книги из ГПНТБ / Сисоян, Г. А. Электрическая дуга в электрической печи

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

жительное время, чем горение дуг первой Группы, но пауза тока

все-таки наблюдается. Во второй полуволне дуга возникает раньше, чем в дугах первой группы. Напряжение возникновения также относительно меньше, так как остаточная деионизация облегчает процесс пробоя. Напряжение горения дуги почти в течение всего периода горения постоянно и пики возникновения и прекращения отсутствуют.

Таким образом, кривая напряжения этих дуг, в отличие от дуг первой группы, не имеет выпуклости вниз и довольно близко подходит к трапецеидальной форме. Кривая тока также искажена и имеет паузы, но степень искажения и длительность пауз значи­ тельно меньше.

К этой группе можно отнести мощные печные дуги, горящие при неблагоприятных тепловых условиях. Обычно эти дуги горят в зам­ кнутых объемах — тиглях. Если температура стенок тигля низкая (вследствие простоя печи, или по характеру сплава) или если в ре­ зультате неблагоприятных технологических условий создаются силь­ ные потоки газов, то, несмотря на значительный диаметр и малую удельную поверхность столба, дуга к концу полупериода деионизи­ руется настолько, что она гаснет раньше прохождения кривой напря­ жения через нуль. Примеры такой печной дуги будут показаны ниже.

Конечно, дугу такого типа можно создать и при малых токах, но для этого требуются определенные условия герметизации и тепло­ вой изоляции объема, в котором будет гореть дуга.

3. Дуги с малой степенью охлаждения. Дуги этой группы горят стабильно и непрерывно. Деионизация столба в период спада тока происходит настолько медленно, что к концу полупериода тока в столбе остается достаточное число заряженных частиц, могущих поддержать дальнейшее протекание тока в цепи. Если в этот момент приложенное напряжение достаточно для преодоления катодного и анодного падений потенциалов, то следующий полу период тока начи­ нается без паузы и дуга горит непрерывно.

При высокой степени ионизации создается настолько большое число свободных зарядов, что сопротивление дугового промежутка за весь период остается почти постоянным. Благодаря этому и ход кривых силы тока и напряжения с достаточным приближением под­ чиняется тем же законам, которым он подчинен в металлических проводниках с постоянным сопротивлением.

4. Мощные печные дуги, горящие при весьма благоприятных тепловых условиях. Дуги этой группы при синусоидальной форме кривой приложенного напряжения кривая силы тока также при­ обретает синусоидальную форму.

Примером таких дуг служат дуги мощных руднотермических печей с хорошей тепловой изоляцией тигля и устойчивыми стенками последнего. Такая дуга наблюдается при выплавке ферросилиция, особенно высокопроцентного. Дугу такого же типа можно получить, конечно, и при малом токе, но для ее поддержания требуется весьма высокая герметичность и тепловая изоляция объема, в котором поддерживается дуга.

107

7» Обзор л ите ратуры о печной д уге переменного токД

Основы изучения мощной дуги в электрической печи были заложены в СССР

школой проф. С. И. Тельного, труды которого, а также работы его учеников сыграли исключительно большую роль в уяснении процессов горения печной дуги.

Первая работа С. И. Тельного о печной дуге появилась в 1928 г. В этой работе, вводя ряд упрощений, С. И. Тельный пришел к выводу, что мгновенное значение напряжения маломощной дуги в условиях дуговой электрической печи остается постоянным за все время ее горения. Основываясь на этом положении, С. И. Тель­ ный вывел математические уравнения и построил теоретические кривые силы тока

инапряжения печной дуги.

В1936 г. С. И. Тельный и И. Т. Жердев опубликовали снятые ими осцилло­

иллюстрируют теоретические выводы С. И. Тельного о постоянстве напряжения дуги в период ее горения.

Мы видим, что действительно, кривая напряжения в период горения дуги идет почти параллельно оси времени, в моменты же возникновения и прекращения раз­ ряда имеет даже некоторые пики. В целом кривые характеризуются слабой выпук­ лостью, обращенной вниз. По нашей классификации эти осциллограммы относятся ко второй группе дуг (средняя сила тока, средняя степень охлаждения дугового промежутка и, следовательно, средняя степень деионизации). Кривые силы тока на этих осциллограммах имеют паузы; значит, дуга проходит весь нормальный цикл, присущий дугам этой группы, — возникновение, горение и исчезновение.

