Глава 5

Процесс коммутации электрических цепей

5-1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ КОММУТАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Под коммутацией электрических цепей подразумевается операция замыкания и (или) размыкания электрической цепи, при которой изменение ее сопротивления происходит практически скачкообразно (ГОСТ 18311—80).

В контактном аппарате отключение электрической цепи (размыкание контак­тов) физически представляет собой процесс перехода межконтактного промежутка аппарата из состояния проводника электрического тока в состояние диэлектрика (изолятора). В бесконтактном аппарате коммутирующий (переключающийся) эле­мент под воздействием каких-либо физических величин (электрическое или маг­нитное поле, температура и т. п.) меняет свое сопротивление («запирает» цепь). У первых отношение сопротивлений коммутирующих элементов в разомкнутом и замкнутом положениях составляет 1010 —1014, у вторых отношение сопротивле­ний в «запертом» и «открытом» состояниях имеет значения 104—107.

Следует отметить, что у контактных аппаратов изменение сопротивления коммутирующего устройства, а следовательно, и тока в цепи происходит скачко­образно, т. е. в ограниченный (доли секунды) промежуток времени. Такой режим применительно к аппаратам на небольшие токи называют также релейным. У бесконтактных аппаратов в зависимости от характера (скорости) изменения управляющей величины изменение сопротивления коммутирующего элемента мо­жет происходить как скачкообразно, так и плавно. В первом случае аппарат работает в коммутационном (релейном) режиме «открыто» — «закрыто», во вто­ром — в режиме регулятора (работа в этом режиме рассматривается в курсах теории автоматического регулирования).

Каждая электрическая цепь обладает определенной индуктивностью L и емкостью С. Переход из одного состояния в другое занимает определенное время, так как каждому установившемуся состоянию цепи соответствует определенный запас энергии электрических W3= CU2/2 и магнитных WM — Ы2/2 полей. Эта энер­гия может изменяться только непрерывно. Отсюда вытекают следующие законы коммутации [24, 30].

В начальный момент ^коммутации ток в индуктивной цепи остается таким же, каким он был непосредственно перед коммутацией, а затем плавно изменяется.

В начальный момент после коммутации напряжение емкостной цепи остается таким же, каким оно было непосредственно перед коммутацией, а затем плавно изменяется. Ток через емкостную цепь может изменяться скачком.

5-2. ПРОЦЕССЫ В ДУГОВОМ ПРОМЕЖУТКЕ

Размыкание электрической цепи с помощью контактов электрических аппара­тов сопровождается, как правило, возникновением дугового разряда между этими контактами. Дуговой разряд возникает в случаях, когда значения тока и напряже­ния на контактах превосходят некоторые критические значения, которые зависят от материала контактов, параметров цепи, окружающей среды и многих других факторов. Например, на медных контактах при нормальном атмосферном давле

нии дуга возникает при токах, превышающих 0,5 А, и напряжении не ниже 15 В. При меньших значениях тока и напряжения размыкание кон­тактов сопровождается образованием искр.

Возникновение и горение дуги в воздушном промежутке между контактами свидетельству­ют об ионизации этого промежутка. В обыч­ных условиях воздух является хорошим изолято­ром (для пробоя воздушного промежутка в 1 см при атмосферном давлении требуется приложить напряжение не менее 30 кВ). Для того чтобы воздушный промежуток стал проводником, необходимо создать в нем определенную концентрацию заряженных частиц — отрицательных, в основном свободных электронов, и положительных — ионов. Процесс отделения от нейтраль­ной частицы одного или нескольких электронов и образования свободных элект­ронов и положительно заряженных частиц — ионов называется ионизацией.

Физически процесс отключения цепи — электрического ее разрыва — состоит в деионизации воздушного промежутка между контактами, т. е. в восстановлении его диэлектрических свойств и прекращении вслечствие этого электрического раз­ряда.

Явление прохождения электрического тока через газ, называемое газовым разрядом, может наблюдаться практически при любых значениях тока. Вольт-амперная характеристика последовательных его стадий в воздухе при атмосфер­ных условиях приведена на рис. 5-1 [21].

В зоне ОВ ток сперва (участок ОА) растет с ростом напряжения, а затем (участок АВ) практически не меняется — наступает «насыщение» — все заряды, содержащиеся в промежутке, достигают электродов, а дополнительной ионизации не возникает. Зона ОВ представляет собой зону несамостоятельного разряда. Здесь ток поддерживается за счет внешних ионизаторов (космические лучи, свет, рент­геновские лучи и др.).

За точкой В напряжение становится достаточным для начала самостоятель­ного разряда. Это форма разряда (зона за точкой В), когда носители электри­чества возникают в разрядном канале непосредственно за счет ионизирующих факторов, присущих самому газоразрядному каналу.

Участок ВС соответствует стадии пробоя, или таунсендовской стадии (по имени Таунсенда, разработавшего математическую теорию этой стадии). Наиболее харак­терные признаки стадии пробоя — ударная ионизация, незначительные простран­ственные заряды, лавинообразный процесс образования электронов и ионов.

