ББК 31.264
Р60
УДК [621.316.37 + 621.316.9] (075.32)
Рецензент В. А. Образцов
Редактор Л. М. Пархоменко
Родштейн Л. А.
Р60 Электрические аппараты: Учебник для техни-
кумов. -4-е изд., перераб. и доп,—Л. Энергоатом-
издат. Ленингр. отд-ние, 1989.- 304 с.: ил.
ISBN 5-283-04389-4
Излагаются основы теории расчета электромеханических
аппаратов высокого и низкого напряжения, принципы проектиро-
вания статических аппаратов, анализируются конструкции аппара-
тов современных распределительных устройств силовых электро-
приводов. Третье издание вышло в 1981 г. Настоящее издание
переработано и обновлено с учетом новейших достижений в дан-
ной области.
Для учащихся техникумов.
р 2302030000 —102 Св. пл. сред. спец.	ББК 31 264
051(01)—89	У4- заведений 128—88
.( Энергия, 1981
Л Энергоатомиздат, 1989,
ISBN 5-283-04389-4	с изменениями и дополнениями
Предисловие
Настоящая книга является четвертым изданием учебника «Электрические ап-
параты» согласно программам курсов «Низковольтная электрическая аппаратура»
и «Высоковольтная электрическая аппаратура» по специальности «Электроаппа-
ратостроение» для техникумов. Книга содержит обшие и специальные для ука-
занных курсов разделы.
Переработка четвертого издания предусматривала расширение материалов
по общей теории электрических аппаратов, новым направлениям и достижениям
в их конструкциях. Первый раздел дополнен сведениями об основных физических
явлениях в аппаратах — о процессах в контактах, газоразрядных процессах
в воздухе, процессах восстановления изоляции и напряжения на дуювых проме-
жутках. Этот раздел также дополнен материалами по гашению дуги в элегазе
и вакууме, по применению полупроводниковых приборов в устройствах гашения
дуги и достижению бездугового гашения при переменном и постоянном токе.
Главы второго и третьего разделов переработаны частично или полностью
в связи с освещением в иих современных технических решений и новых конструк-
ций. Введена новая глава «Аппараты с жидкометаллическими контактами».
Четвертый раздел переименован в «Аппараты низкого напряжения бесконтакт-
ные» и соответственно переработан. В нем показано развитие нового класса
электрических аппаратов с применением полупроводниковых приборов. Раздел
написан кандидатом технических наук С. И. Бардинским.
Перестановка ряда глав обусловлена стремлением улучшить последователь-
ность изложения материала и приблизить ее к каталогу «Электротехника СССР».
Автор выражает благодарность рецензенту кандидату технических наук
В. А. Образцову за тщательное прочтение рукописи и сделанные замечания,
в частности по терминологии.
Замечания и пожелания по книге просьба направлять по адресу: 191065,
Ленинград, Марсово поле, 1, Ленинградское отделение Энергоатомиздата.
Автор
Введение
Электрические аппараты осуществляют управление потоком энергии от источ-
ника к приемнику. Они применяются в системах производства и распределения
электрической энергии и энергоснабжения во всех областях народного хозяйства,
в схемах автоматического и неавтоматического управления электрическими маши-
нами и разнообразным оборудованием
Наряду с электрическими машинами электрические аппараты являются основ-
ными средствами электрификации и автоматизации. Стоимость их нередко ока-
зывается соизмеримой со стоимостью управляемых ими электрических машии
и оборудования или даже превышает ее. Электрические аппараты составляют
самостоятельную и обширную область электротехники, к которой относится
большинство средств автоматики.
Научно-технический прогресс непосредственно связан с электровооружениостью
производства, гак как производительность труда пропорциональна его электро-
вооруженности. Простой рост количества выпускаемых аппаратов не обеспечивает
темпы электрификации страны. Необходимо непрерывное их совершенствование
на основе развития общей теории электроаппаратостроения, углубления вреде да-
влений о физике явлений, протекающих в электрических аппаратах, и умения
применять законы электротехники при их проектировании. При снижении мате-
риалоемкости электрических аппаратов и трудозатрат на их изготовление тре-
буется повышение уровней их напряжений и токов, быстродействия, надежности
и ресурса. На базе новых технологий и материалов должны быть расширены
работы по созданию бесконтактных (статических) аппаратов, аппаратов с жидко-
металлическими контактами, по миниатюризации конструкций и модульному их
исполнению.
Настоящий учебник в соответствии с программой курса освещает упомянутые
вопросы.
Раздел 1
Основы теории
электрических аппаратов
ГЛАВА 1
Основные понятия
Электрические аппараты осуществляют коммутацию, стабилизацию, регулиро-
вание и преобразование электрического тока. Все эти функции объединяются
обшим термином «управление током». Под электрическим аппаратом можно
понимать электротехническое устройство для управления электрическим током,
или механическими нагрузками, или различными техническими параметрами
работающего оборудования [30].
Поиятие «электрический аппарат» охватывает очень обширный класс бытовых
и промышленных устройств. Настоящий учебник относится в основном к электри-
ческим аппаратам, обслуживающим электроустановки по производству (электро-
станции!, передаче и распределению (электрические сети и подстанции), потребле-
нию (электрический привод) электрической энергии в народном хозяйстве.
Многообразие самих аппаратов и выполняемых ими функций, совмещение
в одном аппарате нескольких функций, непрерывное их развитие не позволяют
строго классифицировать их по одному какому-то признаку. Единого стандарта,
классифицирующего электрические аппараты, иет. Публикация 50(441) МЭК
(Международной электротехнической комиссии) делит рассматриваемые аппараты
на две группы: «Аппаратура распределительных устройств» и «Аппаратура
управления».
«Аппаратура распределительных устройств — общий термин, применяемый
к коммутационным аппаратам и их комбинациям с аппаратами, служащими для
управления, измерения, защиты и регулирования, с которыми они соединены,
а также к устройствам, в которых эти аппараты сочетаются с соединительными
проводниками, вспомогательными устройствами, оболочками и каркасами, пред-
назначенными главным образом для использования при генерировании, передаче,
распределении и преобразовании электроэнергии».
«Аппаратура управления — общий термин, применяемый к коммутационным
аппаратам и их комбинациям с оборудованием, служащим для управления, из-
мерения, защиты и регулирования, с которыми они соединены, а также к .устрой-
ствам. в которых эти аппараты и оборудование сочетаются с присоединительными
проводниками, вспомогательными устройствами, оболочками и каркасами, пред-
назначенными главным образом для управления аппаратами, потребляющими
электроэнергию».
Для коммутационных аппаратов обобщающим стандартом является
I ОСТ 17703 — 72 «Аппараты электрические коммутационные. Основные понятия».
я других групп аппаратов обобщающих стандартов нет, имеются частные стан-
)ты, а также Отраслевой каталог [ЗЯ].
В работе [21] приведено разделение рассматриваемых аппаратов на следую-
е группы:
Коммутационные аппараты. Согласно ГОСТ 17703 — 72 к ним относятся
ключатели (высокого и низкого напряжений, силовые и цепей управления, авто-
t-ические и неавтоматические), разъединители, короткозамыкатели, переключа-
и, контакторы, электрические реле, контроллеры, пусковые и пускорегулирую-
реостаты и i.n.
I Защитные и контрольные аппараты. К ним согласно Отраслевому каталогу
жно отнести: предохранители, разрядники, ограничители перенапряжений — «за-
1 ные», трансформаторы тока и напряжения — «измерительные трансформаторы».
Токоограничивающие аппараты — реакторы гокоограничивающие
Регулирующие аппараты — регуляторы электрические напряжения, тока, часто-
вращения и др. (в курсе «Электрические аппараты» не изучаются).
Развитие полупроводниковой техники и электронных приборов привело к соз-
кию принципиально новых электрических аппаратов, осуществляющих комму-
1ию электрической цепи не замыканием и размыканием (видимый разрыв) ее,
ютпиранием» и «запиранием» (разрыв отсутствует) ее.
ГОСТ 17703 — 72 разделил коммутационные аппараты на контактные и бес-
ггактные. «Контактный коммутационный аппарат - коммутационный электри-
кий аппарат, осуществляющий коммутационную операцию путем перемещения
коитакт-деталей относительно друг друга». «Бесконтактный коммутационный
карат — коммутационный электрический аппарат, осуществляющий коммута-
энную операцию без перемещения и разрушения его деталей».
Последующее (после 1972 г.) развитие бесконтактных аппаратов показало
частности, для реле), что термин «бесконтактный» не полностью отражает
цность работы и конструкции этих аппаратов, и ГОСТ 16022 — 83 иа реле
ктрические ввел термины реле злектро механические, работа которых основана
использовании относительного перемещения их механических элементов под
[действием электрического тока, протекающего в элементах управления, или
;анических (или других) усилий, действующих на их элементы управления,
татические, принцип работы которых не связан с использованием относитель-
о перемещения их механических элементов. Могут быть статические аппараты
\ыходным контактом, если таковой имеется хотя бы в одной выходной цепи.
В пределах одной группы или типа аппараты различаются:
1по напряжению — низкого напряжения (до 1000 В включительно), высокого
ряжения (1000 В и выше);
по роду тока — постоянного тока, переменного тока промышленной частоты,
сменного тока повышенной частоты;
I но роду зашиты от окружающей среды — в исполнениях открытом, защищен-
.1, брызгозащищенном, водозащищенном, герметическом, взрывобезопасном
- д.;
по способу действия — электромагнитные, ма[ нитоэлектрические, индукцион-
тепловые и т. д.;
по ряду других факторов (быстродействие, способы гашения дуги и т. п.).
Электрический аппарат представляет собой совокупность ряда взаимосвязаи-
х элементов и узлов, в которых протекают разнообразные сложные физи-
кие процессы. Математические зависимости, описывающие эти процессы, оказы-
ртся нередко недоступными для решения обычными классическими методами,
рду этого развитие теории электрических аппаратов наталкивается на большие
гдпости. Многие расчеты могут служить только для предварительной ориен-
1ии. Создание аппарата требует больших исследовательских и макетных работ
и отработки конструкции на натурных образцах. Развитие вычислительной тех-
ники открывает благоприятные возможности для существенного прогресса в со-
вершенствовании теории электрических аппаратов.
Общая теория электрических аппаратов включает в себя:
теорию тепло- и массопереноса в аппаратах, охватывающую общие вопросы
этих процессов, нагрев и охлаждение токоведущих частей, электрические контакты,
тепло- и массолеренос при коммутациях;
теорию коммутаций электрических цепей, охватывающую основные законо-
мерности процессов коммутации, газоразрядные процессы при коммутации, про-
цессы восстанавливающейся электрической прочности промежутков, процессы вос-
станавливающегося напряжения, коммутационные устройства и их расчет;
теорию электромагнитных и электродинамических явлений в аппаратах,
включая электромагнитное поле и электромагнитные явления, магнитные цепи
и их расчет, электромагниты, динамику электромагнитов, электродинамические
явления в annapaiax.
Эти вопросы рассматриваются в разделе 1 настоящей киши.
Конструкции электрических аппаратов рассматриваются по «производствен-
ному» принципу — традиционно и технологически проектирование и производство
аппаратов высокого напряжения и низкого напряжения осуществляются на раз-
личных предприятиях. Производство и проектирование бесконтактных аппаратов
существенно отличается от производства контактных.
Соответственно сказанному аппараты разнесены но трем разделам: раздел 2 —
аппараты высокого напряжения, раздел 3 — аппараты низкого напряжения кон-
тактные, раздел 4 —аппараты низкого напряжения бесконтактные. Некоторые
аппараты, выпускаемые и на высокое и иа низкое напряжение, рассматриваются
только в одном разделе, в зависимости от технологии их конструкции.
Требования, предъявляемые к электрическим аппаратам, чрезвычайно разно-
образны и зависят от назначения, условий применения и эксплуатации аппарата.
Кроме специфических требований, относящихся к данному аппарату, все электри-
ческие аппараты должны удовлетворять некоторым общим 1ребоваииям:
1.	Каждый электрический аппарат при работе обтекается каким-то рабочим
током, при этом в токоведуших частях выделяется определенное количество
теплоты и аппарат нагревается. Температура не должна превосходить некоторого
определенного значения, устанавливаемого для данного аппарата и его деталей
2.	В каждой электрической цепи может быть ненормальный (перегрузка) или
аварийный (короткое замыкание) режим работы. Ток, протекающий по аппарату
в этих режимах, весьма заметно (в 50 и более раз) превышает номинальный, или
рабочий, ток. Аппарат подвергается в течение определенного времени чрезмерно
большим термическим и электродинамическим воздействиям тока, однако он
должен выдерживать эти воздействия без каких-либо деформаций, препятствую-
щих дальнейшей его работе.
3.	Каждый электрический аппарат работает в цепи с определенным напря-
жением, где возможны и перенапряжения. Электрическая изоляция аппарата долж-
на обеспечивать надежную работу его при заданных значениях перенапряжений.
4.	Контакты аппаратов должны быть способны включать и отключать все
токи рабочих режимов, а многие аппараты — также и токи аварийных режимов,
которые могут возникнуть в управляемых и защищаемых цепях.
5.	К каждому электрическому аппарату предъявляются требования по надеж-
ности и точности работы, а также по быстродействию. При этом все функции ап-
парат должен выполнять в условиях, соответствующих внешним воздействиям.
6.	Любой электрический аппарат должен по возможности иметь наименьшие
габариты, массу и стоимость, быть простым по устройству, удобным в обслу-
живании и технологичным в производстве.
7
ГЛАВА 2
Основы тепловых расчетов
I ПОТ1 РИ В ДЕТАЛЯХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
АППАЕ кТОВ
Потери в проводниках. Мощность Р, теряемая в проводнике при прохождении
по нему электрического тока, будет равна
P = I2R,	(2-1)
где I действующий ток; R — сопротивление проводника.
При постоянном токе R соответствует электрическому сопротивлению
R= = pl/s,	(2-2)
где р — удельное сопротивление; I и s - соответственно длина и поперечное сече-
ние проводника.
При переменном токе потери получаются большими, чем при постоянном
токе. Это возрастание потерь происходит за счет поверхностного эффекта и эф-
фекта близости и учитывается коэффициента м дополнительных потерь км равным
сумме коэффициентов поверхностного эффекта ки и эффекта близости /eg- Коэффи-
циент дополнительных потерь больше единицы, т. е.
к, = к„ + к6 > 1.	(2-3)
Сопротивление при переменном токе
=	(2-4)
называется активным сопротивлением.
Активное сопротивление — это некоторое фиктивное сопротивление проводни-
ка, которое, будучи помноженным иа квадрат действующего тока, дает потери
мощности, действительно имеющиеся при переменном токе.
Поверхностный эффект. Переменное магнитное поле, охватывающее провод-
ник (рис. 2-1, а), обтекаемый переменным током, индуцирует в этом проводнике
электродвижущую силу (ЭДС), направленную навстречу приложенному напряже-
нию. Центральные слои проводника пересекаются большим магнитным потоком,
чем наружные. Наводимая в центральных слоях противо-ЭДС будет большей, чем
в наружных слоях. Эго приведет к уменьшению плотности тока J в центральных
слоях по сравнению с плотностью тока в наружных (рис. 2-1, б). Указанное
физическое явление носит название поверхностного эффекта. Влияние этого явле-
ния воспринимается нами как увеличение сопротивления проводника, так как при
одном и том же значении приложенного напряжения протекающий по проводни-
ку переменный ток будет меньше, чем постоянный.
Коэффициент поверхностного эффекта кп растет с ростом частоты тока и
удельной проводимости материала проводника, а также зависит от отношения
периметра проводника к его сечению. При нагревании удельная проводимость
падает, следовательно, снижается и влияние поверхностного эффекта. При боль-
шем диаметре проводника магнитный поток, пересекающий центральные слои,
будет большим, следовательно, большими будут неравномерность распределения
тока и коэффициент поверхностного эффекта.
Рис. 2-1. К пояснению явления поверхно-
стного эффекта
Так как при переменном токе,
а особенно при повышенной частоте. I [( и яй
средняя часть сечения проводника
плохо используется, то в этих случа-
ях выгодно брать не сплошной круг-
лый проводник, а полую трубу и при-	------------
менять проводники с возможно боль-
шим отношением периметра к сечеиию.
Эффект близости. Возьмем два параллельных проводника, обтекаемых пере-
менным током. В том случае, когда проводники обтекаются токами разных
направлений (рис. 2-2, а), ближние слои (a, at) проводников охватываются меньшим
магнитным потоком (Ф1 < Ф2), чем удаленные слои (Ь, Ь^. Индуктивность слоев,
охваченных меньшим потоком, меньше: их сопротивление меньше сопротивления
параллельных, более удаленных слоев. Плотность тока в ближних слоях будет
большей (рис. 2-2, в, кривая 2). При токах одного направления (рис. 2-2. б) меньшим
магнитным потоком охватываются более удаленные слои проводников (Ф2 < Фх).
Плотность тока будет большей в удаленных слоях (рис. 2-2, г).
Эффект неравномерного распределения тока по сечеиию проводника, обуслов-
ленный близостью второго проводника с током, называется эффектом близости.
Как и поверхностный эффект, он ведет к увеличению потерь мощности в про-
воднике, которые учитываются коэффициентом близости к&.
Потери в деталях из магнитных материалов. В магнитных материалах,
магнитопроводах, находящихся в переменном магнитном поле, возникают потери
PLT = РБ 4- Рг, обусловленные появлением вихревых токов (Рв) и явлением гисте-
резиса (Рг) соответственно. Потери приводят к нагреву магнитопровода.
Рис. 2-2. К пояснению явления эффекта близости
^—распределение тока при бесконечно большом расстоянии между шинами, 2 — то же при близком
расположении шин (обусловлено поверхностным эффектом)
Поток от вихревых,
токов
Основной поток
(нарастающий)
Рис 2-3. Схема возникновения вихревых
токов (я) и направление шихтовки ма1-
нитопроволов (б)
Схема возбуждения вихревых то-
ков показана на рис. 2-3, а. Они ин-
дуцируются основным переменным
магнитным потоком, охватывая его.
В свою очередь, вихревые токи созда-
ют магнитные потоки, которые в
каждый данный момент направлены навстречу основному потоку, ослабляя его.
Для снижения потерь от вихревых токов магнитопроводы выполняют шихтован-
ными (рис. 2-3.6). т. е. наборными из электрически изолированных пластин юлщи-
ной 0,2—0,5 мм. Пластины располагают вдоль магнитных линий, разрезая
контур вихревого гока и увеличивая тем самым сопротивление ему, что приводит
к снижению значения вихревою тока. Чем тоньше пластины, тем меньше вихре-
вые токи.
Для уменьшения потерь от гистерезиса следует применять магнитомягкие
стали, т. е. такие стали, которые имеют более узкую гистерезисную петлю.
Потери в магнитопроводах аппаратов при переменном потоке могут быть
подсчитаны по формуле
Р„=Р. + Р. = [а.(<у + а,^]в<10».	(2-5)
где сгЕ и о, — коэффициенты для потерь на вихревые токи и гистерезис; f -
частота; В — индукция.
2-2. ОТДАЧА ТЕПЛОТЫ НАГРЕТЫМ ТЕЛОМ
Передача теплоты всегда идет от более нагретых тел к менее нагретым
и происходит до тех пор, пока температура тел не сравняется Чем выше темпе-
ратура нагретого гела. тем интенсивнее будет происходить передача тепло 1Ы.
Различают три вида передачи теплоты — теплопроводностью, конвекцией и теп-
ловым излучением.
Теплопроводное! ь. Это — свойство материала передавать теплоту от более
нагретых мест к менее нагретым. Передача теплоты может происходить внутри
одного тела, между двумя соприкасающимися телами и между двумя телами,
разделенными третьим.
Количество теплоты Q, проходящей в единицу времени t от более нагретого
участка к менее нагретому, пропорционально площадке (сечению) s, через которую
передается теплота, перепаду температуры (0j — 02)/б в направлении, перпенди-
кулярном площадке, и зависит от тепл ©проводящих свойств среды X:
Q = X —-	st,	12-6)
о
1де й— толщина стенки (рис. 2-4).
Теплопроводящие свойства среды характеризуются ко-
А	В
Рис. 2-4. Передача теплоты чере» плоскую стенку (теплота рас-
пространяется только в одном направлении)
К)
эффициентои теплопроводности, численно равным количеству теплоты, проходя-
щей через площадку 1 м2 в течение 1 с при перепаде температуры 1 К/м. Этот
коэффициент обозначается X, и измеряется в ваттах на метр-кельвии.
Если два тела Л и В с температурами и 02 разделены третьим (плоской
стенкой) с теплопроводностью 1 и если считать, что теплота распространяется
только в одном направлении, то изменение температуры в стенке происходит по
прямой (рис. 2-4).
Конвекция. Газ или жидкость, соприкасающиеся с поверхностью нагретого
тела, нагреваются у зтой поверхности. Нагрев соприкасающихся слоев происходит
за счет теплопроводности. Нагретые слои становятся легче соседних, более холод-
ных слоев окружающей среды, поднимаются вверх, уносят отобранную от нагретого
тела теплоту. Указанный физический процесс и носит название теплоотдачи
через конвекцию.
Если скорость движения частиц охлаждающей среды определяется только
степенью их нагрева у поверхности горячего геля, то конвекция называется
естественной.
Если скорость движения частиц охлаждающей среды задается принудительно
(при помощи вентиляторов, насосов), го конвекция называется искусственной.
Как при естественной, так и при искусственной конвекции движение газа
(жидкости) может быть ламинарным или турбулентным.
Ламинарным называется такое движение, при котором частицы газа (жидкости)
движутся параллельно. Ламинарное движение имеет обычно малую скорость.
С ростом скорости характер движения жидкости изменяется, элементарные
струйки перестают двигаться по параллельным траекториям и начинают заве-
ряться. Их движение становится турбулентным (вихревым). Переход из ламинарного
движения в турбулентное происходит для данного газа (жидкости) при некоторой
скорости, называемой критической.
В области ламинарного движения теплота, снятая с нагретою тела погранич-
ным слоем, частично уносится этим слоем, а частично теплопроводностью пере-
дается соседним слоям. Чем дальше слой от поверхности нагретого тела, тем
меньше он участвует в теплосъеме. При турбулентном движении за счет переме-
шивания с нагретой поверхностью соприкасается гораздо больше жидкости (газа),
снятая теплота интенсивнее передается всему потоку охлаждающей среды. В итоге
и съем теплоты с нагретой поверхности идет намного интенсивнее, чем при
ламинарном движении.
Количество теплоты, отдаваемой конвекцией за время Г,
G = M€>. -02)F£,	(2-7)
где kK — коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м2 • К); ©i — температура нагре-
того тела, К; 02 — температура охлаждающей среды. К; F — поверхность тепло-
отдачи, м2.
Коэффициент теплоотдачи конвекцией кк определяет количество теплоты,
которая отдается в секунду с 1 м2 нагретой поверхности при разности температур
поверхности и охлаждающей среды 1 К. Он зависит от многих факторов, i гавные
из которых — скорость движения и теплоемкость охлаждающей среды, темпера-
тура поверхности и среды, геометрические размеры нагретой поверхности.
Тепловое излучение. Излучение представляет собой процесс переноса тепловой
энергии от нагретого тела к гелам, расположенным в окружающем пространстве.
Процесс осуществляется электромагнитными колебаниями с различной длиной
волны. В наибольшей степени переносят тепловую энергию инфракрасные лучи
(длина волны 0.8 — 40 мкм), в меньшей степени — световые лучи (длина волны
0,4 — 0,8 мкм).
Физические свойства тепловых и световых лучей сходны. И те и другие
распространяются со скоростью света, способны претерпевать преломление и отра-
жение при встрече с какими-то поверхностями
Поверхность, которая отражает от себя все падаюшие на нее лучи, называется
абсолютно белой поверхностью. Поверхность, полностью поглощаюшая все падаю-
щие на нее лучи, называется абсолютно черной. К таким поверхностям (телам)
близки ламповая сажа, асбошифер, черная матовая краска. Будучи нагретым,
абсолютно черное тело излучает такое же количество энергии, которое оно
поглощает.
Абсолютно черное тело обладает максимальной способностью излучения,
н основные законы излучения выведены для него. Излучательная способность
других тел сравнивается с излучательной способностью абсолютно черного тела
как эталоном.
Количество теплоты, излучаемой с поверхности нагретого тела в I с, опре-
деляется формулой
где кч — коэффициент излучения, Вт/(м2 • К4); кл = 5,7о, здесь с — постоянная излу-
чения (см. таблицы в справочниках); — температура нагретого тела, К; ®2
температура тел, на которые падают лучи, К.
Теплоотдача в установившемся режиме. Теплоотдача с поверхности тела обычно
происходит одновременно конвекцией и тепловым излучением. При этом трудно
установить, какая часть теплоты передается в окружающую среду тем или другим
видом теплоотдачи. Поэтому вводят понятие коэффициента теплоотдачи кТ.
Коэффициент теплоотдачи (табл. 2-1) определяет количество теплоты, которая
отдается в окружающую среду за 1 с всеми видами теплоотдачи с 1 м2 тепло-
отдающей поверхности при разности температур нагретого тела и окружающего
пространства 1 К. Коэффициент теплоотдачи измеряется в ваттах на квадратный
метр-кельвин.
В выражениях (2-6) — (2-8) количество теплоты, отдаваемой в единицу времени,
Q/t = Ф представляет собой тепловой поток через площадку $ (поверхность F),
а отношение Ф/s = Фо (Ф/F = Фо) — плотность теплового потока.
Таблица 2-1
Поверхность и ее характеристика	кТ, Вт/(м2К)	
	в воздухе при естественной циркуляции	а масле при естественной циркуляции
Горизонтальные стержни круглой меди диаметром 1 -6 см Плоские шины красной меди, поставленные на ребро Чугунная, стальная или железная поверхность, тонко прошпаклеванная и покрытая лаковой краской Любая поверхность, покрытая лаком Фарфоровые цилиндры, погруженные в бак с маслом Эбмотка с бумажной изоляцией Лаке г листового железа	1,3- 3,5 6-9 10 14 12- 16 10-12,5 10-12,5	50 150 25 36 70-90
>.? НАГРЕВ И ОХЛАЖДЕНИЕ
ОДНОРОДНОГО ПРОВОДНИКА ВО ВРЕМЕНИ
ПРИ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ
Если мощность потерь в Проводнике при прохождении по нему электрическо-
го тока равна Р, то за время dt в нем выделится энергия
Pdt = I2k,.Rdt.	(2-9)
Часть этой энергии пойдет на нагревание проводника:
Cedi,	(2-10)
а часть будет отведена в окружающее пространство:
Fk^dt;	(2-11)
здесь G — масса проводника, ю; с — удельная теплоемкость, Дж/(кг К); F —
поверхность теплоотдачи проводника, м2; т — лревыщение температуры про-
водника по отношению к окружающей среде, ’С или К; к, — коэффициент
теплоотдачи, Вт/(м2 - К).
Для любого момента времени будет справедливо следующее уравнение
теплового баланса:
Pdt = Gcdx + Fkjidt.	‘ (2-12)
Нагрев электрических аппаратов или отдельных их элементов может проходить
при следующих основных режимах:
при постоянстве мощности потерь
I !() = const; R = Ro = const: Р = /qR0 = const	(2-13a)
(устройства, у которых сопротивление практически мало меняется от темпера-
туры);
при постоянстве тока
I = Io = const; R — R0(l + ат); Р = IqRq(1 + ат),	(2-136)
где а — температурный коэффициент сопротивления (силовые цепи почти всех
аппаратов, так как ток в цепи определяется нагрузкой; ^аппарата ^нагрузки);
при постоянстве напряжения
Г = const; К = Ко(1 + аг); I -
Р = Лк =	L’2	=	=
Ro (1 + «т) R0(l + ат) 1+ ат
(2-14)
(катушки аппаратов).
Если принять с и к, постоянными, то при постоянстве мощности решение
уравнения (2-14) относительно т будет
=- (
Fk, \
FfeTf\	FfcT>
е Сс 14- тое Сс ,
(2-15)
где т0 — превышение температуры проводника над температурой среды в момент
начала процесса.
В действительности R, с н кТ зависят от температуры и, следовательно,
будут меняться во времени. Погрешность, обусловленную сделанным допущением,
можно снизить, если указанные величины принимать не для начальной
13
Рис 2-5 Кривые процесса нагре-
вания и охлаждения однородного
проводника при продолжительном
режиме работы
температуры, а для температу-
ры. близкой к той. которая
получится при установившемся
режиме.
I Величина Gc/(FkT) = Т имеет размерность времени и носит название тепловой
ктио.чнной времени нагрева. Физически она представляет собой то время, за
второе проводник нагреется до установившейся температуры при отсутствии
1плооздачи в окружающую среду.
I При t = « уравнение (2-15) прицимае! вид
T,.,=P/(Fk, ) = туст = С.	(2-16)
I с. имеет место установившийся процесс. Выделяемая в проводнике мощность
ртерь равна мощности, отдаваемой в окружающую среду с поверхности
Огретого тела. Уравнение (2-16) носит название формулы Ньютона.
I Уравнение
(2-16а)
I	Р = —
1Л*,Л
ррматьно имеет такой же вид, как закон Ома для электрического тока
|= U/R Поэтому величину 1/(A\F) часто называют сопротивлением тепловому
'»пок\ при переходе от поверхности F к окружающей среде.
I Уравнение (2-15) может быть переписано в виде
т = Туе,(1-е '") + То<? '	(2-17)
I Прн т0 = О, г. е. когча процесс начинается с холодного состояния,
т = v,(l-Г "Т	(2-18)
I Согласно выражениям (2-17) и (2-18) превышение температуры проводника
^меняется во времени по закону показательной функции (экспоненты),
.становившееся превышение температуры (при t = х>) в обоих случаях одно и то же
не зависит от величины т0.
На рис. 2-5 приведены кривые / и 2. построенные соответственно по
Ьавнениям (2-17) и (2-18). Время г здесь взято в долях Т. Температура т>х,
рычно достигается через время Г == (3...5)Т. На рисунке показано графи-
еское определение величины Т Это будет отрезок АВ на прямой установившегося
рсвышения температуры тЧ1, отсекаемой касательной, проведенной в начале
рординат к кривой нагревания. Величина Т может быть также определена по
ривой нагревания на том основании, что за время Т превышение температуры
Ветшает O,632ryLT.
I Рассмотрим теперь процесс охлаждения проводника. Допустим, что в какой-
? момент времени протекание тока по проводник) прекратилось: Pdt = Q:
|роводник начнет охлаждаться. Уравнение (2-14) примет вид
O = Gcth + FktTdi,	(2-19)
Ьулл
т = т„е
(2-20)
Рис. 2-6. Кривые 0
Кривая 3 (рис. 2-5) построена по этому
уравнению из предположения, что т0 = t,vI. Кри-
вая охлаж гения является зеркальным изображе-
нием кривой нагревания / относительно прямой
(показана штриховой линией), проведенной посре-
дине между осью абсцисс и прямой установив-
ши ося превышения температуры. Ана joi ично
предыдущему то п>ко с отсчетом оз прямой т.
определится графически величина Т.
Для режима постоянства шока уравнение
(2-12) примет вид [24]
О 200 ЬОО 600 600
At—-
т" °С,= Л
1де 4 = IqR0/(Gc) представляет собой начальную скорость повышения темпера-
туры; С = 7о^о/(^) ~ установившаяся температура для режима нагрева при
постоянной мощности, представляющая собой теп юную интепс ивность э шктро-
термичес кого процесса; Т = Gc/(Fkj) — тепловая постоянная времени нагрева.
Решение уравнения (2-21) при то=0 будет
т'Г-Дс('-с	' Т')’
(2-22)
где тч
- установившееся превышение температуры; Tt = — -——
=. - постоянная времени нагрева.
1 — аС
Как видно, в этом режиме в отличие от режима нагрева при постоянной
мощности густ и Г, в сильной степени зависят от тепловой интенсивности
электротермического процесса.
При аС — 1 второй член уравнения (2-21) становится равным нулю, а
dr
dt
(2-23)
откуда
т = At,
(2-24)
т. е. температура нарастает по линейному закону теоретически до бесконечности,
практически до плавления проводника. Установившаяся температура и постоянная
времени становятся бесконечно большими (xVCT -= ои; Т, = х).
При аС > 1 показатель степени в уравнении (2-22) становится положи-
тельным, температура нарастает еще быстрее.
На рис. 2-6 привезены кривые изменения температуры во времени,
построенные по уравнению (2-22). Превышение температуры для разных значе-
ний аС дано в зависимости от 4t. Коэффициент а для меди принят
равным 1/235.
При постоянстве напряжения уравнение (2-12) запишшея в следующем виде
15
dr Fk, _	__
dt + Gc T Gc(l + ат) '
dx x _ A
~dt+y~ 1 +ат‘
(2-25)
Решение этого уравнения получается сложным и громоздким. Ограничимся
определением установившихся температуры и тока, представляющих наибольший
интерес. При установившейся температуре dx/di = 0, тогда из выражений (2-25)
получим
т(1 + ат) = АТ = С	(2-26)
и
ty„= 2^(|/Г+4о<С-1).	(2-27)
При малых т уравнение (2-26) можно решить приближенно, пренебреги
сперва квадратичным членом и используя затем полученный результат щя
введения поправки. Тогда
С
1 + аС
(2-27а)
По мере повышения температуры ток уменьшается вследствие увеличения
сопротивления и изменяется почти обратно пропорционально сопротивлению.
^о/^уст =	= 1 + атус1.	(2-28)
Полученные выше результаты для разных режимов могут быть сведены
в табл. 2-2.
Таблица 2-2
Режим	Исходные величины	Туст	Г,
Р - const	1L * "	Туст = G	Tt^T
I = const	/ = 4 R = Ro (1 +ат) P = /gR0(l +ат)	с Тусг"|-аС	т,= - 1 ас
U — const •л	/ = U/R R = RO(I +ах) р _ 1 + ат	1+4аС—1) С 1>ст “ 1+ -|С _ Сс T~Fk,-C~ Fk, А =	R = ^кп Сс	& 		—
|16
2-4. НАГРЕВ И ОХЛАЖДЕНИЕ
ОДНОРОДНОГО ПРОВОДНИКА
ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОМ
И ПОВТОРНО-КРАТКОВРЕМЕННОМ
РЕЖИМАХ РАБОТЫ
При продолжительном режиме допустимая нагрузка Рир выбирается таким
образом, чтобы установившееся превышение температуры туст было равно допусти-
мому т. Превышение температуры в этом случае изменяется по кривой '
(рис. 2-7). При той же нагрузке в кратковременном режиме рабсил за
время гн превышение температуры достигло бы значения ть т. е. проводник
не был бы полностью использован по нагреву. При кратковременном режиме
следует так нагрузить (Ркр) проводник, чтобы его превышение температуры
изменялось по кривой 2 и к концу режима (за время tH) достигло
т ст - гд. При такой нагрузке в продолжительном режиме достигалась бы
температура ттах, превышающая та.
Таким образом, коэффициент перегрузки по мощности потерь для кратко-
временного режима определяется из соотношения
ЕР= -рг -	=' — > I	12-29)
*пр	tС	1   g '
Так как потери пропорциональны квадрату тока, то коэффициент перегрузки
по току
к, = ]/кг.	I2-3U1
Охлаждение проводника будет происходить по той же кривой 1 чти и
при продолжительном режиме.
Повторно-кратковременным называется режим работы, при котором периоды
нагрузки чередуются с паузами tn (рис. 2-8). При этом ни за время
нагрузки, ни за время паузы превышение температуры ие достигает у^ гано-
вившегося значения. Полный период + tn называется циклом г„. Режим
характеризуется относительной продолжительностью включений (ПВ) в процентах
и частотой включений — числом циклов в час. ПВ представляет собой отноше-
ние продолжительности нагрузки к продолжи-
тельности всего цикла:
ПВ- '•	100.	(2-31)
Гн + «,
За время нагрузки проводник нагревается
(участки О А, ВС, ..), за время паузы ои
охлаждается (участки АВ, CD, ..). К концу
кая (ого из периодов температура не дости-
гав установившегося значения. Однако с не-
которого момента времени наступает состоя-
ние, при котором повышение температуры за
период нагрузки делается равным ее пониже-
Рис. 2-7. Кривые процесса нагревания и охлажде-
ния однородного проводника при кратковременном
режиме работы
Рис 2-R Кривые процесса нагревания и охлаждения однородного проводника при повторно-
|	кратковременном режиме работы
4ию за период паузы. Превышение температуры колеблется между некоторым
максимумом Ti и минимумом т2-
Как и при кратковременном режиме, установившееся превышение температуры
[кривая 2) будет ниже допустимого (кривая /), если проводник нагружен
номинальным током продолжительного режима /пр, и равно допустимому
[кривая 3), если ток повысить до I = /|1К. При нагрузке I = 1т превышение
[температуры при продолжительном режиме достигло бы ттах > тд (кривая 4).
Коэффициенты перегрузки по мощности потерь и току определяются из
соотношений:
I
р	т	1 _ f, (fH + »u)/7
' пк   1так  *	*-
Рлр tycr I — g—tnlT
к, = ]ДР,
(2-32)
(2-33)
где РПК — мощность потерь при повторно-кратковременном режиме.
f-5. НАГРЕВ ОДНОРОДНОГО ПРОВОДНИКА
ПРИ КОРОТКОМ ЗАМЫКАНИИ
I Короткое замыкание характеризуется большим гоком и малой длитель-
ностью (от нескольких тысячных секунды до нескольких секунд). При коротких
замыканиях допускается более высокая (в 2 — 3 раза1 температура нагрева
|фоводника, чем при номинальном токе; следовательно, и теплоотдача возрастет
Максимум в три раза, потери же в проводнике возрастают в сотни раз.
Гаким образом, теплоотдача составит только 1 — 3 % от всей выделяемой
р проводнике энергии, 'и можно считать, что вся энергия идет на его
нагревание.
Уравнение теплового баланса (2-14) в таком случае примет вид
Pdt = Gcdx,	(2-34)
.8
где i — мгновенный ток; р — удельное сопротивление; у — плотность материала
проводника; с — удельная теплоемкость; s — сечение проводника; ка — коэффициент
дополнительных потерь.
Принципиально р и < являются переменными величинами, зависящими
от температуры. Переменной величиной во времени является и ток короткого
замыкания. Однако тля упрощения расчета можно принять зги величины
постоянными. При этом значения риг следует брать для температуры
нагретого проводника. Тогда
тк 3 = ^-kaJ2t + тд,	(2-361
усг
где тд — превышение температуры проводника над температурой окружающей
среды в момент начала короткого замыкания; J — плотность тока.
