Широкие и узкие продольные щели

На рис. 6-5 схематично изображены характерные формы продольных щелей камер дугогасительных устройств. В верхней части камеры (рис. 6-5, а) между точками 1 ш 2 имеется одна прямая продольная щель 3 с плоскопараллель­ными стенками. В камере на рис. 6-5, б — 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 4, за счет которых происходит возрастание продольного градиента напряжения, изображена на рис. 6-5, г.

Камера (рис. 6-5, д) имеет комбинированную зигзагообразную шель 3 с мест­ными уширениями 4. В такой щели, по-видимому, должны сочетаться все досто­инства зигзагообразной щели с преимуществами, которые дают местные уширения.

По особенностям движения электрической дуги в продольных щелях разли­чают щели широкие и узкие. Широкой называют щель (рис. 6-6, а), ширина кото­рой значительно больше диаметра дуги, узкой — щель (рис. 6-6, б), 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 - эта же щель будет узкой. В широких щелях движение дуги мало стеснено стенками, сечение ее ствола недеформировано. Качественно все явления здесь происходят так же, как и в открыто горящей дуге. Наличие стенок вносит только некоторые количественные изменения в закономерности, которые присущи открытой дуге.

В узких щелях движение дуги сильно стеснено, сечение ствола дуги деформи­ровано, условия охлаждения резко изменены. Все это приводит к возникновению 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 (5 = 16 мм) от тока при разных напряженностях магнитного поля, приведены на рис. 6-7. 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. 6-8 изображены 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 ее остановка, назовем критическим /кр. 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 у стенок камеры. В узкой щели дуга деформирована и плотно прижата к стенкам. Вся энергия дуги воспринимается стенками. С ростом тока энергия, выделяющаяся в дуге, примерно пропорциональна квадрату тока, а скорость движения дуги пропорциональна /Я.

Следовательно, при неизменном Н 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 икр), 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 и при способствуют га­зогенерации прочих равных условиях приводят к остановке дуги при меньших токах. Сказанное весьма наглядно иллюстрирует рис. 6-9. Сильно газогенерирующие под дей­ствием высокой температуры, а также очень гигроскопичные 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. 6-10. В широких щелях (5=16 мм) скорость дуги растет с ростом напряженности магнитного поля подобно тому, как это происходит в открытой дуге (штриховая кривая). В узких щелях (5 < 4 мм) 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. Минимальную напряженность магнитного поля, необхо­димую для обеспечения движения дуги при данном токе и ширине щели, назовем критической напряженностью Нкр. Критическая напряженность магнитного поля растет с увеличением тока и уменьшением ширины щели.

Зависимость скорости движения дуги от ширины щели характеризуется кри­выми на рис. 6-11. В очень широких щелях (область /) 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 И) 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:

vH = k\/lH/8, (6-5)

где к = 0,63... 0,90 для 5 = 1... 4 мм соответственно (здесь ун — в метрах в секунду; / — в амперах; Я — в амперах на метр; б — 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 > vKp) действие этих сил сказывается мало. Они несколько замедляют степень возраста­ния скорости дуги с уменьшением ширины щели. Однако при некоторой ширине щели, назовем ее критической (бкр), 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.

Начальная часть кривых на рис. 6-11 характеризует движение уже не дуги, а проводящего перешейка, образовавшегося на поверхности стенок. Скорость движения такого перешейка чрезвычайно мала.

Продольный градиент напряжения. Наименьший градиент напряжения получа­ется в открытой неподвижной дуге (кривая / на рис. 6-12). Градиент напряжения возрастает с уменьшением ширины щели (кривые 2 — 6). В широкой щели вольт-амперные характеристики неподвижной дуги имеют такой же падающий характер, В/си SO

S

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. 6-13. 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 ее 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. Пока щель остается широкой (5 > 6 мм), заметного влияния ширины щели на значение продольного градиента напряжения не наблю­дается. Заметное повышение градиента начинается в узких щелях (8 < 4 мм), и осо­бенно оно значительно при переходе к совсем узким щелям (8 < 1 мм). 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, уши-рениями (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 у = 1... 2 мм) и возрастает с уменьшением ширины щели.

6-2. ПЛАМЯ ДУГИ И БОРЬБА С НИМ

Открытая электрическая дуга сопровождается выделением большого коли­чества светящихся газов, представляющих собой пламя дуги. Эти газы занимают большой объем. В их существовании можно убедиться, рассматривая кадры уско­ренной киносъемки (рис. 6-14) отключения тока контактором. К моменту времени, соответствующему кадру 12, ток в цепи прекратился, дуга погасла, а оставшееся пламя дуги продолжает существовать (светиться) еще значительное время — кадры 12 — 18. Причина возникновения пламени заключается в высокой температуре газов, окружающих дугу или проходящих через нее. Эта температура вызывает тепловую ионизацию и свечение всего объема, занятого ионизированным газом. В нем имеет место одинаковая концентрация положительных и отрицательных частиц, и поэтому пространственный заряд пламени практически равен нулю. Большая концентрация заряженных частиц приводит к большой проводимости пламени, приближающей его по свойствам к проводнику. Присутствие паров меди в пламени сильно спо­собствует его поддержанию в течение сотых и даже десятых долей секунды после погасания дуги. Борьба с пламенем именно этого рода представляет собой важ­ную задачу при построении дугогасительных устройств.

Высокая проводимость пламени дуги приводит к тому, что это пламя может вызвать при напряжении несколько десятков вольт перекрытие таких промежутков, которые в нормальных условиях не пробиваются при десятках тысяч вольт. В этом главная опасность пламени. Вторая опасность связана с высокой температурой. Хотя температура пламени дуги и ниже, чем в самой дуге, однако она все же достаточна для воспламенения легкогорючих материалов или газов, имеющихся в пожароопасных производствах.

В пламени дуги происходят опасные для аппаратов химические процессы. Пары меди контактов, попадая в пламя дуги, окисляются там при высокой тем­пературе и поглощают кислород воздуха. Оставшийся после этого азот соединя­ется с парами воды и кислородом, образуя азотную кислоту. Капли этой кислоты могут образовать проводящие контактные перешейки и привести к опасным

перекрытиям между токоведущими частями в таких местах, куда ни дуга, ни ее пламя не могут попасть.

