Содержание
Предыдущий § Следующий

3.4. Круговой огонь на коллекторе

На коллекторе электрической машины может возникнуть электрическая дуга, сопровождающаяся резким увеличением тока и срабатыванием защиты. Поверхность коллектора при этом в большей или меньшей степени оплавляется и до устранения повреждений машина не может работать.

Это явление носит название кругового огня. Обычно оно возникает в машинах с большим напряжением между смежными коллекторными пластинами (25...50 В), при резких увеличениях нагрузки. Однако бывает, что круговой очень возникает и без видимых «провокаций»: при нормальной работе машины в установившемся режиме вдруг вспыхивает электрическая дуга, сопровождающаяся сильным звуковым эффектом, напоминающим взрыв бомбы. Это явление напоминает грозу в миниатюре, при спокойном небе.

Чрезвычайная быстротечность развития электрической дуги на коллекторе сильно затрудняла изучение механизма его возникновения.

Исторически первой гипотезой, объясняющей возникновение кругового огня, была теория «мостиков», по которой начало круговому огню кладет угольная пыль, которая при работе откладывается на изолирующих прокладках между пластинами коллектора и дает возможность образоваться небольшой дуге между пластинами, при напряжении между ними 25 ...50 В в зависимости от сопротивления цепи короткого замыкания. Однажды возникнув, такая дуга удерживается и тогда, когда стороны секции между соответственными пластинами коллектора попадают в область меньшей индукции. Так как в область

максимальной индукции попада- Рис 3 11 Образование кругового ог-ют все новые секции, то вскоре ня согласно теории «мостиков> образуется целый венец небольших дуг, «мостиков» на коллекторе, в конце концов переходящий в сплошную дугу между щеткодержателями различной полярности (рис. 3.11).

Теория «мостиков», основанная на опытах Б. Ламмеи К Трет-тина, правильно объяснила две главные причины возникновения кругового огня:

чрезмерная разность потенциалов между смежными пластинами коллектора;

«санитарное» состояние коллектора — наличие угольной пыли и других проводящих частиц между коллекторными пластинами.

Однако в теории мостиков не учитывалось, что:

на крупных машинах круговой огонь развивается внезапно, без образования «венца» коротких дуг;

горение электрической дуги возможно только при напряжениях более 25 В; так как вблизи геометрической нейтрали ЭДС витка мала, замыкание щеток различной полярности маловероятно;

скорость возникновения кругового огня очень велика и не соответствует постепенному развитию из единичных дуг — «мостиков».

Эти несоответствия между теорией «мостиков» и практикой привели к появлению теории вытягивания дуги из-под щетки *. По этой теории коммутационные дуги, возникающие при искрении щеток, горят некоторое время между щеткой и удаляющейся коллекторной пластиной (рис. 3.12, а). Если искрение щеток достаточно интенсивно, то каждая из дуг ионизирует окружающее пространство. В связи с этим каждая следующая дуга горит дольше предыдущей и происходит постепенное вытягивание коммутационных

* См.: Брон О. Б., Александров В. С. Круговой огонь на коллекторе машин постоянного тока//Электричество. 1935. № 3.

Рис 3 11 Образование кругового огня согласно теории «мостиков>

дуг Когда ЭДС между щеткой и коллекторной пластиной станет достаточной для поддержания дуги, ток в ней возрастет и дуга распространяется по всему коллектору На рис 3 12, б этому моменту соответствует точка А, в которой вольт-амперная характеристика дуги (2) пересекается с потенциальной коллекторной кривой (/), показывающей значение напряжения между щеткой и коллекторной пластиной, находящейся от нее на расстоянии х

Критерий устойчивости машины к возникновению кругового огня — расстояние от щетки до точки А (длина отрезка ОА на рис 3 12, б) при заданном качестве коммутации машины

Развитие теории вытягивания дуги из-под щетки способствовало выявлению связи между возникновени-

Рис 3 12 Вытягивание дуги из-под щетки:

а — схема вытягивания дуги, 6 — сопоставление вольт-амперной характеристики дуги с потенциальной кривой кругового огня и видом

потенциальной коллекторной кривой (что было подтверждено статистически)

Напряжение между щеткой и удаляющейся коллекторной пла-

стиной Uа='⁴^' е_сп е_с— мгновенное значение ЭДС секции, п —

число коллекторных пластин между щеткой и рассматриваемой точкой n = x/t_Kon, где ^кол — коллекторное деление