Нагрев прово шика при коротком замыкании происходит практически по
закону, показанному прямой на рис. 2-9. Охлаждение проводника после от-
ключения короткого замыкания происходит по гем же законам, что и при
нормальных режимах [см. выражение (2-20)].
2-6. НАГРЕВ ПРОВОДНИКА ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ
Возьмем проводник сечения s. имеющий на участке сужение сечения
*1 < i (рис. 2-10). При протекании тока по такому проводнику потери мощ-
ности в единице длины иа участке с сечением Si будут больше, чем потери
в единице длины на участке с сечением s. К тому же поверхность
теплоотдачи с единицы длины на участке с сечением s( меньше, чем на
участке с сечением $. Это приведет к тому, что участок с сечением
$1 < л будет иметь более высокую температуру, чем остальные части про-
водника. От этого участка теплота будет отдаваться менее нагретым частям про-
водника в направлении х. Если принять, что участок /j имеет одинаковую
температуру вдоль всей сво-
ей длины, то температура
вдоль проводника опреде-
лится кривой на рис. 2-10, а.
Превышение тсмперату-
Рис 2-10. Распределение темпе-
ратуры по проводник) перемен-
ного сечения (а) и в контакт-
ном соединении (<5)
19
ры на участке Л
^iP/iSi + 2А.д Р s2
1де J и Ji — плотности токов на участках с сечениями s и Sj соответственно: F и
Ft — охлаждающие поверхности проводника на единицу длины на участках
с сечениями s и Sj соответственно; X. — коэффициент теплопроводности;
/ст коэффициент теплоотдачи; р — удельное сопротивление; а = 1/kjF/fks).
Превышение температуры вдоль проводника с сечением s определяется
уравнением
Уравнения (2-37) и (2-38) могут быть также использованы для определения
превышения температуры в контактах (рис. 2.10,6). В этом случае надо в уравнении
(2-37) произведение Jfp/jSj заменить произведением I2Rnep (Кпер — переходное
сопротивление контакта) и принять = 0.
Уравнение (2-37) тогда перепишется так:
I2R„ep + 2Хл 'j\2
Распределение температуры вдоль контакта определится кривой на рис. 2-10,6.
2-7. НАГРЕВ КАТУШЕК
Катушка электрических аппаратов представляет собой неоднородное тело,
состоящее из проводника, изоляции и прослоек воздуха или пропитывающего
материала (лак, компаунд). Теплота, выделяемая во всем объеме катушки,
должна проходить к поверхности через материалы с разной теплопровод-
ностью. Естественно, что в разных слоях катушки будут и разные темпера-
туры. Внутри катушки температура будет выше, чем на поверхности. Чем монолит-
нее катушка, гем лучше теплопроводность между слоями и тем меньше
будет разность температур между наружной поверхностью и внутренними
слоями. Пропитка и компаундирование повышают общую теплопроводность
катушки, а тем самым и теплоотдачу на 5 — 10%.
Разные участки поверхности катушки в разной степени участвуют в
теплоотдаче. Наружная боковая поверхность, как правило, бывает открытой и
является основной теплоотдающей поверхностью. Теплоотдача с нее происходит
главным образом за счет естественной конвекции. Внутри катушки проходит
сердечник. Из-за малых зазоров между сердечником и катушкой конвекция здесь
сильно затруднена, но когда сердечник плотно прилегает к катушке, то
теплоотдача с внутренней поверхности катушки идет за счет теплопровод-
ности. Теплоотдача зависит от плотности причегания катушки к сердечнику, от
размера геплоотдающей поверхности магнитопровода. Торцевые поверхности
катушки обычно закрыты изоляционными крепежными деталями с низкой
теплопроводностью. В длинных катушках теплоотдачей с торцов можно пренебречь,
в коротких катушках ее следует учитывать.
Таким образом, процесс нагрева катушек представляет собой сложное
явление. Распределение температуры по катушке неравномерно как в радиаль-
20
Рис. 2-11. Распределение температур по катушке
пом направлении, так и по высоте. Точный
расчет распределения температуры связан с
большими трудностями.
В первом приближении можно определить
среднее превышение температуры катушки
по выделяющейся в ней мощности и средне-
му коэффициенту теплоотдачи, пользуясь
уравнениями (2-27) или (2.27а):

(2-39)
CpFэкв
где /0 и Ro ~ток и сопротивление холодной катушки, a ?.ЛВ = Ьн f
+ PiFBH t- Рг^юрц представляет собой некоторую жвиватентную поверхнос .
учитывающую степень участия наружного Гнар, внутреннего FBii и ториевою
FT0Pu участков поверхности в теплоотдаче (здесь Pi и Р2 - экспериментальные
коэффициенты). Для катушек контакторов и реле постоянного тока реко-
мендуется:
Р2 = 0;
Pj = 0,9 — для бескаркасных бандажироваиных катушек;
р! =1,7 для катушек, намотанных на трубу;
р, = 2,4 — для катушек, намотанных на сердечник.
В действительности распределение температуры вдоль радиуса катушки Судет
иметь характер, определяемый кривой на рис. 2-11,и. Где-то внутри катушки
на расстоянии гм превышение температуры будет максимальным ттах, на нар7ж-
ной и внутренней поверхностях - соответственно и т2- Максима |ыгая
температура значительно превосходит температуру ifa наружной поверхно ги
и немного превосходит среднюю температуру катушки
Если пренебречь теплоотдачей с торцов, го изотермы будут предо гавляп
собой прямые линии, параллельные оси катушки. Если происходит ten
отдача с горцов, то изотермы 6} (ут иметь вид, изображенный u.i
риг 2-11,6
Если принять, что теплоотдача осуществляется главным обратим . чар
ной поверхности, то без больших погрешностей можно считать
Р
Р к	(2-40)	oxi.,.:	(2-41)
•4,ЛЭКВ
(2-421
Р
1 Де а = — -=	—
hit (г I — г %)
потери, приходящиеся на единицу обьема кагушки: Р мощ-
ность, выделяемая в катушке; л „ эквивалентный коэффициеш icn инцхчш в. । - и
k П, г2 - геометрические размеры катушки.
Для катушек из круглого изолированного проводника
-экв -= 0,6Хи
2о
(2-436)
Для катушек из прямоугольного проводника
х -х _l_L±_2fi
” и а + 25 25
В этих формулах: Хи — коэффициент теплопроводности материала изоляции
проводника; d — диаметр проводника без изоляции; а и b — размеры проводника
без изоляции соответственно в направлении оси катушки и в направлении
радиуса катушки; 5 — толщина изоляции.
2-8. ДОПУСТИМАЯ ТЕМПЕРАТУРА
НАГРЕВА ЧАСТЕЙ АППАРАТОВ
ТЕРМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ
Для обеспечения надежном работы аппарата в пределах веет о срока
службы температура его частей не должна превышать некоторого определен-
ного значения, называемого допустимой температурой, устанавливаемой стандар-
тами. При этом различают допустимые температуры при номинальных ре-
жимах и при коротких замыканиях. Так как длительность короткого замыка-
ния мала (не бопее 5 с), а сами замыкания относительно редки, то
допустимые температуры в этом случае в 2 — 4 раза выше, чем при длитель-
ном режиме.
Допустимые температуры изолированных проводников и деталей опре-
деляются нагревостойкостью (классом) изоляции (ГОСТ 8865 — 70), а также
механической прочностью материала деталей. При температурах, превышающих
200 °C, механическая прочность проводниковых материалов резко снижается.
Для неизолированных деталей допустимая температура определяется механически-
ми свойствами материалов, из которых они изготовлены, или свойствами
материалов изоляционных деталей, с которыми они соприкасаются.
Допустимая температура контактов и контактных соединений определяется
температурой, исключающей их интенсивное окисление.
Для нетоковедущих деталей: несущих, крепежных, защитных и других допусти-
мые температуры определяются механической прочностью и условиями безопасной
эксплуатации (предохранение от ожога при соприкосновении с оболочкой).
Способность аппарата выдерживать без повреждений и без превышения
допустимой при коротких замыканиях температуры прохождение тока короткого
замыкания определенного значения и длительности называется термической
стойкостью аппарата. В СССР ток термической стойкости относят ко времени
1, 3, 5 и 10 с. Так как выделяемая в проводнике (аппарате) теплота про-
порциональна квадрату гока, то термическая стойкость определяется величиной
It — так называемым интегралом Джоуля, где / не может превосходить
некоторого предельного значения для данного аппарата.
2-9. ЖИДКОСТНОЕ (ВОДЯНОЕ) ОХЛАЖДЕНИЕ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТАХ
Рост единичных мощностей ряда промышленных и судовых установок
потребовал создания малогабаритных выключателей (неавтоматические, автомати-
ческие и быстродействующие) на токи до 25 кА. В химической и алюминиево-
магниевой промышленности для целей электролиза требуются аппараты на гоки
in 50 кА, а в перспективе — до 100 кА. Выключатели турбо- и тидро-
Рис. 2-12. Распределение температур по проводнику при жидкостном охлаждении
генераторов на 500 и 1000 МВт должны выполняться на токи 25 — 50 кА.
Для целей поверхностной закалки при частоте до 10000 Гц требуются
аппараты на 2 — 3 кА. Указанные и многие другие аппараты, выполненные без
искусственного охлаждения, имели бы практически неприемлемые габариты.
Наиболее целесообразным здесь оказывается жидкостное, в частности водяное,
охлаждение токоведуших частей [7].
Применение непосредственного водяного охлаждения (вода пропускается через
полые проводники) позволяет во много раз повысить токовую нагрузку
проводников. Воздух при скорости 50 м/с может отвести с поверхности 1 м2
при разности температур Лт = 1 °C количество теплоты, равное 0,16 Дж/с.
вода при скорости 2 м/с и прочих равных условиях — 3,2 Дж/с, 1. е.
в 20 раз больше.
Теплоотводящие свойства воды также выше, чем у трансформаторного
масла.
Водяное охлаждение в электрических аппаратах осуществляется либо при
помощи трубок, помещенных внутрь токоведущих частей (залитые, впаянные,
вваренные и т. п.), шбо токоведущие детали выполняются полыми. Охлаждаю-
щая жидкость протекает через эги полости или трубки. Рассмо1рим общие за-
кономерности теплоотвода от юковедущих частей при жидкостном охлаждении.
В случае koi да температура ®2 полого проводника (рис. 2-12) выше температуры
окружающей среды 0Ь выделяемые в нем тепловые потери будут отводиться от
внутренней поверхности протекающей жидкостью и от наружной его поверхности
окружающим воздухом. Учитывая, что теплоемкость и теплопроводность охлаж-
дающей жидкости много выше, чем у воздуха, общую картину распределения
температур в сечении, перпендикулярном оси проводника, можно представить
схемой иа рис. 2-12, а.
При жидкостном охлаждении может ино!да оказаться, что температура
проводника будет ниже температуры окружающего воздуха. Тогда наружный
воздух будет не охлаждать, а подогревать проводник. Картина распределения
температур в этом случае представлена схемой на рис. 2-12,6.
Температура проводника и жидкости изменяется не только по сечению, но и по
длине проводника (рис. 2-12,в). Поступающая в канал жидкость нагревается по
пути своего следования. И если на входе температура ее была 041, то на выходе
она становится равной 042. Соответственно температура охлаждаемого про-
водника не останется постоянной, и если у входа она была 0ЗЬ то на
выходе будет 032. Таким образом, в проводнике будет существовать продоль-
ный тепловой поток от более нагретого конца к менее нагретому. Выделяемые
в проводнике удельные потери будут возрастать вдоль течения жидкости.
В результате кривые распределения температур в проводнике и в жидкости по
длине проводника имеют в общем случае сложный характер.
В тех случаях (их большинство), когда разность температур между концами
проводника невелика и когда его тепловое сопротивление в осевом направлении
значительно (малое сечение, большая длина), продольные тепловые потоки
становятся столь малыми, что ими можно пренебречь. В этом случае можно
считать, что температура вдоль проводника возрастает по линейному закону,
как показано на рис. 2-12, в.
Для обеспечения хорошего теплоотвода путем конвекции движение охлаждаю-
щего потока в канале должно иметь турбулентный характер. При ламинарном
потоке теплоотдача от проводника будет происходить только за счет тепло-
проводности и резко снизится по сравнению с конвективной теплоотдачей при
турбулентном потоке.
При водяном охлаждении следует иметь в виду следующее.
При температуре охлаждаемой поверхности, превышающей температуру
парообразования воды, около стенок канала начинают образовываться мелкие
пузырьки пара, которые увлекаются турбулентным потоком воды и в нем конденси-
руются. Данный процесс получил название пузырькового или локального кипения.
Он приводит к чрезвычайно интенсивному теплообмену, ибо скрытая теплота
парообразования воды очень велика
При дальнейшем увеличении токовой нагрузки, а следовательно, и температуры
проводника пузырьки начинают образовываться так часто, что у поверхности
металла возникает тонкий паровой слой (паровая рубашка). При этом тепло-
отдача от металла к воле резко уменьшается, температура проводника быстро
растет и проводник разрушается.
В электрических аппаратах приходится особенно считаться с процессом
пленочного кипения и образования паровых рубашек при режимах короткого
замыкания.
Для надежной работы системы жидкостного охлаждения необходимы сле-
дующие основные условия:
1.	При заданной на входе температуре жидкости ее расход должен быть
достаточен для отвода всей теплоты, которая выделяется в охлаждаемой
системе, г. е. Ру — тепловая мощность, уносимая водой, должна быть равна
Р — мощности тепловых потерь в проводниках (аппарате):
Pi = Р.	(2-44)
2.	Указанное равновесие должно быть устойчивым. При случайных повыше-
ниях температуры отводимая мощность должна возрастать быстрее, чем мощность
тепловых потерь:
dP
de > de'
(2-45)
3	Мощность, снимаемая с единицы поверхности соприкосновения жидкости
с металлом, не должна превосходить некоторого предельного значения. Для
воды можно рекомендовать это значение до 200 Вт/см2. При длительной
эксплуатации аппаратов рекомендуется принимать значительно меньшее значение.
Расчет охлаждаемых жидкостью гокопроводов (деталей), ие содержащих
электрических контактов, может быть выполнен следующим образом.
Если Р — мощность подлежащих отводу тепловых потерь, O4i и 042 —
заданные температуры жидкости на входе и выходе, то согласно выражению
(2-44) расход охлаждающей жидкости
Q = Р/(Л0су),
(2-46)
24
а скорость ее
(2-47)
где Д0 = ®42 - ®4i - перепад температуры охлаждающей жидкости; с - удельная
теплоемкость жидкости; у — плотность жидкости; s — площадь сечения канала,
заполнениого водой.
Для получения турбулентного потока необходимо, чтобы число Рейнольдса
(Re) для потока было больше 10000. Число Рейнольдса (критерий подобия)
является безразмерной величиной, характеризующей движение потока:
„ vd Q	.
Re= -	(2-48)
v itdv	'	’
где v — скорость движения потока, м/с; d — диаметр канала, м; Q — расход
охлаждающей жидкости, м3/с: v — коэффициент кинематической вязкости (зави-
сящий от температурыХ м2/с.
При Re < 2200 движение потока ламинарное. При Re > 10000 поток турбулен-
тен во всем сечении канала, г. е. во всем сечении поток имеет беспорядочный
вихревой характер. При 2200 < Re < 10000 имеет место переходный режим -
поток турбулентен в середине канала и ламинарен у стенок.
Если Re < 10000, то следует либо увеличить расход воды, повысив напор,
либо уменьшить диаметр канала
Перепад температуры между охлаждаемой деталью и жидкостью (берем средние
значения)
Сер = Р/(/Ст.жП,	(2-49)
где F — поверхность соприкосновения металла с жидкостью, м2; к1Ж - коэф-
фициент теплоотдачи от металла к жидкости, Вт/(м2 • К).
Коэффициент теплоотдачи зависит от физических свойств жидкости, ско-
рости ее движения и температуры.
Для упрощенного расчета (не требующего использования соответствующих
таблиц для кт ж, v и др.) водоохлаждаемых проводников О. Б. Брон [7]
предложил следующие выражения:
Re = 3,24  10“ ~(22 + ©ер)0-4;	(2-50)
= 430i'°-8<r°-2(22 + ©ср)°-4;	(2-51)
1,2 = VT„ndl = 135O/uo*8d°'8(22 + ©рр)0-4 ’
где Р — мощность потерь, Вт; Q — расход воды. м3/с; v — скорость движения
воды, м/с; I — длина канала, м; d — диаметр канала, м; ©ср = 04J + (042_®4i)/2-
средняя температура воды, ’С.
Применение жидкостного охлаждения усложняет конструкцию и эксплуатацию
аппаратов по сравнению с естественным воздушным охлаждением. Усложняются
сами аппараты. При подводе жидкости должна быть обеспечена необходимая
изоляция по отношению к земле и между полюсами аппарата. Требуется специаль-
ное оборудование (насосы, теплообменники, фильтры механической и химической
очистки, контрольные приборы и т. п.), чтобы обеспечить циркуляцию, охлаждение
и поддержание изоляционных свойств охлаждающей жидкости. При водяном
охлаждении требуется специально приготовленная вода. Обычная вода обладает
высокой электрической проводимостью и применяться не может. Теоретически
абсолютно чистая вода должна иметь удельное сопротивление 26-10б Ом-см,
однако получить такую воду практически невозможно. Успехи по химической
очистке воды (ионитовые фильтры, несколько выпариваний) позволяют получить
воду с удельным сопротивлением до 106 Ом-см. В системах охлаждения
сопротивление воды снижается и поддерживается обычно на уровне 50 —
150 кОм-см. При водяном охлаждении следует принимать меры против
электролиза, а также струйной эрозии (вымывание частиц металла с каналов
при больших скоростях движения потока). Учитывая сказанное, жидкостное
охлаждение аппаратов следует применять там, где оно обеспечивает значи-
тельную выгоду.
ГЛАВА 3
Основы расчета электродинамических сил
3-1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Обтекаемый током i прямолинейный проводник длиной / (рис. 3-1, а), распо-
ложенный в магнитном поле с индукцией В, испытывает механическую силу
F-i/Bsinp,	(3-1)
где р — угол между направлением вектора магнитной индукции и направлением
тока в проводнике.
Для системы из нескольких обтекаемых током проводников можно всегда
представить, что любой из этих проводников расположен в магнитном поле,
созданном токами других проводников, и соответствующим образом взаимо-
действует с этим полем, т. е. между проводниками, охваченными общим
магнитным потоком, всегда возникают механические силы. Эти силы называются
эл ектроди нами ч ескими.
Аналогичные силы возникают между проводником, обтекаемым током, и
ферромагнитной массой. Направление действия силы определяется «правилом
левой руки».
Рис. 3-1 К определению электродинамической силы между двумя проводниками
26
Направление действия силы может быть также определено из следующего
общего положения: силы, действующие в контуре с током, стремятся изменить
конфигурацию контура гак, чтобы охватываемый контуром магнитный поток
увеличился.
Весьма удобным для определения направления действия электродинами-
ческой силы является метод, предложенный акад. В Ф. Миткевичем. основан-
ный на представлении бокового распора и тяжения магнитных линий.
Рисуют и накладывают друг на друга картины магнитных полей, создаваемых
током каждого из проводников. Благодаря боковому распору магнитных силовых
линий сила, действующая на проводник, направлена в сторону, где поле ослаблено
(рис. 3-1, г).
При нормальных эксплуатационных условиях электродинамические силы, как
правило, малы и не вызывают каких-либо деформаций, а тем более поломок деталей
в аппаратах. Однако при коротких замыканиях эти силы достигают весьма больших
значений и могут вызвать деформацию или разрушение не только отдельных
деталей. по и всего аппарата. Это обстоятельство требует проведения расчета
аппарата (или отдельных его узлов) на электродинамическую устойчивость, т. е. на
способность выдержать без повреждений прохождение наибольшего возможного
в эксплуатационных условиях (или заданного) гока короткого замыкания. Такой
расчет тем более необходим ввиду тою. что с целью получения минима тьных
габаритов в аппаратах стремятся располаг ать токоведущие части как можно ближе
друг к другу.
3-2. МЕТОДЫ РАСЧЕТА
ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ СИЛ
Расчет электродинамических сил ведется обычно либо на основании закона
взаимодействия проводника с током и магнитным полем (первый метод),
либо по изменению запаса магнитной шергии системы (второй метод).
Расчет электродинамических сил иа основании гакона взаимодействия про-
водника с гоком и магнитным полем. Возьмем систему из двух произвольно
расположенных проводников 1 н 2 (рис. 3-1,6), обтекаемых токами q и 12-
Напряженность магнитного поля, создаваемого элементом dy проводника 2
в месте расположения элемента dx проводника /, будет
dHdx = —^sin а,	(3-2)
г де а — угол между вектором р и направлением тока по элемент} dy.
Весь проводник 2 создает в месте расположения элемента dx напряжен-
ность магнитного поля
= J dHdx = J a.	(3-3)
Элементарная сила, действующая на элемент dx, обтекаемый током
dFdx = Hdxit dx sin р = 1\ dx sin р	J -2^2- sin a,	(3-4)
i2
где р — угол между вектором магнитной индукции В = p0Hdx и вектором тока
Ч» До — магнитная проницаемость воздуха.
Полную силу F взаимодействия между проводниками 1 и 2 получим
после интегрирования dFdx по всей длине проводника 1:
27
f dFax J 1, Ux sin ₽ J sin a
( читая токи zx и i2 неизменными по всей длине проводника,
можно переписать в виде произведения членов:
(3-5)
уравнение (3-5)
(3-6)
Первый член этого выражения зависит только от значений токов Второй
член зависит только от взаимного геометрического расположения проводников и
представляет собой безразмерную величину. Эту величину часто называют
коэффициентом контура, который обозначим буквой с. Тогда
. Ро
Л 4я
F = ci
(3-7)
т. е. сила взаимодействия между двумя проводниками, обтекаемыми токами
I, и i2, пропорциональна произведению этих токов (квадрату тока при
I) z2) и зависит от геометрии проводников.
Почставив в уравнение (3-7) значение ц0 = 4л-Ю и вычисляя силу
в ньютонах, получим
F=10 7i1/2c.	(3-8)
Расчет электродинамических снл по изменению запаса электрома! ннтнон
энергии контуров. Электромагнитное поле вокру! проводников и контуров
с гоком обладает определенным запасом энергии. Электромагнитная энергия
контура, обтекаемого током »,
II	(3-9)
Электромагнитная энергия двух контуров, обтекаемых токами и i2,
i2 i2
и = Ь у + И т| i- Miti2,	(3-10)
где Lj, L2 — индуктивности контуров: М — взаимная индуктивность контуров.
Всякая деформация контура (изменение расположения отдельных его элемен-
тов или частей) или изменение взаиморасположения контуров приводят к изменению
запаса электромагнитной энергии. При этом работа сил в любой системе
равна изменению запаса энергии этой системы:
F dx = dW,	(3-11)
здесь dИ’ — изменение запаса энергии системы при деформации системы в
направлении х под действием силы F.
На указанном законе (3-11) и основан второй метод определения электро-
динамических сил в контурах. Электродинамическая сила в контуре или
мокду контурами, действующая в направлении х, равна скорости изменения
запя.л энергии системы при деформации ее в том же направлении:
Согласно сказанному электродинамическая сила в контуре, обтекаемом
lOfcOVt i.
Fx
i^dL
2 dx
(3-131
а электродинамическая
ij и i2 будет
сила между двумя взаимосвязанными контурами с токами
ij dLj if dL2 dM
x 2 dx + 2 dx + ‘ll2 dx
(3-14)
3-3 ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ СИЛЫ
МЕЖДУ ПАРАЛЛЕЛЬНЫМИ ПРОВОДНИКАМИ
Возьмем два параллельных круглых проводника 1 и 2 (рис. 3-1, в),
расположенных в одной плоскости на расстоянии а друг от друга и обтекаемых
токами i'i и i2. Расчет будем производить первым методом. Проделав все
операции аналогично выражениям (3-2) — (3-8) и учитывая, что sin 0 = I, так как
проводники расположены в одной плоскости, и вектор индукции в данном
случае перпендикулярен этой плоскости (0 = 90°), получим
F=10-,i1i,c,	(3-15)
где
I, /2
Выразим подынтегральные переменные второго интеграла через одну из
переменных, а именно через угол а. Примем за начало координат элемент
dy и направление токов, совпадающее с положительным направлением координат.
В этом случае текущая координата
а	,	da
y = actga; р= - dy = - а	.	(3-16)
’	r sin a	'	sin2 a
Подставив полученные выражения в уравнение (3-15) и считая, что проводник
2 распространяется от — оо до + сс, чему соответствует изменение угла а от
п до 0, получим
о
<• = jdx J - s-^~da = -| Jdx.	(3-17)
ll Я	I-
Очевидно, если проводник 1 (Ь), так же как и проводник 2, распро-
страняется до ±оо, то с будет стремиться к бесконечности. Если проводник 1
имеет конечную длину, то
с = 21/а.	(3-18)
Согласно выражению (3-8) сила, действующая на проводник L равна
F=10 \i2~.	(3 19)
а
Уравнение (3-19) определяет силу взаимодействия между двумя проводниками,
один из которых бесконечно длинен, а второй имеет конечную длину / н
расположен симметрично относительно первого. В случае когда оба проводника
будут иметь конечную длину /, пределы интегрирования для выражения
29
Рис. 3-2. К определению электродинамической силы между
параллельными проводниками неравной длины
(3-17) будут уже не от я до 0, а от а2 до cq
* - - I ' ' Т (см- штриховые линии на рис. 3-1, в) и сила
7 т	взаимодействия между двумя круглыми провод-
никами конечной и равной длины определится урав-
Р1	---- нением
г = 10^4(У’^т)2-т)-	<3-20»
В уравнении (3-20) множитель перед скобками представляет собой силу
взаимодействия между двумя проводниками, один из которых имеет бесконеч-
ную длину. Обозначим угу. силу через F^. Коэффициент, заключенный
в скобках, представляет собой величину, меньшую единицы. При а/1 < 0,2
(в практике, как правило, а/1 «с 0,2) величиной (а/1)2 по отношению к единице
можно пренебречь. Тогда уравнение (3-20) примет вид
F = 10- ’i,i2 ^-(1 - у) “	- -f)	(3-21)
В практике весьма часто проводники имеют неравную длину. Силу взаимо-
действия между такими проводниками можно найти изложенным выше способом,
производя интегрирование каждый раз в соответствующих пределах. Можно эту
задачу решить, применив уравнение (3-20).
На рис. 3-2 приведены два проводника неравной длины lt и 12, расположенные
друг от друга на расстоянии а н обтекаемые гоками и i2 Нарастим
проводник 12 на отрезок 13 до длины, равной Проводник можем также
представить состоящим из двух отрезков /2 и /3. Тогда можем написать,
что сила взаимодействия между проводниками длиной и l2 (F/jJ равна сумме сил
взаимодействия между двумя проводниками 12 одинаковой длины (F^) и двумя
проводниками длиной 12 и /3(Fy,):
FM, = ргЛ + Fij,	(3-22)
Аналогично можно написать
Fl,!, = F,,,, - F,J - Fy,.	(3-23)
Сложив уравнения (3-22) и (3-23), получим
2Fy2 = Ff|li + FW1 - Ffj/a.	(3-24)
Таким образом, сила взаимодействия между двумя проводниками неравной
длины выражается через силу взаимодействия проводников равной длины:
+	(3-25)
При этом lt и 12 — величины заданные, а 13 = Ц — /2.
Сила взаимодействия между параллельными круглыми проводниками может
быть также определена по изменению запаса электромагнитной энергии.
Первый случай — оба проводника принадлежат к одной системе. Индуктив-
ность системы из двух параллельных проводников радиусом г и длиной /,
находящихся на расстоянии а, при условии, что / » о, определяется формулой
30
L = 4((ln-“- + 0,2sj.	(3-26)
Нас интересует сила, действующая в направлении а. Согласно выражению
(3-13)	„	1 -2 JL F	2 ‘ da	(3-27)
из уравнения (3-26)	dL 41 da a ’	
тогда
F = 10'7 ±-i2- = 10'7i2 —	(3-28)
2 а	а
Из выражения (3-28) видно, что результат получился таким же, как и при
определении этих сил первым методом.
Второй случай — проводники принадлежат к двум различным системам, при
этом сами системы не претерпевают деформаиии. Взаимная индуктивность
между двумя проводниками длиной /, находящимися друг от друга на расстоя-
нии а, при условии, что I» а, определяется формулой
М =
2,(1п2/-Л.
\ а )
(3-29)
Согласно формуле (3-13) сила, действующая в направлении а,
„	1 , Л.,	1 - dLa . . dM
1	2 '* da + 2‘2 da + h‘2 da ’
здесь
так как сами системы не претерпевают деформации, а из выражения (3-29)
dM _ _ 2/_
da а'
Тогда
F=10 7>,i2 —,	(3-30)
а
т. е. результат, как и следовало ожидать, получился тот же.
Для двух параллельных проводников, расположенных с любым сдвигом,
Г. Б. Холявский [34] получил удобную для расчета коэффициента контура
формулу, основанную на геометрической интерпретации приведенных выше
уравнений.
Величина [ I2 + а2 представляет собой длину диагонали D (рис. 3-3, а)
прямоугольника со сторонами Ina; следовательно, согласно уравнению (3-20)
для проводников равной длины
t = 2(D —а)/а,	(3-3 la)
а согласно уравнению (3-25) для проводников неравной длины (рис. 3-3,6)
31
Ph с, 3-3. К определению электро-
••г цамической силы графическим
методом
Рис. 3-4 Зависимость коэффициента Лф ci 
размеров проводников
(3-316)
 • е коэффициент контура равен разности суммарных диагоналей и боковых
с трон четырехугольника (прямоугольник, трапеция, параллелограмм), построенно-
ю на данных отрезках проводников, деленной на его высоту.
Аналогичную, но более сложную интерпретацию можно дать и для
перпендикулярно расположенных проводников.
Приведенные выше уравнения справедливы для проводников круглого и труб-
'53 гою сечений, для которых можно считать, что ток протекает по их геометри-
ческой оси. Для проводников прямоугольного сечения (шин) следует вводить
поправочный коэффициент - коэффициент формы кф, зависящий от размеров
проводников и расстояний между ними (рис. 3-4):
Г = 10 ’1^2—1Сф.
а
(3-32)
3-4. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ СИЛЫ
МЕЖДУ ВЗАИМНО ПЕРПЕНДИКУЛЯРНЫМИ
ПРОВОДНИКАМИ
На рис 3-5 приведены часто встречающиеся в аппаратах формы перпенди-
к  лярно расположенных проводников, например в рубильниках, мостиковых
контактных системах и многих других аппаратах и узлах
Рис. 3-5. К определению электродинамиче-
ской силы между перпендикулярно рас-
положенными проводниками
Произведя расчеты, аналогич-
ные предыдущим (первый метод), по-
дучим следующие выражения для сил,
действующих на проводник /:
по рис. 3-5, а при Л -» а
F = 10~"i2ln —
Г
и при h конечном
а/г
F = 10’ ’i2ln-----------f чи-*=
1 + l ' + (о//0‘
(3-33)
(3-34)
по рис. 3-5,6 сила будет соответственно в два раза большей:
F = 210 'i2ln "	(3-35)
F = 2-10 ’(2ln-----(3-36)
1 + |/l +(«/Л)2
Моменты относительно точки О, действующие на проводник I (h -» х), по
рис. 3-5,а:
Мо= 10 7(2(о-г);	(3-37)
Мп = 10 "Тс In ° у- (- г I	(3-38)
Момент относительно точки О, действующий иа половину проводника I
(рис. 3-5,6),
М°' = 10 V2('n4“ + Ir)	(3-39>
3-5. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ СИЛЫ
В КОЛЬЦЕВОМ ВИТКЕ И МЕЖДУ
КОЛЬЦЕВЫМИ ВИТКАМИ
В кольцевом витке (рис. 3-6, а) с током i возникают радиальные силы
/к, стремящиеся увеличить его периметр, т. е. разорвать виток. Если считать,
что сечение проводника ие деформируется, то согласно выражению (3-13) общая
радиальная сила, действующая на виток, будет
На единицу члины витка приходится сила
JR = F'R H2nR}.	(3-41)
Для того чтобы найти силу FR, стремящуюся разорвать виток, необ-
ходимо проинтегрировать проекции радиальных сил, действующих на четверти
I А Рсдштейц
33
Рис. 3-6 ) гектродинамические си 1ы в кольцевых витках
витка. На элемент окружности витка Rd<p действует сила fRRd<p, проекция
которой на ось v равна fgRdtpcosф, откуда
п'2	i2 dl
r'r. = J A«COS<pAp = fRR =	(4-42)
0	2.7Г (I i\
Для витка круглого сечеиия при R г
L = p„R fin _ 175 \	(3-43)
И
= 2'2),4п-10 ’(1п ~  °’75)= t0“7i2fn8^-O,7sj (3-44)
Анало1ичпо для витка прямоугольного сечения
L = p0R (in ™	0,5j;	(3-45)
F„ = 10 ’i2(ln	+0,5).	(3-46)
Приведенные формулы для электродинамических сил применимы не только
к одному витку, но и к обмоткам с любым числом витков и, занимающим
данное сечение. В этом случае за значение тока следует принимать суммарное
значение тока всех витков i = niD.
В катушках аппаратов, кроме сил, действующих внутри каждого витка,
будут существовать электродинамические силы между витками. Между витками
(рис. 3-6,6), если считать, что токи в них направлены одинаково, возникает
сила притяжения F. Силу F можно представить как результирующую двух
составляющих, а именно силы Fy, стремящейся притянуть витки друг к другу,
и силы F„ стремящейся один из витков (при одинаково направленных токах —
виток с меньшим диаметром) растянуть, а другой виток (в чанном случае
34
виток большего диаметра) - сжать. Таким образом, в одном из витков сила
F будет складывайся с силой FR, а в другом - вычитаться из нее.
Значения составляющих силы взаимодействия между твумя витками опре-
деляются уравнениями:
/5==|<1	.	(3-47)
Fx - 10 7-4ra1i2 /f2~,.2	(3-48)
где t -=R2 K2 > Я] Зависимости Fx и Fy от расстояния между витками
представлены на рис. 3-6, виг.
V6. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ СИЛЫ
В ПРОВОДНИКАХ ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ
В проводнике силы взаимодействия отдельных линий тока с собственным
магнитным полем проводника направлены перпендикулярно линиям тока. При
неизменном сечении проводника все линии тока параллельны и силы не имеют
осевой составляющей (в цилиндрическом проводнике они направлены по радиусу:
F — Fr на рис. 3-7).
При изменении сечення прово шика линии
тока искривляются и кроме поперечной Fr
появляется продольная составляющая Е(,
стремящаяся разорвать место перехода вдоль
оси проводника. Эта сила всегда направлена
в сторону большего сечения и равна
/ ,= 10 Vln у.	(3-49)
Формула справедлива для любого пере-
хода.
Рис. I-"7 Электродинамические силы в проводни-
ках переменного сечения
3-7, СИЛЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЖДУ
ПРОВОДНИКОМ С ТОКОМ И ФЕРРОМАГНИТНОЙ
МАССОЙ
Вблизи ферромагнитной массы магнитное поле вокруг проводника с током
(рис. 3-8,а) искажается, магнитные силовые липни стремятся замкнуться по массе
и возникают силы, стремящиеся притянуть проводник к этой массе.
Значение силы притяжения может быть определено из следующих сообра-
жений. Заменим ферромагнитную массу вторым проводником с током того же
направления, расположенным на таком же расстоянии от границы раздела сред.
Картина поля при этом не нарушится, так как одновременно с удвоением
длины магнитной силовой линии удвоилась и магнитодвижущая сила (2/
вместо П, т. е. такая замена вполне правомерна.
Рис 3-8. К определению сил взаи-
модействия между проводниками
с током и ферромагни । ной массой
Силы взаимодействия меж-
ду двумя параллельными про-
водниками подсчитываются по
уравнениям (3-19) и (3-20). Толь-
ко в данном случае вместо
расстояния и надо брать 2а, т. е.
/ - 10'7 -	(3.50)
С чедует прн этом помнить,
что приведенные рассуж <ения
полностью справедливы при
бесконечно большой проницае-
мости магнитных силовых чи-
их проницаемости в воздухе.
Фактически с учетом магнитного сопротивления массы и насыщения силы будут
несколько меньшими.
Если проводник с гоком находится внутри ферромагнитной массы
(рис. 3-8,6), то те же силы будут отталкивать ею от границы раз тела.
Картина поля, а следовательно, и сила взаимодействия будут такими, как если бы
за пределами ферромагнитной массы па таком же расстоянии был расположен
проводник с таким же гоком, но обратного направления. Значение силы
определяется 1ем же уравнением (3-50).
Аналогичные силы притяжения будет испытывать проводник, расположенный
в щели постоянного (рис 3-8, в) или переменного (рис. 3-8, г) сечения в фер-
ромагнитной массе. Без учета насыщения
F = 0,6310 V .	(3-51)
ох
где I - длина щели (перпендикулярно плоскости чертежа); 6 и Л, - ширина
щели в месте расположения проводника.
В щели постоянного сечения сила, затягивающая проводник вглубь, будет
неизменной, а в щели переменного сечения — переменной, возрастающей по
мере сужения щели.
Уравнение (3-51) относится к проводнику, расположенному в щели строго
симметрично, когда сила действует по оси х. Однако если проводник
окажется смещенным с оси симметрии, то силы притяжения его к противо-
положным стенкам (по оси у) окажутся неравными. Проводник будет пере-
мещаться по какой-то кривой, показанной штриховой линией, определяемой
двумя переменными составляющими сил F, и Г...
3-8 ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ СИЛЫ
ПРИ ПЕРЕМЕННОМ ТОКГ
Приведенные выше уравнения справедливы и для переменного тока, но
в этом случае сила будет иметь переменное значение.
Рассмотрим силы, действующие между параллельными проводниками, сначала
при однофазном токе, а затем при трех фазном.
36
Рис. 3-9. Элек । родинам и ческие силы при однофазном переменном токе
Согласно выражению (3-15) электродинамические силы
При переменном токе i — /msin<or сила
т. е. сила меняется с частотой, в два раза большей частоты toi
(рис. 3-9, и).
Силу J можно представить как сумму двух составляющих: постояннс
с(/т/2 и переменной Cjl* cos2<ot/2, меняющейся с двойной частотой по закоь
косинуса. Так как косинус угла принимает значения от +1 до — 1, то сш
будет изменяться от/ до f — 0, не меняя своего знака.
