ГАШЕНИЕ ДУГИ В ПРОДОЛЬНЫХ ЩЕЛЯХ
Широкие и узкие щели. Задача конструирования дугогасящих устройств заключается не в простом гашении дуги. Дугу нужно гасить в малом объеме, при малом звуковом и световом эффекте, за малое время, при малом износе частей аппаратов и заданных перенапряжениях.
Рис. 6-5. Характерные формы продольных щелей дугогасительных камер
В современных выключающих аппаратах широкое распространение получили дугогасительные камеры с продольными щелями. Продольной называют щель, ось которой совпадает по направлению с осью ствола дуги. Такая щель образуется между двумя изоляционными пластинами. На рис. 6-5 схематично изображены характерные формы продольных щелей камер дугогасительных устройств.
В верхней части камеры (рис. 6-5, а) между точками 1 и 2 имеется одна прямая продольная щель 3 с плоскопараллельными стенками. В камере (рис. 6-5, б) применено несколько прямых параллельных щелей, аналогичных щели в камере на рис. 6-5, а. Несколько параллельных щелей применяют при отключении больших токов. Однако параллельные дуги существуют недолго. Они весьма неустойчивы, и все, кроме одной, последней, быстро погасают. Условия гашения оставшейся дуги такие, же, как в камере с одной щелью.
На рис. 6-5, в показана камера с одной продольной щелью 3, которой придана извилистая форма. При такой форме представляется возможным в камере небольших размеров уместить длинную дугу. Кроме того, наличие ребер способствует повышению напряжения на дуге. Именно эти особенности обусловливают те преимущества рассматриваемой камеры, которые обеспечивают ей широкое применение.
Продольная щель с рядом ребер и уширений 5, за счет которых происходит возрастание продольного градиента напряжения, изображена на рис. 6-5, г.
Камера (рис. 6-5, д) имеет комбинированную зигзагообразную щель 3 с местными уширениями 5. В такой щели, по-видимому, должны сочетаться все достоинства зигзагообразной щели с преимуществами, которые дают местные уширения.
Рис. 6-6. Зависимость скорости движения открытой дуги и дуги в широкой щели от тока
С точки зрения особенностей движения электрической дуги в продольных щелях различают щели широкие и узкие. Широкой называют щель 4, ширина которой значительно больше диаметра дуги. Узкой называют щель 1, ширина которой меньше диаметра, дуги или близка ему.
Так как диаметр дуги зависит от тока, скорости движения дуги и условий охлаждения, то для одних условий щель будет широкой, для других условий эта же щель будет узкой. В широких щелях движение дуги мало стеснено стенками, сечение ее ствола не деформировано. Качественно все явления здесь происходят так, как и в открыто горящей дуге. Наличие стенок вносит только некоторые количественные изменения в закономерности, которые имеют место в открытой дуге.
В узких щелях движение дуги сильно стеснено, сечение ствола дуги деформировано, условия охлаждения резко изменены. Все это приводит к появлению ряда новых явлений, качественно и количественно отличающихся от тех, что происходят в открытой дуге.
Скорость движения дуги. Кривые, характеризующие зависимость скорости движения дуги в широкой щели (δ=16 мм) от тока при разных напряженностях магнитного поля, приведены на рис. 6-6. Характер кривых качественно аналогичен характеру кривых для открытой дуги (штриховые кривые). Количественного совпадения между кривыми не наблюдается.
В узкой щели эти количественные расхождения приводят к качественно новым явлениям.
На рис. 6-7 приведены кривые, характеризующие зависимость скорости движения дуги от тока в узкой щели. И здесь вначале с ростом тока скорость движения дуги растет (участки кривых слева от кривой 6). Далее явление приобретает неустойчивый характер; дуга либо движется с соответствующей скоростью (штриховые линии), либо ее скорость падает до нуля. В более узких щелях и при меньших напряженностях магнитного поля неустойчивое движение дуги (вплоть до остановки) наблюдается при меньших токах. Ток, при котором наступает неустойчивое движение дуги и е остановка, назовем критическим Iкр. Кривая 6 отделяет те области, в которых дуга не останавливается, от тех областей, где имеется ее остановка.
