Гашение дуги в дугогасительной решетке

Рассмотренные выше способы гашения дуги сводились к воздействию на ее ствол. Дугу можно также гасить, используя электродные падения напряжения. Впервые этот принципиально новый способ гашения предложил М. О. Доливо-Добровольский. Над контактами 1 и 2 аппарата (рис. 6-22) устанавливаются неподвижные изолированные друг от друга металлические пластины 5, образующие дугогасительную решетку. Возникающая при отключении дуга 3 загоняется в эту решетку, где разбивается на ряд последовательно включенных коротких дуг 4. У каждой пластины решетки возникает околоэлектродное падение напряжения. Гашение дуги происходит за счет суммы околоэлектродных падений напряжения (подробно см. работу [4]).

Гашение дуги постоянного тока. При числе пластин т коротких дуг будет m + 1, столько же будет анодных U _a и катодных U _к падений напряжения.

Напряжение на всей дуге в решетке

U _др= U _э(m +1)+ E _д l _д, (6-14)

где U _э = U _а + U _к — сумма околоэлектродных падений напряжения, В; Е _д — градиент напряжения в дуге, В/см; l _д = 1 ₀(m + 1) — длина дуги, см.

Для открытой дуги той же длины U _до = U _э + Е _д l _д

Таким образом, напряжение на дуге в решетке

U _д.р= U _д.о+ U _э m, (6-15)

т.е. при неизменной длине статическая характеристика дуги в дугогасительной решетке (кривая 2 на рис. 6-22) выражается той же по форме кривой, что и характеристика открытой дуги (кривая 1), но перенесенной на сумму околоэлектродных падений напряжения в область более высоких напряжений.

Если число пластин велико, то величиной U _до по сравнению с U _э m можно пренебречь, и уравнение (6-15) примет вид

U _д.р ≈ U _э m (6-16)

Для того чтобы дуга в решетке погасла, число пластин, между которыми она должна находиться, должно быть m > U/U _э, где U – напряжение сети, В.

Возможны две типичные схемы решетки. В схеме на рис. 6-22, а дуга, возникшая на контактах, переходит на рога и, двигаясь кверху, под действием магнитного поля всеми своими точками одновременно проникает в область, занятую решеткой. Напряжение на дуге достигает значения U _э m, ток в цепи снижается до нуля по кривой, представляющей собой экспоненту.

В схеме на рис. 6-22, б дуга, возникшая на контактах, последовательно входит в промежутки между пластинами решетки по мере удаления подвижного контакта от неподвижного. Напряжение на дуге возрастает постепенно по закону, близкому к линейному. Длительность горения дуги будет уменьшаться с возрастанием скорости расхождения контактов и числа пластин на единицу длины.

Рис. 6-22. Статические вольт-амперные характеристики электрической дуги в решетке и схемы дугогасительных решеток

При прочих равных условиях схема на рис. 6-22, а позволяет получить меньшую продолжительность горения дуги, чем схема на рис. 6-22, б. Однако для обеспечения одновременного входа дуги во все промежутки между пластинами требуется внешнее магнитное поле.

Гашение дуги переменного тока. При гашении дуги переменного тока в дугогасительной решетке основную роль играют процессы у катода, заключающиеся в том, что в рационально спроектированной дугогасительной решетке в момент прохождения тока через нуль околокатодное пространство мгновенно приобретает электрическую прочность 150 – 250 В.

Если (U _{пр 0} проявляется тем минимальным напряжением, которое необходимо для пробоя околокатодного слоя после прохождения тока через нуль, а дугогасительная решетка имеет m катодов (m – 1 пластин), то при

дуга на промежутке не восстановится. В решетке (рис. 6-22, а) дуга погаснет в тот полупериод, за который она войдет в решетку. При схеме рис. 6-22, б дуга за один полупериод может не успеть войти в необходимое число промежутков, так как длина дуги зависит от скорости расхождения контактов.

Как указывалось выше, U _{в max} практически не превосходит 2 Е _г. Условие (6-17) определяет число пластин решетки, между которыми должна находиться дуга переменного тока, чтобы получить ее погасание при прохождении тока через нуль. Необходимое для погасания дуги переменного тока число пластин существенно меньше, чем для постоянного тока, где U _э составляет всего 20 – 25 В. Дугогасительная решетка на переменном токе действует в 7 – 8 раз эффективнее, чем на постоянном. Этим и объясняется широкое ее применение на переменном токе и ограниченное применение – на постоянном.

Дугогасительная решетка позволяет сильно сократить размеры дуги и гасить ее в ограниченном объеме при малом световом и звуковом эффектах. Это обеспечило ей широкое применение в дугогасительных устройствах контакторов и автоматических выключателей.

Выше рассмотрены основные процессы, происходящие в дугогасительной решетке. Эти процессы осложняются дополнительными явлениями. В частности, существенное значение имеют процессы, происходящие при вхождении дуги в решетку, форма и материал пластин.

Вхождение дуги в решетку. Быстро движущаяся дуга встречает существенное аэродинамическое сопротивление при вхождении в решетку. Дойдя до нижнего края пластин, дуга замедляет свою скорость или вовсе останавливается. Аэродинамическое сопротивление (в первом приближении пропорциональное квадрату скорости) падает, и дуга начинает проникать в решетку. Степень снижения скорости дуги или время ее остановки у нижнего края пластин зависят от формы пластин, расстояния между ними, сил, движущих дугу, и общей конструкции решетки. Так, решетка схемы 3 (рис. 6-22, в) имеет преимущества перед другими схемами: условия вхождения дуги в решетку здесь более благоприятны.