При постоянстве индукции в воздушном зазоре, если пренебречь дискретностью числа п, и_а~е_{хЦ_1мч

Таким образом, крутизна подъема потенциальной коллекторной кривой на прямолинейном участке dUa/dx = e_clt_Koi, т е зависит не только от напряжения между соседними коллекторными пластинами е_с, но и от коллекторного деления

Этим объяснялся известный из практики факт, что машины с узкими коллекторными пластинами более склонны к возникновению кругового огня, чем с широкими пластинами

В СССР и других странах сторонники теории вытягивания дуги из-под щетки пытались повысить стойкость машины к круговому огню, устанавливая барьеры на коллекторе, уменьшая полюсную дугу и т д Однако эти меры не дали положительных результатов, что заставило критически взглянуть на фундамент всей теории Остроумные опыты О Б Брона и В С Александрова, доказавшие многократность возникновения и погасания дуги между коллектором и щеткой и послужившие основой теории вытягивания дуги из-под щетки, имели ряд недостатков, ставивших под сомнение всю теорию Во-первых, сами авторы отметили, что фотографирование электрических дуг между щеткодержателем и коллектором велось

уже после возникновения кругового огня; во-вторых, моменты времени в опытах было невозможно фиксировать; в-третьих, наблюдается несоответствие между направлением тока в коммутационной дуге и полярностью потенциальной коллекторной кривой (направление тока в коммутационной дуге различно при недокоммутации и перекоммутации).

Все эти противоречия и недостатки заставили продолжить Исследования по выявлению механизма возникновения кругового огня *. В качестве объекта испытания была выбрана высоковольтная машина мощностью 180 кВт, при эксплуатации которой часто возникал круговой огонь.

В опыте машина работала в генераторном режиме при холостом ходе со снятыми щетками, т. е. полностью исключалось вытягивание дуги из-под щетки. Электродвижущую силу генератора постепенно увеличивали, повышая частоту вращения и ток возбуждения. При режиме, близком к номинальному, на коллекторе машины возник круговой огонь. Перед этим на коллекторе не было заметно ни горящих «мостиков», ни каких-либо других ненормальностей. Повторные испытания после зачистки коллектора и восстановления изоляционных поверхностей также временами приводили к появлению круговых огней. Состояние коллектора было отличным: после проточки и шлифовки коллектора он промывался спиртом.

Так как в данном случае полностью исключалось вытягивание дуги из-под щетки (их не было!) и не могло быть речи о венце из горящих «мостиков», возникло предположение о том, что круговой огонь появлялся в результате единичной вспышки между смежными пластинами, вызванной случайными причинами: сгоранием медного заусенца, оставшегося от проточки, попаданием кусочка графита от щеток. Для проверки этой гипотезы между двумя коллекторными пластинами забивался осколок щетки, затем якорь приводился во вращение (посторонним двигателем), после чего к обмотке возбуждения испытуемой машины подводился ток, быстро нараставший до значения, соответствующего номинальному режиму. Почти во всех опытах включение тока возбуждения приводило к возникновению кругового огня.

Таким образом была показана возможность возникновения кругового огня из единичной вспышки между соседними коллекторными пластинами. Этим и объясняется то, что круговой огонь на мощных электрических машинах возникает внезапно, без всяких предварительных признаков, что сильно затрудняет устройство какой-либо защиты от его возникновения.

Для более подробного исследования механизма образования кругового огня из единичной вспышки была собрана установка (рис. 3.13), в которой вспышка создавалась искровым разрядом

* См.: Находкин М. Д., Хвостов В. С. К вопросу о природе кругового огня на коллекторе высоковольтных машин постоянного тока//Вестннк электропромышленности. 1956. № 4.

между коллектором и вспомогательным электродом. Длительность искрового разряда устанавливалась примерно равной времени прохождения под электродом одного коллекторного деления, что достигалось соответствующим выбором емкости разрядного конденсатора С и сопротивления R. Напряжение на обкладках конденсатора при опытах составляло 4,0 кВ. Во время опытов производилась киносъемка коллектора камерой СКС-1 с частотой 4 тыс. кадров в секунду, менялись режимы работы машины, а также положение запального электрода на коллекторе.

В результате искрового разряда между коллектором и вспомогатель-Рис. 3.13. Установка для образо- ным электродом наблюдался один вания единичной вспышки трех результатов:

1) отсутствие вспышки;

2) вспышка, сопровождавшаяся более сильным звуковым и световым эффектом, чем сам разряд; после удаления с пластин нагара на них оставались прожоги (на одной паре пластин, по обе стороны промежутка между ними);

3) круговой огонь.

