10.3 Особенности горения и гашения дуги переменного тока

Если для гашения дуги постоянного тока необходимо создать условия, при которых ток упал бы до нуля, то при переменном токе ток в дуге независимо от степени ионизации дугового промежутка проходит через нуль каждый полупериод, т.е. каждый полупериод дуга гаснет и зажигается вновь. Задача гашения в данном случае состоит в том, чтобы создать условия, при которых ток не восстановился бы после прохождения через нуль.

Решающее значение для гашения дуги переменного тока при напряжении до 1000В имеют явления, происходящие у катода при переходе тока через нуль. В момент перехода тока через нуль в прикатодной области за время порядка 0.1 мксек изоляция воздушного промежутка восстанавливается до величины U₀= 150-250В, т.е. для того, чтобы возникла дуга необходимо приложить напряжение выше указанных величин.

11 Лекция 11. Способы гашения электрической дуги11

Содержание лекции:

способы гашения электрической дуги. Магнитное дутье. Гашение дуги высоким давлением. Применение дугогасительных решеток на постоянном и переменном токе.

Цель лекции:

рассмотрение физических явлений, происходящих при гашении электрической дуги между расходящимися контактами аппарата различными способами.

Задача дугогасительных устройств аппаратов состоит в том, чтобы обеспечить гашение дуги:

а) за малое время с допустимым уровнем перенапряжений;

б) при малом износе токоведущих частей аппарата;

в) при минимальном объеме раскаленных газов;

г) с минимальным звуковым и световым эффектами.

Для гашения дуги постоянного тока необходимо, чтобы ВАХ дуги проходила выше реостатной прямой, т.е.

,

а так как

,

то подъем характеристики можно получить за счет:

а) увеличения длины дуги ;

б) напряженности электрического поля в столбе дуги;

в)использования околоэлектродного падения напряжения.

Поднятие ВАХ за счет увеличения длины дуги малоэффективно, так как требует значительного увеличения размеров аппаратов.

Увеличить напряженность электрического поля внутри дуги можно:

а) путем эффективного охлаждения дуги;

б) за счет подъема давления среды, в которой горит дуга.

Охлаждение дуги обычно осуществляют:

а) перемещая дугу относительно среды, в которой она находится, используя для этой цели магнитное поле (магнитное дутье);

б) загоняя с помощью магнитного дутья дугу в узкую щель дугогасительной камеры, стенки которой имеют высокую теплопроводность и дугостойкость. Дуга по мере втягивания в щель приобретает форму зигзага, благодаря чему длина дуги увеличивается. Охлаждение дуги осуществляется в результате тесного контакта дуги с холодными относительно температуры дуги керамическими стенками щели.

11.1 Перемещение дуги под действием магнитного поля

Электрическая дуга, являясь своеобразным проводником с током, может взаимодействовать с магнитным полем. В результате на дугу будет действовать сила, так называемое магнитное дутье, перемещающее дугу.

Чаще всего магнитное поле создается катушкой последовательно включенной с коммутируемой цепью. Сила, действующая на единицу длины дуги в магнитном поле равна

где I – ток дуги;

H - напряженность магнитного поля, создаваемого дугогасительной катушкой в зоне горения дуги.

Так как для последовательной катушки то

Таким образом, сила, действующая на дугу пропорциональна квадрату тока.

При малых токах эта сила мала, поэтому для получения силы достаточной для гашения малых токов приходится увеличивать число витков обмотки, а так как обмотка обтекается номинальным током аппарата, то и сечение ее витков должно соответствовать этому току. Это приводит к большому расходу меди.

С помощью магнитного дутья дуга с силой загоняется в узкие щели дугогасительных решеток, выполняемых из тугоплавких материалов. В результате дуга резко охлаждается на стенках решетки. Быстро нарастают деионизационные процессы и дуга гаснет. Применяется в контакторах с тяжелым режимом работы при числе включений в час более 600.

11.2 Гашение дуги высоким давлением

Проводимость дугового промежутка зависит от степени ионизации газа. При неизменной температуре степень ионизации падает с ростом давления. Это значит, что для проведения того же тока при высоком давлении необходимо приложить более высокое напряжение.

