Способы гашения дуги постоянного тока в аппаратах низкого напряжения можно разделить на способы механического или электромагнитного ее растягивания без принудительного гашения и способы гашения дуги в дугогасительных камерах.
При гашении дуги механическим растягиванием она гаснет, когда ее длина достигнет величины, называемой критической. Критическая длина зависит от тока, возрастая с током сначала быстро, а при токах свыше 200 а — медленно. От скорости растягивания критическая длина дуги не зависит. Электромагнитное растягивание дуги в чистом виде имеет лишь теоретический интерес и практически не применяется.
Рис. VI.3. Дуга при отключении большого тока рубильником
Рис. VI.4. Зависимость длительности дуги от тока при размыкании цепи рубильником
Рис. VI.5. Типы дугогасительных камер в выключателях постоянного тока
В рубильниках на большие токи дуга сильно раздувается электродинамическими силами и принимает форму, показанную на рис, VI.3.
При этом она частично растягивается, а частично перемещается со скоростью нормально к ее оси и интенсивно охлаждается. Поэтому зависимость длительности дуги от тока имеет характерный вид с высоким пиком при малых токах и быстрым спадом при токах 100— 250 а (рис. VI.4), после чего длительность дуги меняется очень мало.
Гашение дуги в дугогасительных камерах значительно более эффективно и широко применяется в аппаратах. Некоторые примеры таких дугогасительных камер приведены на рис. VI.5. Тип а представляет собой камеру с одной узкой щелью. Камера состоит из двух пластин из дугостойкого материала, по обе стороны которых расположены стальные полюсные наконечники дугогасительной электромагнитной системы. Дуга, обозначенная знаком «+», возникает при расхождении контактов и загоняется магнитным дутьем из широкой части камеры в узкую. Отдавая тепло стенкам камеры, дуга гаснет.
Тип б содержит три параллельные щели. Предполагалось, что дуга может разделиться на параллельные ветви, что должно ускорить ее гашение. Однако нормально дуга горит только в одной щели. Наблюдались крайне редкие случаи, когда дуга возникала одновременно в двух щелях; такая система эквивалентна дуге, шунтированной малым сопротивлением (второй дугой). В этом случае дуга неустойчива и быстро гаснет, остается дуга только в одной щели. Этот тип дугогасительной камеры малоэффективен и выходит из употребления.
Рис. VI.7. Кривые изменения напряжения иа контактах выключателя при отключении тока 600 а (обозначения кривых те же, что и на рис. VI.6)
Рис. VI.6. Зависимость длительности дуги от тока:
I — камера с широкой щелью (тип б на рис. VI. 5): 2 — камера с узкой щелью (тип а на рис. VI. 5); 3 — гребенчатая камера (тип г на рис. VI. 5)
Тип в представляет собой камеру с постепенно суживающейся щелью. Такая система обеспечивает хорошее соприкосновение дуги со стенками камеры, несмотря на постепенное уменьшение тока и диаметра дуги в процессе ее гашения. Вид сверху показывает, что в стенках камеры имеются углубления, в которых дуга заходит при больших токах. Тем самым увеличивается площадь соприкосновения дуги со стенками камеры и теплоотвод от дуги.
Тип г — гребенчатая, или лабиринтная, камера. Входя в этот лабиринт, дуга тесно соприкасается со стенками камеры и хорошо охлаждается. Кроме того, длина дуги значительно больше длины камеры. Это значит, что при данной длине дуги, необходимой для ее гашения, сокращаются габариты камеры.
На рис. VI.6 приведена зависимость длительности дуги от тока для трех типов камер. Кривая 1 относится к камере с широкой щелью и с перемещением дуги магнитным полем и имеет характерный пик при малых токах, который наблюдается и у других камер. Далее ток быстро спадает и остается почти неизменным до тока 800 а, после чего вновь нарастет. Это свидетельствует о том, что дуга вышла за пределы полюсных наконечников и магнитное дутье ослабело. Кривая 2 получена в камере с узкой щелью. Но ширина щели еще недостаточно мала, чтобы обеспечить хорошее охлаждение дуги тесным соприкосновением со стенками камеры и соответственное уменьшение длительности дуги. Подъем кривой также объясняется выходом дуги за пределы полюсных наконечников.
Кривая 3 получена в гребенчатой камере г. Очевидна эффективность этой камеры, гасящей дугу при токах 150—1000 а за время около 15 мсек. При токах свыше 1000 а возрастание длительности дуги незначительно.
