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

Рис. 82. Осциллограммы силы тока » и нап

по

промежутка, а не наличием дуги вообще. Если бы дуга в опытной печи, на которой она снята, была достаточно хорошо изолирована в тепловом отношении, то условия горения дуги изменялись бы и искажения, фиксированные на данной осциллограмме, исчезли. Подтверждением этого служат заимствованные из той же работы осцил­ лограммы (рис. 80, а, б). Эти осциллограммы очень интересны. Схема шунтирова­ ния печи и тут принята примерно такой же, как и при снятии осциллограммы рис. 78, б, но между этими осциллограммами, как видим, существует резкая раз­ ница. Осциллограммы силы тока и напряжения мощной печи не содержат высших гармоник и очень близко подходит к синусоиде. Это вполне понятно. В мощной однофазной печи, благодаря значительным размерам ванны, обеспечивается хоро­ шая герметичность тигля. Температура внутри тигля, особенно вблизи разрядного промежутка, будет, конечно, значительно выше, чем в тигле маленькой опытной печи. Поэтому и степень ионизации в мощной печи будет выше, и, следовательно, кривые силы тока и напряжения будут ближе к синусоиде. По своей форме они весьма близки к осциллограммам силы тока, снятым нами на мощной трехфазной печи при выплавке ферросплавов.

Работы школы проф. С. И. Тельного сыграли важную роль в углублении на­ ших знаний об электрических процессах, происходящих в ванне печи. Поэтому мы так подробно остановились на них. Одинаково ценными для нас оказались как теоретическая, так и экспериментальная части этих работ, которые хорошо иллю­ стрируют приведенные выше выводы о влиянии теплового режима на форму кривых силы тока и напряжения дуги.

В последующем исследования мощной печной дуги были проведены нами на ферросплавных и карбидных печах; позднее В. Г. Егиазарян исследовал дугу муллитовой печи.

Исследования условий горения печной электрической дуги, которые прове­ дены П. В. Сергеевым [32], также показали, что условия охлаждения дуги во мно­ гом определяют характер ее горения и форму кривой напряжения. На рис. 81 при­ ведены осциллограммы дуги в опытной печи (данные П. В. Сергеева). Осцилло­ граммы, показанные на рис. 81, а относятся к холодной печи. Кривая напряжения приближается к трапецеидальной форме и имеет пики зажигания. Осциллограммы рис. 81, б относятся к разогретой печи (при тех же параметрах электроцепи), и здесь

в сталеплавильной печи (а, б), на которых точками показаны моменты проведения фотосъемки. На этом же рисунке приведены фотографии дуги (в, г).

Глава IV

Возникновение дуги и устойчивость ее горения

Дуговой разряд может возникнуть вследствие нарушения элек­ трического контакта между электродами или в результате пробоя газоразрядного промежутка.

1. Возникновение дуги вследствие нарушения контакта между электродами

Выше было отмечено, что если в электрической цепи, содержащей источник достаточно высокого напряжения и мощности, нарушить контакт в какой-либо точке, то в зависимости от условий в этой точке либо возникает разряд, либо прекращается ток в цепи. Явление это хорошо изучено в теории коммутационной аппаратуры.

112

Рис. 85. Осциллограмма отключения тока

то напряжение размыкания будет равно U. Так как г0 и Т не равны нулю, то получаем условие LK = 0.

Но если индуктивность контура равна нулю, то уравнение (IV-6) упрощается и дает решение:

Итак, равномерному спаду тока i соответствует равномерный подъем напряжения размыкания.

На рис. 85, а, б приведены осциллограммы размыкания цепи постоянного тока с различными характеристиками. На рис. 85, а показано отключение цепи при малой индуктивности. Напря­ жение на контактах почти прямолинейнодостигает конечного значения (235 В), при котором отключается цепь. Ток в течение 8,5 мс спадает от 40 А до нуля. На рис. 85, б показано отключение цепи при боль­ шой индуктивности. Процесс отключения сопровождается возник­ новением дуги и длится 0,45 с. В течение этого времени ток от 20 А спадает до нуля, напряжение же скачком достигает 1600 В, а потом спадает до номинального значения 250 В. За это же время напряже­ ние на индуктивности скачком возрастает от нуля до 1350 В и снова

ходит в течение оставшихся 0,01 с.

