§ 4.2. ДУГА ПОСТОЯННОГО ТОКА И ГАШЕНИЕ ЕЕ
Дуга постоянного тока гашению поддается очень трудно. При малых токах и небольших напряжениях дуга постоянного тока может быть погашена простым разрывом на воздухе без значительных разрушений контактов. Однако даже в аппаратах напряжением до 1000 в необходимо принимать специальные меры для гашения дуги с целью сохранения контактов.
Основной характеристикой дуги постоянного тока является ее вольт-амперная характеристика, представляющая собой зависимость тока от напряжения дуги, т. е. i=cp((/) при постоянной длине дуги. На рис. 4.2 представлена вольт-амперная характеристика дуги постоянного тока. Из нее следует, что дуга постоянного тока как вид нагрузки представляет собой активное нелинейное сопротивление. С ростом тока напряжение на дуге уменьшается и наоборот. На рис. 4.2 1/., — напряжение зажигания дуги,
Ur — напряжение гашения дуги. Как видно, эти напряжения разнятся. Если ток дуги уменьшать очень медленно, то U3=Ur.
Если в каждой точке вольт-амперной характеристики дуга горит устойчиво, то такая характеристика называется статической, в противном случае вольт-амперная характеристика называется динамической. Напряжение дуги определяется выражением
(4.1)
где ид — напряжение дуги, в;
U,<— катодное падение напряжения, в; Uа — анодное падение напряжения, в; Uст — падение напряжения в дуговом столбе, в.
Падение напряжения в столбе дуги равно
(4.2)
где Е — напряженность электрического поля, в/м;
I — длина столба дуги, м.
Рассмотрим цепь постоянного тока (рис. 4.3). Для этой цепи при ее отключении уравнение баланса напряжений будет
(4.3)
где Uc — напряжение сети, в\ i — ток дуги, а;
L — индуктивность цепи, в которой горит дуга, гн; ί/д — напряжение дуги, в; г — сопротивление цепи, ом.
Если изобразить графически уравнение (4.3), то получим рис. 4.4. Прямая ab на этом рисунке проведена под утлом a—tg α = /\ Рассматривая уравнение (4.3), можно заключить, что когда i=const, тогда
Это значит, что дуга горит устойчиво, так как ток неизменен. Таким образом, уравнение устойчивого горения дуги будет
Ус = 1г+ил. (4.4)
Таким образом, мы видим, что точка А неустойчива как справа, так и слева. Поэтому точка А лишь формально является точкой устойчивого горения дуги, в действительности она неустойчива. При рассмотрении устойчивости точки А слева мы видим, что ток дуги уменьшается до тех пор, пока он не станет равным 0, и дуга гаснет.
Причем это имеет место тогда, когда
отрицательно.
Отсюда можно сделатьвывод относительно гашения дуги. Дуга погаснет всегда, если
отрицательно. Значит, для гашения дуги необходимо создать такие условия ее горения, чтобы
было все время отрицательно (рис. 4.6). Это условие
будет соблюдено во всех случаях, если вольт-амперная характеристика дуги будет лежать выше нагрузочной прямой ab, уравнение которой
(4.5)
где Uи — напряжение нагрузочной прямой ab.
Дуга также погаснет, если ее вольт-амперная характеристика будет касаться нагрузочной прямой ab в одной точке, например в точке К. Длина дуги, при которой ее вольт-амперная характеристика касается нагрузочной прямой ab в одной точке /С, называется критической длиной. Этой длине дуги соответствует значение тока /1ф, который называется критическим током дуги.
Теперь можно сделать основную формулировку условия гашения дуги постоянного тока. Дуга постоянного тока погаснет всякий раз, если ее растянуть до критической длины. Понятие критической длины дуги — понятие энергетическое. Оно характеризуется тем, что при критической длине дуги количество энергии, поступающей из сети, меньше того количества энергии, которое дуга отдает в окружающую среду, и дуга гаснет.
В аппаратах постоянного тока напряжением до 1000 в как раз и используется это положение для гашения дуги на их контактах. Наиболее эффективными устройствами для гашения дуг постоянного тока являются дугогасительные устройства в виде решеток с узкими щелями. Эти решетки изготовляются из дугостойких материалов (фарфора или асбоцемента).
На рис. 4.7, а показано положение дуги в начале отключения а и после того, как она затянута в узкие щели в. Дуга, соприкасаясь со стенками узких щелей (1,5—2 мм) решетки, отдает тепло, достигает критической длины и гаснет.
4.8
Дугогасительная решетка (рис. 4.7,6) состоит из двух половин У и 2, каждая из которых имеет фасонные выступы. Если две половины сомкнуть, то выступы разместятся во взаимных впадинах и образуют решетку.
Для того чтобы затянуть дугу в щели решетки, применяется специальное устройство, которое называется дугогасительной катушкой. Дугогасительная катушка (рис. 4.8) необходима для того, чтобы в момент отключения создать магнитный поток, который, взаимодействуя с током дуги, будет выталкивать ее вверх, а значит, затягивать между щелей решетки. Дугогасительная катушка состоит из двух одинаковых металлических фасонных пластин-щек а, соединенных с помощью цилиндрического стального стерженька, который служит сердечником катушки. Если проследить за направлением магнитного потока по правилу буравчика, то для рис. 4.8 он будет направлен так, как это изображено стрелками. Если в этом магнитном поле поместить дугу, которая является «гибким проводником с током», то, согласно правилу левой руки, возникнет сила Еэ, которая будет выталкивать дугу вверх, если ток дуги будет иметь направление, указанное стрелкой (рис. 4.8). Из этого следует, что в аппаратах постоянного тока, в которых гашение дуги происходит с помощью магнитного дутья, необходимо согласовывать направление токов в катушке и в дуге, т. е. между рабочими контактами. Если это не учитывать, то магнитное дутье приведет к прямо противоположным результатам, оно будет не способствовать гашению дуги, а задерживать ее на контактах и тем разрушать их.
Дугу постоянного тока гасят также в решетках (рис. 4.9, а), составленных из большого числа стальных омедненных пластин. Медь предохраняет пластины от обгорания, а сталь обеспечивает втягивание дуги между пластинами. Пластина представлена на рис. 4.9,6.
Рис. 4.9
Из таких пластин с расстояниями между ними 1,5— 2 мм собирается решетка. Гашение дуги в этом случае достигается за счет большого падения напряжения на дуге, вследствие суммирования катодных и анодных падений напряжений, каждого дугового промежутка при горении дуги. То есть в этом случае для гашения дуги используется разделение ее на ряд дуг со своими UK и Ua так, что
где п — число промежутков между пластинами решетки.
Этим достигается ускоренное гашение дуги, так как создаются условия, когда
Одновременно с этим имеет место охлаждение дуги стенками решетки. На одну пару пластин падение напряжения составляет 25—40 в. Поэтому 25n>t/c и
Дугу постоянного тока в трансформаторном масле гасить нельзя, так как в этом случае возникают перенапряжения, опасные для изоляции сети, электрически связанной с аппаратом, в котором гасится дуга в масле.