Причиной остановки дуги в узкой щели следует считать тепловые явления стенок камеры. В узкой щели дуга деформирована и плотно прижата к стенкам. Вся энергия дуги воспринимается стенками. С ростом тока энергия, выделяемая в дуге, примерно пропорциональна квадрату тока, а скорость движения дуги (будет показано ниже) пропорциональна IН.
Рис. 6-7. Зависимость скорости движения дуги в узкой щели (δ=1 мм) от тока
Следовательно, при неизменном H с ростом тока происходит все возрастающее разогревание стенок. При некотором токе и соответствующей ему скорости движения дуги стенки настолько разогреваются, что на них появляются проводящие контактные перешейки. Дуга останавливается. Кривая 6 характеризует ту минимальную скорость (назовем эту скорость критической vкр), которую необходимо сообщить дуге при данных условиях (ток, ширина щели, материал камеры), чтобы исключить ее остановку.
Отметим, что остановке дуги способствует газогенерация из стенок камеры. Выделение газа, испарение влаги из стенок камеры происходят под действием высокой температуры дуги. При бурной газогенерации создается местное повышение давления в щели, возрастает сопротивление движению дуги, а следовательно, и снижается ее скорость. Последнее приводит к еще большему разогреву стенок и лавинообразному торможению дуги вплоть до ее остановки. Гигроскопичность материала, наличие в нем легко испаряющихся компонентов, а также шероховатость поверхности способствуют газогенерации и при прочих равных условиях приводят к остановке дуги при меньших токах. Сказанное весьма наглядно иллюстрирует рис. 6-8. Сильно газогенерирующие под действием высокой температуры, а также очень гигроскопические материалы не могут применяться для камер с узкими щелями.
Зависимость скорости движения дуги в продольных щелях от напряженности магнитного поля может быть охарактеризована кривыми на рис. 6-9. В широких щелях (5 = 16мм) скорость дуги растет с ростом напряженности магнитного поля подобно тому, как это имеет место в открытой, дуге (штриховая кривая). В узких щелях (8 < 4мм) дуга при малых напряженностях магнитного поля горит неподвижно. При повышении напряженности магнитного поля скорость дуги резко, почти скачком возрастает и значительно превосходит скорость открытой дуги и дуги в широких щелях. Минимальное значение напряженности магнитного поля, необходимое для обеспечения движения дуги при данном токе и ширине щели, назовем критической напряженностью Hкр. Критическая напряженность магнитного поля растет с ростом тока и уменьшением ширины щели.
Рис. 6-8. Рис. 6-9. Зависимость скорости
Зависимость скорости движения дуги от напряж. магн. поля
движения дуги от тока в камерах
различных материалов при δ=1 мм,
Н = 40 А/см: 1-асбоцемент; 2-керамика:
Н= 160А/см: 3-асбоцемент;4-керамика
5-стекло
Зависимость скорости движения дуги от ширины щели характеризуется кривыми на рис. 6-10. В очень широких щелях (область I) скорость дуги практически не зависит от ширины щели. По мере сужения щели скорость дуги (при неизменных I и Н) несколько возрастает. Оставаясь широкой, щель все же ограничивает возможности сворачивания дуги в спираль и расщепления ее на параллельные волокна. Это и приводит к некоторому возрастанию скорости дуги.
В узких щелях (область II) дуга, подобно поршню, выталкивает столб воздуха, находящийся впереди, и засасывает столб воздуха, находящийся позади нее. В более узкой щели объем (соответственно и масса) этого воздуха меньше, соответственно меньше и сопротивление движению дуги. Скорость дуги при прочих равных условиях возрастает с уменьшением ширины узкой щели;
где k = 0,63 ÷ 0,90 для δ=1÷4 мм соответственно (здесь vHв метрах в секунду; I – в амперах; H – в амперах на метр; δ – в метрах, данные эмпирические).
Одновременно при уменьшении ширины щели возрастают силы трения дуги о стенки камеры и тепловые явления у стенок. До определенных условий (v > vкр) действие этих сил сказывается мало. Они несколько замедляют степень возрастания скорости с уменьшением ширины щели. Однако при некоторой ширине щели, назовем ее критической (5кр), тепловые явления у стенок и их тормозящее действие начинают сильно сказываться. Скорость дуги падает вплоть до ее остановки (область III). При большем токе и меньших напряженностях магнитного поля критическая ширина щели возрастает.