В дугогасительных устройствах с широкими продольными щелями дуга и ее пламя занимают чрезвычайно большой объем за пределами камер (рис. 6-15, а, 6, в). В объеме, занятом пламенем, не могут находиться другие аппараты или токо-ведущие части. Это вызывает увеличение размеров комплектных устройств (глав­ным образом закрытых) в 2 — 2,5 раза по отношению к тем, какие требуют гео­метрические размеры аппаратов и монтажные схемы их соединений.

Весьма эффективным способом гашения электрической дуги является приме­нение узких продольных щелей. В этих щелях достигается и некоторое ограни­чение размеров пламени дуги, как это подтверждается фотографиями дуги на рис. 6-15, г. Размеры пламени дуги существенно меньше в камере с узкой зигзаго­образной щелью. Однако погасить пламя в объеме камеры посредством узких щелей невозможно. Высота пламени практически не зависит от пути, проходимого дугой по щели, а зависит главным образом от ширины щели. Очень узкие щели делать невозможно, так как для того чтобы предотвратить остановку дуги со всеми вытекающими пагубными последствиями, необходимо создать большие напряжен­ности магнитного поля, что требует весьма громоздких устройств.

Эффективным способом борьбы с пламенем электрической дуги является установка решетки из теплопроводящих металлических пластин над узкой щелью камеры (рис. 6-15, д). Получаемая при этом комбинированная система дугогаше-ния, состоящая из камеры с узкой щелью и пламегасительной решетки неболь­ших размеров (h — 5... 20 мм), позволяет достигнуть полной деионизации дуги и ее пламени в объеме дугогасительных устройств при отключении весьма больших токов как в контакторах (рис. 6-15, д), так и в автоматических выключателях.

Рекомбинация ионов пламени дуги здесь происходит во время их соприкосно­вения с металлическими пластинами решетки. Высокая теплоемкость и теплопро­водность этих пластин, весьма сильно развитая поверхность их соприкосновения с пламенем, наконец, довольно значительный путь, который пламени приходится проходить вдоль пластин, способствуют полной деионизации пламени. Рекомби­нация ионов у поверхности холодных металлических пластин происходит гораздо интенсивнее, чем у поверхности диэлектрика. Помимо рекомбинации у поверх­ностей, здесь усиливается рекомбинация ионов в объеме в результате сильного понижения температуры пламени во время его движения вдоль пластин решетки. Важно отметить, что более существенной является длина пластин (пути газов вдоль пластин), нежели их ширина.

В рассмотренной системе гашение дуги осуществляется в узкой щели, а де-ионизация пламени дуги — в металлической решетке. Ни дуга, ни ее пламя не выступают за предела камеры. Размер камер аппаратов практически не увеличи­вается. Размеры же закрытых комплектных устройств существенно сокращаются.

Следует отметить, что для камер с узкими щелями и закрытых дугогаситель-ных устройств требуются более дугостойкие материалы (асбоцемент, керамика). Износ таких камер выше, чем камер с широкими щелями. Более эффективное гашение сопровождается большими перенапряжениями в момент погасания дуги.

6-3. ДОПУСТИМАЯ ЧАСТОТА ОТКЛЮЧЕНИЙ АППАРАТОВ С ЗАКРЫТЫМИ КАМЕРАМИ

В связи с применением закрытых дугогасительных устройств возникает вопрос о допустимой частоте отключений аппаратов, в частности контакторов, с этими устройствами. Закрытое дугогасительное устройство должно рассеивать с внешней поверхности всю энергию, выделяющуюся в дуге, а также энергию потерь в кон­тактах. Мощность потерь в камере определяется соотношением

Р = UJ + WAN/3600, (6-6)

где UK — падение напряжения в контактах, В; I — ток в цепи, A; Wa — энергия, выделяющаяся в дуге при одном отключении, Вт-с; N — число отключений в час. Если внешняя поверхность камеры F, а коэффициент теплоотдачи с этой поверхности кт, то превышение температуры т определится соотношением

Задавшись максимально допустимой температурой камеры ттах, получим для предельной частоты отключений аппарата выражение

Расчеты, выполненные для контакторов постоянного тока, показали, что закрытые камеры допускают высокую частоту отключений при размерах, практи­чески равных размерам открытых камер.

На рис. 6-16 приведен результат одного из расчетов для контактора на 150 А при управлении электродвигателем с индуктивностью цепей 3,9 мГн. Допустимая температура нагрева камеры принята 250 °С. Кривые 1, 2, 3 относятся к отклю­чению электродвигателя, вращающегося соответственно с номинальной частотой вращения (противо-ЭДС равна (0,9... 0,95) UU0M), с половинной частотой вращения (протйво-ЭДС равна 0,5 UmM) и заторможенного (противо-ЭДС равна нулю).

В условиях эксплуатации возможны различные из этих случаев, любое их сочетание практически не ограничивает частоту отключений.

6-4. ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

В ЗАКРЫТЫХ ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ КАМЕРАХ

В закрытых (ограниченного объема) дугогасительных камерах движение дуги по контактам сопровождается рядом газодинамических явлений, которые могут замедлить ее движение и способствовать повторным зажиганиям [8].

Газодинамические волны. При появлении дуги возникает волна избыточного давления, которая со скоростью, несколько превышающей скорость звука, рас­пространяется перед движущейся дугой. Достигнув, преграды, волна избыточного давления отражается. Отраженная волна давления движется навстречу дуге и, складываясь с первичной волной, воздействует на фронт дуги, замедляет движение последней, что ухудшает условия гашения. После нескольких отражений от преграды и дуги волновые процессы затухают.

Если в преграде имеются щели или отверстия, то наряду с отражением волны давления происходит проникновение части волны давления в эти щели. Таким образом, снизить давление отраженных волн можно, если уменьшить акустическое сопротивление преград, выполнив дополнительные выхлопные каналы или перфо­рированные перегородки.