В расчетах учитывается максимальное значение силы
Fm = c,Ii = 2cJ2.	(ЗЛ
Из уравнения (3-53) видно, что при переменном однофазном токе максимал
ное значение электродинамической силы при одном и том же значении toi
(действующем) оказывается в два раза большим, чем при постоянном.
При переменном токе следует иметь в виду еще одно весьма важис
обстоятельство. В отличие от постоянного тока, при котором максимально
значение тока короткого замыкания равно его установившемуся значению Ц
(если пренебречь изменением сопротивления за счет нагрева), при переменно
токе в зависимости от момента короткого замыкания первая амплиту 1
ударного тока ivenex может существенно превосходить амплитудное значени
установивши ося тока короткого замыкания (рис. 3-9, б):
*,. ...< = (I  • • 1,8)= *м l/2 1.	(3-S
Максимальное усилие, на которое следует в таком случае рассчшыват
устройство, будет
f-..«ж = mak = с, (1,81/ 2/)2 = С16,48/2,	(3-51
т. е. при равном значении установившегося тока короткого замыкания при
переменном токе электродинамическая сила может быть почти в 6,5 раза большей,
чем при постоянном токе.
При грехфазной сети токи в фазах будут сдвинуты на 120 электрических
градусов;
i, = Im sin wf — [ 21 sin (of;
i2 = /wsin((ot — 120°) = |/ 2/sin((of - 120°);
i3 = Im sin ((о/ — 240') = | 21 sin ((of — 240 ).
Рассмотрим случай, когда проводники расположены в одной плоскости
(рис. 3-10. а). Проводник I будет взаимодействовать с проводниками 2 и 3.
Пусть сила взаимодействия между проводниками 1 и 2 при единице тока равна F]2,
а между проводниками I и 3 — F13. Тики в фазах равны. Тогда полная сила,
действующая на проводник 1, определится выражением
./1 Fuhh + ЛзМз = 0,25[(F13 - Fi2)| 3sin 2(of - (Ft3 I- F12)(l — cos2(of)] 2I2
(3-56)
В ошичие от однофазного тока при грехфазном токе сила меняется не
только во времени, но и по знаку. При положительных значениях sin 2(0/ и
cos2(Bf получим сипу, притягивающую проводник 1 к двум дру1им. При
отрицательных значениях sin2cof и cos2wf получим силу, отталкивающую про-
водник 1 от двух других.
Проводники обычно располагаются на равном расстоянии друг от flpyia.
В таком случае FJ3 = 0,5F|2, и тогда в установившемся режиме (рис. 3-10,6)
максимальная притягивающая сила
F|lip = 0,055FI2 2/2.	(3-57)
38
Рис 3-11- ) leicrpoдинамические силы при грехфазном переменном токе (проводники распо-
ложены 1 peyi ельником)
а максимальная отталкивающая сила
F1OT = 0,805Fl2-2/2,	(3-58)
где F12 = Ю с(1)2 = Ci (I)2.
Оиты, действующие на проводник 3, будут такими же, как и силы. действую-
щие на проводник 1, но обратными по направлению.
Усилия, действующие на средний проводник, F2 определятся уравнениями,
аналогичными предыдущим. Если принять силу взаимодействия при единице
тока между проводниками 2 и 3 равной F23, а между проводниками 2 и 1 -
равной F2i — F12, то при равных токах и равных расстояниях между про-
водниками F23 = F2I=FI2 и максимальная сила, действующая на средний про-
водник. определится из уравнения
F2= ±0,87Fn-2/2.	(3-59)
Таким образом, при расположении проводников в одной плоскости сила,
действующая на средний проводник, оказывается большей, чем сила, дей-
ствующая на крайний проводник.
С учетом переходной составляющей, возникающей в момент короткого
замыкания, максимальные силы будут большими, чем приведенные выше. Макси-
мальное отталкивающее усилие будет при коротком замыкании в момент
<р = —15е и составит
F'b,.nax = 3,24F12.2Z2.	(3-60)
Притягивающая сила при ср = --15 будет близка к нулю. Максимум притя-
гивающей силы имеет место при коротком замыкании в момент <р — 75°.
Flnpmax = 023F12-2/2.	(3-61)
Значение отталкивающей силы при <р = 75 составит 0,75F12. Изменение сил
во времени при ф = —15' (кривая I) и <р = 75 (кривая 2) в переходном
режиме короткого замыкания приведено на рнс. 3-10, в.
Рассмотрим еще один случай, когда провода трехфазной цепи расположены
правильным треугольником (рис. 3-11). Определим силы, действующие на про-
водник I. Сила взаимодействия между проводниками 1 и 2 (F12) будет
направлена по прямой /, а сила взаимодействия между проводниками 1 и 3
(F13) — по прямой II. Каждая из сил будет переменной во времени, а общая
сила (Fj), полученная путем геометрического сложения переменных по значению
сил F12 и Fi3, будет переменной не только, во времени, ио и по
направлению.
Изменение полученной силы Fj по направлению и по значению может
быть охарактеризовано вектором ОА, конец которого будет скользить по
окружности, как это показано на рнс. 3-11,а:
39
Ft -0,87FI22/2sin2ou.	(3-62)
Проекция силы на ось х всегда направлена в одну сторону. Знак ->
в уравнении (3-62) означает, ч го для 2и»Г > 180° следует брат ь знак минус
Изменение силы во времени не связано с изменением знака.
Каждый из двух других проводников испытывает такие же силы, но с
соответствующим сдвигом во времени и пространстве.
С учетом ударного гока максимум силы получается при условии
<р = 0. и сила меняется по закону
F, = + 2J- 3 F,г212sin3 “	|3-63)
Знак минус следует брать для всех отрицательных значений sin со//2. Направле-
ние и значение силы для любого момента времени определяется вектором О А.
скользящим по кривой (рис. 3-11,6) и отложенным под углом шГ/2 к оси ординат.
В /рехфазной сети могут быть однофазные, двухфазные и трехфазныс
короткие замыкания, но так как токоведущие части должны противостоять
электродинамическим силам при тюбом виде короткого замыкания, то, следова-
тельно, расчет надо вести на тот вид коро1кого замыкания, при котором силы
получаются большими.
При двухфазном коротком замыкании электродинамические силы получаются
большими, чем при трехфазном, если предположить, что ударный ток в обоих
случаях одинаков. Практически ударный ток при двухфазном коротком замыка-
нии меньше, чем при трехфазном. Поэтому расчет токов короткого замыкания
рекомендуется вести всегда на случай трехфазного короткого замыкания.
Расчет ведется на максимальное усилие, получаемое при ударном токе
Однако, учитывая, чго сила переменна и ее максимум существует очень короткое
время, тля допустимых напряжений в материале берут большие значения, чем при
постоянно действующей силе.
3-9 МЕ> КНИЧЕСКИЙ РЕЗОНАНС
Всякая механическая упругая система имеет так называемую собственную
частоту колебаний. Если какая-либо сила выведет эту систему из равновесия
(деформирует ее каким-либо образом, не переходя предела упругости), а татем
перестанет действовать, то система будет некоторое время колебаться около
своего положения равновесия. Частота этих колебаний и называется соб-
ственной частотой колебаний системы. Скорость их затухания зависит от упругих
свойств и массы системы и ее деталей, а также от сил трения и не зависит от
значения силы, вызвавшей колебание.
Если сила, выводящая механическую систему из равновесия, будет меняться
с частотой, равной частоте собственных колебаний системы, то на деформацию
одного периода будет накладываться деформация следующего периода и система
будет раскачиваться со все возрастающей амплитудой, теоретически до бесконеч-
ности. Естественно, что никакая конструкция не может противостоять такой все
возрастающей деформации и разрушается.
Совпадение частоты собственных колебаний с част о гой изменения электро-
динамической силы называется механическим резонансом
Полный резонанс наблюдается при точном совпадении частоты колебаний
силы с частотой собственных колебаний конструкции и равных положите гьных
и отрицательных амплитудах, частичный — при неполном совпадении частот и не-
равных амплитудах.
Для избежания механическою резонанса необходимо, чтобы частота собствен-
ных колебаний конструкции отличалась от частоты изменения этектро шнами-
40
ческой силы. Лучше, когда частота собственных колебаний лежит ниже частоты
изменения силы Подбор требуемой частоты собственных колебаний можно произ-
водить различными способами. Для шин, например, этого можно тобиться путем
изменения длины свободного пролета.
Для подсчета собственной частоты колебаний шин рекомендуется формула
. к 1 EJ
Г~?\ в
(3-64)
где I - пролет между изоляторами, см; Е модуль упругости, Па; J - момент
инерции относительно оси, перпендикулярной направлению изгиба, см4; д вес
единицы длины шины, Н/см; А - коэффициент, зависящий от характера крепления
шин: А = 112 при жестком креплении шин и изоляторов, А =78 при свободном
крещении на о,шой опоре и жестком — на друюй; А =49 при шинах, свободно
лежащих на опорах.
ГЛАВА 4
Электрические контакты
4-1 ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
Н 1П КТРИЧЕСКОМ КОНТАКТЕ
Электрические аппараты состоят из отдельных деталей (проводников), элект-
рически соединенных между собой. Соприкосновение тел, обеспечивающее непре-
рывность электрической цепи, называется электрическим контактом; деталь,
соприкасающаяся с другой деталью при образовании электрического контакта.-
контакт-дета и>ю *, а образование и существование электрического контакта -
электричес ки и контактирование м.
Электрическое контактирование весьма сложное явление. Контактные поверх-
ности всегда имеют некоторую шероховатость и, как правило, всегда покрыты
пченками, которые образуются пол воздействием кислорода воздуха, озона, азога и
других химических реагентов. Пленки имеют толщину примерно до 10~6 см и
удельное сопротивление р = 105 Ом-см [30]. Металлическое контактирование
осуществляется не по всей поверхности, а лишь в немногих точках. Имеющаяся
на поверхности металла пленка может быть в одних случаях продавлена силой,
сжимающей контакты (рис. 4-1, а), в других случаях пробита под влиянием раз-
ности электрических потенциалов В месте пробоя может образоваться металли-
ческий перешеек (рис. 4-1.6). проводящий электрический ток.
Явление пробоя пленки при некотором напряжении называется фриттингом.
Оно заключается в том, что ори некотором (пороговом) значении напряжения,
зависящем от вида и толщины пленки, сопротивление ее резко падает. Происходит
* В последующих главах при описании устройства различных аппаратов контакты рас-
сматриваются как контакты э -кктрической цепи — части электрической цепи, предназначен-
ные тля коммутации и проведения электрического тока. Для удобства чтения и краткости
изложения материала будем пользоваться понятиями ^контакт» и соответственно «подвиж-
ный (неподвижный) контакт», потри тумевая пот ним весь комплект летатей. входящих в эти
узлы, как )го принято в О граелевом каталоге
41
Рис. 4-1. Физические явления при контактировании
электрический пробой пленки, завершающийся образованием в ней тонкого метал-
лического проводника, который может остаться после снятия напряжения.
В местах чисто металлического контактирования развиваются большие силы
межмолекулярных и межатомных связей. Чисто металлическое контактирование -
явление редкое. Такой контакт при значительной площади соприкосновения по-
верхностей невозможно было бы разорвать теми силами, которые реально су-
ществуют в электрических аппаратах. Вероятно, чисто металлическое контактиро-
вание может наблюдаться лишь в местах очень узких металлических перешейков,
коюрые Moiyi образоваться при пробое пленок и развиваться, например, под
воздействием электростатических сил. Явления электрического контактирования
окопчагелыю еще не изучены.
По форме контактирования различают три вида контактов: точечный, линей-
ный. поверхностный.
Точечный электрический контакт — электрический контакт, при котором сопри-
косновение рабочих поверхностей контакт-дета 1ей происходит в точке. Следова-
тельно, контактирование происходит только в одной точке-площадке (рис. 4-2, а и г),
например соприкосновение таких поверхностей, как сфера — сфера, сфера — плос-
кость, вершина конуса — плоскость и т. п.
Линейный мектрический контакт — электрический контакт, при котором
соприкосновение рабочих поверхностей контакт-деталей происходит по линии
(рис 4-2,6 и 6), например цилиндр - цилиндр (по образующей), цилиндр —
плоскость, виток — виюк и т. д. Физическая картина контактирования здесь пред-
ставляет собой ряд точек-площадок (минимум две), расположенных на одной
пинии.
Поверхностный электрический контакт — электрический контакт, при котором
соприкосновение рабочих поверхностей контакт-деталей происходит по поверх-
ности (рис. 4.2, в). Физическое контактирование происходит зтесь в ряде точек-
площадок (минимум в грех), расположенных на этой поверхности.
Под рабочей поверхностью контакт-детали понимают часть поверхности кон-
такт-детали, предназначенную для осуществления электрического контакта. При
этом часть рабочей поверхности контакт-детали, по которой происходит сопри-
косновение с другой контакт-деталью, называют условной площадью контактиро-
вания, а ту часть условной площади контактирования, по которой электрический
ток переходит из одной контакт-детали в другую,— эффективной площадью
контактирования.
Размеры площадок контактирования пропорциональны силе, сжимающей де-
тали, и зависят от сопротивления смятию материала четачей. Если две [стали
кон тактируют в одной ппощадке, то ес размер в первом приближении
q = P!^,	(4-1)
42
Рис. 4-2. Типы контактов, условная и физическая картины контактирования
где Р - сила, сжимающая детали; о — временное сопротивление материала смятию.
Если детали контактируют в т площадках, то размер каждой площадки опреде-
лится тем же уравнением, а размер обшей площади будет равен сумме размеров
отдельных площадок. В первом приближении силу сжатия для каждой площадки
можно считать равной
Р'-Р'т.	(4-2)
Соотношение (4-1) с достаточным приближением справедливо до некоторою
значения силы Р. С ростом силы сжатия рост размеров площадок сопри-
косновения замедляется, начинается осадка всей условной площади контакти-
рования. Отсюда следует, что увеличение силы нажатия контактов выше опреде-
ченного предела нецелесообразно.
Тип контакта определяется его назначением, значениями тока и контактного
нажатия, конструкцией контактного узла и всего аппарата. При этом следует
всегда иметь в виду, что многоточечное контактирование обеспечивает более
на южный электрический контакт.
1 ПЕРЕХОДНОЕ < «ПРОТИВЛЕНИЕ КОНТАКТА
В зоне перехода тока из одной детали в другую имеет место относительно
большое электрическое сопротивление, называемое переходным сопротивлением
контакта.
Переходное сопротивление контакта jR„cp определяется сопротивлением су-
женных участков, по которым проходит ток к плошадкам сжатия (рис. 4-2, г и д),
и сопротивлением узких металлических перешейков, возникающих вследствие
фриттинга.
С уточнениями на основании опытных данных значение переходного сопро-
тивления определяется выражением
К..р = £//”,	(«)
где г — некоторая величина, зависящая от материала и формы контакта, способа
обработки контакта и состояния контактной поверхности; Р — сила, сжимающая
контакты; п — показатель степени, характеризующий число точек соприкосновения.
С увеличением числа точек соприкосновения переходное сопротивление
злектрического контакта уменьшается. В выражении (4-3) показатель степени
принимают; для одноточечного контакта п = 0.5. для многоточечных я = 0.7	1
(для чиненного контакта я = 0.7 .. 0,8, для поверхностного п — 1).
44
СП
Рис. 4-3. Зависимое ib переходного сс. гр тивтения от силы нажатия (о) ног температуры (о)
Значения величины е зависят от состояния поверхности контактов, характера
их обработки и особенно от степени окисления. Для свежих, неокисленных и
нормально обработанных одноточечных контактов (обработка на станке, оконча-
тельная отделка шдифным напильником и смазка вазелином) можно принимать сле-
дующие значения е в омах на корень квадратный из ньютона (Ом/Н0,5) [14]:
Медь
Серебро
Олово
1,0-10 ’	Алюминий	. 1,6-10“л
0,5-10-э	Латунь .	.... 6,7 10~?
5-Ю-3 Сталь ...	.76 10“3
Зависимость переходного сопротивления от контакгного нажатия. Эта зависи-
мость в соответствии с уравнением (4-3) представлена на рис. 4-3, а. Кривая I
соответствует процессу возрастания контактного нажатия, кривая 2 — снижению
нажатия. Различный ход кривых объясняется наличием остаточных деформаций
о ।дельных бугорков, по которым происходило соприкосновение.
Следует отметить, что при одном и том же нажатии переходное сопротив-
ление одного и того же контакта при каждом замыкании может быть разным и
отличаться в достаточно широких пределах: в больших при малых нажатиях и в
меньших при больших нажатиях (более 100 Н|. Объясняется это тем, что число и
размер площадок контактирования при каждом замыкании могут быть разными.
Значение переходного сопротивления в зависимости от нажатия практически
выражается не какой-то кривой, а областью, oi раниченной двумя кривыми.
Зависимость переходного сопротивления от температуры. Как указано выше, пе-
реходное сопротивление контакта есть сопротивление металла проводника, поэтому
оно должно в той же мере зависеть от температуры. Однако с увеличением
температуры меняется структура бугорков и площадок соприкосновения за счет
изменения удельного сопротивления смятию о. Поэтому температурный коэф-
фициент здесь будет меньшим. Для меди а и
^лерг = ^nepxo.n^l +	(4-4)
С ростом температуры переходное сопротивление вначале растет (участок I
кривой на рис. 4-3,6). Затем при некоторой температуре (для меди и серебра при
200 — 300 С) происходит резкое снижение механических свойств материала При
гом же нажатии увеличивается плошадка кон тактирования, переходное сопротив-
ление (участок II) резко падает В дальнейшем (участок III) оно снова возрастает
44
линейно с ростом температуры, и при температуре плавления материала кон-
такты свариваются, переходное сопротивление резко падает (участок /К).
Следует отметить, что исследования, выполненные О. Б. Броном [15], показали,
что при длительном пребывании серебряных контактов под током их переход-
ное сопротивление не возрастает с температурой, а, наоборот, падает, и падает по
линейному закону (опыты производились при температуре до 140 е С). Отступление
от соотношения (4-4) объясняется медленно происходящей в результате длитель-
ного нагревания пластической деформацией материала в площадках контактиро-
вания. приводящей к росту этих площадок и уменьшению переходного сопро-
тивления. Коэффициент э оказывается отрицательным.
Зависимость переходною сопротивления от состоииия контактной поверхности.
Шлифовка поверхностей не уменьшает, а, наоборот, увеличивает переходное
сопротивление по сравнению с обработкой напильником. При шлифовке бугорки
па поверхности становятся более пологими и смятие их затрудняется.
Зависимость переходного сопротивления от свойств материала контакта. Пере-
ходное сопротивление чрезвычайно чувствительно к окислению поверхности ввиду
того, что оксиды многих металлов (в частности, меди) являются плохими про-
водниками. У медных открытых контактов вследствие их окисления с течением
времени переходное сопротивление может возрасти в тысячи раз.
В процессе длительного пребывания под током на поверхности замкнутых
контактов гакже возникают оксидные, плохо проводящие ток пленки. Они прони-
кают к площадкам контактирования и, увеличивая тем самым переходное
сопротивление, мотут вывести контакты из строя. Повышение температуры уско-
ряет рост поверхностных пленок и сокращает промежуток времени, приводящий
к выходу контактов из строя. Повышение контактного нажатия, наоборот,
затрудняет проникновение оксидных пленок к площадкам контактирования, повышая
тем самым срок службы контактов [15].
Оксиды серебра имеют электрическую проводимость, близкую к проводимости
чистою серебра. При повышенных гемпературах они разрушаются. Поэтому
переходное сопротивление контактов из серебра, а также из серебросодержаших
металлокерамик практически не изменяется с течением времени. Оно паже может
понизиться вследствие медленной пластической деформации материала в площад-
ках контактирования. Для медных контактов необходимо применять меры борьбы
с окислением их рабочих поверхностей.
В разборных соединениях производят антикоррозионные покрытия рабочих
поверхностей — серебря г, лудят, кадмируют, иногда никелируют и цинкуют. Приме-
няют покрытие рабочих поверхностей нейтральной смазкой (например, вазелином!
после зачистки их напильником. После сборки контактного соединения швы
должны быть заделаны (герметизированы) асфальтовым или эмалевым лаком.
Коммутирующие контакты, длительно работающие под током не выключаясь,
выполняются, как правило, из серебра или металлокерамик на основе серебра.
Для медных контактов снижается значение тока нагрузки по сравнению с до-
пустимым тля 8-часовою режима Тем самым снижаются нагрев контактов и
интенсивность их окисления. Если это допустимо по технологическим условиям,
рекомендуется аппараты с медными контактами периодически, после 8 — 12 ч работы,
отключать 2 — 3 раза под током и снова включать. Возникающая при отключе-
нии дуга сжигает оксиды, и переходное сопротивление снижается. Во многих аппа-
ратах (контакторы, автоматические выктючатели) кинематическая схема предусмат-
ривает при замыкании некоторое проскальзывание одной контакт-детали по дру-
гой (притирающийся электрический контакт). Оксидная пленка при этом стирается.
Материалы большей твердости имеют большее переходное сопротивление и
требуют большего контактного нажатия. Чем выше электрическая проводимость
и теплопроводность материала, тем ниже переходное сопротивление.
45
| Влияние условной площади контакнрования. С увеличением площади рабочей
поверхности контакт-детали растет число точек соприкосновения, а от этого
| увеличивается значение показателя степени п в уравнении (4-3). Однако беспре-
дельное увеличение условной площади контактирования нецелесообразно, так как п
I быстро достигает значения, близкою к единице, а больше единицы п не бывает.
I Переходное сопротивление контакта мало зависит от размера условной площади
контактирования. Все же с увеличением номинального тока надо увеличивать и
| внешнюю поверхность контакт-деталей, так как с ростом тока растут потери и для
их рассеяния требуется большая поверхность.
4-1 ТЕМПЕРАТУРА ПЛОЩАДКИ КОНТАКТИРОВАНИЯ
При прохождении гока в площадке контактирования из-за наличия переходного
сопротивления будет выделяться энергия I2R„Lpdt. Так как эта энергия много
I больше энергии I2Rdt, выделяющейся в материале контакта, а теплоотдача
I в окружающую среду осуществляется с поверхности контакта (рис. 4-4), то тем-
пература площадки контактирования будет выше средней температуры контакт-
| деталей. Превышение эемпературы площадки контактирования над температурой
. теплоотдающей поверхности контакт-детали будет
0, - 0„ - т, = ГрпаДЗгхР).	(4-5)
। где р удельное сопротивление материала контакта; 7, коэффициент теплопро-
водности материала контакта: о — временное сопротивление смятию; Р сила
контактного нажатия.
°)	Ъ)
’не. 4-4 Схема теплею i иода и распределение 1емператур в районе площадки контактирования
1-6
Рис. 4-5 Зависимость превышения юмпсратуры площадки
контактирования oi падения напряжения в контактном
соединении
Если приняв. что переходное сопротивление
контакта
Кпер = р/(2«),	(4-6)
где и — радиус площадки контактирования (считаем,
что q — Р'сг = ло2), го уравнение (4-5) можно привести
к виду
1 И2
--8^-
где I падение напряжения на контактном пере-
ходе.
На рис. 4-5 приведены кривые, выражающие согласно формуле (4-7) зависи-
мость превышения температуры тк площадки контактирования серебряных (J) и
медных (2) контактов от падения напряжения бпег в них. При естественном
охлаждении падение напряжения на контактном переходе при номинальном токе
обычно равно 10—20 мВ. Превышение температуры площадки контактирования
над средней температурой контакт-лета чей составляет при этом несколько граду-
сов (не более 10 °C) и при нормировании температуры контакта во внимание не
принимается.
44 ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ КОНТАКТОВ
ПРИ ЖИДКОСТНОМ ОХЛАЖДЕНИИ
При водяном охлаждении повышение токовой нагрузки на контакты при-
водит к соответствующему возрастанию падения напряжения на контактном
переходе и резкому возрастанию превышения температуры площадки контакти-
рования. Так, при увеличении нагрузки в 5 — 6 раз (а для во доохлаждаемых
проводников допустимо еще большее увеличение нагрузки) падение напряжения
в гом же контакте может составить 80—100 мВ и превышение температуры
площадки контактирования над средней температурой конга кт- де галей уже будет
140—180 °C (см. рис. 4-5), тогда как средняя температура детали будет невысокой.
Казалось, что для улучшения охлаждения площадку контактирования следует
располагать возможно ближе к поверхности, охтаждаемой водой. И действитель-
но, по мере приближения площадки контактирования к охлаждаемой водой поверх-
ности превышение температуры площадки над максимальной температурой ©Отах
охлаждаемой поверхности в районе контакта несколько уменьшается. Однако при
»том сокращается поверхность наиболее интенсивной теплоотдачи (если h„>hl,
тл и vn>.Si, рис. 4-4.а). Последнее приводит к весьма интенсивному повышению
температуры наиболее надеваемой точки 0Отах на охчаждасмой поверхности
(рис. 4-4.6 и в). В итоге reMnepaiypa плота тки контактирования возрастает
(рис. 4-4, в). Приближение площадки контак!ирования к охлаждаемой водой по-
верхности за некоторой границей не улучшает, а, наоборот, ухудшает ус товия
охлаждения. Увеличение расхода воды в таком случае ие может заметно понизить
температуру.
Таким образом, при повышении нагрузки и интенсивном охлаждении кон-
тактов вочой можно создать такие условия, при которых контакты будут уси-
47
ленно окисляться вблизи контактных точек или даже свариваться. Поэтому до-
пустимую нагрузку на водоохлаждаемые аппараты следует определять не из усло-
вий нагревания контакта, а из условий допустимой температуры физической пло-
щадки контактирования. Средняя температура контакт-деталей не может служить
критерием для определения допустимой нагрузки на них.
В настоящее время еще не выработаны допустимые нормы нагревания
водоохлаждаемых контактов и нагрузок на них. Однако имеющиеся опытные
данные позволяют утверждать, что для серебряных контактов можно допустить
нагрузки, при которых температура площадки контактирования ие превосходит
200 °C Превышение температуры водоохлаждаемых контактов следует определять
не по отношению к температуре окружающего воздуха, а по отношению к
средней температуре охлаждающей воды. Что же касается медных контактов, то их,
по-видимому, не следует применять при водяном охлаждении по указанной выше
причине.
4-5 ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ КОНТАКТОВ
Разборное контактное соединение. Такое устройство применяется для жесткого
соединения между собой отдельных гоковедущих частей. Конструкция должна
обеспечивать надежное, не ослабеваемое при эксплуатации прижатие рабочих по-
верхностей контакт-деталей и минимальное переходное сопротивление.
Характерные виды соединения плоских проводников (шин) приведены на
рис. 4-6. Шины выгоднее скреплять несколькими меньшими болтами (рис. 4-6,6),
чем одним большим (рис. 4-6, d). В первом случае обеспечивается большее число
точек соприкосновения, чем во втором Соединение по рис» 4-6, в обеспечивает
большее число точек соприкосновения, чем соединение по рис. 4-6.6. При стягива-
нии накладками (рис. 4-6, г) переходное сопротивление ниже, чем при стягивании
сквозными болтами. Соединение пакетов шин рекомендуется выполнять по
рис. 4-6, г), где число точек соприкосновения примерно в три раза больше и условия
охлаждения лучше, чем при соединении по рис. 4-6, е.
Круглые проводники могут соединяться между собой и с плоскими провод-
никами следующими способами. Концы проводников расплющиваются или снаб-
жаются наконечниками, которые могут напаиваться, привариваться или плотно
обжиматься. При токах до нескольких десятков ампер конец проводника может
быть свернут в виде кольца (петли) и зажат болтом. Соединение может быть
Рис 4-6 Болтовые соединения шин
4К
Рис 4-7 Одно- (о) и двухступенчатые (<5) главные коммутирующие контакты
1 i основные контакты; 2 2' дугогасительные контакты
осуществлено при помощи концентрического зажима. Последнее соединение слож-
ное, дорогое и применяется редко.
Коммутирующие контакты. Такие контакты являются основным элементом
комму шционных аппаратов. В контактах на малые токи (до нескольких ампер)
стремятся независимо от конструктивного исполнения иметь одноточечное контак-
тирование, чтобы при малых нажатиях получить относительно высокое удельное
давление в контактной точке. При сколько-нибудь значительных токах конструкция
должна обеспечивать многоточечное контактирование.
Конструкции контактов чрезвычайно многообразны. Однако по взаимному
перемещению контакт-деталей во время соприкосновения контакты могут быть
подразделены на соприкасающиеся с перекатом и проскальзыванием — рычажные,
соприкасающиеся встык — торцевые, мостиковые и соприкасающиеся с внедрением
деталей одного контакта между деталями другого контакта — врубные, розеточ-
ные, роликовые.
Для осуществления своих функций контакты могут выполняться одноступен-
чатыми и многоступенчатыми.
В одноступенчатом контакте контактная пара служит как для продолжитель-
ного проведения тока во включенном положении, так и для разрыва дуги при
размыкании.
В многоступенчатых контактных системах (рис. 4-7) с двумя или тремя парал-
лельными контактами, между которыми основные функции разделены, достигается
лучшее удовлетворение противоречивых требований, предъявляемых к ним. Так,
в автоматических выключателях контакты главной цепи (главные) должны обеспе-
чивать продолжительное протекание номинальных токов во включенном положе-
нии, с одной стороны, и отключение без повреждения выключателя больших
токов короткого замыкания - с другой. В связи с этим главные контакты выпол-
няются многоступенчатыми Для удовлетворения первого требования контакты
49
рис. 4-b. Рычажные контакты: а. п в - кинематика движения; г к определению радиуса
КрИВИ 1НЫ
должны иметь возможно меньшее переходное сопротивление, не изменяющееся при
окислении поверхности (основные контакты). Для удовлетворения второго требова-
ния следует применять дугостойкие контактные материалы, которые имеют, как
правило, высокие переходные сопротивления и непригодны ввиду окисления для
длительного проведения тока (дугогасительные контакты). Основные контакты /
выполняются из серебра и служат для продолжительною проведения тока,
дугогасительные 2 выполняются из дугостойких материалов и играют основную
роль при включении и отключении аппарата. Замыкаются контакты в следующей
очередности: сначала дугогасительные, а затем основные. При размыкании очеред-
ность обратная: сначала размыкаются основные контакты, разрыва цепи не
происходит, так как весь ток переходит в дугогасительные контакты, а затем
размыкаются дугогасительные, на которых и возникает электрическая луга.
Иногда применяют систему из трех параллельных контактов: основных, про-
межуточных и дугогасительных. Промежуточные контакты служат для облегчения
перехода тока из дугогасительных в основные (при замыкании) и обратно
(при размыкании).
Рычажные контакты (рис. 4-8) применяются в аппаратах с поворотной по-
движной системой. Как правило, оси вращения контакта 0[ и подвижной системы
02 не совпадают Кроме того, контакты касаются раньше, чем подвижная система
юстигает конечного положения. Вследствие этого при замыкании и размыкании
происходит перекатывание и проскальзывание подвижной контакт-детали по не-
подвижной, в результате начальная точка касания / при замыкании, она же
последняя точка касания и точка возникновения дуги при размыкании, оказыва-
ется смещенной по отношению к точке 2 конечного касания контактов.
Таким образом, поверхности, обеспечивающие продолжительное проведение
тока и определяющие переходное сопротивление контакта, отдалены от места
возникновения дуги. Проскальзывание контактов при достаточном контактном
50
Рис. 4-9. Торцевые контакты: а — мостиковый: б — торцевой; в —торцевой многоточечный
/ _ подвижная контакт.сталь; 2 — неподвижная кинтаю-деталь. 3 — неподвижная контакт-четаль, пере-
мещающаяся на величину провала. 4 — гибкая связь
нажатый приводит к стиранию оксидной пленки и грязи с поверхности контакта,
т. е. к самоочистке контактов, и это позволяет применять медь в качестве
контактного материала.
Проскальзывание при той шероховатости, которую обычно имеют поверхности
контактов (в особенности, работавших), вызывает дополнительный дребезг контак-
тов при их замыкании, а следовательно, и их повышенный износ. Ввиду этого
появилась тенденция исключать или сводить к минимуму проскальзывание, сохра-
няя перекатывание.
Для того чтобы подвижная контакт-деталь могла перекатываться по неподвиж-
ной, центр вращения первой при перемещении по контактной поверхности второй
должен описать развертку круга. Радиус кривизны неподвижной кон такт-дета ли
(рис. 4-8,г) может быть вычислен из следующего приближенного уравнения:
r*c(2a-c)fi2b),	(4-8)
где с - длина дуги АВ от начальной точки контакта А до конечной В; а — рас-
стояние от центра вращения подвижной контакт-детали до точки А; b — расстоя-
ние перемещения точки вращения подвижной контакт-детали; а, Ь, с задаются
конструктивно.
Отказ от проскальзывания требует повышения контактного нажатия 1ля
обеспечения работы аппарата в продолжительном и прерывисто-продолжитель-
ном режимах. При полном отсутствии проскальзывания и недостаточно высоком
нажатии следует ожидать высокого перегрева медных контактов за счет постепен-
ного окисления конечной контактной точки.
Рабочие поверхности контакт-деталей рычажных контактов выполняются глав-
ным образом в виде плоскость — цилиндр, цилиндр — цилиндр.
Рычажные контакты требуют гибкой связи для присоединения к токоподводу, но
гибкая связь в ряде случаев является слабым местом контактной системы. Ее
трудно осуществить на большие токи, механическая износостойкость ее оказыва-
ется ниже, чем других деталей.
51
Мостиковые контакты (рис. 4-9,6/) применяю шя игавным образом в аппара-
тах с прямоходовой подвижной системой. Гибкая связь отсутствует, что является
достоинством конструкции, но зато требуется удвоенное контактное нажатие
сравнительно с рычажными контактами, так как число переходных контактов
удваивается. У мостиковых контактов теоретически перекатывание и проскальзы-
вание отсутствуют Поэтому медные контактирующие детали здесь применяться
не могут, а используются летали из серебра или мета ч локерам и ки на базе се-
ребра. Рабочие поверхности выполняются в виде плоскость плоскость, плос-
кость — цилиндр, цилиндр — цилиндр, плоскость сфера, сфера — сфера (при малых
токах)
На рис. 4-9,а показан мостиковый самоустанавливающийся контакт. Самоуста-
новка достигается за счет разных радиусов сферических поверхностей обоймы,
мостика и упора и в достаточной степени обеспечивает одновременное касание
обоих контактов и снижение (исключение) дребезга при включении.
Торцевые контакты (рис. 4-9,6) выполняются в виде сплошных металлических
стержней или полых труб. Контигтные поверхности moivi быть плоскими, сфери-
ческими или одна — плоской, другая - сферической. Контак гы имеют большое пере-
ходное сопротивление и требуют большого нажагия, поэтому применение их на
большие номинальные токи затруднено. Они используются преимущественно как
ду1 огасительные. Ториевые контакты требуют гибкой связи, роликового или дру-
гого токоподвода.
Многоточечные торцевые контакты применяются на большие номинальные
токи (до 4000 А) при требовании малого переходного сопротивления, в частности
в вакуумных выключателях. Пример конструкции многоточечного торцевого
контакта приведен на рис. 4-9, в. По существу, это розетка, которая имеет большое
число торцевых контактов В замкнутом состоянии ток проходит как по контактам
а, так и по контактам б. При отключении вначале размыкаются контакты б, а
затем контакты а. Токоведущие элементы контакта образуют контур, который
создает магнитное поле, направленное по касательной окружности. Это поле
вызывает радиальную электромагнитную силу, перемещающую дугу с контакта а
на контакт б. Таким образом, контакты и могут выполняться из материала с
меньшим переходным сопротивтением и меньщей дугистойкостью (медь, компози-
ции серебра), а контакты 6 — ю материала с большей дугостойкос<ью и большим
переходным сопротивлением (вольфрам). Общая температура контакта снижается
из-за малого переходного сопротивления контактов в замкнутом положении и
малою времени горения дуги при отключении. Износ контактов уменьшается.
В многоточечном контакте снижаются пропорционально числу точек электро-
динамические силы отброса контактов (см. § 4-10), следовательно, такой контакт
имеет большую электродинамическую стойкость и требует меньшего контакт-
ного пажатня.
Врубные контакты показаны на рис. 4-10. Простейшие из них на небольшие
гоки состоят из неподвижной контактной стойки /, в которую входит подвижный
контактный нож 2, направление ею движения v показано стрелками. Нажатие
осуществляется за счет упругих свойств материала стоек, которым придается соот-
ветствующая форма. При nepeipeBe, а также при частых включениях пружинящие
свойства гуоок ослабляются и контакт нарушается. Для устранения указанного
HeiociaiKa во врубных контактах на большие токи тля получения более высоких
и устойчивых нажатий применяют стапьные пружины 3.
В контактах по рис. 4-10, а соприкосновение происходит по линии. При том же
нажатии здесь достигается большее удельное давление, чем при поверхностном
контакте, и меньшее переходное сопротивление. Но и эта конструкция чувствитель-
на к перекосам контактного ножа. Более совершенной является контактная систе-
ма, изображенная на рис. 4-10.6. Здесь неподвижная кон гакт-деталь / охватывается
о)
Рис 4-10. Врубные контакты, а, б, с —врубные; г — розеточные; д — роликовые
подвижными контактными ножами 2, имеющими цилиндрические выступы. Нажатие
осуществляется стальными пружинами 3. При практически возможных перекосах
линейный контакт в этой конструкции не нарушается.
Рассмотренные конструкции находят широкое применение в рубильниках, пере-
ключателях, плавких предохранителях,
В высоковольтных выключателях применяются контакты ламельные врубные
(рис. 4-10, в). Подвижная контакт-деталь здесь выполняется из отдельных ламелей 2
(их может быть несколько пар), неподвижная 1 — клинообразной. Подвижная
система прямоходовая. Ламели могут быть несамоустанавливающиеся или само-
устанавливающиеся. В самоустаиавливающейся конструкции ламель может всегда
принять положение, обеспечивающее не менее двух контактных точек. Такая кон-
струкция более совершенна и дает при равных нажатиях меньшее переходное
сопротивление. Рассмотренные контакты могут выполняться на очень большие токи
путем параллельного присоединения любого числа пар ламелей.
Розеточные контакты (рис. 4-10, г) состоят из контактного стержня 2 (подвиж-
ная контакт-деталь) и ряда сегментов 1 (ламелей) с пружинами 3, образующих
неподвижную контакт-деталь. Розеточные контакты применяются преимущественно
в качестве основных.
Роликовые контакты (рис. 4-10, г)) служат для токосъема с неподвижных контакт-
деталей (стержней) I, перемыкаемых роликами 2, на подвижную контакт-деталь 3.
