3.3. Элементы дугогасительных систем

Естественное гашение дуги происходит в результате ее удлине­ния, охлаждения, подразделения на несколько последовательных дуг с использованием таких простейших устройств, как рога, защит­ные камеры, перегородки и ряд других. Искусственное гашение дуги осуществляется воздействием магнитных потоков.

Дугогасительные рога. Обычно такие рога выполняют расходя­щимися (рис. 3.14). При естественном дугогашении их чаще всего выполняют по схеме рис. 3.14, а. В этом случае скорость движения дуги по рогам ид определяется эмпирической формулой (с учетом действия электродинамических и аэродинамических сил), м/с,

0,02 I / ( .

где I — ток дуги, А; l — расстояние между электродами, м; b — ширина сечения электрода, м.

Расстояние между рогами в месте перегиба

= 2( + )sin /2 = 2 sin ( /2).

Поперечная скорость дуги в этом случае:

≅ 0,02 l / ( √( + /2) ;

≅ 0.02 l / ( /2) .

Заметное уменьшение скорости дуги к моменту ее разрыва бли­же к концам рогов позволяет снизить коммутационные перенапря­жения. Схема рогов, показанная на рис. 3.14, б, лучше, так как при этом отсутствуют резкие перегибы электродов (обычно по окруж­ности или кривой переходных радиусов).

а)

Рис. 3.14. Схемы расходящихся дугогасительных рогов свободного дуго­гашения

Рога применяют преимущественно не как самостоятельное дуго­гасительное устройство, а как вспомогательные элементы в систе­мах электромагнитного или другого дугогашения. В качестве при-мера покажем, как выполнены рога в электропневматических кон­такторах ПК-41—ПК-46 (рис. 3.15). Верхний рог — часть крон­штейна 6 неподвижного контакта 7, для которого он служит также держателем. Нижний рог имеет шарнирное и контактно-разъемное •соединение с кронштейном подвижного контакта; с подвижным контактом 8 он непосредственно не соединен, являясь как бы частью дугогасительной камеры. В этом случае оба рога неподвижны, что позволяет выполнить их в виде массивных латунных отливок.

В зарубежной практике часто применяют дугогасительные рога облегченной конструкции. Обычно их выполняют в виде прямых стержней, имеющих корытообразное сечение.

Развернутая длина дугогасительных рогов зависит от номиналь­ного напряжения аппарата, площадь их поперечного сечения (сред­няя) — от номинального тока (рис. 3.16). По рогам перемещаются опорные точки дуги, катодное и анодное пятна, отдавая часть теп­ловой энергии телу рогов. Именно так рассеивает дуга часть энер­гии, выделяющейся в процессе коммутации. При этом поверхность рогов в условиях эксплуатации оплавляется, что приводит к необ­ходимости периодически их зачищать или восстанавливать. Чтобы упорядочить процесс естественного износа и соответствующий ему процесс восстановления, сечению рогов придают Т-образную или швеллерную форму (рис. 3.16, в). При этом обгорают только вы­ступающие полки. •

На концах рогов опорные точки дуги занимают стабильное по­ложение. Для предотвращения сильного оплавления концов уве­личивают их массу, придавая им такую форму, чтобы расплавлен­ный металл не повреждал поверхность рога и дугогасительную ка­меру. С той же целью на концах штампованных рогов часто устанав­ливают накладки из дугопрочной металлокерамики.

Дугогасительные камеры. Они предназначаются для того, чтобы обеспечить электрическую и тепловую изоляцию дуги от элементов конструкции. В дугогасительных камерах, особенно тяговых аппа­ратов, имеющих жесткие габаритные ограничения, стремятся разме­стить дуги возможно большей длины в ограниченном пространстве. Камеры служат также приемниками тепловой энергии, рассеивае­мой дугой, а иногда усиливают теплоотдачу от ствола дуги в окру­жающее пространство. В общем электроаппаратостроении для ак­тивизации этого процесса создают искусственные среды в виде элегаза, масла, сверхчистой воды. Попытки их применения в тяго­вом аппаратостроении пока успехом не увенчались, что объясня­ется спецификой работы тяговых аппаратов.

