Глава V
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА ОТКЛЮЧЕНИЯ
§ V.l. НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ О ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИКАХ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ
Одной из важнейших характеристик дуги является ее вольтамперная характеристика. Во многих случаях ее можно представить эмпирической формулой
(V.1)
здесь l — длина дуги; i — ток дуги; а, b, с, d, п — постоянные, зависящие от условий, в которых существует дуга.
Большую роль играют газ, в котором горит дуга, давление газа, условия охлаждения дуги, скорость ее движения под действием электродинамических или магнитных сил.
Известно, что при малых токах градиент в стволе дуги, горящей в атмосфере водорода, значительно выше, чем в стволе дуги, горящей на воздухе. Это объясняется высокой теплопроводностью водорода, следовательно, хорошим теплоотводом от дуги. При больших токах разница уменьшается, так как начинает играть роль конвекция, при которой важна не теплопроводность, а теплоемкость газа. Если при малых токах градиент в стволе дуги в водороде примерно в 5 раз больше, чем в воздухе, то при токах порядка сотен ампер это соотношение равно около 1,5.
При повышении давления повышается количество молекул газа в единице объема. Это приводит к усилению конвекции, следовательно, к улучшению условий охлаждения дуги, что в свою очередь повышает градиент в стволе дуги. Для поддержания существования дуги необходимо, чтобы увеличивался подвод тепла, т. е. выделение энергии текущим в дуге током. Но при данном токе это возможно только за счет повышения градиента в стволе дуги. Опыт подтверждает эти соображения. С увеличением давления градиент в стволе дуги растет примерно пропорционально рп , где п по данным разных опытов может быть принято равным п = 0,5.
Охлаждение дуги оказывает существенное влияние на градиент в стволе дуги. Оно может быть организовано различным образом. Широко распространено охлаждение дуги путем перемещения ее относительно окружающего газа силами магнитного поля. Очевидно, что в этом процессе играет большую роль скорость перемещения дуги, зависящая от тока и напряженности магнитного поля. Опытные данные приводят к зависимости:
(V.2)
Интересно отметить, что разработанная Г. А. Кукековым теория дает возможность определить скорость движения дуги в разных газах. Для этого формулу (V.2) следует видоизменить так:
(V.3)
где у — удельный вес газа, кг/м3.
Так как γ у водорода значительно меньше, чем у воздуха, скорость движения дуги в водороде больше, чем в воздухе. Наоборот, в элегазе, плотность которого в 5 раз больше, чем воздуха, скорость движения в 3 раза меньше, чем в воздухе. Это, впрочем, не ограничивает высокую дугогасительную способность элегаза, которая будет рассмотрена далее. Влияние скорости движения дуги на ее градиент можно видеть из рис. V.I.
Рис. V.I. Зависимость градиента в стволе дуги от тока при различной скорости движения дуги
Рис. V.2. Зависимость градиента в стволе дуги от тока для дуги в элегазе
В случае элегаза скорость движения дуги в продольном магнитном поле значительно больше зависит от тока, чем в воздухе.
Г. Д. Маркуш нашел, что эта зависимость может быть представлена формулой
(V-4)
Это связано с тем, что в данном случае ток определял одновременно и напряженность магнитного поля. Так как напряженность пропорциональна току, то из уравнения (V.3) следует ожидать, что зависимость скорости дуги от тока будет определяться равенством
Это и дает формула (V.4). Влияние плотности элегаза сказывается на значении коэффициента k в формуле (V.4).
Градиент в стволе дуги в элегазе высок, как можно видеть из рис. V.2 по данным Г. Д. Маркуша. Результаты были получены при скорости движения дуги в пределах 700—900 м/сек.
Охлаждение дуги в воздушных выключателях в большинстве случаев осуществляется путем продольного движения сжатого воздуха (продольного дутья). Как показывают опыты, градиент в стволе дуги при этих условиях весьма велик. Правда, большую роль в этом играет
высокое давление в обдувающем дугу сжатом воздухе. В опытах Г. А. Кукекова была получена зависимость в киловольтах
Пренебрегая суммой катодного и анодного падения, которая имеет величину порядка десятков вольт, можно получить следующее выражение для среднего градиента в стволе дуги в киловольтах на миллиметр:
Зависимость от тока невелика. По данным она еще меньше.
Рис. V.3. Схематическое изображение сечения дуги при движении ее в узкой щели
В выключателях низкого напряжения широко применяется охлаждение дуги путем перемещения ее силами магнитного поля в узких щелях с дугостойкими стенками. Если диаметр дуги больше ширины щели, дуга тесно прижимается к стенкам щели и ее форма превращается из круглой в прямоугольную при неизменном сечении дуги (рис. V.3).