Ролики как бы заменяют гибкую связь и широко применяются при больших
ходах подвижной контакт-детали и больших номинальных токах.
Врубные, роликовые и розеточные конструкции не могут отключать значитель-
ные токи. Возникающая при этом дуга нарушает контактные поверхности. На иих
появляются оплавления, контакт нарушается. Кроме того, резко возрастает усилие,
необходимое для включения и выключения. Для отключения значительных токов
применяют параллельное включение дугогасительных контактов.
Герметичные контакты. Контакты обычных реле работают в среде атмо-
сферного воздуха. Они загрязняются пылью, парами металлов, покрываются
оксидами, возникающими при химических реакциях под воздействием электри-
ческой дуги (искры), подвергаются влиянию различных атмосферных агрессивных
53
б)
Рис. 4-11. Герметичный контакт - геркон
газов, водяных паров. Все эти факторы понижают надежность их работы и изно-
состойкость, особенно при малых токах и напряжениях, когда окисление рабочих
поверхностей может привести к прекращению проводимости контактов. Указанные
явления можно ослабить или практически исключить, если поместить контакты в
инертный газ или вакуум.
Одним из наиболее перспективных направлений усовершенствования контакт-
ных устройств (особенно на малые токи и напряжения) является разработка гер-
метичных маг нигоуправляемых контактов (МК) — герконов.
Простейшая конструкция МК (рис. 4-11,а) представляет собой стеклянный
баллон / с заключенными в нем твумя электродами 2 и 4. Баллон заполнен
инертным газом (азот, аргон, водород и г. п.) либо вакуумирован до остаточного
швления 0,13 — 0,0013 Па. Электроды выполнены из магнитного материала (обычно
пермаллоя) и являются одновременно и магнитопроводом. Концы электродов
покрываются слоем какого-либо благородного металла (золото, палладий, радий,
либо их сплавы), образующим рабочую поверхность F для контактирования.
Управление МК осуществляется магнитным полем, которое может создаваться
либо катушкой, либо постоянным магнитом 3. Магнитный поток Ф, проходящий
через электроды и воздушный зазор 6 (зазор контактов), при некотором его
значении приводит к замыканию рабочих поверхностей электродов и образованию
замкнутой электрической цепи. При ослаблении (исчезновении) магнитного потока
электроды за счет своих упругих свойств размыкаются, разрывая электрическую
цепь. Таким образом, электроды выполняют функции контакта, магнитопровода
и контактных пружин.
МК могут выполняться с замыкающими, размыкающими, переключающими,
поляризованными, «запоминающими» контактами. По конструкции они могут быть
язычковыми, плунжерными, мембранными, шариковыми, ленточными и др. По
своим техническим характеристикам МК приближаются к статическим устройствам,
обладая в то же время и всеми достоинствами контактных. Они имеют
высокое быстродействие (допускают частоту включений до 100 Гц), большой
ресурс (107— 109 срабатываний), высокую надежность, обеспечивают коммутацию
весьма малых гоков при малых напряжениях (единицы микроампер при напряже-
нии несколько милливольт), могут применяться во взрывоопасной аппаратуре, до-
пускают эксплуатацию при любом положении в пространстве и при большом
диапазоне изменения температуры (от —60 до +125 °C).
Основными недостатками МК являются их сравнительно малая коммута-
ционная н перегрузочная способность, а также низкая электрическая прочность
межконтактного промежутка. Коммутационная способность первых отечественных
герконов составляла 15-60 Вт, максимальное напряжение 220 В Выполняется
большой объем работ по совершенствованию их конструкций, повышению ком-
мутационной способности.
На рис. 4-11,6 приведена конструкция геркона, обеспечивающая:
54
рис. 4-12. Герметичный силовой контакт
герсикон
в номинальных режимах работы
коммутацию токов 1 мА - 4 А напряже-
нием соответственно 200—6 В при по-
стоянном токе и 6-380 В при перемен-
ном токе частотой 50 Гц при мощности
нагрузки до 250 В • А;
в редко встречающихся режимах
коммутацию токов до 34-65 А напря-
жением до 418 В, частотой 50 Гц при
мощности нагрузки до 3300 В А.
Геркон состоит из подвижной и неподвижной контактных систем, впаянных
в стеклянный баллон I. Неподвижная контактная система представляет собой
магиитопроВод 2, содержащий участок уменьшенного сечения 7 и два вывода б,
подвижная система включает в себя вывод 5, контактную пластину 3 и якорь 4,
установленный против участка магнитопровода уменьшенного сечения.
Системы образуют основные и дугогасительные контакты. Основные контакты
образуются полюсными поверхностями якоря и магнитопровода. покрытыми ма-
териалом с высокой электропроводимостью. Дугогасительные контакты 8 состоят из
напаек, выполненных из тугоплавкого материала, установленных на магнитопро-
водс и конце упругого элемента.
Геркон управляется магнитным полем постоянного магнита или катушки. При
определенном значении магнитный поток на участке 7 выпучивается и замыкается
через якорь. Якорь притягивается к магнитопроводу, замыкая дугогасительные,
а затем основные контакты. Отключение контактов происходит в обратной
последовательности.
Герсиконы. В отличие от геркоиов здесь применены различные детали для
контактов и магнитопровода (рис. 4-12). Внутрь герметичной оболочки (плата /,
корпус 14 и крышка 9) введены полюсы 2 и 4 электромагнита. Один полюс
обеспечивает жесткое крепление конца ферромагнитной пружины якоря 12, несущей
подвижную кон га кт-дета ль 10, а второй образует с этой пружиной рабочий зазор
в цепи магнитопровода. Ферромагнитная пружина с наружной стороны шунтиро-
вана более гонкими ферромагнитными пружинящими пластинками /3. значительно
увеличивающими общее сечение якоря электромагнита, но практически не повы-
шающими прогиводействующее усилие. Это позволяет при относительно неболь-
шой магнитодвижущей силе получить необходимое электромагнитное усилие
Магнитодвижущая сила создается катушкой 3, размещенной вне 1ерсикона.
Контакт-детали герсикона выполнены массивными с напайками из тугоплав-
кого материала. Подвод тока к подвижной контакт-детали осуществляется по-
средством гибкой связи высокой проводимости. Неподвижная контакт-деталь II
крепится на конце специального регулировочного винта 7. введенного внутрь
герметичной оболочки. Такое крепление позволяет регулировать зазор, провал
и контактное нажатие. Внешние зажимы 5 и 8 расположены вне герметичного
корпуса.
Ниппель 6 служит для обеспечения откачки воздуха из герметичного корпуса
и заполнения его защитным газом (смесь азота с водородом), обеспечивающим
высокую электрическую прочность (до 3000 В).
Герсикон типа КМ Г-12 на номинальный ток 6.3 А претназначен для работы
в вепях с напряжением 380—440 В при частоте 50—60 Гц. Он способен включать
ток 180 А и отк гючать юк 60 А. Коммутационная износостойкость контактов
при напряжении 380 В и час юге коммутаций 1200 включений и отключений
в час двшатсля мощностью 1,1 кВт составляет более 10 млн. циклов срабатыва-
ний. Герсиконы обладают большим быстро действием — около 10 мс. Мощность,
потребчяемая катушкой контактора с герсиконом типа КМГ-12, не превышает 2 Вт,
что позволяет применять контактор в качестве выходного элемента логических
устройств вместо более сложною тиристорного усилителя.
Скользящие контакты. Эти конструкции осуществляют передачу тока без
обрыва цепи с неподвижной контакт-дета ли на подвижную. Они могут выпол-
няться с рычажными, мостиковыми, роликовыми и другими контактами.
Разновидностью скользящего контакта является шарнирный контакт. Он одно-
временно обеспечивав । и механическую связь между деталями. В аппаратах
низкого напряжения скользящие соединения широко применяются в реостатах
и контроллерах
Разъемное контактов соединение. Это контактное соединение, которое может
быть разомкнуто (замкнуто) без разборки (сборки). Размыкание (замыкание)
осуществляют при обесючепНЪй электрической цепи. Конструкции контактов
многообразны; главным образом применяются контакты, где детали одного
контакта внедряются между деталями другого (врубные. розеточные и т. п.).
4-б ПАРАМЕТРЫ КОНТАКТНЫХ КОНГТРУКЦИЙ
Зазор контактов представляет собой кратчайшее расстояние между разомк-
Hyi ыми рабочими поверхностями подвижной и неподвижной контакт-деталей (см.
рис. 4-8 и 4-9). Зазор контактов обычно выбирается из условия гашения
малых токов.
При работе контакты изнашиваются. Чтобы обеспечить надежное их сопри-
косновение на длительный срок, кинематика аппарата выполняется таким образом,
что контакты соприкасаются раньше, чем подвижная система (система переме-
щения подвижных контакт-деталей) доходит то упора. Контакт крепится к по-
движной системе через пружину. Благодаря этому после соприкосновения с не-
подвижным контактом подвижный контакт останавливается, а подвижная система
продвинется еще вперед до упора, сжимая дополнительно при этом контактную
пружину. Таким образом, если при замкнутом положении подвижной системы
убрать неподвижную, го подвижный контакт сместится на некоторое расстояние,
называемое провалом.
В прямоходовых контактных конструкциях (см. рис. 4-9) провал измеряется
непосредственно а в аппаратах с поворотной системой (см. рис. 4-8) его опреде-
ляют величиной зазора S, контролирующего провал Провал определяет запас на
износ контактов при заданном числе срабатываний. При прочих равных условиях
больший провал обеспечивает более высокую износостойкость, т. е. больший срок
службы Но больший провал, как правило, требует и более мощной магнитной
системы.
Контактное нажатие — сила, сжимающая контакты в месте их соприкоснове-
ния. Различают начальное нажатие Ро в момент начала замыкания контакт-
деталей, когда провал равен пулю, и конечное нажатие Рк при полном провале:
Ро = cAli . Рк - Ро + сД/2 ,	14-9)
где с — жесткость контактной пружины, т. е. значение силы в ньютонах, необхо-
димой для сжатия пружины на 1 см; А^ — первоначальное сжатие пружины;
А/? дополнительное сжатие пружины при выборе провала.
По мере износа контактов уменьшается провал, а следовательно, и дополни-
гельное сжатие пружины. Конечное нажатие приближается к начальному. Таким
образом, начальное нажатие является одним из основных параметров, при котором
контакт должен сохранять работоспособноеib
56
д.? ПРОНЕС< РАЗМЫКАНИЯ I ОНТАкГОВ
ИЗНО< ХОН1 ХКТОВ ПРИ РАЗМЫКАНИИ
Работоспособность коммутирующих контактов характеризуется процессами
при их замыкании (включении) и размыкании (отключении). Рассмотрим сперва
процессы при размыкании и износ контактов при отключении цени Под износом
контактов понимают разрушение рабочих поверхностей контакт-деталей, приводя-
щее к изменению их формы, размера, массы и к уменьшению провала. Происхо-
дящий под действием электрических факторов износ будем называть коммута-
ционным износом — электрической эрозией. Износ под действием механических
факторов здесь не рассматривается, он обычно много меньше коммутационного.
При размыкании сила, сжимающая контакты, снижается до нуля, резко возрас-
таю! переходное сопротивление контакта и плотность тока в последней пло-
щадке контактирования. Площадка сильно разогревается, и между расходящимися
контактами образуется контактный перешеек из расплавленного металла, который
в дальнейшем рвется. При этом в промежутке между контактами могут возник-
нуть различные формы электрического разряда. При токе и напряжении, больших
минимально необходимых (например, для меди при / = 0,5 А и L =15 В). возни-
кнет дуговой разряд. Если гок меньше минимально необходимого, а напряжение
выше напряжения зажигания дуги, то возникнет искровой разряд.
Под действием высокой температуры туги или искры, а также дру| их факто-
ров (см. ниже) часть мета гла контактного перешейка испаряется, часть разбрызги-
вайся и выбрасывается из промежутка между контактами, часть переносится
с одного контакта на другбй.
Наряду с абсолютной величиной износа в цепях постоянного тока важной
карактеристикой является также знак износа, или знак переноса Если больше
изнашивается положительный электрод (анод), то переносу приписывается знак
плюс, и наоборот.
Учитывая, что наличие дуги существенно меняет характер и величину износа,
рассмотрим отдельно износ (эрозию) при малых токах (когда дуга отсутствует)
и износ при больших токах (при наличии дуги).
Износ контактов при малых гоках. Эрозия контактов обусловлена гем, что
разрушение жидкого контактного перешейка происходит вследствие распыления
и разрыва его, по не в середине, а ближе к одному из электродов. Чаще всего
контактный перешеек разрывается у анода, вследствие чего износу подвергается
голько анод (можно считать, что сам перешеек состоит из металла анода и
кат о ia поровну). При искровом разряде знак переноса обычно тоже положительный.
Величина эрозии пропорциональна количеству электричества, прошедшего через
контакты за время искры, и зависит от свойств материала контактов.
Снижение эрозии может быть достигнуто за счет применения эрозионно-
устойчивых материалов, а также за счет шунтирования контактов искрогаситель-
ными (активно-емкостными) цепочками В этом случае при размыкании часть
энергии цепи ухолит па заряд конденсатора. Длительность искрового разряда
существенно сокращается. Следует, однако, иметь в виду, что при значительных
емкостях при замыкании может произойти разряд конденсатора на сблизившиеся,
но еше не замкнутые контакты и как следствие этого — сваривание контактов.
Износ контактов при больших токах. Износ происходит от действия многих
переменных факторов До настоящего времени нет аналитического выражения для
расчета величины износа. Ввиду этого приведем некоторые зависимости, получен-
ные опытным путем [5].
Зависимость износа от чш ia размыканий. Износ контактов при данной напря-
женности магнитного поля прямо пропорционален числу размыканий. Если износ
57
Рис. 4-13 Зависимость износа контактов от напряженности
магнитного поля
I
при одном размыкании равен с, то за п размыканий
।	___________он бу чет
[	с5 = сп.	(4-10)
1/	Зависимость износа от напряженности магнигп-
" кого поля. Эта зависимость характеризуется кривой
на рис. 4-13. При малых напряженностях дуга длитель-
ное время находится на одних и гех же опорных точках, что и приводит к увеличен-
ному износу контактов. С ростом напряженности растет скорость движения опор-
ных точек дуги, контакты меньше нагреваются и оплавляются, износ снижается
Однако при некоторой нанряженности магнитного поля начинает сказываться
новое явление, меняющее картину процесса.
Как отмечалось, появлению дуги на расходящихся контактах предшествует
наличие перешейка из расплавленного металла. С ростом напряженности возрас-
тают электродинамические силы взаимодействия тока с внешним магнитным полем.
Эти силы начинают выбрасывать из щели между контактами расплавленный
металл перешейка. Износ возрастает. Когда электродинамические силы достигают
такого значения, что выбрасывают весь расплавленный металл из промежутка
между контактами, износ практически уже не зависит от дальнейшего возрастания
напряженности магнитного поля.
Зависимость износа от напряжения. При наличии внешнего магнитного поля
хашения дуга покидает щель между контактами, едва последние успеют разой-
тись на 1—2 см; износ контактов практически не зависит от напряжения сети.
Зависимость износа от токи. Износ контактов растет с увеличением тока.
При неизменных других условиях эта зависимость близка к линейной. В аппара-
тах, однако, изменение тока вызывает и изменение внешнего магнитного поля
(в частности, при последовательно включенной дугогасительной катушке), и тогда
износ идет интенсивнее роста тока.
Зависимость износа от ширины контакта. При каждом отключении расплав-
ляется, испаряется и выгорает определенное количество металла. Это главным
образом металл из площадок контактирования. Изменение количества металла,
влияющего иа износ в области касания, может быть достигнуто за счет измене-
ния ширины контактов. Опыты подтверждают сказанное: износ контактов, изме-
ряемый изменением провала, обратно пропорционален ширине контактов.
Зависимость износа от скорости расхождения контактов. В аппаратах на
большие токи, где имеется магнитное дутье и в которых сам кон гур тока
создает достаточные электродинамические силы, скорость расхождения контактов
практически не сказывается на величине износа контактов. Увеличение скорости
расхождения контактов не может служить способом борьбы с износом. Только
при очень малых скоростях расхождения контактов износ увеличивается с уменьше-
нием скорости их расхождения
I ПРОЦЕС С ЗАМЫКЧНИЯ КОНТАКТОВ
ИЗНОС КОНТ АКТОВ ПРИ замыкании
В процессе замыкания расстояние между контактными поверхностями посте-
пенно уменьшается. При некотором расстоянии между ними происходит пробой,
возникает дуга, которая гаснет при замыкании контактов. Износ от этого явления
Рис. 4-14. Дребезг кон [актов при замыкании
следует учитывать в аппаратах на высокое напряжение. В низковольтных аппаратах
это явление можно не учитывать.
В коммутационных аппаратах при замыкании происходит коммутационный
износ, вызываемый явлением дребезга контактов. В ряде случаев он превосходит
износ при размыкании. Подвижная контакт-деталь подходит к неподвижной с опре-
деленной скоростью. При соударении происходит упругая деформация материала
обоих кон[актов (имеется в виду контактирующая часть электрического контакта).
Упругая деформация приводит к отбросу подвижной контакт-детали — она отскаки-
вает от неподвижной на некоторое расстояние, измеряемое сотыми и десятыми
долями миллиметра (иногда до 1 мм). Под действием контактной пружины
происходит повторное замыкание контактов. Этот процесс может повторяться
несколько раз ( затухающей амплитудой, как показано на рис. 4-14,а. При
каждом отбросе между контактами возникает электрическая дуга, вызывающая
их износ.
Дребез! при замыкании возможен вследствие удара при притяжении якоря.
При этом износ может быть большим, чем от удара самих контактов, так как
здесь дребезг контактов происходит при гораздо больших мгновенных токах
(рис. 4-14,6).
Ниже приводятся полученные опытным путем зависимости износа контактов
при замыкании от ряда факторов.
Зависимость износа от соотношении механической и тяговой характеристик
аппарата. Скорость движения контактов определяется соотношением между меха-
нической (кривая I) и тяговыми (кривые 2, 3 и 4) характеристиками (рис. 4-15). Чем
больше запас тягового усилия (кривая 4), тем большей будет скорость, а следо-
вательно, будут большими удар и дребезг контактов. При недостаточном тяговом
усилии (кривая 2) будет происходить остановка подвижной системы в момент
соприкосновения контактов (двухтактное включение), что также приведет к повыше-
нию износа Для обеспечения минимального износа тяговая характеристика
должна обеспечивать четкое включение аппарата и не иметь чрезмерных запасов
(кривая 3).
Зависимость износа от начального нажатия Р„ и жесткости контактной
пружины. Начальное нажатие на контакты в момент их соприкосновения —
это та сила, которая противодействует отбросу контактов при их соударении.
Естественно, что чем больше эта сила, тем меньше будут отброс и дребезг.
59
Рис. 4-15. Тяговые и механическая характеристики
а следовательно, и износ (рис. 4-16). На рисунке показан
характер дребезга контактов при пониженном и повы-
шенном нажатии. Кривая UK изображает напряжение на
контактах, кривая /к — ток через кон гакты. Как видно
из графиков, при пониженном нажатии контакты размы-
кались несколько раз. При повышенном нажатии раз-
мыкания не было.
Повышение начального нажатия ограничено тяговой
характеристикой. Если начальное нажатие превосходит некоторое значение,. при
котором МДС втятвающей катушки становится недостаточной для реформации
тугой пружины и происходит отброс всей подвижной системы, износ контактов
начинает возрастать (штриховая *»< сть кривой на рис 4-16).
При большей жесткости отброс контактов будет несколько меньшим, а следо-
вательно, износ несколько снизится.
Процесс дребезга при соударении контактов может быть представлен следую-
щим образом (см. рис. 4-14). В момент t = 0 произошло соприкосновение
контактов (точка Л), в цепи появился ток, напряжение на контактах упало до
нуля и началось смятие материала и торможение контакта. В точке В подвиж-
ная кон такт-деталь остановилась. Началось упругое восстановление материала
контактов и обратное движение подвижной контакт-детали. Если бы материал
был абсолютно упругим, то контакт восстановился бы до первоначального,
практически же будет наблюдаться некоторая остаточная деформация. В точке С
упругое восстановление материала контактов прекратилось, ио подвижная контакт-
деталь по инерции продолжает отходить. Происходит разрыв контактов. Ток в
цепи становится равным нулю, напряжение на контактах восстанавливается.
Контакт-деталь отходит на расстояние хк. и под действием контактной пружины
контакты снова замыкаются (точка D). Происходит повторное смятие материала
и его восстановление, и так — несколько раз с затухающей амплитудой. На
рис. 4-14 обозначено: хк — амплитуда колебаний контакт-детали; х„ — величина
упругой деформации; хо — остаточная деформация.
Если хг > ха, то произойдет разрыв цепи со всеми вытекающими последст-
виями. Такой дребезг является опасным.
Если же хк < хд, то, несмотря на наличие дребезга контактов, разрыва
цепи не произойдет, износа контактов не будет. Такой дребезг является
неопасным.
Применяемые контактные материалы обладают достаточной упругостью, по-
этому даже теоретически избежать дребезга контактов при их замыкании невоз-
можно. В таком случае необходимо конструировать аппараты и их коммутирую-
щие контакты так, чтобы дребезг контактов был неопасным. Амплитуду хк необ-
ходимо всемерно снижать. Время дребезга не должно превосходить 0,5 — 1 мс.
Максимальное значение амплитуды колебаний контакт-детали для поворотной
системы с рычажным контактом определяется формулой [5]
+ (1 - М - (а0
I + 2/|,- ~к
(4-П)
где /— встроенная длина контактной пружины; а0 — первоначальный угол сжатия
60
Рис. 4-16. Зависимое is износа контактов от начального нажатия
пружины; к — коэффициент восстановления, характеризующий упруше свойства
материала; J — момент инерции подвижной контакт-детали; (о — угловая скорость
подвижной контакт-детали в момент удара; с - жесткость пружины.
Коэффициент восстановления для некоторых материалов:
Медь .	. . 0,95
Латунь..................0,87
Железо..................0,75
Поделочная сталь .	. . 0,5
Увеличение начального сжатия пружины
начального нажатия Р,„ а также увеличение
или, что то же самое, увеличение
жесткости с контактной пружины
Рис. 4-18. Компенсация отбра-
сывающих усилий в контактах
при их замыкании при помощи
пористой резины
1 и 7 - неподвижная контакт- дет а ть.
2 — вкладыш — специальная пори-
стая резина; 3 — контактная пру-
жина. 4 мостиковый кон гак г 5
якорь б д)т огаситетьная решетка.
8 — стальные направляющие для
подвижной головки u - сердечник
ьтекгромагни pi, — <киоп4.-1ие
сдеЛЬНОе II ГОКОПО	К К»-
1\щке —разы >шый прч «иннми
контак г. 1_‘ — ка стыка
Рис 4-17 Компенсация
отбрасывающих усилий в
контактах при замыка
нии за счет кинетической
энергии деталей подвиж-
ной системы
/ - контактная пружииа. 2 -
амортизирующая пружина
3 - контактная обойма: 4—
мостиковый контакт 5 не-
1«4ЛйЛЖная контак, к,.
6	1Я111
61
1	Рис. 4-19. Распределение чока в конгастах много
ступенчатой контактной системы
4	номинальный ток. тв ус ударное »начение nj,
• , |/ |\	-	ковою тока, /„ пусковой ток пвнгателя. /к ток в каж
цД\ ।	лом и> контактов г, и t моменты смыкания пара ь
, 'У j	тельных контактов
vL Г’И ; V J
i	Z7! ведут к снижению ампшгуды дребезга. При
этом большее влияние на амплитуду дребезга
j’-ч I I	оказывает начальное нажатие. Увеличение гя-
Y v	1 ового момента М, так же как и увеличение
угловой скорости со, ведет к повышению
амплитуды дребезш.
Таким образом, снижение дребезга контактов при замыкании и их замыкание
без дребезга могут достигаться за счет увеличения начального нажатия и жест-
кости пружины, уменьшения массы подвижных контакт-деталей и скорости их
замыкания.
Для снижения дребезга при замыкании применяют также искусственные меры,
основанные главным образом на компенсации отбрасывающих усилий, возникаю-
щих при соударении контактов.
Компенсация отбрасывающих усилий может быть осуществлена за счет исполь-
зования части кинетической энергии всей подвижной системы аппарата, как
это показано иа рис. 4-17. В момент касания контактов происходит остановка
мостикового контакта. Все другие детали подвижной системы стремятся про-
должить свое движение и через амортизационную пружину временно создают
дополнительное нажашс на мостиковый контакт, препятствуя тем самым его
отбросу Прн соответствующем подборе параметров системы (масса, жесткость
пружин, скорость) можно досгигнуть существенного снижения времени дребезга
контактов и замыкания без дребезга.
Пример другого способа компенсации отбрасывающих усилий при соударе-
нии контактов приведен на рис. 4-18. Здесь между мостиковым контактом
и ведущей траверсой помещается вкладыш из специального пористого материала.
При ударном сжатии в момент касания контактов противодействующие усилия
вкладыша весьма велики. Они препятствуют отбросу контактов. Дребезг сни-
жается.
Снижение износа при замыкании может быть достигнуто за счет применения
параллельных контактов (рис. 4-19). Здесь каждым из контактов включается
часть тока. Вследствие разновременного размыкания контактов при их дребезге
на отбрасываемом контакте не возникает дуги, что также приводит к снижению
износа.
Для снижения и устранения дребезга, вызываемого ударом в магнитной
системе, последнюю амортизируют.
Повышению коммутационной износостойкости мостиковых контактов способ-
ствует одновременность касания обоих контактов мостика. Достигнуть этого
можно при самоустанавливающемся мостиковом контакте. Пример выполнения
такого крепления мостика приведен на рис. 4-9, а. Будучи зажат между двумя
сферическими поверхностями, мостиковый контакт после некоторо! о числа вклю-
чений принимав। положение, при котором достигается одновременное касание
контактов.
4-j РАБОТА КОНТАКТНЫХ СИСТ1 М
В У( ЛОВИЯХ КОРОТКОГО <АМЫЕ \НИЯ
При коротких замыканиях возникают весьма тяжелые условия работы как для
ра {борных контактных соединений, так и для коммутирующих контактов.
В разборных контактах слабым местом оказывается болтовое соединение. Болт,
стягивающий детали, практически не проводит тока, и вследствие кратковре-
менности процесса короткого замыкания можно считать, что температура болта
не изменяется. Тепловое расширение токоведущих деталей вызовет дополнитель-
ное напряжение, которое, складываясь с напряжением затяжки болта, может при-
вести к остаточным деформациям и ослаблению контактного соединения после
его остывания. Поэтому болтовые контактные соединения должны проверяться
иа дополнительные механические напряжения, возникающие в болтовом соедине-
нии при коротком замыкании.
Для коммутирующих контактов характерны: а) момент замыкания; б) замкну-
тое положение; в) момент размыкания.
При коротких замыканиях возникает опасность сваривания контактов при
нахождении их в замкнутом положении (при сквозном токе короткого замыкания)
и гем более в момент замыкания (включение иа короткое замыкание).
При коротком замыкании происходит не только резкое увеличение тока, но
и увеличение переходного сопротивления контакта из-за ослабления контактного
нажатия, вызываемою электродинамическими силами. Тепловая энергия, выделя-
емая в месте контакта и равная Ji2KllcpJf, резко возрастает и может вызвать
о
расплавление и сваривание контактов. На практике вследствие кратковремен-
ности коротких замыканий такое явление наблюдается редко. Сваривание замк-
нутых кон1актов происходит, как правило, за счет электродинамического отброса,
когда электродинамические силы равны контактному нажатию или превосходят его.
Возникающая при отбросе контакта дуга вызывает большое оплавление рабочих
поверхностей и их сваривание при замыкании.
Для определения минимального тока, при котором происходит сваривание кои-
1ИКТОВ, можио пользоваться следующей опытной формулой (по данным
Г. В. Буткевича [21]):
/<К|/10Р,	(4-12)
где I - допускаемая амплитуда ударного тока, А; Р — контактное нажатие, Н;
К — коэффициент, зависящий от материала контактов и числа точек соприкоснове-
ния (приведен в табл. 4-1).
Таб.тца 4-i
Тип контакта	Материал	К. А/н“’
Пакетно-пластинчатый	Медь- татунь	300 - 400
Рычажный (ламельный)	Медь —медь	410
Несамоустанавллвающийся	Латунь—латунь	505
Рычажный (ламельный)	Медь- патунь	575
Самоустанавливающийся	Медь—латунь	550
Розеточный (на один элемент ро- эетки)	Мель —медь	600
63
При включении на короткое замыкание вероятность сваривания контактов
возрастает как за счет возможного дребезга, так и за счет меньшего нажатия
(в момент соприкосновения контактное нажатие равно начальному Р„).
При отключении токов короткого замыкания происходит сильное выгорание
и оплавление контактов. Снижение износа дугогасительных контактов достигается
применением дугостойких материалов и быстрым перемещением дуги по кон-
тактам
4-10. СПОСОБЫ КОМПЕНСАЦИИ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ
СИЛ В КОНТАКТАХ
Контакт (рис. 4-20, а) может быть представлен как проводник переменного
сечения. Согласно выражению (3-49) в месте сужения линий тока возникают
продольные электродинамические силы, стремящиеся разомкнуть контакты. Для
одноточечных контактов значение этих сил определяется выражением
f, = 10-7i2ln--.	(4-13)
So
для многоточечных
i2 с
Fi = 10"7-ln—,	(4-14)
п s0
где з — сечение контакта в месте, где нет искривлений линий тока; s0 - дейст
вительная площадь контактирования; п — число мест контактирования.
В аппаратах на большие токи, в частности в автоматических выключателях,
стремятся так выполнить контактную систему, чтобы компенсировать или осла-
бить действие электродинамических сил.
Например, в мостиковой системе (рис. 4-20, б) электродинамическая сила F2
контакта abed, действующая на мостик и равная
F, = 2 10 ~7р(|п	- + 0,25), Ь = —, C = -J,
\ 1 + 1/1+с2 )	' h
Рис. 4-20 Примеры электродинамической и электромагнитной компенсации электродинами-
ческих сил
Р — контактное нажатие; F, - отбрасывающие усилия, F — KOMneHCHpvioHiwe усилия
64
направлена навстречу электродинамическим силам Fx в контактном переходе.
Можно подобрать размеры h и а так, чтобы F2 2FX
В контактной системе по рис. 4-20,6 электродинамическая сила F2 практи-
чески отсутствует, а в системе по рис. 4-20, г сила F2 складывается с силами Fx.
С точки зрения электродинамической устойчивости последняя система является
наименее устойчивой.
На рис. 4-20, д показан пример электродинамической компенсации для ры-
чажных контактов. Неподвижный контакт состоит из двух частей (/ и 2),
соединенных посредством шарнира. Подвижная часть этого контакта удерживается
в нейтральном положении двумя пружинами, действующими навстречу друг другу.
Электродинамическая сила Fz стремится раздвинуть параллельные части 1 и 2
контакта. Сила F2 направлена навстречу силе Fx. Можно подобрать длину
петли I так. чтобы F2l2 > Тогда при коротком замыкании часть 2 кон-
такта будет всегда прижиматься к подвижной контакт-детали, и контактное
нажатие будет при этом возрастать.
Схема электромагнитного компенсатора приведена на рис. 4-20, е. Машитное
поле токопровода подвижного контакта стремится притянуть якорь 3 магнито-
провода компенсатора к неподвижной части 4 последнего. Через рычат 2 сила
F2 передается на подвижную контакг-деталь 1, препятствуя ее отбросу, вызываемому
электродинамической силой Ft.
В контактах (врубных) по типу рис. 4-10,6 и в компенсация электродинами-
ческих сил достигается за счет одинакового направления токов //2 в деталях 2.
4-11. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ КОНТАКТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Oi материала контакта в сильной степени зависят его срок службы и надеж-
ность работы. К этим материалам предъявляются следующие основные требова-
ния: они должны обладать высокой электрической проводимостью и тепло-
проводностью, быть устойчивыми против коррозии и иметь токопроводящую
оксидную пленку, быть дугостойкими, т. е. иметь высокую температуру плавления
и испарения, быть твердыми, механически прочными и легко поддаваться механи-
ческой обработке, иметь невысокую стоимость. Перечисленные требования проти-
воречивы, и почти невозможно найти материал, который удовлетворял бы всем
этим требованиям.
Для контактных соединений применяются следующие материалы.
Медь. Удовлетворяет почти всем перечисленным выше требованиям, за
исключением коррозионной стойкости. Оксиды меди имеют низкую проводимость.
Медь — самый распространенный контактный материал, используется как для раз-
борных, так и для коммутирующих контактов. В разборных соединениях при-
меняют антикоррозионные покрытия рабочих поверхностей (см. § 4-2).
В коммутирующих контактах медь применяется при нажагиях свыше 3 Н для
всех режимов работы, кроме продочжительного. Для продолжи [ельного режима
медь не рекомендуется, но если она применена, то следует принять меры по
борьбе с окислением рабочих поверхностей (см. $ 4-2). Медь может использо-
ваться и для дугогасительных контактов.
При малых контактных нажатиях (Р < 3 Н) применение медиых контактов не
рекомендуется.
Серебро. Очень хороший контактный материал, удовлетворяющий всем требо-
ваниям, за исключением дугостойкости при значительных токах. При малых гоках
обладает хорошей износостойкостью. Оксиды серебра имеют почти такую же про-
водимость, как и чистое серебро. Серебро используется для главных контактов в
аппаратах на большие токи, для всех контактов продолжительного режима
Работы, в контактах на малые токи при малых нажатиях (контакты реле.
Pii.iui 1 епи
65
контакты вспомогательных цепей). Серебро обычно применяется в виде накладок —
вся деталь выполняется из меди или другого материала, на который привари-
вается (припаивается) серебряная накладка, образующая рабочую поверхность.
Алюминий. По сравнению с медью обладает значительно меньшими прово-
шмостыо и механической прочностью. Образует плохо проводящую твердую
оксидную пленку, что существенно ограничивает его применение. Может исполь-
зоваться в разборных контактных соединениях (шинопроводы, монтажные провода).
Для этого контактные рабочие поверхности серебрятся, медиятся или армируются
медью. Следует, однако, иметь в виду невысокую механическую прочность алю-
миния, вследствие чего соединения могут со временем ослабнуть и контакт нару-
шится (не следует завышать контактное нажатие).
Для коммутирующих контактов алюминий непригоден.
Платина, золото, молибден. Применяются для коммутирующих контактов
на очень малые токи при малых нажатиях. Платина и золото не образуют
оксидных пленок. Контакты из этих металлов имеют малое переходное сопро-
тивление. Для повышения износостойкости применяют сплавы из платины с
иридием.
Вольфрам и сплавы из вольфрама. При большой твердости и высокой темпе-
ратуре плавления обладают высокой электрической износостойкостью. Вольфрам
и сплавы вольфрам — молибден, вольфрам — платина, вольфрам — платина - ири-
дий и другие применяются при малых токах для контактов с большой часто-
той размыкания. При средних и больших токах они используются в качестве
дугогасительных контактов на отключаемые токи до 100 кА и более.
Металлокерамика — механическая смесь двух практически не сплавляющихся
металлов, получаемая методом спекания смеси их порошков или пропиткой
одного расплавом другого. При этом один из металлов имеет хорошую прово-
димость, а другой обладает большой механической прочностью, является тугоплав-
ким и дугостойким. Металлокерамика, таким образом, сочетает высокую дуто-
стойкость с относительно хорошей проводимостью. Наиболее распространенными
композициями металлокерамики являются: серебро — вольфрам, серебро — мо-
либден, серебро - никель, серебро оксид кадмия, серебро — графит, серебро -
графит — никель, медь — вольфрам, медь — молибден и др. Применяется металло-
керамика для дугогасительных контактов (композиции с серебром в основном для
переменно! о гока) иа средние и большие отключаемые токи, а также для глав-
ных контактов на номинальные токи до 600 А.
4-12. ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ
Исследования и разработки в области твердометаллических контактов направ-
лены на получение наиболее оптимального контактного материала с точки зре-
ния экономичности и удовлетворительных электрофизических свойств. Продолжа-
ются интенсивные поиски таких контактных материалов, в которых была бы
значительно снижена доля благородных металлов, и прежде всего серебра.
В ряде случаев наиболее предпочтительными являются жидкометаллические
контакты (ЖМК), которые в последнее время получают все большее применение.
Исторически ЖМК появились одновременно с первыми электротехническими
устройствами, в которых требовалась коммутация электрического тока или пере-
дача электрической энергии с неподвижных частей электрических аппаратов и
машин на их подвижные части. Например, до 90-х годов XIX века для всех
выключателей характерно было использование ртути в качестве элемента размы-
кающего контакта. По мере развития электротехники и электропромышлен-
ности устройства с ЖМК из-за сложности и большого неудобства в эксплуата-
ции были заменены устройствами с твердометаллическими контактами.
66
В последнее время ЖМК вновь начали привлекать внимание электротехни-
ков. Объясняется ио рядом причин, в частности проблемой коммутации
больших постоянных токов (сотни килоампер) в установках электролиза, сверхпро-
водящих системах, мощных электромагнитах при токосъеме в униполярных
машинах и г. п. [16].
Основными достоинствами ЖМК являются малое переходное сопротивление,
отсутствие необходимости в контактном нажатии, отсутствие отбрасывающих
электродинамических сил в переходном контакте, отсутствие дребезга, сваривания
и залипания контактов, возможность работы при больших внешних давлениях,
высоком вакууме, высоких температурах, высокая механическая и коммутацион-
ная износостойкость. Свойства текучести жидкого металла позволяют создавать
коммутационные устройства на новых принципах действия. Имеются пути мини-
атюризации контактных аппаратов как в направлении уменьшения габаритов
приводных механизмов, так и в направлении повышения уровня допустимых
температур в месте контактирования.
ЖМК обладают и недостачами, которые в ряде случаев препятсгвуют
широком} их применению К основным недостаткам ЖМК следует отнести
довольно высокую температуру плавления и относительно высокую стоимость
жидких металлов и сплавов, необходимость герметизации контактного узла, зави-
симость работоспособности аппарата от положения в пространстве, токсичность
ряда материалов.