Отсутствие вспышки фиксировалось тогда, когда напряжение между смежными пластинами в месте расположения запального электрода было менее определенного значения, зависящего от толщины изоляции между смежными коллекторными пластинами. При толщине изоляции 6_Из = 0,8 мм это минимальное напряжение составляло 25 ... 27 В; достигло 30 ... 33 В при биз= 1,0 мм и 35 ... 37 В при 6_Из=1,2 мм. Это минимальное напряжение было названо напряжением зажигания дуги.

Вспышка наблюдалась в том случае, когда напряжение между пластинами в месте запала было больше напряжения зажигания, но вскоре после этого оно уменьшалось и вспышка не переходила в круговой огонь.

Круговой огонь возникал в том случае, если после возникновения вспышки проходило время, достаточное для увеличения тока в короткой дуге (между двумя соседними пластинами) и ионизации пространства над коллектором.

На рис. 3.14 изображены диаграммы изменения напряжения между смежными коллекторными пластинами испытуемой машины при напряжениях на коллекторе 1650 и 1980 В. Там же показаны зоны, в которых искровой разряд приводил к возникновению кругового огня — дуги коллектора аа' и се', и к вспышкам — дуги а'а" и с'с". Вне этих зон искровой разряд не давал результата, т. е. не было ни кругового огня, ни вспышек.

На рис. 3.15 приведены фотографии возникновения вспышки и перехода ее в мощную дугу —в круговой огонь. На рис. 3.15, а кад-

Рис. 3.13. Установка для образования единичной вспышки

ры киноленты, снятые со скоростью 1500 кадров в секунду, иллюстрируют процесс горения дуги при вспышке.

Запальный электрод стоял немного левее точки а! на коллекторе, там, где вспышки были довольно мощные, но еще не переходили в круговой огонь.

На рис. 3.15, а видно, что при движении вместе с коллектором элементарная дуга оставляет на своем пути факел из ионизированных светящихся газов.

На первых пяти кадрах видно постепенное, а на шестом и седьмом кадрах — резкое увеличение яркости вспышки и количества ионизированных газов. Это может быть объяснено тем, что

Рис. 3.14. Диаграмма с результатами опытов с единичными вспышками

элементарная дуга к рассматриваемому моменту выделила так много тепловой энергии, что расплавленная

медь замкнула накоротко смежные коллекторные пластины, резко увеличился ток, что привело к бурному испарению меди, т. е. к своеобразному взрыву, аналогичному процессу в сварочной дуге, при замыкании электродов каплей расплавленного металла. «Взрыв» не привел к образованию мощной дуги на коллекторе, по-

Рис. 3.15. Кинограмма возникновения кругового огня

тому что произошел в зоне, где потенциальные условия на коллекторе недостаточны для поддержания дуги, так как за шесть кадров (4- Ю-³ с) дуга сместилась на 12 см и оказалась в зоне, где напряжение между смежными пластинами менее 20 В. Осмотр коллекто-

pa после этой вспышки показал, что образовалось местное оплавление двух коллекторных пластин, между которыми горела дуга. На остальной части коллектора повреждений замечено не было.

На рис. 3.15,6 по»азаны кадры кинопленки, зафиксировавшие развитие кругового огня из элементарной дуги между смежными коллекторными пластинами. Съемка производилась со скоростью 3800 кадров в секунду, но в более мелком масштабе, так что на кадре умещается почти все пространство между щеткодержателями. Первые кадры на рис. 3.15, б очень сходны с соответствующими

кадрами рис. 3.15, а. Как и в первом случае, элементарная дуга, горящая между смежными пластинами, перемещаясь вместе с коллектором, оставляет за собой факел ионизированных газов. После того как пространство около коллектора стало достаточно ионизированным, происходит пробой и на кадрах 6, 7 и далее отчетливо виден ствол дуги, охватывающий значительную часть коллектора. Последующие кадры кинограммы (не представленные на рис. 3.15,6) показывают, что о закономерностях дальнейшего развития дуги говорить трудно.

Ионизированный газ, содержащий пары металла, вызывает возникновение частичных дуг в различных местах коллектора.

