Способы гашения электрической дуги

Гашение дуги, как указывалось выше, может быть достигнуто увеличением скорости деионизации дугового промежутка, уменьшением скорости восстановления напряжения либо совместным использованием обоих этих факторов.

В судовой аппаратуре находят применение следующие способы гашения дуги:

· Механическое растягивание дуги;

· Гашение дуги в магнитном поле;

· Гашение дуги в продольных щелях;

· Гашение дуги в плотно закрытых камерах;

· Гашение дуги в дугогасительной решетке.

Для гашения электрической дуги, образующейся между контактами электрических аппаратов, применяются дугогасительные устройства, которые основываются на теории гашения длинных и коротких дуг.

В дугогасительных устройствах с длинной дугой гашение осуществляется воздействием на дугу дугогасительнои среды, которая может быть газообразной (воздух, сжатый и разреженный газ), жидкой (масло, вода) и твердой (фибра, органическое стекло и т. п.). Время гашения дуги зависит от интенсивности соприкосновения дуги с дугогасительнои средой. Чем быстрее движется среда по отношению к дуге, тем скорее происходит гашение дуги.

В дугогасительных устройствах с короткой дугой гашение дуги происходит без активного участия гасящей среды. В них используется эффект гашения коротких дуг.

Ко всем дугогасительным устройствам предъявляются следующие требования:

· время гашения дуги должно быть минимальным;

· энергия, выделяемая дугой при размыкании цепи, должна иметь наименьшую величину;

· при гашении дуги не должны возникать опасные для цепи перенапряжения.

Механическое растягивание дуги. Деионизация ствола дуги при неизменном токе связана с рассеянием энергии и приводит к повышению падения напряжения на дуге. При удлинении дуги на ней повышается падение напряжения. При неподвижно горящей дуге, а так же механическом ее растягивании отвод тепла от ствола дуги происходит за счет теплопроводности и естественной конвекции. В низковольтных аппаратах теплоотводящей средой является воздух, теплопроводность которого мала и гасящие свойства при таком гашении слабы. Продольный градиент напряжения в такой дуге незначителен и при постоянном токе свыше 100А он составляет 8—10 В/см. В длинных дугах продольный градиент достигает 12 В/см. В дуге переменного тока среднее значение градиента колеблется около 15 В/см. Поэтому для гашения дуги ее необходимо растянуть на достаточно большую длину l _кр. Длина l _кр, при которой происходит гашение дуги, называется критической. Растягивается дуга обычно механическим путем вследствие расхождения контактов с конечной скоростью.

Охлаждение дуги при этом должно немного возрасти за счет искусственной конвекции. Однако в реальных аппаратах скорость расхождения электродов относительно мала, и отвод тепла от дуги мало чем отличается от теплоотвода неподвижной дуги. Как показывают экспериментальные исследования, критическая длина дуги не зависит от скорости расхождения контактов, т. е. продольный градиент напряжения при малых скоростях не зависит от осевой составляющей скорости. Критическая длина дуги зависит от величины тока и увеличивается с ростом тока.

Механическое растягивание дуги приводит к значительному обгоранию контактов. Для уменьшения их обгорания стремятся получить большие скорости расхождения контактов путем применения мощных отключающих пружин. Гашение дуги в основном за счет ее механического растягивания целесообразно применять в низковольтных аппаратах при отключении относительно небольших токов.

Гашение дуги в магнитном поле. Основным фактором, поддерживающим горение дуги, является термическая ионизация. Поэтому гашение дуги должно в основном происходить за счет ее охлаждения. Охлаждать дугу можно или путем ее обдувания (что связано с применением дополнительных устройств), или путем ее перемещения в неподвижной окружающей среде. Эффект отвода тепла в обоих случаях принципиально будет одинаковым. С ростом скорости движения дуги он охлаждение ее увеличится и градиент напряжения значительно возрастет. Увеличение продольного градиента напряжения уменьшает критическую длину дуги. Например, для тока 600 А и при v _н = 100 м/с продольный градиент составляет около 45 В/см. В этом случае при напряжении 220 В критическая длина дуги будет меньше 5 см. При механическом же растягивании дуги (v _н = 0) и том же токе и напряжении критическая длина дуги значительно возрастет и составит приблизительно 25 см.