Из указанных наиботее существенным недостатком является высокая темпера-
тура плавления жидких металлов. Если учесть, что от современных аппаратов
требуется надежная работа при температуре от — 60 °C. то устранение этого
недостатка является наиболее трудным. Однако появившиеся в последнее время в
чнтерагуре сведения об амальгамах ртути и сплавах на основе щелочных ме-
таллов, имеющих температуру плавления ол —56 до — 58 СС. позволяют ожидазь,
что после соответствующих исследований найденные легкоплавкие металлы
избавят ЖМК от их основного недостатка. Герметизация контактов применяется
и в аппаратах с твердометаллическими контактами как способ обеспечения
принципа работы аппарата (вакуумные выключатели) и как способ повышения
коммутационной износостойкости (герконы, герметизированные реле), а также как
защита от агрессивных сред (элегазовые выключатели). Следует считать, что
развитие соответствующих технологий будет способствовать более широкому при-
менению МЖК.
В настоящее время признаны перспективными разработки, направленные на
создание контактов, состоящих из гвердомет аллического каркаса, пропитанною
жидким металлом. Например, жидкий металл удерживается в порах каркаса за
счет капиллярных сил. Такой контакт (названный проф. О. Б Броном компо-
зиционным) обладает вибростойкостью, его работа не зависит от положения
аппарата в пространстве. При правильной конструкции ему присущи достоинства
гвердометаллического и жидкометаллического контактов при минимуме их не-
достатков. Освоение технологий и рост выпуска приведет и к снижению стои-
мости.
Схемы конструкций некоторых аппаратов с жидкометаллическими контактами
приведены в главе 19.
ГЛАВА 5
Процесс коммутации
электрических цепей
5-1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ
КОММУТАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
Под коммутацией электрических цепей подразумевается операция замыкания
и (или) размыкания электрической цепи, при которой изменение ее сопротивления
происходит практически скачкообразно (ГОСТ 18311—80).
В контактном аппарате отключение электрической цепи (размыкание контак-
тов) физически представляет собой процесс перехода межкот актно! о промежутка
аппарата из состояния проводника электрического тока в состояние диэлектрика
(изолятора). В бесконтактном аппарате коммутирующий (переключающийся) эле-
мент под воздействием каких-либо физических величин (электрическое или ма<-
нитное поле, температура и т. п.) меняет свое сопротивление («запирает» цепь).
У первых отношение сопротивлений коммутирующих элементов в разомкнутом
и замкнутом положениях составляет IO10—1014, у вторых отношение сопротивле-
ний в «запертом» и «открытом» состояниях имеет значения 104 —107.
Следует отметить, что у контактных аппаратов изменение сопротивления
коммутирующего устройства, а следовательно, и тока в цепи происходит скачко-
образно, т. е. в ограниченный (доли секунды) промежуток времени. Такой режим
применительно к аппаратам на небольшие токи называют также релейным.
У бесконтактных аппаратов в зависимости оз характера (скорости) изменения
управляющей величины изменение сопротивления коммутирующего элемента мо-
жет происходить как скачкообразно, так и плавно. В первом случае аппарат
работает в коммутационном (релейном) режиме «открыто» — «закрыто», во вто-
ром — в режиме регулятора (работа в этом режиме рассматривается в курсах
теории автоматического регулирования).
Каждая электрическая цепь обладает определенной индуктивностью L и
емкостью С. Переход из одною состояния в другое занимает определенное время,
так как каждому установившемуся состоянию цени соответствует определенный
запас энергии >лектрических W, = CU2/2 и магнитных = LI2/l полей. Эта жер-
гия может изменяться только непрерывно. Отсюда вытекают следующие законы
коммутации [24, 30].
В начальный момент-коммутации ток в индуктивной цепи остается таким же,
каким он был непосредственно перед коммутацией, а затем плавно изменяется.
В начальный момент после коммутации напряжение емкостной цепи остается
таким же, каким оно было непосредственно перед коммутацией, а затем плавно
изменяется. Ток через емкостную цепь может изменяться скачком.
5-2. ПРОЦЕССЫ В ДУГОВОМ ПРОМЕЖУТКЕ
Размыкание электрической цепи с помощью контактов электрических аппара-
тов сопровождается, как правило, возникновением дугового разряда между этими
контактами. Дуговой разряд возникает в случаях, когда значения тока и напряже-
ния на контактах превосходят некоторые критические значения, которые зависят
от материала контактов, параметров цепи, окружающей среды и многих других
факторов. Например, на медных контактах при нормальном атмосферном давле-
68
Рис. 5-1 Волы-амперная характеристика газовою
разряда
ним лу,а возникает при токах, превышающих
05 4, и напряжении не ниже 15 В. При меньших
значениях тока и напряжения размыкание кон-
тактов сопровождается образованием искр.
Возникновение и горение дуги в воздушном
промежутке между контактами свидетельству-
Ю1 об ионизации эюго промежутка. В обыч-
ных условиях воздух является хорошим изолято-
ром (оля Пробоя воздушною промежутка в 1 см
при атмосферном давлении 1ребуется приложить напряжение не менее 30 кВ). Для
тою чтобы воздушный промежуток стал проводником, необходимо создать в нем
определенную концентрацию заряженных частиц — отрицательных, в основном
свободных электронов, и положительных — ионов. Процесс отделения от нейтраль-
ной частицы одного или нескольких электронов и образования свободных элект-
ронов и положительно заряженных частиц — ио и ов называется ионизацией.
Физически процесс отключения цепи — электрического ее разрыва — состоит
в деионизации воздушного промежутка между контактами, т. е. в восстановлении
его диэлектрических свойств и прекращении вследствие этого электрического раз-
ряда.
Явление прохождения электрического тока через газ. называемое газовым
разрядом, может наблюдаться практически при любых значениях тока. Вольт-
амперная характеристика последовательных его стадий в воздухе при атмосфер-
ных условиях приведена на рис. 5-1 [21].
В зоне О В ток сперва (участок О А) растет с ростом напряжения, а затем
(участок АВ) практически не меняется — наступает «насыщение» — все заряды,
содержащиеся в промежутке, достигают электродов, а дополнительной ионизации
не возникает. Зона О В представляет собой зону несамостоятельного разряда. Здесь
ток поддерживается за счет внешних ионизаторов (космические лучи, свец рент-
геновские лучи и др.).
За точкой В напряжение становится достаточным для начала самостоятель-
ного разряда. Это форма разряда (зона за точкой В), когда носители электри-
чества возникают в разрядном канале непосредственно за счет ионизирующих
факторов, присущих самому газоразрядному каналу.
Участок ВС соответствует стадии пробоя, или таунсендовской стадии (по имени
Таунсенда, разработавшего математическую теорию этой стадии). Наиболее харак-
терные признаки стадии пробоя — ударная ионизация, незначительные простран-
ственные заряды, лавинообразный процесс образования электронов и ионов.
Когда мощность источника способна вызвать в цепи токи порядка милли-
ампер, возникает тлеющий разряд (участок CD), для которого характерна ударная
ионизация, но уже в условиях резко неоднородного электрического поля, когда
основное падение напряжения приходится на слой у катода. Тлеющий разряд
характеризуется высоким падением напряжения у катода (200 — 250 В) и малыми
токами (до 0,1 А).
Участок DE является переходным от тлеющего разряда к дуговому, где ире-
с’б.тадающей формой ионизации является термическая ионизация. При атмосфер-
ном и более высоком давлении дуговой разряд характеризуется [21]:
ясно очерченной границей между стволом дуги и окружающей средой;
высокой плотностью тока в стволе дуги (до сотен ампер на квадратный
миллиме гр):
69
высокой плотностью тока на катоде и малым падением напряжения у катода
(10-20 В);
высокой температурой внутри ствола дуги, достигающей 5000 — 10000 К и бо-
лее и обеспечивающей термическую ионизацию.
Рассмотрим основные физические процессы, приводящие к ионизации и де-
ионизации воздушного промежутка.
Ионизация. Ионизация газа может происходить под действием многих фак-
торов, таких, как свет, космические лучи, высокая температура, электрическое поле
и другие. Для дуговых процессов в электрических аппаратах наибольшее значе-
ние имеют: из процессов, происходящих у электродов, автоэлектронная и термо-
электронная (миссии, а из процессов, происходящих в дуговом стволе, термиче-
ская ионизация и ионизация толчком.
Автоэлектронная эмиссия. Это - явление выхода электронов из катода под
воздействием сильного электрического поля — 105 В/см и выше. Такие напряжен-
ности у катода могут создаваться пространственными зарядами, а также в про-
цессе расхождения контактов. Место разрыва электрический цепи может быть
представлено как конденсатор переменной емкости [26]. Емкость в начальный
момент равна бесконечности, затем убывает по мере расхождения контактов.
Через сопротивление цепи этот конденсатор заряжается, и напряжение на нем
растет постепенно от нуля до напряжения сети. Одновременно увеличивается
расстояние между контактами. Напряженность поля между контактами во время
нарастания напряжения проходит через значения, превышающие 105 —108 В/см
Ток автоэлектронной эмиссии весьма мал и может быть достаточным только для
начала развития дугового разряда.
Термоэлектронная эмиссия. Термоэлектронной эмиссией называется явление
испускания электронов из накаленной поверхности. Если материал катода таков,
что температура его кипения может превысить 2500 К, то эмиссия электронов
с поверхности катода может происходить за счет термических процессов. Такое
явление имеет место в электрических аппаратах при расхождении контактов, где
последняя площадка контактирования сильно разогревается, часто до расплавления
и испарения. На отрицательном электроде образуется катодное пятно (раскален-
ная площадка), которое служит основанием дуги и очагом излучения электронов.
Плотность тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры и мате-
риала контактов. Ток термоэлектронной эмиссии также невелик и может быть
достаточным для возникновения электрической дуги, но недостаточен для ее го-
рения.
Возможно и совместное существование автоэлектронной и термоэлектронной
эмиссии при нагретом катоде.
Дуга может существовать между металлическими электродами и при холод-
ном катоде. В этом случае имеет место в основном автоэлектронная эмиссия.
Ионизация толчком. Если свободный электрон будет обладать достаточной
скоростью, то при столкновении с нейтральной частицей (атом, а иногда и моле-
кула) он может выбить из нее электрон. В результате получается новый свобод-
ный электрон и положительный ион. Вновь полученный электрон может, в свою
очередь, ионизировать следующую частицу. Такая ионизация называется иониза-
цией толчком.
Для того чтобы электрон мог ионизировать частицу газа, он должен дви-
гаться с некоторой определенной скоростью, зависящей от разности потенциалов
на длине его свободного пробега. Поэтому обычно указывается не скорость дви-
жения электрона, а то минимальное значение разности потенциалов, какое необ-
ходимо иметь на длине свободного пробега, чтобы электрон к концу пути при-
обрел необходимую скорость. Эта разность потенциалов носит название потен-
циал ионизации.
70
Рис 5-2 Зависимость степени ионизации от
температуры
Энергия ионизации I7,, для газов
составляет 13 — 16 эВ {азот, кислород,
водоро О И ю 24.5 эВ (гелий), для паров
металла она примерно в два раза ниже
(7,7 эВ для паров меди). Энер1ия иони-
зации I азовой смеси определяется самой
низкой энергией ионизации одного из компонентов и в очень малой степени
зависит ог концентрации этих компонентов. В короткой дуге всегда имеются
пары металла электродов, и энергия ионизации, а следовательно, и степень иони-
зации дугового промежутка определяются энертией ионизации этих паров.
Следует отметить, что не всякий электрон, имеющий энергию выше энергии,
соответствующей К. ионизирует нейтральную частицу, так как только часть таких
электронов приходит в должное соприкосновение с нейтральными частицами.
При энергиях, меньших энергии, соответствующей Vn, вероятность ионизации
толчком равна нулю, при больших энергиях эта вероятность возрастает.
Термическая ионизация. Это - процесс ионизации под воздействием высокой
температуры. Если рассмотреть ионизацию газа с точки зрения термических
процессов, то оказывется, что при тех температурах, которые имеют место в дугах,
ионизация значительно более вероятна при соударениях частиц в тепловом хао-
тическом движении, чем от воздействия электрического поля. Основной характе-
ристикой термической ионизации является степень ионизации, представляющая
собой отношение числа ионизированных атомов в газе дуги к общему числу
атомов в этом газе.
На рис. 5-2 приведена зависимость степени ионизации паров металлов (кри-
вая /) и воздуха (кривая 2) от температуры, построенная для V„ = 7,5 эВ и 1'и =
— 15 эВ [21]. Из рисунка видно, что при энергии ионизации, лежащей в области
7 — 8 эВ, и при температурах газа дуги 3000 — 6000 К можно наблюдать иониза-
цию, достаточную для обеспечения проводимости газа в дуговом канале Терми-
ческая ионизация в воздухе практически прекращается при температурах ниже
3000 К
Деионизация идет одновременно с ионизацией. При возникновении и развитии
дуговою разряда преобладают процессы ионизации, в устойчиво торящей дуге
процессы ионизации и деионизации одинаково интенсивны, при преобладании
процессов деионизации дуга 1аснет, дуговой разряд прекращается. Основными
физическими процесами здесь являются рекомбинация и диффузия.
Рекомбинация. Процесс, при котором различно заряженные частицы, приходя
во взаимное соприкосновение, образуют нейтральные частицы, называется рекомби-
нацией.
В электрической дуге отрицательными частицами являются в основном элект-
роны. Непосредственное соединение электрона с положительным ионом ввиду
большой разности скоростей маловероятно. Обычно рекомбинация происходит
при помощи нейтральной частицы, которую электрон заряжает. При соударении
этой отрицательно заряженной частипы с положительным ионом образуется одна
или две нейтральные частицы.
Различают рекомбинацию в объеме, когда третьим телом служи! нейтраль-
ная частица газа, и рекомбинацию на поверхности, когда третьим телом служит
поверхность вблизи дую (стенка камеры). В последнем случае электроны заряжаю!
поверхность стенки до потенциала, при котором положительные ионы притягива-
ются к >той поверхности и, присоединив электрон, образую! нейтральные частицы.
71
Скорость рекомбинации в объеме прямо пропорциональна объемной плотности
ионов и обратно пропорциональна кубу абсолютной температуры. При относи-
тельно небольших концентрациях ионов и невысоких температурах рекомбинация
на поверхности превосходит рекомбинацию в объеме в 102—106 раз.
Диффузия. Диффузия заряженных частиц пре ютавляет собой процесс выноса
заряженных частиц из дугового промежутка в окружающее пространство, что
уменьшает проводимость дуги.
Диффузия обусловлена как электрическими, так и тепловыми факторами
Плотность зарядов в стволе дуги возрастает от периферии к центру. Ввиду этого
создается электрическое поле, заставляющее ионьк двигаться от центра к перифе-
рии и покидать область дуги. В этом же направлении действует и разность
температур ствола дуги и окружающего пространства Заряженные частицы, вы-
шедшие из области дуги, в конечном итоге рекомбинируют вне згой области.
В стабилизированной и свободно горящей дуге диффузия играет ничтожно
малую роль.
В дуге, обдуваемой сжатым "воздухом, а также в быстро движущейся откры-
той дуге деионизация за счет диффузии может по значению быть близкой
к деионизации вследствие рекомбинации. В дуге, горящей в узкой шели или
закрытой камере, деионизация происходит главным образом за счет рекомби-
нации.
Из рассмотрения процессов ионизации и деионизации следует, что основным
фактором, обеспечивающим горение дуги, является ее высокая температура — тер-
мическая ионизация. Отсюда следует, что всемерное интенсивное охлаждение
ствола дуги является преобладающим способом ее гашения. Газы с большей
теплопроводностью и теплоемкостью обладают лучшей охлаждающей способ-
ностью, а следовательно, и лучшими дугогасящими свойствами. Например, кисло
род, углекислый газ, водяной пар и водород имеют по отношению к воздуху
теплопроводность (среднюю в пределах 0 — 6000 К) соответственно 1,8; 2,5; 5 и 17
и дугогасящие свойства соответственно 1,8; 2,6; 3.8 и 7.
5-3. ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ЭЛ ЕКТРИ Ч ЕС КО Й ДУГИ
Зависимости падения напряжения на стволе дуги от тока — вольт-амперные
характеристики дуги — приведены на рис. 5-3. Кривая / представляет собой стати-
ческую характеристику дуги, т. е. падение напряжения на дуге при данном токе
в установившемся равновесном состоянии, когда ионизация равна деионизации —
подводимая к дуге мощность равна отводимой. Напряжение L 3, соответствующее
началу дугового разряда иа промежутке, носит название напряжения зажигания
дуги. Характеристика имеет падающий характер — с ростом тока напряжение на
дуге падает. Это означает, что сопротивление дугового промежутка уменьшается
быстрее, чем увеличивается ток.
Если с той или иной скоростью уменьшить ток в дуге от 1q до нуля и при
этом фиксировать падение напряжения на дуге, то получим ряд кривых 2, лежа-
щих ниже кривой /. Эти кривые носят название динамических характеристик.
Чем быстрее будет уменьшаться ток. гем ниже будет лежать динамическая
вольт-ампериая характеристика дуги. Это объясняется тем, что при снижении тока
такие параметры дуги, как сечение ее ствола, температура газа и степень иони-
зации, не успевают быстро измениться и приобрести значения, соответствующие
меньшему значению тока при установившемся режиме. В пределе, при мгновенном
изменении тока до нуля, получим прямую 3 — проводимость промежутка оста-
нется соответствующей юку /0, а ток упадет чо нуля. Кривая 3 — предел, ирак-
72
Рис. 5-3. Волы-амперные характе-
ристики дуги постоянного тока
Рис. 5-4. Распределение напряжения
и градиента напряжения в ста-
ционарной дуге постоянного тока
тически недостижимый. Обычно при спаде тока динамические характеристики
имеют возрастающий характер. Соответствующее этим характеристикам напря-
жение, при котором дуга гаснет, называется напряжением гашения Ur.
Для данного дугового промежутка, материала электродов и среды имеются
одна вполне определенная статическая характеристика дуги и множество динами-
ческих, заключенных между кривыми 1 и 3.
Если падение напряжения на дуге Ua характеризует дуговой промежуток как
проводник, го напряжения U.t и Vr характеризуют изоляционные свойства про-
межутка — они означают напряжения, которые необходимо приложить при данном
состоянии промежутка, чтобы возбудить в нем электрическую дугу.
Падение напряжения на стационарной дуге распределяется неравномерно
вдоль дуги. Картина изменения падения напряжения U4 и продольного градиента
напряжения Е-( вдоль дуги приведена на рис. 5-4. Под градиентом напряжения
понимают падение напряжения иа единицу длины дуги. Как видно из рисунка,
ход характеристик и Ея в при электродных областях резко отличается от хода
Характеристик на остальной части дуги. У электродов, в прикатодной и приаиод-
иой областях, на промежутке длины порядка 10 4 см имеет место резкое падение
напряжения, называемое катодным U* и анодным U-a. Значение этого падения
напряжения зависит от материала электродов и окружающего газа. Суммарное
значение прианодного и прикатодиого падений напряжения составляет 15 — 30 В,
градиент напряжения достигает 105 — 10б В/см.
В остальной части дуги, называемой стволом дуги, падение напряжения
практически прямо пропорционально длине дуги. Градиент здесь приблизительно
постоянен вдоль ствола. Он зависит от многих факторов и может изменяться
в широких пределах, достигая 100 — 200 В/см.
Околоэлектродное падение напряжения U, не зависит от длины дуги, падение
напряжения на стволе дуги пропорционально длине дуги. Таким образом, паде-
ние напряжения на дуговом промежутке
17, = I ,4- Е,1Я.
(5-11
73
где Е( — продольный градиент напряжения на стволе дуги; I глина дуги-
U,= UK 4- Ua.
5-4. УСЛОВИЯ ГАШЕНИЯ ДУГИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Схема цепи постоянною тока с дугой отключения прелставлена на рис. 5-5, п.
Цепь содержит индуктивность L, сопротивление R и дугу включенные после-
довательно. Емкостью цепи (включенной параллельно) ввиду весьма малых токов
угечки можно пренебречь при расчете условий 1ашения дуги. Для любого момента
времени для такой цепи справедливо уравнение
I = Vi-riR + Ldj,	(5-2)
здесь L — падение напряжения на индуктивности при изменении тока.
При устойчиво горящей дуге di/dt = 0 и
<- = ид + iR.	(5-3)
Для погасания дуги необходимо, чтобы ток в ней все время уменьшался.
Это означает, что di/dt < 0, а
I > С - iR,
(5-4)
т. е. напряжение, подводимое к дуге, недостаточно для ее горения.
Графическое решение уравнения (5-2) приведено на рис. 5-5,6. Прямая /
представляет собой напряжение источника U, прямая 2 — падение напряжения на
сопротивлении (реостатная характеристика цепи), отсчитываемое от С, кривая 3
вольт-амперную характеристику дугового промежутка t г Заключенные между
кривыми отрезки представляют собой соответственно: iR — между кривыми / и 2;
Ji
±Е — между 2 и 3; L — iR — между 2 и осью абсцисс; U между 3 и осью
абсцисс.
В точках а и б выполняется условие Г = С'д - iR; = 0. В этих точках
имеет место равновесное состояние. Одна-
ко в точке а это равновесие неустойчивое,
а в точке б — устойчивое.
При токах 1 < Ia напряжение V >
г- о , l,i
> t ik, a L имеет отрицательное зна-
чение, и если но какой-либо причине ток
станет меньше /а, го он упадет ю нучя -
дуга погаснет.
Если же по какой-либо причине гок
станет несколько больше 1„, то будет
— iR, г. е. в цепи как бы окажется
«избыточное» напряжение, которое приве-
дет' к возрастанию тока до значения
Рис. 5-5. Условия гашения туги
постоянного тока
74
При любом значении / < i < I гок в луге будет возрастать до значения 1О.
r di
Между точками «ин величина L является положительной — рост тока
в цепи сопровождается накоплением электромагнитной энергии. /
При токе i>I, снова оказывается I > U - iR, a величиной отрица-
тельной. г. е. для поддержания такого значения тока напряжение U недостаточно.
Ток в цепи будет падать до значения Ц. Дуга в этой точке будет гореть устойчиво.
Дзя погасания дуги необходимо, чтобы при любом значении тока соблюда-
лось условие (5-4). Это значит, что вольт-амперная характеристика ду1и должна
на всем своем протяжении лежать выше характеристики U — iR (как это показано
на рис. 5-5,«) и не иметь с этой характеристикой ни одной точки соприкосновения.
Следует иметь в виду, что под вольт-амперными характеристиками дуги здесь
надо понимать динамические характеристики. Иными словами, напряжение, необ-
ходимое 1ля поддержания юрения дуги на всем протяжении ее динамической
характеристики, должно быть больше подводимого, г. е. напряжения сети.
< 5 ЭНЕРГИЯ, ВЫДЕЛЯЕМАЯ В ДУГЕ
Сопротивление дуги RA независимо от рода тока можно считать чисто актив-
ным. Оно является величиной переменной, падающей с ростом тока, и может
быть определено из вольт-амперной характеристики дуги.
Сопротивление дуги
= Ua/i.	(5-5)
Мощность щектрической дуги
=	(5-6)
Энергия И',. выделяемая в дуге за время гг ее горения,
(5-7)
о
Для выключающих аппаратов весьма важно определить значение этой энер-
гии за одно отключение. Подставив в выражение (5-7) значение С/.( согласно
формуле (5-2), получим для дуги постоянного тока
О	/2 'г
fR(J0-i)dr+ ( Lidt = L~ +fR(/0-i)dt= и;, г Ц/„	(5-8)
О	/„	2 л
энергия, запасенная в магнитном поле отключаемой цепи; =
= f Rtlo — ijdt - энергия, поступающая от генератора в дугу за время ее горения:
о
Го = U/R — начальное значение тока.
Таким образом, независимо от способа гашения дуги постоянного тока в ней
выделится энергия, запасенная в магнитном поле отключаемой цепи, плюс еше
какая-то доля энергии, которая поступит от генератора за время горения дуги i
(в устойчиво горящей дуге вся выделяющаяся в ней энергия поступает от тснератора).
Изменение тока в дуге при отключении может быть охарактеризовано сле-
дующим эмпирическим выражением:
» = /о[1 -МП	(5-91
75
И\ =
где	-
где t, - время гашения; t - текущая координата; п -некоторая постоянная для
данных условий величина.
Графически уравнение (5-9) представлено семейством кривых на рис. 5-6, а.
Для дугогасительных устройств с узкими щелями и для закрытых дугогаситель-
ных устройств, а также при значительных индуктивностях м > 1 (порядка 2 41.
Для открытых дугогасительных устройств и при активной нагрузке и < 1.
Подставив уравнение (5-9) в выражение для Wr, получим
Wr = kRliir = L^k -у.
/5-10)
где к = и/(2и2 + Зи + и); Т= L/R — постоянная времени отключаемой цепи.
Кривая, характеризующая зависимость к = f(nl приведена на рис. 5-6, 6. Энер-
гия, поступающая в дугу от генератора, пропорциональна времени горения и за-
висит от коэффициента к, характеризующего в некоторой степени дугогаситель-
пое устройство. Максимальное количество энергии выделится в дуге при измене-
нии тока по закону, близкому к линейному. При этом k„-t =0,167, а ток в цепи
за время отключения меняется по линейному закону:
» = /о(1 ~ r/U
Таким образом, энергия, выделяющаяся в дуге при отключении постоянного
тока,
И,- W„+Wr = L^(t +2*у)	'5-"’
В дуге отключения переменного тока, если гашение происходит в момент
перехода тока через нуль, выделится только энергия
(5-12)
1де / - частота: - ток; С, — падение напряжения ла дуге; tn — число полуперио-
дов горения дуги.
76
Рис 5-7- Характерные осциллограммы
гока и напряжения при отключении
цепи с большей (а) и малой (и) индук-
тивностью
Энергия, запасенная в магни!-
ном поле отключаемой цепи,
возвращается в генератор. Мини-
мальное количество энер| ии выле-
пится, если дуга погаснет при
первом прохождении тока через
нуль (м = 1). Если дуга иачнег 1аснуть
нуль, то часть энергии Ll^l не успеет
раиыле естественного перехода тока через
вернуться в генератор и выделится в дуге.
Таким образом, гашение дуг и переменного тока в момент естественного прохож-
дения тока через нуль облегчашея и за счет меньшей энергии, выделяемой
в дугогасительном устройстве.
При расчете дугогасительных устройств посюянного юка слечует учитывав,
что дугогасительное устройство должно быть способно принять и рассеять (от-
вести) выделяемую в дуге энергию, которая может быть весьма большой, в част-
ности при отключении цепей обмоток возбуждения.
Индуктивность стремится поддержать неизменным протекающий по цепи юк,
что приводит к автоматическому поддержанию напряжения, равного iR, пока
ие будет израсходована вся запасенная в цепи магнитная энергия. Чем больше
индуктивность, тем трудней погасить дугу постоянного тока и тем больше будет
напряжение иа дуге при том же времени гашения. Характерные осциллограммы
тока и напряжения на дуге при отключении цепей с различными индуктивностями
приведены на рис. 5-7.
5-6. УСЛОВИЯ ГАШЕНИЯ ДУГИ
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА [21]
Кривые изменения тока и напряжения иа дуговом промежутке приведены
на рис. 5-8, а. Допустим, что после прохождения тока через нуль в цепи появился
ток В момент появления тока резко возрастает напряжение иа стволе дуги — по
напряжение зажигания дуги За полупериод горения дуги напряжение на про-
межутке меняется незначительно. При подходе гока к нулю напряжение вновь
растет до напряжения гашения Ur и при повторном зажигании после перехода
тока через нуль снова достигает какого-то значения но противоположного
знака. Соответствующая этому процессу вольт-амперная характеристика дуги га
период приведена на рис. 5-8, б.
Для гашения дуги постоянного тока необходимо создать такие условия, при
которых падение напряжения на стволе дуги на всем протяжении ее динамической
характеристики будет больше подводимого напряжения, в пределе — напряжения
сети. При переменном токе ток в дуге независимо от степени ионизации дуго-
вого промежутка переходит через нуль каждый полупериод, т. е. каждый полу-
период дуга гаснет и зажигается вновь. Тепловая инерция дугового ствола, однако,
оказывается довольно значительной, и в момент перехода тока через нуль темпе-
ратура ствола (газов) ие всегда падает до прекращения термической ионизации.
Переход тока через нуль не обусловливает гашение дуги, однако процессы после
перехода тока через нуль в ряде случаев создают условия для ее гашения.
В открытой дуге при высоком напряжении, когда определяющим фактором
яв 1ястся активное сопротивление сильно растянутого ствола дуги, условия гашения
77
дуги переменного тока приближаются к условиям гашения дуги постоянного тока
и процессы после перехода тока через нуль мало влияют на гашение цуги.
В дупогасительных устройствах, где длина ду1и незначительна и сопротив-
ление ствола дуги практически не влияет на процесс гашения, условия гашения
определяются из взаимосвязи процессов после перехода тока через нуль. Возможен
также случай, когда надо считаться как с влиянием активного сопротивления, так
и с условиями гашения при переходе тока через нуль.
Открытая дута переменного гока при высоком напряжении источника тока.
Осциллограмма тока и напряжения на дуге приведена на рис. 5-9. Гашение дуги
здесь происходит главным образом вследствие растяжения дугового ствола и об-
разования на нем высокого напряжения горения на всем протяжении полупериода.
Ток в цепи начинает заметно падать за несколько периодов до полного обрыва
дуги. При определенной (критической) длине дуги напряжение сети оказывается
недостаточным лля поддержания ее горения. Наступает нарушение баланса мощ-
ностей (подводимой и отводимой), и ток в цени быстро уменьшается и, наконец,
совсем прекращается.
Дуга переменного тока в условиях активной геиоиизации. В дугогасительных
устройствах выключателей длина ствола дуги мала и падение напряжения на
стволе дуги, особенно при высоком напряжении, чрезвычайно мало по отношению
к напряжению сети. При интенсивном охлаждении газовой или жидкой средой
диаметр ствола дуги резко уменьшается, и его изменение следует почти синхронно
с изменением гока. Во время подхода тока к нулю дуговой ствол приобретает
весьма малые размеры и благодаря этому быстро разрушается после достиже-
ния током нулевого значения. Дуговой промежуток снижает свою проводимость
и приобретает заметную электрическую прочность. Этому также способствует
процесс перехода тока через нуль (сплошная линия на рис. 5-10). Немного раньше
момента естественного перехода через нуль ток дуги падает почти до нуля,
а затем после перехода через нуль скачком снова достигает естественного значе-
ния, образующаяся «бестоковая пауза» г, с (или время ожидания пробоя Г„р) спо-
собствует интенсификации деионизационных процессов и возрастанию сопротивле-
ния промежутка. Повторное зажигание дуги в следующий полупериод связано
с пробоем межконтактного промежутка.
Следует отметить, что при малоиндуктивной нагрузке бестоковая пауза
больше, при большей индуктивности эта пауза меньше или очень мала (примерно
0,1 мкс).
Таким образом, при каждом переходе тока через нуль возникает «соревно-
вание» двух процессов, а именно процесса восстановления электрической проч-
ности промежутка и процесса восстановления напряжения UB на промежутке.
Рис 5-9. Ocuujijioi рамма юка и
напряжения открыюй пути при
ВЫСОКОМ напряжении источника
Рис. 5-10. Переход гока через нуль
Рис 5-11 Процессы после перехода тока через нуль: а при гашении ду«и; 6 — при
повторном зажигании
5-12. Процесс отключения
низко| о напряжения
79
Если нарастание электрической прочности промежутка Unpi (рис. 5-11,4?) будет
опережать нарастание напряжения UB на нем, то луга погаснет при переходе тока
через нуль. Если же нарастание электрической прочности промежутка L'up2 пойдет
медленнее (рис. 5-11,6), то в момент времени, соответствующий точке О, произой-
дет повторное зажигание дуги. В цепи появится ток i, и соответствующее вольт-
амперной характеристике напряжение на дуге Сд. Напряжение в точке О будет
L', напряжением зажигания.
Дуга переменного тока при отключении цепей низкого напряжения. Под цепями
низкого напряжения понимают установки с напряжением до 1000 В. Здесь при
малой длине дуги сопротивление ее ствола соизмеримо с сопротивлением отклю-
чаемой цепи, а напряжение на дуге — с напряжением источника питания. При
определении условий гашения дуги в этом случае нельзя пренебре!ать падением
напряжения на стволе, так же как и процессами при переходе гока через нуль.
Гашение дуги может осуществляться как при одних, так и при других условиях
или с учетом и тех и других J29]. Схематически процесс отключения низко-
вольтной цепи представлен на рис. 5-12. После размыкания контактов (МРК)
в момент времени t, происходит первый переход тока дуги через нуль. Восста-
навливающаяся прочность дугового промежутка может быть еще недостаточно
высокой, и наступает повторное зажигание дуги при напряжении U3.
Во втором полупериоде горения дуги ее сопротивление значительно возрастает
В результате ток г, ограничивается этим сопротивлением и угол сдвига между
током и напряжением сети Uc к моменту времени t2 уменьшается. Уменьшение
гока дуги за счет роста ее сопротивления ведет к повышению восстанавливаю-
щейся прочности, а уменьшение условного угла сдвига фаз - к снижению мгно-
венного значения восстанавливающегося напряжения 1/в и скорости его роста
После второго перехода через нуль ствол дуги разрушается, кривая 1/|ф лежит
выше кривой С'в, дуга гаснет. После этого перехода межконтактный промежуток
может сохранить так называемую остаточную проводимость, присущую той или
иной стадии газового разряда. В этом случае по нему протекает остаточный
1 OK ioc-j.
Рациональным условием гашения дуги переменного тока следует считать
такое, когда гашение осуществляется в первый после размыкания контактов пере-
ход тока через нуль.
5-7. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
ПРОЧНОСТИ ДУГОВОГО ПРОМЕЖУТКА
Под восстанавливающейся электрической прочностью дугового (межконтакт-
ного) промежутка понимается пробивное напряжение, которое способно вызвать
повторное зажигание дуги в этом промежутке в тот или иной момент времени.
Уже в стадии дугового разряда межконтактный промежуток в зависимости
от степени ионизации обладает определенной электрической прочностью, соответ-
ствующей шачению напряжения, необходимому для поддержания неизменной
проводимости дугового ствола. Таким образом, в момент перехода тока через
нуль промежутку присуща некоторая электрическая прочность, которую назовем
начальной восстанавливающейся прочностью. Далее электрическая прочность из-
меняется в зависимости от условий, создаваемых (образующихся) в промежутке.
При анализе условий, необходимых тля гашения дуги, различают короткие и
длинные промежутки.
Восстановление прочности коротких дуговых промежутков. Короткими назы-
вают промежутки, у которых электрическая прочность после перехода тока через
нуль определяется главным образом явлениями у электродов. Эти явления зависят
80
Восстановление
электрической прочности ко-
ротких промежутков
6,. 6, длина промежутка
Рис. 5-13. К анализу процессов
в коротком дуговом проме-
жутке и - картина распредете-
ния заряженных частиц; б -
изменение градиента напряже-
ния ио длине промежутка; в —
распределение восстанавливаю-
щегося напряжения по проме-
жутку
от состояния и свойств электродов и газовой среды, находящейся между ними.
Рассмотрим явления у электродов при переходе тока через нуль. При >том
сделаем допущение, что катод «холодный» и что температура газа в околокатод-
ном слое недостаточна для возникновения термической ионизации, т. е. термо-
электронная эмиссия и термическая ионизация отсутствуют. Допустим, что после-
туговая плазма имеет равномерную плотность во всем пространстве и что плот-
ности положительных и отрицательных частиц равны между собой. Тогда при
появлении между электродами (рис. 5-13) разности потенциалов (начало процесса
восстановления напряжения) отрицательные частицы начнут двигаться к аноду,
а положительные — к катоду. Учитывая, что подвижность электронов во много
раз выше (до 1000 раз) подвижности ионов, то в очень короткое время от начала
восстановления прочности промежутка электроны уйдут из околокатодиого прост-
ранства, а ионы останутся на месте. При этом у катода возникнет зона простран-
ственного положительного заряда, и эту зону можно считать диэлектриком. Раз-
ность потеипиалов оказывается приложенной к этой зоие пространственного за-
ряда, однако распределение напряженности электрического поля и восстанавливаю-
щегося напряжения вдоль этой зоны будет неравномерным, как это показано на
рис. 5-13,6 и в. Максимальной напряженности электрическое поле достигает у по-
81
верхности катода и зависит (как и толщина слоя пространственного заряда) от
плотности заряженных частиц и приложенного к промежутку напряжения.
Когда электроды (контакты) остаются «холодными», то основной причиной
пробоя промежутка может быть автоэлектронная эмиссия (если максимальная
напряженность электрического поля у катода достигает 10s— Ю7 В/см). При отсут-
ствии автоэлектронной эмиссии восстанавливающаяся прочность промежутка мо-
жет быть весьма высокой и процесс может протекать, как это показано на
рис. 5-14. При нарастании прочности промежутка по кривой I повторного зажи-
гания дуги не произойдет, а при нарастании прочности по кривой 3 повторное
зажигание произойдет в точке О — точке пересечения кривой 3 с кривой 2 — кривой
восстанавливающегося напряжения. Кривая 4 представляет собой L',. Восстанав-
ливающаяся прочность в момент перехода тока через нуль скачком достигает
некоторого значения L'np(), а затем постепенно возрастает во времени. При этом
начальная восстанавливающаяся прочность (Т < 1 мкс) может быть до 200 В.
Если в газе содержа юя пары металла, а электроды «горячие», т. е. имеется
термоэлектронная эмиссия, то значение начальной прочности С'||р() (как это пока-
зано в работе [29]) может колебаться в широких пределах и уменьшаться до
нескольких десятков волы.
Восстановление прочности длинных дутовых промежутков в выключателях с ак-
тивной деионизацией дугового ствола. Восстановление прочности в этом случае
определяется быстрым распадом дуговой плазмы (дугового ствола) после пере-
хода тока через нуль (см. рис. 5-11). Дуговая плазма (остаточный дуговой ствол)
сохраняет некоторую проводимость, и ио промежутку протекает остаточный ток
|ост. Если рассеиваемая остаточным стволом мощность будет превосходить под-
водимую. то восстановление прочности промежутка будет опережать восстановле-
ние напряжения и дуга окончательно погаснет (см. рис. 5-11, я). Если же подво-
димая к складочному стволу мощность будет превосходить рассеиваемую, го
начнется рост остаточного тока, разогрев плазмы и в какой-то момент наступит
тепловой пробой, ток душ восстановится (см. рис 5-11,6).
5-8. ВОССТАНОВЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ
НА КОНТАКТАХ
Процессы восстановления напряжения и электрической прочности промежутка
взаимосвязаны, и эта взаимосвязь довольно сложна и еще недостаточно изучена.
