Гашение электрической дуги, устройства для создания магнитного дутья, силы, перемещающие дугу в дугогасительную камеру

Дугогасительное устройство. В контакторах по­стоянного тока наибольшее распространение получили устройства с электромагнитным дутьем. При взаимодействии магнитного поля с ду­гой возникает электродинамическая сила, перемещаю­щая дугу с большой скоростью. Для улучшения охлаж­дения дуги ее загоняют в щель из дугостойкого материа­ла с высокой теплопроводностью. При расхождении кон­тактов 1 и 7 (смотреть рис.1) между ними возникает дуга 14. Дугу можно рассматривать как проводник с то­ком. Катушка 8 создает м. д. с., под действием которой возникает поток. Этот поток проходит через сердечник катушки, полюсные наконечники 15 и воздушный зазор, в котором горит дуга. На рис.1 крестиками показано направление магнитного потока между полюсами систе­мы, направленного за плоскость чертежа.

В соответствии с рис.3, чем больше отключаемый ток, тем выше идет прямая U—iR. Для обеспечения ус­ловий гашения дуги необходимо с ростом тока поднимать вольт-амперную характеристику дуги. Это достигается удлинением дуги либо за счет электродинамических сил, либо за счет механического растяжения дуги.

Рис.3. Ток в цепи при различных сопротивлениях R и наличии дуги.

На рис.4 изображена зависимость раствора кон­тактов, при котором происходит гашение дуги, от тока и магнитной индукции, полученная О. Б. Броном на маке­те контактора.

Рис.4. Зависимость раствора контактов, обеспечивающего гашение дуги, от величины отключаемого тока.

При всех значениях индукции В кривые имеют один и тот же характер: при токе 5—7 А кривая достигает максимума, после чего с ростом тока необхо­димый раствор падает и при токе 200 А все кривые слива­ются. Такой ход кривых объясняется следующими явле­ниями. Электродинамическая сила, действующая на еди­ницу длины дуги, равна:

, (**)

где I — ток; В — индукция магнитного поля.

Рассмотрим случай, когда В==0 (кривая 1). При малом значении тока в дуге электродинамическая сила получается столь незначительной, что она не оказывает никакого влияния на процесс гашения. Условия, необхо­димые для гашения, создаются за счет механического ра­стяжения дуги подвижным контактом. При этом гашение дуги с ростом тока наступает при большей ее длине.

При токе более 7 А на дугу действует электродинами­ческая сила, возникающая как за счет магнитного поля подводящих проводников, так и за счет конфигурации самой дуги (грубо можно представить, что дуга имеет форму части окружности). Эти силы являются решающи­ми для гашения дуги. Чем больше ток в цепи, тем боль­ше электродинамическая сила, растягивающая дугу. В результате при токе 200 А для гашения дуги достаточ­но иметь раствор контактов около 1,5*10^-3 м. Фактиче­ски при таком токе, как только контакты разойдутся, воз­никающие электродинамические силы выталкивают дугу из межконтактного зазора и перемещают со скоростью несколько десятков метров в секунду. При этом длина дуги, при которой она гаснет, достигает 0,10 м и более.

Наличие внешнего магнитного поля способствует рез­кому сокращению раствора контактов в области малых токов и незначительно сказывается на процесс гашения при токах 100 А и выше. Наиболее оптимальной маг­нитной индукцией является В ==0,0069 Т

В области малых токов с ростом тока увеличивается необходимый для гашения раствор контактов. При за­данной скорости их движения требуется и большее время для достижения необходимого раствора. В области боль­ших токов процесс гашения определяется электродинами­ческими силами. Чем больше ток, тем больше скорость растяжения дуги динамическими силами, тем меньше время, необходимое для достижения дугой критической длины.

Рис.5. Зависимость времени дуги и силы, действующей на дугу, от величины

отключаемого тока.

