Динамические характеристики дуги

Рис. 3.7. Динамические характеристики дуги в безиндуктивной цепи

Динамические характеристики дуги когут зависеть не только от свойств самой дуги, но прежде всего от параметров цепи, в ко­торой дуга возникает. Так, при отсутствии индуктивностей в вы­ключаемой цепи (практически при ее пренебрежимо малом значе­нии) = + IR или = - IR. Наибольший ток =. Именно такой ток будет перед размыканием цепи. Падение напряжения в дуге изменяется в дальнейшем по линейному закону (рис. 3.7), что определяется характером изменения падения напряжения на сопротивлении R. Динамическая вольт-амперная характеристика дуги в этом случае имеет вид прямой.

Динамическая характери­стика пересекает все статиче­ские характеристики, распо­ложенные ниже нее, т. е. в процессе выключения может иметь длины, соответствую­щие этим характеристикам.

Предельно возможная — кри­тическая - длина дуги соответствует точке соприкос­новения статической и дина­мической характеристик.

В диаграмме. Нетрудно убедиться, что изменяется как при изменении /тах, так и при изменении.

Рассмотренная цепь идеализирована, так как все цепи э. п. с., кроме цепи отопления, имеют высокие индуктивности. Выключению таких цепей соответствует схема замещения на рис. 3.4. Уравнение напряжения для этого случая

= + LdI/dt+IR или =— IR +.

При включении цепи dl/dt < 0, а поэтому изменяется на обрат­ный и знак перед. Величина оказывает большое влияние на процесс коммутации цепи, одновременно повышая динамические вольт-амперные характеристики дуги. За счет э. д. с. самоиндук­ции возможно >, что в конце процесса включения соответ­ствует коммутационному перенапряжению. Э. д. с. самоиндукции зависит не только от параметров цепи, но и от характеристик про­цессов дугогашения.

Исходя из уравнения = E можно записать

= (EL/R) (ddt) =ET ddt,

соответственно = () — IR + ETddt, где Т — постоянная времени контура.

На основании этого уравнения и рис. 3.8, можно сформулировать основные задачи, которые необходимо решать, создавая системы управления дугой в тяговых аппаратах. Цель управления — осу­ществление коммутации цепей с минимальными перенапряжения­ми. Для рассеивания дугой большого количества магнитной энер­гии, накопленной в элементах выключаемого контура, необходимо, чтобы в начале процесса выключения значение было большим, что обеспечивает интенсивное удлинение дуги и повышение гра­диента падения напряжения в ней. В конце процесса выключения следует снижать как скорость удлинения дуги, так и градиент Е.

Рис. 3.8. Динамические характеристики дуги в цепи с индуктивностью

На рис. 3.8 показаны два возможных завершающих участка динамической вольт- амперной характеристики: А — усиленное действие дуго­гасительной системы, Б — действие ее в конце процесса выключения ослабляется. На­пряжение, соответст­вующее вольт-амперной ха­рактеристике Б, значительно ниже напряжения характеристики А.

а)

Рис. 3.9. Шунтирование дуги резистором:

а —схема замещения; б — вольт-амперные характери­стики

Увеличение индуктивности в цепи дуги повышает ее критичес­кую длину lкр, что обычно соответствует большему выделению энер­гии в ней. Применительно к коммутационным аппаратам э. п. с. найдена эмпирическая формула

lкр (3.6)

где — коэффициент; обычно лежит в пределах 0,013—0,016. Зависимость параметров дуги и показателей систем дугогашения в коммутационных аппаратах от параметров выключаемых це­пей приводит к необходимости регламентировать величины посто­янных времени Т или соответствующие им cosφ испытательных це­пей. Нормированные значения и cosφ приведены на с. 14. Исклю­чение составляют контакторы цепей управления, для которых = 0,05 с и cosφ = 0,5. На значения установлен допуск ±15%, на cosφ — допуск ±0,05.

