2.5. Характеристики электрической дуги отключения постоянного тока

Рассмотрим некоторые характеристики дуги отключения постоянного тока применительно к анализу горения и гашения дуги переменного тока. В частности, вольт-амперная характеристика дуги отключения переменного тока в интервале времени большого тока (между пиками напряжения гашения и напряжения зажигания) аналогична статической вольт-амперной характеристике дуги постоянного тока. Анализ процесса «срез тока» в ДУ переменного тока, а также эффект от шунтирования резистором межконтактного промежутка ДУ переменного тока (для повышения отключающей способности ДУ), можно проводить, используя аналогию с характеристиками дуги постоянного тока при ее гашении.

Рассмотрим некоторые особенности горения и гашения электрической дуги постоянного тока. На рис. 2.24 показаны характеристики тока и напряжения на промежутке при возникновении дуги на контактах в цепи постоянного тока. В момент А контакты разомкнулись ( — напряжение на контактах до t = A). По мере разведения контактов напряжение на дуге растет, и возникают предпосылки образования изоляционного промежутка (1 стадия). На стадии 2 контакты разведены на достаточное расстояние, и дуга погасла, а напряжение на промежутке соответствует напряжению сети .

Рис. 2.24. Переходные процессы при отключении КЗ в сети постоянного тока

Для цепи (рис. 2.25, а), содержащей сопротивление R, индуктивность L и межконтактный промежуток с дугой отключения (напряжение на дуге U_д), к которой приложено напряжение источника тока U₀, справедливо уравнение:

(2.30)

где — падение напряжения на индуктивности при изменении тока.

При устойчиво горящей дуге и

Для погасания дуги необходимо, чтобы ток в ней все время уменьшался ( ), и, следовательно,

(2.31)

При этом неравенство (2.31) должно иметь место при всех значениях тока в пределах от до нуля.

Рис. 2.25. Сеть постоянного тока с дугой отключения (а) и определение их взаимодействия (б)

Следовательно, гашение дуги постоянного тока происходит в тех случаях, когда источник не способен при определенных условиях поддержать горение дуги постоянного тока [5,6].

Графическое решение уравнения (2.30) приведено на рис. 2.25, б. Прямая 1 представляет собой напряжение источника U₀, прямая 2 — падение напряжения в омическом сопротивлении (реостатная характеристика цепи), отсчитываемое от U₀ , кривая 3 — вольтамперная характеристика дугового промежутка U_д. Заключенные между кривыми отрезки представляют соответственно: между кривыми 1 и 2 (iR); между 2 и 3 ; между 3 и осью абсцисс (U_Д). В точках А и В выполняется условие

; .

В этих точках имеет место равновесное состояние. Однако в точке А это равновесие неустойчивое: при токах I < I_а напряжение , а имеет отрицательное значение. Если ток станет меньше I_а, то он уменьшится до нуля, и дуга погаснет.

Если ток станет несколько больше I_а, то окажется , что приведет к возрастанию тока до значения I_в. При любом значении I_а < i < I_в ток в дуге будет возрастать до значения I_в. Между точками А и В параметр является величиной положительной, и рост тока в цепи сопровождается накоплением электромагнитной энергии.

Для точки В горение дуги постоянного тока устойчивое: при токе i > I_в имеется , а — величина отрицательная, т. е. для поддержания такой величины тока напряжение U₀ недостаточно. Ток в цепи будет падать до значения I_в. Дуга в этой точке будет гореть устойчиво.

Для погасания дуги необходимо, чтобы при любом значении тока соблюдалось условие (2.31).

Энергия электрической дуги постоянного тока. Энергия дуги W_д, выделяемая в дуге за время t_г при ее горении,

где — электромагнитная энергия, запасенная в индуктивности отключаемой цепи, — энергия, поступающая от источника (генератора) в дугу за время ее горения; — начальное значение тока.

Представим изменение тока в дуге при отключении следующим эмпирическим уравнением:

(2.32)

где t — текущее время; n — эмпирический коэффициент.

Для ДУ с щелевыми или металлическими камерами, а также при значительных индуктивностях п > 1 (порядка 2-4). Для ДУ с открытыми разрывами и при активной нагрузке [6].