Когда мощность источника способна вызвать в цепи токи порядка милли­ампер, возникает тлеющий разряд (участок CD), для которого характерна ударная ионизация, но уже в условиях резко неоднородного электрического поля, когда основное падение напряжения приходится на слой у катода. Тлеющий разряд характеризуется высоким падением напряжения у катода (200-250 В) и малыми токами (до 0,1 А).

Участок DE является переходным от тлеющего разряда к дуговому, где пре­обладающей формой ионизации является термическая ионизация. При атмосфер-ом и более высоком давлении дуговой разряд характеризуется [21]:

ясно очерченной границей между стволом дуги и окружающей средой;

высокой плотностью тока в стволе дуги (до сотен ампер на квадратный мИллиметр);

высокой плотностью тока на катоде и малым падением напряжения у катода (10-20 В);

высокой температурой внутри ствола ду| и, достигающей 5000—10 000 К и бо­лее и обеспечивающей термическую ионизацию.

Рассмотрим основные физические процессы, приводящие к ионизации и де-ионизации воздушного промежутка.

Ионизация. Ионизация газа может происходить под действием многих фак­торов, таких, как свет, космические лучи, высокая температура, электрическое поле и другие. Для дуговых процессов в электрических аппаратах наибольшее значе­ние имеют: из процессов, происходящих у электродов, автоэлектронная и термо­электронная эмиссии, а из процессов, происходящих в дуговом стволе, термиче­ская ионизация и ионизация толчком.

Автоэлектронная эмиссия. Это — явление выхода электронов из катода под воздействием сильного электрического поля — 105 В/см и выше. Такие напряжен­ности у катода могут создаваться пространственными зарядами, а также в про­цессе расхождения контактов. Место разрыва электрической цепи может быть представлено как конденсатор переменной емкости [26]. Емкость в начальный момент равна бесконечности, затем убывает по мере расхождения контактов. Через сопротивление цепи этот конденсатор заряжается, и напряжение на нем растет постепенно от нуля до напряжения сети. Одновременно увеличивается расстояние между контактами. Напряженность поля между контактами во время нарастания напряжения проходит через значения, превышающие 10s —108 В/см. Ток автоэлектрониой эмиссии весьма мал и может быть достаточным только для начала развития дугового разряда.

Термоэлектронная эмиссия. Термоэлектронной эмиссией называется явление испускания электронов из накаленной поверхности. Если материал катода таков, что температура его кипения может превысить 2500 К, то эмиссия электронов с поверхности катода может происходить за счет термических процессов. Такое явление имеет место в электрических аппаратах при расхождении контактов, где последняя площадка контактирования сильно разогревается, часто до расплавления и испарения. На отрицательном электроде образуется катодное пятно (раскален­ная площадка), которое служит основанием дуги и очагом излучения электронов.

Плотность тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры и мате­риала контактов. Ток термоэлектронной эмиссии также невелик и может быть достаточным для возникновения электрической дуги, но недостаточен для ее го­рения.

Возможно и совместное существование автоэлектронной и термоэлектронной эмиссии при нагретом катоде.

Дуга может существовать между металлическими электродами и при холод­ном катоде. В этом случае имеет место в основном автоэлектронная эмиссия.

Ионизация толчком. Если свободный электрон будет обладать достаточной скоростью, то при столкновении с нейтральной частицей (атом, а иногда и моле­кула) он может выбить из нее электрон. В результате получается новый свобод­ный электрон и положительный ион. Вновь полученный электрон может, в свою очередь, ионизировать следующую частицу. Такая ионизация называется иониза­цией толчком.

Для того чтобы электрон мог ионизировать частицу газа, он должен дви­гаться с некоторой определенной скоростью, зависящей от разности потенциалов на длине его свободного пробега. Поэтому обычно указывается не скорость дви­жения электрона, а то минимальное значение разности потенциалов, какое необ­ходимо иметь на длине свободного пробега, чтобы электрон к концу пути при­обрел необходимую скорость. Эта разность потенциалов носит название потен­циала ионизации.

Рис 5-2. Зависимость степени ионизации от температуры

WOO 8000 12000 16000 20000 К

Энергия ионизации Ки для газов составляет 13-16 эВ (азот, кислород, водород) и до 24,5 эВ (гелий), для паров металла она примерно в два раза ниже (7 7 эВ для паров меди). Энергия иони­зации газовой смеси определяется самой низкой энергией ионизации одного из компонентов и в очень малой степени зависит от концентрации этих компонентов. В короткой дуге всегда имеются пары металла электродов, и энергия ионизации, а следовательно, и степень иони­зации дугового промежутка определяются энергией ионизации этих паров.

