Б) Условия стабильного горения и гашения дуги

При дуге неизменной длины

U = iR +(Ldi / dt) + u _Д

В стационарном режиме ток в цепи не меняется и di / dt = 0.

Рис. 4.3. Баланс напряжений в электрической цепи при наличии дуги

На рис. совместно с ВАХ дуги построена прямая U - iR = f(i)

Для тока I отрезок ab соответствует напряжению на дуге, отрезок сd — падению напряжения на резисторе R, отрезок Ьс соответствует Ldi / dt.

В точках1 и 2 Ldi / dt = 0, а следовательно

в этих точках возможен стационарный ре­жим. Точка 1 является точкой неустойчивого равновесия.

Если по каким-либо причинам напря­жение источника питания снизится, то точка равновесного состояния перейдет в 2', при этом ток уменьшится до зна­чения i₂ґ, определяемого пересечением ВАХ с прямой U- iR

Пусть теперь напряжение источника восстановится до прежней величины. Для тока i₂ґ, отрезок U- iR >u _Д по­этому в этой точке Ldi / dt > 0.(на индуктивности возникает напряжение, которое увеличивает ток.Процесс будет продолжаться до тех пор, пока напряжение Ldi / dt = 0, т. е. рабочая точка попадет в точку 2.

Пусть по каким-либо причинам, например из-за роста напряжения источника

iґґ₂ >I_2. Если напряжение вернется к старому значению, то возникнет напряжение на индуктивности<,0. При этом ток i´ґ₂ будет уменьшаться, пока не станет равным току I₂.

Если i´ґ₁<I₁ то возникнет напряжение Ldi / dt > 0. Ток будет возрастать до значения I₂. Таким образом, точка 1 является точкой неустойчивого равновесия: при выходе из нее ток в цепи либо становится равным I₂, либо дуга гаснет и ток становится равным ну­лю.

Точка 2 является точкой устойчивого равновесия: при выходе из нее возникают процессы, которые возвра­щают состояние цепи снова в эту точку.

Для гашения дуги при всех значениях тока должно быть напряжение Ldi / dt < 0. и ток в цепи будет убывать до тех пор, пока дуга не погаснет.

Для выполнения этого условия необходимо U- iR < u _Д

Это возможно за счет либо поднятия ВАХ, либо уве­личения сопротивления цепи. ВАХ дуги может быть под­нята в результате увеличения длины дуги, интенсивного охлаждения и повышения давления среды, в которой горит дуга.

С ростом отключаемого тока Iк=U/R и напряжения источника реостатная характеристика поднимается, условия отключения утяжеляются. При разведении контактов между ними возникнем дуга с током I₂. Если длина дуги и напряжение источника неизменны, то при увеличении сопротивления ток в цепи будет уменьшаться. При дальнейшем возрастании сопротивления. создаются усло­вия для гашения дуги. Токи и сопротивления, при которых наступают условия для гашения дуги, называются крити­ческими.

Определим длительность горения дуги. Обозначим напряжение Δu=| Ldi / dt|

t_д=L∫di / Δu

Таким образом, чем больше напряжение, тем меньше длитель­ность горения дуги, но больше напряжение на контактах в момент гашения.

в) Перенапряжения при отключении дуги постоянного тока.

Напряжение на контактах в момент достижения то­ком нулевого значения наз. напряжением га­шения дуги. u _гаш=U+ | Ldi / dt|

Таким образом, 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 di / dt зависит от скорости роста сопротивления дугового промежутка и скорости его деионизации. При отключении индуктивной цепи процесс гашения дуги затягивается(в реальных установках ток может меняться довольно быстро, а вследствие тепловой инерции дугового столба из­менение сопротивления дуги отстает от изменения тока, т е при быстром росте тока сопротивление дуги падает медленнее,) и поэтому на контактах появляется перенапряжение. Поэтому в быстродействующих аппаратах интенсивному изменению тока соответствует высокое напряжение, а менее интенсивному изменению тока- меньшее перенапряжение в конце процесса отключения цепи. После окончания процесса отключения, перенапряжение снижается до напряжения источника.

Следует отметить, что напряжение Ldi / dt приложено к индуктивности отключаемой нагрузки. Это напряжение может в десятки раз превышать номинальное напряжение источника и приводить к пробою изоляции нагрузки. Для ограничения перенапряжений при отключении больших индуктивностей (обмотки возбуждения крупных генераторов) применяются устройства с дугогасительной решеткой.

Рис. 4.5. Статическая А и дина­мическая В—D вольт-амперные ха­рактеристики дуги

Для гашения дуги необходимо, чтобы количество энергии, подводимой к дуге, было меньше количества тепла, отводи­мого от нее. При отключении цепи с большой индуктив­ностью выделяемую в дуге электромагнитную энергию необходимо отвести охлаждением. В связи с этим, чем больше индуктивность цепи и отключаемый ток, тем труднее отключить цепь.