Рис. 6-10. Зависимость скорости движения дуги от ширины продольной щели
Начальная часть кривых на рис. 6-10 характеризует движение уже не дуги, а проходящего перешейка, образовавшегося на поверхности стенок. Скорость движения такого перешейка чрезвычайно мала.
Продольный градиент напряжения. Наименьший градиент напряжения получается в открытой неподвижной дуге (кривая l на рис. 6-11).
Градиент напряжения возрастает с уменьшением ширины щели (кривые 2 — 6). В широкой дели вольт-амперные характеристики неподвижной дуги имеют такой же падающий характер, как и в открытой дуге. В узких щелях вольт-амперная характеристика неподвижной дуги сохраняет такой же характер при малых токах (принципиально щель при этих токах является широкой). Со значения тока, при котором начинает сказываться охлаждающее действие стенок, градиент напряжения возрастает и, достигнув некоторого максимума (более высокого в более узкой щели), далее практически мало изменяется с ростом тока.
Аналогичный характер имеют вольт-амперные характеристики дуги, движущейся в продольных щелях. Представление о ходе этих характеристик дает рис. 6-12. На рисунке приведены вольт-амперные характеристики, полученные при постоянной для каждой кривой скорости движения дуги. Штриховыми линиями на этом рисунке нанесены вольт-амперные характеристики открытой дуги.
Градиент напряжения дуги в продольных щелях мало зависит от скорости. В открытой дуге эта зависимость (штриховые линии) выражена более резко, и при некоторых условиях градиент напряжения открытой дуги может превосходить значение градиента в узких щелях. В большинстве современных дугогасительных устройств с продольными щелями скорость движения дуги ниже 100 м/с. При этих условиях продольный градиент напряжения дуги в узких щелях существенно выше, чем у открытой дуги.
Зависимость градиента напряжения от ширины щели может быть охарактеризована кривыми на рис. 6-13. Пока щель остается широкой (δ > 6мм), заметного влияния ширины щели на значение продольного градиента напряжения не наблюдается. Заметное повышение градиента начинается в узких щелях (δ < 4мм), и особенно значительно при переходе к совсем узким щелям (δ < 1мм). Таким образом, для получения интенсивного гашения дуги в малом объеме следует применять возможно более узкие щели.
Ограничение при выборе ширины щели определяется той напряженностью магнитного поля, которая необходима для движения дуги в узких щелях. Эта напряженность должна быть выше критической. Она быстро растет с уменьшением ширины щели и для весьма узких щелей становится практически трудно осуществимой.
Учитывая, что градиент напряжения в узких щелях не зависит от скорости движения дуги, напряженность магнитного поля надо выбирать такой, чтобы при всех условиях дуга не останавливалась. В отличие от открытой дуги увеличение скорости движения дуги в узких щелях следует рассматривать не как метод повышения градиента напряжения, а как способ уменьшения износа стенок камеры.
Дуга в ребристой щели. В дугогасительных устройствах, помимо щелей с плоскопараллельными стенками, применяют щели с ребрами, выступами, уширениями (см. рис. 6-5, в, г, д).
Наличие ребер и уширений мало влияет на скорость движения дуги. Значение же продольного градиента напряжения зависит от числа ребер и формы уширений. Наличие прорезей (ребер) повышает напряжение на дуге по сравнению с тем, что имеет место в щели с плоскопараллельными стенками. Зажатая и деформированная в узкой щели дуга будет давить на стенки и, при наличии прорези в стенке (уширения в щели), вдавливаться в промежуток, образованный прорезью. Деформация ствола дуги, вызванная наличием прорези, приводит, во-первых, к увеличению площади соприкосновения дуги с холодными стенками камеры; во-вторых (и это, видимо, главное), ребра, образующие прорезь, проникают внутрь дуги и способствуют ее интенсивному охлаждению. Указанные обстоятельства приводят к местному повышению градиента напряжения.
Повышение напряжения на дуге в ребристой щели пропорционально числу прорезей (ребер) на единицу длины щели, не зависит от ширины прорезей (в пределах γ = 1 ÷ 2мм) и возрастает с уменьшением ширины щели.