2. 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.

2.1. Дугогасительные рога.

Обычно такие рога выполняют расходящимися (рис.2.1). Скорость движения дуги по рогам определяется эмпирической формулой (с учетом действия электродинамических и аэродинамических сил):

Рис.2.1

,

где I – ток дуги;

b – ширина сечения рога;

l – длина дуги.

По мере движения дуги по рогам происходит увеличение ее длины и, как следствие, уменьшение скорости. Это позволяет снизить коммутационные перенапряжения при разрыве дуги.

Дугогасительные рога применяют преимущественно не как самостоятельное дугогасительное устройство, а как вспомогательные элементы в системах электромагнитного или другого дугогашения.

Длина дугогасительных рогов зависит от номинального напряжения аппарата (рис.2.2,а), площадь их поперечного сечения – от номинального тока (рис.2.2,б). 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 ее горения. 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 швеллерообразную форму (рис.2.2,в,г). При этом обгорают только выступающие полки.

Рис.2.2

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.

2.2. Дугогасительные камеры.

Дугогасительные камеры 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, выделяемой дугой, а иногда усиливают теплоотдачу от ствола дуги в окружающее пространство.

Эффективность дугогасительных камер зависит от изоляционных материалов, применяемых для их внутренней облицовки. Ранее для этих целей использовали преимущественно электротехнический асбестоцемент в виде листов разной толщины. В настоящее время для изготовления дугогасительных камер тяговых аппаратов применяют преимущественно специальные дугостойкие пластмассы.

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

,

где l_дг max – максимальная длина дуги, не выходящей за пределы дугогасительной камеры;

l_пв – периметр выхлопного пространства камеры.

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

Первые дугогасительные камеры были многощелевыми (рис.2.3). В них ствол образовавшейся дуги внутренними перегородками разбивается на ряд параллельных дуг, погасить которые легче, чем одну дугу большой мощности. Обычно диаметр ствола дуги в тяговых аппаратах лежит в пределах 3…5 мм. Для того, чтобы такая 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.

О бычно принимают _щ = 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.

К положительным качествам многощелевых камер можно отнести сравнительно малый износ перегородок, наиболее простую технологическую оснастку для их изготовления, простоту технического обслуживания.

Привлекательность применения однощелевых камер определяется возможностью изготовления их с узкой щелью. Узкая щель, деформируя поперечное сечение ствола дуги, увеличивает поверхность теплоотдачи, усиливает рассеяние энергии дуги.

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.

Дугогасительная камера радиального типа (рис.2.4) отличается тем, что ее пространство перегорожено глухими изоляционными перегородками, направленными радиально по отношению к идеализированной дуге. В такой камере можно разместить дугу значительной длины.

l _{дг max} ≤ 2nh + α(R_в+h),

где n – количество перегородок;

h – высота перегородок;

α – угол раствора камеры;

R_в – радиус внутренних кромок перегородок.

Использование пространства камеры тем лучше, чем больше число перегородок и их высота.

К недостаткам радиальных камер 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 R_в и до погасания.

Стремление соединить положительные свойства щелевых и радиальных камер, устранив их недостатки, привело к созданию лабиринтовых камер (рис.2.5). Перегородки в них расположены так же, как и в радиальной камере, но перегородки не глухие, а попеременно выступающие из противоположных стенок камеры. Дуга деформируется в двух направлениях – поперечном и радиальном.

В лабиринтовых камерах можно регулировать процессы горения дуги, изменяя зазоры – ширину щели. Для большинства электрических аппаратов такие камеры чаще всего выполняют из двухпрофильных боковин, скрепленных между собой.

И зменяя профиль боковин можно получить дугогасительную щель различной формы. Чаще всего ее выполняют зигзагообразной одинаковой ширины как на боковых стенках перегородок, так и на перегибах (рис.2.6,а). 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

,

где  – угол между поверхностями ребер.

Создание лабиринтовых камер с переменными значениями ширины щели в радиальном направлении (рис.2.6,б,в) позволяет гибко регулировать во время горения дуги градиент падения напряжения для получения лучших коммутационных свойств аппарата.