Газодинамические потоки. В закрытых камерах значительная часть энергии дуги расходуется на нагрев замкнутого объема воздуха и на газовыделение из стенок камеры. В камере при отключении возникает избыточное давление. Из-за наличия сквозных щелей, зазоров в стенках внутри камеры возникают потоки газа, которые могут способствовать или препятствовать движению дуги. Например, встречные потоки направляются к отверстиям, предназначенным для прохода контактодержателей подвижных контакт-деталей. Эти потоки тормозят движение дуги и, загоняя ионизированные газы в межконтактный промежуток, способствуют повторному зажиганию дуги.

Выхлопные щели и каналы надо выполнять таким образом, чтобы потоки газа в камере способствовали движению дуги. Отверстия для прохода подвижных частей следует выполнять с закрытиями лабиринтного типа или другими уплот­нениями.

6-5. ГАШЕНИЕ ДУГИ ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ

Проводимость дугового промежутка зависит от степени ионизации газа. При неизменной температуре степень ионизации а = 1Д/р, т. е. степень ионизации падает с ростом давления. Это значит, что для проведения того же тока при более высоком давлении к дуговому промежутку необходимо приложить более высокое напряжение. Иначе говоря, продольный градиент напряжения в дуге возрастает с ростом давления.

С ростом давления возрастает теплопроводность газа. При прочих равных условиях это приводит к усиленному охлаждению дуги и к увеличению градиента напряжения в ней.

Таким образом, повышение давления газа, в котором горит дуга, приводит к возрастанию продольного градиента напряжения в дуге. Экспериментально установлена следующая зависимость градиента напряжения в устойчиво горящей дуге от давления:

Ер = Еорк ■ W~k, (6-Ю)

где Ео — градиент напряжения при нормальном атмосферном давлении, а к = 1/3.

Соотношение (6-10) проверено в широком диапазоне давлений (до 1,2 МПа), но для небольших токов (до 10 А). В опытах [5], где исследования велись не при устойчиво горящей дуге, а при дуге отключения, происходило более быстрое возрастание градиента с ростом давления. Показатель степени к приоб­ретал значения от 0,5 до 1.

Гашение дуги, при помощи высокого давления, создаваемого самой же дугой в плотно закрытых камерах, широко используется в плавких предохранителях и ряде других аппаратов. В этих аппаратах вся энергия, выделяющаяся в дуге отключения, отдается газу, находящемуся в ограниченном объеме. При условии, когда стенки камеры не выделяют газа, справедливо (в первом приближении) следующее соотношение:

рт=Ю5уЖд, (6-11)

где Wa — энергия дуги, Дж; v — объем, см3; р — возникающее в камере давление, Па.

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

6-6. ГАШЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ В МАСЛЕ

Этот способ гашения нашел широкое применение в выключателях перемен­ного тока на высокое напряжение [4].

Контакты выключателя погружаются в масло. Возникающая при разрыве дуга приводит к очень интенсивному испарению окружающего ее масла с диссоциацией его паров. Вокруг дуги образуется газовая оболочка (рис. 6-17) — газовый пузырь, состоящий в основном из водорода (70 — 80% газов пузыря) и паров масла. При этом водород, обладающий наивысшими среди всех газов дугогасящими свой­ствами, наиболее тесно соприкасается со стволом дуги. Выделяемые с громадной скоростью газы проникают непосредственно в зону ствола дуги, вызывают пере­мешивание холодного и горячего газа в пузыре, создают интенсивное охлаждение и деонизацию дугового промежутка, особенно в момент прохождения тока через свой естественный нуль.

Быстрое (взрывное) разложение масла приводит к повышению давления внутри пузыря, что также способствует гашению дуги. В обычных конструкциях масляных выключателей давление в газовом пузыре повышается до 0,5 — 1 МПа, а в выклю­чателях с дугогасительными камерами — еще больше.

Следует отметить, что сам процесс разложения масла с образованием газо­паровой смеси связан с отбором от дуги большого количества энергии (30 — 35%), что также благоприятно влияет на ее гашение.

Процесс гашения в масле происходит тем интенсивнее, чем ближе соприка­сается дуга с маслом и чем быстрее движется масло по отношению к дуге. При простом разрыве дуги в масле дуга окружена пузырем, заполненным парами масла и газа, находящимися в относительно спо­койном состоянии. Воздействие самого масла на дуру относительно мало. Воздействие масла на дугу существенно увеличивается, если дуговой раз­рыв ограничить каким-либо замкнутым изоляцион­ным устройством, так называемым дугогасительным устройством (камерой). В дуга асительных камерах

создается более тесное соприкосновение масла с дугой, а также интенсивное обдувание дуги потоками газов, паров масла и самим маслом, в результате чего значительно возрастает продольный градиент напряжения, ускоряется про­цесс деионизации, сокращается время горения дуги, уменьшается ход контактов по сравнению с простым разрывом в масле.

В случае когда дуга горит в газовом пузыре, объем которого не ограничи­вается стенками, средняя температура газопаровой смеси находится в пределах 800—1000 К, а в случае горения дуги в узком, ограниченном объеме при боль­ших токах средняя температура газопаровой смеси достигает 2000 — 2500 К, т.е. отвод энергии от дуги здесь значительно больший.

lfcKyysA/ i ' I ц у у уу

Некоторые средние значения продольного градиента напряжения в охлаждаемой в масле дуге, полученные опытным путем, приведены в табл. 6-1.

Дугогасительные устройства современных масляных выключателей по принципу действия могут быть разделены на три основные группы:

1. Дугогасительные устройства с автодутъем, в которых дутье газопаровой
смеси и масла в зону гашения дуги создается за счет энергии, выделяющейся
в самой дуге.

2. Дугогасительные устройства с принудительным (импульсным) масляным
дутьем, в которых масло в зону гашения дуги (к месту разрыва) подается
с помощью специальных нагнетающих гидравлических механизмов за счет по­
стороннего источника энергии.

3. Дугогасительные устройства с магнитным гашением дуги в масле, в которых
ствол дуги под влиянием поперечного магнитного поля перемещается в узкие,
заполненные маслом каналы и щели, образованные стенками из изоляционного
материала.

Наибольшее распространение находят дугогасительные устройства первой группы, так как обеспечивают большую эффективность гашения при сравнитель­но несложных конструкциях.

