книги / Электрические аппараты. Общий курс

Охлаждение дуги происходит за счет излучения, теп­ лопроводности и конвекции.

Для открытой дуги, горящей в воздухе, за счет лу­ чеиспускания отдается 15—30% энергии, выделяемой в дуге. Для дуги, горящей в закрытом дугогасительном устройстве, доля тепла, отдаваемого лучеиспусканием, меньше.

Отвод тепла за счет теплопроводности газа в значи­ тельной степени зависит от температуры газа. Так, при температуре 4000 К молекулы водорода диссоциируют на атомы. При этом от дуги отводится большое количе­ ство тепла. Внешне этот процесс рассматривается как резкое увеличение теплопроводности. Теплопроводность газа сильно зависит от его природы. Так, средняя тепло­ проводность водорода в 17 раз больше, чем воздуха. Благодаря своей высокрй теплопроводности при прочих равных условиях водород способствует более быстрому охлаждению столба дуги. Ток, отключаемый в атмосфере водорода, в 7,5 раз больше, чем в воздухе при том же давлении.

При горении дуги в трансформаторном масле по­ следнее разлагается, выделяя газы, основную часть ко­ торых составляет водород. В атмосфере этого газа и происходит эффективное гашение. В некоторых аппара­

вид теплоотдачи наряду с теплопроводностью является для дуги решающим.

тельных ионов, которые могли бы нейтрализовать электроны. Поэтому вблизи анода создается отри­ цательный объемный заряд, что и вызывает по­ явление околоанодного падения напряжения и повыше­ ние напряженности электрического поля. Величина

Электроны разгоняются в поле, образованном отри­ цательным объемным зарядом и анодом. Энергия, при­ обретенная электронами, отдается аноду. Благодаря большой энергии электронов анод нагревается до очень

высокой температуры, которая, как правило, выше тем­ пературы катода. Мощный поток электронов выбивает из анода электроны, которые также участвуют в созда­ нии отрицательного объемного заряда.

Исследования показали, что высокая температура анода и околоанодная область не оказывают существен­

металла катода, у которых потенциал ионизации значи­ тельно ниже.

В области дугового столба положительные и отри­ цательные объемные заряды уравновешивают друг дру­ га и результирующий заряд равен нулю. Градиент на­ пряжения на дуге остается постоянным Для дуги, сво­ бодно горящей в воздухе, этот ’ градиент составляет (2—3) • 103 В/м.

В дугогасительных устройствах градиент сильно воз­ растает, достигая (2—3) • 104 В/м.

Анодное падение напряжения равно 5— 10 В. При больших токах анодное напряжение уменьшается, в то

Время как околокатодное напряжение остается посто­ янным.

В некоторых аппаратах низкого напряжения длина ДУГИ невелика. Падение напряжения на столбе дуги маЛО по сравнению с суммой падения напряжения у катода

здесь большую роль играет отвод тепла от дуги элект­ родами.

В аппаратах высокого наряжения падение напряже­ ния на столбе дуги значительно больше, чем околоэлектродные падения напряжения. Условия существования

Важнейшей характеристикой дуги является зависимость напряжении на ней от величины тока. Эта характерис­ тика называется иольт-ампериой. С ростом тока i уве­ личивается температура дуги, усиливается термическая ионизации, возрастает число ионизированных частиц в разряде и падает электрическое сопротивление дуги гд.

Напряжение на дуге равно 1>д. При увеличении тока сопротивление дуги уменьшается так резко, что напря­ жение иа дуге надает, несмотря на то, что ток в це­ ни возрастает. Каждому значению тока в установившем­ ся режиме соответствует свой динамический баланс числа заряженных частиц. При большем значении тока увеличивается количество возникающих зарядов. Одна­ ко при этом возрастает число исчезающих зарядов, так что результирующая скорость изменения числа заряжен­ ных частиц при новом значении тока равна нулю.

При переходе от одного значения тока к другому тепловое состояние дуги не изменяется мгновенно. Дуго­ вой промежуток обладает тепловой инерцией. Если ток изменяется во времени медленно, то тепловая инерция разряда не сказывается. Каждому значению тока со­ ответствует однозначное значение сопротивления дуги или напряжения на ней.

му околоэлектродных падений напряжения иэ и падения напряжения в столбе дуги:

горит дуга. Статические вольт-амперные характеристи­ ки дуги имеют вид кривых, изображенных на рис. 4-2. Чем больше длина дуги, тем выше лежит ее статическая вольт-амперная характеристика. С ростом давления среды, в которой .горит дуга, также увеличивается на­ пряженность Е и поднимается вольт-амперная характе­ ристика аналогично рис. 4-2.

Охлаждение дуги существенно влияет на эту ха­ рактеристику. Чем интенсивнее охлаждение дуги, тем больше от нее отводится мощность. При этом должна возрасти мощность, выделяемая дугой. При заданном токе это возможно за счет увеличения напряжения на дуге. Таким образом, с ростом охлаждения вольт-ампер­ ная характеристика поднимается. Этим широко поль­ зуются в дугогасительных устройствах аппаратов.

