§ 30. Гашение электрической дуги в выключающих аппаратах
Способы гашения электрических дуг подразделяются на две группы: гашение коротких и длинных дуг.
Короткие дуги имеют ту особенность, что падение напряжения у катода составляет существенную часть от общего падения напряжения в дуге.
Рис. 29-5. Восстановление напряжения на дуговом промежутке при наличии периодического колебательного процесса
Это объясняется тем, что автоэлектронная эмиссия требует высокого градиента электрического поля (до 106 в/см) в слое у катода толщиной 10-4— 10-5 см.
Явления у катода при коротких дугах переменного тока создают характерную для них начальную прочность дугового промежутка. По мере горения дуги вследствие диффузии и рекомбинации зарядов электрическая прочность промежутка возрастает.
Длинные дуги возникают при высоких напряжениях источника, поэтому падение напряжения у катода не оказывает существенного влияния на зажигание. Гашение длинных дуг производится при помощи ускорения распада дуги. Для этого снижают температуру дуги ниже температуры термической ионизации (4000° К) путем соприкосновения дуги с холодными частями дугогасительных устройств или путем диссоциации окружающих дугу веществ. В последнем случае молекулы газа или пара диффундируют в столб дуги и под влиянием высокой температуры диссоциируют, т. е. распадаются на атомы. Поскольку на это затрачивается энергия, то температура дуги снижается. В дальнейшем диссоциированные атомы диффундируют в окружающее дугу пространство, где при рекомбинации отдают энергию.
Для гашения дуг переменного тока особенно выгодно использовать атомы водорода, которые возникают при диссоциации паров масла.
Рассмотрим наиболее употребительные способы гашения дуги.
Магнитное дутье основано на том, что ток в дуге, взаимодействуя с внешним магнитным полем, отклоняет дугу. Погасание дуги при этом происходит от двух причин: растяжения дуги и охлаждения дуги при ее быстром перемещении сквозь неподвижный воздух.
Магнитное поле может быть получено с помощью электромагнитов с сериесной и шунтовой катушками, а также с помощью постоянных магнитов. При сериесных электромагнитах сила F, вызывающая перемещение дуги, будет пропорциональна магнитной индукции В, длине дуги l и току I. Но магнитная индукция, в свою очередь, при сериесном электромагните пропорциональна току, таким образом,
(30-1)
Этим объясняется, что электромагнитное дутье с сериесными катушками хорошо работает при больших токах и хуже при малых токах.
Решетки Доливо-Добровольского применяются для гашения коротких дуг. Гашение дуги здесь основано на том, что электродинамическими силами дуга отклоняется в пространство, разгороженное неподвижными изолированными металлическими пластинами. Попав на эти пластины (решетку), дуга разбивается на несколько коротких дут, в результате чего суммарное около- электродное напряжение возрастает. Статическая вольт-амперная характеристика дуги в этом случае поднимается, что способствует гашению.
Конструктивное выполнение дугогасительных решеток может быть в двух видах: с переходом дуги на решетку с дугогасительных рогов либо с постепенным переходом дуги на пластины дугогасительной решетки по мере движения подвижного контакта. В первом случае гашение дуги происходит за меньший промежуток времени, но требует магнитного дутья.
Щелевые камеры гасят дугу вследствие ее деионизации при охлаждении о стенки камеры. Камеры выполняются из огне- и влагостойкого материала. В качестве такого материала служит асбоцемент (ацеид) или керамика. Керамические камеры дуго- и влагостойки, вследствие большей теплопроводности они гасят дугу лучше. Для повышения гидрофобности (водоотталкивающей способности) камер из асбоцемента последние пропитываются кремний-органическими соединениями.
Форма щелевых камер бывает различной: с одной или несколькими прямыми щелями, с сужающейся щелью, с извилистой щелью. В мощных выключателях щелевая камера снабжается магнитным дутьем.
Гашение дуги высоким давлением обычно осуществляется в трубчатых предохранителях. Повышение давления в закрытом патроне предохранителей происходит от нагрева газа электрической дугой. Оно пропорционально квадрату тока. С повышением же давления газов ионизация в дуге резко падает, и дуга гаснет.