Хотя при токах выше 100 А применение магнитного дутья кажется излишним (рис.4 и рис.5), во всех кон­такторах на токи 100 А и выше такая система обязатель­но применяется. Дело в том, что наличие внешнего маг­нитного поля способствует быстрому перемещению опор­ных точек дуги на контактах, перегоняя ее на дугогасительные электроды — рога и тем самым уменьшая оплавление контактов. Как показали исследования, для каждого значения тока имеется свое оптимальное значение поля. При напряженности, большей оптималь­ной, наступает усиленный износ контактов за счет того, что жидкометаллический контактный мостик, образую­щийся в стадии размыкания контактов, уносится и рас­пыляется сильным магнитным полем.

Величина напряжения отключаемой цепи утяжеляет процесс гашения дуги только в области малых токов до 30 А. В области с токами выше 100 А, когда решающую роль играют электродинамические силы, величина пита­ющего напряжения практически не влияет на раствор контактов. Раствор контактов обычно берется (10—17)*10^-3 м и определяется условиями гашения малого тока.

Характер нагрузки отключаемой цепи также оказы­вает влияние только при малых токах в области, где га­шение дуги происходит за счет механического растяже­ния дуги. В области больших токов следует опасаться больших перенапряжений и повторных пробоев из-за резкого снижения тока к нулю при сильном магнитном поле.

В зависимости от способа создания магнитного поля различают системы с последовательным включением ка­тушки магнитного дутья (катушка тока), с параллель­ным включением катушки (катушка напряжения) и системы с постоянным магнитом.

В случае применения катушки тока она обтекается током, проходящим в отключаемой цепи. Если прене­бречь магнитным сопротивлением стали, то можно счи­тать, что индукция пропорциональна отключаемому току. Тогда (**) можно преобразовать к виду:

F₁=k₁I².

Таким образом, сила, действующая на единицу длины дуги, пропорциональна квадрату тока.

Как было показано ранее, наиболее важно иметь не­обходимую величину магнитного поля для дутья в обла­сти малых токов. Система с катушкой тока обладает как раз тем недостатком, что в этой области токов не создает необходимой индукции магнитного поля (см. зависимость электродинамической силы от тока — кривая 4 рис.5). В результате гашение дуги получается малоэффектив­ным. На рис.5 изображена зависимость длительности горения дуги и электродинамической силы, действующей на нее, от тока для контактора на 150 А. Кривые времени дуги 1 — при отсутствии магнитного дутья; 2— при маг­нитной системе с катушкой тока. В последнем случае при токе 10 А длительность горения дуги достигает 0,09 с. Та­кая длительность горения дуги недопустима, так как возможно устойчивое горение без погасания.

Согласно опытным данным ток, надежно отключае­мый контакторами с катушкой тока, составляет 20—25% номинального тока аппарата.

Для надежного и быстрого гашения дуги в области малых токов применяются контакторы на небольшой ток (блок-контакторы) со сменными катушками магнитного дутья. Эти катушки имеют номинальный ток 1,5—40 А. При малом отключаемом токе устанавливается катушка, имеющая большое число витков, благодаря чему созда­ется необходимое магнитное поле для гашения дуги за малое время.

Необходимо отметить, что за счет сильного магнит­ного дутья возможен резкий обрыв тока, что приводит к возникновению перенапряжений в сильно индуктивной цепи. Предельный ток, который может отключать блок-контактор, не должен превышать трехкратного значения номинального тока катушки магнитного дутья.

Достоинствами системы с катушкой тока являются:

1. Система хорошо работает в области токов свыше 100 А. При этих токах магнитное поле быстро сдувает дугу с рабочих поверхностей контактов и обеспечивает малый их износ.

2. Работа системы не зависит от направления тока. При изменении направления тока меняет знак и магнит­ное поле. Сила, действующая на дугу, не изменяет своего направления.