На основании описанных опытов механизм развития кругового огня из единичной вспышки схематически можно представить в следующем виде (рис. 3.16, а). Из-за наличия заусенцев, угольной пыли и осколков щеток возникает первоначальная короткая дуга / между пластинами а и Ь. Перемещаясь вместе с коллектором, дуга становится все более мощной вследствие нарастания в ней тока и пространство над коллектором 2 ионизируется, т. е. заполняется раскаленными парами меди. По мере перемещения дуги вместе с коллектором все большее пространство становится ионизированным и, наконец, дуга 3 перекрывает несколько пластин, (рис. 3.16, б), что ведет к еще большему возрастанию тока.

Дальнейшее развитие процесса носит случайный характер, но всегда сопровождается повреждением коллектора и других деталей машины.

Процесс перерастания единичной вспышки в мощную дугу длится 0,01 ...0,001 с и поэтому не удалось создать от него какую-либо защиту.

Круговой огонь по своей сути является внутренним коротким замыканием и для уменьшения повреждений от электрической дуги нужно не только отсоединить машину от внешней сети, но и принять меры по быстрому гашению поля возбуждения.

Рис. 3.16. Развитие кругового огня из единичной вспышки

Практика показывает, что эксплуатация машины, склонной к возникновению кругового огня, требует таких больших затрат, что предпочтительнее при конструировании машины принять меры к тому, чтобы предотвратить возникновение кругового огня в эксплуатации, какими бы дорогими они ни были.

При расчете электрической машины постоянного тока необходимо выбрать параметры машины так, чтобы максимальное напряжение между смежными пластинами не превосходило опасных

границ. Статистическое определение этих границ должно базироваться на практике эксплуатации и данных экспериментальных исследований. Пример таких исследований — работа, выполненная под руководством Б. Г. Каменецкого по изучению склонности тепловозных тяговых двигателей к возникновению кругового огня *. В этой работе описаны опыты с созданием искусственной вспышки на коллекторе тяговых двигателей различных типов и модификаций по описанной выше методике.

Основные данные испытуемых двигателей представлены в табл. 3.1. Результаты испытаний приведены на рис. 3.17, 3.18 и 3.19. По этим результатам можно сделать заключение, что:

1) напряжение зажигания дуги зависит от толщины изоляции между пластинами; так, например, при толщине изоляции б_из= = 1,0 мм вспышки возникают при напряжении примерно 25 В, а при 6иэ= 1,2 мм — при напряжении 30... 32 В;

2) переход вспышки в круговой огонь зависит от ширины коллекторных пластин: если t_KOJI = 4,75 мм, вспышка переходит в кру-

* См.: Кпменецкий Б. Г., Егоров А. Я. Условия возникновения кругового огня на коллекторе тягового электродвигателя//Электротехника. 1967. № 5.

говой огонь при е_с = 29 В, тогда как если ^_КОл = 8,35 мм, то круговой огонь не возникает даже при е_с = 44 В (при одной и той же толщине изоляции 6_Из=Г,0 мм);

Таблица 3.1

3) влияние времени горения единичной дуги на переход вспышки в круговой огонь очевидно (см. рис. 3.19), однако не столь однозначно, а в некоторых случаях — у машин с узкими коллекторными пластинами — оно вообще малозаметно (см. рис. 3.17).

На основании статистического материала эксплуатации и экспериментальных исследований разработаны рекомендации на предельные значения максимального напряжения между смежными пластинами (рис. 3.20). Эти рекомендации относятся к электрическим машинам мощностью более 50 кВт. Для машин меньшей мощности предельные напряжения допустимо увеличивать до 50... 70 В.

В машинах очень малой мощности единичные вспышки могут вообще не приводить к круговому огню и тогда наблюдается потенциальное искрение, когда мостики из угольной пыли перекрыва-

ются мелкими электрическими дугами и сгорают, не вызывая серьезных повреждений коллектора.

Необходимость ограничения максимального напряжения между смежными коллекторными пластинами заставляет в машинах большой мощности ограничивать длину якоря, что ведет к увеличению их габаритов и массы.

Поэтому многие инженеры и ученые искали и ищут средства для повышения предельных значений максимального напряжения между коллекторными пластинами.

Процесс изменения тока в дуге описывается дифференциальным уравнением

е_с = гг_с -f L_udijdt -f Ди_й + С/_ал, (3.16)

где е_с — мгновенное значение ЭДС секции; г_с — активное сопротивление секции; Ди<э — падение напряжения в стволе дуги; £/_эл — околоэлектродное падение напряжения в электрической дуге. Мощность единичной дуги можно условно характеризовать установившимся током

Снизив ток Id, можно уменьшить вероятность кругового огня, для чего следует увеличить Дн<э, и_эл и г_с.