Интенсивное гашение дуги вызывает появление перенапряжений. На рис. VI.7 показаны кривые изменения напряжения на контактах выключателя при отключении тока 600 а (динамические характеристики). На кривых 1 к 2 видны максимумы напряжения, после которых оно падает при убывании тока ниже примерно 350 а. Это связано с выходом дуги за пределы полюсных наконечников и возрастанием длительности дуги.
Рис. VI.8. Схема гашения дуги в трехщелевой камере: — дуга; 2 — дугостойкая перегородки; 3 - рога
Рис. VI.9. Зависимость длительности дуги от тока: I — гребенчатая камера; 2 — трехщелевая камера
Рис. VI. 10. Зависимость длительности дуги от индуктивности цепи:
- — гребенчатая камера; 2 — трехщелевая камера
I — гребенчатая камера; 2 — трехщелевая камера
I — гребенчатая камера; 2 — трехщелевая камера
На кривой 3 максимум достигается при токе, меньшем 100 а. Кратность перенапряжений в этом случае достигает трех.
В аппаратуре электрической тяги получили широкое распространение так называемые трехщелевые камеры (рис. VI.8). Представляется интересным сравнение этого типа камеры с другими, в частности с гребенчатой камерой. На рис. VI.9 приведена зависимость длительности дуги от отключаемого тока. В случае гребенчатой камеры длительность дуги значительно меньше, чем при использовании трехщелевой камеры. Интересно отметить, что при применении этих камер не обнаруживается зависимости длительности дуги от индуктивности цепи (рис. VI. 10) несмотря на то, что исследование было произведено при весьма больших индуктивностях. Длительность дуги в случае трехщелевой камеры остается значительно большей, чем в гребенчатой. Кратность перенапряжений (рис. VI. 11) в гребенчатой камере значительно ниже, чем в трехщелевой [Л.VI.2]. На основании этих данных можно отдать преимущество гребенчатой камере.
Рис. VI.11. Зависимость кратности перенапряжений при отключении тока от индуктивности цели:
1— гребенчатая камера; 2 — трехщелевая камера
Рис. VI. 12. Зависимость градиента в стволе дуги от тока в узкощелевых камерах
Рис. VI.13. Движение дуги в дугогасительной решетке
Для характеристики дуги, гасимой в узкой щели, важны два параметра: скорость движения дуги и ее градиент. Многочисленные исследования установили, что скорость движения дуги зависит от тока и напряженности магнитного поля. Эта зависимость была уже рассмотрена ранее. Напомним еще раз, что она выражается равенством
Что же касается градиента в стволе дуги, то последние исследования привели к зависимости
Заметим еще, что при малой ширине щели и больших токах вольтамперная характеристика дуги становится возрастающей. Пример такой характеристики приведен на рис. VI .12. Она может быть представлена следующей эмпирической формулой:
(VI.5)
Помимо способа гашения дуги в камерах с узкой щелью широко применяется гашение дуги в дугогасительной решетке. Этот способ был предложен и введен в практику М. О. Доливо-Добровольским в 1912 г.
Дугогасительная решетка состоит из ряда медных или стальных пластин, между которыми дуга разбивается на несколько последовательно включенных участков небольшой длины (рис. VI.13). При этом значительная часть падения напряжения в дуге приходится на катодное и анодное падения, так как ствол дуги в каждом промежутке между пластинами очень короток (2-3 мм), и доля падения напряжения в нем невелика. Это приводит к тому, что статическая характеристика дуги оказывается очень пологой (рис. VI.14).
Рис. VI.15. Формы пластин дугогасительной решетки, при которой дуга во всех промежутках движется только вверх
Особенностью движения дуги в дугогасительной решетке является неодинаковая скорость движения участков дуги в отдельных промежутках между пластинами. В одних промежутках дуга уходит вперед, в других — отстает (рис. VI.13). Это происходит от неодинакового сопротивления движению дуги, вызываемого случайными причинами.
Рис. VI.14. Напряжение дуги в дугогасительной решетке
Если в каком-нибудь промежутке дуга оказалась ниже, чем в соседних, то на нее действует электродинамическая сила от токов в соседних пластинах, направленная вниз, что еще больше тормозит движение дуги в этом промежутке. С таким неудобством можно справиться, видоизменив конструкцию решетки, как показано на рис. VI. 15. Ток в пластинах идет так, что электродинамические силы гонят дугу вверх.
Дуга в решетке ведет себя по-разному при медных и стальных пластинах. В первом случае опорные точки дуги движутся к краям пластин, во втором — к оси пластин. Рассмотрение силовых линий магнитного поля в стальных пластинах хорошо объясняет такое положение.
