2. Основи теорії горіння електричної дуги

1. Форми електричного розряду в газах

Між контактами, що розходяться і розривають електричне коло, виникає розряд. Повітряний проміжок іонізується та стає на деякий час провідним, в ньому виникає дуга. Фізичний процес вимикання полягає в деіонізації повітряного проміжку між контактами, тобто в перетворенні його в діелектрик і призупиненні електричного розряду.

Рисунок 1.8 – Залежність падіння напруги на розрядному проміжку від величини струму електричного розряду в газах:

І – область тліючого розряду, що характеризується високим падінням напруги (200-250 В) та малим значенням струму (до 0,1 А); ІІ – перехідна область; ІІІ – область дугового розряду, що характеризується малим падінням напруги (10-20 В) та великою густиною струму (до 10⁶ А/см²).

Електрична дуга супроводжується виділенням великої кількості тепла.

2. Вольт-амперна характеристика дуги

В ольт-амперна характеристика дуги показує залежність падіння напруги на дузі від струму, що протікає в ній (рис.1.9).

Рисунок 1.9 – Вольт-амперна характеристика дуги:

U_з – напруга запалювання дуги - (напруга початку дугового розряду);U_г – напруга гасіння:

1 – статична характеристика дуги; 2 – динамічна характеристика дуги; 3 – відсутність дуги

Розрізняють:

• статичну характеристику дуги (1) – для кожного значення струму встановлюється врівноважений стан, коли процеси іонізації та деіонізації врівноважені, електричний опір та падіння напруги стають величинами постійними і не залежать від часу;

• динамічну характеристику (2) – отримується при швидкій зміні струму;

• динамічну характеристику (3), коли струм миттєво змінюється до нуля.

3. Умови гасіння дуги постійного струму

Для гасіння необхідно створити умови, щоб при всіх значеннях струму процеси деіонізації перевершували процеси іонізації. Уявимо схему заміщення процесу дугоутворення, для якої справедливе рівняння (1.34):

(1.49)

Рисунок 1.9 – Схема заміщення дугового проміжку

Рисунок 1.10 – Умови гасіння дуги постійного струму:

1 – напруга джерела (U_дж);

2 – падіння напруги на активному опорі;

3 –вольтамперна характеристика дугового проміжку.

При стійкому горінні дуги і тоді

Для погашення дуги необхідно, щоб , а

В точках а і б виконується умова врівноваженого стану:

та (1.50)

При настане умова і дуга погасне.

При струм буде зростати до значення І_б, так як .

матиме позитивне значення величини. В колі відбуватиметься накопичення електромагнітної енергії. В точці б дуга горітиме стійко.

Умова виконується в тому випадку, коли крива (3) не буде мати з кривою (2) жодної спільної точки (Вона лежить вище від неї. Під вольт-амперною характеристикою дуги тут розуміють динамічну характеристику).

Енергія, що виділяється в дузі за час її горіння, складає

(1.51)

енергія від енергія магнітного

генератора поля котушки

за час горіння

(1.52)

4. Особливості горіння і гасіння дуги змінного струму

Якщо при постійному струмові дуга гасне при наближенні струму до нуля (зростає ступінь деіонізації), то при змінному струмі нульове значення струм проходить через кожний напівперіод (дуга гасне і загоряється знову). Задача полегшується, але треба скласти такі умови, щоб струм не відновився після проходження через нульове значення.

Вольт-амперна характеристика дуги змінного струму має наступний вигляд (рис.1.11).

Рисунок 1.11 – Характеристика дуги змінного струму

В дійсності струм в дузі дещо відрізняється від синусоїдної форми . В момент переходу через нуль він різко падає до нуля і знову досягає (стрибком) відповідного значення. Це викликано інтенсивною іонізацією дугового проміжку.

І

і

t_I=0

Т

0

-І

Рисунок 1.12 – Перехід струму через нуль

- називається безструмовою паузою. Її тривалість залежить від індуктивності кола (з ростом індуктивності пауза зменшується). Умова гасіння дуги змінного струму полягає в тому, щоб зростання пробивної напруги проміжку (крива 1, рис. 1.13) випереджало зростання напруги на ньому (крива 2). Тоді при переході через нуль дуга гасне. Якщо ця умова не виконується, то в момент часу, що відповідає точці О ( крива 3 – швидкість наростання опору проміжку протікає повільно) відбудеться повторне загорання дуги. Струм в дузі досягне певного значення, а напруга буде змінюватися згідно кривої 4.

Рисунок 1.13 – Умови гасіння дуги змінного струму

При гасінні дуги напруга проміжку зростає від U_Г до миттєвого значення U_mах джерела живлення. Цей процес називається процесом відновлення напруги на дуговому проміжку.

Відновлення напруги може здійснюватись аперіодично (рис.1.14), або через коливальний процес (рис.1.15).

Рисунок 1.14 – Аперіодичне встановлення напруги на дуговому проміжку

Рисунок 1.15 – Коливальне встановлення напруги на дуговому проміжку

В обох випадках струм випереджає напругу (активно-індуктивне навантаження).

При вимиканні активного навантаження струм за фазою співпадає з електрорушійною силою і вони одночасно переходять нуль (рис.1.16). Тоді відновлююча напруга проміжку буде дорівнювати нулю.

С

T

Рисунок 1.16 – Встановлення напруги при відключенні активного кола

0

лід відмітити, що активне навантаження легше вимикати ніж індуктивне. (Гасіння при частоті f =10 кГц наближено до умов гасіння при постійному струмі).