Падение напряжения в стволе дуги Ды<э зависит от ее длины, тока, проходящего в ней, и условий охлаждения.

Околоэлектродное падение напряжения определяется, в основном, материалом электродов.

С целью установления основных закономерностей горения дуги была проведена серия опытов на двух однородных электродах*. Сначала исследовалось напряжение на электрической дуге ио= = Аи_а + и^, между медными электродами, выполненными в виде коллекторных пластин. На рис. 3.21 приведены зависимости ио = = f(i) для различных расстояний б_и.э между коллекторными пластинами, полученные при постоянном токе.

Из рисунка видно, что при малых токах — до 15 А — напряжение на дуге сильно зависит от тока, уменьшаясь с увеличением то-

* См.: Хвостов В. С, Чернов Е. Т. К вопросу о характеристиках электрической дуги между смежными пластинами коллектора/Труды МИИТа. 1965. Вып. 205.

ка. При токах больше 15 А эта зависимость слабая и приближенно можно считать напряжение на дуге постоянным, не зависящим от тока.

Приведенная на рис. 3.22, а зависимость напряжения на дуге (при токе 40 А) от толщины изоляции между пластинами дает наглядное представление о том, чего можно достичь, увеличивая толщину изоляции. Практически даже в самых крупных машинах изо-

Рис. 3.21. Зависимость напряжения на электрической дуге между медными электродами (при постоянном токе) от расстояния между ними

ляцию делают не толще 1,5 мм, чтобы было не сложно обеспечить необходимую жесткость коллектора. Согласно кривой а на рис. 3.22, напряжение на дуге около 22 В, тогда как при б_Иэ = 0,8 мм— 17 В. Следовательно, надлежащим выбором изоляции можно увеличить предельное напряжение на 20...25%.

Характеристики, представленные на рис. 3.21 и 3.22 (кривая а),— статические, т. е. сняты при постоянном токе и длительно горящей дуге. Дуга при вспышке горит тысячные доли секунды, поэтому падение напряжения на ней больше, чем в рассмотренном случае, так как степень ионизации меньше.

Более близкими к реальным были условия горения дуги на установке *, в которой между двумя смежными пластинами забивался осколок щетки, а затем от мощного источника подавалась полусинусоида напряжения. Осколок сгорал и примерно на 0,01 с возникала короткая дуга (рис. 3.22,6).

* См.: Курбасов А. С. Исследование условий возникновения и развития вспышек на коллекторах тяговых электродвигателей//Вестник ВНИИ ж. д. транспорта. 1957. № 2.

Как и при постоянном токе, напряжение на дуге удерживалось почти постоянным, не зависящим от тока, однако абсолютные значения напряжения оказались существенно выше: (они соответствовали кривой б на рис. 3.22, а).

Например, при толщине изоляции б_Иэ=0,8 мм напряжение на дуге при переменном токе 26 В, а при постоянном токе—17 В; аналогично при 6_Из=1,5 мм — 30,5 и 22 В.

Рис. 3.22. Зависимость напряжения на дуге от толщины изоляции между пластинами (а) и осциллограмма горения дуги при синусоидальном напряжении питания (б)

Хотя абсолютные значения напряжения при переменном токе значительно больше, чем при постоянном, вывод о влиянии толщины изоляции на него сохраняется: при переходе с 6_из = 0,8 мм на биз= 1,5 мм напряжение на дуге возрастает примерно на 30%.

Значительную часть напряжения на дуге составляет околоэлектродное напряжение, поэтому делались многочисленные попытки найти материал для коллекторных пластин, при котором напряжение на дуге было бы выше, чем при медных пластинах. Были проведены опыты (при постоянном токе) с пластинами из различных материалов: меди с добавками серебра и кадмия, серебра, стали, цинка, вольфрама и т. д. К сожалению, заметного возрастания напряжения не дал ни один из материалов, за исключением графита, при пластинах из которого напряжение на дуге увеличилось примерно на 30% по сравнению с пластинами из меди. Поэтому эксперименты с графитовыми коллекторами * следует считать перспективными с точки зрения повышения устойчивости электрических машин к возникновению кругового огня.

* См.: Фиалков А. С, Вилькин М. А. Исследование скользящего контакта при работе щеток на углеграфитовых коллекторах//Электротехника, 1963. № 9.

Содержание
Предыдущий § Следующий