На рис. 5-14 показан процесс восстановления напряжения при идеализиро-
ванном выключателе. Было принято, что напряжение па дуге равно нучю, а после
перехода тока через нуль сопротивление промежутка становится сразу равным
бесконечности. При таком предположении восстановление напряжения на выклю-
чателе начинается с нуля, а не с пика гашения Lr, и на эат ухание восстанав-
ливающегося напряжения влияют только параметры цени. Частота и амплитуда
колебаний переходного процесса определяются индуктивностью L, емкостью С
и сопротивлением R источника тока и пени. Частота колебательного процесса
равна
/< п 2л | LC
и тежит в пределах тысяч герц.
В действительности восстанавливающееся напряжение зависит не только от R,
Ln С пени, но и от остаточной проводимости самого межконтактного промежутка.
Последняя зависит от свойств .тугогасительных устройств, которые весьма разно-
образны. В общем случае процесс восстановления напряжения на конiактах может
иметь апериодический или периодический характер, схематично показанный на
рис. 5-15.
На рис. 5-15, п и б ток взят отстающим от ЭДС на 90 электрических, что
весьма близко к реальным условиям при коротких замыканиях в сетях перемен-
ного тока. При апериодическом процессе максимальное значение восстанавливаю-
щегося напряжения не может быть выше ЭДС источника При периодическом
процессе Свгпах практически не превосходит 2Ет. Ввиду большой разности часто-
ты переходного процесса и частоты сети (50 Ги) ЭДС сети за время переходного
процесса можно считать постоянной. Весь процесс восстановления напряжения
составляет десятки (сотни) микросекунд.
Возьмем второй крайний случай — отключение активной цени: L-*0; С *0.
Здесь ток совпадает по фазе с ЭДС (рис. 5-15, в). Ток и ЭДС переходят через
нуль одновременно, восстанавливающееся напряжение на контактах нарастает от
нуля с частотой сети. Тем самым отключение активной нагрузки происходит
существенно легче, чем индуктивной
5-9. ОСОБЕННОСТИ ОТКЛЮЧЕНИЯ ЦЕПИ
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТЫ
Аппараты низкого напряжения изготовляются для переменного тока повышен-
ной частоты 400—500 Гц, а также 2,5—10 кГи (закалочные установки). В послед-
нем случае частота колебательного процесса при восстановлении напряжения на
дуговом промежутке оказывается того же порядка, что и частота тока. Здесь уже
нельзя считать ЭДС источника питания неизменной за время переходного про-
цесса. Близкое совпадение частот источника питания и собственных колебаний
существенно меняет характер переходных процессов. Если при промышленной
частоте отключение индуктивного контура (ф->90") оказывалось тяжелее, чем
отключение активного контура (<р -* 0), то при повышенной частоте отключение
активного контура осуществляется труднее, нежели индуктивною контура.
При гашении дуги в индуктивном контуре промышленной частоты напряже-
ние на дуговом промежутке может достигнуть 2Ет. При гашении туги в акгивном

контуре повышенной частоты напряжение не может превзойти величины Ет Этим
при прочих равных условиях облегается гашение высокочастотной дуги по срав-
нению с дугой промышленной частоты.
Существуют, однако, и факторы, ухудшающие условия гашения дуги повы-
шенной частоты При промышленной частоте темпера гура лугового промежутка
при переходе тока через нуль успевает понизиться на 30—50%, что способствует
интенсификации процессов деионизации. При дуге повышенной частоты существен-
ного снижения температуры дугового промежутка при переходе тока через нуль
не происходит. Если не учитывать явлений у катода при переходе тока через
нуль, то условия гашения дую повышенной частоты (/-+10 кГц) приближаются
к условиям гашения дуги постоянного тока.
ГЛАВА 6
Способы гашения
электрической дуги
6-1 ГАШЕНИЕ ДУГИ В ПРОДОЛЬНЫХ ЩЕЛЯХ
В современных аппаратах гашение дуги при отключении цепи осуществляется
в дугогасительных устройствах, задача которых погасить дугу в малом объеме
(желательно замкнутом), за малое время, при малом износе частей аппаратов,
при заданных перенапряжениях, при малых звуковом и световом эффектах.
Весьма широкое распространение (особенно в низковольтных аппаратах) по-
лучили дугогасительные устройства, камеры которых имеют продольные щели [5].
Продольной называют щель, ось которой совпадает по направлению с осью
ствола дуги. В таких камерах основное воздействие осуществляется на ствол дуги.
Охлаждение ствола дуги (отбор энергии) происходит за счет движения дуги через
неподвижный воздух и охлаждающего действия стенок камеры. Явления у электро-
дов (их всею два) здесь можно учитывать при переменном токе и напряжениях
ниже 220 В. Движение дуги в устройствах с продольными щелями происходит
за счет взаимодействия тока дуги с создаваемым внешним магнитным полем
и полем контура тока.
Движение открытой дуги. Для лучшего уяснения условий движения дуги
в продольных щелях рассмотрим некоторые явления в движущейся открытой
дуге. При сколько-нибудь значительных токах открытая дуга имеет высокую
проводимость. Так. на постоянном токе при токе свыше 100 А продольный гра-
диент напряжения в открытой дуге составляет 6—8 В/см (кривая v = 0 на рис. 6-1),
а для длинных дуг, где влияние паров металла электродов сказывается мало,
градиент напряжения при тех же токах достигает 12 В/см. При переменном токе
среднее значение градиента равно 15 В/см. Движение дуги с какой-то скоростью
в неподвижном воздухе эквивалентно обдуву ее. Эффект интенсивного охлажде-
ния приводит к существенному возрастанию продольного градиента напряжения,
о чем можно судить по кривым рис. 6-1.
Для обеспечения перемещения дуги магнитное поле должно быть перпенди-
кулярно оси дуги. Можно рассматривать дугу как проводник с током (рис. 6-2, а),
расположенный в магнитном поле. Направление движения этого проводника опре-
делится правилом «левой руки». В перпендикулярном относительно оси дуги
84
Рис 6-1 Продольный градиент напряжения
в стволе открытой дуги постоянного тока
при разных скоростях ее движения (данные
Г А. Кукекова)
магнитном поле (рис. 6-2, а), а также
в собственном магнитном поле контура
гока (рнс. 6-2,6) дуга подучит поступа-
тельное движение, вектор скорости ко-
торого i. направлен ло нормали к дуге.
В радиальном маг нитном поле (рис. 6-2, в)
дуга будет двшаться по окружности или
спирали. В однородном магнитном поле
сила, лсйствующая на единицу длины
дуги, равна
Fi = 1Н,
<6-1)
где I — ток дуги; Н — суммарная напряженность магнитного поля (внешнего маг-
нитного поля н собственного магнитного поля контура тока).
При движении дуга встречает сопротивление воздуха. В первом приближении
можно принять его равным аэродинамическому сопротивлению движению твердого
цилиндрического стержня. При установившемся равномерном движении сила
аэродинамического сопротивления пропорциональна квадрату скорости:
F- = kv2.	(6-2)
При постоянной скорости движения дуги
Ft = F2\ IH = kv2; v = k\IH.
(6-3)
Опыты показывают, что движущаяся дуга ведет себя не совсем так, как твер-
дый стержень. Благодаря своей подвижности, наличию магнитного поля и встреч-
ного потока газов дуга стремится свернуться в спираль и расщепиться на парал-
лельные волокна, что замедляет скорость ее движения. Диаметр дуги также
является величиной, зависящей от скорости, и поэтому уравнение (6-3) дает ка-
чественную оценку зависимости скорости движения дуги от тока и напряженности
магнитного поля. В большинстве электрических аппаратов нет неизменного маг-
нитного поля гашения. Поле гашения создается отключаемым током и' пропор-
ционально ему, т. е. Н = kl. В таком случае
v = kl,	(6-4)
где к обычно определяется экспериментально.
В электрических аппаратах дуга перемещается по расходящимся контактам
и рогам, ее длина изменяется
от нуля до некоторо! о значения
(рис. 6-3,6), при котором дуга
гаснет. При этом появляется
составляющая скорости гс. век-
тор которой направлен по оси.
сп »н, и при расчетах охлаж-
Рис 6-2 Движение чпсктрич.ч.-кпМ
дуги в м<н нитном по ie
Рис. 6 3. Электрическая дуга на парад
летьных(а)и ротообразных (6) электро
да>
1ения дуги io можно не учитывать.
Для уяснения закономерностей
движения дуги в магнитном попе
в зависимое I и or ее длины рас-
смотрим кривую на рис. 6-4, ко-
торая представ чяш собой зависимость скорости движения дуги от расстояния
между параллельными электронами (рис. 6-3. а).
На участке 1 (0 </</,) имеет место не дуга, а перешеек из расплавленного
металла, возникающий при расхождении контактов. Этот перешеек существует.
пока электроды (контакты) нс разойдутся на определенное расстояние / > /,, ко-
торое зависит от значения отключаемого тока и материала электродов. Например,
в опытах [5] предельное расстояние между электродами, при котором еще возни-
кал перешеек из расплавленного металла (/ = 7000 А|. было равно 1 мм (электроды
медные) и 2 мм (электроды стальные). Скорость движения перешейка чрезвычайно
мала, а при расстоянии между электродами меньше 0,5 мм он может и вовсе
не двшаться даже при наличии значительного магнитного поля. Отсюда следует,
что в выключающих аппаратах дуга не может выйти из промежутка между кон-
тактами, пока они нс разойдутся на расстояние больше 0,5—1 мм.
На участке II (lt <. I < 12) наблюдается резкое возрастание скорости дуги
с увеличением ее длины. При некоторой плине перешейка расплавленною 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 металла 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 дую.
На участке III (/ > /2) имеем собственно дугу. С увеличением ее длины
наблюдается некоторое снижение скорости ее движения. Под действием собствен-
ного поля дуга стремится свернуться в спираль. Встречный поток воздуха, про-
никая в дугу, стремится расщепить ее на отдельные волокна. С увеличением
длины дуги тормозящее действие этих факторов сказывается сильнее. Рассматри-
ваемые в настоящей главе закономерности движения дуги относятся к этому
участку.
Широкие и узкие продольные щели.
На рис 6-5 схематично изображены ха-
рактерные формы продольных щелей
камер дуге! асит ельных устройств. В
верхней части камеры (рис. 6-5. «) между
точками 1 и 2 имеется одна прямая
продольная щель 3 с плоскопараллель-
ными стенками. В камере на рис. 6-5, б —
несколько прямых параллельных щелей,
Рис. 6-4. Зависимость скорости движения
дуги на параллельных электродах о г рас-
стояния между ними
86
Рис. 6-5. Характерные формы предо пьных щечей дугогасительных камер
аналогичных щели в камере па рис. 6-5, а. Несколько параллельных щелей при-
меняют 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 шелью 3. которой при-
дана извилистая форма. При такой форме представляется возможным в камере
небольших размеров уместить длинную цугу. Кроме того, наличие ребер способ-
ствует повышению напряжения на дуге. Именно зги 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.
Рис. 6-6 Электрическая дута в широкой
(«) и узкой (о) ше ш
Рис. 6-7 Зависимость скорости движения откры-
той туги и дуги в широкой щели от тока (данные
О Б. Брона)
Камера (рис. 6-5, б) имеет комбинированную зигзагообразную шель 3 с мест
ними уширениями 4. В такой шели, по-видимому, должны сочетаться все досто-
инства зигзагообразной щели с преимуществами, которые дают местные уширения.
По особенностям движения электрической дуги в продольных щелях разли-
чают щели широкие и узкие. Широкой называют щель (рис. 6-6, а), ширина кото-
рой 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 присуши открытой дуге.
В узких щелях движение дуги сильно стеснено, сечение ствола дуги деформи-
ровано, условия охлаждения резко изменены. Все это приводит к возникновению
ряда новых явлений, качественно it количественно отличающихся от тех, что про-
исходят в открытой дуге.
Скорость движения дуги. Кривые, характеризующие зависимость скорости
движения дуги в широкой щели (б = 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 но-
вым явлениям
На рис. 6-8 изображены кривые, характеризующие зависимость скорости дви-
жения дуги от тока в узкой щели. И здесь вначале с ростом тока скорость дви-
жения дуги растет (участки кривых слева от кривой 6). Далее явление приобре-
тает 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 неустой-
чивое движение дуги и ее остановка, назовем критическим /кр. Кривая 6 отделяет
те обласги, в которых дуга не останавливается, от гех 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 IH.
Следовательно, при неизменном Н с ростом тока происходит все возрастаю-
щее разогревание стенок. При некотором токе и соответствующей ему скорости
движения дуги стенки настолько разогреваются, что на ннх появляются прово-
дящие контактные перешейки. Дуга останавливается. Кривая 6 характеризует ту
минимальную скорость (назовем эту скорость критической гкр), которую необхо-
димо 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 газогенерапии создается местное повы-
шение давления в щели, возрастает сопротивление движению дуги, а следова-
тельно, н снижается се скорость. Последнее приводит к еще большему разогреву
стенок и лавинообразному торможению дуги вплоть до ее остановки. Гигроско-
пичность материала, наличие в нем легко испаряющихся компонентов, а также
88
Рис. 6-8 Зависимость скорости движения дуги в узкой шели (5 = 1 мм) <?т гока (данные
автора)
Рис. 6-9. Зависимость скорости
Движения дуги от тока в камерах
из различных материалов при
Ь — 1 мм (данные В С. Бори-
соглебского)
W 40 А см / - асбоцемент; 2
керамика. Н = |60 А,см- ? асбо-
цемент. 4 — керамика. .' — сгекто
Рис. 6-10. Зависимость скорости движения дуги от
напряженности магнитного поля (данные О Б. Бро-
на)
89
Рис. 6-11. Зависимость скорости твижения дуги от
ширины продольной щели
шероховатость поверхности способствуют га-
зогенерации и при прочих равных условиях
приводят к остановке 1уги при мепыпих токах.
Сказанное весьма наглядно иллюстрирует
рис. 6-9. Сильно газогенерируюшие под дей-
ствием высокой температуры, а также очень
гигроскопичные материалы не могут приме-
няться для камер с узкими щелями.
Зависимость скорости движения дут и в продольных щелях от напряженности
магнитного поля может быть охарактеризована кривыми иа 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 гори г не-
подвижно. 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, необхо-
димую 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 кри-
выми на рис. 6-11. В очень широких щелях (область I) скорость дуги практи-
чески не зависит от ширины щели. По мере сужения щели скорость дуги (при
неизменных I и Н) несколько возрастает. Оставаясь широкой, щель все же огра-
ничивает возможности сворачивания дуги в спираль и расщепления ее на парал-
лельные волокна. Это и приводит к некоторому возрастанию скорости дуги.
В узких щелях (область II) дуга, подобно поршню, выталкивает столб воз
духа, находящийся впереди, и засасывает столб воздуха, находящийся позади нее.
В более узкой щели объем (соответственно и масса) этого воздуха меньше, соог
ветственно меньше и сопротивление движению дуги. Скорость дуги при прочих
равных условиях возрастает с уменьшением ширины узкой щели:
(6-5)
где к = 0,63 ... 0,90 для 5 = 1... 4 мм соответственно (здесь гн - в метрах в секунду;
I - в амперах; Н — в амперах на метр; 5 — в метрах; данные эмпирические).
Одновременно при уменьшении ширины щели возрастают силы грения дуги
о стенки камеры и тепловые явления у стенок. До определенных условий (v > vKp)
действие этих сил сказывается мало. Они несколько замедляют степень возраста-
ния скорости дуги 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 оста-
новки (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 получа-
ется в открытой неподвижной дуге (кривая I на рис. 6-12). Градиент напряжения
возрастает с уменьшением ширины щели (кривые 2 — 6). В широкой щели вольт-
амперные характеристики неподвижной ду!и имеют такой же падающий характер,
90
Рис. 6-12. Продольный градиент напряжения неподвижной дуги - открытой (6 = х) и в про-
до 1ьных щелях (6= 1.. 16 мм)
как и в открытой дуге. В узких щелях вольт-амперная характеристика иепо гвиж-
ной дуги сохраняет такой же характер при малых гоках (принципиально щель
при этих токах является широкой). Со значения тока, при котором начинает ска-
зываться охлаждающее действие стенок, градиент напряжения возрастает и,
достигнув некоторою максимума (более высокого в более узкой щели), далее
практически мало изменяется с ростом тока.
Аналогичный характер имеют вольт-амперные характеристики дуги, движу-
щейся в продольных щелях. Представление о ходе гтих характеристик дает
рис. 6-13. На рисунке приведены вольт-амперные характеристики, полученные при
постоянной для каждой кривой скорости движения цуги. 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 градиен! 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 наблю-
дается. Заметное повышение градиента начинается в узких щелях (6 < 4 мм), и осо-
бенно оно значительно при переходе к совсем узким щелям (8 < 1 мм). Таким
образом, для получения интенсивного гашения дуги в малом объеме следует при-
менять возможно более узкие щели.
Ограничение при выборе ширины щели определяется той напряженностью
магнитного поля, которая необходима для движения дуги в узких щелях. Эта
напряженнос ть должна быть выше критической. Она быстро растет с уменьше-
нием ширины щели и гл я 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 1акой, чтобы при
всех условиях дуга не останавливалась. В отличие оз открытой дуги увеличение
скорости движения дуги в узких щелях следует рассматривать не как метод
повышения градиента напряжения, а как способ уменьшения износа стенок камеры.
91
Рис. 6-13 Градиент напряжения дуги в продольных щелях (данные автора) и открытой
Отрезками А Б обозначены критические токи
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. Значе-
ние же продольного градиента напряжения зависит от числа ребер и формы уши-
рений. Наличие прорезей (ребер) повышает напряжение на дуге по сравнению с тем,
что имеет место в щели с плоскопараллельными стенками. Зажатая и деформи-
рованная 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 пре-
делах у = 1 .. 2 мм) и возрастает с уменьшением ширины шели.
92
&2.	ПЛАМЯ ДУГ И И БОРЬБА ( НИМ
Открытая электрическая дуга сопровождается выделением большого коли-
чества светящихся газов, представляющих собой пламя дуги. Эти газы занимают
большой объем. В их существовании можно убедиться, рассматривая кадры уско-
ренной киносъемки (рис. 6-14) отключения тока контактором. К моменту времени,
соответствующему кадру 12, ток в цепи прекратился, дуга погасла, а оставшееся
п гамя 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
гаряженных частиц приводит к большой провочимости пламени, приближающей
его но свойствам к проводнику. Присугствие паров меди в пламени сильно спо-
собствует ei о поддержанию в течение сотых и даже десятых долей секунды после
погасания дуги. Борьба с пламенем именно этого рода представляет собой важ-
ную задачу при построении дут о гасительных устройств.
Высокая проводимость пламени дуг и приводи г 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, поггадая в пламя дуги, окисляются там при высокой тем-
пературе и поглотают кислород воздуха. Оставшийся после лого азот соединя-
ется с парами ноты и кислородом, образуя азотную кислоту. Капли этой кислоты
могут образовать проводящие контактные перешейки и привести к опасным
Л Л 3131 ЕЯ ЕЗ

Рис. 6-14 Последовательные стадии горения дуги при отключении тока контактором
на 150 А. Промежуток между соседними кадрами 1,35-10—4 с
- ф!а находится в камере, 5 — 1! —дуга »а пределами камеры, 12 —18 — пламя, оставшееся
после пыасания дуги
93
Рис 6-15. Дуга на контакторах с различными дугогаснте 1ьными устройствами при
«включении тока /= 1500 А (10 /иом) при V = 480 В, L = 4,2 мГн: а — камера с воздушным
мешком и широкой шелью; б — камера с широкой шелью; в — камера с широкой шелью
с поперечными перегородками, г — камера с узкой зигмгообразной шелыо: д— камера
с узкой зигза« ообразной щелью и пламегаситечьной решеткой
перекрытиям между токоведущими частями в таких местах, куда ни дуга, ни ее
пламя не могу! попасть.
В дутогасительных устройствах с широкими продольными щелями дуга и ее
пламя занимают чрезвычайно большой объем за пределами камер (рис. 6-15, а, б, в).
В объеме, занятом пламенем, не могут находиться другие аппараты или токо-
ведущие части. Это вызывает увеличение размеров комплектных устройшн (глав-
ным образом закрьиых) в 2 — 2,5 раза по отношению к гем, какие требуют гео-
метрические размеры аппаратов и монтажные схемы их соединений.
Весьма эффективным способом гашения электрической дуги является приме-
нение узких продольных щелей. В этих щелях достигается и некоторое ограни-
чение размеров пламени дуги, как это подтверждается фотографиями дуги на
рис. 6-15, г. Размеры пламени дуги существенно меньше в камере с узкой зигзаго-
образной шелью 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 напряжен-
ности магнитного поля, что требует весьма громоздких устройств.
Эффективным способом борьбы с пламенем электрической дуги является
установка решетки из теплопроводящих металлических пластин над узкой шелью
камеры (рис. 6-15. д). Получаемая при этом комбинированная система дугогаше-
ния, состоящая из камеры с узкой щелью н пламегасительной решетки неболь-
ших размеров (А = 5... 20 мм), позволяет достигнуть полной деионизации дуги
и се 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 соприкосно-
вения с металлическими пластинами решетки. Высокая теплоемкость и теплопро-
водность этих пластин, весьма сильно развитая поверхность их соприкосновения
с пламенем, наконец, довольно значительный путь, который пламени приходится
проходить вдоль пластин, способствуют полной деионизации пламени. Рекомби-
нация ионов у поверхности холодных металлических пластин происходит гораздо
94
интенсивнее, чем у поверхности диэлектрика. Помимо рекомбинации у поверх-
ностей. здесь усиливается рекомбинация ионов в объеме в результате сильного
понижения температуры пламени во время его движения вдоль пластин решетки.
Важно о Iметить, что более существенной является длина пластин (пути газов
вдоль пластин), нежели их ширина.
В рассмотренной системе гашение дуги осуществлящся в узкой щели, а де-
ионизация пламени дуги — в металлической решете. Ни дуга, ни ее пламя не
выступают за предела камеры. Размер камер аппаратов практически не увеличи-
вается. Размеры же закрытых комплектных устройств существенно сокращаются.
Следует отметить, что для камер с узкими щелями и закрытых дугогаситель-
ных устройств требуются более 1угостойкие материалы (асбоцемент, керамика).
Износ таких камер выше, чем камер с широкими щелями. Болес эффективное
гашение сопровождается большими перенапряжениями в момент погасания дуги.
6-3. ДОПУСТИМАЯ ЧАСТОТА
ОТКЛЮЧЕНИЙ АППАРАТОВ С ЗАКРЫТЫМИ
КАМЕРАМИ
В связи с применением закрытых дутогаситсльных устройств возникает вопрос
о чопустимой частоте отключений аппаратов, в частности контакторов, с этими
устройствами. Закрытое дугогасительнос устройство должно рассеивать с внешней
поверхности всю энергию, выделяющуюся в луге, а также энергию потерь в кон-
тактах. Мощность потерь в камере определяется соотношением
Р = UJ + И'.Д- '3600.	(6-6)
1де - падение напряжения в контактах, В; 1 — ток в цени. А; И1, энершя,
выделяющаяся в дуге при одном отключении, Вт-с, N — число отключений в час.
Если внешняя поверхность камеры F, а коэффициент теплоотдачи с этой
поверхности fcT. то превышение температуры т определится соотношением
= _Р	UJ H\N = ИД
Т k,F	k,F + ЗбООМ То+ 3600*,/ ’	1
где т0 =	1 — превышение температуры камеры при продолжительном режи-
ме работы (без отключений).
Задавшись максимально допустимой температурой камеры ттах, получим для
предельной частоты отключений аппарата выражение
збоа,пгга,-то)
Выделяющаяся в дуге энергия
при одном отключении сотласно вы-
ражению (5-11) равна
и/ U2 (	,
И'.- -2-(1+2А^1	(6-9)
11 зависит в основном от индуктив-
ности отключаемой цепи.
Рис. 6-16 Допустимая частота отключений
контактором на 150 А в различных
режимах
95
Расчеты, выполненные для контакторов постоянною тока, показали, что
закрытые камеры допускают высокую частоту отключений при размерах, практи-
чески равных размерам открытых камер.
На рис. 6-16 приведен результат одного из расчетов для контактора на 150 А
при управлении шектродвигателем с индуктивностью цепей 3,9 мГн. Допустимая
температура нагрева камеры принята 250 °C. Кривые /, 2, 3 относятся к отклю-
чению электродвигателя, вращающегося соответственно с номинальной частотой
вращения (противо-ЭДС равна (0,9 ...0,95) U,.кМ), с половинной частотой вращения
(противо-ЭДС равна 0,5С'ИОМ) и заторможенного (противо-ЭДС равна нулю).
В условиях эксплуатации возможны различные нз 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
пс 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, рас-
пространяется 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 ни щели. Таким
образом, снизить давление отраженных волн можно, если уменьшить акустическое
сопротивление преград, выполнив дополнительные выхлопные каналы или перфо-
рированные 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 коита кт-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 уплот-
нениями
6-5. ГАШЕНИЕ ДУ1 И BbJCOKHM ДАВЛЕНИЕМ
Проводимость дугового промежутка зависит от степени ионизации газа При
неизменной температуре степень ионизации а = т. е. степень ионизации падает
с ростом давления. Это значит, что дтя проведения того же тока при более
высоком давлении к дуговому промежутку необходимо приложить более высокое
напряжение. Иначе говоря, продольный градиент напряжения в дуге возрастаем
с ростом дав гения
96
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, приводил
к возрастанию продольного градиента напряжения в дуге. Экспериментально
установлена следующая зависимость градиента напряжения в устойчиво горящей
дуге от давления:
£„=£<# 10*,	(6-10)
где Ео — градиент напряжения при нормальном атмосферном давлении, а к = */з-
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 приоб-
ретя 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:
p>=105yMi,	(6-11)
где И., - 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 перемен-
ного 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 свой-
ствами, наиболее тесно соприкасается со стволом дуги. Выделяемые с громадной
скоростью газы проникают непосредственно в зону ствола дуги, вызывают пере-
мешивание холодного и горячего газа в пузыре, создают интенсивное охлаждение
и деонизацию дугового промежутка, особенно в момент прохождения гока через
свой естественный нулк
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 выклю-
чателях с дугогасительными камерами — еще больше.
Следует отметить, что сам процесс разложения масла с образованием газо-
паровой 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 соприка-
сается дуга с маслом и чем быстрее движется масло по отношению к дуге,
ри простом разрыве дуги в масле дуга окружена пузырем, заполненным парами
4 ЛА. Родниейн	97
Рис. 6-17. Электрическая дуга в сфере газового пузыря
в масле при простом однократном разрыве
/—неподвижный контакт, 2 подвижный контакт; ? С1енкя
бака, 4 масло: А ствол дуги, Ь водородная оболочка;
В юна распада, Г зона 1аза; Д зона пара; Е зона испа-
рения
масла и ia<a, находящимися в относительно спо-
койном состоянии. Воздействие самого масла на
дугу относительно мало. Воздействие масла на
ДУГУ существенно увеличивается, если дуговой раз-
рыв ограничить каким-либо замкнутым изоляцион-
ным устройством, так называемым ду> огаст ельным
устройством (камерой). В дугот асительных камерах
создается более тесное соприкосновение масла с дутой, а также интенсивное
обдувание дуги потоками газов, паров масла и самим маслом, в результате
чего значительно возрастает продольный градиент напряжения, ускоряется про-
цесс деионизации, сокращается время горения цуги, уменьшается ход контактов
по сравнению с простым разрывом в масле.
В случае когда ду/а горит в /азовом пузыре, объем которого не О1раничи-
вается стенками, средняя температура газопаровой смеси находится в пределах
800—1000 К, а в случае горения дуги в узком, ограниченном объеме при боль-
ших токах средняя температура газопаровой смесн достигает 2000 — 2500 К, г. е.
отвод энергии от дуги здесь значительно больший.
Рис. б-|8. Схемы процесса гашения электрической дуги в камерах с автодутьем
а — камера продольного дутья б - камера поперечно! о дутья
/ масю, 2 — неподвижный контакт; 3 — клапан. 4 дуга; 5 —гаювый пузырь, 6 — камера.
подвижный контакт
98
Таблица 6-1
Условия ох гаждения ствола дуги в масле
Пуга в газопаровом пузыре при больших значениях гока
nvia в интенсивном продольном потоке газопаровой смеси
дма в атмосфере водорода при малых токах (2 А)
дуга в каналах камеры с поперечным дутьем при больших
токах, при давлении р, Па
Продольный градиент
напряжения. В/см
70-100
200
400
5,5 -10 V
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 автодутьем, 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 1ашения 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 магнитною 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 сравнитель-
но несложных конструкциях.
Принципиальные схемы работы простейших дугогасительных камер с авто-
дутьем приведены на рис. 6-18. Газовый пузырь, образующийся вокруг дуги
при размыкании контактов, приводит к существенному повышению давления в
ограниченном объеме камеры (положение I). Масло и продукты его разложения,
стремясь выйти через отверстия в камере, создают интенсивное обдувание дуги
потоками газопаровой смеси н масла вдоль дуги [продольное дутье —
рис. 6-18. а) при выходе подвижной контакт-деталн из камеры (положение //)
или поперек дуги (поперечное дутье — рис. 6-18,6) прн 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. Темпе-
4’
99
Рис. 6-19. Схемы камер с воздушным дутьем: а поперечное дутье; с — продольное одно-
стороннее в горловине камеры; в — продольное одностороннее через соплообразный
кон।акт; г продольное одностороннее через изоляционное сопло; д, е - продольное
двустороннее через соплообразные контакты
/ — неподвижным контакт, 2 — изоляционные перегородки. < душ, 4 подвижным контакт; кор-
пус камеры; 6 - металлическое сопло: > изоляционное сопло
ратура 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 н 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 интен-
сивность гашения и отключающая способность дугогасительного устройства.
Расстояние между контактами существенно сказывается на процессе га-
шения. Казалось, что увеличение расстояния между контактами должно улучшать
условия гашения. В действительности для каждого значения давления сущест-
вует 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
опгимальное по условиям гашения расстояние между контактами оказывается
меньше требуемого по условиям электрической прочности, и после гашения ду! и
во избежание пробоя промежутка необходимо принять меры к доведению расстоя-
ния между контактами до значения, определяемого требованиями электрической
прочности Это достигается перемещением дополнительных, последовательно
включенных контактов, применением многократного разрыва, где каждый разрыв
имеет рассюяиие между контактами, оптимальное по условиям гашения, а
суммарное расстояние всех разрывов обеспечивает электрическую прочность;
применением отделителей и другими способами [4].
100
Рис. 6-20. Схема охлаждающего действия продольного
дутья
_ нелочвижный контакт; 2 — ствол лут; 3 -стенки сопла,
, _ П.11ВИЖНЫЙ контакт, рк давление в камере, р5 давле-
ние вне камеры (в баке)
С увеличением выходного отверстия растет
скорость истечения потока воздуха, условия га-
шения улучшаются.
По отношению к стволу дуги поток воздуха
может быть поперечным — поперечное воздуш-
ное дутье (рис. 6-19, а), продольным — продольное
воздушное дутье (рис. 6-19,6—е) и продольно-
поперечным — продольно-поперечное дутье. Про-
дольное и продольно-поперечное дутье может
быть односторонним и двусторонним.
Поперечное дутье является весьма эффективным способом гашения, ио
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 при-
меняется 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 давле-
нием 1 —4 МПа, 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-I О3 К и скоростью истечения vx % 330 м/с и поток горячего воздуха
с температурой до 15-Ю3 К и скоростью истечения до vr ~ 2500 м/с На
границе этих потоков образуется интенсивное турбулентное движение, схематично
изображенное иа рисунке (и^б). Перемешивание потоков и обеспечивает
чрезвычайно интенсивный отбор теплоты от ствола дуги.
Установлено, что при охлаждении потоком воздуха отвод теплоты с еди-
ницы 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). Прн 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-
фториая сера SF6, полученный впервые в Советском Союзе, обладает очень
высокими дугогасительными свойствами, что позволяет при высокой отключаю-
Цей способности выключателей существенно сократить их размеры, а также
создать герметизированные (полностью закрытые) комплексные распределительные
Устройства. Ниже приведены некоторые характеристики эле1аза [36].
161
Рис. 6-21 Напряжение пробоя в различных
средах
I элегаз, 2 — трансформаторное масло; 3
воздух
Рис. 6-22. Харак-
тер восстановления
прочности проме-
жутка
/ в элегазе, 2 - н
воздухе
Молекулы элегаза обладают способностью захватывать электроны, что усили-
вает деионизацию. Образующиеся малоподвижные (по отношению к электро-
нам) отрицательные ионы, которые медленно разгоняются электрическим полем,
увеличивают электрическую прочность газа. При атмосферном давлении она при-
мерно 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 электри-
ческой прочности элегаза электрическое поле в межконтактном промежутке
должно быть однородным. При резком местном ею 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 I "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 °C. 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 проме-
жутка 1/пр, 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 эле! аза 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.
102
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 (Ю 4... 10е) Па в современных выключателях, а главное, сохранение его в
процессе их работы обеспечили внедрение и расширение применения этого спо-
соба гашения в выключателях иа напряжения свыше 1000 В.
Рис. 6-23. Зависимость про-
бивного напряжения в раз-
личных средах от расстояния
между электродами
I вакуум, 2 — масло; 3 - фар-
фор; 4 — элегаз; 5 - воздух
Рис. 6-24. Зависимость восстанав-
ливающейся прочности в различ-
ных средах оз времени
1 вакуум, 2 —элегаз; 3 - азот; 4
водород
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, появ-
ляется дуга, которая горит в среде этих паров. Такая дуга называется
вакуумной. Ее характерной особенностью является малое падение напряжения иа ней
(20— 40 В). Только при токах 10—100 кА падение напряжения на дуге воз-
растает 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. Восстанавли-
вающаяся электрическая прочность промежутка в зависимости от времени в
вакууме на несколько порядков выше, чем в других средах [31]. Последнее
иллюстрируется рис. 6-24.
6-10. ГАШЕНИЕ ДУГИ
В ДУГОГАСИТЕЛЬНОЙ 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. Нал контактами / и 2 аппарата (рис. 6-25)
устанавливаются неподвижные, изолированные друг от друга металлические
пластины 5, образующие дугогасительную решетку. Возникающая при отключе-
нии дуга 3 загоняется в эту решетку, где разбивается иа ряд последо-
вательно 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 ду|и постоянного тока. При числе пластин т коротких дуг будет
т + 1, столько же будет аиодиых ия и каюдных 1/к падений напряжения.
Напряжение на всей дуге в решетке
Гдр= l/.(m + 1)4 £,/	(6-12)
где Г, = Uа 4- UK — сумма околоэлектродных падений напряжения, В; Еа
градиент напряжения в дуге, В/см; 1Л = 10(т 4- 1) — длина дуги, см.
Для открытой дуги той же длины Ua о = U-, 4- Eula. Таким образом,
напряжение на дуге в решетке
Гд.р — Гло 4-
(6-13)
т. е. при неизменной длине статическая характеристика дуги в дугогаситель-
ной решетке (кривая 2 на рис. 6-25) выражается гой же по форме кривой, что
и характеристика открытой дуги (кривая /), но перенесенной иа сумму
околоэлектродных падений напряжения в область более высоких напряжений.
Рис. 6-25 Статические вольт-амперные характеристики электрической дуги в решетке >
схемы дуготасительных решеток
104
Если число пластин велико, то величиной 1/до по сравнению с можно
Пренебречь, и уравнение (6-13) примет вид
С д.р % 1:,т.	(6-14)
Для того чтобы дуга в решетке погасла, число пластин, между которыми
0Иа должна находиться, должно быть т > U/U3, где U - напряжение сети, В.
Возможны две типичные схемы решетки. В схеме иа 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 U3rn. ток в цепи
снижается до нуля по кривой, представляющей собой экспоненту.
В схеме на рис. 6-25,6 дуга, возникшая иа контактах, последовательно
входит в промежутки между пластинами решетки по мере удаления подвижной
контакт-детали от неподвижной. Напряжение иа 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 иа рис. 6-25,6. Однако
для обеспечения одновременного входа дуги во все промежутки между пласти-
нами требуется внешнее магнитное поле.
Гашение дуги переменного тока. При гашении дуги переменного тока в
дугогасительиой решетке основную роль играют процессы у катода, заклю-
чающиеся в том. чго 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 t7npo является тем минимальным напряжением, которое необходимо
хля пробоя околокатодного слоя после прохождения тока через нуль, а дуго-
гасительная решетка имеет т катодов (т — 1 пластин), то при
^npOw > t/emax	(6-15)
дуга на промежутке не восстановится. В решетке (рис. 6-25, а) дуга погаснет в тот
полу период, 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 кон-
тактов.
Как указывалось выше, (7втах практически ие превосходит 2£т. Условие
(6-15) определяет число пластин решетки, между которыми должна находиться
луга переменною 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 состав-
ляет всего 20—25 В. Дугогасительная решетка на перемениом 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 дугогаситетьнои
решетке. Эти процессы осложняются дополнительными явлениями. В частности,
существенное з>шчеиие имеют процессы, происходящие при вхождении дуги в решетку,
форма и материал пластин.
105
Вхождение дуги в решетку. Быстро движущаяся дуга встречает значи-
тельное 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 иижнего края^пластин приводит к их выгоранию.
Расстояния между пластинами решетки желательно делать весьма малыми.
Чем большее число пластин удается поместить иа единицу длины, тем
компактнее получается дугогасительное устройство. Расстояние между пластинами
ограничивается возможностью возникновения между ними металлического перешей-
ка 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 немагнитною материала. Движение
электрической дуги в решетке из немагнитного материала и силы, действую-
щие 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 взаимо-
действия тока в дуге с этим полем загоняют дугу в решетку. Силы
Fo 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, некото-
рые 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 Fo — Fit на других
Fo + Fb В результате одни дуги в решетке сильно продвинутся вперед,
другие отстанут или даже получат обратное движение.
При малых токах силы Fo 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.