Очевидно, что стационарным режимом будет такой, при котором ток в цепи не меняется, т. е. d i/d t= 0 .

На рис. 4-3,6 совместно с вольт-амперной характе­ ристикой дуги построена наклонная прямая U—Щ.

Для тока I отрезок ab в масштабе чертежа равен напряжению на Дуге, отрёзРк cd — падению напряжения на резисторе R и отрезок Ьс соответствует Ldi/dt. Оче-

Рис. 4-5. Статическая и ди­ намическая вольт-амперные характеристики дуги.

в электрической цепи с дугой.

Рис. 4-6. Процесс отключе­ ния при переменной длине Дуги.

Это воможно либо за счет поднятия вольт-амперной характеристики, либо за счет увеличения сопротивления цепи.

Вольт-амперная характеристика дуги может быть поднята за счет увеличения длины дуги, интенсивного охлаждения, повышения давления среды, в которой го­ рит дуга.

При замкнутых контактах дуга отсутствует, и ток в

противления ток в цепи будет уменьшаться, принимая значения i3, ц, / кр (рис 4-4). При дальнейшем возра­ стании сопротивления соблюдается неравенство ид> и —

— iR, т. е. создаются условия для гашения дуги.

Токи и сопротивления, при которых наступают усло­

Таким образом, с ростом отключаемого тока и напря­ жения источника условия отключения утяжеляются.

Диализ рис. 4-4 показывает, что за счет изменения сопротивления R можно снять статическую характери­ стику только при токах до / кр. Для того чтобы снять эту зависимость при меньших токах, необходимо увеличить напряжение источника питания.

Определим длительность /д горения дуги. Обозначим \L di/dt\ через Au:

Ad — I L dildi |. Произведя интегрирование, получим:

о

к

Таким образом, чем больше А и, тем меньше длитель­ ность горения дуги, что является крайне желательным. Но увеличение А и ведет к росту напряжения на контак­ тах в момент гашения дуги.

1бы значения L di/dt были малыми. В связи с этим в дуготасительных устройствах постоянного тока стремятся иметь большие значения L di/dt при больших токах и ма­

дуги. Если ток в цепи изменяется медленно, то току i\ со­ ответствует сопротивление дуги гдЬ а большему току i2 соответствует меньшее сопротивление гд2 (см. статичес­ кую характеристику дуги — кривая А на рис. 4-5).

В реальных установках ток может меняться довольно быстро. Вследствие тепловой инерции дугового столба Изменение сопротивления дуги отстает от изменения то­ ка. Зависимость напряжения на дуге от тока при быст­

при быстром росте тока сопротивление дуги падает мед­ леннее, чем растет ток. При уменьшении — ниже, по­ скольку в этом режиме сопротивление дуги меньше, чем при медленном изменении тока (кривая С на рис. 4-5).

Динамическая характеристика в значительной степе­ ни определяется скоростью изменения тока в дуге. Если в цепь ввести очень большое сопротивление за время, бес­ конечно малое по сравнению с тепловой постоянной вре­ мени дуги, то в течение времени спада тока до нуля со­ противление дуги останется постоянным. В этом случае динамическая характеристика изобразится прямой, про­ ходящей из тсгчки 2 в начало координат (прямая Ь ), т. е. дуга ведет себя как металлический проводник, так как напряжение на дуге пропорционально току.

В реальном аппарате после размыкания контактов расстояние между ними меняется и дуга имеет перемен­ ную длину. В этом случае процесс отключения можно представить следующим образом. Разобьем путь, кото­ рый проходит контакт, на участки и нанесем статические вольт-амперные характеристики, соответствующие концу каждого участка (рис. 4-6). Если индуктивность цепи мала, то по мере увеличения длины дуги ток будет быст­ ро принимать значения, соответствующие точке пересе­ чения статических характеристик с прямой U — iR.

В точке О ток достигнет критического значения. При дальнейшем увеличении длины дуги наступят условия для гашения.

Длина дуги, при которой статическая характеристика

В цепи с большой индуктивностью спадание тока изза большой величины индуктивности замедляется; вольтамперная характеристика дуги сразу же после расхож­ дения контактов поднимается выше прямой U — iR. В момент гашения дуги возможны большие перенапряже­ ния [Л .4-4].

Типичные осциллограммы отключения цепей с ма­ лой и большой индуктивностью приведены на рис. 4-7.

При отключении индуктивной цепи процесс гашения

затягивается и появляется перенапряжение^ ' di

dt i=0

(рис. 4-7,а).

Момент

Момент

.расхождения

контактов

h

t

U

t

а,)

Рис. 4-7. Процесс отключения в цепи постоянного тока, содержащей большую и малую индуктивность.

ПО