Следует отметить, что не всякий электрон, имеющий энергию выше энергии, соответствующей Vv, ионизирует нейтральную частицу, так как только часть таких электронов приходит в должное соприкосновение с нейтральными частицами. При энергиях, меньших энергии, соответствующей Vm вероятность ионизации толчком равна нулю, при больших энергиях эта вероятность возрастает.

Термическая ионизация. Это — процесс ионизации под воздействием высокой температуры. Если рассмотреть ионизацию газа с точки зрения термических процессов, то оказывется, что при тех температурах, которые имеют место в дугах, ионизация значительно более вероятна при соударениях частиц в тепловом хао­тическом движении, чем от воздействия электрического поля. Основной характе­ристикой термической ионизации является степень ионизации, представляющая собой отношение числа ионизированных атомов в газе дуги к общему числу атомов в этом газе.

На рис. 5-2 приведена зависимость степени ионизации паров металлов (кри­вая 1) и воздуха (кривая 2) от температуры, построенная для Vu = 7,5 эВ и Ц, = = 15 эВ [21]. Из рисунка видно, что при энергии ионизации, лежащей в области 7 — 8 эВ, и при температурах газа дуги 3000 — 6000 К можно наблюдать иониза­цию, достаточную для обеспечения проводимости газа в дуговом канале. Терми­ческая ионизация в воздухе практически прекращается при температурах ниже 3000 К.

Деионизация идет одновременно с ионизацией. При возникновении и развитии дугового разряда преобладают процессы ионизации, в устойчиво горящей дуге процессы ионизации и деионизации одинаково интенсивны, при преобладании процессов деионизации дуга гаснет, дуговой разряд прекращается. Основными физическими процесами здесь являются рекомбинация и диффузия.

Рекомбинация. Процесс, при котором различно заряженные частицы, приходя во взаимное соприкосновение, образуют нейтральные частицы, называется рекомби­нацией.

В электрической дуге отрицательными частицами являются в основном элект­роны. Непосредственное соединение электрона с положительным ионом ввиду °ольшой разности скоростей маловероятно. Обычно рекомбинация происходит при^ помощи нейтральной частицы, которую электрон заряжает. При соударении этой отрицательно заряженной частицы с положительным ионом образуется одна Иди две нейтральные частицы.

Различают рекомбинацию в объеме, когда третьим телом служит нейтраль-ая частица газа, и рекомбинацию на поверхности, когда третьим телом служит оверхность вблизи дуги (стенка камеры). В последнем случае электроны заряжают оверхность стенки до потенциала, при котором положительные ионы притягива-тся к этой поверхности и, присоединив электрон, образуют нейтральные частицы.

Скорость рекомбинации в объеме прямо пропорциональна объемной плотности ионов и обратно пропорциональна кубу абсолютной температуры. При относи­тельно небольших концентрациях ионов и невысоких температурах рекомбинация на поверхности превосходит рекомбинацию в объеме в 102 —106 раз.

Диффузия. Диффузия заряженных частиц представляет собой процесс выноса заряженных частиц из дугового промежутка в окружающее пространство, что уменьшает проводимость дуги.

Диффузия обусловлена как электрическими, так и тепловыми факторами. Плотность зарядов в стволе дуги возрастает от периферии к центру. Ввиду этого создается электрическое поле, заставляющее ионы двигаться от центра к перифе­рии и покидать область дуги. В этом же направлении действует и разность температур ствола дуги и окружающего пространства. Заряженные частицы, вы­шедшие из области дуги, в конечном итоге рекомбинируют вне этой области.

В стабилизированной и свободно горящей дуге диффузия играет ничтожно малую роль.

В дуге, обдуваемой сжатым воздухом, а также в быстро движущейся откры­той дуге деионизация за счет диффузии может по значению быть близкой к деионизации вследствие рекомбинации, В дуге, горящей в узкой щели или закрытой камере, деионизация происходит главным образом за счет рекомби­нации.

Из рассмотрения процессов ионизации и деионизации следует, что основным фактором, обеспечивающим горение дуги, является ее высокая температура — тер­мическая ионизация. Отсюда следует, что всемерное интенсивное охлаждение ствола дуги является преобладающим способом ее гашения. Газы с большей теплопроводностью и теплоемкостью обладают лучшей охлаждающей способ­ностью, а следовательно, и лучшими дугогасящими свойствами. Например, кисло­род, углекислый газ, водяной пар и водород имеют по отношению к воздуху теплопроводность (среднюю в пределах 0 — 6000 К) соответственно 1,8; 2,5; 5 и 17 и дугогасящие свойства соответственно 1,8; 2,6; 3,8 и 7.

5-3. ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ

Зависимости падения напряжения на стволе дуги от тока — вольт-амперные характеристики дуги — приведены на рис. 5-3. Кривая 1 представляет собой стати­ческую характеристику дуги, т. е. падение напряжения на дуге при данном токе в установившемся равновесном состоянии, когда ионизация равна деионизации — подводимая к дуге мощность равна отводимой. Напряжение U3, соответствующее началу дугового разряда на промежутке, носит название напряжения зажигания дуги. Характеристика имеет падающий характер — с ростом тока напряжение на дуге падает. Это означает, что сопротивление дугового промежутка уменьшается быстрее, чем увеличивается ток.

