Дуга постоянного тока и ее вольт-амперная характеристика

Важнейшая характеристика электрической дуги, влияющая на коммутационные процессы в аппаратах, — вольт-амперная характеристика (ВАХ), определяющая взаимосвязь между напряжением и током дуги.

Различают статическую и динамическую характеристики дуги. Статическая характеристика соответствует установившемуся, квазистационарному состоянию дуги, когда ее сопротивление остается неизменным во времени. Динамическая ВАХ соответствует неустаповившемуся состоянию дуги, когда ее сопротивление изменяется во времени в зависимости от условий передачи тепла от столба дуги.

ВАХ дуги высокого и низкого давления сильно отличаются друг от друга. На рис. 8.5 приведены статические ВАХ открытой дуги в воздухе (дуги высокого давления) при разных скоростях движения дуги (разной степени охлаждения в поперечном направлении) и дуги низкого напряжения (вакуумной дуги). Перемещение открытой дуги приводит к увеличению напряженности поля в столбе и смещению статической ВАХ вверх.

Статическая ВАХ дуги при токах до 100 А хорошо описывается уравнением Сюитса.

где Е_л — напряженность электрического поля в дуге, В/см; р — давление газа, атм; г_д — ток дуги, А; С₀, п, т — коэффициенты, зависящие от среды, в которой горит дуга. Так, для воздушной среды: С₀ = 80; п = 0,5-Д), 6; т = 0,31.

Вакуумная дуга существует в диффузной форме с очень малым градиентом напряжения в промежутке, и заряженные частицы образуются в основном в области ионизации у поверхности катода, откуда электроны и ионы распространяются к аноду. С ростом тока происходит увеличение концентрация пара в промежутке и напряженность электрического поля растет.

По сравнению с ВАХ открытой дуги, в дугогасительных устройствах (ДУ) низкого напряжения дуга активно взаимодействует с ДУ, отдавая тепло стенкам камеры. Это приводит к росту напряженности дуги и улучшению условий ее гашения.

Рис. 8.5. Вольт-амперные характеристики дуги в воздухе:

• 1 — ВАХ дуги в воздухе (дуга высокого давления);
• 2 — ВАХ дуги в вакууме (дуга низкого давления)

На рис. 8.6 даны типичные ВАХ дуги в открытом воздухе 1, в щелевой камере 2 и в дугогасительной решетке 3. Для определенных значений тока дугогасительная решетка становится наиболее эффективным способом гашения дуги.

Рис. 8.6. ВАХ:

1 — открытой дуги; 2 — дуги в щелевой камере; 3 — дуги в дугогасительной решетке Представленные на рис. 8.5 статические ВАХ дуги в воздухе хорошо описываются формулой ([2]).

где Е_а — градиент дуги, В/см; V_R — скорость перемещения дуги, см/с; /_д — ток дуги, А. Формула справедлива для отключаемых токов <1000 А.

Как отмечалось ранее, динамическая ВАХ дуги относится к нестационарному состоянию процессов на контактах аппарата. Па рис. 8.7 показана динамическая характеристика дуги переменного тока частотой 50 Гц, длиной 2,6 мм, горящая между угольными электродами.

Рис. 8.7. Динамическая характеристика дуги переменного тока

На дуговой промежуток, возникающий при размыкании контактов, воздействует приложенное напряжение, изменяющееся в процессе отключения цепи и стремящееся к напряжению источника. Оно называется переходным восстанавливающимся напряжением (ПВН) U_B. С другой стороны, диэлектрическая прочность межконтактного промежутка нарастает во времени и стремится достичь состояния изоляции. Процесс роста диэлектрической прочности межконтактного промежутка принято называть восстанавливающейся прочностью U_{B U}.

Оба процесса имеют место в межконтактном промежутке, начиная с момента размыкания контактов (МРК), и между ними происходит постоянное соревнование.

Если возрастающей прочности межконтактного промежутка удается победить рост приложенного напряжения, произойдет успешное отключение цепи. Иначе, возможные повторные пробои промежутка и выход контактов из строя.

Таким образом, общее условие успешного отключения цепи аппаратом имеет вид

Рассмотрим два этих процесса применительно к цепи постоянного тока.