С ростом давления возрастает также теплопроводность газа, что приводит к усилению отвода тепла и охлаждению дуги. В конечном итоге с ростом давления напряжение на дуге возрастает.

Гашение дуги при помощи высокого давления, создаваемого самой же дугой в плотно закрытых камерах используется в плавких предохранителях и ряде других аппаратах. В этих аппаратах вся энергия, выделяемая в дуге, отдается газу, находящемуся в ограниченном объеме

В первом приближении здесь справедливо соотношение

где - энергия дуги;

-объем;

- давление.

В результате дугу удается погасить в небольших плотно закрытых камерах и сделать аппараты совершенно безопасными в пожарном отношении.

11.3 Гашение дуги в дугогасительной решетке

Рассмотренные выше способы гашения дуги сводились к воздействию на ее ствол.

Дугу можно гасить, используя околоэлектродные падения напряжения. Впервые этот принципиально новый способ гашения предложил Доливо-Добровольский.

Над расходящимися контактами 1 и 2 аппарата (см. рисунок 11.1) устанавливаются неподвижные изолированные друг от друга металлические пластины 3, образующие дугогасительную решетку. Возникающая при отключении дуга 4 загоняется в эту решетку, где разбивается на ряд последовательно включенных коротких дуг 5.

Рисунок 11.1 – Дугогасительная решетка и статические вольт амперные характеристики дуги: а- открытой; б- в дугогасительной решетки

У каждой пластины решетки возникает околоэлектродное падение напряжения. Гашение дуги происходит за счет суммы околоэлектродных падений напряжения.

Постоянный ток

При числе пластин коротких дуг будети столько же будет прианодныхи прикатодныхпадений напряжения. Напряжение на всей дуге в решетке будет равно

где - сумма околоэлектродных падений напряжения;

- длина дуги;

- расстояние между пластинами решетки.

ВАХ дуги в дугогасительной решетке выражается той же по форме кривой, что и ВАХ открытой дуги, но перенесенной на сумму околоэлектродных падений в область более высоких напряжений.

Для того, чтобы дуга погасла необходимо, чтобы число пластин решетки удовлетворяла условию

где - напряжение сети;

- приэлектродное падение напряжения .

Переменный ток

При гашении дуги переменного тока в дугогасительной решетке основную роль играют процессы у катода, заключающиеся в том, что в момент прохождения тока через нуль околокатодное пространство мгновенно приобретает электрическую прочность порядка .

Поскольку на постоянном токе,что гораздо меньше, чем на переменном токе, то и число пластин в дугогасительной решетке на переменном токе нужно соответственно значительно меньше.

Дугогасительная решетка на переменном токе действует в 7-8 раз эффективнее, чем на постоянном токе. Этим объясняется ее широкое 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 эффекте. Это обеспечило ей широкое применение в дугогасительных устройствах контакторов и автоматических выключателей.

Пластины дугогасительной решетки выполняют из магнитного материала (стали). Возникающие между дугой и ферромагнитными пластинами силы притяжения способствуют быстрому вхождению дуги в пространство между пластинами и разбиению дуги на ряд последовательно включенных коротких дуг.

Недостатком дугогасительной решетки является прогорание пластин в повторно-кратковременном режиме при токе 600 А и выше. Для уменьшения коррозии пластины покрывают медью или цинком.

12 Лекция 12. Электромагнитные механизмы¹²

Содержание лекции:

сила притяжения электромагнита. Формула Максвелла. Электромагниты переменного тока. Короткозамкнутый виток, как мера борьбы с шумами и вибрацией в аппаратах переменного тока. Замедление и ускорение действия электромагнита.

Цель лекции:

дать студентам основные сведения об электромагнитах, являющихся электромеханическим преобразователем энергии во многих аппаратах.

Электромагнитные механизмы применяют для приведения в действие многих аппаратов. Как мы отмечали ранее, от работы электромагнита в значительной мере зависит нормальная работа контактов аппаратов, наличие или отсутствие вибрации контактов, возможность сваривания контактов при КЗ и т.д. Что, в свою очередь, обеспечивается созданием необходимой для нормальной работы аппаратов силы притяжения электромагнита.