ГАШЕНИЕ ОТКРЫТОЙ ДУГИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Для обеспечения перемещения дуги магнитное поле должно быть перпендикулярно оси дуги. Можем рассматривать дугу как проводник с током (рис. 6-2, а), расположенный в магнитном поле. Направление движения этого проводника определится правилом «левой руки». В перпендикулярном относительно оси дуги магнитном поле (рис. 6-2, а), а также в собственном магнитном поле контура тока (рис. 6-2, б) дуга получит поступательное движение. В радиальном магнитном поле (рис. 6-2, в) дуга будет двигаться по окружности или спирали. В однородном магнитном поле сила, действующая на единицу длины дуги, равна

F₁=IH (6-1)

где I – ток в дуге; H – суммарная напряженность магнитного поля (внешнего магнитного поля и собственного магнитного поля контура тока).

Рис. 6-2. Движение электрической дуги в магнитном поле

При своем движении дуга встречает сопротивление воздуха. В первом приближении можем принять его равным аэродинамическому сопротивлению движению твердого цилиндрического стержня. При установившемся равномерном движении сила аэродинамического сопротивления пропорциональна квадрату скорости:

(6-2)

При постоянной скорости движения дуги

(6-3)

Опыты показывают, что движущаяся дуга ведет себя не совсем так, как твердый стержень. Благодаря своей подвижности, наличию магнитного поля и встречного потока газов дуга стремится свернуться в спираль и расщепиться на параллельные волокна, что замедляет скорость ее движения. Диаметр дуги также является величиной, зависимой от скорости, и поэтому уравнение (6-3) дает качественную оценку зависимости скорости движения дуги от тока и напряженности магнитного поля. В большинстве электрических аппаратов нет неизменного магнитного поля гашения. Поле гашения создается отключаемым током и пропорционально ему, т. е. Н = kI. В таком случае

v = kI, (6-4)

где k обычно определяется экспериментально.

В электрических аппаратах дуга перемещается по расходящимся контактам и рогам, ее длина изменяется от нуля до некоторого значения, при котором дуга гаснет. Схематично это Представлено на рис. 6-3, б. Однако для уяснения закономерностей движения дуги в магнитном поле в зависимости от ее длины рассмотрим кривую на рис. 6-4, которая представляет собой зависимость скорости движения дуги от расстояния между параллельными электродами (рис. 6-3, а).

Участок I (0 < l < l₁) – здесь имеет место не дуга, а перешеек из расплавленного металла, возникающий при расхождении контактов. Этот перешеек существует, пока электроды (контакты) не разойдутся на определенное расстояние l > l₁, которое зависит от значения отключаемого тока и материала электродов. Например, в опытах [3] предельное расстояние между электродами, при котором еще возникал перешеек из расплавленного металла (I = 7000 А), было равно 1мм (электроды медные) и 2мм (электроды стальные). Скорость движения перешейка чрезвычайно мала, а при расстоянии между электродами меньше 0,5мм он может и вовсе не двигаться даже при наличии значительного магнитного поля. Отсюда следует, что в выключающих аппаратах дуга не может выйти из промежутка между контактами, пока они не разойдутся на расстояние больше 0,5 — 1 мм.

Рис. 6-3. Электрическая дуга на параллельных (а) и рогообразных (б) электродах

Участок II (1₁ < l < l₂) — здесь наблюдается резкое возрастание скорости дуги с увеличением ее длины, При некоторой длине перешейка расплавленного металла он рвется, возникает дуга, которая приходит в быстрое движение. На более узких электродах скорость дуги возрастает быстрее. Участок II является переходным от капельно-жидкого состояния к газовому. С увеличением длины дуги влияние капелек и паров металла уменьшается, что приводит к возрастанию скорости дуги и продольного градиента в ней. Большая скорость расхождения контактов на участках I и II благоприятно сказывается как на износе контактов, так и на условиях гашения дуги.

Рис. 6-4. Зависимость скорости движения дуги на параллельных электродах от расстояния между ними

Участок III (l >l₂) — здесь мы имеем собственную дугу. С увеличением ее длины наблюдается некоторое снижение скорости ее движения. Под действием собственного поля дуга стремится свернуться в спираль. Встречный поток воздуха, проникая в дугу, стремится расщепить ее на отдельные волокна. С увеличением длины дуги тормозящее действие этих факторов сказывается сильнее. Рассматриваемые в настоящей главе закономерности движения дуги относятся к этому участку.