено:
минимальное время горения дуги;
отсутствие перенапряжений, опасных для изоляции;
минимальный выброс пламени и ионизированных газов, могущих вызвать пробой между частями, находящимися под напряжением;
минимальный износ контактов и дугогасительных камер;
отсутствие приваривания контактов;
отсутствие чрезмерного нагрева контактов, для чего переходное сопротивление должно быть невелико и не должно прогрессивно расти;
достаточная механическая прочность деталей.
При выполнении этих и общих требований, изложенных в гл. 1, конструктор часто сталкивается с взаимоисключающими мероприятиями и ему нужно найти оптимальное решение в данных условиях. Так, например, уменьшение времени горения дуги вызывает увеличение перенапряжений. С этой точки зрения дуга — благоприятное явление, сильно облегчающее задачу электротехников. Трудно удовлетворить всем вышеуказанным требованиям также при выборе материала контактов.
3-2. ГАШЕНИЕ ДУГИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Для гашения дуги постоянного тока надо, чтобы напряжение между опорными точками дуги, создаваемое источником питания, было недостаточным для обеспечения существования приблизительно постоянного падения напряжения у электродов (10 — 20 в) и падения напряжения в стволе дуги, необходимого для поддержания высокой температуры ствола, при которой происходит термическая ионизация газа. Величина падения напряжения у контактов выключателей зависит в основном от материала контакта. Падение напряжения у катода должно быть таким, чтобы вылетающие из него электроны имели энергию, достаточную для ионизации паров металла у катода и создания объемного положительного заряда, необходимого для вырывания электронов. Положительные ионы, падая на катод, нагревают его, что облегчает выделение электронов.
При данном токе падение напряжения в стволе горящей дуги больше, если:
больше длина дуги;
больше скорость движения дуги относительно газовой среды (точнее, сильнее деионизирующее влияние холодного неионизированного газа, вторгающегося в ствол дуги);
интенсивнее деионизация и охлаждение ствола дуги вследствие соприкосновения с поверхностью какого- либо изоляционного материала;
больше коэффициент теплоотдачи газовой среде и, в частности, выше давление ее (при давлении не ниже 100 мм рт. ст.).
Для гашения дуги применяется ряд специальных мер. Рассмотрим сначала гашение дуги при нормальном атмосферном давлении в следующих наименее благоприятных условиях:
отсутствие сил, созданных внешним магнитным полем, ферромагнитными массами или контуром тока, которые действовали бы на дугу (дуга практически неподвижна) ;
отсутствие принудительного движения воздуха;
отсутствие изоляционных деталей, соприкасающихся с дугой;
движение контактов в вертикальном направлении;
малая скорость раздвижения контактов — порядка 1 см/сек.
Длина дуги в таких условиях равна приблизительно раствору контактов. Для гашения ее необходимо растянуть. На рис. 3-1 сплошными линиями проведены кривые зависимости тока до размыкания контактов от наибольшего напряжения цепи, при котором дуга еще гаснет менее, чем за 0,1 сек, при неиндуктивной или слабоиндуктивной нагрузке с постоянной времени не больше 0,01 сек (для разных растворов контактов из меди, серебра и композиции серебро—окись кадмия). Кривые построены по результатам многочисленных испытаний разных аппаратов и макетов в разных условиях. Если дуга при небольшой индуктивности горит более 0,1 сек после достижения установленного раствора контактов, то это значит, что она находится на грани перехода в устойчивую дугу. При данном токе и напряжении, на 10 — 15% превышающем значения, определяемые кривыми рис. 3-1, может получиться устойчивая дуга.
Линия, относящаяся к раствору нуль, определяет границу дугообразования. В зоне, расположенной ниже этой линии, вовсе не образуется дугового разряда. При наличии нескольких последовательно соединенных разрывов цепи с одинаковыми условиями гашения (например, мостиковый контакт или двухполюсный аппарат) также можно пользоваться кривыми рис. 3-1, считая, что на каждый разрыв приходится напряжение сети, деленное на число разрывов цепи. При параллельном включении контактов дуга сосредоточивается на одном из них, так как вольт-амперная характеристика — падающая и каждый контакт должен быть способен отключить полный ток, как если бы он был включен один.
Рис. 3-1. Зависимость тока I от напряжения постоянного тока U, при котором электрическая дуга гаснет при разных растворах контактов I
при постоянной времени цепи 0 — 0,01 сек. Сплошные линии — при неблагоприятном расположении токоведущих частей, когда дуга не выходит из области между контактами, пунктирные линии — при расположении токоведущих частей, способствующем выходу дуги из области между контактами и растяжению ее.
При малых растворах на дугогашение оказывает влияние материал контактов. Так, например, при растворе 1 мм контакты из вольфрама при напряжении 50—150 в гасят дугу, возникающую при отключении тока, в 2,5 раза большего, чем это приведено на рис. 3-1. Однако при растворах контактов, обычно имеющихся у выключателей, можно считать, что все известные материалы, пригодные для контактов, имеют кривые гашения дуги, указанные на рис. 3-1.