Если с той или иной скоростью уменьшить ток в дуге от 70 до нуля и при этом фиксировать падение напряжения на дуге, то получим ряд кривых 2, лежа­щих ниже кривой 1. Эти кривые носят название динамических характеристик. Чем быстрее будет уменьшаться ток, тем ниже будет лежать динамическая вольт-амперная характеристика дуги. Это объясняется тем, что при снижении тока такие параметры дуги, как сечение ее ствола, температура газа и степень иони­зации, не успевают быстро измениться и приобрести значения, соответствующие меньшему значению тока при установившемся режиме. В пределе, при мгновенном изменении тока до нуля, получим прямую 3 — проводимость промежутка оста­нется соответствующей току /0, а ток упадет до нуля. Кривая 3 — предел, практически недостижимый. Обычно при спаде тока динамические характеристики имеют возрастающий характер. Соответствующее этим характеристикам напря­жение, при котором дуга гаснет, называется напряжением гашения Ur.

Для данного дугового промежутка, материала электродов и среды имеются одна вполне определенная статическая характеристика дуги и множество динами­ческих, заключенных между кривыми 1 и 3.

Если падение напряжения на дуге Ua характеризует дуговой промежуток как проводник, то напряжения t/3 и Ur характеризуют изоляционные свойства про­межутка — они означают напряжения, которые необходимо приложить при данном состоянии промежутка, чтобы возбудить в нем электрическую дугу.

Падение напряжения на стационарной дуге распределяется неравномерно вдоль дуги. Картина изменения падения напряжения VЛ и продольного градиента напряжения Еа вдоль дуги приведена на рис. 5-4. Под градиентом напряжения понимают падение напряжения на единицу длины дуги. Как видно из рисунка, ход характеристик £/д и ЕД в приэлектродных областях резко отличается от хода характеристик на остальной части дуги. У электродов, в прикатодной и прианод-ной областях, на промежутке длины порядка 10~4 см имеет место резкое падение напряжения, называемое катодным UK и анодным 17а. Значение этого падения напряжения зависит от материала электродов и окружающего газа. Суммарное значение прианодного и прикатодного падений напряжения составляет 15 — 30 В, градиент напряжения достигает 105-106 В/см.

В остальной части дуги, называемой стволом дуги, падение напряжения Ua практически прямо пропорционально длине дуги. Градиент здесь приблизительно постоянен вдоль ствола. Он зависит от многих факторов и может изменяться в широких пределах, достигая 100-200 В/см.

Околоэлектродное падение напряжения [7Э не зависит от длины дуги, падение напряжения на стволе дуги пропорционально длине дуги. Таким образом, паде­ние напряжения на дуговом промежутке

где Ед — продольный градиент напряжения на стволе дуги- / —длина дуги;

иэ = ик + t/a. ' л

5-4. УСЛОВИЯ ГАШЕНИЯ ДУГИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Схема цепи постоянного тока с дугой отключения представлена на рис. 5-5, а. Цепь содержит индуктивность L, сопротивление R и дугу Uл, включенные после­довательно. Емкостью цепи (включенной параллельно) ввиду весьма малых токов утечки можно пренебречь при расчете условий гашения дуги. Для любого момента времени для такой цепи справедливо уравнение

di

здесь L - падение напряжения на индуктивности при изменении тока.

dt

При устойчиво горящей дуге di/dt = 0 и

U = Un + iR. . ■ (5-3)

Для погасания дуги необходимо, чтобы ток в ней все время уменьшался. Это означает, что di/dt < 0, а

т. е. напряжение, подводимое к дуге, недостаточно для ее горения.

Графическое решение уравнения (5-2) приведено на рис. 5-5, б. Прямая 1 представляет собой напряжение источника U, прямая 2 — падение напряжения на сопротивлении (реостатная характеристика цепи), отсчитываемое от U, кривая 3 — вольт-амперную характеристику дугового промежутка Ua. Заключенные между кривыми отрезки представляют собой соответственно: iR — между кривыми 1 и 2;

+ L— между 2 и 3; U — iR — между 2 и осью абсцисс; Uа — между 3 и осью

абсцисс.

В точках а и б выполняется условие U = Ua — iR; L-— = 0. В этих точках

dt

имеет место равновесное состояние. Одна­ко в точке а это равновесие неустойчивое, а в точке б — устойчивое.

При токах i < 1а напряжение U:i >

> U — iR, a L-j- имеет отрицательное зна­чение, и если по какой-либо причине ток станет меньше /„, то он упадет до нуля — дуга погаснет.

Если же по какой-либо причине ток станет несколько больше 1а, то будет 1/л < U — iR, т. е. в цепи как бы окажется - «избыточное» напряжение, которое приве­дет' к возрастанию тока до значения !,->■

При любом значении /„ < i < I ток в дуге будет возрастать до значения /д.