Принципиальные схемы работы простейших дугогасительных камер с авто­дутьем приведены на рис. 6-18. Газовый пузырь, образующийся вокруг дуги при размыкании контактов, приводит к существенному повышению давления в ограниченном объеме камеры (положение /). Масло и продукты его разложения, стремясь выйти через отверстия в камере, создают интенсивное обдувание дуги потоками газопаровой смеси и масла вдоль дуги (продольное дутье — рис. 6-18, а) при выходе подвижной контакт-детали из камеры (положение Л) или поперек дуги (поперечное дутье — рис. 6-18,6) при наличии выхлопного отверстия, расположенного против места разрыва (положение II). После гашения дуги камера наполняется маслом (положение III). Современные масляные выключатели снабжены более сложными камерами, в которых используются указанные принципы в различных комбинациях с одним, двумя и большим числом разрывов.

6-7. ГАШЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ ВОЗДУШНЫМ ДУТЬЕМ

Этот способ гашения нашел широкое применение в выключателях переменного тока на высокое напряжение.

Дуга, образующаяся между контактами, обдувается вдоль или поперек потоком воздуха под определенным давлением. Перемещающийся с большой скоростью (приближающейся к звуковой) поток воздуха удаляет из зоны дуги нагретые ионизированные частицы, замещая их другими, охлажденными. Температура ствола дуги резко падает, особенно в момент прохождения тока через нуль. Одновременно происходит и механическое разрушение ствола дуги.

Основное влияние на процесс гашения оказывают давление и скорость истечения воздуха, собственная частота отключаемой цепи, расстояние между контактами, площадь выходного отверстия и направленность струи.

Как уже указывалось, с ростом давления падает степень ионизации, с ростом скорости увеличивается интенсивное охлаждение ствола дуги. Поэтому с ростом давления и скорости истечения потока воздуха повышаются интен­сивность гашения и отключающая способность дугогасительного устройства.

Расстояние между контактами существенно сказывается на процессе га­шения. Казалось, что увеличение расстояния между контактами должно улучшать условия гашения. В действительности для каждого значения давления сущест­вует оптимальное расстояние между контактами, при котором обеспечиваются наилучшее гашение и максимальная отключающая способность. Уменьшение, как и увеличение, этого расстояния ухудшает гашение. При этом весьма часто оптимальное по условиям гашения расстояние между контактами оказывается меньше требуемого по условиям электрической прочности, и после гашения дуги во избежание пробоя промежутка необходимо принять меры к доведению расстоя­ния между контактами до значения, определяемого требованиями электрической прочности. Это достигается перемещением дополнительных, последовательно включенных контактов, применением многократного разрыва, где каждый разрыв имеет расстояние между контактами, оптимальное по условиям гашения, а суммарное расстояние всех разрывов обеспечивает электрическую прочность; применением отделителей и другими способами [4].

С увеличением выходного отверстия растет скорость истечения потока воздуха, условия га­шения улучшаются.

По отношению к стволу дуги поток воздуха может быть поперечным — поперечное воздуш­ное дутье (рис. 6-19, а), продольным — продольное воздушное дутье (рис. 6-19, б —е) и продольно-поперечным — продольно-поперечное дутье. Про­дольное и продольно-поперечное дутье может быть односторонним и двусторонним.

Поперечное дутье является весьма эффективным способом гашения, но имеет существенные недостатки. Работа камер связана с большим расходом воздуха и большим износом поперечных изоляционных перегородок 2 (рис. 6-19). Камеры оказываются достаточно сложными. Такое дутье при­меняется при напряжении до 20 кВ и токах отключения до 120 кА.

Продольное дутье нашло преимущественное распространение за счет своей простоты и надежности, малого износа камер. Эффективность этого способа гашения заключается в следующем. Сама камера находится в закрытом баке. Давление в камере много выше давления в баке. Вытекая из камеры под давле­нием 1—4 МП а, газовый поток направлен вдоль дуги. В сопле (рис. 6-20), где этот поток тесно соприкасается с дугой и проникает в нее. образуются два потока [36] — поток холодного воздуха с температурой примерно 0,3 -103 К и скоростью истечения vx «330 м/с и поток горячего воздуха с температурой до 15-Ю3 К и скоростью истечения до иг «2500 м/с. На границе этих потоков образуется интенсивное турбулентное движение, схематично изображенное на рисунке (1>турб)- Перемешивание потоков и обеспечивает чрезвычайно интенсивный отбор теплоты от ствола дуги.

Установлено, что при охлаждении потоком воздуха отвод теплоты с еди­ницы длины (1 см) ствола дуги до 12 раз больше, а с единицы объема (1 см3) плазмы до 104 раз больше, чем при охлаждении дуги в спокойном воздухе.

При больших токах теплота из дугового ствола переносится в основном за счет перемещения плазмы (объемное охлаждение). При малых токах, в том числе и в области перехода тока через нуль, отвод теплоты происходит в основном за счет конвекции и излучения.

Следует отметить, что для эффективного гашения весьма существенное значение имеет положение дуги в сопле. Она должна находиться в центре сопла и охлаждаться со всех сторон.

6-8. ГАШЕНИЕ ДУГИ В ЭЛЕГАЗЕ

В последние годы все более широко в высоковольтных выключателях вместо воздуха применяется элегаз — электротехнический газ. Элегаз — шести-фторная сера SF6, полученный впервые в Советском Союзе, обладает очень высокими дугогасительными свойствами, что позволяет при высокой отключаю­щей способности выключателей существенно сократить их размеры, а также создать герметизированные (полностью закрытые) комплексные распределительные устройства. Ниже приведены некоторые характеристики элегаза.

Молекулы элегаза обладают способностью захватывать электроны, что усили­вает деионизацию. Образующиеся малоподвижные (по отношению к электро­нам) отрицательные ионы, которые медленно разгоняются электрическим полем, увеличивают электрическую прочность газа. При атмосферном давлении она при­мерно в 2,5 раза выше, чем у воздуха, а при давлении 0,23 МПа равна электрической прочности трансформаторного масла (рис. 6-21).