В неподвижной и неохлаждаемой дуге плотность тока мала, а диаметр дуги велик. При движении или искусственном охлаждении дуги ее диаметр уменьшается, плотность тока и температура в ней возрастают. Если в неподвижной дуге плотность тока 18— 20 А/см², то в движущейся дуге она может возрасти в тысячи раз. Электромагнитные силы, возникающие от взаимодействия тока и магнитного поля дуги, направлены к центру дуги и сжимают ее. На оси дуги давление достигает максимального значения, а на поверхности оно равно нулю. С увеличением скорости движения дуги возрастает плотность тока и давление. Повышение давления ведет к усилению деионизации в стволе дуги и возрастанию продольного градиента. Следовательно, возрастание продольного градиента в движущейся дуге происходит не только за счет лучшего охлаждения и диффузии, но и вследствие повышения давления в ее стволе.

Рис. 1.2.12 Дугогасительное устройство с последовательным магнитным дутьем

Перемещение дуги в воздухе происходит под действием электродинамических сил, т.е. от взаимодействия тока дуги с собственным или внешним магнитным полем (магнитное дутье).

Внешнее магнитное поле в низковольтных аппаратах может быть создано:

· катушкой, включенной последовательно, с контактами, между которыми возникает дуга;

· катушкой, включаемой параллельно на напряжение сети;

· постоянными магнитами.

Катушка и постоянные магниты имеют магнитопровод, охватывающий контакты, между которыми возникает дуга. В настоящее время чаще всего применяется последовательная дугогасительная катушка. Аппараты с последовательной катушкой относятся к числу неполяризованных. В них при изменении направления тока в цепи меняется направление магнитного поля, создаваемого катушкой. Направление силы, действующей на дугу, в этом случае остается неизменным. Широкое распространение в аппаратах постоянного тока нашли щелевые дугогасительные камеры в сочетании с последовательным магнитным дутьем.

На рис. 1.2.12 приведена схема дугогасительного устройства с камерой, имеющей узкую щель и катушку последовательного магнитного дутья. Ток, протекая по катушке магнитного дутья 1, создает магнитный поток, который по сердечнику 2 и пластинам 3 магнитопровода попадает в зону дуги. От взаимодействия потока с током дуги 4 создается электромагнитная сила, которая перемещает дугу в узкую щель асбестоцементной камеры 5. При малых токах эта сила мала, а время гашения больше. Поэтому для гашения дуги малых токов приходится выполнять катушку с относительно большим числом витков и большим раствором контактов.

Параллельная катушка создает неизменное по величине магнитное поле, так как ток в ней не зависит от тока отключаемой сети. Сила, действующая на дугу в магнитном поле, пропорциональна отключаемому току. При малых токах она больше силы, создаваемой последовательной катушкой, а время гашения меньше. Дугогашение с использованием параллельной катушки обладает существенными недостатками:

· при снижении напряжения в сети, например при коротком замыкании, аппарат оказывается без надежного дугогашения;

· направление силы, действующей на дугу, зависит от направления тока главной цепи и цепи катушки дугогашения.

Применение постоянных магнитов для создания магнитного поля дугогашения позволяет устранить первый недостаток катушки параллельного возбуждения. Кроме того, снижаются масса, габариты и потери энергии в аппарате из-за отсутствия катушки дугогашения. При использовании постоянных магнитов для дугогашения аппарат становится поляризованным. Однако в настоящее время выполняются аппараты с постоянными магнитами, у которых направление силы, действующей на дугу, остается неизменным.