3. Поскольку через катушку проходит номинальный ток контактора, она выполняется из провода большого сечения. Такая катушка механически прочна и не боит­ся ударов, возникающих при работе контактора. Падение напряжения на катушке составляет доли вольта. Поэто­му к изоляции катушки не предъявляются высокие тре­бования.

Наряду с достоинствами эта система имеет и ряд недостатков:

1. Плохое гашение дуги при малых токах (5—7 А).

2. Большая затрата меди на катушку.

3. Нагрев контактов за счет тепла, выделяемого дугогасительной катушкой.

Несмотря на эти недостатки, благодаря высокой на­дежности при гашении номинальных и больших токов система с катушкой тока получила преимущественное распространение.

В параллельной системе катушка магнитного дутья подключается к независимому источнику питания. Маг­нитная индукция, создаваемая системой, постоянна и не зависит от отключаемого тока.

Сила, действующая на дугу согласно (**), пропор­циональна отключаемому току

F₂=k₂I

На рис.5 изображена эта зависимость (кривая 5) для случая, когда м. д. с. катушки тока при номинальном токе равна м. д. с. катушки напряжения. При токах от 0 до I_н сила, действующая на дугу, при катушке напряже­ния получается большей, чем при катушке тока, — пря­мая 5 идет выше параболы 4. Это позволяет резко сни­зить длительность горения дуги в области малых токов. При токах, больших I_н, сила, действующая на дугу, при катушке тока больше, чем при катушке напряжения. Однако для гашения это не имеет существенного значе­ния, так как решающими являются силы, возникающие в самом контуре дуги.

Зависимость времени гашения дуги от тока для си­стемы с катушкой напряжения приведена на рис.5 (кривая 3).

Поскольку в области малых токов катушка напряже­ния действует более эффективно, чем катушка тока, при одной и той же длительности горения дуги требуется меньшая м. д. с., что дает экономию. Однако ка­тушки напряжения имеют и ряд существенных не­достатков:

1. Направление электродинамической силы, действу­ющей на дугу, зависит от полярности тока. При измене­нии направления тока дуга меняет направление своего движения. Контактор не может работать при перемене полярности тока.

2.Поскольку, к катушке прикладывается напряжение источника питания, изоляция должна быть рассчитана на это напряжение. Катушка выполняется из тонкого провода. Близость дуги к такой катушке делает ее рабо­ту ненадежной (расплавленный металл контактов может попадать на катушку).

3. При коротких замыканиях возможно снижение на­пряжения на источнике, питающем катушку. В результа­те процесс гашения дуги идет неэффективно.

В связи с указанными недостатками системы с катуш­кой напряжения в настоящее время применяются только в случаях, когда необходимо отключать небольшие то­ки — от 5 до 10 А. В аппаратах на большие силы тока эта система не применяется.

Система с постоянным магнитом по существу мало отличается по своей характеристике от системы с катуш­кой напряжения. Магнитное поле создается за счет по­стоянного магнита. По сравнению с системами, где поле создается обмот­ками, постоянный магнит имеет ряд преимуществ:

1. Нет затраты энергии на создание магнитного поля;

2. Резко сокращается расход меди на контактор;

3. Отсутству­ет подогрев контактов от катушки, как это имеет место в системе с катушкой тока;

4. По сравнению с системой с ка­тушкой напряжения система с постоянным магнитом

об­ладает высокой надежностью и хорошо работает при лю­бых токах.

В силу своих преимуществ эта система, оче­видно, в дальнейшем будет широко использоваться. Магнитное поле, действующее на дугу, создает силу, которая перемещает дугу в дугогасительную ка­меру. Назначение камеры — локализовать область, занятую раскаленными газами дуги, препятствовать пе­рекрытию между соседними полюсами. При соприкосно­вении дуги со стенками камеры происходит интенсивное охлаждение дуги, что приводит к подъему вольт-ампер­ной характеристики и успешному гашению. Исследования О. Б. Брона показали, что в качестве материала необходимо применять дугостойкую керамику.