Электрическав 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 Fj действуют так же. как
в решетке из немагнитного материала, к иим добавляются силы взаимо-
действия гока 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
106
Рис. 6-26. Силы, действующие на дугу в решетке из немагнитного (я) и магнитною (и)
материала
• - контакт медный; 2 стенка камеры; 3 пластина решетки; 4 — отверстие в пластине, 5 траектории
опорных точек душ при ее возникновении в точках 4 и В
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. Взаимо-
действие магнитного поля вихревых токов с током дуги приводит к возникно-
вению электромагнитных сич F'2 и F3, направленных противоположно рас-
смотренным выше силам F2 и F3. При промышленной частоте силы F'z и
малы и ими можно пренебречь. При повышенной частоте значение этих
сит возрастает. При определенных условиях они могут превосходить силы
^2 и F3 и существенно изменять характер движения дуги. Вместо
107
Рис. 6-27 Силы, действующие на дуг у в
решетке при промышленной (с) и повышен-
ной (б) частоте
Кривые Л 2 -	- f (f) (данные О Б. Брона) огне-
сягся к току 1= 1000 А, о —0.2 см, р — 10 Гн/м
того чтобы притягиваться к решетке,
как это происходит при частоте 50 Гц
(рис. 6-27, а), дуга будет отталкиваться
от нее (рис. 6-27,6). Траск горня ду1и
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 У2 и Г2,
действующих на дугу при вхождении
в стальную и латунную решетки, от
частот ы 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 F2 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 полупроводни-
ковых приборов. Во многих странах и у нас в СССР ведутся работы по
созданию коммутационных аппаратов на базе тиристоров и симисторов, одиако
до настоящего времени такие аппараты имеют ограниченное применение. Основ-
ными факторами, препятствующими широкому применению указанных аппаратов,
даже при низком напряжении, являются высокая стоимость, значительные габари-
ты, 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
бездуговой коммутацией, основанные на использовании механических контактов
и тиристоров или механических синхронизирующих устройств, контактов и не-
управляемых диодов
Коммутация цепей переменного гока. Для аппаратов с высокой частотой
оперативных включений и отключений заслуживает внимания контактная система
с тиристорным блоком бездугового отключения (рис. 6-28). Тиристоры VS1 и
FS2 включены параллельно контакту. При разомкнутом контакте К они заперты -
ток в цепи отсутствует. При замыкании контакта и возникновении гока в цепи
трансформаторы тока ТА1 и ТА2 (или другое устройство) через диоды VD1 и
VD2 подают соответственно полярности полуволны отпирающие сигналы на
управляющие электроды тиристоров. Однако ток через тиристоры не протекает,
так как они шунтированы контактом. В момент размыкания контакта ток
переходит в цепь того из тиристоров, 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,
108
Рис. 6-28 Схема бездугового
отключения с шунтирующими
тиристорами
Рис. 6-29. Схема коммутационного
устройства с синхронизированным раз-
мыканием контактов и бездуговым
Отключением
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,
го они могут выбираться иа малые номинальные гоки с большими перегрузками.
Габариты тиристорного блока оказываются малыми.
Принципиальная электрическая схема коммутационного устройства с синхрони-
зированным размыканием контактов приведена на рис. 6-29 [30, 37].
Контакты К/ и К 2 замыкаются и удерживаются в замкнутом положении
приводом. Встречно-параллельно включенные диоды ИГ/ и VD2 представляют
собой незначительное нелинейное симметричное малоинерционное сопротивление,
они не искажают форму тока и не влияют иа него. Ток протекает в парал-
лельных цепочках в соответствии с полярностью диодов. При отключении
привод освобождает подвижные контакт-детали, предоставляя возможность контак-
там KI 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 /: 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, обеспе-
чивает высокую изолирующую способность межконтактного промежутка в отключен-
ном состоянии (контакты разомкнуты) и малое сопротивление во включенном
состоянии. При больших токах это устройство может быть использовано
как лугогасительный контакт, у которого основной контакт отключается одно-
109
Рис. 6-30. Схемы бездуговой комму-
тации на постоянном токе
временно с приводом, а контак-
ты- К1 'и К2 — соответственно
полупериоду протекающею по
ним тока.
Коммутация и^пей постоян-
ного тока. Отключение постоян-
ного тока представляет собой
процесс принудительного его
обрыва. Схемы, обеспечивающие либо ограничение времени горения дуги, либо
полностью бездуговую коммутацию, мноюобразиы и сложны. Они основаны, как
правило, на конденсаторном дашении 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 конден-
сатор 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 гоках 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. 6-30,6, 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 гока разряда конденсатора должна быть
больше тока цепи. Цепь диода VD и резистора R служит для снижения
напряжений и повышения отключающей способности, тиристор ES3 — для заряда
(одна из схем) конденсатора.
Бездуговая коммутация цепей постоянного тока в сочетании с другими
мероприятиями позволяет проектировать выключатели с полным временем отклю-
чения 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 продоль-
ных потоков плазмы (факелов).
Давно было замечено, что в ряде случаев электрическая дуга откло-
няется 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.
ПО
Рис- 6-31 Схемы возникновения пото-
ков плазмы
Электрическая духа, подобно
цилиндрическому проводнику, сжи-
мается собственным мах нитиым
полем. Если вдоль оси проводни-
ка меняется площадь его сечения,
то неодинаковым оказывается и
электромагнитное давление внут-
ри проводника. Оно больше в
местах сужения и меньше там, где
проводник расширяется. В провод-
нике переменного сечения возника-
ет 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 сечеиий.
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 аиоде, 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 металли-
ческой перегородкой, при вхождении в узкую шель 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 иих 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 меиее 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 электри-
ческой дуги в значительной мере зависят от направления плазменных потоков.
Если они направлены навстречу дру1 другу, например так, как показано на
рис. 6-31,6, то вся их энергия выделяется в дуговом промежутке (плазменный
111
диск ПД) и условия гашения затрудняются. Наоборот, если потоки плазмы
выносят энергию из дугового промежутка (рис. 6-31, я), 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 вызы-
вает 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 ие 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 появ-
лением 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.
ГЛАВА 7
Расчет магнитных цепей
7-1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
В настоящей и следующей главах приводятся основы расчета магнитных
цепей и электромагнитных механизмов рассматриваемых в книге электрических
аппаратов.
Под магнитной цепью понимают устройство, которое состоит из одного или
нескольких ферромагнитных тел и служит для усиления магнитного поля и
образования необходимого пути, вдоль которого замыкается магнитный поток,
создаваемый магнитодвижущей силой (МДС) катушки [12]. Магнитная цепь
(рис. 7-1) аналогично электрической (в скобках приведены названия электри-
ческих элементов) содержит источник МДС (ЭДС) — катушку 3 (генератор),
магнитопроводы (провода) — неподвижный 4, подвижный 1 и воздушные зазоры 2
(нагрузку). Магнитопроводы'могут быть и без воздушных зазоров (рис. 7-1,6) —
112
Рис. 7-1 Магнитная цепь
«нагрузкой» могут служить дру-
гие катушки, намотанные иа
гот же магнитопровод.
Магнитный поток стремит-
ся Проходить по участкам с
высокой магнитной проницае-
мостью аналогично тому, как электрический ток проходит по участкам
с высокой электрической проводимостью. Однако в отличие от электрической цепи,
у которой отношение электрических проводимостей проводников и изоляторов
имеет порядок Ю16, отношение магнитных проводимостей ферромагнетиков и
воздуха (магнитного изолятора) примерно равно К)3— 10s [30]. Электрический
ток практически проходит только по проводам. Магнитные потоки имеют
тенденцию рассеиваться по всем направлениям. Поэтому более строгие расчеты
магнитных систем возможны иа основе теории поля, а не на основе теории
цепей. Одиако такие расчеты весьма сложны. В большом числе практических
случаев рассеяние магнитного потока относительно мало и поддается учету
(с некоторой погрешностью). Тогда применяются методы теории цепей, основы
расчетов иа базе которых приводятся ниже.
Магнитные цепи бывают не разветвленные, когда магнитный поток замы-
кается последовательно по всем участкам магнитопровода (рис. 7-1, а), и
разветвленные, когда магнитный поток замыкается по нескольким параллельным
магиитопроводам (рис. 7-1,6).
Основная часть магнитных линий индукции разомкнутой магнитной цепи
замыкается через главный (рабочий) воздушный зазор 5, образуя рабочий поток
Ф6. Этот поток связывает подвижную часть электромагнита (якорь) с неподвижной,
иа которой размещается источник МДС (катушка). Линии индукции, которые
замыкаются, минуя рабочий зазор, образуют поток рассеяния Фр. Эти потоки
возникают между любыми точками магиитопровода. имеющими различный
магнитный потенциал.
Расчет магнитных цепей преследует одиу из двух задач: либо определение
МДС, необходимой для создания заданного магнитного потока в рабочем
зазоре, либо определение значения потока в рабочем зазоре по заданной МДС.
Ниже приводятся основные законы и положения расчета магнитных цепей.
Магнитная цепь характеризуется следующими параметрами: магнитным пото-
ком ф в веберах (Вб); магнитной индукцией В = Ф/s в теслах (Тл); напря-
женностью магнитного поля Н в амперах на метр (А/м); магнитной про-
ницаемостью |1 = В/Н в генри на метр (Гн/м); ц0 = 4л*10-7 ~ 1,25-10’ 6 Гн/м;
магнитодвижущей силой F = iw в амперах; магнитной проводимостью А в геири (Гн).
Закон полного тока. МДС вдоль замкнутого контура равна полному току,
охватываемому этим контуром:
$«,4/= £> = £.	(7-1)
Заком Ома для магнитной цепи. Магнитная цепь состоит из участков фер-
ромагнитных материалов и воздушных зазоров. Каждый из участков оказы-
вает некоторое сопротивление прохождению магнитного потока. Сопротивление
Участка ферромагнитного материала
(7-2)
где / — длина участка; — сечение участка магнито провода; ц — магнитная про-
ницаемость.
113
Сопротивление воздушных зазоров
где 6 — длина зазора; s₽ — сечение зазора: ц0 - магнитная проницаемость хля
воздуха.
Аналогично закону Ома для электрической цепи можно написать закон
Ома для магнитной цепи: общий поток замкнутой магнитной цепи Ф равен
МДС F, умноженной на магнитную проводимость всей цепи Л, т. е.
ф=?1
P1-V,
F	Г
’’ i л ’	' " ’ R Г /?"= FA-	С7’4)
у 1,_ у s,
Z_jPi5u. Z_jPqS'8.
Первый закон Кирхгофа. Сумма магнитных потоков, сходящихся и расходя-
щихся в каком-либо узле, равна нулю:
£ Ф, = 0.	(7-5)
г 1
Второй закон Кирхгофа. Для всякого замкнутого пути сумма падений
магнитных потенциалов на отдельных участках магнитной цепи равна сумме МДС
тех витков или обмоток, через которые проходит рассматриваемая линия:
f	f = т	(7-6)
1=0	1=0
7-2. ЭЛЕМЕНТЫ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ
Mai иитопроводы. В качестве материала магнитопроводов используют сталь
и ее сплавы. Для электромагнитных систем применяют так называемые
магнитомягкие материалы, обладающие узкой петлей гистерезиса и высокой
магнитной проницаемостью Эти материалы характеризуются кривой намагни-
чивания, представляющей собой зависимость магнитной индукции от напряжен-
ности магнитного поля.
Для постоянных магнитов применяют магнитотвердые материалы, обладаю-
щие широкой петлей гистерезиса и малой магнитной проницаемостью.
Воздушные зазоры. Пря расчете магнитной цепи необходимо определить
проводимость воздушного зазора, прямо пропорциональную сечению объема,
по которому проходит магнитный поток, и обратно пропорциональную длине
зазора.
Для сравнительно простых форм полюсов проводимость воздушных зазоров
может быть вычислена аналитически. Например, для полюсов (рис 7-2) при
малом воздушном зазоре между ними и при параллельно идущих магнитных
линиях
А = pos/8,	(7-7)
хде s — сечение воздушного зазора; 8 — его длина.
Рис. 7-2. К определению проводимости воздушных зазоров
Для полюсов по рис. 1-2,а Л = poab/5, а для полюсов по рис. 7-2,6
\ = pond2/(46).
В действительности даже для этого простого случая определение про-
водимости представляет некоторую трудность. В воздушном зазоре магнитные
линии будут выпучиваться (рис. 7-2, в). Сечеиие проводящего воздушною
зазора s' будет несколько больше сечения полюса s, и действительная
проводимость будет большей, чем подсчитанная по уравнению (7-7). При
относительно простых формах полюсов выпучивание магнитных линий удается
учесть поправочным коэффициентом.
Считают, что s' — (а + х)(Ь + у). Например, проводимость между полюсами
(рис. 7-2, в) будет
Поправочный коэффициент 0,307/п учитывает выпучивание магнитных линий
в зазоре
Для полюсов более сложных форм аналитические выражения отсутствуют,
проводимости зазоров могут быть рассчитаны либо графическим методом,
либо методом разбивки поля иа простейшие фигуры.
Графический метод основан на построении картины магнитного поля с
последующей разбивкой его на элементарные трубки. Этот метод точен, но
сложен и трудоемок. Его обычно применяют для расчета сложных случаев.
Наиболее широко используется метод разбивки поля на простые фигуры.
Этот метод дает достаточную для практики точность. Заключается ои в
следующем: магнитное поле в воздушном зазоре разбивается иа ряд простейших
Рис. 7-3. Разбивка поля на простейшие фигуры
Таблица 7~i
I
I
I
i
I
I
i
I
I
I
I
Непараллельные плоскости, расположенные
под углом:
л - мо g- in
где 0 — в радианах
Круговой цилиндр, параллельный плоскости:
*	2л/
л = Un —
InJ + l/b’ н
Л	nl	.
Л = 14 — при Ь > 4г
Половина кругового цилиндра:
Л = ц0(1,26/
116
Продолжение таба 7-1
1J7
a)
Рис. 7-4 Схемы замещения магнитных цепей
геометрических фигур, для которых известны аналитические выражения проводи-
мостей (табл. 7-1).
Проводимость зазора подсчитывается как сумма проводимостей всех геометри-
ческих фигур, на которые разбито поле. Например, поле между четырехугольным
полюсом и плоскостью (рис. 7-3) может быть представлено в виде суммы
следующих простейших фигур: параллелепипеда сечением ab и высотой б, четы-
рех четвертей цилиндра радиусом б и длиной образующих а и Ь, четырех четвертей
полого цилиндра толщиной т = (1...2)8, внутренним радиусом 8 и длиной обра-
зующих а и Ь, четырех (на углах) половин шарового квадранта радиусом 8
и четырех половин квадранта шаровой оболочки толщиной т и внутренним
радиусом 8.
Для удобства расчета магнитную цепь заменяют жвивалентной электри-
ческой цепью, называемой схемой замещения. В схеме источник МДС изображает-
ся как батарея. Участки магнитопровода и воздушные зазоры изображаются
в виде сопротивлений. Магнитное сопротивление на каждом из участков
считают неизменным вдоль участка. Расчет ведется по законам Кирхгофа. При
расчетах следует, однако, учесть, что аналогия с электрической цепью здесь
формальная. В электрической цепи с линейными сопротивлениями зависимость
! = /(( ) прямолинейна. В магнитной цепи имеет место насыщение, и зависимость
Ф = /(F) принимает нелинейный характер.
1 12
На рис. 7-4, а приведена схема замещения магнитной цепи, содержащей
•члушный зазор, с сосредоточенной МДС с учетом потоков рассеяния, а на
в '' 7-4, б — схема замещения для той же цепи, но с распределенной МДС.
Iраспределенную МДС изображаем как ряд из п батарей, включенных последо-
ательно. МДС каждой батареи равна F/n. Поток рассеяния представляет со-
распределенный поток. Прово тимость (сопротивление) потоков рассеяния также
Иксдставляет собой распределенную проводимость. Изображаем ее как ряд парал-
тельно включенных проводимостей Луд Р1Ь где Ауд р — удельная проводимость
^проводимость на единице длины); I - длина участка. Чем на большее число
участков будет разбита магнитная цепь, тем точнее будет расчет На
рИС 7-4. в приведена схема замещения разветвленной магнитной цепи без
учета потоков рассеяния.
7.3 РАСЧЕТ МАГНИТНЫХ ЦЕПЕЙ
ПРИ ПОСТОЯННОМ ТОКЕ
без учета потоков рассеяния
Тороид с распределенной обмоткой (рис. 7-5,а). Это - наиболее простая
неразветвленная магнитная цепь, когда потоки рассеяния практически отсут-
ствуют. Для этой цепи согласно второму закону Кирхгофа справедливо
уравнение
Ф — = Iw.	(7-9)
ps
МДС здесь расходуется только на проведение магнитного потока через
магнитопровод, и значение ее /, приходящееся на единицу длины магнитопровода
I = r.D, будет равно напряженности магнитного поля в стали:
f = Iw/l = Н.	(7-10)
Если задан поток Ф и известно сечение магнитопровода s = nd2/4. вычисляем
индукцию = Ф/s. По кривой намагничивания (рис. 7-5, б) находим соответ-
ствующую напряженность магнитного поля Яр Искомая МДС
F = Iw = Hil,	(7-11)
где / = nD _ длина магиито провода.
Если задана МДС F = Iw, вычисляем напряженность магнитного поля
Hi = Iw/l. По кривой намагничивания находим индукцию Вг и, зная сечение,
определяем искомый поток Ф.
Тороид переменного сечения (рис. 7-6). Если считать поток неизменным
вдоль всей длины магнитопровода, то
Ф 1> 4-Ф—2-=/и>.	(7-12)
PlSi Ц2«2
По заданному потоку Ф вычисляем = Ф/sj и В2 = Ф/-'1-
По кривой намагничивания находим соответствующие Hf и Н2. Падения
магнитного потенциала иа участках lt и /2 будут соответствечио Н Ji и Н21г-
Искомая МДС
F =	+ Н212.	(7-13)
Обратная задача — определение потока Ф по заданной МДС F даже для
чтого простого случая не может быть решена непосредственно. МДС расходуется
Рис. 7-5. Тороид с распределенной обмоткой
Рис. 7-6. Тороид переменного
сечения
здесь неравномерно, так как сопротивление единицы длины магнитопровода
на различных участках различно Задачу можно решить методом последо-
вательных приближений.
Задаемся несколькими значениями потока фь Ф2,...,ФП и находим соот-
ветствующие им значения МДС FH F2, ,,F„. Строим кривую Ф = /(F) (рис 7-7).
По заданному значению F3 находим искомый поток Фи.
Разветвленная магиитнаи цепь. Пример такой цепи и схемы ее замещения
приведен на рис. 7-4, в. Для этой цепи справедливы уравнения.
Ф = Ф,+Ф2;Р Fl + F2;F1 ФР^;
f 2 = Ф1(*р +	+ /Q; F2 -= Ф2(ЯР, 4-	4 ЯД
(7-14)
где Ф — поток в неразветвленной части магнитопровода (полный поток);
Ф», Ф2 - потоки в разветвленной части магнитопровода; Fj, F2 — падения
магнитных потенциалов на участках, обтекаемых потоками Ф, Ф, и Ф2;
F - полная МДС; RP1, RUi,...,Rp? — магнитные сопротивления соответствующих
участков магиитопровода.
При симметричном относительно оси 1—1 (см. рис. 7-4, в) магнитопроводе
Ffi, = R^, Ry3 = ЯМб и т. д., а Ф, = Ф2 = Ф/2 и расчет ведется для половины
магнитопровода, как для тороида. Обе половины представляют собой два
параллельно включенных магнитопровода с потоками Ф/2, в которых зей-
ствует МДС F. Если задан поток Ф, то
Ф/2 _ ф	ф/2	ф/2	ф/2
D1 — _	-	, Вз =	,	«7 = — ;
S1/Z »|	S2	s3
F =	4- н515 4- Н616 4- Н717, |
F =	-t- Н212 4- Н313 4- Н4(4. J
(7-15)
Обратная задача решается методом последовательных приближений.
При несимметричном магнитопроводе решение задачи существенно осложняется.
В этом случае RPi # R^, R|u и т. д., Ф! #= Ф2. Задача может быть
решена графоаналитически. Метод заключается в построении кривой зависимости
Ф = /(F) для всей магнитной цепи, т. е. кривой намагничивания всей цепи.
Для каждого из участков задаемся несколькими произвольными значе-
ниями В. По кривой намагничивания материала (рис. 7-8, а) находим соответ-
ствующие значения Н. Строим для данного участка кривую В$г = / (Hlt), иначе
говоря, получаем кривую Ф{ *=/(F,) (рис. 7-8,6).
Эквивалентная характеристика параллельных участков получается графическим
сложением ординат (Ф) отдельных кривых при одной и той же абсциссе (F).
120
К расчету магнитной цепи методом последова-
тельных приближений
Для последовательных участков сложение осуществ-
ляется по оси абсиисс (F) при одной и той же
ординате (Ф).
Поясним сказанное примером. В магнитной цепи
(пис. 7-8, в) имеем два параллельных участка 12 и /3
Течений s2 и s3, включенных последовательно с участком
I сечения Для каждого из участков построим характе-
рисгики (рис. 7-8,г) Ф1=/(Г1).	Фз=/(6зХ Сложим характеристики
параллельных участков. При каждом данном F складываем ординаты Ф. Кривая
(Ф2 + Фз) = flfi) (рис. 7-8. д) представляет собой эквивалентную характеристику
параллельных участков, для которых F2 = F3. Теперь производим сложение
кривых (Ф2 + Фз) = /(С2) и Ф1=/(Г!) последовательных участков (рис. 7-8, е).
Складываем абсциссы кривых при данных значениях Ф. Полученная кривая
представляет собой искомую характеристику Ф = f (F). Пи этой кривой можем
по любому заданному потоку найти требуемую МДС и наоборот.
Цепь, содержащая сталь постоянною сечения н воздушный зазор. Магнит-
ная цепь (рис. 7-9) содержит магиитопровод длиной 1СТ, сечением sCT и воздуш-
ный зазор /6 того же сечения. Проводимость воздушного зазора Лй. Для этой
цепи, если пренебречь потоком рассеяния,
Ф ,ст- + Ф = г.
(1S.T Л6
(7-16)
Приложенная МДС расходуется на проведение магнитного потока по стали
FCT = Йст/ст и на проведение того же магнитного потока по воздушному
зазору Ff = H6l6:
F= F„ t-F6.= Hcilcr -г	(7-17)
Рис. 7-8 Построение кривой
намагничивания для ра ««меченной магнитной цепи
121
Рис 7-9. К расчету магнитной цепи, содержащей
воздушный зазор
где HtT и Нь — соответственно напряженность
магнитного поля в стали и в воздушном
зазоре.
Из выражения (7-16) получаем
г=-ф
рхсг
-^ч..
Таким образом,
tr — ^?ст — ^ст^ст’ Г? ~ F& — HJs-	(7-18)
мХт _	Меч
Если задан поток в воздушном зазоре Ф и сечение зазора $& то вычисляем
В6 = Ф/х6. Для воздушного зазора Hs = В^. Получаем Fb — Нь16. Индукция в стали
ВС1 — В6. По кривой намагничивания материала определим Нст. Получаем
Fcr = Нст/ст и искомое Iw = F = Hd„ + H8/fr
Если задана МДС F, задачу решаем либо методом последовательных
приближений, либо графоаналитически.
Графоаналитический расчет проводим следующим образом. Строим кривую
намагничивания цепи в функции падения магнитного потенциала в стали.
Зависимость Ф = f(Fc;) (рис. 7-10) представляет собой кривую Bs =	по-
лученную на основании кривой намагничивания материала магнито провода
Зависимость Ф = /(F8) представляет собой прямую, проведенную из точки F = F3
и наклоненную к осн F под углом a; tga = A8—, где р = п/т — отношение
Р
масштабов оси ординат и оси абсцисс.
Ордината ab точки пересечения прямой Ф — f (F8) кривой намагничивания
Ф=/ (/\.т) дает искомый поток Фи (рис. 7-10, а). Отрезки ас и Оа дадут соот-
ветственно F6 и FCT.
При помощи кривой намагничивания цепи можно по заданному потоку Ф
найти требуемую МДС FH Для этого из точки b (рис. 7-10,6), соответ-
ствующей Ф3, под углом а проводим прямую до пересечения с осью F. Отрезок
Ос и будет искомой МДС F„. Как и выше, отрезок ас = F8, отрезок
Оа = FCI, tga = A6—
Р
Рис. 7-10 Расчет магншных цепей при помощи кривых нама<ничивания
122
7 4 РАСЧЕТ МАГНИТНЫХ ЦЕПЕЙ
С УЧЕТОМ ПОТОКОВ РАССЕЯНИЯ
Поток рассеяния. Под потоком рассеяния, как уже указывалось, понимают
-у потоков, которые замыкаются, минуя рабочий зазор. Эти потоки возникают
магнитопровода, между которыми существует разность I
U*. Поток рассеяния равен указанной разности '
сумму --
между любыми точками
Mai иитных потенциалов
потенциалов, деленной на магнитное сопротивление или умноженной на проводи-
мость путей рассеяния:
Фр=и|1/Лр = ЦД
(7-19)
j Картина потоков рассеяния получается очень сложной и запутанной.
Точное определение их значения представляет собой весьма сложную и не всегда
разрешимую задачу. Обычно прн расчете магнитных цепей определяют основные
потоки рассеяния, пренебрегая второстепенными или учитывая их некоторым
поправочным коэффициентом.
Геометрическая и приведенная проводимости потоков рассеяния. Сравним
поток рассеяния в магнитной системе с сосредоточенной МДС (рис. 7-11, а) и с
распределенной МДС (рис. 7-11,6). Проводимость потоков рассеяния Лр между
участками / — 2 и Г -2' поверхностей магнитопровода, определяемая геометри-
ческими размерами магнитопровода, т. е. геометрическая проводимость Лг,
вычисляется приведенными выше способами. При сосредоточенной МДС поверх-
ности 1—2 и Г —2', если пренебречь потерями МДС в стали, являются
эквипотенциальными поверхностями. Разность магнитных потенциалов межд)
любыми двумя точками этих поверхностей = F. Проводимость потоков рас-
сеяния Лр = Лг. Поток рассеяния вычисляется здесь по уравнению
ФР = ГиЛр = ЕЛР.
(7-20)
При распределенной МДС разность
I — /' равна нулю, а между точками
между любыми точками х — х'
магнитных потенциалов между точками
2—2' равна F. Разность потенциалов
(7-21)
Рис. 7-1] Изменение магнитного потенциала и удельной проводимости дтя потоков
рассеяния при сосредоточенной и распределенной обмогках
123
Если Ajj = Лг fl — удельная проводимость, то поток рассеяния
.	Г,, л , F * f ,
Фр- Ц«ЛК1‘Ь‘ = ( Л,. ,х«/х=
О	о
(7-22)
Поток рассеяния в этом случае в два раза меньше.
При расчетах пользуются величиной F. а величину /сЛг (в данном случае
k = 1/2) называют приведенной проводимостью. Она всегда меньше геометри-
ческой. Уменьшение потока рассеяния за счет меньшей разности магнитных
потенциалов учитывается как бы меньшей проводимостью при условно принятой
разности потенциалов, равной F.
Коэффициент рассеяния. Поток рассеяния представляет собой часть полного
потока Ф, создаваемого МДС катушки. При приближенных расчетах принято
вводить понятие коэффициента рассеяния о, который представляет собой отно-
шение полного потока к рабочему потоку Ф6;
? = 1 +
ф8 ФГ
(7-23)
так как Ф = Ф5 + Фр.
Если пренебречь падением магнитного потенциала в стали и считать, что
вся МДС приложена к воздушным зазорам, то можем написать Фр = Т6ЛР;
Ф» = Е6ЛЬ, тогда
j Ар
FsA8 Л6 ’
(7-24)
где Лр и Л6 — соответственно проводимости воздушных зазоров для потока
рассеяния и рабочего потока.
Под проводимостью рассеяния здесь следует понимать приведенную про-
водимость.
Расчет магнитной цепи по частям. Расчет заключается в следующем. Цепь
разбиваем на ряд участков. Магнитное сопротивление на каждом участке
принимаем неизменным вдоль длины участка, а МДС — сосредоточенной или
распределенной. Плотность потока рассеяния считаем неизменной для каждого
участка. Соответственно этому (см. рис. 7-4) составляем схему замещения.
Решение выполняем по законам Кирхгофа с учетом насыщения.
Допустим, что для системы (см. рис. 7-4, а) задан поток в воздушном
зазоре. Требуется найти МДС.
Для первого участка 1 — 1а— Г
Фб( д— +	+ -г-) = ФР1 -т—у—-
\Ag	Ag /	Луджр/|2
(7-25)
где Ф6 — поток в воздушном зазоре; ФР1 — поток рассеяния на участке /и:
= Jfl/(lV«) — магнитное сопротивление якоря; Л5 — проводимость воздушного
зазора; Луд.р — удельная проводимость рассеяния.
Магнитная проницаемость якоря ра определяется из следующих сообра-
жений; поток в якоре равен потоку в воздушном зазоре, откуда
Во = ФоЛд- По кривой намагничивания материала находим На и ра = Ва!На.
Проводимость воздушного зазора Лв и проводимость рассеяния Ауд.р определяются
по приведенным выше правилам и формулам. Таким образом,
ФД1/Аб + Ко + 1/Лв)
1/(Лудр/12)
(7-26)
’74
Ла участке
1-2 (Г-2') (рис. 7-4,а) поток = Фг + ФрЬ тогда
ф‘(2К-> + Ф“(л7^+ле) = ф^лДр
откуда
ФР2 =
Ф, (2К,2) + Ф6(2/Ле + К„)
1/(Луд,р/гз)
(7-27)
(7-28)
На участке 2 3 (2 - 3') поток Ф2 = Ф1 + ФР? = Ф6 + ФР1 + ФР2- Аналогичным
образом задача решается для последующих участков.
Искомая МДС
F = 2p>3(K45 + «34) ЬФ2К23 + Ф,К12 + Ф,^ + ^)]-	(7‘29)
Полученный результат будет тем точнее, чем на большее число участков
разбита магнитная цепь.
Обратная задача — определение потока по заданной МДС — может быть
решена методом последовательных приближений.
Графоаналитический метод. Расчет магнитной цепи с учетом потоков рас-
сеяния проводят в такой последовательности:
1)	вычисляют значения проводимостей рабочего зазора Л6 при разных
положениях якоря и проводимостей нерабочих воздушных зазоров;
2)	вычисляю-! приведенную проводимость потока рассеяния;
3)	строят кривые намагничивания в функции падения МДС в стали;.
4)	по кривым намагничивания находят искомую величину Фи или F„
7-5. РАСЧЕТ МАГНИТНЫХ ЦЕПЕЙ
ПРИ ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ
Расчет электромагнитных систем переменного тока отличается от расчета
магнитных систем постоянного гока в основном следующим.
При переменном токе и потоке в магнитопроводе за счет явлений
гистерезиса и вихревых токов появляются потери энергии. Поэтому не весь
гок, текущий по катушке, является намагничивающим. Часть тока идет на
покрытие указанных потерь.
Значение тока в катушке при переменном токе не равно подведенному
напряжению, деленному на сопротивление катушки, как это имеет место при
постоянном токе. Значение тока здесь должно быть таким, чтобы число
потокосцеплений катушки соответствовало подведенному напряжению Если
пренебречь падением напряжения на сопротивлении катушки, то индуциро-
ванная ЭДС е должна быть равна приложенному напряжению U.
е = соиФ = U.	(7-30)
Таким образом, если задано приложенное к катушке напряжение, то
тем самым задан поток. По катушке пойдет ток I такого значения, чтобы
создать необходимый поток.
Допустим, что поток в воздушном зазоре 6 равен Ф5 и поток рассеяния
отсутствует.
Пренебрегая потерями МДС в стали, можем написать
Фд = FA = 76wA,	(7-31)
125
;WWV
-^/Vwv-
Рис. 7-12. Изменение тока и потока при
включении электромагни га переменного
тока
откуда
ф6
5 и’Л onv2A <ow2s ’ * ' 2)
где 16 — часть тока, которая уходит на
создание МДС. Согласно выражению
(7-32) ток в катушке при принятых
допущениях пропорционален величине
воздушного зазора В действительности
из-за наличия потоков рассеяния изме-
нение намагничивающего тока происхо-
дит медленнее, чем изменение воздуш-
ного зазора.
В реальных электромагнитных си-
стемах аппаратов ток катушки при
разомкнутом якоре (пусковой ток) превосходит ток катушки при замкнутом якоре
(рабочий ток) в 6—10 раз.
Схема изменения тока и потока при включении электромагнита пере-
менного тока показана на рис. 7-12.
Потери на гистерезис и вихревые токи являются активными потерями.
Составляющая тока, идущая на покрытие этих потерь, будет активной
составляющей. Составляющая тока, идущая на создание МДС [см. выражение
(7-32)], является реактивной составляющей. Таким образом, для цепи катушки
имеем
^ = (RU2 + (ra«sBm)2.
Расчет электромагнитных систем переменного тока с учетом указанных
выше факторов может быть произведен следующим способом. В первом
квадранте (рис. 7-13) построим кривую намагничивания В = Во втором
квадранте из начала координат проведем прямую ON под углом р к оси ординат, где
р = arctg (towsB„) -
В четвертом квадранте построим прямую ОМ под углом а к оси абсцисс, где
а — arctg
Rlcr Пн
И’ п{
В третьем квадранте очертим четверть окружности радиусом ОА, равным
Om!nv. Здесь ив, ии, н{ — выбранные масштабы аеличин В, Н и Um.
Проведем из произвольной точки на оси Н прямую Н1В1 под углом
У = arctg Л8 — —.
Эта прямая пересечет кривую намагничивания в точке Bv Спроецируем эту
точку на ось Вт (точка В2), а затем на прямую ON (точка В3), ось
(точка В4) и дугу окружности (точка В5). Точку спроецируем на прямую ОМ
(точка Н2), ось Um (точка Н3) н дугу окружности (точка Н4). Смещая пряму о
126
7-13. К расчету магнитных цепей пере-
Р“нЯого тока при помощи кривых нама1ни-
,Mfc	чивания
/7]Bi параллельно самой себе, повторим
указанное построение, пока точки Н4
и В5 не совпадут. Найденные при )гом
значения амплитуды магнитной индук-
ции ОВ’гпв, амплитуды напряженности
поля ОН\пн, амплитуды тока 1т =
= ОН'зГЧ. ,‘R и угла сдвига фаз <р =
__ Z. Н'зОА соответст вуют значению Лг,
определившему угол наклона прямой
В' В\, 1 е. какому-то выбранном)
воздушному зазору. Задаваясь другими
величинами зазора, находим соответствующие им значения Л6, tgy и аналогичным
построением определяем В. Н. 1т и <р.
7-6 КАТУШКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ
Катушка является одним из главных элементов электромагнита и должна
удовлетворять следующим основным требованиям:
1)	обеспечивать надежное включение электромагнита при наихудших
условиях, т. е. в нагретом состоянии и при пониженном напряжении;
2)	не перегреваться свыше допустимой температуры при всех возможных
режимах, т. е. при повышенном напряжении;
3)	при минимальных размерах быть удобной для производства;
4)	быть механически прочной;
5)	иметь определенный уровень изоляции, а в некоторых аппаратах быть
влаго-, кислотно- и маслостойкой.
В процессе работы в катушке возникают напряжения: механические -
за счет электродинамических сил в витках и между витками, особенно при
переменном токе; термические — за счет неравномерного Haipesa отдельных ее
частей; электрические — за сче! перенапряжений, в частности при отключении.
При расчете катушки необходимо выполнить два условия. Первое -
обеспечить требуемую МДС при горячей катушке и понижением напряжении.
Второе 1емпсратура нагрева катушки при этом не должна превосходить
Допустимую.
В результате расчета должны быть определены следующие величины,
необходимые для намотки: d — диаметр проволоки выбранной марки: w —
число витков; R -сопротивление катушки.
По конструктивному исполнению различают катушки: каркасные — намотка
осуществлена на металлическом или пластмассовом каркасе; бескаркасные
ангажированные — намотка производится на съемном шаблоне, после намотки
катушки бандажируются; бескаркасные с намоткой на сердечник магнитной
системы.
7-7. ОСНОВЫ РАСЧЕТА СИСТЕМ
С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ
Постоянный магнит представляет собой кусок стали или какого-либо
другого твердого сплава, который, будучи намагничен, устойчиво сохраняет
запасенную часть магнитной энергии. Назначение магнита — служить источником
магнитного поля, не меняющимся заметно ни со времением, ни под
влиянием таких факторов, как сотрясения, изменение температуры, внешние
магнитные поля. Постоянные магниты применяются в разнообразных устройст-
вах и приборах; реле, электроизмерительных приборах, контакторах, электри-
ческих машинах.
Различают следующие основные группы сплавов для постоянных магнитов;
1)	мартенситовые стали — углеродистые, вольфрамовые, хромистые, кобальто-
вые;
2)	сплавы на основе стали — никеля — алюминия с добавлением в некото-
рых случаях кобальта, силиция: алии (Fe, Al, Ni), алниси (Fe, Al, Ni, Si),
магнико (Fe, Ni, Al, Co);
3)	сплавы на основе серебра, меди, кобальта.
Величинами, характеризующими постоянный магнит, являются остаточная ин-
дукция Вг и коэрцитивная сила Нс. Для определения магнитных характе-
ристик готовых магнитов пользуются кривыми размагничивания (рис. 7-14),
представляющими собой зависимость В =	— Кривая снимается для кольца,
которое вначале намагничивается до индукции насыщения, а затем размагни-
чивается до В = 0.
Поток в воздушном зазоре. Для использования энергии магнита необхо-
димо изготовить его с воздушным зазором. Составляющая МДС, затрачиваемая
постоянным магнитом на проведение потока в воздушном зазоре, называется
свободной МДС.
Наличие воздушного зазора б снижает индукцию в магните от Вт до В
(рис. 7-14) аналогично тому, как если бы по катушке, надетой на кольцо,
пропустили размагничивающий ток, создающий напряженность Н. Это сообра-
жение положено в основу приведенного ниже способа вычисления потока в воздушном
зазоре магнита.
При отсутствии зазора вся МДС расходуется на проведение потока через
магнит:
f = нА; в = вг,	(7-34)
где — длина магнита.
При наличии воздушного зазора часть МДС F6 будет расходоваться на
проведение потока через этот зазор:
F = F„ + Fe.	С-35)
Допустим, что мы создали такую размагничивающую напряженность
магнитного поля Н, что
= F,	(7-36)
и индукция при этом стала равной В.
При отсутствии рассеяния поток в магните равен потоку в воздушном
зазоре:
в.'„ = 7'А = Л/РЛ6.	(7-37)
где —сечение магнита; Л6 = ц0*й/<5;	— магнитная проницаемость воздушною
зазора
128
Рис. 7-15. К определению магнитной
энергии магнита
Рис. -’-14. Кривые размагничивания
Из рис. 7-14 следует, что
В/Н = 1ИЛ6/5И = tga.	(7-38)
Таким образом, зная данные о материале магнита (в виде кривой раз-
магничивания), размеры магнита /и, и размеры зазора 8, s6, можно,
пользуясь уравнением (7-38), вычислить поток в зазоре. Для этого следует
провести на диаграмме (рис. 7-14) прямую Ob под углом а. Отрезок Ьс
определяет индукцию В магнита. Отсюда поток в воздушном зазоре будет
Ф6 =	(7-39)
При определении tga учитываются масштабы осей ординат и абсцисс:
tga=A4-.	(7-40)
р-’м
где р = п/т — отношение масштабов осей В и Н.