Между точками а и б величина L — является положительной — рост тока D цепи сопровождается накоплением электромагнитной энергии.

При токе х > If, снова оказывается Ua> U — iR, a L-j величиной отрица­ тельной, т. е. для поддержания такого значения тока напряжение U недостаточно. Ток в цепи будет падать до значения 1б. Дуга в этой точке будет гореть устойчиво.

Для погасания дуги необходимо, чтобы при любом значении тока соблюда­лось условие (5-4). Это значит, что вольт-амперная характеристика дуги должна на всем своем протяжении лежать выше характеристики U — iR (как это показано на рис. 5-5, в) и не иметь с этой характеристикой ни одной точки соприкосновения. Следует иметь в виду, что под вольт-амперными характеристиками дуги здесь надо понимать динамические характеристики. Иными словами, напряжение, необ­ходимое для поддержания горения дуги на всем протяжении ее динамической характеристики, должно быть больше подводимого, т. е. напряжения сети.

5-5. ЭНЕРГИЯ, ВЫДЕЛЯЕМАЯ В ДУГЕ

Сопротивление дуги Ra независимо от рода тока можно считать чисто актив­ным. Оно является величиной переменной, падающей с ростом тока, и может быть определено из вольт-амперной характеристики дуги.

Сопротивление дуги

Кд = UJi. (5-5)

Мощность электрической дуги

Ра = Uai. (5-6)

Энергия Wa, выделяемая в дуге за время tT ее горения,

'г

Wa = \ Uai dt.

Для выключающих аппаратов весьма важно определить значение этой энер­гии за одно отключение. Подставив в выражение (5-7) значение Ua согласно формуле (5-2), получим для дуги постоянного тока

где WM = L~ энергия, запасенная в магнитном поле отключаемой цепи; Wr =

= j R (Iо — i) dt — энергия, поступающая от генератора в дугу за время ее горения;

о

^о = U/R — начальное значение тока.

Таким образом, независимо от способа гашения дуги постоянного тока в ней выделится энергия, запасенная в магнитном поле отключаемой цепи, плюс еще какая-то доля энергии, которая поступит от генератора за время горения дуги (ff устойчиво горящей дуге вся выделяющаяся в ней энергия поступает от генератора).

Изменение тока в дуге при отключении может быть охарактеризовано сле-Дующим эмпирическим выражением:

где tr — время гашения; t — текущая координата; п — некоторая постоянная для данных условий величина.

Графически уравнение (5-9) представлено семейством кривых на рис. 5-6, а. Для дугогасительных устройств с узкими щелями и для закрытых дугогаситель­ных устройств, а также при значительных индуктивностях п > 1 (порядка 2 — 4). Для открытых дугогасительных устройств и при активной нагрузке п ^ 1.

Подставив уравнение (5-9) в выражение для Wr, получим

Кривая, характеризующая зависимость к =/("), приведена на рис. 5-6, б. Энер­гия, поступающая в дугу от генератора, пропорциональна времени горения и за­висит от коэффициента к, характеризующего в некоторой степени дугогаситель-ное устройство. Максимальное количество энергии выделится в дуге при измене­нии тока по закону, близкому к линейному. При этом кп=1 =0,167, а ток в цепи за время отключения меняется по линейному закону;

i = /о (1 - t/tr). Таким образом, энергия, выделяющаяся в дуге при отключении постоянного

тока,

В дуге отключения переменного тока, если гашение происходит в момент перехода тока через нуль, выделится только энергиигде/— частота; 1т — ток; [7Д — падение напряжения на дуге; т — число полуперио дов горения дуги.

рис. 5-7. Характерные осциллограммы тока и напряжения при отключении цепи с большей (а) и малой (б) индук­тивностью

Энергия, запасенная в магнит­ном поле отключаемой цепи, LIq/2 возвращается в генератор. Мини­мальное количество энергии выде­лится, если дуга погаснет при первом прохождении тока через нуль (т = 1). Если дуга начнет гаснуть раньше естественного перехода тока через нуль, то часть энергии Ll\j2 не успеет вернуться в генератор и выделится в дуге. Таким образом, гашение дуги переменного тока в момент естественного прохож­дения тока через нуль облегчается и за счет меньшей энергии, выделяемой в дугогасительном устройстве.

При расчете дугогасительных устройств постоянного тока следует учитывать, что дугогасительное устройство должно быть способно принять и рассеять (от­вести) выделяемую в дуге энергию, которая может быть весьма большой, в част­ности при отключении цепей обмоток возбуждения.

Индуктивность стремится поддержать неизменным протекающий по цепи ток, что приводит к автоматическому поддержанию напряжения, равного /К, пока не будет израсходована вся запасенная в цепи магнитная энергия. Чем больше индуктивность, тем трудней погасить дугу постоянного тока и тем больше будет напряжение на дуге при том же времени гашения. Характерные осциллограммы тока и напряжения на дуге при отключении цепей с различными индуктивностями приведены на рис. 5-7.