Следует отметить, что для максимального использования высокой электри­ческой прочности элегаза электрическое поле в межконтактном промежутке должно быть однородным. При резком местном его усилении, в частности у электродов, может возникнуть корона, вызывающая разложение элегаза. Продукты разложения обладают коррозионными и токсическими свойствами. В конструкциях контактной и дугогасительной систем должны приниматься меры, исключающие местные усиления электрического поля.

По отношению к воздуху элегаз имеет почти в четыре раза большую удельную объемную теплоемкость (энергия, необходимая для нагрева 1 см3 элегаза на 1 °С). Поэтому охлаждающая способность элегаза выше, что повышает его дугогасящие свойства и позволяет повысить нагрузку на токоведущие детали, находящиеся в его среде, на 15 — 25%. Учитывая, что чистый элегаз негорюч до температуры 800 °С, нагревостоек и химически инертен, можно допустить более высокие температуры нагрева контактов, не опасаясь их окисления.

Высокая дугогасящая способность элегаза объясняется еще его поведением в области нуля тока. Ток обрывается в самый последний момент подхода к нулю (см. рис. 5-10), но остаточный ствол дуги после прохода тока через нуль продолжает интенсивно охлаждаться. Восстанавливающаяся прочность проме­жутка Unp, которая в элегазе имеет меньшее, чем при воздушном дутье, начальное значение, нарастает во времени интенсивнее и существенно превышает прочность при воздушном дутье (рис. 6-22). С учетом сказанного при равных условиях дугогасящая способность элегаза в 4,5 — 5 раз выше, чем воздушного дутья.

Отключающая способность устройств с гашением дуги в элегазе может быть еще повышена (на 20 — 30%) путем прибавления в элегаз гелия. Недостатком элегаза является переход из газообразного состояния в жидкое при относительно невысоких температурах. При наличии дуги элегаз разлагается, образуя, как указывалось выше, ряд соединений, обладающих коррозионными и токсическими свойствами. Ввиду этого дугогасительные устройства снабжаются экранами, фильтрами-поглотителями из активизированного А12О3.

6-9. ГАШЕНИЕ ДУГИ В ВАКУУМЕ

Известно, что вакуум обладает высокими изоляционными и дугогасящими свойствами (рис. 6-23). Достижения в области получения высокого вакуума 1,33 (10~4... 10") Па в современных выключателях, а главное, сохранение его в процессе их работы обеспечили внедрение и расширение применения этого спо­соба гашения в выключателях на напряжения свыше 1000 В.

Механизм гашения дуги в вакууме поясняется следующим образом [36]. При расхождении контактов сперва образуется жидкий металлический мостик из материала электродов. Мостик очень быстро нагревается и испаряется, появ­ляется дуга, которая горит в среде этих паров. Такая дуга называется вакуумной. Ее характерной особенностью является малое падение напряжения на ней (20 — 40 В). Только при токах 10—100 к А падение напряжения на дуге воз­растает до 50 — 200 В. При прохождении тока через нуль дуга гаснет. Чрезвычайно большая разница в плотности частиц в плазме погасшей дуги и в пространстве камеры (вакууме) обусловливает исключительно высокую скорость диффузии зарядов из дугового промежутка. Соответственно этому мгновенно достигается высокая начальная прочность промежутка. Восстанавли­вающаяся электрическая прочность промежутка в зависимости от времени в вакууме на несколько порядков выше, чем в других средах.

6-10. ГАШЕНИЕ ДУГИ

В ДУГОГАСИТЕЛЬНОИ РЕШЕТКЕ

Рассмотренные выше способы гашения дуги сводились к воздействию на ее ствол. Дугу можно также гасить, используя околоэлектродные падения напряжения. Впервые этот принципиально новый способ гашения предложил М. О. Доливо-Добровольский. Над контактами 1 и 2 аппарата (рис. 6-25) устанавливаются неподвижные, изолированные друг от друга металлические пластины 5, образующие дугогасительную решетку. Возникающая при отключе­нии дуга 3 загоняется в эту решетку, где разбивается на ряд последо­вательно включенных коротких дуг 4. У каждой пластины решетки возникает околоэлектродное падение напряжения. Гашение дуги происходит за счет суммы околоэлектродных падений напряжения (подробно — см. работу [5]).

Гашение дуги постоянного тока. При числе пластин т коротких дуг будет т + 1, столько же будет анодных f/a и катодных UK падений напряжения.

Напряжение на всей дуге в решетке

UA.p = U)(m+l) + EJJ, (6-12)

где U3 = Ua + UK — сумма околоэлектродных падений напряжения, В; Еа — градиент напряжения в дуге, В/см; /д = 10(т + 1) — длина дуги, см.

Для открытой дуги той же длины Uao = U3 + ЕД1Л. Таким образом, напряжение на дуге в решетке

ияр =

(6-13)

/д.о + иэт,

т. е. при неизменной длине 1Л статическая характеристика дуги в дугогаситель-ной решетке (кривая 2 на рис. 6-25) выражается той же по форме кривой, что и характеристика открытой дуги (кривая /), но перенесенной на сумму околоэлектродных падений напряжения в область более высоких напряжений.

если число пластин велико, то величиной 17Д.О по сравнению с U-,m можно пренебречь, и уравнение (6-13) примет вид

1/д.р «иэт. (6-14)

Для того чтобы дуга в решетке погасла, число пластин, между которыми она должна находиться, должно быть т > U/U3, где U - напряжение сети, В.

Возможны две типичные схемы решетки. В схеме на рис. 6-25, а дуга, возникшая на контактах, переходит на рога и, двигаясь кверху, под действием магнитного поля всеми своими точками одновременно проникает в область, занятую решеткой. Напряжение на дуге достигает значения U3m, ток в цепи снижается до нуля по кривой, представляющей собой экспоненту.

В схеме на рис. 6-25,6 дуга, возникшая на контактах, последовательно входит в промежутки между пластинами решетки по мере удаления подвижной контакт-детали от неподвижной. Напряжение на дуге возрастает постепенно по закону, близкому к линейному. Длительность горения дуги будет уменьшаться с возрастанием скорости расхождения контактов и числа пластин на единицу длины.