Соприкосновение дуги со стенками щели (камеры) вызывает энергичный отвод тепла от дуги. Вместе с тем стенки нагреваются, и если нагревание превзойдет допустимый предел, дугогасительная камера может разрушиться. Поэтому необходимо ограничить длительность воздействия дуги на стенки камеры, для чего необходимо обеспечить достаточную скорость движения дуги. Скорость движения дуги постоянного тока в узкой щели определяется равенством
(V.5) где
Задаваясь допустимым значением температуры нагрева стенок камеры, можно определить минимально необходимое значение скорости дуги и максимально допустимое время воздействия ее. По данным (L.V.2)
и
где т — f(T), k1— коэффициент, зависящий от тепловых параметров материала стенок камеры.
Подробное исследование дуги, горящей в узкой щели, было опубликовано. Исследовалась скорость движения дуги в узких плоскопараллельных щелях и продольный градиент напряжения в таких щелях.
При исследовании зависимости скорости движения дуги в узкой щели было установлено важное обстоятельство, а именно при некотором значении тока (при данных H и s) может произойти остановка движения дуги. Это значение тока названо критическим.
Рис. V.4. Зависимость скорости движения дуги в узкой щели при наличии в стенках различного количества щелей и разных типов прорезов
Точно так же остановка дуги возможна и при некоторой критической напряженности магнитного поля (при данных Н и s). Минимальные критические значения тока и напряженности поля при условиях проведенных опытов:
где k и а — постоянные.
Заметим, что данное исследование проводилось в асбоцементных камерах. Ряд опытов был проведен при наличии в стенках камер отверстий (прорезов). Оказалось, что наличие или отсутствие прорезов не оказывает существенного влияния на скорость движения дуги. Это можно видеть из рис; V.4, где различными значками обозначены результаты, полученные при различном числе и типе прорезов.
Для скорости движения дуги получена эмпирическая формула
где s — расстояние между стенками щели, мм.
Рис. V.6. Зависимость от времени действия тока, при котором начинается плавление стенок камеры:
I — циркониевая керамика; 2 — сипа; 3 — микалекс
Рис. V.5. Зависимость градиента в стволе дуги от ширины щели и напряженности магнитного поля
Продольный градиент в стволе дуги сильно зависит от ширины щели и мало зависит от тока (рис. V.5). Для зависимости градиента от тока, ширины щели и скорости движения дуги в работе были получены эмпирические формулы, однако они сложны и едва ли стоит на них останавливаться.
Как было указано ранее, при значениях тока и напряженности магнитного поля, превосходящих критические, возможна остановка дуги. Такое положение недопустимо, так как в результате его может быть разрушена дугогасительная камера. В работе [Л.V.4J показано, что остановка дуги в щелевой дугогасительной камере вызывается высокой температурой нагрева ее стенок. Для удовлетворительной работы камеры необходимо, чтобы температура поверхности ее стенок, соприкасающихся с дугой, не превосходила (или только незначительно превосходила) температуру плавления материала стенок. Поэтому желательно применять для камер наиболее теплостойкие материалы.
Существенное значение имеет также длительность воздействия дуги на стенки камеры. Влияние теплостойкости и длительности воздействия дуги на ток, при котором начинается плавление стенок камеры, можно выяснить из рис. V.6 (Л.V.4). Из этого рисунка, в соответствии с теоретическими расчетами, следует, что
_ (V.6)
где
(V.7)
Здесь λ — коэффициент теплопроводности; с — удельная теплоемкость; у—плотность; Тдоп—допустимая абсолютная температура; А и k — постоянные коэффициенты.
Для многих теплостойких материалов коэффициент А имеет величину порядка 190 в/м0,5. Из уравнения (V.6) следует, что допустимый ток существенно зависит от параметра m1. В свою очередь параметр m1 зависит, кроме допустимой температуры, от произведения λcγ. Для того чтобы максимально повысить допустимый ток, необходимо выбирать материал для дугогасительной камеры с наибольшим значением этого произведения. Наилучшие результаты дают кордиэритовая керамика и некоторые дугостойкие пластмассы. Часто применяемый для дугогасительных камер асбоцемент значительно уступает керамике.
Рис. V.7. Зависимость плотности тока в стволе дуги от тока при разной толщине щели
Рис. V.8. Зависимость плотности тока в стволе дуги от ширины щели:
I — ток 1000 a; 2 — ток 500 a; 3 — ток 100 а
Приведем еще данные о зависимости плотности тока в камере от тока и от ширины щели (рис. V.7 и V.8), [Л.5].