Гашение дуги в продольных щелях. В выключающих аппаратах широкое распространение получили дугогасительные устройства с продольными щелями. Продольная щель образуется между изоляционными пластинами, и ее ось совпадает по направлению с осью ствола дуги. На рис. 1.2.13схематично показаны характерные для судовых аппаратов формы продольных щелей дугогасительных устройств. На рис. 1.2.13, а показана одна прямая продольная щель 1 с параллельными стенками. При применении щели зигзагообразной формы представляется возможным в камере небольших размеров увеличить длину дуги (рис. 1.2.13, б). Повышенными продольными градиентами напряжения обладают щелевые камеры с дополнительными вырезами в стенках 2 (рис. 1.2.13, в).

Рис. 1.2.13. Формы продольных щелей дугогасительных камер

Продольные щели разделяются на широкие и узкие. Широкой называется щель, ширина которой значительно больше диаметра дуги. Узкой называют щель, ширина которой равна или меньше диаметра дуги. В широких щелях движение дуги не стеснено стенками, и ствол дуги не деформируется. Качественно все явления здесь происходят так, как и в открыто горящей дуге. Наличие стенок вносит некоторые количественные изменения в закономерности, которые имеют место в открытой дуге.

При движении дуги в узких щелях происходит деформация ствола дуги и изменяются условия ее охлаждения. Поэтому явления при движении дуги в узких щелях качественно и количественно отличаются от закономерностей, характеризующих движение свободной дуги. В узкой щели по мере увеличения тока от нуля скорость движения дуги сначала растет и достигает максимума. На этом участке диаметр дуги еще не велик, и скорость дуги растет пропорционально корню кубическому из тока. При дальнейшем увеличении тока скорость уменьшается и падает до минимума. Это происходит потому, что с увеличением тока растет диаметр дуги и возрастают силы аэродинамического сопротивления. Электромагнитные силы при этом оказываются недостаточными для перемещения дуги. При значительном уменьшении скорости и малых напряженностях внешнего магнитного поля (до 159·10²А/м) происходит сильное нагревание стенок щели с образованием на них проводящих мостиков, в результате чего дуга останавливается. Остановку дуги устраняют увеличением внешнего магнитного поля.

При последующем увеличении тока электромагнитные силы растут быстрее сил сопротивления, что приводит к возрастанию скорости дуги. Достигнув второго максимума, скорость начинает падать вследствие сильного нагревания стенок щели. Если температура стенок будет достаточной для создания проводящих мостиков, то дуга остановится. В более узких щелях и при малых напряженностях магнитного поля неустойчивое движение дуги происходит при меньших токах. Величина тока, которая соответствует неустойчивому движению дуги и ее остановке, называется критической I_кр. В узких щелях при малых значениях напряженности поля дуга горит неподвижно. При увеличении поля скорость дуги резко возрастает и во много раз превосходит скорость дуги в широких щелях.

Наименьший градиент напряжения на столбе дуги наблюдается в открытой неподвижной дуге. Градиент напряжения возрастает с уменьшением ширины щели. В продольных щелях он мало зависит от скорости. У большинства современных дугогасительных устройств с продольными щелями скорость движения дуги ниже 100 м/с. При этих условиях продольный градиент напряжения в узких щелях значительно выше, чем у открытой дуги.

По данным О. Брона, при ширине щели d > 6 мм продольный градиент напряжения практически остается неизменным. Заметное повышение градиента начинается в узких щелях — при ширине щели d < 4 мм и особенно при d < 1 мм. Поэтому для интенсивного гашения дуги в малом объеме необходимо применять более узкие щели.

Ввиду того, что градиент напряжения в узких щелях мало зависит от скорости движения дуги, напряженность магнитного поля должна иметь такую величину, чтобы при всех условиях было обеспечено движение дуги в дугогасительном устройстве. В отличие от открытой дуги скорость движения дуги в узких щелях необходимо рассматривать как способ уменьшения износа стенок камеры дугогасительного устройства, а не как метод повышения градиента напряжения.

