Файл: Сисоян, Г. А. Электрическая дуга в электрической печи.pdf

Рис. 70. Осциллограмма процесса отключения при

индуктивной нагрузке Ыд — напряжение дуги;

«воз — напряжение воз. никновения дуги; тис — время исчезновения тока

триваемой осциллограмме видна целая гамма форм напряжения дуги, начиная от формы с пиками и кончая чистой синусоидной.

На рис. 70 приведена осциллограмма другого типа, показывающая процесс отключения цепи при индуктивной нагрузке. Длительность

вые с одним пиком (3); прямоугольные кривые (4)\ трапецеидаль­ ные кривые (5); трапецеидальные кривые с синусоидальной верши­ ной (6)\ синусоидальные кривые (7).

В дальнейшем воспользуемся этим делением при классификации дуг и математическом анализе кривых напряжения дуги.

Дуга руднотермической печи относится к разряду наиболее мощ­ ных устойчивых электрических дуг, она горит в замкнутом объеме тигля, температура стенок которого довольно высока, вследствие чего охлаждение дугового промежутка крайне затруднено.

Все это приводит к выводу, что в руднотермической печи в нор­ мальных условиях дуга горит без перерывов, кривые силы тока и напряжения дуги при нормальной работе печи имеют почти сину­ соидальную форму и, следовательно, в течение всего полупериода горения дуги сопротивление последней остается постоянным. Иска­ жения формы кривых силы тока и напряжения дуги появляются только при нарушениях теплового режима дуги.

5* Характеристики эффективных величин дуги переменного тока

Приведенные выше вольтамперные характеристики дуги перемен­ ного тока построены для мгновенных значений силы тока и напря­ жения. Мы видели, насколько разнообразны формы этих характери­ стик. Естественно, возникает вопрос, можно ли построить такие же характеристики для эффективных значений этих величин. Это тем более важно, что измерительные приборы, установленные на печах, измеряют эффективные, а не мгновенные величины. Но оказывается, что наши возможности в этом направлении ограничены.

Действительно, в общем случае кривые силы тока и напряжения дуги переменного тока искажены и содержат высшие гармоники. В этом случае эффективные значения напряжения Ua и силы тока /д дуги определяются уравнениями:

где Un и /„ — соответственные эффективные значения п-й гармо­ ники напряжения и силы тока дуги.

Из этих формул видно, что одни и те же значения £/д и / д могут быть получены при самых разнообразных значениях составляющих гармоник. Поэтому эффективные значения напряжения и силы тока дуги, измеренные обычными вольтметрами и амперметрами, не от­ ражают формы их кривых. Одно и то же эффективное значение могут иметь сила тока дуги с синусоидальной формой кривой и дуги, горя­ щей прерывисто с большими паузами, но устойчиво.

Как известно из электротехники, для анализа периодических про­ цессов с несинусоидальной формой кривых силы тока и напряжения несинусоидальные кривые заменяют эквивалентными синусоидаль­ ными кривыми, т. е. такими кривыми, которые характеризуются такими же эффективными значениями, как и заданные несинусо­

100

идальные. В этом случае обычно вводят коэффициент искажения формы кривой, под которым понимают отношение эффективного значения всей несинусоидальной кривой к эффективному значению основной гармоники. Угол сдвига фазы в этом случае становится фиктивным.

Рассмотрим в свете этих положений построение характеристик дуги.

Если дуга горит при благоприятных условиях, то, как было пока­ зано выше, форма кривых силы тока и напряжения дуги прибли­ жается к синусоиде. В этом случае в пределах, пока сопротивление дуги остается независимым от силы тока и напряжения, цепь, содер­ жащая дугу, будет линейной. Вольтамперная характеристика дуги будет прямой линией как для мгновенных, так и для эффективных и максимальных значений, и одну и ту же прямую, проходящую через начало координат, можно рассматривать как вольтамперную харак­ теристику для всех трех характерных значений силы тока и напряже­ ния дуги. Пока сопротивление гд постоянно, характеристики цепи будут подчиняться одному и тому же закону как для мгновенных, так и для эффективных и максимальных значений.

Но Гд— величина неустойчивая и, как мы видели, может изме­ няться в очень широких пределах как внутри периода, так и от пе­ риода к периоду. В моменты прохождения тока через нуль она обычно

силы тока и напряжения дуги получают искажения большей или меньшей степени. Вольтамперные характеристики дуги для мгно­ венных значений уже отступают от прямой и принимают то много­ образие форм, которое было показано выше.

Можно ли в этом случае строить вольтамперные характеристики для эффективных и максимальных значений?

Если дуга горит непрерывно и устойчиво или прерывисто и устой­ чиво, но так, что в каждый следующий период повторяется форма кривых предыдущего периода, то, очевидно, закон изменения сопро­ тивления будет оставаться постоянным. Можно, конечно, для этих форм кривых силы тока и напряжения подсчитать эффективные значения и нанести на диаграмму одну точку вольтамперной харак­ теристики. Правда, такая точка отличалась бы некоторой неопреде­ ленностью, так как такую же точку могли бы дать и другие кривые силы тока и напряжения, но с теми же эффективными значениями. Нанесение следующих точек характеристики было бы затруднительно, так как при изменении эффективных значений силы тока и напряже­ ния изменились бы их форма и сопротивление дуги. Таким образом, неопределенность второй точки больше первой.