5-6. УСЛОВИЯ ГАШЕНИЯ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА [21]

Кривые изменения тока и напряжения на дуговом промежутке приведены на рис. 5-8, а. Допустим, что после прохождения тока через нуль в цепи появился ток. В момент появления тока резко возрастает напряжение на стволе дуги — это напряжение зажигания дуги U3. За полупериод горения дуги напряжение на про­межутке [/,,, меняется незначительно. При подходе тока к нулю напряжение вновь растет до напряжения гашения UT и при повторном зажигании после перехода тока через нуль снова достигает какого-то значения t/3, но противоположного знака. Соответствующая этому процессу вольт-амперная характеристика дуги за период приведена на рис. 5-8, б.

Для гашения дуги постоянного тока необходимо создать такие условия, при которых падение напряжения на стволе дуги на всем протяжении ее динамической характеристики будет больше подводимого напряжения, в пределе — напряжения сети. 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. Тепловая инерция дугового ствола, однако, оказывается довольно значительной, и в момент перехода тока через нуль темпе­ратура ствола (газов) не всегда падает до прекращения термической ионизации. Переход тока через нуль не обусловливает гашение дуги, однако процессы после перехода тока через нуль в ряде случаев создают условия для ее гашения.

В открытой дуге при высоком напряжении, когда определяющим фактором является активное сопротивление сильно растянутого ствола дуги, условия гашения дуги переменного тока приближаются к условиям гашения дуги постоянного тока и процессы после перехода тока через нуль мало влияют на гашение дуги.

В дугогасительных устройствах, где длина дуги незначительна и сопротив­ление ствола дуги практически не влияет на процесс гашения, условия гашения определяются из взаимосвязи процессов после перехода тока через нуль. Возможен также случай, когда надо считаться как с влиянием активного сопротивления, так и с условиями гашения при переходе тока через нуль.

Открытая дуга переменного тока при высоком напряжении источника тока. Осциллограмма тока и напряжения на дуге приведена на рис. 5-9. Гашение дуги здесь происходит главным образом вследствие растяжения дугового ствола и об­разования на нем высокого напряжения горения на всем протяжении полупериода. Ток в цепи начинает заметно падать за несколько периодов до полного обрыва дуги. При определенной (критической) длине дуги напряжение сети оказывается недостаточным для поддержания ее горения. Наступает нарушение баланса мощ­ностей (подводимой и отводимой), и ток в цепи быстро уменьшается и, наконец, совсем прекращается.

Дуга переменного тока в условиях активной деионизации. В дугогасительных устройствах выключателей длина ствола дуги мала и падение напряжения на стволе дуги, особенно при высоком напряжении, чрезвычайно мало по отношению к напряжению сети. При интенсивном охлаждении газовой или жидкой средой диаметр ствола дуги резко уменьшается, и его изменение следует почти синхронно с изменением тока. Во время подхода тока к нулю дуговой ствол приобретает весьма малые размеры и благодаря этому быстро разрушается после достиже­ния током нулевого значения. Дуговой промежуток снижает свою проводимость и приобретает заметную электрическую прочность. Этому также способствует процесс перехода тока через нуль (сплошная линия на рис. 5-10). Немного раньше момента естественного перехода через нуль ток дуги падает почти до нуля, а затем после перехода через нуль скачком снова достигает естественного значе­ния, образующаяся «бестоковая пауза» г/=0 (или время ожидания пробоя tup) спо­собствует интенсификации деионизационных процессов и возрастанию сопротивле­ния промежутка. Повторное зажигание дуги в следующий полупериод связано с пробоем межконтактного промежутка.

Следует отметить, что при малоиндуктивной нагрузке бестоковая пауза больше, при большей индуктивности эта пауза меньше или очень мала (примерно 0,1 мкс).

Таким образом, при каждом переходе тока через нуль возникает «соревно­вание» двух процессов, а именно процесса восстановления электрической проч­ности Unp промежутка и процесса восстановления напряжения (/„ на промежутке.

Если нарастание электрической прочности промежутка [7пр1 (рис. 5-11, а) будет опережать нарастание напряжения UB на нем, то дуга погаснет при переходе тока через нуль. Если же нарастание электрической прочности промежутка С/пр2 пойдет медленнее (рис. 5-11, б), то в момент времени, соответствующий точке О, произой­дет повторное зажигание дуги. В цепи появится ток 1Д и соответствующее вольт-амперной характеристике напряжение на дуге 1/д. Напряжение в точке О будет £/, — напряжением зажигания.

