Контрольные вопросы

1. Что такое электродинамическая стойкость электричес-кого аппарата?

2. Что такое коэффициент контура электродинамических усилий и как его определить?

3. Когда учитывается коэффициент формы при расчете электродинамических усилий?

4. Как определить обобщенное усилие, действующее на проводник?

5. Как рассчитать усилие Двайта?

6. С какой частотой изменяется электродинамическое усилие в однофазной цепи при частоте тока 50Гц?

7. Что такое ударный ток короткого замыкания?

8. В каких пределах изменяется значение электро-динамического усилия в однофазной цепи при синусоидальном токе?

5. Электрическая дуга и дугогасительные системы

5.1. Электрическая дуга в цепи постоянного тока

При размыкании контактов между ними возникает либо тлеющий разряд, либо дуга. Тлеющий разряд возникает, когда отключается ток меньше 0,1 А при напряжении на контактах до 250-300 В. Если величина тока в цепи и напряжения больше указанных, то между контактами возникает дуговой разряд, или дуга.

Дуга представляет собой плазму с температурой более 3000° К и большой плотностью тока (до 10⁶ А/см²).

Дуга, возникающая при размыкании, разрушает материал контактов, поэтому необходимо найти условия ее гашения.

На рис. 61 представлена статическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) дуги при медленном изменении тока. С ростом тока I увеличивается температура, усиливается термическая ионизация, возрастает число ионизированных частиц в разряде и падает электрическое сопротивление дуги R_д.

Напряжение на дуге U_д пропорционально произведению тока дуги I_д и сопротивления дуги R_д . При увеличении тока дуги I_д сопротивление дуги уменьшается в большей степени, поэтому напряжение на дуге тоже уменьшается. Зависимость U_д(I_д) имеет вид обратно-пропорциональной. Причем, крутизна кривой зависит от материала (рис. 62). Чем выше температура плавления материала контактов, тем выше лежит ВАХ дуги.

О пределим условия стабильного горения и гашения дуги. Для этого рассмотрим баланс напряжений в схеме при дуге, имеющей неизменную длину.

Запишем уравнение по II закону Кирхгофа для цепи, имеющей напряжение питания U_вх , приложенное к катушке с активным сопротивлением R и индуктивностью L. По катушке идет ток i, который переходит последовательно в дугу (рис. 63).

.

Стационарный режим будет при , т.е. когда ток не меняется.

Тогда U_вх =i∙R+U_д . (83)

Построим в одних координатах ВАХ дуги и прямую U(I) (рис. 64) по уравнению (83). При токе в катушке I=0 напряжение контактах равно напряжению на входе U=Uвх. При напряжении U=0, ток определяется из соотношения .

Для произвольного значения тока I⁽¹⁾ по ВАХ дуги определяем напряжение дуги Uд⁽¹⁾ (см рис. 64), которое соответствует отрезку ab. Отрезок ac (соответственно в масштабе напряжения) равен напряжению U⁽¹⁾, отрезок cd соответствует напряжению на сопротивлении R, т.е.

Uвх – U = IR, тогда отрезок bc соответствует .

Error: Reference source not found

В точках 1 и 2 (U=Uд) , т.е. в этих точках возможен стационарный режим. Можно показать, что точка 1 – точка неустойчивого равновесия: при i<I₁, , ток будет убывать до тех пор, пока дуга не погаснет. При i>I₁, , ток возрастает до значения I_2. В точке 2 – устойчивое равновесие : при i>I₂ , т.е. ток уменьшается, т.е. возвращается к значению I₂; при i<I₂, , ток увеличивается до значения I₂.

Следовательно, для гашения дуги при всех значениях тока напряжение на индуктивности должно быть отрицательным, тогда из уравнения (83) следует, что

. (84) Такое соотношение (84) возможно или за счет поднятия ВАХ дуги (рис. 65), или за счет увеличения сопротивления R цепи. В свою очередь, ВАХ дуги может быть поднята за счет изменения различных параметров:

- увеличения длины дуги;

- интенсивного охлаждения дуги;

- повышенного давления среды, в которой горит дуга.

При замкнутых контактах дуга отсутствует, а ток равен . При разведении контактов между ними возникает дуга с током I_д1. Если длина дуги l_д и напряжение источника U_вх неизменны, то при увеличении сопротивления R ток I уменьшается, принимая значения: I_д2, I_д3, I_д4,… I_кр – критический (рис . 66). При дальнейшем увеличении сопротивления дуги Rд выполняется неравенство (84) , т.е. создаются условия для гашения дуги.

Значения тока, сопротивления и длины дуги, при которых наступают условия для гашения дуги, называются критическими: I_кр, R_кр, l_кр .

Длительность горения дуги определяется из соотношения

, (85)

где Δu – перенапряжение.

Проинтегрировав выражение (85), получим формулу для расчета времени горения дуги

(86)

Из (86) следует, что чем больше Δu, тем меньше длительность горения дуги, но с другой стороны, увеличение перенапряжений Δu ведет к росту напряжения на контактах. Последнее обстоятельство является отрицательным, так как ведет к износу изоляции. Тем не менее в дугогасительных устройствах постоянного тока стремятся иметь большие Δu при больших токах.

Большая часть энергии в дуге теряется за счет конвекции и теплопроводности. Излучение дуги рассеивает небольшую часть общей мощности.