Наиболее совершенной является лабиринтно-щелевая камера. Под действием магнитного поля дуга загоняется в суживающуюся зигзагообразную щель (рис.6,б). Благодаря увеличению длины дуги и хо­рошему тепловому контакту дуги со стенками камеры происходит ее эффективное гашение. По сравнению с обычной продольной щелью (рис.6, а) зигза­гообразная щель уменьшает количество выброшенных из камеры раскаленных газов и, следовательно, зону вы­хлопа.

Рис.6. Дугогасительные камеры контакторов постоянного тока.

Электромагнитная система. Электромагнитная система обеспечивает дистанционное управление контактором, т.е. включение и отключение. В контакторах с при­водом на постоянном токе преимущественное распростра­нение получили электромагниты клапанного типа.

С целью повышения механической износостойкости в современных контакторах применяется вращение якоря на призме. Выбранная компоновка электромагнита и контактной системы (рис.1), применение специальной пружины 16, прижимающей якорь к призме, позволяют повысить износостойкость узла вращения у контакто­ров КПВ-600 до 20*10⁶. По мере износа призменного узла зазор между скобой якоря и опорной призмой автоматически выбирается. В случае же при­менения подшипникового соединения якоря и магнитопровода при износе подшипника возникают люфты, на­рушающие нормальную работу аппарата.

Для получения вибро- и ударостойкости подвижная система контактора должна быть уравновешена относи­тельно оси вращения. Типичным примером является электромагнит контактора серии КПВ-600 (рис.1). Якорь магнита уравновешивается хвостом, на котором укреп­ляется подвижный контакт. Возвратная пружина также действует на хвост якоря. Катушка электромагнита нама­тывается на тонкостенную изолированную стальную гиль­зу. Такая конструкция катушки обеспечивает хорошую прочность и улучшает тепловой контакт катушки с сер­дечником. Последнее способствует снижению температу­ры катушки и уменьшению габарита контактора.

При включении электромагнит преодолевает действие силы возвратной и контактной пружин. Тяговая характе­ристика электромагнита должна во всех точках идти вы­ше характеристики противодействующих пружин при минимальном допустимом напряжении на катушке (0,85 U_н) и нагретой катушке. Включение должно про­исходить при всё время нарастающей скорости. Не дол­жно быть замедления в момент, замыкания главных кон­тактов.

Рис.7. Противодействующая характеристика для контактора на рис.1.

Характеристика противодействующих сил, приведённых к якорю электромагнита для контактора (рис.1), приведена на рис.7 (кривая 4). Отрезки ординаты этой кривой представляют соответственно: 1 – силу тяжести, 2 – силу возвратной пружины, 3 – силу контактной пружины.

Наиболее тяжелым моментом при включении являет­ся преодоление силы в момент касания главных контак­тов, так как электромагнит должен развивать значитель­ное усилие при большом рабочем зазоре. Важным пара­метром механизма является коэффициент возврата k_В = U_отн/U_ср. Для контакторов постоянного тока k_В, как правило, мал (0,2—0,3), что не позволяет исполь­зовать контактор для защиты двигателя от снижения на­пряжения.

Наибольшее напряжение на катушке не должно пре­вышать 110% U_н, так как при большем напряжении уве­личивается износ из-за усиления ударов якоря, а темпе­ратура обмотки может превысить допустимую величину.

Следует отметить, что с целью уменьшения м. д. с. об­мотки, а, следовательно, и потребляемой ею мощности рабочий ход якоря выбирается небольшим (8—10) 10^-3м. В связи с тем, что для надежного гашения дуги при ма­лых токах требуется раствор контактов (17—20)10^-3 м, расстояние точки касания подвижного контакта от оси вращения подвижной системы берется в 1,5—2 раза боль­ше, чем расстояние от оси полюса до оси вращения.