С учетом рассеяния поток Ф6 определяют следующим образом.
Проводят прямую Ob под углом а, где tg а = Л8/р/(р$р). Полученное значение
В характеризует индукцию в среднем сечении магнита. Поток в среднем
сечении магнита
ФИ=В$М.	(7-41)
Поток в воздушном зазоре
Ф8 = Bsjc,	(7-42)
где и — коэффициент рассеяния.
Индукция в рабочем зазоре
Вь = ФБ/^	(7-43)
Прямые магниты. Выражение (7-42) дает решение задачи для магнитов
замкнутой формы, где проводимости зазоров могут быть вычислены с достаточной
Для практических целей точностью. Для прямых магнитов задача вычисления
проводимостей потока рассеяния весьма трудна. Поток вычисляется с помощью
опытных зависимостей, связывающих напряженность поля магнита с размерами
Магнита.
Свободная магнитная энергия. Это та энергия, которую отдает магнит в
воздушных зазорах. При расчете постоянных магнитов, выборе материала и
требуемых соотношений размеров стремятся к максимальному использованию
Материала магнита, сводящемуся к получению максимального значения свободной
Магнитной энергии.
Л А. Родштейн	129
причем
Рис. 7-16. Кривые возврата
Магнитная энергия, сосредоточенная в воздушном
зазоре, пропорциональна произведению потока в зазоре
и МДС:
И4.=уФЛ	(7-44)
Учитывая, что
Ф„ = В--..; Ft = Hlf.	(7-45)
— 2	— 2	’	(7-46)
где V — объем магнита. Материал магнита характеризуется магнитной энергией,
отнесенной к единице его объема.
Пользуясь кривой размагничивания, можно построить кривую И/М = /(В)
прн К=1 (рис. 7-15). Кривая WM = J (В) имеет максимум при каких-то
значениях В и И, которые обозначим Во и Но. Практически применяется
способ нахождения Во и Но без построения кривой WM = f(B). Точка пересе-
чения диагонали четырехугольника, стороны которого равны Вг и Нс, с кривой
размагничивания достаточно близко соответствует значениям Во, Но. Остаточная
индукция Вг колеблется в относительно малых пределах (1—2,5), а коэр-
цитивная сила Нс — в больших (1 — 20). Поэтому различают материалы: низко-
коэрцитивные, у которых 1УМ малое (кривая 2), высококоэрцитивные, у которых
WM большое (кривая /).
Кривые возврата. В процессе работы может меняться воздушный зазор.
Допустим, что до введения якоря индукция была равна Biiga^ При введении
якоря зазор 8 изменяется, и такому состоянию системы соответствуют угол
а2 (Рис- 7-16) и большая индукция. Однако увеличение индукции происходит
не по кривой размагничивания, а по некоторой другой кривой bjcd, назван-
ной кривой возврата. П ри полном замыкании (8 = 0) мы имели бы индукцию
В2. При изменении зазора в обратном направлении индукция меняется по
кривой dfbv Кривые возврата btcd и dfbt являются кривыми частных циклов
намагничивания и размагничивания. Ширина петли обычно невелика, и петлю
можно заменить прямой bfd. Отношение	называется обратимой про-
ницаемостью магнита.
Старение магнитов. Под старением понимают явление уменьшения магнитного
потока магнита с течением времени. Это явление определяется рядом причин,
перечисляемых ниже.
Структурное старение. Материал магнита после закалки или отливки имеет
неравномерную структуру. Со временем зта неравномерность переходит в более
стабильное состояние, что приводит к изменению значений В и Н.
Механическое старение. Происходит вследствие ударов, толчков, вибраций и
влияния высоких температур, которые ослабляют поток магнита.
Магнитное старение. Определяется влиянием внешних магнитных полей.
Стабилизация магнитов. Всякий магнит перед установкой его в аппарат
должен быть подвергнут дополнительному процессу стабилизации, после которого
увеличивается сопротивляемость магнита уменьшению потока.
Структурная стабилизация. Заключается в дополнительной термической об-
работке, которая проводится до намагничивания магнита (кипячение закаленного
130
гнита в течение 4 ч после закалки). Сплавы на основе стали, никеля и алюминия
требуют структурной стабилизации.
Механическая стабилизация. Намагниченный магнит подвергается перед
установкой в аппарат ударам, сотрясениям, вибрациям в условиях, близких к ре-
жиму работы.
Магнитная стабилизация. Намагниченный магнит подвергают действию
внешних полей переменного знака, после чего магнит становится более устойчи-
ым к воздействию внешних полей, к температурным и механическим воздей-
ствиям.
ГЛАВА 8
Электромагнитные механизмы
аппаратов
8-1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Электромагнитные механизмы применяются для приведения в действие мно-
гих аппаратов. Конструкции электромагнитов разнообразны, они могут быть клас-
сифицирова пы:
1)	по способу действия: удерживающие — для удержания гех или иных грузов
или деталей (например, электромагнитные столы станков, электромагниты подъ-
емных кранов и т. п.к притягивающие — совершают определенную работу, при-
тягивая свой якорь;
2)	по способу включения: с параллельной катушкой — ток в катушке опре-
деляется параметрами самого электромагнита и напряжением сети; с последо-
5*
ис- 8-1. Схемы электромагнитов, а, б —с поворотным якорем, в, г —с прямоходовым
якорем
I — скоба, 2 — якорь; 3 — катушка: 4 — сердечник
131
вателъной катушкой — катушка включается в силовую цепь, ток в катушке
определяется не параметрами электромагнита, а теми устройствами (машины,
аппараты), в цепь которых включена катушка;
3)	по роду тока: постоянного тока — при параллельном включении ток в
катушке зависит от сопротивления ее обмотки и приложенного напряжения,
электромагнитная система работает при постоянной МДС; переменного тока —
при параллельном включении ток в катушке зависит от индуктивности системы,
меняющейся обратно пропорционально воздушному зазору, электромагнитная
система работает при постоянстве потокосцеплении;
4)	по характеру движения якоря: поворотные — якорь поворачивается вокруг
какой-то оси или опоры (рис. 8-1, а и б); прямоходовые — якорь перемещается
поступательно (рис. 8-1, в и г).
8-2. ЭНЕРГИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
И ИНДУКТИВНОСТЬ СИСТЕМЫ
Определим энергию в электромагните при неподвижном якоре и при включе-
нии катушки на напряжение постоянного тока. Ток а ней установится не мгновен-
но, а по некоторой кривой (рис. 8-2). Приложенное к катушке напряжение U
в переходном процессе уравновешивается активным падением напряжения ir и ЭДС
самоиндукции е:
U = ir + e.
(8-1)
ЭДС самоиндукции пропорциональна скорости изменения потокосцепления
обмотки:
Умножив уравнение (8-1) на i dt и взяв интеграл, получим энерхетический
баланс электромагнита за время переходного процесса:
•	t	т
J Uidt — ji2rdt= jiJT,
(8-3)
где J Uidt — энергия, поступившая из сети; j i2r dt — потери энергии в катушке
электромагнита; f itfP —	— энергия, сообщенная электромагниту,
о
Таким образом, энергия, сообщенная электромагниту, равна энергии, поступив-
шей из сети, за вычетом потерь в катушке и магнитопроводе.
При установившемся режиме Uidt = i2rdt, т. е. вся поступающая из сети
энергия расходуется на потери в катушке.
Говоря о потокосцеплении Ч\ следует иметь в виду, что его значение явля-
ется сложной функцией тока. Зависимость Т = нФ = f(i) представлена иа рис. 8-3
Она учитывает нелинейность кривой намагничивания для стали и зависит от
тока, материала и размеров магнитопровода и воздушного зазора. Запасенная
в электромагните энергия на графике пропорциональна площади, ограниченной
кривой Ч* =f(i) и осью ординат (заштрихованная площадь).
Как известно, отношение
Т/7 = L,
(8-4'
132
Рис. 8-2. Кривая иарастаиия
тока в катушке при включе-
нии электромагнита постоян-
ного тока
Рис. 8-3. Зависимость
ф =/(0
I в цепи без стали,
в цепи со сталью
где J _ ток в катушке; L представляет собой индуктивность системы. Для
системы со сталью (кривая 2 на рис. 8-3) индуктивность не является постоянной
величиной, а зависит от степени насыщения системы. Каждому значению потоко-
сцепления будут соответствовать какая-то индуктивность и определенное значе-
ние запасенной энергии, т. е.
т	/
1TM = jid4-= fiLdi = L^-,
л	о
(8-5)
откуда i= 2WJI2.
8-3. РАБОТА, ПРОИЗВОДИМАЯ ЯКОРЕМ МАГНИТА
ПРИ ПЕРЕМЕЩЕНИИ
При включении притягиваюшс! о электромагнита якорь переместится и прибли-
зится к сердечнику, зазор уменьшится. Допустим, что в начале движения якоря
8 = 8Ь I = 1и = 4*1, а в конце движения 5 = 82, I = 12> ¥ = Ч*2-
Энергия, запасенная в момент начала движения (рис. 8-4, а).
WMl — f ~ площадь .	(8-6)
о
Энергия, приобретенная за время движения,
*2
AWM = J idW ~ площадь Ь1а1а2Ь2,	(8-7)
т,
а энергия, запасенная в момент окончания движения,
Wm2 = f i dy ~ площадь Oa2b2.	(8'8)
о
133
Рис. 8-4. Графики к определению работы
электромагнита
Таким образом, согласно зако-
ну сохранения энергии, энергия, про-
порциональная площади 0а1«2, пош-
ла на механическую работу Дл
перемещения якоря:
\А = WM1 + AWM - 1Ум2 ~
~ площадь Oiiia2. (8-9)
Для ненасыщенной системы
(рис. 8-4,6)
ДЖ„ = /-^/2(Ч,г-Ч’1);
АЛ = J <7, Ч'2 - /2Ч’,); Т2 = Ф, + Д% а /2 = /, + Д/ ;
тогда
ДЛ=-^ [ЛС?, | ДТ) - Ч\(7, + Д/)] =-*	Д/Т,).
Перейдя к пределу и опустив индексы, получим
dA = '2 (IrfT - ТЛ).
(8-11)
Аналогично для системы, работающей при неизменной МДС (рис. 8-4, в),
АЛ =у/(Ч'2 — Ч-,); dA^ldV,	(8-12)
а для системы, работающей при неизменном потокосцеплении (рис. 8-4, г).
ДЛ = Т(12 - Z,); dA = -^4>dl.
(8-13)
8-4. ВЫЧИСЛЕНИЕ СИЛ
И МОМЕНТОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТА
При перемещении якоря электромагнита из положения б, в положение
т. е. за путь Д5, им произведена работа ДА. Следовательно, средняя сила
притяжения Рср, действовавшая па этом отрезке,
Рср = ДА/Д8.	(8-14)
Переходя к пределу, получим формулы для вычисления сил и моментов при-
тяжения якоря электромагнита:
Р =
dA
dt ’

(8-15)
где da — угол поворота якоря, соответствующий изменению воздушного зазора
на d§.
134
Подставив в уравнение (8-15) выражение (8-11) для dA, получим в общем
случае
(8-16)
2 \ db
В электромагнитных системах, работающих при постоянной МДС, I = const
и dl/db = 0, тогда
2 db
Согласно выражениюД8-4) T = LI, откуда
dL d[ _ .dL
db~Idb +Ldb ~‘db ''
так как при I = const dl/db = 0, to
(8-17)
(8-18)
2 db
Учитывая, что L— w2 * 4 *A, где Л - проводимость воздушного зазора, aw — число
витков катушки, получим
dL	2dA	_	1 2r2dA
/к ; P = 3w 1
do db 2 do
Здесь произведение wl представляет собой МДС Fo, приложенную к воздушному
зазору. В таком случае
(8-19)
„ 1 dA
Р = — F2 --
2 6	’
Для электромагнитных систем, работающих при постоянном потокосцеплении
Т = const, <M/db = 0 и
(8-20)
Р=-±ТЛ
2	*
S' dL U
 Ч1 .то
во
т. . , _ Ч1. dl
I ак как I —	, „ —	2
L db L db
2 co2I? db
Заменив в формуле (8-22) U/w — ФиД, 2, a L— w2A. получим
1 Ф2 dA
P =_____-°-.__
4 A2 db ‘
С учетом рассеяния
1 Ф2 dA
4 о2Л2 db
(8-21)
(8-22)
(8-23)
(8-24)
Таким образом, уравнения (8-2U) и (8-24) позволяют определи 1ь тяговые усилия
Для электромагнитов постоянного и переменного тока.
Для построения тяговых характеристик, кроме зависимостей F6 = f(b) илн
Ф =/(§), необходимо иметь вспомогательные кривые: а — /(6); Л = /(б); dA/db=f(by
Сила притяжения электромагнита может быть вычислена по формуле Макс-
велла:
135
P=	(8-25)
где В6 — индукция в рабочем зазоре; s6 — эквивалентное сечеиие воздушного за-
зора; р0 — магнитная проницаемость воздуха.
Формулой (8-25) можно пользоваться, если индукция в воздушном зазоре
распределена равномерно. При неравномерном распределении индукции воздушный
зазор можно разбить на отдельные параллельные участки Д«в и, принимая
индукцию равномерной на каждом участке, вычислить силу притяжения как
сумму сил отдельных участков. Формулой (8-25) можно также пользоваться, если
достаточно точно определена средняя индукция.
При однородном магнитном поле
Ф2
* 2)^	(«‘ЭД
8-5 ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
КОРОТКОЗАМКНУТЫЙ ВИТОК
При синусоидальном переменном токе поток (рис. 8-5, а) изменяется по закону
Ф = Ф,„ sin cot.
(8-27)
Сила притяжения	электромагнита в таком случае будет „ Ф2 sin2 cot Р =	~			(8-28) 2Pos6
Обозначим	ф2 ЗЛ-=Р“’	(8-29)
тогда	Р = рт sin2 cot = ^-(1 - cos 2cw)>	(8-30)
т. е. сила притяжения Р пульсирует по значению с двойной частотой сети, не
меняя при этом своего знака (рис. 8-5,6). Сила притяжения может быть пред-
ставлена в виде двух составляющих: постоянной во времени Р* = PJ2 и изменяю-
Р
щеися во времени по закону косинуса переменной Р" = ™-cos2cof. Среднее за пе-
риод значение силы Р будет Рт/2.
Если отрывное усилие электромагнита будет Ртр, то дважды за период в
точке А (рис. 8-5, в) якорь электромагнита будет отпадать, а в точке В — снова
притягиваться, т. е. будет вибрировать с двойной частотой. Вибрация приводит
к износу магнитной системы и сопровождается гудением.
Для устранения вибрации электромагниты переменного тока снабжаются ко-
роткозамкнутыми витками (рис. 8-6, а) из проводниковых материалов (медь, латунь),
охватывающими часть полюса электромагнита (70 — 80 ° о).
Принцип работы витка заключается в следующем. Общий поток электромаг-
нита Ф разветвляется на поток Фь который проходит по не охваченной витком
части полюса, и на поток Ф2, который проходит через часть, охватываемую
короткозамкнутым витком. При этом в витке индуцируется ЭДС екз и возникает
ток 1КЗ, сдвинутый по отношению к на угол Уо и определяемый весьма
незначительной индуктивностью витка. Для упрощения принимаем у0 0. Ток
136
рис. 8-5. Кривые изменения силы притяжения электро- о)
Магнита переменного тока без короткозамкнутого
витка
i возбуждает магнитный поток Фк_3, который
охватывает короткозамкнутый виток и вместе с
частью основного потока образует поток Ф2,
проходящий через часть полюса, охваченную
витком, и сдвинутый во времени по отноше-
нию к потоку Ф| на угол <р (рис. 8-6,6 и в).
Сила притяжения электромагнита Р скла-
дывается из двух пульсирующих, но сдвинутых
во времени сил Pi и Р2 (рис. 8-6, г). Благодаря
сдвигу их во времени общая сила Р пульсирует
много меньше и минимальное значение ее
остается выше Ротр> чем и исключается вибра-
ция якоря.
Каждая из снл Pi и Р2 может быть
представлена в виде двух составляющих:
Р, =	- ^=-cos2a>t;	(8-31)
Р2 ~ P~cos2 (иг - <р).	(8-32)
Полная сила
Р =	- P^-COS 2ои +	cos (2<or - 2<р)I.	(8-33)
постоянная переменная составляющая
составляющая
Амплитудное значение Р12л1 (рис. 8-6, <)) переменной составляющей
Р12т =
]/(~2~)2 +	+ 2	2<р.
(8-34)
тогда полная сила
р	+ 2	(8-35)
Как видно из уравнения (8-35), пульсация зависит от угла сдвига <р между
потоками Ф! и Ф2. Под пульсацией силы т] понимают отношение амплитудных
значений переменной и постоянной составляющих:
_ ______& 12m_______
Л (Plm/2) + (P2j2)
(8-36)
Пульсация будет отсутствовать при Р12т = 0. Это возможно при одновремен-
ном выполнении двух условий:
1) P,m/2 = P2m/2, т. е. Ф, =Ф2;
2) 2ф = л, т. е. угол сдвига между потоками Ф1 и Ф2 должен быть 90 .
137
Рис. 8-6 Принцип работы короткозамкнутого витка в электромагнитных системах пере-
менного тока
В системах с короткозамкнутым витком достигнуть сдвига потоков на 90е
практически невозможно. В осуществляемых системах (р = 50 . . 80е. Минимальное
значение пульсации получается при соблюдении первого условия.
8-6. СТАТИЧЕСКИЕ ТЯГОВЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ
И МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АППАРАТОВ
Для удерживающих электромагнитов интерес представляет только сила Р,
создаваемая электромагнитом при неизменном (притянутом) положении детали.
Для притягивающих электромагнитов нас интересует зависимость создаваемо-
го электромагнитом усилия от рабочего зазора Р =/(8) или зависимость момента
от угла раствора якоря М =/(а|. так как для приведения в действие того или
иного аппарата необходимо преодолеть его противодействующие силы, изменяю-
щиеся по ходу якоря у разных аппаратов по-разному. Примеры тяговых характе-
ристик некоторых электромагнитов приведены на рис. 8-7.
Под механической характеристикой аппарата понимают зависимость суммар-
ной силы сопротивления, противодействующей перемещению подвижной системы,
от хода якоря. Суммарная сила сопротивления складывается из противодействую-
щих сил отключающих и контактных пружин, веса подвижной системы и сил
трения в подшипниках и шарнирах между подвижными деталями. При этом
противодействующие силы пружин и веса всегда направлены в одну сторону
независимо от направления перемещения якоря, силы трения меняют свое направ-
ление в зависимости от направления движения якоря. Характеристики обычно
строятся; для прямоходовых подвижных систем в осях «противодействующая сила
Ротр — рабочий зазор 5». для поворотных магнитных систем в осях «противодей-
138
Рис. 8-7. Статические тяювые характеристики некоторых электромагни i ных cuciev
i—b формы систем и соответствующие им характеристики
ствуюший момент Мотр — угол поворота а», где Ротр и мотр — соответственно
отрывные усилие и момент.
При включении
Рол. = Р„с>ж ± С + Р„.	(8-37)
и соответственно
М„тр = Мор», ± мс + Мгр :	(8-38)
при отключении
Ро,р = Pop,, + С - Р,р	(8-39)
н соответственно
Ио1р = М11ру,±Ме-М,р.	(8-40)
Рис. 8-8 Механическая характеристика контактора: а — при вк печении; н при отклю-
чении
139
где Рпруж — усилия, создаваемые отключающими и контактными пружинами; G —
вес подвижной системы, в зависимости от конструкции вес может противо-
действовать ( + ) или помогать ( —) включению; Ртр — силы трения.
В общем случае механическая характеристика представляет собой ломаную
линию (рис. 8-8). В качестве примера рассмотрим построение механической
характеристики электромагнитного контактора при включении и отключении.
В точке Si действуют вес подвижной системы (кривая 1), сила отключающей
пружины (кривая 2) и силы трения (кривая 3). При движении якоря Ротр возрастает
за счет дополнительного сжатия отключающей пружины. В точке 62 происходит
соприкосновение контактов, при этом РОТр возрастает сначала скачкообразно за
счет начального иажатия (кривая 4\ а затем плавно за счет дополнительного
сжатия контактных пружин. Кривая 5 представляет собой сумму кривых / ~4
и является механической характеристикой рассматриваемого аппарата.
Тяговая характеристика Р (кривая 6) представляет собой зависимость силы
притяжения электромагнита от зазора (соответственно зависимость момента при-
тяжения от угла поворота якоря). Движение якоря начнется, когда электромаг-
нитная сила притяжения при 6 = станет больше противодействующей. Для
обеспечения четкого и надежного включения аппарата тяговая характеристика
должна лежать выше механической и соответствовать ей. В зависимости от
конструкции и рода тока электромагнита могут быть получены различного рода
статические тяговые характеристики, как это показано на рис. 8-7.
Расположение катушки в магнитной системе относительно рабочего зазора
в значительной степени определяет поток рассеяния. Таким образом, при данной
МДС значение силы притяжения электромагнита также зависит от расположения
катушки в магнитной системе. Большая сила притяжения получается, когда рабо-
чий зазор расположен внутри катушки. При этом катушка должна быть смещена
в сторону якоря
8-7. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ.
УРАВНЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ ПОДВИЖНОЙ СИСТЕМЫ
Приведенные на рис. 8-7 характеристики являются статическими. Они харак-
теризуют тяговое усилие электромагнита при фиксированном положении якоря.
Прн движении якоря изменяется индуктивность системы и динамические характе-
ристики Рат1 = /(б) будут несколько отличаться от статических, сохраняя в основ-
ном свой характер.
На рис. 8-2 приведена характерная для электромагнитов постоянного тока
кривая нарастания тока в катушке при включении электромагнита. Для каждого
момента времени здесь справедливо уравнение
. rdi	dL
U = ir+ -—= ir + L-z-4-1—.
at	dt	dt
Пока ток мал (участок Оа) и тяговое усилие электромагнита меньше
противодействующих усилий, якорь неподвижен. Для этого участка можно принять
L= const, тогда dLjdt = 0 и
(8-41)
di
dt'
(8-42)
Решение этого уравнения дает
(8-43)
140
где /уст = U/r ~~ установившееся значение тока в катушке после окончания пере-
ходного процесса, А; Т- L/r — постоянная времени цепи, с.
Графически постоянная времени определяется отрезком Г прямой /уст, отсе-
каемым касательной к кривой тока в начале координат.
Время tr от момента приложения напряжения до момента трогания якоря
(точка а) называется временем трогания на включение. Оно может быть опреде-
лено из уравнения
№-44)
где k = /уст//тр; Др — ток, соответствующий моменту трогания якоря (точка а).
Точка а соответствует моменту, когда тяговое усилие электромагнита начи-
нает превосходить противодействующее усилие. Якорь трогается и движется до
момента замыкания с сердечником (участок ab). Снижение тока в катушке при
движении якоря определяется противо-ЭДС, вызванной изменением индуктивности
системы i
— и возрастающей с увеличением скорости движения якоря. При ма-
лых скоростях движения якоря ток в катушке может не уменьшаться. При
неподвижном якоре нарастание тока происходило бы по штриховому участку
кривой.
Точка b соответствует моменту замыкания якоря и его остановке. Индуктив-
ность системы за счет уменьшения зазора резко возрастает, но в дальнейшем
изменяется мало с ростом гока. Ток в катушке нарастает до установившегося
значения (участок be).
Время г2 от момента трогания до момента остановки якоря называют
временем движения, а суммарное время И 4-12 = ГВкл — временем включения.
Если принять, что силы трения не зависят от скорости движения подвижной
системы, а масса m системы постоянна, то уравнение движения может быть
представлено в виде
т ~ р Р(:,р Р*
(8-45)
или	,
=	(8-46)
о
т. е. приращение скорости пропорционально избыточному усилию РИЗ, а работа
всех сил на данном участке равна приращению кинетической энергии движущихся
частей.
Скорость движения подвижной системы в любой точке определится из
уравнения
Выразить аналитически Р = /(8) весьма трудно и не всегда возможно. Решим
ЭтУ задачу графоаналитически.
Строим механическую и тяговую характеристики (рис. 8-9. а). Разбиваем путь 5,
Который должен пройти якорь, на ряд участков	(участки могут быть н
неравной длины). Из графика определяем среднюю избыточную силу на каждом из
Участков и считаем ее постоянной. Тогда для первого участка средняя скорость
~ у2РтАЬ1/т + 0, для любого участка к
141
Рис. 8-9 К решению уравнения движения подвижной
системы
2Ркнэ Дё* ।
(8-48)
Получив таким образом средние скорости дви-
жения (ля всех участков, можем построить зави-
симость скорости от пути v = /(6) (рнс. 8-9,6).
Время движения на каждом из участков опре-
делится из соотношения
h’iSlA'i	18-49)
и может быть представлено ломаной кривой
(рис. 8-9, в)
Время срабатывания аппарата определится как
сумма времен:
*=i	*=i
Суммируя Дб* и соответствующие им tk, можем
построить зависимость изменения зазора во времени
б = f(t) (РИс- 8-9, г). Если Риз мало меняется по
ходу якоря и его можно принять постоянным
(средним) Ризср, то
(8-51)
Отключение электромагнита осуществляется путем обрыва тока в катушке.
В зависимости от скорости гашения дуги на контактах выключающего аппарата
ток в катушке и поток в магнитной системе будут уменьшаться по некоторой
кривой. В момент времени t = t3, от момента начала обрыва тока, сила притя-
жения станет меньше отрывного усилия и якорь электромагнита начнет отпадать.
Время t3 от начала обрыва тока в катушке до момента трогания якоря назы-
вают временем трогания на отключение.
Под действием отрывного усилия РО1р якорь отойдет в разомкнутое положе-
ние. Время движения якоря t4 определяется так же, как при включении аппарата,
Рт при >том равно Ротр на отключение.
Время т3 + = ГОТ1к1 называют временем отключения.
8-8. ЗАМЕДЛЕНИЕ И УСКОРЕНИЕ
ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТА
В ряле случаев на практике необходимо замедлить или ускорить действие
электромагнита.
За медление действия электромагнита постоянного тока может быть достигнуто
увеличением его постоянной времени, либо увеличением индуктивности самой
катушки, либо послеловательным включением дополнительной катушки индуктив-
ности L (рис. 8-10,«). Последнее применяется редко. Включение параллельно ка-
142
рис. 8-Ю. Схемы замедления сраба-
тывания электромагнита
— катушка 2 — короткозамкнутая
обмотка
тушке конденсатора С (рис. 8-10,6) также дает замедление срабатывания. При
соответствующем подборе емкости нарастание напряжения на катушке происходит
постепенно по мере заряда конденсатора.
Широко применяется замедление действия электромагнита при помоши корот-
козамкнутого витка, имеющего малое электрическое сопротивление (рис. 8-10, в).
Короткозамкнутый виток (обмотка) замедляет нарастание потока при включении
электромагнита и в гораздо большей степени его уменьшение при отключении
электромагнита.
При отсутствии короткозамкнутого витка нарастание тока в катушке происхо-
дило бы по кривой / (рис. 8-11,а), а потока и тяговой силы — по кривой 4.
В момент времени t — гяговое усилие достигло бы значения силы трогания
Ftp = Ротр и якорь начал бы двигаться. При наличии короткозамкнутого витка
ток в катушке будет изменяться по кривой 2, а индуцированный в витке ток —
по кривой 3. Ток в витке направлен встречно току в катушке. Поток в системе
обусловлен разностью токов в катушке и короткозамкнутом витке и будет
нарастать по кривой 5. Поток и тяговое усилие достигнут соответственно зна-
чений Фтр и Ртр через время t\ > tt. Срабатывание электромагнита будет за-
медленно на время Az, которое носит название выдержки времени на включение.
При отключении катушки и отсутствии короткозамкнутого витка ток в катушке
спадал бы по кривой I, а поток и гяговое усилие — по кривой 4 (рис. 8-11,6).
Рис. 8-11. к пояснению принципа работы электромагнита посюянного тока с короткозамкну-
тым витком
143
Рис. 8-12. Схема ускорения сра-
батывания электромагнитов по-
стоянного тока
Время трогания было бы t3. При наличии короткозамкнутого витка ток в ка-
тушке будет уменьшаться по кривой 2, а индуцированный в короткозамкнутом
витке ток будет изменяться по кривой 3, т. е. система стремится препятствовать
изменению потока. Поток и тяговое усилие будут спадать гораздо медленнее
(кривая 5), чем при отсутствии витка. Значения Ротр тяговое усилие достигнет через
время t'3 > t3. Время = t'3 — t3 называют выдержкой времени на отключение.
Спадание тока в короткозамкнутом витке следует закону
. 1 =	(8-52)
где /0 — максимальное значение индуцированного тока в короткозамкнутом витке
в момент отключения; Ткз — Lg3/RK3 — постоянная времени короткозамкнутого
витка; г —время. Таким образом, чем больше постоянная времени короткозамк-
нутого витка, тем медленнее будет спадать в нем ток и тем большую выдержку
времени он создаст.
Ускорение действия электромагнита может быть получено за счет уменьшения
его постоянной времени. В этом случае наличие короткозамкнутого витка
(обмотки), массивных частей магнитопровода, металлических каркасов катушки и
всяких короткозамкнутых витков, образованных из крепежных и прочих деталей,
лежащих на пути потока, является недопустимым, так как они будут увеличи-
вать время действия электромагнита. Шихтованный магнитопровод также приводит
к ускорению действия электромагнита.
Включение последовательно с катушкой дополнительного активного сопротив-
ления Rs (рис. 8-12, а) приводит к уменьшению постоянной времени всей цепи и
ускорению действия электромагнита. При этом катушка должна быть рассчитана
только на часть напряжения сети:
р
~	(8-53)
+ Кд
Энергия I2R,} теряется в этой схеме бесполезно.
Еше большее ускорение может быть получено при включении электромагнита
по схеме рис. 8-12,6. В момент включения конденсатор представляет собой очень
маленькое сопротивление. Сопротивление Rr оказывается как бы шунтированным.
Почти все напряжение сети оказывается приложенным к катушке, рассчитанной
только на часть напряжения. Ток в катушке электромагнита быстро нарастает,
и включение электромагнита ускоряется. Когда конденсатор зарядится, ток в цепи
будет определяться суммарным сопротивлением RK + Rn, как в схеме на
рис. 8-12.0.
8-9. ТОРМОЗНЫЕ УСТРОЙСТВА
При остановке подвижной системы аппарата запасенная кинетическая энергия
переходит в удар, воспринимаемый сердечником электромагнита (при замыкании),
упором (при размыкании) либо какими-то другими деталями. Эти удары приводят
к усиленному износу контактов (вследствие дребезга), магнитной системы, всех
деталей подвижной системы. В итоге происходит нарушение работы и разрушение
всего аппарата.
144
Для смягчения удара и его вредных последствии многие электрические
аппараты снабжаются тормозными устройствами. Задачей этих устройств является
принять на себя удар и погасить всю запасенную кинетическую энергию
подвижной системы или часть ее.
Различают три вида тормозных устройств: эластичные, буферные и успокои-
тельные.
Эластичные устройства применяются в аппаратах, имеющих небольшой запас
кинетической энергии. Они выполняются в виде эластичных упоров из кожи, кар-
тона, твердой резины и других материалов.
В мощных аппаратах применяются буферные устройства, преимущественно
гидравлические. Тормозное усилие в них создается за счет сопротивления вы-
теканию жидкости через малые отверстия.
Успокоительные устройства применяются главным образом в реле. Они пред-
назначены не только для поглощения энергии удара, но и для замедления
действия аппарата.
При наличии тормозных устройств (Рт) уравнение (8-45) иа участке торможе-
ния примет вид
dui
w > = Ртяг Ротр Рт = Риз~Рт-
(8-54)
Если сила торможения постоянна, получим
V = 1-0 - Рт - f- t,	(8-55)
т
где — скорость подвижных частей в момент начала действия тормоза t = О,
a t — время от начала действия тормоза.
Путь, пройденный с начала торможения.
8 = Г v dt = i>or - -	₽-t2.	(8-56)
о
Время от момента начала действия тормоза до полной остановки подвижной
системы tr определится из уравнения (8-55), если положить v = 0:
-Риз
(8-57)
Из уравнения (8-57) следует, что для остановки подвижных частей тормоз-
ным устройством сила торможения Р должна быть больше разности сил, опреде-
ляемых тяговой и механической характеристиками. И аналогично при выключении,
когда тяговое усилие отсутствует, сила торможения должна превышать силу,
определяемую механической характеристикой.
8-10. ПОЛЯРИЗОВАННЫЕ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ СИСТЕМЫ
Поляризованные электромагнитные системы отличаются от рассмотренных
выше наличием двух не зависящих друг от друга магнитных потоков: постоянного,
не зависящего от состояния схемы, в которую включен механизм, и перемен-
ного, зависящего от состояния схемы, в которую включен механизм. Первый,
поляризующий, поток Фп создается либо постоянным магнитом (рис. 8-13, а), либо
145
Рис. 8-13
Принцип устройства
поляри юванной магнитной системы
электромагнитом с независимым питанием. Второй, рабочий, поток Ф„ создается
электромагнитом Значение и направление рабочего потока зависят от состояния
схемы, в которую включен механизм.
Принцип действия. Образованный магнитом 3 поляризующий поток Ф„, пройдя
через якорь 2, разветвляется. Одна его часть Фп, проходит через зазор 5t
и левую часть сердечника 1. Вторая его часть Ф112 проходит через зазор б2 и правую
часть сердечника. Катушками 4 и 4‘, надетыми на сердечник и включенными
согласно, создается рабочий поток. Основная его часть Ф, замыкается через
весь воздушный зазор 6j + б2 и сердечник, охватывая обе катушки. Меньшие
части этого потока Ф4 и Ф'4 замыкаются через якорь, соответствующий воз-
душный зазор и часть сердечника, охватывая только одну катушку.
При наличии только одного поляризующего потока якорь отклонится к одному
из полюсов магнита, так как с уменьшением зазора (в нашем примере 6Д часть поля-
ризующего потока в этом зазоре увеличится за счет уменьшения его доли в
другом зазоре. При появлении рабочего потока в одном из зазоров будем
иметь разность потоков, а в другом — сумму. В нашем примере в зазоре б, — поток
ФП1 — Ф, — Ф4, в зазоре бг — поток Фп2 + Ф, + Ф4. По мере увеличения рабочего
потока поток в зазоре 6j будет все уменьшаться, а в зазоре б2 — увеличиваться.
При каком-то соотношении потоков якорь перекинется на правую сторону,
т. е. система сработает.
Для возврата системы в исходное положение нужно изменить полярность
тока (а следовательно, и потока) в рабочих катушках. Можно настроить систему
так, что якорь вернется в исходное положение при снижении рабочего потока
и сохранении его полярности. Для этого необходимо, чтобы, перекинувшись вправо,
якорь не переходил через нейтральное положение (рис. 8-13,6), т. е. чтобы при
любом положении якоря один и тот же воздушный зазор оставался меньше
другого (например, б! < б2). Такая настройка называется настройкой на преоб гада-
ние. В магнитной системе (рис. 8-13, в) якорь в зависимости от полярности
тока в рабочей катушке может отклоняться в ту или другую сторону. При
обесточенной катушке якорь вернется в нейтральное положение.
Расчет тяговых сил. Считаем, что индукция распределена в зазорах равно-
мерно, и расчет будем вести, используя формулу Максвелла. Силы, действующие на
якорь в зазорах и б2 от всех потоков, обозначим соответственно Рх и Рг.
При наличии только поляризующего потока
р.=
2poss	2p.os6
Суммарная сила, действующая на якорь,
Р = Р, - Р2 =	.
2щ>$6
(8-58)
(8-59)
146
Учитывая, что Ф„| + Ф,р = Ф - можем написать
Ф, 8-.	.	8?	,	.
- г • ф  -	.% ф"; ф
Ф„,	8,	л, J- Ъ2
(8-60)
Тогда
„	„	ФЛ82-8,)
'	2	2ц|Л,(6,-г 8J '
. е суммарная сила, действующая на якорь, пропорциональна смешению якоря от
нейтрали [(82 - 80/2 - смешение] и зависит от потока постоянного магнита.
При наличии рабочею потока
р = (Ф.,1 уФд -Ф.)2 р
(8-61)
(Ф, 2 + Ф*4 + ФО2
2ро-'б	2цо5'ь
Потоками Ф4 и Ф4 можем пренебречь, так как постоянный Mai нит нре тстав-
чяс1 для них большое сопротивление и они малы по сравнению с другими
потоками. Тогда
(8-62)
„	(Ф.,1 - Ф.)2	„	(Ф,|? I Ф,):
Г| =-----—-------- : г 2 —	—
2po-sd	2ц05ь
Нас интересует значение потока Ф„ при котором якорь начнет перемещаться.
Это будет при условии, когда Р, = Р2, т е-
(Ф.,1 - Ф.)2 _ (Ф..2 Н Ф.Г
2р<Л
2цоЧ
(8-63)
(8-64)
Ф
от куда
Фа=-^(Фп|-Фп?)-	(«-65)
Если пренебречь потерями в стали сердечника и потоками рассеяния, то
минимальная МДС Fmin, при
E>mm —
Подстаачяя значения Фп,
Ф, _ 1 (Ф1Н - Ф„2)(81 + 82)
Л - 2	ЛёРо
и Фп2 согласно выражению (8-3), получим
Ф,.	-
(8-66)
(8-67)
т с. минимальная МДС рабочих катушек, необходимая для срабатывания системы,
пропорциональна поляризующему потоку и смещению якоря от нейтрали.
Формы Mai низ пых систем. По источнику МДС поляризующего поля разли-
чают системы с постоянным магнитом и системы с электромагнитом, питаемым
от независимого источника.
По конструкции различают системы с последовательной мапштной цепью,
с параллельной, или дифференциальной, магнитной цепью и с мостовой магнит-
ной цепью. В мостовой магнитной цепи якорь остается в нейтральном положе-
нии при отсутствии тока в рабочих обмотках.
Область применения. Поляризованные системы находят широкое применение
в установках проводной связи, а также в устройствах электросиловой автоматики,
релейной защиты, в следящих системах, системах телеуправления, железнодорож-
ной сигнализации и блокировки Особенностями этих систем являются направлен-
ность действия, высокая чувствительное ib, бо |ьшая крутость термической стой-
кости. быстродействие.
147