Главная » Книги и журналы

1 ... 6 7 8 9 10 11 12 ... 30

токах. Ток, при котором наступает неустойчивое движение дуги и ее остановка, назовем критическим /р. Кривая 6 отделяет те области, в которых дуга Не останавливается, от тех областей, где имеется ее остановка.

Причиной остановки дуги в узкой щели следует считать тепловые явления у стенок камеры. В узкой щели дуга деформирована и плотно прижата к стенкам. Вся энергия дуги воспринимается стенками. С ростом тока энергия, вьщеляемая в дуге, примерно пропорциональна квадрату тока, а скорость движения дуги (будет показано ниже) пропорциональна IH.

2000

2500 А

Рис. 6-7. Зависимость скорости движения дуги в узкой щели (5 = 1 мм) от тока (данные автора)

Следовательно, при неизменном Н с ростом тока происходит все возрастающее разогревание стенок. При некотором токе и соответствующей ему скорости движения дуги стенки настолько разогреваются, что на них появляются проводящие контактные перешейки. Дуга останавливается. Кривая 6 характеризует ту минимальную скорость (назовем эту скорость критической vp), которую необходимо сообщить дуге при данных условиях (ток, ширина щели, материал камеры), чтобы исключить ее остановку.

Отметим, что остановке дуги способствует газогенерация из стенок камеры. Выделение газа, испарение влаги из стенок камеры происходят под действием высокой температуры дуги. При бурной газогенерации создается местное повышение давления в щели, возрастает сопротивление движению дуги, а следовательно, и снижается ее скорость. Последнее приводит к еще большему разогреву стенок и лавинообразному торможению дуги вплоть до ее остановки. Гигроскопичность материала, наличие в нем легко испаряющихся компонентов,

а также шероховатость поверхности способствуют газогенерации и при прочих равных условиях приводят к остановке дуги при меньших токах. Сказанное весьма наглядно иллюстрирует рис. 6-8. Сильно газогенерирующие под действием высокой температуры, а также очень гигроскопические материалы не могут применяться для камер с узкими щелями.

Зависимость скорости движения дуги в продольных щелях от напряженности магнитного поля может быть охарактеризована кривыми на рис. 6-9. В широких щелях (6 = 16 мм) скорость дуги растет с ростом напряженности магнитного поля подобно тому, как это имеет место в открытой дуге (штриховая кривая). В узких щелях (S < 4 мм) дуга при малых напряженностях

и/с 40

100 200 300 400A

Рис. 6-8. Зависимость скорости движения дуги от тока в камерах из различных материалов при 5 = 1 мм (данные В. С. Борисоглебского) Я > 40 А/см; / - асбоцемент; 2 - керамика; Я = 160 А/см: 3 - асбоцемент; 4 - керамика; 5 - стекло

т 560 А/см

Рис. 6-9. Зависимость скорости движения дуги от напряженности магнитного поля (данные О. Б. Брона)

магнитного поля горит неподвижно. При повышении напряженности магнитного поли скорость дуги резко, почти скачком возрастает и значительно превосходит скорость открытой дуги и дуги в широких щелях. Минимальное значение напряженности магнитного поля, необходимое для обеспечения движения дуги при данном токе и ширине щели, назовем критической напряженностью Hp, Критическая напряженность магнитного поля растет с ростом тока и уменьшением ширины щели.

Зависимость скорости движения дуги от ширины щели характеризуется кривыми на рис. 6-10. В очень широких щелях (область /) скорость дуги практически не зависит от ширины щели. По мере сужения щели скорость дуги (при неизменных / и Н) несколько возрастает. Оставаясь широкой, щель все же ограничивает возможности сворачивания дуги в спираль и расщепления ее на параллельные волокна. Это и приводит к некоторому возрастанию скорости дуги.

В узких щелях (область ) дуга, подобно поршню, выталкивает столб воздуха, находящийся впереди, и засасывает столб воздуха, находящийся позади нее. В более узкой щели объем (соответственно и масса) этого воздуха меньше, соответственно меньше и сопротивление движенюО дуги. Скорость дуги при

прочих равных условиях возрастает с уменьшением ширины узкой 1вдлв:

v = k

(6-5)

где к = 0,63 0,90 для S = 1 - 4 мм соответственно (здесь и„ в метрах в секуаду; / - в амперах; Н - в амперах на метр; S - в метрах, данные эмпирические).