Дуга переменного тока при отключений цепей низкого напряжения. Под цепями низкого напряжения понимают установки с напряжением до 1000 В. Здесь при малой длине дуги сопротивление ее ствола соизмеримо с сопротивлением отклю­чаемой цепи, а напряжение на дуге — с напряжением источника питания. При определении условий гашения дуги в этом случае нельзя пренебрегать падением напряжения на стволе, так же как и процессами при переходе тока через нуль. Гашение дуги может осуществляться как при одних, так и при других условиях или с учетом и тех и других [29]. Схематически процесс отключения низко­вольтной цепи представлен на рис. 5-12. После размыкания контактов (МРК) в момент времени tx происходит первый переход тока дуги через нуль. Восста­навливающаяся прочность дугового промежутка Unp может быть еще недостаточно высокой, и наступает повторное зажигание дуги при напряжении U3.

Во втором полупериоде горения дуги ее сопротивление значительно возрастает. В результате ток гд ограничивается этим сопротивлением и угол сдвига между током и напряжением сети Uc к моменту времени t2 уменьшается. Уменьшение тока дуги за счет роста ее сопротивления ведет к повышению восстанавливаю­щейся прочности, а уменьшение условного угла сдвига фаз — к снижению мгно­венного значения восстанавливающегося напряжения UB и скорости его роста. После второго перехода через нуль ствол дуги разрушается, кривая £/пр лежит выше кривой [/„, дуга гаснет. После этого перехода межконтактный промежуток может сохранить так называемую остаточную проводимость, присущую той или иной стадии газового разряда. В этом случае по нему протекает остаточный ток гост.

Рациональным условием гашения дуги переменного тока следует считать такое, когда гашение осуществляется в первый после размыкания контактов пере­ход тока через нуль.

5-7. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ДУГОВОГО ПРОМЕЖУТКА

Под восстанавливающейся электрической прочностью дугового (межконтакт­ного) промежутка понимается пробивное напряжение, которое способно вызвать повторное зажигание дуги в этом промежутке в тот или иной момент времени.

Уже в стадии дугового разряда межконтактный промежуток в зависимости от степени ионизации обладает определенной электрической прочностью, соответ­ствующей значению напряжения, необходимому для поддержания неизменной проводимости дугового ствола. Таким образом, в момент перехода тока через нуль промежутку присуща некоторая электрическая прочность, которую назовем начальной восстанавливающейся прочностью. Далее электрическая прочность из­меняется в зависимости от условий, создаваемых (образующихся) в промежутке. При анализе условий, необходимых для гашения дуги, различают короткие и длинные промежутки.

Восстановление прочности коротких дуговых промежутков. Короткими назы­вают промежутки, у которых электрическая прочность после перехода тока через нуль определяется главным образом явлениями у электродов. Эти явления зависят

от состояния и свойств электродов и газовой среды, находящейся между ними. Рассмотрим явления у электродов при переходе тока через нуль. При этом сделаем допущение, что катод «холодный» и что температура газа в околокатод­ном слое недостаточна для возникновения термической ионизации, т. е. термо­электронная эмиссия и термическая ионизация отсутствуют. Допустим, что после-дуговая плазма имеет равномерную плотность во всем пространстве и что плот­ности положительных и отрицательных частиц равны между собой. Тогда при появлении между электродами (рис. 5-13) разности потенциалов (начало процесса восстановления напряжения) отрицательные частицы начнут двигаться к аноду, а положительные — к катоду. Учитывая, что подвижность электронов во много раз выше (до 1000 раз) подвижности ионов, то в очень короткое время от начала восстановления прочности промежутка электроны уйдут из околокатодного прост­ранства, а ионы останутся- на месте. При этом у катода возникнет зона простран­ственного положительного заряда, и эту зону можно считать диэлектриком. Раз­ность потенциалов оказывается приложенной к этой зоне пространственного за-Ряда, однако распределение напряженности электрического поля и восстанавливаю­щегося напряжения вдоль этой зоны будет неравномерным, как это показано на рис. 5-13,6 и в. Максимальной напряженности электрическое поле достигает у поверхности катода и зависит (как и толщина слоя пространственного заряда) от плотности заряженных частиц и приложенного к промежутку напряжения.

Когда электроды (контакты) остаются «холодными», то основной причиной пробоя промежутка может быть автоэлектронная эмиссия (если максимальная напряженность электрического поля у катода достигает 105 —107 В/см). При отсут­ствии автоэлектронной эмиссии восстанавливающаяся прочность промежутка мо­жет быть весьма высокой и процесс может протекать, как это показано на рис. 5-14. При нарастании прочности промежутка по кривой I повторного зажи­гания дуги не произойдет, а при нарастании прочности по кривой 3 повторное зажигание произойдет в точке О — точке пересечения кривой 3 с кривой 2 — кривой восстанавливающегося напряжения. Кривая 4 представляет собой 1/л. Восстанав­ливающаяся прочность в момент перехода тока через нуль скачком достигает некоторого значения 1/про, а затем постепенно возрастает во времени. При этом начальная восстанавливающаяся прочность Unp0 (t < 1 мкс) может быть до 200 В.