Газогенерирующие дугогасительные устройства основаны на том, что под влиянием нагрева стенок дугогасительной камеры электрической дугой из материала стенок выделяется большое количество газов, которые выдувают дугу. В качестве газогенерирующих веществ применяют фибру, органическое стекло, винипласт и др.
Дугогасящие устройства с твердым газогенерирующим материалом выполняются с продольным или поперечным дутьем. В камерах с продольным дутьем на дугу действуют как радиальные, так и аксиальные потоки газов. Газы радиального направления, попадая в дугу, диссоциируются, а газы продольного дутья удлиняют дугу.
Камеры с поперечным дутьем работают более эффективно. Здесь за время максимального значения тока дуги в основной камере и буферном объеме скапливается большое количество газа. При спаде тока эти газы выдувают дугу. При этом дуга прижимается к холодным стенкам камеры, что способствует ее гашению.
Газогенерирующие камеры успешно применяются в аппаратах переменного тока с напряжением до 10 кВ.
Камеры с воздушным дутьем основаны на том, что в момент размыкания контактов и образования дуги открывается вентиль воздушного дутья, обеспечивающий продольное дутье. Поток воздуха в момент прохождения тока через нуль отрывает ионизированную зону от острия подвижного контакта, а воздух образует вихревые потоки, которые также способствуют деионизации.
Омический принцип гашения дуги основан на том, что по мере растяжения дуги в ее цепи увеличивается активное сопротивление. Это снижает ток и, кроме того, уменьшает сдвиг фаз между током и напряжением, что также способствует лучшему гашению дуги.
Гасительные устройства в масле основаны на диссоциации масла. Энергия электрической дуги в масле расходуется: на разложение и движение масла (28%), расширение и нагрев газов (40%), теплоотдачу лучеиспусканием (11%), нагрев и испарение масла (9%) и другие виды потерь (12%). Таким образом, трансформаторное масло является хорошей дугогасительной средой, так как 68% энергии электрической дуги гасится в процессе диссоциации масла с выделением до 70% водорода.
Некоторым недостатком трансформаторного масла является сравнительно низкая температура вспышки паров (+135° С), но поскольку все другие известные жидкости обладают большими недостатками, то трансформаторное масло как дугогасительное средство получило наиболее широкое распространение.
Простейший баковый масляный выключатель имеет свободно горящую дугу в масле. Вокруг дуги образуется газовый пузырь с преимущественным содержанием водорода. Поскольку градиент напряжения в дуге мал (70 в/см), то для гашения дуги приходится иметь относительно большой ход подвижных контактов и двойной разрыв дуги.
Время горения дуги в таком выключателе зависит от тока. С увеличением тока до некоторого критического значения время горения дуги возрастает до 10—15 полупериодов. Дальнейшее возрастание тока снижает время горения дуги до 3—5 полупериодов за счет электродинамических сил. Под действием этих сил дуга отклоняется и приближается к стенкам газового пузыря, что вызывает увеличенное выделение газов (рис. 30-1).
Чтобы еще больше приблизить электрическую дугу к стенкам камеры и тем самым ускорить гашение, применяют камеры гашения. Примером такой гасительной камеры с поперечным дутьем служит камера с буферным объемом (рис. 30-2). В первый момент образования газового пузыря воздух в камере 3 сжимается (рис. 30-2,а). После подъема подвижного электрода 1 и открытия поперечного канала газы, пары масла и масло устремляются в канал, вызывая поперечное дутье (рис. 30-2,б). Поперечный поток не только охлаждает дугу, но и как бы срезает ионизированную зону. С другой стороны, приближение дуги к изоляционным граням вызывает дополнительное выделение газа. Обычно таких каналов устраивается несколько.
Рис. 30-1. Гашение свободно горящей дуги в масляном выключателе: 1 и 2 — подвижный и неподвижный контакты выключателя; 3 — изоляционные вводы; 4 — масло
Рис. 30-2. Дугогасительная камера с поперечным дутьем:
1 и 2 — подвижный и неподвижный контакты; 3 — буферная камера
После выхода подвижного электрода из верхнего отверстия вдоль вертикального канала образуется также и продольное дутье. Описанный способ гашения дуги применяется в выключателе типа ВМГ-133.
Более совершенные дугогасительные камеры выполняются с двумя разрывами, из которых один генерирующий, а второй гасительный.