При прочих равных условиях схема на рис. 6-25, а позволяет получить меньшую продолжительность горения дуги, чем схема на рис. 6-25,6. Однако для обеспечения одновременного входа дуги во все промежутки между пласти­нами требуется внешнее магнитное поле.

Гашение дуги переменного тока. При гашении дуги переменного тока в дугогасительной решетке основную роль играют процессы у катода, заклю­чающиеся в том, что в рационально спроектированной дугогасительной решетке в момент прохождения тока через нуль околокатодное пространство может мгновенно приобрести электрическую прочность 50 — 200 В (см. § 5-7).

Если Unp0 является тем минимальным напряжением, которое необходимо для пробоя околокатодного слоя после прохождения тока через нуль, а дуго­гасительная решетка имеет т катодов (т — 1 пластин), то при

UnpOm > UBmax (6-15)

дуга на промежутке не восстановится. В решетке (рис. 6-25, а) дуга погаснет в тот полупериод, за который она войдет в решетку. При схеме на рис. 6-25,6 дуга за один полупериод может не успеть войти в необходимое число промежутков, так как длина дуги зависит от скорости расхождения кон­тактов.

Как указывалось выше, (7втах практически не превосходит 2Ет. Условие (6-15) определяет число пластин решетки, между которыми должна находиться дуга переменного тока, чтобы получить ее погасание при прохождении тока через нуль. Необходимое для погасания дуги переменного тока число пластин существенно меньше, чем для погасания дуги постоянного тока, где U3 состав­ляет всего 20 — 25 В. Дугогасительная решетка на переменном токе действует намного эффективнее, чем на постоянном. Этим и объясняется широкое ее 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 эффектах. Это обеспечило ей широкое применение в дугогасительных устройствах контакторов и автоматических выключателей.

Выше рассмотрены основные процессы, происходящие в дугогасительной решетке. Эти процессы осложняются дополнительными явлениями. В частности, существенное значение имеют процессы, происходящие при вхождении дуги в решетку, форма и материал пластин.

Вхождение дуги в решетку. Быстро движущаяся дуга встречает значи­тельное аэродинамическое сопротивление при вхождении в решетку. Дойдя до нижнего края пластин, дуга замедляет свою скорость или вовсе останавливается. Аэродинамическое сопротивление (в первом приближении пропорциональное квадрату скорости) падает, и дуга начинает проникать в решетку. Степень снижения скорости дуги или время ее остановки у нижнего края пластин зависят от формы пластин, расстояния между ними, сил, движущих дугу, и общей конструкции решетки. Так, решетка по схеме 3 (рис. 6-25, в) имеет преимущества перед другими схемами: условия вхождения дуги в решетку здесь более благоприятны.

В решетку, выполненную по схемам 1, 2, 3, дуга всегда входит. Внешние силы могут только сократить время остановки дуги у нижнего края пластин. В решетке по схеме 4 опорные точки дуги не могут проникать в область, занятую решеткой, дуга здесь не всегда входит в решетку. Длительная остановка дуги у нижнего края пластин приводит к их выгоранию.

Расстояния между пластинами решетки желательно делать весьма малыми. Чем большее число пластин удается поместить на единицу длины, тем компактнее получается дугогасительное устройство. Расстояние между пластинами ограничивается возможностью возникновения между ними металлического перешей­ка и их сплавлением. Стальные пластины ближе чем на 2 мм располагать нельзя. Второе ограничение связано с условиями вхождения дуги в решетку. Чем гуще решетка, тем труднее дуге проникать в нее.

Электрическая дуга в решетке из немагнитного материала. Движение электрической дуги в решетке из немагнитного материала и силы, действую­щие на дугу, схематично изображены на рис. 6-26, а. На возникшую между контактами электрическую дугу действуют электродинамические силы Fo контура тока. Эти силы, а при наличии внешнего магнитного поля и сила взаимо­действия тока в дуге с этим полем загоняют дугу в решетку. Силы F о продолжают существовать в течение всего времени нахождения дуги в решетке.

Проникая в решетку, дуга разбивается на ряд коротких дуг. Она перестает двигаться как нечто целое. Каждая из коротких дуг приобретает возможность двигаться самостоятельно. Некоторые из них могут продвинуться вперед, некото­рые могут отстать. Как только это произойдет (а произойдет это обязательно), в контурах тока по решетке возникнут местные силы Fb стремящиеся задержать движение отставших дуг и ускорить движение дуг, выдвинувшихся вперед. На одних участках дуги будет действовать сила F0 — F ь на других Fo + Ft. В результате одни дуги в решетке сильно продвинутся вперед, другие отстанут или даже получат обратное движение.

При малых токах силы F 0 малы, и при решетке из немагнитного материала дуга не всегда проникнет в решетку и будет гореть под ней. При больших токах дуга быстро пройдет через решетку и будет гореть над ней.

Электрическая дуга в решетке из магнитного материала. Движение дуги в решетке из магнитного материала и силы, действующие при этом на дугу, схематично изображены на рис. 6-26,6. Силы Fo и fi действуют так же, как в решетке из немагнитного материала, к ним добавляются силы взаимо­действия тока в дуге с магнитными массами решетки (см. § 3-10). Эти силы (F2) стремятся втянуть дугу в решетку, когда дуга находится под решеткой, и отталкивают ее (F3) от краев пластин (к середине) после вхождения дуги в решетку.

Таким образом, электромагнитные силы, возникающие в решетке из магнитного материала (стальной), стремятся выравнять скорости движения отдельных дуг. Эти силы способствуют вхождению дуги в решетку и препятствуют выходу ее

из решетки. При малых токах дуга не останавливается под решеткой, как это происходит при решетке из немагнитного материала. Указанные свойства стальных пластин сильно способствовали широкому распространению устройств с дугогасительными решетками. Применение стальных пластин вместо медных или латунных, кроме того, удешевляет конструкцию.