Коммутационные свойства аппаратов постоянного и пульси­рующего тока можно существенно повысить, одновременно снизив коммутационные перенапряжения, шунтируя дугу резистором. После размыкания контактора l падение напряжения на сопро­тивление (рис. 3.9, а) такое же, как и в дуге Д, а общий ток цепи l разделяется на ток дуги и ток шунта для обычных ре­зисторов и для резисторов с нелинейными характеристиками = + или = +.

При шунтировании вольт-амперная характеристика дуги () (рис. 3.9, б) изменяется по сравнению с такой характеристикой () без шунтирования вследствие изменения э. д. с. самоиндук­ции, зависящей от полного тока цепи,

= —Ld/dt= —Ld (+)/dt. (3.7)

Кривую () можно построить по точкам для любых про­извольных значений =. Именно таким путем построена кривая (). В точке происходит изменение знака производ­ной d/dI. Вследствие высоких значений d/dI существенно ус­коряется гашение дуги, а в точке возникает импульс э. д. с., вытесняющий ток в цепь шунта. Этому процессу соответствует наи­большее напряжение цепи; <, т. е. условия выключения более благоприятны, чем при линейных сопротивлениях.

Дуга переменного тока отличается от стационарной дуги посто­янного тока тем, что изменения напряжения и тока повторяются в каждом полупериоде; она может быть неустановившейся (обычно при гашении), когда такое повторение отсутствует. В продолжение каждого периода направление тока в дуге меняется на обратное, что сопровождается переходом тока через нуль, т. е. его прерыва­нием. Одновременно изменяются положения катодного и анодно­го пятен. Все это делает дугу переменного тока менее устойчивой, чем дугу постоянного тока, и облегчает условия ее гашения. Время горения дуги переменного тока определяет различия как в ее харак­теристиках, так и влияние на процессы прохождения тока в вы­ключаемых цепях.

Наиболее близкие процессы к происходящим в дугах постоянного тока имеют место при так называемом срезе тока (рис. 3.10), когда весь процесс дугообразования и гашения дуги происходит в про­должении части одного полупериода, т. е. когда время горения ду­ги < Т/2 = 1/(2/f), где Т и f — соответственно период и частота переменного тока.

Срез тока возникает при интенсивном дугогашении, а начало процесса может иметь по времени различное смещение относитель­но начала полупериода напряжения. Смещение имеет чисто слу­чайный характер. В процессе гашения дуги изменение тока за­висит от параметров выключаемой цепи и, в частности, от ее по­стоянной времени Т, а также от характеристик дугогасительных

Рис. 3.10. Кривые, характеризующие Рис. 3.11. Напряжение u(t) и ток выключение цепи со срезом тока i(t) дуги при небольших разрываемых токах

устройств. В рассматриваемом случае дугогашение должно быть весьма интенсивным.

При снижении тока на участке дугогашения возникает э. д. с., увеличивающая мгновенные значения напряжения до и = +.

Обычно процесс под влиянием емкостей цепи приобретает поли- гармонический характер, причем основная гармоника пульсаций имеет частоту

= I / (2π √LC).

Возникающее коммутационное перенапряжение при действую­щем значении исходного напряжения U0 может достигать

≅ (5÷7) √2.

Из-за высоких коммутационных перенапряжений срез тока не­желателен, но он часто бывает необходим в аппаратах защиты от коротких замыканий. При этом можно несколько облегчить про­цессы дугогашения и снизить коммутационные перенапряжения путем шунтирования дуги резистором с нелинейным сопротивле­нием. Обычно это применяют в главных выключателях э. п. с. пе­ременного тока. В остальных случаях горение дуги продолжается в течение одного или нескольких полных полупериодов, а цепь вы­ключается окончательно при проходе тока через нуль.

