Силы втягивания дуги (проводника) в стальную решетку

В дугогасительных камерах аппаратов высокого и низкого напряжений применяется решетка из набора ферромагнитных пла­стин с пазами.

Электрическая дуга, возникающая между контактами аппа­рата, является своеобразным проводником тока. Взаимодействие этого проводника с решеткой создает электромагнитную силу, двигающую ду­гу. Наиболее широко распространены решетки из стальных пластин с клино­видными пазами.

Рассмотрим силу, действующую на проводник (дугу), симметрично расположенный в пазу прямоугольного сечения (рис.6.3).

При расчете примем сле­дующие упрощения: магнитное сопро­тивление стали равно нулю; потоком рассеяния, выходящим с торца решетки пренебрегаем; ток течет по геометрической ОСИ проводника.

В данном случае для расчета силы удобно воспользоваться энергетическим методом. Сила, действующая на проводник, в данном случае бу­дет равна

. (6.13)

Индуктивность системы L можно выразить через поток

. (6.14)

Поскольку , тогда

. (6.15)

Поток, связанный с проводником, равен

, (6.16)

где – ;

l– активная длина решетки;

x– расстояние от проводника до начала паза;

ширина паза.

Подставляя , получим

(6.17)

При сделанных допущениях сила, действующая на проводник, не зависит от положения проводника в пазу.

Рис.6.4.К расчету сил, действующих на проводник

расположенный в прямоугольном пазу ферромагнитного тела

В дугогасительных устройствах низкого напряжения дуга, втягиваясь в решетку, пересекает ее и останавливается в точке а, в которой сила, действующая на дугу, должна быть равна нулю.

Это может быть при ,т. е. дуга остановится в точке, где поток достигает максимального значения. Поскольку то эта точка также соответствует максимуму электромагнитной энергии. По мере движения дуги вверх проводимость нижней части магнитной цепи растет линейно с х. В точке а об­щая проводимость цепи будет максимальна. Если дуга пройдет выше нее, то поток начнет снова убывать и возникнет сила, стремящаяся вер­нуть дугу опять в точку а.

В реальном аппарате картина зна­чительно усложняется, поскольку по мере продвижения дуги вверх растет поток в цепи и наступает насыщение верхней части пластин решетки. Если опытным путем , с помощью измерительной катушки получить зависи­мость Ф_x = f(х), заменив дугу про­водником, то величина силы, действующей на дугу, может быть достаточно точно рассчитана с учетом сопротивления стали по следующей формуле:

, (6.18)

где находится графическим дифференцированием опытной кривой . Для клиновидной щели (рис.6.5) сила, действующая на дугу, может быть также рассчитана по уравнению (6.16), если принять те же допущения, что и для прямоугольной щели:

(6.20)

здесь воздушный зазор на расстоянии х от начала решетки

Рис. 6.5. К расчету сил, действующих на проводник,

расположенный в суживающемся пазу ферромагнитного тела

Подставив в уравнение для силы, получим

. (6.21)

В отличие от предыдущего случая по мере роста х₁ величина силы увеличивается и достигает бесконечной величины при х₁ =h. В действительности, по мере уменьшения будет возрастать па­дение магнитного потенциала в стали. В этом случае мы не имеем права пользоваться уравнением. При х₁ =h вся намагни­чивающая сила проводника становится равной падению магнит­ного потенциала в стали. Уравнением можно пользоваться только тогда, когда падение магнитного потенциала в стали не­велико (не более 10% от общей намагничивающей силы).

Сила, действующая на дугу, может значительно искажаться ее формой. После расхождения контактов дуга имеет форму не прямолинейного проводника, а скорее форму части окружности. Это при­водит к тому, что сначала в решетку входит средняя часть дуги, а потом ее крайние части. Кроме того, дуга может не располагаться точно по оси паза, что также затрудняет расчет. Формулы могут быть использованы только для ориентировочных расчетов. Для более точных расчетов рекомендуется опытным пу­тем снимать зависимость и пользоваться графическим дифференцированием.

Аналогичные силы возникают между проводником и ферромагнитным телом, поскольку при приближении проводника к телу обязательно возрастает поток и, следовательно, увеличивается электромагнитная энергия системы.