В решетку, выполненную по схемам 1, 2, 3, дуга всегда входит. Внешние силы могут только сократить время остановки дуги у нижнего края пластин. В решетке по схеме 4 опорные точки дуги не могут проникать в область, занятую решеткой, дуга здесь не всегда входит в решетку. Длительная остановка дуги у нижнего края пластин приводит к их выгоранию.

Расстояния между пластинами решетки желательно делать весьма малыми. Чем большее число пластин удается поместить на единицу длины, тем компактнее получается дугогасительное устройство. Расстояние между пластинами ограничивается возможностью появления между ними металлического перешейка и их сплавлением. Стальные пластины ближе чем на 2мм располагать нельзя. Второе ограничение сближению пластин ставят условия вхождения дуги в решетку. Чем гуще решетка, тем труднее дуге проникать в нее.

Электрическая дуга в решетке из немагнитного материала. Движение электрической дуги в решетке из немагнитного материала и силы, действующие на дугу, схематично изображены на рис. 6-23, а. На возникшую между контактами электрическую дугу действуют электродинамические силы F ₀ контура тока. Эти силы, а при наличии внешнего магнитного поля и сила взаимодействия тока в дуге с этим полем загоняют дугу в решетку. Силы F ₀ продолжают существовать в течение всего времени нахождения дуги в решетке.

Рис. 6-23. (а) Силы, действующие на дугу в решетке из немагнитного материала

Проникая в решетку, дуга разбивается на ряд коротких дуг. Она перестает двигаться как нечто целое. Каждая из коротких дуг приобретает возможность двигаться самостоятельно. Некоторые из них могут продвинуться вперед, некоторые могут отстать. Как только это произойдет (а произойдет это обязательно), в контурах тока по решетке возникнут местные силы F ₁, стремящиеся задержать движение отставших дуг и ускорить движение дуг, выдвинувшихся вперед. На одних участках дуги будет действовать сила F ₀ – F ₁, на других F ₀ + F ₁. В результате одни дуги в решетке сильно продвинутся вперед, другие отстанут или даже получат обратное движение.

При малых токах силы F ₀ малы, и при решетке из немагнитного материала дуга не всегда проникает в решетку и будет гореть под решеткой. При больших токах дуга быстро пройдет через решетку и будет гореть над решеткой.

Электрическая дуга в решетке из магнитного материала. Движение дуги в решетке из магнитного материала и силы, действующие при этом на дугу, схематично изображены на рис. 6-23,6. Силы F ₀ и F ₁ действуют так же, как в решетке из немагнитного материала, к ним добавляются силы взаимодействия тока в дуге с магнитными массами решетки (см. § 2-10). Эти силы (F ₂) стремятся втянуть дугу в решетку, когда дуга находится под решеткой, и отталкивают ее (F ₃) от краев пластин (к середине) после вхождения дуги в решетку.

Таким образом, электромагнитные силы, возникающие в решетке из магнитного материала (стальной), стремятся выровнять скорости движения отдельных дуг. Эти силы способствуют вхождению дуги в решетку и препятствуют выходу ее из решетки. При малых токах дуга не останавливается под решеткой, как это происходило при решетке из немагнитного материала. Указанные свойства стальных пластин сильно способствовали широкому распространению устройств с дугогасительными решетками. Применение стальных пластин вместо медных или латунных, кроме того, удешевляет конструкцию.

Рис. 6-23. (б) Силы, действующие на дугу в решетке из магнитного материала

Особенности движения в решетке дуги переменного тока повышенной частоты. При переменном, токе в пластинах решетки наводятся вихревые токи. Взаимодействие магнитного поля вихревых токов с током дуги приводит к возникновению электромагнитных сил F’ ₂ и F' ₃, направленных противоположно рассмотренным выше силам F ₂ и F ₃. При промышленной частоте силы F' ₂ и F' ₃ малы и ими можно пренебречь. При повышенной частоте значение этих сил возрастает. При определенных условиях они могут превосходить силы F ₂ и F ₃ существенно изменять характер движения дуги. Вместо того чтобы притягиваться к решетке, как это происходит при частоте 50 Гц (рис. 6-24, а), дуга будет отталкиваться (рис. 6-24, б). Траектория дуги будет направлена не от края к центру, как при 50 Гц, а от центра к краю (А и В — начальные точки траектории дуги).

Рис. 6-24. Силы, действующие на дугу в решетке при промышленной (а) и повышенной

(б) частоте.
Кривые F₂ – F'₂ = f (f) (данные О. Б. Брона) относятся к току I = 1000 А; а – 0,2 см; μ = 10

Характер зависимости сил F ₂ – F' ₂, действующих на дугу при вхождении в стальную и латунную решетки, от частоты переменного тока показан на рис. 6-24, в. В латунной решетке силы F ₂ отсутствуют и наведенные вихревые токи всегда отталкивают дугу от решетки (кривая 1). В стальной решетке силы F' ₂ начинают превосходить силы F ₂ при повышенных частотах (кривая 2).

Дата добавления: 2014-10-15