На рис. 77 показаны осциллограммы силы тока и напряжения мощной одно­ фазной дуги; на кривой напряжения здесь уже почти не видны пики возникновения и исчезновения и кривая обращена выпуклостью вверх.'ДЛравда и здесь она иска­ жена, но она значительно ближе к синусоиде, чем на рис. 76.

Кривая тока по форме довольно близко подходит к синусоиде, паузы едва за­ метны.

С точки зрения развитой нами выше теории, этим осциллограммам следует дать такую интерпретацию.

Осциллограммы, приведенные на рис. 76, а, б, сняты на маломощной лабора­ торной опытной печи. По данным авторов, мощность трансформатора печи состав­ ляла всего 25 кВА, и ток дуги ограничивался внешним сопротивлением до 25 А. Габариты ванны и тигля печи были малы, что способствовало быстрому охлаждению

идеионизации дуги. Словом, это малоамперная дуга с быстро деионизирующимся разрядным промежутком. Дуга, как и следовало ожидать, горела с паузами.

Весьма ценны замечания С. И. Тельного и И. Т. Жердева по этому поводу. Они пишут, что наблюдаемые иногда пики на кривой напряжения при зажигании

ипогасании дуги обусловлены низкой температурой печи: с повышением темпера­ туры пики сглаживаются и кривая мгновенных значений напряжения дуги превра­ щается в прямую, параллельную оси абсцисс.

Значительный интерес, с точки зрения формы кривой напряжения, представ­ ляет осциллограмма, приведенная на рис. 45. Эта кривая, по указанию С. И. Тель­ ного и И. Т. Жердева, относится к печам большой мощности. Очевидно, дуга была многоамперной и горела в печи с большой ванной. Тепловая изоляция тиглей та-

Рис. 76. Осциллограмма силы тока < и напряжения и печи

Рис. 77. Осциллограмма силы тока < и напряжения и однофазной печи

108

Рис. 78. Осциллограмма силы тока i и напряжения и ферросплав* ной печи

Рис. 79. Осциллограмма силы тока i для шунтированной дуги

а

Рис. 80. Осциллограммы однофазной печи мощностью 10 мВА: а — силы тока i и напряжения и; б — силы тока £

Рис. 81. Осциллограммы напряжения дуги |32]

ких печей обычно весьма высока, и, следовательно, дуга горела в температурных условиях, обеспечивающих достаточно высокую ионизацию разрядного промежутка и в период прохождения тока через нуль. По условиям горения эта дуга прибли­ жается к третьей группе предлагаемой классификации. Кривая напряжения харак­ теризуется выпуклостью, обращенной вверх и приближается к синусоиде. В 1937 г. этими же авторами была опубликована другая работа. В ней освещены условия горения дуги с учетом шунтирующего действия шихты. Вопрос о токе шунта будет рассмотрен ниже. Здесь же остановимся на осциллограммах (рис. 78, а, 6). Они сняты на той же опытной печи, на которой авторы экспериментировали в предыду­ щие годы. На обеих осциллограммах снята сумма мгновенных токов, протекающих по дуге и по шихте. Как видим, кривые начала плавки (а) искажены значительно больше, чем кривые конца плавки (б). Заслуживает внимания то обстоятельство, что ни на одной из кривых силы тока не зафиксирована пауза и в обеих осцилло­ граммах они имеют форму, близкую к синусоидальной. Искажение формы кривой напряжения на рис. 78, а авторы объясняют тем, что осциллограф зафиксировал, кроме напряжения дуги, еще и падение напряжения в электродах. Но падение на­ пряжения в отрезке электрода, входящего в измерительный контур, по сравнению с напряжением дуги настолько мало, что оно не могло в значительной степени иска­ зить кривую напряжения. Поэтому надо полагать, что напряжение, зафиксирован­ ное на осциллограмме рис. 78, а, является напряжением дуги. На рис. 78, б форма

109