книги / Электрические аппараты автоматического управления

и получают

^Ф.а=0,05р//2. (3.42)

При определении фиктивного времени выражением /ф=/ф.п+ +/ф.а пользуются в том случае, если время короткого замыкания /н^ 1 сек. В тех случаях, когда это время больше одной секунды, т. е. /„>1 сек, то для определения фиктивного времени при­ нимают

§ 4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДУГЕ

При отключении электрических цепей с током на контактах выключателей возникает электрическая дуга. При эксплуатации электрических аппаратов дуга является нежелательным явлениехМ, так как всегда разрушает контакты, а при неблагоприятных условиях может вызвать большие разрушения в электрических установках. Вместе с тем дуга (аналогично трению в механизме) является необходимым явлением, так как без нее нельзя отклю­ чить ни одну мощную цепь и избежать разрушения этой цепи. Поэтому дуга при эксплуатации электрооборудования столь же необходима, как и вредна. В силу этого с дугой надо считаться, как с необходимостью, и уметь управлять ею. Это управление сводится к возможности гашения дуги в допустимое время с та­ ким расчетом, чтобы пребывание дуги на контактах отключаю­ щегося аппарата оставляло минимальные разрушения. При от­ ключении токов короткого замыкания это имеет особое значение, так как в этом случае дуга выделяет много энергии, и если аппа­ рат не рассчитан на такой режим, то он будет разрушен.

В связи с этим в таком сложном вопросе, каким является процесс возникновения, горения и гашения дуги, мы будем исхо­ дить главным образом из тех представлений, которые непосред­ ственно выявляют возможности гашения дуги.

Процесс возникновения дуги элементарно выглядит так. При расхождений'контактов (рис. 4.1) между ними образуется жид­ кий металлический мостик, который взрывается, образуя прово­ дящее облако паров металла, где и загорается дуга. На первых долях мм напряженность электрического поля на микронном

дуговом промежутке Е = ~^~ является величиной очень большой.

В связи с этим электроны промежутка получают большое ускоре­ ние и вызывают ударную ионизацию его: промежуток становится ионизированным и дуга продолжает гореть. Увеличение расстоя­ ния между электродами приводит к уменьшению напряженности

электрического поля, так как уменьшается du в связи с резким

уменьшением и и ростом л\ Ударная ионизация в этих условиях утрачивает свое решающее значение в поддержании горения дуги и на„смену ей приходит тепловая ионизация.

Таким образом, когда гщщц^уга, при значительном расхож­ дении контактов, то ее горение поддерживается главным образом тепловой ионизацией. Тепловая ионизация воздуха имеет место при температуре порядка 7000° К. Если в воздухе содержатся пары металлов, то тепловая ионизация дугового промежутка

da

{

}

j i x

Рис. 4.1

может протекать при температуре порядка 4500—5000° К. При температурах ниже указанных, тепловая ионизация становится недостаточной для поддержания горения дуги, и она гаснет. Этим обстоятельством и пользуются при гашении дуги на контактах отключаемых аппаратов. Отключающие аппараты снабжаются специальными дугогасительными устройствами, которые дей­ ствуют таким образом, что отнимают тепло от пламени дуги и она гаснет в результате утраты промежутком тепловой иони­ зации. Температура дуги может достигать 10 000° К.

§ 4.2. ДУГА ПОСТОЯННОГО ТОКА И ГАШЕНИЕ ЕЕ

Дуга постоянного тока гашению поддается очень трудно. При малых токах и небольших напряжениях дуга постоянного тока может быть погашена простым разрывом на воздухе без значительных разрушений контактов. Однако даже в аппаратах напряжением до 1000 в необходимо принимать специальные меры для гашения дуги с целью сохранения контактов.