Особенно сильное искажение форм кривых наступает при пере­ ходе разряда из непрерывного в прерывистый.

Большей частью амплитуды тока и напряжения уменьшаются скачкообразно, иногда дуга гаснет на несколько периодов и возни­ кает снова. Одним словом, не происходит плавного приближения вольтамперной характеристики к нулю.

101

Несмотря на это, по показаниям приборов, указывающих эффек­ тивные значения, можно построить кривые зависимости эффективного значения напряжения от такого же значения силы тока. Но такие кривые не имеют отношения к вольтамперным характеристикам для мгновенных значений напряжения и силы тока. Отношение послед­ них дает динамическое сопротивление дуги, в то время как отношение эффективных значений напряжения и силы тока дает среднее или эффективное сопротивление дуги.

Следует иметь в виду, что в электротехнике известна группа так называемых условно нелинейных элементов (приемников). Они ха­ рактеризуются тем, что их нелинейность зависит от времени и имеет значительную инерцию.

Если в безынерционных элементах ток устанавливается практи­ чески мгновенно, в условно нелинейных элементах на установление тока требуется значительное время, измеряемое иногда секундами. Характерными примерами условно нелинейных элементов являются термосопротивления. Если, например, лампу накаливания включить в цепь переменного тока частотой 50 Гц, то на изменение сопротивле­ ния лампы от начального значения до установившегося требуется несколько секунд. Следовательно, в течение полупериода (0,01 с) сопротивление изменится настолько незначительно, что этим измене­ нием можно пренебречь и в течение периода считать сопротивление элемента постоянным. В этом случае при синусоидальной форме на­ пряжения и кривая силы тока будет также синусоидальной формы. Но по мере нагрева элемента сопротивление изменяется и вольтамперная характеристика эффективных значений силы тока и напряже­ ния не будет подчиняться линейному закону. Таким образом, ус­ ловно нелинейные элементы по отношению к мгновенным значениям переменного тока будут вести себя как линейные элементы, а по отно­ шению к максимальным и эффективным значениям — как нелиней-

Рис. 72. Графики условно нелинейного элемента

102

6« К л асси ф и ка ци я д у г переменного то ка

Развитая выше теория горения дуги позволяет классифициро­ вать стабильные дуги переменного тока.

Так как основными факторами, определяющими характер горения дуги, являются тепловое состояние и обусловленная последним сте­ пень ионизации дуги, то, очевидно, классификация должна быть основана на этих факторах. Вместе с тем, внешним проявлением характера горения дуги является форма прямых, характеризующих силу тока и напряжение дуги. Поэтому в классификации дуг сле­ дует увязать характер дуги с формой этих кривых.

Все дуги можно разделить на следующие группы:

1. Дуги с интенсивно охлаждаемым столбом. Вследствие интен­ сивного охлаждения в период спада тока дуговой промежуток быстро деионизируется и дуга исчезает раньше, чем кривая напряжения пройдет .через нулевое значение. Напряжение, при котором дуга исче­ зает (напряжение исчезновения), не может уже создать градиента потенциала, необходимого для поддержания тока.

За промежуток времени, когда дуга не горит, деионизация среды возрастает, и для повторного возникновения дуги требуется больший градиент потенциала и напряжения, чем в момент прекращения. Поэтому напряжение возникновения дуги, как правило, больше, чем напряжение прекращения.

Дуга этого типа горит прерывисто, со значительными паузами. Кривая напряжения дуги резко искажена и содержит характерные пики возникновения и прекращения.

К этой группе дуг относятся все малоамперные дуги, горящие на открытом воздухе. Так как при малом токе столб дуги имеет неболь­ шое сечение и, следовательно, большую удельную поверхность, то дуга и без специальных мероприятий охлаждается очень интен­ сивно и, деионизируясь, быстро гаснет.

К этой же группе относятся и дуги при сравнительно большой силе тока, но с интенсивным охлаждением. У этих дуг диаметр столба, правда, велик и, следовательно, относительная охлаждающая по­ верхность у них меньше, но внешние факторы могут настолько сильно охлаждать и деионизировать дугу, что она гаснет задолго до про­ хождения кривой напряжения через нуль.

Например, в упомянутых выше опытах О. Б. Брона на столб дуги в 265 кА действовала электродинамическая сила в 50—60 кгс/см. Под действием этой силы дуга перемещалась с большой скоростью. Вследствие этого охлаждение и деионизация дуги были настолько интенсивны, что дуга погасла при первом же прохождении тока через нуль. Если бы условия охлаждения были менее интенсивны, то дуга перешла бы в устойчивый, но прерывистый режим со значительными паузами тока и с сильно искаженными кривыми как тока, так и напряжения. <

2. Дуги со средней степенью охлаждения. Ввиду более благопри­ ятных тепловых условий деионизация столба в период спада тока происходит менее интенсивно и горение дуги длится более продол-

106