Одновременно при уменьшении ширины щ^ли возрастают силы трения дуги о стенки камеры и Тепловые явления у стенок. До определенных условий (v > vp) действие этих сил сказывается мало. Они несколько замедляют степень возрастания скорости с уменьшением ширины щели. Однако при некоторой ширине щели, назовем ее критической (Sp), тепловые явления у стенок и их тормозящее действие начинают сильно сказываться. Скорость дуги падает вплоть до ее остановки (область /). При большем токе и меньших напряженностях магнитного поля критическая ширина щели возрастает.

Начальная часть кривых на рис. 6-10 характеризует движение уже не дуги, а проводящего перешейка, образовавшегося на поверхности стенок. Скорость движения такого перешейка чрезвычайно мала.

Продольный градиент напряжения. Наименьший градиент напряяения получается

в открытой неподвижной дуге (кривая 1 на рис. 6-11). Градиент напряжения возрастает с уменьшением ширины щели (кривые 2-6). В широкой щели вольт-амперные характеристики неподвижной дуги имеют такой же падающий характер, как и в открытой дуге. В узких щелях вольт-ампертая характеристика неподвижной дуги сохраняет такой же характер при малых

Рис 6-10. Зависимость скорости дш-жения дуги от ширины продольной щели

В/см 60

40 30

20 10 О

Е						Р>
								0=1 MM
								□
				к				if MM
								я uu
								16 мм
	опытн		maen	wpa° О	-те Ml	ежет пою	J дани чным /	й= 001 w Борисогл

1000

1500

2000

2500 А

Рис. 6-11. Продольный градиент напряжения неподвижной дуги - открытой (5 = оо) и в продольных щелях (5 = = 1-16 мм)

тшагщртвшвшшт тша пр этвх токах явлтся пшроковХ Со зшчшия ток% гфмшзтрт шчатает оййшаться охлаждающее действие стенок, градиент тхврятшш Boajaciaei н, яостигяув ветот^юго максимума (более высокого 8 более уЗШк щет\ далее практически мало изменяется с ростом тОка.

SlMM

2500 А

Рйс 6-12 Градиент напряжения дуги в продольных щелях (данные автора) и открытой Отрезками АБ обозначены критические токн

Аналогичный характер имеют вольт-амперные характеристики дуги, движущейся в продольных щелях. Представление о ходе этих характеристик дает рис. 6-12. На рисунке приведены вольт-амперные характеристики, полу-чени{№ при постоянной для каждой кривой скорости движения дуги Штриховыми лиицямн на этом рисунке нанесены вольт-амперные характеристики открытой дуги.

Градиент напряжения дуги в продольных щелях мало зависит от скорости В открытой дуге эта зависимость (штриховые Линии) выражена более резко, и при некоторых условиях градиент напряжения открытой дуги может превосходить значение градиента в узких щелях В большинстве современных дугогасительных устройств с продольными щелями скорость движения дуги

ниже 100 ы1с. При этих условиях продольный градиент яапряжешя дуги в узких щелях существенно выше, чем у открытой дуги.

Зависимость градиента напряжения от ширины щели может быть охаршс теризована кривыми на рис. 6-13. Пока щель остается широкой (S > 6 мм), заметного влияния ширины щели на значение продольного градиента напряжения не наблюдается. Заметное повышение градиента начинается в узких щелях (5 < 4 мм), и особенно значительно при переходе к совсем узким щелям (5 < 1 мм). Таким образом, для получения интенсивного гашения дуги в малом объеме следует применять возможно более узкие щели.

Ограничение при выборе ширины щели определяется той напряженностью магнитного поли, которая необходима для движения дуги в узких щелях. Эта напряженность должна быть выше критической. Она быстро растет с уменьшением ширины щели и для весьма узких щелей становится практически трудно осуществимой.

Учитывая, что градиент напряжения в узких щелях не зависит от скорости движения дуги, напряженность магнитного поля наДо выбирать такой, чтобы при всех условиях дуга не останавливалась. В отличие от открытой дуги увеличение скорости движения дуги в узких щелях следует рассматривать не как метод повышения градиента напряжения, а как способ уменьшения износа стенок камеры.

Дуга в ребристой щели. В дугогасительных устройствах, помимо щел^ с шюскопараллельными стенками, применяют щели с ребрами, вьщ;тупами, уширениями (см. рис. 6-5, в, г, д).

