3.4.2. Процесс отключения постоянного тока

Восстанавливающееся напряжение – напряжение на коммутирующем органе, нарастающее в процессе отключения цепи.

Восстанавливающаяся электрическая прочность межконтактного промежутка – электрическая прочность свойственная данному коммутирующему органу и нарастающая во времени при отключении. Восстанавливающаяся прочность определяется тем максимальным напряжением, которое способен выдержать без пробоя коммутирующий орган в данный момент времени.

В процессе отключения электрической цепи межконтактный промежуток превращается из проводника электрического тока в диэлектрик. Когда контакты замкнуты и по ним проходит ток, сопротивление их мало, а электрическая прочность промежутка равна нулю. Когда аппарат погасит возникшую на его контактах дугу и столб ионизированного газа рассеется, электрическое сопротивление образовавшегося изоляционного слоя будет равно практически бесконечности. Электрическая прочность промежутка станет равной пробивному напряжению (U_пр) образовавшегося слоя изоляции контактного промежутка.

В процессе отключения цепи восстанавливающаяся электрическая прочностью промежутка, нарастает от 0 до U_пр. В то же время растет напряжение на контактах от единиц милливольт (контакты замкнуты) до напряжения источника питания.

Отключение цепи происходит при соревновании процессов роста восстанавливающейся прочности промежутка и напряжения на нем.

Процесс отключения постоянного тока представлен на рис. 3.9, где введены следующие обозначения: МРК – момента размыкания контактов; I₀ – ток в цепи до начала процесса отключения; U_к – падение напряжения на замкнутых контактах; i_д – ток дуги; t_г – время гашения дуги; U_вп – восстанавливающаяся электрическая прочность; u_д – напряжение дуги; U_max – перенапряжение.

Рис. 3.9. Отключение цепи постоянного тока

После момента размыкания контактов начинает увеличиваться сопротивление дуги, вследствие охлаждения столба дуги дугогасителем. Напряжение на дуге u_д растет но, при успешном гашении, остается меньше восстанавливающейся прочности межконтактного промежутка.

В конце процесса отключения ток составляет единицы или доли ампера, затем резко уменьшается (вследствие роста сопротивления дугового канала), возникает перенапряжение на промежутке. Далее избыточные заряды на емкости растекаются через сопротивление утечки по изоляции, облако ионизированных газов рассеивается и напряжение спадает до U₀.

В конце процесса отключения цепи напряжение на промежутке выражается из (3.16)

. (3.18)

Уравнение (3.18) показывает, что перенапряжение определяются величиной индуктивности цепи и скорости снижения тока (при отключении производная тока имеет отрицательное значение). Поэтому применение интенсивных отключающих устройств часто оказывается недопустимым, вследствие чрезмерных перенапряжений, которые не должны превышать уровня, определяемого изоляцией установок.

В процессе отключения ток цепи уменьшается до нуля, начиная с начального значения – I₀ = U₀/R. Для обеспечения гашения дуги производная тока по времени должна быть отрицательной на всем диапазоне ее изменения от I₀ до нуля. Из уравнения контура (3.16)

. (3.19)

Производная тока по времени останется отрицательной, если создать превышение по абсолютной величине напряжения дуги u_д над разностью (U₀ – iR).

В дугогасительных устройствах применяются следующие способы повышения падения напряжения на дуге

1. растягивание дуги; при этом характеристика перемещается параллельно самой себе в сторону больших падений напряжения;

2. деление дуги на ряд коротких дуг, используются околоэлектродные падения напряжения;

3. повышение давления газов в дуговом промежутке;

4. движение дуги в газовой среде или обдувание дуги газами;

5. соприкосновение электрической дуги с поверхностью твердого изоляционного материала.

Последние три метода повышают падение напряжения на дуговом промежутке за счет увеличения градиента напряжения в стволе дуги.

На рис. 3.10 представлены благоприятные условия гашения дуги постоянного тока, где «1» – u_д = f(i_д) – вольтамперная характеристика дуги; «2» – (U₀ – iR) – реостатная характеристика цепи.

Рис. 3.10. Условие гашения дуги постоянного тока

Условие гашение дуги постоянного тока – на всем диапазоне изменения тока при отключении цепи от начального значения до нуля, вольтамперная характеристика дуги должна лежать выше реостатной характеристики отключаемой цепи. При пересечении этих характеристик, в зоне между точками их пересечения производная di/dt будет положительной, и условия гашения дуги нарушатся.