Наличие ребер и сужений в дугогасительных камерах повышает напряжение на дуге и мало влияет на скорость ее движения. Возрастание падения напряжения на столбе дуги в ребристой щели определяется местными повышениями продольного градиента напряжения на участке, где расположены поперечные прорези. Объясняется это тем, что деформированная в узкой щели дуга будет давить на стенки и вдавливаться в промежуток, образованный прорезью. Деформация ствола дуги в камерах с прорезями приводит к увеличению площади соприкосновения дуги с холодильными стенками камеры, что способствует интенсивному ее охлаждению.

Повышение напряжения на дуге в ребристой щели пропорционально числу ребер на единицу длины щели, не зависит от ширины прорезей и возрастает с уменьшением ширины щели.

Рис. 1.2.14. Схема дугогасительной решетки

Гашение дуги в плотно закрытых камерах. В плавких предохранителях, кнопках управления и других аппаратах гашение дуги происходит в плотно закрытых камерах за счет создаваемого дугой высокого давления. В плотно закрытых камерах энергия дуги превращается в кинетическую энергию движений газовых молекул, которые находятся в ограниченном объеме камеры. В результате скорость молекул возрастает и давление в камере увеличивается.

На гашение дуги высоким давлением оказывают влияние два фактора. Во-первых, уменьшается тепловая ионизация в столбе дуги, а во-вторых, с увеличением скорости молекул возрастает теплопроводность газа. Оба эти фактора вызывают интенсивное охлаждение дуги и приводят к повышению градиента напряжения. Давление в замкнутой камере прямо пропорционально энергии дуги и обратно пропорционально объему камеры. Следовательно, дугу можно погасить в небольших, плотно закрытых камерах, в результате повышения давления в них при горении дуги.

Гашение дуги в дугогасительной решетке. Выше были рассмотрены способы гашения дуги путем воздействия на ее столб. Принципиально другой метод гашения дуги основан на использовании околоэлектродного падения напряжения. Над контактами 1 и 2 (рис. 1.2.14) расположены неподвижные изолированные друг от друга металлические пластины 3, образующие дугогасительную решетку. Дуга 5, возникающая при размыкании контактов, под действием электродинамических сил втягивается в дугогасительную решетку, и разбивается на ряд коротких дуг 4. У каждой пластины решетки возникает околоэлектродное падение напряжения. В результате за счет суммы околоэлектродных падений напряжения увеличивается общее напряжение дуги и происходит гашение дуги. В дугогасительной решетке по мере расхождения контактов дуга последовательно входит в промежутки между пластинами решетки. При этом напряжение на дуге возрастает приблизительно по линейному закону, а длительность горения дуги будет уменьшаться с возрастанием скорости расхождения контактов и числа пластин, приходящихся на единицу длины дуги.

Дугогасительная решетка переменного тока имеет значительно меньшее количество пластин, чем решетка постоянного тока. При гашении дуги переменного тока действие дугогасительной решетки в 7—8 раз эффективнее, чем постоянного, поэтому на практике более широкое применение нашли дугогасительные решетки на переменном токе. Использование дугогасительных решеток позволяет значительно сократить размеры дуги и гасить ее в ограниченном объеме с малым световым и звуковым эффектом. Дугогасительные решетки обычно представляют собой камеры, которые набираются из стальных омедненных пластин. Электромагнитные силы, возникающие в решетке из магнитного материала, стремятся выровнять скорость движения отдельных дуг между пластинами. Кроме того, эти силы способствуют вхождению дуги в решетку, и даже при малых токах дуга не останавливается под ней.

При переменном токе повышенной частоты в пластинах решетки наводятся вихревые токи. В результате взаимодействия магнитного поля вихревых токов с токами дуги создаются дополнительные электромагнитные силы, направленные встречно движению дуги. При нормальной частоте они малы и ими можно пренебречь. При повышенной частоте они могут существенно изменить характер движения дуги. Дуга вместо того, чтобы втягиваться в решетку, может от нее отталкиваться.