Эффективность дугогасительных камер в сильной степени зави­сит от изоляционных материалов, применяемых для их внутрен­ней облицовки. Ранее для этих целей использовали преимуществен­но электротехнический асбестоцемент АЦЭИД в виде листов разной толщины. Из этого материала продолжают изготовлять дуго­гасительные сборные камеры при их мелкосерийном произ­водстве.

Для изготовления дугогасительных камер тяговых аппаратов применяют преимущественно специальные дугостойкие пластмассы. В отечественной практике — это прессмасса КМК-218, ПКО-1-3-И, имеющая плотность 1,8—2,0 т/м3 (1,8—2,0 г/см3), предел прочнос­ти не ниже 30 МПа, электрическую прочность 5 кВ/мм, стойкость к воздействию тока 60 мА в течение 180 с, теплостойкость по Мартенсу не ниже 250 °С. Для вспомогательных контакторов иногда допускается применение пластмассы МФК-20, обладающей значи­тельно худшими показателями и к тому же водопоглащающей. Не нормируются, но имеют большое значение свойства поверхности (гладкая, нешероховатая), способность выделять при обгорании деионизирующие газы.

Рис. 3.15. Контактор типа ПК-41—ПК-46:

1— пневматический привод; 2 — тяга; 3 — изолированная стойка; 4, б —крон­штейны; 5 — рычаг; 7, 8 — силовые контакты; 9 — катушка дугогашения;10 — вентиль; 11— блок-контакты

а)

в)  г)

Рис. 3.16. Зависимости развернутой длины рога от напряжения U (а), пло­щади сечения от номинального тока (б); поперечные сечения литых (в) и штампованных рогов

Один из важнейших показателей эффективности дугогаситель­ной камеры — длина дуги, которую в ней возможно разместить. Его оценивают коэффициентом использования пространства камеры

3.8)

где — наибольшая длина дуги, не выходящей за пределы камеры; — периметр выхлопного пространства камеры.

Желательно, чтобы значение было по возможности большим; оно зависит от типа камеры. В тяговых аппаратах применяют камеры многощелевые, однощелевые, лабиринтовые, радиальные и их модификации.

Рис. 3.17. Схема многощелевой дуго­гасительной камеры:

1 — рога; 2 — стенки камеры; 3— перегородки

Первые дугогасительные ка­меры были многощелевыми. В них ствол образовавшейся дуги внутренними перегородками раз­бивается на ряд параллельных дуг, погасить которые легче, чем одну дугу большой мощ­ности (рис. 3.17). Обычно диа­метр ствола дуги в тяговых аппаратах лежит в пределах 5 мм, а для того, что­бы дуга разделилась, нужна ширина щели 2—2,5 мм. Однако в многощелевых камерах тя­говых аппаратов делать такие щели нельзя, так как возникают тепловые деформации перегородок, при которых щели такой ширины могут быть перекрыты; кроме того, их невозможно очи­щать при техническом обслуживании.

Обычно принимают = 5÷8 мм и дуга горит в какой-то одной щели. Избирательность действующих щелей случайна, а примене­ние нескольких перегородок в какой-то мере оправдано их взаим­ным резервированием, рассредоточением износа, повышением теплоемкости дугогасительной камеры.

Рис. 3.18. Дугогасительная камера контактора ISVAD4:

1 — горизонтальная стенка; 2— щеле­вые вставки; 3 — полюс шихтованный; 4 — перегородка асбестоцементная; 5 — изолирующая шайба; 6 — боковина из стеклотекстолита; 7 — шпилька; 8 — бо­ковина

Вместе с тем эффективность многощелевых камер невысока (размеры см. на рис. 3.17):

≅ /(b+ + ) ≅ 0,8 ÷0,85.

В дугогасительной камере кон­тактора ISVAD4 (рис. 3.18) элект­ровоза ЧС2 значение несколь­ко увеличено в результате уста­новки между перегородками 4 изо­лирующих шайб 5, укрепленных стяжными латунными шпилька­ми 7. Для предотвращения выхода дуги за пределы камеры на вы­хлопном отверстии установлены щелевые вставки 2 из асбестоце­мента—так называемые щелевые вставки, образующие прерывистые выхлопные отверстия. Однако такая камера чересчур закрыта и деионизация ее внутреннего про­странства замедлена. При повторных выключениях ионизация может оказаться настолько сильной, что дуга перекроет изолирую­щие шайбы 5 и сформируется по минимальной длине.