Для зависимости (t) при сравнительно малых токах (рис. 3.11) характерно значительное импульсное возрастание падения напря­жения в дуге при ее зарождении в начале каждого полупериода до значения. Несколько меньший импульс < возникает в конце каждого полупериода при погасании дуги. Вся энергия, выделяемая в дуге за время полупериода T/2,

= dt

По мере повышения напряжения, т. е. удлинения дуги, все большая энергия выделяется в ее стволе относительно энергии, вы­деляемой около электродов. Значительная часть этой энергии за­трачивается на ионизацию газов в зоне дуги, снижая пробивное на­пряжение между электродами при разомкнутых контактах и нара­стании приложенного напряжения противоположной полярности.

Квазиустановившийся характер переменного тока осложняет протекание процессов в дуге и определение ее длины.

При частоте 50 Гц критическая длина дуги

≅ √,

где, — действующие значения соответственно номинального на­пряжения и отключаемого тока; = 0,008÷0,0092.

Для того чтобы дуга любой длины не восстановилась после того, как ток достиг нулевого значения, восстанавливающаяся прочность межконтактного промежутка не должна превышать приложен­ного напряжения. Восстанавливающаяся прочность характери­зует степень деионизации межэлектродного пространства и опреде­ляется пробивным напряжением. Она зависит от ряда как регуляр­ных, так и случайных процессов, большинство из которых не под­дается точному математическому описанию. В этой области широко используют опытные данные и различные эмпирические зависимос­ти. Например, при магнитном дугогашении и свободной дуге, что обычно используют в аппаратах переменного тока для напряжений не выше 1000—1200 В, применяют зависимость

+ t,

где — начальная восстанавливающаяся прочность в момент про­хода тока через нуль; — результирующая скорость роста величины

Зависимости () и (), приведенные на рис. 3.12, по­строены на основе статистической обработки большого числа опыт­ных данных и проверены практикой проектирования.

Совмещение зависимости с кривой приложенного напря­жения позволяет определить, восстановится ли прохождение тока в рассматриваемый полупериод или нет. Так, по рис. 3.10 при дуга восстановится в рассматриваемый полупериод. При отсутствие общих точек с кривой приложенного напряжения сви­детельствует о невозможности возникновения дуги.

Восстанавливающаяся прочность еще сложнее определяется для длинных дуг высоковольтных коммутационных аппаратов перемен­ного тока: она сильно зависит от окружающей газовой среды

Рис. 3.12. Зависимости восстанавли­вающейся начальной прочности и результирующей скорости ее восстановления при различных на­чальных токах

Рис. 3.13. Кривые, характеризую­щие восстановление электрической прочности в различных средах:1 — вакуум; 2 — элегаз; 3 — азот;4 — водород

(рис. 3.13). В этом отношении наилучшими свойствами обладает ва­куум, так как в нем ствол дуги образуется только концентри­рованными парами электродов, термическая ионизация которых недолговечна.

Дуга пульсирующего тока при коэффициентах пульсации, свой­ственных электрооборудованию современного э. п. с. (= 0,2÷0,3), по своим свойствам мало отличается от дуги в аппаратах по­стоянного тока. Присущие им нестабильности и колебания токов и напряжений превышают соответствующие переменные составляющие в системах пульсирующего тока. Большинство коммутационных ап­паратов э. п. с. постоянного тока пригодны и для работы на пульси­рующем токе.

Способы воздействия на электрические дуги с целью управления ими и гашения их основаны на рассмотренных свойствах и харак­теристиках электрических дуг. К ним относятся:

удлинение ствола дуги — путем перемещения электродов, воз­действием электромагнитных или электродинамических сил, воз­действием на дугу газового потока;

повышение градиента падения напряжения в дуге — путем ох­лаждения ствола газовым потоком, увеличением периметра попереч­ного сечения ствола дуги;

применение среды с газами повышенной теплоемкости для усиле­ния теплорассеяния от ствола дуги;

интенсификация отбора тепла от катодного и анодного пятен — увеличением массы, теплопроводности и теплорассеяния электродов.

Все эти способы, чаще всего их комбинации, применяют в совре­менных тяговых аппаратах. Некоторые из них, например гашение дуги в вакууме, хотя и не нашли пока еще применения в тяговых аппаратах, но представляются, несомненно перспективными.