«Соревнование» двух процессов — восстановления прочности межконтактного промежутка и роста приложенного к нему напряжения источника, начинается сразу после взрыва металлического мостика при расхождении контактов. Когда межконтактный промежуток не достиг больших размеров, сопротивление дугового промежутка мало и его прочность невелика. Это может вызвать пробои (повторные зажигания) промежутка (при t_{ и t₂ на рис. 8.8). Однако, по мере расхождения контактов и воздействия на дугу дугогасительных устройств и среды прочность межконтактного промежутка начинает возрастать и возможно выполнение условия (8.3), что и приведет к успешному гашению дуги.

Рис. 8.8. Процесс отключения цепи постоянного тока.

Схема замещения цепи с дугой представлена на рис. 8.9.

Рис. 8.9. Схема замещения цепи постоянного тока:

U_c — постоянное напряжение источника; i — ток в цепи; R — активное сопротивление; L — индуктивность; К — коммутационный аппарат с дугой Процесс в цепи описываются уравнением.

где U_c = I_CR; I_c — ток в цепи при включенном состоянии контактов; U_;i(i) — вольт-ампсрная характеристика дуги (например, статическая ВАХ, представленная на рис. 8.5 и 8.10).

В установившемся состоянии, когда ток 1_С протекает по контактам, уравнение (8.4) примет вид

Зависимость U_c-iR = f (i) принято называть реостатной характеристикой цепи (рис. 8.10, характеристика 4).

Рис. 8.10. К оценке условий гашения дуги постоянного тока

На рис. 8.10 даны три варианта соотношения ВАХ дуги и реостатной характеристики цепи (1—4, 2—4 и 3—4).

Рассмотрим случай, когда обе характеристики пересекаются в двух точках (А и В), и представим уравнение (8.4) в виде.

AU может иметь как положительное, так и отрицательное значения.

В точке В при малейшем возмущении (росте тока) Д U принимает отрица;

di

тельное значение и производная — становится также отрицательной, а следовательно, ток в цепи i = f (t) убывает, возвращаясь в точку В. При спаде тока &U> 0, левая часть уравнения (8.6) становится положительной, — >0.

dt

и ток возрастает, возвращаясь в точку В. Таким образом, точка В является тонкой устойчивого горения дуги (см. работу [2]).

В точке А картина обратная. При росте тока левая часть уравнения.

(8.6) становится положительной, — >0, ток возрастает и перемещается.

at

в точку В. При уменьшении тока — он сразу спадает до нулевого значения. Точка А является точкой неустойчивого равновесия.

При соотношении ВАХ и реостатной характеристики (2—4 на рис. 8.10).

AU всегда имеет отрицательное значение, а следовательно, — <0 и ток.

at

непрерывно уменьшается вплоть до нулевого значения. Это и есть условие успешного гашения дуги постоянного тока.

Принято условия гашения дуги постоянного тока формулировать так: дуга постоянного тока успешно погаснет, если ее вольт-амперная характеристика пройдет выше реостатной характеристики коммутируемой цепи.

Если касание ВАХ дуги и реостатной характеристики цепи происходит в одной точке (5_кр на рис. 8.10), то имеет место критическое условие гашения дуги, а длина дуги, соответствующая этому условию, называется критической длиной дуги.

Длительность горения дуги t_R можно приблизительно оценить, решив уравнение (8.4) относительно времени:

Более точные результаты можно получить при решении дифференциального уравнения (8.4) относительно производной тока и построении осциллограммы отключения цепи (см. раздел «Практические задачи»).

Длительное горение дуги на контактах аппарата вызывает их износ и выход самого аппарата из строя. В этом заключается отрицательная роль электрической дуги.

Однако попытки снизить длительность горения дуги на контактах путем интенсивного охлаждения дуги (например, при t_{ < t₂ на рис. 8.11) могут привести к увеличению перенапряжений на контактах аппарата (t/_t > f/₂), опасных для изоляции. Поэтому, выбирая тот или иной способ дугогашения, необходимо следить за последствиями, которые могут появиться в цепи в виде роста перенапряжений, вызванных коммутационными процессами.