Рассмотрим энергетическую сторону процесса размыкания. За время размыкания в контактной области выделится в виде тепла

Подставив из уравнения (IV-3) значение напряжения контакта ик, получим

т т

Как видим, энергия, выделяющаяся в контактной области, скла­ дывается из двух составляющих. Первая из них определяется актив­ ным сопротивлением контакта, а вторая представляет собой энергию электромагнитного поля контура перед размыканием и пропорцио­ нальна индуктивности контура и квадрату силы тока перед размы­ канием.

За счет этой энергии нагреваются контакты и повышается их температура. Если контур характеризуется малой индуктивностью, а размыкающиеся контакты — большой теплопроводностью, и про­ цесс размыкания протекает достаточно медленно (значение Т велико), то количество тепла, выделяющееся в контакте, невелико. Оно быстро рассеивается и температура контактов остается на сравни­ тельно низком уровне, ниже температуры плавления и испарения материалов контактов. В этом случае процесс размыкания цепи за­ канчивается без возникновения газового разряда между размыка­ ющимися контактами. Во избежание возникновения дуги в комму­ тационной аппаратуре для изготовления контактов используют обыкновенно материалы, характеризуемые высокой теплопровод­ ностью и высокими температурами плавления и испарения (серебро, медь). Но такие бездуговые разряды удается осуществлять только при малых токах (до 0,5 А). При больших токах энергия магнитного поля разрываемого контура бывает настолько велика, что даже при сравни­ тельно малых скоростях размыкания энергия размыкания не успе­ вает рассеяться. Контактные поверхности нагреваются до темпе­ ратуры плавления, а потом и испарения, и между расходящимися контактами возникает газовый разряд.

При оплавлении материала контактов и стекании его из кон­ тактной области сечение последней уменьшается и соответственно растет ее сопротивление, что приводит к дальнейшему повышению температуры контактных поверхностей и их испарению. Высокая температура паров контактных материалов приводит к их ионизации и создаются условия для возникновения газового разряда.

Правда, неясен механизм образования катодного пятна, так как у многих контактных материалов, в том числе и у меди, температура испарения ниже температуры образования катодных пятен, но опи­ санная выше картина образования дуги типична для размыкания цепей многих видов. Так возникает дуга при разрушении плавких предохранителей, сварочная дуга в начале ее образования и в подав­ ляющем большинстве случаев в коммутационной аппаратуре.

116

а потом отрывается от него.

На рис. 87 приведена для сравнения осциллограмма разрыва тока плавким предохранителем. Одинаковый характер протекания этого процесса и процесса разрыва тока в сталеплавильной печи очевиден. Разница состоит только в том, что дуга, возникшая после разрушения плавкой вставки, не возобновилась, а дуга в печи после нескольких гашений вступила в устойчивое горение.

Вернемся теперь к напряжению дуги. Мы видели выше, что при выполнении критического условия (IV-10) напряжение на размыка­ ющихся контактах может достигнуть бесконечно большой величины. С появлением дуги это условие нарушается, так как дуговой разряд обеспечивает дальнейшее прохождение тока в контуре.

С появлением дуги существенно меняются условия размыкания контактов, так как величина контактного сопротивления г уже не стремится к бесконечности. В результате этого длительность про­ цесса размыкания Т растет. Либо она достигнет конечной величины Тд >■ Т, либо — бесконечной. В первом случае дуга будет гореть неустойчиво и исчезнет по прошествии времени Тд, во втором она будет гореть устойчиво до тех пор, пока какие-либо новые возмуще­ ния не приведут к ее исчезновению.