Рис. 3.19. Схема, поясняющая деформацию дуги в камере с узкой щелью (а), вольт-амперные характеристики выключения камеры с широкой (кривая 1) и с узкой (кривая 2) щелью (б) и зависимость магнитной напряженности ду­гогашения от ширины щели Н( ) (в)

К положительным качествам многощелевы# камер можно отнес­ти сравнительно малый износ перегородок, наиболее простую тех­нологическую оснастку для их изготовления, простоту техничес­кого обслуживания. Поэтому их до сих пор применяют при мелко­серийном и индивидуальном производстве.

Привлекательность применения однощелевых камер определя­ется возможностью изготовления их с узкой щелью (рис. 3.19, а). Узкая щель, деформируя поперечное сечение ствола дуги, увеличи­вает поверхность теплоотдачи (особенно на входе дуги в узкую щель), усиливает рассеяние энергии дуги. Первоначальный диаметр ствола наиболее сильно деформируется в зоне входа в узкую щель, при дальнейшем продвижении дуги снижается площадь се­чения ствола, а рассеяние энергии дугой относительно стабилизи­руется. В конце процесса дугогашения ствол дуги может свободно разместиться в щели, имея диаметр ≤ .

При однощелевой камере с узкой щелью более благоприятен коммутационный процесс, протекающий с меньшими перенапряже­ниями

< (рис. 3.19, б). Для получения таких ха­рактеристик необходимо, чтобы дуга вошла в щель шириной из камеры шириной

≥ + 2 ,

где — ширина контакта; — монтажный зазор, равный 1—2 мм.

Для этого к дуге требует­ся приложить большие уси­лия. При электромагнитном дугогашении необходимо соз­дать высокую магнитную на­пряженность поля H (рис. 3.19, в). Чрезмерное форсирование гашения дуги в этом случае недопустимо, так как оно может привести к срезу тока и высоким пере­напряжениям.

Рис. 3.20. Схема дугогасительной каме­ры радиального типа

А-А (развертка)

В тяговых аппаратах одно­щелевые камеры с узкой щелью применяют сравни­тельно редко, так как коэф­фициент использования про­странства для них тот же, что и у многощелевых, а вследствие быстрого износа стенок их характеристики в эксплуатации ока­зываются нестабильными, надежность ниже, а техническое обслу­живание сложнее, чем многощелевых. Однощелевые камеры с ши­рокой щелью применяют на э. п. с. переменного тока во вспомога­тельных цепях. Широкая щель способствует быстрой деионизации меж контактного пространства.

Дугогасительная камера радиального типа (рис. 3.20) отлича­ется тем, что ее пространство перегорожено глухими изоляционны­ми перегородками, направленными радиально по отношению к иде­ализированной дуге. В такой камере можно разместить дугу зна­чительной длины.

Минимальный зазор между перегородками ≥ (4÷5) . При толщине перегородок их возможное наибольшее число

≅(πα — )/( + ),

где — радиус внутренних кромок перегородок; α — угол раствора камеры, рад.

Если число перегородок n ≤ , наибольшая длина дуги, размещаемой в камере, определяется высотой перегородок h:

2 h n + π α ≤ ≤ 2 hn + πα ( + h).

Обычно разница между предельными значениями не так велика. Большее значение соответствует большим средним индукциям в ду­гогасительной камере при электромагнитном дугогашении. Наиболь­шая длина дуги должна соответствовать ее критическому зна­чению , что позволяет определить необходимую высоту пере­городки

h≅ ( - πα )/(2n).

Периметр выхлопной щели

≅ 1 , 1 π α ( +h). (3.9)

Соответственно коэффициент использования пространства

≅(2 h n + π α )/[ 1 , 1 π α ( +h)] ≅ 3 ÷4.

