2.11 Способы гашения электрической дуги

а) Воздействие на столб электрической дуги. Задача ДУ состоит в том, чтобы обеспечить гашение дуги за малое время с допустимым уровнем перенапряжений, при малом износе частей аппарата, при минимальном объеме раскаленных газов, с минимальным звуковым и световым эффектами.

Рассмотрим ДУ аппаратов низкого напряжения. Для гашения дуги постоянного тока необходимо, чтобы ВАХ дуги u_д, шла выше прямой U − iR. Так как u_д = E_nI + u_Э , то подъем характеристики можно получить за счет увеличения длины дуги l, напряженности электрического поля в столбе дуги (градиента) E_n и использования околоэлектродного падения напряжения u_Э . Увеличить градиент E_n можно путем эффективного охлаждения дуги и подъема давления среды, в которой она горит. Охлаждение дуги можно создать за счет перемещения дуги в воздухе или газе, за счет их перемещения относительно дуги либо размещения дуги в узкой щели, стенки которой имеют высокую теплопроводность и дугостойкость.

Поднятие ВАХ за счет увеличения длины малоэффективно, так как значение E_n для свободно горящей в воздухе дуги мало (10 В/см) и ее гашение требует значительного растяжения, что увеличивает габариты аппарата.

В электрических аппаратах низкого напряжения наиболее широко применяются ДУ с узкой щелью. Для увеличения эффективности охлаждения ширина щели делается меньше диаметра дуги . Кроме того, по мере втягивания дуги в щель она приобретает форму зигзага. При этом увеличивается не только длина дуги, но и отвод тепла от нее.

Перемещение дуги в такой камере осуществляется с помощью магнитного поля.

Важнейшей характеристикой дугогасительной камеры является зависимость градиента E_n от ширины щели и тока I (рисунок 2.22). Для каждого значения меняются I и напряженность магнитного поля . Значение относится к открытой свободно горящей в воздухе дуге. Для открытой дуги (штриховой линией) градиент E_n резко изменяется в зависимости от тока и для неподвижной дуги составляет всего 10 В/см.

Для узкой щели мм градиент E_n мало зависит от тока и увеличивается с уменьшением . Скорость движения дуги может достигать 200 м/с и при неизменном токе дуги 1 меняется за счет изменения напряженности поля . Зависимость продольного градиента E_n от ширины щели показана на рисунке 2.23. Следует отметить, что при уменьшении ширины щели возрастает сопротивление движению дуги. Магнитная система ДУ должна исключать возможность остановки дуги, так как это приводит к разрушению керамики и отказу ДУ.

штриховые кривые – для от крытой дуги; − сплошные кривые − − для щели шириной 1 − 4 мм и при скоростях движения дуги м/с

Рисунок 2.22 − Зависимость градиента дуги от тока и

ширины щели

Наиболее характерные формы щели в керамических пластинах ДУ изображены на рисунке 2.24, где 1 и 2-зона наибольшего охлаждения дуги; 3 - продольная щель, в которую направляется дуга; 4- расширение, облегчающее вхождение дуги в камеру;

5-местные уширения в щели.

Рисунок 2.23 − Зависимость продольного градиента

от ширины щели

Когда дуга под воздействием магнитного поля затягивается в зигзагообразную узкую щель, увеличивается ее длина. При этом возрастает градиент E_n за счет охлаждения, благодаря тесному контакту дуги с керамическими стенками щели. Наиболее эффективна форма рисунка 2.24, д, при которой градиент E_n дополнительно возрастает за счет местных уширений 5

Рисунок 2.24 -Характерные формы продольных щелей

дугогасительных камер

Раскаленные газы, выбрасываемые из ДУ после гашения дуги, попадая на токоведущие детали оборудования, могут приводить к возникновению в нем КЗ. Поэтому на пути этих газов устанавливают решетку из металлических пластин. Газы, проходя через эту решетку, деионизируются, охлаждаются, и опасная зона их выброса резко сокращается.

б) Перемещение дуги вод воздействием магнитного поля. Электрическая дуга является своеобразным проводником с током, который может взаимодействовать с магнитным полем. Сила взаимодействия между током дуги и магнитным полем перемещает дугу, создается так называемое магнитное дутье. ДУ с магнитным дутьем показано на рисунке 2.25. Магнитное поле создается катушкой 1, включенной последовательно с коммутируемой цепью. Внутри катушки 1 размещен сердечник 3, соединенный с ферромагнитными полюсами в виде пластин 4. Между катушкой и сердечником размещается изоляционный цилиндр 2. При протекании тока по катушке создается магнитное поле, направление которого указано крестиками. Ток протекает от входного контакта 5 по катушке 1, замкнутым контактам 6 и гибкой связи 7 ко второму выходному контакту аппарата. При размыкании контактов 6 между ними возникает сначала жидкий металлический мостик, а затем дуга 8. Под действием магнитного поля катушки возникает сила , которая перемещает дугу в керамическую камеру 9. Сила, действующая на единицу длины дуги,

,

где − индуктивностьмагнитного поля катушки в месте расположения дуги.

Можно считать, что индукция В и, следовательно, . Эта сила перемещает дугу сначала в воздухе, а потом в узкой щели дугогасительной камеры и расходуется на преодоление аэродинамического сопротивления воздуха и силы трения дуги о стенки щели. Магнитное поле может быть создано и параллельной катушкой, включенной на напряжение источника. В этом случае индукция не зависит от тока в дуге и сила пропорциональна этому

току .

Рисунок 2.25 − ДУ с последовательной дугогасительной

катушкой

Рисунок 2.26 − Характеристики последовательного и параллельного магнитного дутья

На рисунке 2.26 показаны зависимости силы Р, действующей на дугу, и длительности горения дуги отключаемого тока в относительных единицах Сила, действующая на дугу при последовательной катушке, пропорциональна квадрату тока и изображается кривой 1. Зависимость при параллельной катушке описывается прямой 2. Положим, что при эти силы равны. В кривой имеются две характерные области.

В области время растет с увеличением тока, в области − падает. В области сила мала их гашение дуги происходит за счет ее удлинения расходящимся подвижным контактом.

Чем больше ток, тем больше требуется длина дуги для ее гашения и тем больше время гашения. В области как только контакты разомкнутся, с помощью ЭДУ дуга заводится в камеру и быстро гаснет. Наибольшая длительность горения дуги имеет место при = 5А. Из рисунка 2.26 видно, что при малых токах сила, действующая на дугу при последовательной катушке, меньше, чем при параллельной. Поэтому длительность горения дуги при последовательной катушке (кривая 3) больше, чем при параллельной, (кривая 4). За счет увеличения МДС катушки максимум кривой 4 может быть снижен.