4.14 Дуга постоянного тока и ее характеристики

В электрической дуге, возникающей при отключении электрической цепи, происходит одновременно два процесса: образование заряженных частиц газа или ионов - процесс ионизации и исчезновение заряженных частиц - процесс деионизации. Если скорость образования ионов равна скорости исчезновения ионов, то в электрической дуге будет существовать баланс ионов и, она будет устойчивой, если же это равновесие нарушается, электрическая дуга будет не устойчивой.

Р

Рис. 4.5- Статические вольт - амперные характеристики электрической дуги

ассмотрим энергетические характеристики и тепловой баланс электрической дуги.

Важнейшей характеристикой электрической дуги является вольт - амперная, которая представляет собой зависимость напряжения на дуге от тока. Вольт - амперная характеристика, снятая при медленном изменении тока, называется статической.

Статическая характеристика дуги зависит от расстояния между электродами, т.е. длины дуги, материала электродов, параметров среды, в которой горит дуга, и условии охлаждения. Чем больше длина дуги, тем выше лежит ее статическая характеристика. Статическая характеристика имеет падающий характер, что объясняется весьма быстрым ростом проводимости дугового промежутка при увеличении тока. Статические вольт - амперные характеристики приведены на рисунке 4.5.

Вольт - амперная характеристика электрической дуги снятая при быстром изменении тока называется динамической.

П

Рис. 4.6-Динамические вольт - амперные характеристики электрической дуги

ри возрастании тока динамическая вольт - амперная характеристика идет выше статической, кривая 1 рис. 4.6, так как при быстром росте тока сопротивление дуги падает медленнее, чем растет ток. При уменьшении тока динамическая характеристика идет ниже, кривая 2 рис. 4.6, поскольку в этом режиме сопротивление дуги меньше, чем при медленном изменении, тока. Динамическая вольт-амперная характеристика в значительной степени зависит от скорости изменения тока в дуге. Таким образом, определенным условиям горения дуги соответствует одна статическая и бесконечное множество динамических характеристик, соответствующих различным скоростям изменения тока.

Следующими важными характеристиками электрической дуги являются ее мощность и энергия, непосредственно показывающие, какую работу выполняет выключатель в процессе отключения короткого замыкания [7]. Преобразуемая в дуге мощность равна произведению напряжения дуги и тока дуги . Энергия дуги за весь период отключения, т.е. за время , в течение которого она существует, определяется выражением

. (4.3)

Эта энергия должна быть отведена от ствола дуги путем его охлаждения, и поэтому характеризует работу выключателя. Удовлетворительно организованный отвод теплоты дуги, как правило, означает успешное отключение короткого замыкания.

4.15 0Тключение электрических цепей постоянного тока

4.15.1 Условия стабильного горения и гашения дуги

О

Рис. 4.7 Цепь постоянного тока с электрической дугой

тключение электрической цепи постоянного тока рассмотрим на примере цепи приведенной на рисунке 4.7.

Для этой цепи в общем случае уравнение баланса напряжений можно записать в следующем виде:

. (4.4)

На рис 4.8. приведена графическая интерпретация условия гашения дуги постоянного тока.

Вольт - амперная характеристика дуги представлена на рисунке 4.4 кривой U_Д, вольт - амперная характеристика сопротивления цепи U_R = i·R представлена прямой линией, а индуктивное падение напряжение, связанное с возникновением ЭДС самоиндукции - отрезками ординат между вольт – амперными характеристиками.

Рассмотрим случай, когда вольт - амперная характеристика дуги пересекает вольт - амперную характеристику цепи в точках А и В. Для данных точек уравнение баланса напряжений имеет вид:

. (4.5)

В данных точках при ЭДС самоиндукции и поэтому дуга будет гореть устойчиво.

Рассмотрим насколько устойчиво будет гореть дуга в точках А и В. Если ток в дуге станет меньше , то ЭДС самоиндукции на участке между точками А и В принимает положительное значение, в силу чего ток в дуге будет увеличиваться до устойчивого значения в точке А, и уравнение баланса напряжений на этом участке имеет вид:

. (4.6)

При токе в дуге большем ЭДС самоиндукции принимает отрицательное значение, в результате чего ток в дуге начнет уменьшаться до тех пор, пока не достигнет устойчивого значения в точке А.

Уравнение баланса напряжений для тока в дуге большем тока имеет вид:

. (4.7)

Таким образом, при отклонении величины тока от значения тока iA как в сторону увеличения, так и уменьшения он благодаря регулирующему действию ЭДС самоиндукции возвращается к своему устойчивому значению в точке А. В связи с этим точка А называется точкой устойчивого горения электрической дуги. Если ток в дуге будет больше тока , то будет иметь положительное значение, вследствие чего ток в дуге будет увеличиваться до тех пор, пока не достигнет своего устойчивого значения в точке А. При токе, меньшем iB ЭДС самоиндукции принимает отрицательное значение, вследствие чего ток будет уменьшаться до тех пор, пока не достигает нуля и дуга погаснет.

Таким образом, в точке В дуга будет гореть только при токе i = i_B. В связи с этим точка В называется точкой неустойчивого горения электрической дуги.

Из выше рассмотренного видно, что для обеспечения условий гашения электрической дуги после размыкания контактов необходимо чтобы

. (4.8)

Для выполнения условия (4.8) необходимо чтобы вольт – амперная характеристика дуги лежала выше вольт – амперной характеристики сопротивления цепи.

Подъем вольт – амперной характеристики электрической дуги можно произвести

- за счет увеличения длины дуги ;

- увеличения напряженности электрического поля в дуговом столбе;

- увеличения сопротивления цепи;

- снижения напряжения цепи.

Гашение дуги постоянного тока за счет ее принудительного растягивания пригодно только для выключателей низкого напряжения, так как чрезмерное увеличение длины дуги приводит к возрастанию размеров выключателя.

Действительно, если, например, градиент напряжения в стволе дуги равен 100В/см, то при рабочем напряжении 1000 кВ длина дуги должна быть 100 м, что явно неприемлемо с конструктивной точки зрения.

В электрических аппаратах низкого напряжения нашли применение дугогасительные устройства трех типов: открытый разрыв, щелевые дугогасительные камеры и деионные (дугогасительные) решетки.