Использование пространства камеры тем лучше, чем больше число перегородок и их высота. К недостаткам радиальных камер, широко применяемых в зарубежном тяговом аппаратостроении и не­используемых в отечественном, можно отнести высокий местный из­нос перегородок. В щелевых камерах дуга скользит по поверхности перегородок или боковых стенок камеры. В радиальных камерах дуга охватывает перегородки по фиксированным трассам, на кото­рые она воздействует до погасания. Особенно сильно выгорают вну­тренние кромки перегородок. Они подвергаются непрерывному воз­действию дуги с момента достижения ею радиуса и до погаса­ния. Для ограничения их выгорания в концах перегородок часто делают вставки из теплостойкого фарфора — стеатита. Однако он вследствие хрупкости не очень подходит для тяговых аппаратов.

Радиальным камерам не всегда придают форму, приведенную на рис. 3.20. Например, в контакторном элементе группового пере­ключателя типа 1KHD1 (рис. 3.21) дугогасительная камера не име­ет явно выраженную радиальную форму. По конструкции перего­родок и принципу действия — это радиальная система, на которую распространяются все соображения, приведенные выше.

Стремление соединить положительные свойства щелевых и ра­диальных камер, устранив их недостатки, привело к созданию ла­биринтовых камер (рис. 3.22), широко используемых в отечествен­ном тяговом аппаратостроении. Перегородки в них расположены так же, как и в радиальной камере, но перегородки не глухие, а попеременно выступающие из боковых стенок камеры. Дуга деформи­руется в двух направлениях: поперечном и радиальном. Амплитуда деформации в поперечном направлении зависит от формы пере­городок. В каждом поперечном сечении камеры

≅ 0,5 ( - ),

где — внутренняя ширина камеры; — поперечный размер перего­родки.

Сложнее определить деформацию дуги в радиальном направле­нии. Дуга скользит по поверхности перегородок и ее радиальные деформации зависят от разности скоростей перемещения ствола. При электромагнитном дугогашении скорость перемещения ствола в поперечном направлении в любой i-й точке, м/с,

≅ 370 ,

где — соответственно ширина щели, см, и индукция Тл, в точ­ке i.

Рис. 31.21. Контакторный элемент переключателя 1KND1:

1 — установочные рейки; 2— контактодержатель; 3 - сердечник дугогасительной катуш­ки; 4 — обмотка дугогасительной катушки; 5 — внутренняя камера; 6 — контакты; 7 — полюс; 8 — подвижной контактодержатель; 9 — валики; 10— шунт; 11 - рычаг; 12 — ро­лик; 13 — кулачковая шайба; 14 — выводная шина

Предположим для наглядности, что щель имеет две ширины: и . Соотношение скоростей движения дуги в этих щелях

= / ≅ .

Относительная скорость

≅ = ( - 1).

Эта зависимость имеет лишь приближенный характер, так как наряду с индукцией и зазором на скорость дуги влияет ряд других факторов: аэродинамические сопротивления, степень деформации поперечного сечения ствола и т. д. Для любого момента времени го­рения дуги ее радиальную деформацию можно ориентировочно определить как

( - 1 )dt.

Полное удлинение дуги перегородками

≅ 2 n

В лабиринтовых камерах (рис. 3.23) можно регулировать про­цессы горения дуги, изменяя зазоры — ширину щели. Для боль­шинства коммутационных аппаратов такие камеры чаще всего вы­полняют из двухпрофильных боковин, скрепленных шпильками.

Изменяя профиль боковин можно получить дугогасительную щель различной формы. Чаще всего ее выполняют зигзагообраз­ной одинаковой ширины как на боковых стенках перегородок (рис. 3.23, а), так и на

перегибах .

При этом радиальные удлинения дуги не происходят и камера становит­ся по существу однощелевой с узкой щелью, обеспечивая удлинение дуги только благодаря поперечным деформациям дуги . Наи­большая длина дуги в щели

≅ πα ( )/(sin β/2),

где β — угол между поверх­ностями ребер.

Как и для радиальной ка­меры, значение можно оп­ределить по уравнению (3.9). Коэффициент использования пространства камеры неве­лик, для такой щели

/ ≅ 1/(1,1 sin β).