Заметим, что при стальных пластинах магнитное дутье нецелесообразно: магнитный поток будет почти полностью проходить через пластины, а промежутки между ними окажутся заэкранированными. Однако высокая магнитная проницаемость стали увеличивает магнитный поток, возбуждаемый самим током дуги, и тем самым способствует быстрому движению и гашению дуги. На рис. VI.16 показана зависимость ta = f(I) для случаев медных и стальных пластин. Из него ясно видна значительно большая эффективность стальных пластин,
Рис. VI.16. Зависимость длительности дуги от тока в дугогасительной решетке:
1 — пластины медные; 2 — пластины стальные
Рнс. VI.17. Напряжение и ток при одновременном вхождении дуги в промежутки между пластинами
Рис. VI.18. Напряжение и ток при неодновременном вхождении дуги в промежутки между пластинами
При отключении тока дугогасительной решеткой можно получить разные результаты в зависимости от того, как организовано вхождение дуги в решетку. Если дуга сразу входит во все промежутки между пластинами, то полное напряжение дуги сразу устанавливается, и ток быстро падает (рис. VI.17). Длительность дуги в этом случае мала. Однако возможно и такое положение, когда дуга входит в промежутки между пластинами постепенно (рис. VI.18) по мере движения (поворота) подвижного контакта. Напряжение дуги возрастает постепенно, ток спадает медленно и длительность дуги велика.
Создавая радиальное и нормальное к дуге магнитное поле, можно заставить дугу вращаться в пространстве между электродами (рис. VI. 19). Два полых электрода расположены друг против друга внутри встречно включенных катушек. В результате создается радиальное поле, заставляющее дугу вращаться со скоростью, определяемой радиальной составляющей магнитного поля. Возникает конвективное охлаждение дуги, быстро приводящее к ее гашению. Это устройство может действовать как при постоянном, так и при переменном токе (при переменном токе оно наиболее эффективно).
Проведенные на кафедре электрических аппаратов Ленинградского политехнического института скоростные фотосъемки дуги, вращающейся по схеме, показанной на рис. VI. 19, дали возможность определить диаметр дуги и плотность тока в ней перед переходом тока через нуль. Эти определения были сделаны как в элегазе, так и в воздухе (рис. VI.20). Диаметр дуги dв в воздухе много больше, чем в элегазе dе, а плотность тока δв— много меньше.
Рис. VI.19. Вращение дуги радиальным магнитным полем:
1 — катушка; 2 — электрод; 3 — дуга
Рис. VI.20. Диаметр дуги и плотность тока в ней при подходе тока к нулю:
d в и δ — диаметр дуги и плотность тока в ней при гашении дуги в воздухе, dе к δе — диаметр дуга и плотность тока в ней при гашении дуга в элегазе
Нами рассмотрено гашение дуги в узкой щели дугогасительных камер и в дугогасительной решетке. Необходимо еще остановиться на гашении дуги в каналах малого диаметра. Примером подобного устройства являются порошковые предохранители. В них плавкая вставка находится в трубке, обычно фарфоровой, которая засыпана кварцевым песком. При сгорании плавкой вставки на ее месте остается узкий канал, заполненный парами сгоревшей вставки (в большинстве случаев медной или серебряной). В таком канале градиент дуги может быть очень высок, особенно если принять во внимание повышенное давление, возникающее в трубке вследствие нагревания паров в ограниченном объеме.
Качественный анализ действия таких предохранителей произведем на основе энергетического баланса, который можно написать в таком виде:
(VI.6)
где F — поверхность канала, в котором горит дуга, на единицу ее длины; с — теплоемкость кварцевого песка; Е — градиент в стволе дуги; k — коэффициент теплоотвода; F1— поверхность дуги на единицу длины.
Для того чтобы дуга гасла, необходимо, чтобы температура уменьшалась, т. е. должно быть выполнено условие:
Тогда
или
(VI. 7)
В пределе это неравенство обратится в равенство, из которого получим:
(VI.8)
Рис. V1.21. Зависимость давления от тока (кa) при отключении тока в насыпном предохранителе
Из уравнения (VI .8) следует, что для гашения дуги необходимо увеличивать градиент Е, следовательно, увеличивать поверхность F1 и уменьшать ток I. То и другое практически достигается подразделением плавкой вставки на несколько параллельных ветвей.
Хотя в приведенные уравнения давление явно не входит, но оно скрыто в величине E, которая растет с давлением. Представление о величине давления в насыпном предохранителе дает рис.
VI.21. В связи с этим сильно растет градиент дуги. Он достигает величин порядка 200 в/см и более.