Особенности движения в решетке дуги переменного тока повышенной частоты. При переменном токе в пластинах решетки наводятся вихревые токи. Взаимо­действие магнитного поля вихревых токов с током дуги приводит к возникно­вению электромагнитных сил F'2 и F'3, направленных противоположно рас­смотренным выше силам F2 и F3. При промышленной частоте силы F'2 и ^'з малы и ими можно пренебречь. При повышенной частоте значение этих сил возрастает. При определенных условиях они могут превосходить силы F 2 и F3 и существенно изменять характер движения дуги. Вместотого чтобы притягиваться к решетке, как это происходит при частоте 50 Гц (рис. 6-27, а), дуга будет отталкиваться от нее (рис. 6-27, б). Траектория дуги будет направлена не от края к центру, как при 50 Гц, а от центра к краю (А и В - начальные точки траектории дуги).

Характер зависимости сил F2 и F'2, действующих на дугу при вхождении в стальную и латунную решетки, от частоты переменного тока показан на рис. 6-27, в. При латунной решетке силы F2 отсутствуют и наведенные вихревые токи всегда отталкивают дугу от решетки (кривая 1). При стальной решетке силы F'2 начинают превосходить силы F2 при повышенных частотах (кривая 2).

6-11. БЕЗДУГОВАЯ КОММУТАЦИЯ

ЦЕПЕЙ ПЕРЕМЕННОГО И ПОСТОЯННОГО ТОКА

Одним из перспективных путей повышения эффективности коммутации силовых цепей, позволяющим исключить возникновение дуги отключения или ограничить время ее горения, является использование силовых полупроводни­ковых приборов. Во многих странах и у нас в СССР ведутся работы по созданию коммутационных аппаратов на базе тиристоров и симисторов, однако до настоящего времени такие аппараты имеют ограниченное применение Основ­ными факторами, препятствующими широкому применению указанных аппаратов, даже при низком напряжении, являются высокая стоимость, значительные габари­ты, отсутствие видимого разрыва цепи, чувствительность к перегрузкам, скорости нарастания тока и напряжения. Подробно этот вопрос рассмотрен в 'разделе 4

Более приемлемыми для сильноточных аппаратов признаны устройства с оездуговои коммутацией, основанные на использовании механических контактов и тиристоров или механических синхронизирующих устройств, контактов и не­управляемых диодов.

Коммутация цепей переменного тока. Для аппаратов с высокой частотой
оперативных включений и отключений заслуживает внимания контактная система
с тиристорным блоком бездугового отключения (рис. 6-28). Тиристоры VS1 и
VS2 включены параллельно контакту. При разомкнутом контакте К они заперты -
ток в цепи отсутствует. При замыкании контакта и возникновении тока в цепи
реформаторы тока ТА1 и ТА2 (или другое устройство) через диоды VD1 и
vnnl» T Соответственно полярности полуволны отпирающие сигналы на

ГЩИ£ ЭЛектроды ™Ристоров. Однако ток через тиристоры не протекает, ШуН™Р°ваны контактом. В момент размыкания контакта ток соот!;™ Ц£ПЬ ТОШ И3 ™РИСТОР°В> направление проводимости которого соответствует полярности тока. Прямое падение напряжения на открытом тиристоре мало (1,5-2 В на одном тиристоре), и дуга на контактах не возникает. При переходе тока через нуль проводящий тиристор закроется, а второй не откроется ввиду отсутствия сигнала. Ток в цепи прекратится. Коммутационная износостойкость контактов при этом способе гашения сильно возрастает (например, у контакторов серий КТ-64 и КТ-65 — в 10 раз).

Так как тиристоры обтекаются здесь током только в течение полупериода, то они могут выбираться на малые номинальные токи с большими перегрузками. Габариты тиристорного блока оказываются малыми.

Принципиальная электрическая схема коммутационного устройства с синхрони­зированным размыканием контактов приведена на рис. 6-29 [30, 37].

Контакты К1 и К2 замыкаются и удерживаются в замкнутом положении приводом. Встречно-параллельно включенные диоды VD1 и VD2 представляют собой незначительное нелинейное симметричное малоинерционное сопротивление, они не искажают форму тока и не влияют на него. Ток протекает в парал­лельных цепочках в соответствии с полярностью диодов. При отключении привод освобождает подвижные контакт-детали, предоставляя возможность контак­там К1 и К2 разомкнуться с помощью своих отжимающих пружин. Контролирующие электромагниты 1 и 2 удерживают контакты замкнутыми до перехода тока через нуль и до закрытия диодов. Если в момент отключения привода ток проходит через электромагнит 2, то контакт К2 удерживается в замкнутом положении до конца полупериода, а контакт К1 размыкается одновременно с приводом. Аналогично происходит, если в момент отключения привода ток протекает через электромагнит 1: контакт К2 (обесточенный) отключается одновременно с приводом, а контакт К1 — в конце полупериода тока, проходящего по нему.

Контролирующие электромагниты обеспечивают размыкание контактов не синхронно с приводом, а в паузу тока, создаваемую диодами после перехода тока через нуль.

Устраняя электрическую дугу, устройство, выполненное по этой схеме, обеспе­чивает высокую изолирующую способность межконтактного промежутка в отключен­ном состоянии (контакты разомкнуты) и малое сопротивление во включенном состоянии. При больших токах это устройство может быть использовано как дугогасительный контакт, у которого основной контакт отключается одноРис. 6-30. Схемы бездуговой комму­тации на постоянном токе

временно с приводом, а контак­ты К1 и К2 — соответственно полупериоду протекающего по ним тока.

Коммутация цепей постоян­ного тока. Отключение постоян­ного тока представляет собой процесс принудительного его

обрыва. Схемы, обеспечивающие либо ограничение времени горения дуги, либо полностью бездуговую коммутацию, многообразны и сложны. Они основаны, как правило, на конденсаторном гашении в сочетании с искусственной коммутацией тиристоров.

В схемах, выполненных по принципу, показанному на рис. 6-30, а, после размыкания контакта К открывается тиристор VS. Заранее заряженный конден­сатор С разряжается через дугу и катушку индуктивности L, благодаря чему ток в дуге дважды меняет свое направление. В один из переходов тока через нуль возможно гашение дуги. Такие схемы при токах свыше 100 А требуют значительных емкостей (конденсатор имеет большие габариты и время заряда), обеспечивают только сокращение времени горения дуги и, таким образом, малоэффективны.