Рис. 3.22. Схема лабиринтовой дуго­гасительной камеры

Рис. 3.23. Лабиринты дугогасительных камер

Для варианта лабиринта на рис, 3.23, б, когда > , радиальная де­формация происходит по боковым стенкам, а продви­жение дуги по граням замед­лится. Это нежелательно, так я) как грани будут сильно об­горать. Наиболее благоприя­тен вариант рис. 3.23, в, ког­да > . При этом с большой скоростью дуга в щели распространяется по граням перегородок и именно здесь будут наибольшими ее радиальные деформации.

В этом случае точно пре­допределить возможную наи­большую длину дуги трудно.

Рис. 3.24. Кратности индуктив­ных перенапряжений при от­ключении цепи с лабиринтовой (1) и радиальной (2) дугогаси­тельной камерами

По некоторым опытным данным в; случае правильного формирования щели = 2,5÷ 4, т. е. близок к значению для радиальных камер.

Создание лабиринтовых камер с переменными значениями и в радиальном направлении позволяет гибко регулировать в продолжении периода горения дуги градиент паде­ния напряжения Е для получения лучших коммутационных свойств ап­парата. В качестве примера на рис. 3.24 приведены диаграммы зави­симостей относительного значения коммутационного перенапряжения от индуктивности цепи при ее отключении одним и тем же коммутационным аппаратом с лаби­ринтовой (кривая 1) и радиальной (кривая 2) камерами.

Дугогасительные (деионные) решетки. В общем электроаппарато- строении применяют довольно часто в качестве средства дугогаше­ния дугогасительные (деионные) решетки; они предложены М. О. До- ливо-Добровольским. Такая решетка (рис. 3.25) представляет собой набор медных или стальных пластин, расположенных радиально и изолированных одна от другой в зоне дугогашения. Достигнув этих пластин, дуга разбивается между ними на отдельные, включенные последовательно дуги. При этом резко возрастает общее падение на­пряжения

= n ( + + Е ),

где n — число пластин решетки; — длина дуги между двумя пластина­ми: / n.

Рис. 3.25. Деионная решетка (а) и зависимости, характеризующие ее влия­ние на восстановление прочности воздушного зазора (б)

В сравнении с дугой, имеющей длину ствола и не разделенную решеткой, приращение падения напряжения, вызванное решет­кой,

∆ U = - ( E ) = (n - 1) ( ).

Такое повышение падения напряжения дуги весьма эффективно, особенно при переменном токе. Этому способствует также свойство решетки повышать восстанавливающуюся прочность межконтактно- го пространства путем ускорения его деионизации. Это свойство уси­ливается с увеличением числа пластин (рис. 3.25, б). Его широко используют в низковольтных аппаратах переменного тока, приме­няя дугогасительные решетки как основное средство дугогашения.

При высоких напряжениях этот способ не так эффективен из-за необходимости иметь большое число пластин. Как правило, ≅26÷28 В; поэтому с учетом возможных перенапряжений число пластин должно намного превышать принятое (100—150 шт) при = 3 кВ. В тяговых аппаратах дугогасительные решетки применяют как вспомогательное средство для того, чтобы «не вы­пустить» дугу из камеры. Это в условиях габаритных ограничений весьма существенно.

Обычно при выборе параметров дугогасительных решеток ориен­тировочно принимают n ≥ /( ), где — наибольшие напряжения для коммутационных процессов.

При использовании решеток в тяговых аппаратах в качестве вспомогательных средств дугогашения n снижают в 1,6—2 раза и принимают толщину пластин ≅ 2 ÷Змм. Наименьшее расстоя­ние между пластинами

≤10 ÷15 мм, а их высота

≥ 0,173 ,

где — время горения дуги в зоне решетки; обычно ≅ 0,1 с; при вспо­могательном использовании = 0,03ч÷0,05 с, если ≥ 14÷20 мм.

Деионная решетка на выхлопном отверстии камеры может вызы­вать резкое снижение тока, подобное его срезу. Для сглаживания процесса выключения иногда часть пластин шунтируют резистором.