Основной характеристикой дуги постоянного тока является ее вольт-амперная характеристика, представляющая собой зави­ симость тока от напряжения дуги, т. е. i =y(U) при постоянной длине дуги. На рис. 4.2 представлена вольт-амперная характери­ стика дуги постоянного тока. Из нее следует, что дуга постоян­ ного тока как вид нагрузки представляет собой активное нелиней­ ное сопротивление. С ростом тока напряжение на дуге умень­ шается и наоборот. На рис. 4.2 Ц, — напряжение зажигания дуги,

Ur — напряжение гашения дуги. Как видно, эти напряжения раз­ нятся. Если ток дуги уменьшать очень медленно, то U3= U r.

Если в каждой точке вольт-амперной характеристики дуга горит устойчиво, то такая характеристика называется статиче­ ской, в противном случае вольт-амперная характеристика назы­ вается динамической. Напряжение дуги определяется выра­ жением

На рис. 4.4 уравнению (4.4) соответствуют точки А и В, кото­ рые называются точками устойчивого горения дуги. Формально точки А и В равнозначны, однако точка В является точкой устой­ чивого горения по существу, а точка А только формально, она лишь момент, удовлетворяющий уравнению (4.4). Рассмотрим этот вопрос несколько подробнее. Для этого возьмем рис. 4.5 и

проследим изменение параметров дуги для разных точек ее вольтамперной характеристики. Рассмотрим точку В. Если ток дуги

возрастет до значения /в> / в, то уравнение баланса напряжений

сИ'в

будет Uc = iBr+U-A—L — - так как и с<1вг+ и л и надо отнять at

ток в цепи будет уменьшаться, и это будет протекать до тех пор,

пока iB не станет равным 1В. Таким образом, процесс вернулся

Г

в точку В — точку устойчивого горения дуги. Отсюда следует, что точка В устойчива справа. Допустим теперь, что ток дуги уменьшился — i" < 1В. Тогда уравнение баланса напряжений

будет Uc= i" r+Un+L ~dtdin ’ так как /7с> ^В+ н д и необходимо

diB

прибавить L dt 1чтобы был баланс. Но раз L положительно,

то ток в цепи будет возрастать, и это будет протекать до тех пор, пока ток i"B не станет равным току / в. Таким образом, точка В

устойчива слева. Поэтому и говорят, что она является действи­ тельно устойчивой, т. е. такой точкой, в которой дуга горит устой­ чиво. Этого нельзя утверждать относительно точки А, Допустим,

t/c > l> + UA,

до тех пор, пока ток i'A не станет равным току / в, т. е. процесс перейдет из точки А в точку В. Поэтому точка А справа неустой­ чива.

Допустим, что ток /А уменьшается, т. е. становится таким, что < / а»тогда уравнение баланса напряжений будет

U ^ r + u , - L

^c< ("r+U 1,

dil

араз L dt отрицательно, то ток дуги будет уменьшаться, и этот

процесс будет длиться до тех пор, пока Г' не станет равным О и дуга погаснет.

Таким образом, мы видим, что точка А неустойчива как спра­ ва, так и слева. Поэтому точка А лишь формально является точ­ кой устойчивого горения дуги, в действительности она неустой-

чива. При рассмотрении устойчивости точки А слева мы видим, что ток дуги уменьшается до тех пор, пока он не станет равным О,

и дуга гаснет. Причем это имеет место тогда, когда L = (Ид. от­

рицательно. Отсюда можно сделать вывод относительно гашения

di

дуги. Дуга погаснет всегда, если L — отрицательно. Значит, для

гашения дуги необходимо создать такие условия ее горения, что­

бы L — было все время отрицательно (рис. 4.6). Это условие

будет соблюдено во всех случаях, если вольт-амперная характе­ ристика дуги будет лежать выше нагрузочной прямой ab, уравне­ ние которой

где ии — напряжение нагрузочной прямой ab.

Дуга также погаснет, если ее вольт-амперная характеристика будет касаться нагрузочной прямой ab в одной точке, например в точке /(. Длина дуги, при которой ее вольт-амперная характе­ ристика касается нагрузочной прямой ab в одной точке К, назы­ вается критической длиной. Этой длине дуги соответствует зна­ чение тока /1ф, который называется критическим током дуги.