Наличие ребер и уширений мало влияет на скорость движения дуга Значение же продольного градиента напряжения зависит от числа pq> и формы уширений. Наличие прорезей (ребер) повьцпает напряжение на дуге по сравнешю с тем, что имеет место в щели с плоскопараллельными стенками, катая и деформированная в узкой щели дуга будет давить на стенки и, при наличии прорези в стещсе (ущирения в щели), рдавливаться в промежуток, образованный прорезью. Деформация ствола дуги, вызванная наличием прорези, приводит, во-первых, к увеличению площади соприкосновения дуги с холодными стенками камеры; во-вторых (и это, видимо, главиоеХ ребра, образующее прорезь, проникают внутрь дуги и способствуют ее интенсивному охлаждешю. Указанные обстоятельства приводят к местновлу повьшгению градиенту напряжения.

Повышение напряжения ва дуге в ребристой щели пропорционально числу прорезей (ребер) на единицу длины щели, не зависит от ширины прорезе (в пределах у = 1 н- 2 мм) и возрастает с уменьшением ширины щели.

Рис. 6-13. градиента

Зависимость напряжения щели

продольного от ширины

6-4. СПОСОБЫ ВОЗВУЖДЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ДУГ0ГМ1ЕНИЯ

Внешнее магнитное поле для перемещения электрической дуги может быть получено:

1) при помощи катушки, включаемой последовательно с контактами, }лшду которыми возникает электрическая дуга (рис. 6-14);

Рис 6-14 Дугогасительное устройство с последовательной дугогасительной катушкой 1 - дугогвсительвая катуиога, 2 - изляционвая гильза, 3 - сер-дечшх, 4 - полюс, 5 - дугогасительяая камера, б - рсгг, 7 -хоятахты, 8 - дуга, -( + i- - направл^яе магнитного, потока дугогашения

2) при ПОМОЩИ катушки, включаемой параллельно на напряжение сети,

3) при помещу постоянных магнитов.

Катушки юш постоянные магниты снабжаются магнитопроводом, охваты-Ш1ЮЩВМ контакты и рога, между которыми возникает электрическая дуга. Поле катушки (внешнее поле), взаимодействуя с полем дуги, заставляет дугу быстро й^зёмещаться.

Почти исключительное распространение получита последовательная дугогаси-тельная катушка. Основньпии достоинствами Этого способа возбуждения магнитного поля гашения явлшотся надежность и независимость направления силы, действующей на дугу, от направления тока. Аппараты с последовательной катушкой являются иеполяризованными. Изменение направления тога в цепи вызывает и изменение направления поля, создаваемого катушкой. Направление силы, действующей на дугу, в таком случае остается неизменным.

Последовательное магнитное дутье обладает и недостатками. Сила, действующая на единицу длины дуги в магнитном поле,

При последовательной катушке и токах, еще ве вызывающих насыщения мапштопровода щтотшвшт, иштряжерность магнитного поля пропорцисшальна t0vy: Й ~ I. Таким обом, сила, действующая на дугу, пропорциональна квадрату тока (кривая 1 рис. 6-15):

Vhc 6-15. Характеристика последовательного и параллельного гашения Д5ша

F ~ P. (&Щ

При малш тощх эта сила мала. Время гашения малых токов получается большим (кривая 5). Это является основным недостатком последовательной катушки. Для получения силы, достаточной для гашения малых токов, нриходится выбирать большое число витков катушки и увеличивать зазор контактов. Катушка обтекается номинальным током аппарата. Сечение ее витков должно соответствовать этому току, что приводит к большому расходу меди. Например, в контакторах постоянного тока до одной трети меди приходится на дугогасительную катушку. Увеличениег числа витков приводит к сущ ;твен-йым перенапряжениям лри отключении номинального тока.

Параллельная катушка, ток в которой не зависит от тока отключаемой цепи, создает неизййвшое магнитное поле. Сила, действующая на дугу, пропорциональна откшяаемОму току (кривая 2):

F ~ /. (6-6а)

При ыашх тоах сила оказывается большей, чем при последовательной катушке. Время гашения малых токов здесь меньше (кривая 4). Зазор контактов может быть уменьшен. Может быть несколько снижен и сход меди.

Дугогашваде при помощи параллельной катушки, однако, им т следующие существенные недостатки, почТи исключающие его применение:

1) Напряжение сети может упасть или исчезнуть, при этом резко сщзится или пропадет магнитное поЛе гашения, аппарат окажется без надежв<%<! дугд-гашевия;

2) аппарат приобретает вЬолне определенную полярность; при ашюяении направления тока либо в главной иепи, либо в цепи катуш^ изменяется направяеаие силы, действующей на дугу, дуга загоняется внутрь анв^ща;

3) к^трШку дао^одимо изолировать от главной цепи на полное шйряжение. Пршшшие востоянных магнитов для возбуждения магНитйог^ ПШЯ дуго-

гащения позволяет сохранить положительные характеристики паралл&яьноГо возбуждения. Устраняются недостатки первый и третий. Отпадает вЫ: -.1-мость расходования меди на катушки и их изоляции. Снижаются йОдв энергии в аппаратах за счет исключения катушек Возможность умеяыивш зазора контактов позволяет уменьшить магнитные системы, т. е. уменьшить массу и габариты аппаратов в целом.