В схемах, подобных показанной на рис. 6-30, б, процесс отключения цепи двухступенчатый: сперва открывается тиристор VS1, ток переводится в цепь тиристора и контакт К размыкается без дуги. Затем открытием тиристора VS2 осуществляется разряд конденсатора С и запирание тиристора VS1, достигается полное бездуговое отключение тока (искусственная коммутация тиристоров более подробно рассмотрена в главе 23).

Во всех случаях амплитуда тока разряда конденсатора должна быть больше тока цепи. Цепь диода VD и резистора R служит для снижения напряжений и повышения отключающей способности, тиристор VS3 — для заряда (одна из схем) конденсатора.

Бездуговая коммутация цепей постоянного тока в сочетании с другими мероприятиями позволяет проектировать выключатели с полным временем отклю­чения не более 0,01 с, а также повышать коммутационную износостойкость аппаратов (для контакторов — в 5—10 раз).

6-12. ПОТОКИ ПЛАЗМЫ И ГАШЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ [9]

Электрическая дуга была открыта В. В. Петровым в 1802 г. и ныне широко используется в различных областях техники и физического эксперимента, однако многое еще остается в ней невыясненным и спорным. Открываются все новые особенности этого сложного явления. Одной из таких особенностей, привлекшей к себе в последние годы внимание, является наличие в дуге продоль­ных потоков плазмы (факелов).

Давно было замечено, что в ряде случаев электрическая дуга откло­няется от кратчайшего расстояния между электродами и принимает весьма причудливую форму, не подвергаясь видимому воздействию внешних сил. При этом из опорных точек дуги исходят быстро перемещающиеся языки пламени.

вдоль оси проводни­ка меняется площадь его сечения, то неодинаковым оказывается и электромагнитное давление внут­ри проводника. Оно больше в местах сужения и меньше там, где проводник расширяется. В провод­нике переменного сечения возника­ет продольная разность давлений.

В твердом проводнике это обычно не приводит к каким-либо перемещениям. Но в газообразной среде, какой является электрическая дуга, эта разность давлений порождает потоки плазмы, исходящие из мест уменьшенных сечений. Такими местами в электрической дуге служат, в частности, приэлектродные области (рис. 6-31). Из них и исходят потоки плазмы (показаны стрелками), которые мы воспринимаем как светящиеся факелы, часто придающие дуге весьма причудливую форму.

Электромагнитное давление является весьма важной, но не единственной причиной возникновения продольных потоков плазмы. При определенных условиях существенную роль начинают играть и тепловые процессы.

Потоки плазмы возникают только в том случае, если ток в дуге достигает некоторого определенного уровня, и наблюдаются при расстояниях между электродами свыше 1 мм. Они появляются не сразу после возникновения дуги, а с некоторым отставанием, достигающим 1—2 мкс.

Потоки плазмы возникают как на аноде, так и на катоде, на электродах из разных (любых) материалов (они особенно велики на жидких электродах), в разных газовых средах, в дугах высокого и низкого давления. Они появляются не только у электродов, а при любом искусственном (рис. 6-31, а) изменении площади сечения дуги (при соприкосновении с изоляционной или металли­ческой перегородкой, при вхождении в узкую щель и т. п.).

Потоки плазмы имеют вид резко очерченных пучков (факелов) и по своей яркости значительно превосходят другие части дуги. Они очень подвижны и часто меняют свою форму и местоположение, сохраняя общие очертания в течение 20—30 мс. Они неоднородны по структуре. В их центральной части обнаруживается область наиболее яркого свечения — ядро потока, которое окружено плазмой, имеющей более низкую температуру и более слабое свечение.

Потоки плазмы направлены перпендикулярно к поверхности тех электродов, из которых они исходят, и распространяются прямолинейно, если на них не действуют внешние факторы. Они имеют более высокую температуру и проводимость, чем другие части ствола дуги. Поэтому во многих случаях ствол дуги разделяется на яркие потоки плазмы и менее яркую часть ствола Д, опирающуюся на эти потоки (рис. 6-31, в).

Имея более высокую температуру и проводимость, потоки плазмы являются концентрированными носителями энергии. Условия горения и гашения электри­ческой дуги в значительной мере зависят от направления плазменных потоков. Если они направлены навстречу друг другу, например так, как показано на рис. 6-31,6, то вся их энергия выделяется в дуговом промежутке (плазменный диск ЛД) и условия гашения затрудняются. Наоборот, если потоки плазмы выносят энергию из дугового промежутка (рис. 6-31, в), то условия гашения дуги облегчаются.

Выше рассмотрено движение дуги в поперечном, продольном и радиальном магнитном поле. В настоящее время к указанным трем основным формам движения дуги добавляется еще четвертая. Она обусловлена воздействием на дугу ее собственного вихревого магнитного поля, которое сжимает дугу и вызы­вает появление в ней продольных потоков плазмы. Если движение дуги в поперечном, продольном и радиальном магнитном поле связано с перемещением ее в пространстве, то воздействие собственного вихревого поля вызывает движение плазмы в самой дуге.

Выше дуга рассматривалась как некоторое цельное образование — шнур, ее движение под действием внешних магнитных полей уподоблялось перемещению легко деформируемого проводника с током. Обнаружение потоков плазмы вносит изменения и уточнения в эти представления. Приходится считаться с движением плазмы внутри дугового шнура. Это движение имеет общий характер. Оно существует как в неподвижно горящей дуге, так и при всех формах ее движения в магнитном поле и позволяет более полно объяснить не вполне понятные ранее явления.

Поперечное магнитное поле отклоняет потоки плазмы, как это показано на рис. 6-31, г. Прерывистый характер движения дуги здесь связан с потоками плазмы, изменение формы которых способствует образованию новых опорных пятен дуги. Движение дуги в продольном магнитном поле сопряжено с появ­лением двух потоков плазмы — анодного и катодного, вращающихся вокруг оси системы и завивающихся в спираль. В радиальном магнитном поле вращение дуги вокруг ее собственной оси связано с появлением потоков, внутри которых частицы плазмы движутся по спиралям. Оси этих спиралей совпадают с осью ствола дуги. С потоками плазмы приходится считаться при разработке дугогаситель-ных устройств.