Подставив (2.32) в выражение для W_с, получим:

,

где ; — постоянная времени отключаемой цепи.

Энергия, поступающая в дугу от генератора, пропорциональна времени горения и зависит от коэффициента k, характеризующего ДУ.

Таким образом, энергия, выделяющаяся в дуге постоянного тока,

.

Максимальное количество энергии выделится в дуге при изменении тока по закону, близкому к линейному (при ).

Для напряжения дуги имеем

.

Перенапряжения в конце процесса гашения дуги постоянного тока (при i = 0) можно определить так:

.

Знак «+» перед параметром Ldi/dt обусловлен отрицательным значением производной di/dt при снижении тока. Если ток в процессе гашения дуги изменяется во времени i_д=I₀[1 – (t/t_r)ⁿ], то уровень перенапряжений

.

Здесь U₀ — напряжение источника, В; I₀ — начальное значение отключаемого тока, А; L — индуктивность цепи, Гн; t _г — время горения дуги, с.

Влияние шунтирующего сопротивления на процессы в ДУ переменного тока. Рассмотрим ДУ переменного тока с двумя разрывами на полюс, из которых один зашунтирован омическим сопротивлением r (рис. 2.26), где L — индуктивность элементов подстанции; — их омическое сопротивление; С — приведенная емкость; R — волновое сопротивление линии (или эквивалентное сопротивление нескольких присоединенных к шинам линий); I и II — разрывы полюса ДУ [2].

Рис. 2.26. Схема двухразрывного ДУ с шунтирующим сопротивлением

При отключении сначала размыкается контакт I (рис. 2.26) и происходит гашение возникающей при этом дуги; после этого ток полностью протекает через сопротивление r, которое уменьшает ток, в связи с чем окончательное отключение тока в разрыве II (рис. 2.26) осуществляется уже в более легких условиях, чем в ДУ без шунтирующего сопротивления.

В ДУ переменного тока по мере уменьшения тока и его подхода к нулевому значению напряжение на дуге U_Д на разрыве I значительно возрастает в соответствии с ее динамической характеристикой. Из схемы, приведенной на рис. 2.26, следует, что это же напряжение приложено и к шунтирующему сопротивлению, по которому, в связи с этим, протекает все увеличивающийся ток i_r, а ток дуги отключения соответственно уменьшается.

Качественно характер описываемого явления можно проанализировать по рис. 2.27, а, где кривая 1 представляет собой статическую вольт-амперную характеристику дуги (рассматривается фаза большого тока динамической характеристики дуги отключения), а прямая 2 (OCD) — падение напряжения на сопротивлении, шунтирующем разрыв I ДУ (рис. 2.27, а). В частности, при напряжении на дуге и на шунтирующем сопротивлении , через дугу должен протекать ток , а через шунтирующее сопротивление — ток i'_r. Полный ток цепи (если пренебречь током через емкость ) будет, следовательно, выражаться величиной .

По мере увеличения напряжений на дуге получим зависимость между напряжением на дуге и полным током цепи (рис. 2.27, а, кривая 3, АВD). Однако, из хода кривой 3 следует, что в точке В при токе i_кr дуга гаснет, и весь ток контура начинает протекать через шунтирующее сопротивление. Увеличение полного тока (выше точки В) невозможно, так как напряжение на дуге недостаточно для поддержания тока. Напряжение на дуге и на зажимах выключателя уменьшается теперь согласно отрезку СО прямой 2.

Рис. 2.27. Характеристики дуги отключения в ДУ с шунтируюшим сопротивлением перед нулем тока

На рис. 2.27, б представлены характеристики токов i_д, i_r и i во времени. Полный тока i в области нуля тока не изменяется линейно, так как в момент ток в дуге уменьшается до нуля (или до значения, близкого к нулю) по кривой, близкой к изображенной вертикальной прямой, в то время как ток через шунтирующее сопротивление возрастает до значения i_кr = ЕС.

Следовательно, в течение промежутка времени энергия, выделяющаяся на дуговом промежутке, будет при наличии шунтирующего сопротивления заметно меньшей, чем при его отсутствии. Поэтому сопротивление межконтактного промежутка I соответственно увеличится, что обеспечивает повышение отключающей способности ДУ.