Теперь можно сделать основную формулировку условия гаше­ ния дуги постоянного тока. Дуга постоянного тока погаснет вся­ кий раз, если ее растянуть до критической длины. Понятие кри­ тической длины дуги — понятие энергетическое. Оно характери­ зуется тем, что при критической длине дуги количество энергии, поступающей из сети, меньше того количества энергии, которое дуга отдает в окружающую среду, и дуга гаснет.

Ваппаратах постоянного тока напряжением до 1000 в как раз

ииспользуется это положение для гашения дуги на их контактах. Наиболее эффективными устройствами для гашения дуг постоян­ ного тока являются дугогасительные устройства в виде решеток

сузкими щелями. Эти решетки изготовляются из дугостойких материалов (фарфора или асбоцемента).

На рис. 4.7, а показано положение дуги в начале отключения а и после того, как она затянута в узкие щели в. Дуга, соприка­

саясь со стенками узких щелей (1,5—2 мм) решетки, отдает теп­ ло, достигает критической длины и гаснет.

Дугогасительная решетка (рис. 4.7,6) состоит из двух поло­ вин Уи 2, каждая из которых имеет фасонные выступы. Если две половины сомкнуть, то выступы разместятся во взаимных впади­ нах и образуют решетку.

Для того чтобы затянуть дугу в щели решетки, применяется специальное устройство, которое называется дугогасительной ка­ тушкой. Дугогасительная катушка (рис. 4.8) необходима для того, чтобы в момент отключения создать магнитный поток, кото­ рый, взаимодействуя с током дуги, будет выталкивать ее вверх, а значит, затягивать между щелей решетки. Дугогасительная катушка состоит из двух одинаковых металлических фасонных пластин-щек а, соединенных с помощью цилиндрического стально­ го стерженька, который служит сердечником катушки. Если про­ следить за направлением магнитного потока по правилу бурав­ чика, то для рис. 4.8 он будет направлен так, как это изображено стрелками. Если в этом магнитном поле поместить дугу, которая является «гибким проводником с током», то, согласно правилу левой руки, возникнет сила Еэ, которая будет выталкивать дугу вверх, если ток дуги будет иметь направление, указанное стрел­ кой (рис. 4.8). Из этого следует, что в аппаратах постоянного тока, в которых гашение дуги происходит с помощью магнитного дутья, необходимо согласовывать направление токов в катушке и в дуге, т. е. между рабочими контактами. Если это не учиты­ вать, то магнитное дутье приведет к прямо противоположным

результатам, оно будет не способствовать гашению дуги, а задер­ живать ее на контактах и тем разрушать их.

Дугу постоянного тока гасят также в решетках (рис. 4.9, а), составленных из большого числа стальных омедненных пластин. Медь предохраняет пластины от обгорания, а сталь обеспечивает втягивание дуги между пластинами. Пластина представлена на

а

Рис. 4.9

рис. 4.9,6. Из таких пластин с расстояниями между ними 1,5— 2 мм собирается решетка. Гашение дуги в этом случае достигает­ ся за счет большого падения напряжения на дуге, вследствие сум­ мирования катодных и анодных падений напряжений, каждого дугового промежутка при горении дуги. То есть в этом случае для гашения дуги используется разделение ее на ряд дуг со свои­ ми UKи Ua так, что

И д = И Ко и т = ( U u + U a) n + UCTy

где п — число промежутков между пластинами решетки.

Этим достигается ускоренное гашение дуги, так как создаются условия, когда

Одновременно с этим имеет место охлаждение дуги стенками ре­ шетки. На одну пару пластин падение напряжения составляет 25—40 в. Поэтому 2bn>U c и

Дугу постоянного тока в трансформаторном масле гасить нельзя, так как в этом случае возникают перенапряжения, опас­ ные для изоляции сети, электрически связанной с аппаратом, в котором гасится дуга в масле.