5.2 Дуга переменного тока

Процессы ионизации и деионизации аналогичны дуге постоянного тока, но условия гашения имеют существенные отличия. Ток в дуге переменного тока каждый полупериод самостоятельно проходит через ноль, независимо от степени ионизации дугового промежутка.

Вольтамперная характеристика дуги имеет вид:

Рисунок 5.9 – Динамическая вольтамперная характеристика дуги переменного тока для чисто активной цепи (а) и изменение напряжения дугового промежутка во времени (б)

При увеличении тока, динамическая характеристика идет выше статической вследствие меньшего нагрева канала дуги, а при уменьшении тока – ниже статической, так как канал разогрет и имеет более высокую проводимость. Напряжение зажигания дуги U_З всегда выше напряжения гашения U_Г. В соответствии с характером физических процессов внутри дуги, ее сопротивление является чисто активным, поэтому, напряжение и ток одновременно проходят через ноль.

И сследования показывают, что дуга гаснет несколько раньше естественного перехода тока через ноль (рис. 5.10). Количество энергии, поступающее в канал дуги пропорционально квадрату тока Q = R_Д ∙i², поэтому снижается гораздо быстрее, чем скорость снижения тока. В это время интенсивность ионизации падает и ионы быстро рассеиваются в окружающее пространство. Дуговой промежуток из состояния

проводника начинает переходить в состояние диэлектрика. Величина бестоковой паузы t_к очень мала, всего несколько десятков микросекунд, однако именно в это время развиваются процессы, от которых зависит окончательное гашение дуги.

Рисунок 5.10 – Вид бестоковой паузы при переходе тока через ноль

Е сли разомкнуть контакты в бестоковую паузу и развести их с достаточной скоростью на такое расстояние, чтобы не произошел электрический пробой, то цепь будет отключена очень быстро.

Рисунок 5.11 – Рост электрической прочности дугового промежутка (1) и восстановление напряжения источника (2): а) – дуга зажигается; б) – дуга не зажигается

Кроме того, в коммутационных аппаратах принимают искусственные меры для охлаждения дугового промежутка и его деионизации, например воздушное дутье. Такие действия приводят к быстрому возрастанию электрической прочности промежутка между контактами (кривая 1 на рис. 5.11).

Но одновременно идет и другой процесс – на концах дугового промежутка восстанавливается напряжение, которое стремится зажечь дугу (кривая 2). Если восстанавливающееся напряжение превысит электрическую прочность промежутка, то произойдет повторное зажигание дуги.

Таким образом, задача сводится не столько к гашению самой дуги (дуга на переменном токе гаснет сама), сколько к созданию таких условий, чтобы электрическая прочность промежутка между контактами всегда была больше восстанавливающегося напряжения.

5.3 Способы гашения дуги в аппаратах до 1000 в:

1. больше напряжение, необходимое для ее существования. Когда это напряжение превысит напряжение источника, дуга гаснет.

2. Деление длинной дуги на ряд коротких на деионных решетках (рис. 5.8). Однако в отличие от постоянного тока, на переменном токе, когда погасает дуга при переходе через ноль, околокатодное пространство мгновенно приобретает электрическую прочность 150-250 В из-за быстрого ухода электронов из этой области. Дуга гаснет, если Uи < (150…250)∙n.

3. Гашение дуги в узких щелях из дугостойкого материала, поглощающего ионы (асбест) и интенсивно охлаждающего дугу (керамика).

4. Движение дуги в магнитном поле (магнитное дутье). Электрическая дуга может рассматриваться как проводник с током. Если дуга горит в магнитном поле, то на нее действует сила, определяемая по правилу левой руки. Создав магнитное поле, перпендикулярное оси дуги, можно заставить ее двигаться в нужном направлении, например, направить ее в щелевую камеру (рис. 5.7) или бросить на деионную решетку. При радиальном направлении поля можно получить быстрое вращение дуги, что способствует ее охлаждению и деионизации. Также предотвращается повреждение поверхности контакта дугой при ее горении в одном месте.

Рисунок 5.12 – Размещение магнитов в контактах для обеспечения вращения дуги