Если в газе содержатся пары металла, а электроды «горячие», т. е. имеется термоэлектронная эмиссия, то значение начальной прочности Uup0 (как это пока­зано в работе [29]) может колебаться в широких пределах и уменьшаться до нескольких десятков вольт.

Восстановление прочностн длинных дуговых промежутков в выключателях с ак­тивной денонизацией дугового ствола. Восстановление прочности в этом случае определяется быстрым распадом дуговой плазмы (дугового ствола) после пере­хода тока через нуль (см. рис. 5-11). Дуговая плазма (остаточный дуговой ствол) сохраняет некоторую проводимость, и по промежутку протекает остаточный ток /ост. Если рассеиваемая остаточным стволом мощность будет превосходить под­водимую, то восстановление прочности промежутка будет опережать восстановле­ние напряжения и дуга окончательно погаснет (см. рис. 5-11, а). Если же подво­димая к остаточному стволу мощность будет превосходить рассеиваемую, то начнется рост остаточного тока, разогрев плазмы и в какой-то момент наступит тепловой пробой, ток дуги восстановится (см. рис. 5-11,6).

5-8. ВОССТАНОВЛЕНИИ НАПРЯЖЕНИЯ НА КОНТАКТАХ

Процессы восстановления напряжения и электрической прочности промежутка взаимосвязаны, и эта взаимосвязь довольно сложна и еще недостаточно изучена.

На рис. 5-14 показан процесс восстановления напряжения при идеализиро­ванном выключателе. Было принято, что напряжение на дуге равно нулю, а после перехода тока через нуль сопротивление промежутка становится сразу равным бесконечности. При таком предположении восстановление напряжения на выклю­чателе начинается с нуля, а не с пика гашения 1/г, и на затухание восстанав­ливающегося напряжения влияют только параметры цепи. Частота и амплитуда колебаний переходного процесса определяются индуктивностью L, емкостью С и сопротивлением R источника тока и цепи. Частота колебательного процесса равна

и лежит в пределах тысяч герц.

В действительности восстанавливающееся напряжение зависит не только от R, Ln С цепи, но и от остаточной проводимости самого межконтактного промежутка. Последняя зависит от свойств дугогасительных устройств, которые весьма разно­образны. В общем случае процесс восстановления напряжения на контактах может

Рис. 5-15. Процессы при восстановлении напряжения на дуговом промежутке

иметь апериодический или периодический характер, схематично показанный на рис. 5-15.

На рис. 5-15,а и б ток взят отстающим от ЭДС на 90° электрических, что весьма близко к реальным условиям при коротких замыканиях в сетях перемен­ного тока. При апериодическом процессе максимальное значение восстанавливаю­щегося напряжения не может быть выше ЭДС источника. При периодическом процессе 1/втах практически не превосходит 2Ет. Ввиду большой разности часто­ты переходного процесса и частоты сети (50 Гц) ЭДС сети за время переходного процесса можно считать постоянной. Весь процесс восстановления напряжения составляет десятки (сотни) микросекунд.

Возьмем второй крайний случай — отключение активной цепи: L—>0; С —> 0. Здесь ток совпадает по фазе с ЭДС (рис. 5-15, в). Ток и ЭДС переходят через нуль одновременно, восстанавливающееся напряжение на контактах нарастает от нуля с частотой сети. Тем самым отключение активной нагрузки происходит существенно легче, чем индуктивной.

5-9. ОСОБЕННОСТИ ОТКЛЮЧЕНИЯ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТЫ

Аппараты низкого напряжения изготовляются для переменного тока повышен­ной частоты 400-500 Гц, а также 2,5-10 кГц (закалочные установки). В послед­нем случае частота колебательного процесса при восстановлении напряжения на дуговом промежутке оказывается того же порядка, что и частота тока. Здесь уже нельзя считать ЭДС источника питания неизменной за время переходного про­цесса. Близкое совпадение частот источника питания и собственных колебаний существенно меняет характер переходных процессов. Если при промышленной частоте отключение индуктивного контура (ср -* 90°) оказывалось тяжелее, чем отключение активного контура (ф -»0), то при повышенной частоте отключение активного контура осуществляется труднее, нежели индуктивного контура.

При гашении дуги в индуктивном контуре промышленной частоты напряже­ние на дуговом промежутке может достигнуть 2Ет. При гашении дуги в активном

контуре повышенной частоты напряжение не может превзойти величины Ет. Этим при прочих равных условиях облегчается гашение высокочастотной дуги по срав­нению с дугой промышленной частоты.

Существуют, однако, и факторы, ухудшающие условия гашения дуги повы­шенной частоты. При промышленной частоте температура дугового промежутка при переходе тока через нуль успевает понизиться на 30—50%, что способствует интенсификации процессов деионизации. При дуге повышенной частоты существен­ного снижения температуры дугового промежутка при переходе тока через нуль не происходит. Если не учитывать явлений у катода при переходе тока через нуль, то условия гашения дуги повышенной частоты (/—> 10 кГц) приближаются к условиям гашения дуги постоянного тока.