Недостатком, ограничивающим применение постоянных магнитов для создания магнитного поля дугогашения, является то, что аппарат станови^я поляризованным и неправильное его включение, как и изменение направления ТОка, может привести к аварии-

Однако можно построить такие дугогасительные системы £3], кот<рые не будут поляризованными, несмотря на применение постоянных магнитов* для возбуждения магнитного Поле дугогашения. Применение постоянных магнитов в этой области является задачей аппаратостроения

6-5. ПЛАМЯ ДУГИ И БОРЬБА С НИМ

Открытая электрическая дуга сопровождается выделением большого количества светящихся газов, представляющих собой пламя дуги. Эти газы занимают большой объем. В их существовании можно убедиться, рассматривая кадры ускоренной киносъемки (рис. 6-16) отключения тока контактором. К момешу времени, соответствующему кадру 12, ток в цепи прекратился. Дуга йшжла, а оставшееся пламя дуги продолжает существовать (светиться) еаде зйачятеяь-ное время - кадры 12 -18. Причина возникновения пламени закяочается в ш-

П

сокой температуре газов, 01фужающих дугу или проходящих через нее. Эта температу! вызьшает тепловую ионизащоо и свечение всего объема, занятого ионизированным газом. В нем имеет место одинаковая концентрация положительных и отрицательных частиц, и поэтому пространственный заряд пламени практически равен нулю. Большая концентрация заряженных частиц приводит к большой проводимости пламени, приближающей его по свойствам к проводнику. Присутствие паров меди в пламени сильно способствует его поддержанию в течение сотьа и даже десятых долей секунды после погасания дуги. Борьба с пламенем именно этого ррда представляет собой важную задачу при построении дугогасительных устройств.

Рис. 6->6. Послслопгелыше стадии горения дуги при отключении тока

контажтором на 150 А. Промежуток между соседними кадрами 1,35 10 с t-4-дутя находится в какшре; дуга-за пределами камеры; i2-i8-пламя,

оставшееся после потасавия дуги

Высокая проводимость пламени дуги приводит к тому, что это пламя мож^ вызвать при напряжении в несколько десятков вольт перекрытие таких 1фомежутков, которые в нормальных условиях не пробиваются при десятках тысзй вольт. В этом главная опасность пламени. Вторая опасность связана с высокой температурой. Хотя температура здесь и ниже, чем в самой дуге, однако она все же достаточна для воспламенения легкогорючих материалов или газов, имеющихся в пожароопасных производствах.

В пламени дуги происходят опасные для аппаратов химические процессы. Пары меди контактов, попадая в пламя дуги, окисляются там при высокой температуре и поглощают кислород воздуха. Оставшийся после этого азот соединяется ъ шрами роды и кислородом, образуя азотную кислоту. Капли этой кислоты могут образовать проводящие контактные перешейки и привести к опасным перекрытиям между токоведущими частями в таких местах, куда ИИ дуга, ни ее пламя не могут попасть.

В дугогасительных устройствах с широкими продольными щелями дуга и ее пламя занимают чрезвычайно большие размеры за пределами камер (ржг. 6-17,0, б, в). В {еме, занятом пламенем, ие могут находиться другие аштраты или токоведущие части. Это вызывает увеличение размеров комплектных устройств (главным образом, закрытых) в 2-2,5 раза по отношению к тому,

что требт геометрические размеры аппаратов и монтажные схшы sue соединений.

Весьма :)фективным способом гашения электрической дуги являются узкие продольные щели. В этих щелях достигается и некоторое ограШчевю размеров пламени дуги, как это подтверждается фотографиями дуги на рис. 6-17, г. Размеры пламени дуги существенно меньше в камере с узкой зигзагообразной щелью. Однако погасить пламя в объеме камеры узкие щели не таюйобвы. Высота пламени практически не зависит от пути, проходимого дугой по щели, а зависит главным образом от ширины щели. Очень узкие щели дела невозможно, так как для того чтобы предотвратить остановку луги со всеми

-.л

чк И

I- -

Ш

Ilic. 6-17. Д>га НЦ кимтактарач с различными лугогисительнымн ¥СТюй-ствами при отключении тока /= 1500 А (10/ ом). 1 =480 В, L=4,2 мГи: а - камера с воздушным мешком и широкой щелью; 6 - камера с широкой щелью; в - камера с широкой щелью с иоперечныМи перегородками; г-камера с узкой зигзагообразной щелью; д-камера с узкой зигзаго-образиой щелью и пламегасительной решеткой

вытекающими пагубными последствиями, необходимо создать большие вшря-женности магнитного поля, что требует весьма громоздких устройств.