Условия устойчивого горения дуги рассмотрим позднее. Здесь же отметим очевидный факт, что дуга может гореть только до тех пор, пока напряжение на контактах будет достаточным для покрытия падения напряжения во всем разрядном промежутке.

v V A ^ W \ А А ^ =

V *

Рис. 87. Осциллограмма разрыва тока плавким предохранителем

117

2« Возникновение дуги при пробое газоразрядного промежутка

Разряд этого вида возникает в газовом промежутке между элек­ тродами, расположенными на некотором расстоянии Друг от друга. В этом случае дуговому разряду могут предшествовать газовые раз­ ряды других видов (несамостоятельный, самостоятельный, тлею­ щий). Как было отмечено, все они отличаются от дугового разряда тем, что характеризуются очень высокими потенциалами на катоде

иочень малыми токами. Это различие из количественного переходит

вкачественное. Но все же при определенных условиях предшеству­ ющие разряды переходят в дуговые. Не будем останавливаться на теории додуговых разрядов и рассмотрим непосредственно процесс перехода разрядов других видов в дуговой.

Вгазовом промежутке между электродами всегда находится не­

которое число ионизированных частиц и процессы электризации и деэлектризации газа протекают непрерывно. Уровень электризации газа зависит от ряда условий (температуры, давления и т. д.). Если наложить на газ между электродами электрическое поле, то ионизи­ рованные частицы получат направленное движение. При благо­ приятных условиях в приэлектродных областях эти частицы создадут электрический ток. Очевидно, что чем сильнее будет электризован газ, тем больше ток в разрывном промежутке.

Свозрастанием напряжения, приложенного к электродам, растет

иударная ионизация газового промежутка.

Когда скорость ионизации превысит скорость деионизации газа рекомбинацией и диффузией, ток в разрядном промежутке начнет резко возрастать и произойдет пробой газа — возникнет дуговой разряд.

Напряженность поля, при которой происходят пробой газового промежутка и возникновение дуги, называется пробивным градиен­ том газа.

Таким образом, когда напряженность внешнего поля, приложен­ ного к электродам, превысит пробивной градиент, в газе возникнет дуговой разряд, который сам установит необходимые на электродах условия горения.

Пробивной градиент газов при нормальных условиях темпе­

Однако с изменением этих условий пробивной градиент резко меняется. На рис. 88, а, б приведены кривые, показывающие зави­ симость изменения пробивного градиента от этих условий.

С разрядом такого вида в электрических печах мы встречаемся значительно чаще, чем обычно принято это считать.

Действительно, в печах переменного тока при прерывистом горе­ нии дуги в течение каждого полупериода возникает и исчезает дуго­ вой разряд. Дуга возникает только в тот момент, когда нараста­ ющее внешнее напряжение создает напряженность поля, превыша­ ющую пробивной градиент газа при данной температуре и дуга го-

118

Рис. 88. Зависимость пробивного натяжения воздуха при различных расстоя­ ниях между электродами (электроды симметричные):

а — от давления; б — от температуры {I — расстояние между электродами)

рит только до тех пор, пока существуют эти условия. После про­ хождения напряжения через максимум его значение падает; вместе с тем падает и напряженность поля. Когда она станет меньше про­ бивного градиента, дуговой разряд исчезнет. В зависимости от тепло­ вой инерции газового разряда и значения его пробивного градиента необходимое напряжение горения дуги будет различным. Итак, при периодическом изменении напряжения и напряженности разрядного промежутка дуга будет периодически возникать и исчезать. Воз­ можны следующие предельные случаи. После возникновения дуги внешние факторы быстро и интенсивно усиливают условия деэлек­ тризации газа (быстрая рекомбинация). Вследствие этого пробивной градиент дуги возрастает, становится больше напряженности поля, созданного внешним источником, и дуга гаснет. В этом случае на­ блюдается неустойчивая угасающая дуга.

При постоянном внешнем напряжении возможен случай, когда внешние факторы не меняют пробивного градиента дугового промежутка. При этом дуга будет гореть длительно и устой­ чиво.

При переменном внешнем напряжении газовая среда может обла­ дать достаточно малой инерцией пробивного градиента. Пробивной градиент тоже будет меняться периодически. Дуга возникает и исче­ зает в течение каждого полупериода и горит прерывисто, но устой­ чиво.

Наконец, при определенных условиях, инерция газового слоя и его пробивного градиента может быть настолько велика, что про­ бивной градиент будет оставаться постоянным и достаточно низким. В этом случае дуга переменного тока может гореть устойчиво и непрерывно.

Рассмотрим, как зависит устойчивость горения дуги от пара­ метров внешней части дугового контура.

119