3.5.2 Дуга постоянного тока

Статическая вольт-амперная характеристика.

ВАХ представляет собой зависимость напряжения на дуге от тока. С ростом тока увеличивается температура дуги, усиливается термическая ионизация, возрастает число ионизированных частиц в разряде и падает электрическое сопротивление дуги.

Напряжение на дуге. При увеличении тока сопротивление дуги уменьшается так резко, что напряжение на ней падает, несмотря на рост тока.

При переходе от одного значения тока к другому тепловое состояние дуги не изменяется мгновенно. Электрическая дуга обладает тепловой инерцией. ВАХ дуги снятая при медленном измени тока, называется статической.

Статическая характеристика дуги зависит от расстояния между электродами (длины дуги), материала электродов, параметров среды и условий охлаждения.

Чем больше длина дуги, тем выше лежит ее статическая ВАХ. С ростом давления среды, в которой горит дуга ВАХ также поднимается. Охлаждение дуги существенно влияет на ВАХ. Чем интенсивнее охлаждение дуги, тем большая мощность от нее отводится. При этом должна возрасти мощность, выделяемая дугой. Поскольку при заданном токе это возможно за счет увеличения напряжения на дуге, то ВАХ поднимается, что широко используется в дугогасительных устройствах.

Для быстрого гашения дуги необходимо либо поднять ВАХ дуги (увеличить длину дуги, охлаждение дуги, повышение давления), либо увеличить сопротивление цепи.

При замкнутых контактах дуга отсутствует, и ток в цепи равен I_к. При разведении контактов между ними возникает дуга с током I₂. Если длина дуги и напряжение источника неизменны, то при увеличении сопротивления ток в цепи будет уменьшаться. Токи и напряжение, при которых происходит гашение дуги, называются критическими.

3.5.3 Перенапряжения при отключении дуги постоянного тока

В момент гашения дуги напряжение на контактах равно сумме напряжения источника и модуля напряжения на индуктивности. Увеличение напряжения на контактах относительно напряжения источника питания называется перенапряжением. Чем больше индуктивность и скорость спада тока в момент гашения, тем больше перенапряжение. Скорость спада тока зависит от скорости роста сопротивления дугового промежутка и скорости его деионизации. Поэтому в быстродействующих аппаратах, отключающих цепь постоянного тока за сотые доли секунды, возможны большие перенапряжения.

3.5.4 Динамическая вольт-амперная характеристика дуги

В реальных установках ток может меняться довольно быстро. Вследствие тепловой инерции дугового столба изменение сопротивления дуги отстает от изменения тока. Вольт-амперная характеристика дуги при быстром изменении тока называется динамической.

При возрастании тока динамическая ВАХ идет выше статической, т.к. при быстром росте тока сопротивление дуги падает медленнее, чем растет ток. При уменьшении – ниже.

При частоте 50 Гц ток в дуге меняется достаточно быстро, и происходящие в ней процессы необходимо рассматривать с помощью динамической ВАХ.

3.5.5 Дуга переменного тока

Если для гашения дуги постоянного тока необходимо создать такие усло­вия, при которых ток упал бы до нуля, то при переменном токе ток в дуге независимо от степени ионизации дугового промежутка переходит через нуль каждый полупериод, т.е. каждый полупериод дуга гаснет и зажигается вновь. Задача гашения дуги существенно облегчается. Здесь необходимо создать условия, при которых ток не восстановился бы после прохождения через нуль.

При переменном токе температура дуги является величиной переменной. Однако тепловая инерция газа оказывается довольно значительной, и к моменту перехода тока через нуль температура дуги хотя и уменьшается, но остаётся достаточно высокой. Всё же имеющее место снижение температуры при переходе тока через нуль способствует деионизации промежутка и облегчает гашение электрической дуги переменного тока.

При горении дуги переменного тока в течение каждого полупериода имеют место такие же физические процессы, что и в дуге постоянного тока. В начале полупериода напряжение на дуге возрастает по синусоидальному закону до значения напряжения зажигания U_з — участок 0—а, а затем после возникновения дуги падает по мере возрастания тока — участок а—b. Во вторую часть полупериода, когда ток начинает снижаться, напряжение на дуге вновь возрастает до значения напряжения гашения U_г при спаде тока до нуля — участок b—с.

В течение следующего полупериода напряжение меняет знак и по синусоидальному закону возрастает до значения напряжения зажигания. По мере роста тока напряжение снижается, а затем вновь повышается при снижении тока. Кривая напряжения дуги имеет форму срезанной синусоиды. Процесс деионизации заряженных частиц в промежутке между контактами продолжается лишь незначительную долю периода (участки 0 — а и с — а’) и, как правило, за это время не заканчивается, в результате чего дуга возникает снова. Окончательное гашение дуги будет иметь место только после ряда повторных зажиганий во время одного из последующих переходов тока через нуль.

Открытая дуга переменного тока в моменты перехода тока через нуль сохраняет высокую проводимость и поэтому в установках высокого напряжения гашение открытой дуги происходит не вследствие перехода через нуль и образования прочности промежутка, а главным образом вследствие растяжения дугового столба и образования на нем высокого напряжения горения (на всем протяжении полупериода). При таком режиме ток в цепи начинает заметно падать за несколько периодов до полного обрыва дуги и причиной его ограничения является возрастание сопротивления канала дуги. При определенной длине дуги переменного тока напряжение сети оказывается недостаточным для поддержания горения дуги (критическая длина), наступает нарушение баланса мощностей (подводимой и отдаваемой) и ток цепи довольно быстро уменьшается и, наконец, совсем прекращается.

Если столб дуги переменного тока подвергается интенсивной деионизации, то в этом случае механизм гашения дуги существенно меняется по сравнению со случаем открытой дуги в цепи высокого напряжения. За счет активного воздействия газовой или жидкой среды диаметр дугового канала сокращается (плотность тока повышается) и изменение его следует почти синхронно с током.

При подходе тока к нулю дуговой столб приобретает весьма малые размеры и благодаря этому быстро распадается после достижения током нулевого значения, теряет свою проводимость и приобретает заметную электрическую прочность. В таком случае восстановление дуги в следующий полупериод связано с пробоем межконтактного промежутка.

Таким образом, дуга переменного тока в условиях активной деионизации дугового столба представляет собой такое явление, когда при каждом переходе тока через нуль возникает соревнование двух процессов, а именно: процесса восстановления электрической прочности промежутка и процесса восстановления напряжения на промежутке. Исходя из такой трактовки процесса, нетрудно заключить, что для угасания дуги переменного тока при интенсивной деионизации необходимо обеспечить такой режим, при котором электрическая прочность дугового промежутка после достижения током его нулевого значения нарастала бы достаточно быстро и достигала бы достаточного уровня.