Эффективным способом борьбы с пламенем электрической дуги является устанрвка решетки из теплопроводящих металлических пластин над узкой щелью камеры (рис. 6-17, д). Получаемая при этом комбинированная система дугогашения, состоящая из камфы с узкой щелью и пламегасительной ршшхи небольших размеров (й = 5 20 мм), позволяет достигнуть полной деишизащга дуги и ее пламени в объеме дугогасительных устройств при отключении аесш больших токов как в контакторах (рис. 6-17, д), так и в автохштических выключателях.

Рекомбинация ионов пламени дуги здесь происходит во время их соприкосновения с металлическими пластинами решетки. Высская тешюемкосп и теплопроводность этих пластин, весьма сильно развитая повертность Ш соприкосновения с пламенем, наконец, довольно значительный путь, который пламени приходится проходить вдоль пластин, способствуют полной деионизации пламени. Рекомбинация ионов у поиерхности холодных металлических пластин происходит гораздо интенсивнее, чем у поверхности диэлектрш^. Помимо рекомбинации у поверхностей, здесь усиливается рекомбинация 8@шв в объеме в результате сильного понижения температуры Пламени во шршл

txo явюшшя вдоль пластин решетки. Важао отметшъ, что более сушествениой явлдатоя длина пластин {пути газов вдоль пластенХ нетсели их ширина.

В рашикпренаой системе гашеше дуги осуществляется в узкой щели, а дейонизшщя пяами дуги - в металлической решепее. Ни дуга, ни ее пламя не выступают за 1феделы камеры. Размер камер аппаратов практически ве уюяичивается. Разм)ы же закрытых комплектных устройств существенно со]фа1цаюта1.

Следует отметить, что кам^а с узкими щелями н загфытые дугогасительные устрё^тва требуют более дугостойких материалов (асбоцемент, керамика). Износ камер здесь выше, чем в камерах с широкими щелями. Более эффек-типное гшнение сопровождается большими перенапряжениями в момент пога-

1я дуга,

6-6. ДОПУСТИМАЯ ЧАСТОТА ОТКЛЮЧЕНИЙ АППАРАТОВ С ЗАКРЫТЫМИ КАМЕРАМИ

В евяж о применением закрытых дугогаоЁтельнЫх устройств возникает вопрос о допустимой частоте работы апааратов, в чадтности контакторов, с этими yctpiCT&aMH. Закрытое дугогаситеяьвм устройство должно рассеивать с вношей пов^ишости всю ж^я-ию, выделяющуюся в дуге, а такхе зшфпт лот^ в контактах. Мшцность пот^ь в камере определится соот-пошетюл

P=UJ + ЩК/тО, (6-7)

где С/, - падеяйе наг^скенвя в кошштах, В; i - ток в цепи, А; - энергия, выделякшщяея в дуге при одном отключшии, т-С; iV -число отключений в чрс.

Если внешняя поверхность камеры F, а коэффициент теплоотдачи с этой пов^яости kj, то превышение темпфатуры т определится соотношением

=to + J?, (6-8)

где То = UJ/{k[F) - превышение температуры камеры при продолжительном режиме работы (без отключений).

Задавпшсь максимально допустимой температурой камеры т^ , получим для 1фе ельной частота работы aroaiapaTa выражение

ЗбООМ--to)

Выделяющаяся в дуге энергия при одном олслючении согласно (5-11) равна

W,-(l + 2k (6-10)

и заввсит в Основном от индуктивности отключаемой цепи. Индуктивность сшюаш цепей эдюктроприводов определяется индуктивностью якорных цепей эяектроддакгатезюй, значеш1в которой может быть с достаточной для практики точш сп>ю тфно из вы1 жения

Ь. 8Р-. (6-11)

где t/iio№ том Щш - номинальные на10>яжение. В, ток. А, и частота вращения, в6/ыш; 2р - число полюсов электродвигателя.

1 ... 6 7 8 9 10 11 12 ... 30