Перенапряжения при гашении дуги

Большинство коммутаций в цепях высокого напряжения сопровождаются возникновением электрической дуги, которая представляет собой вид электрического разряда, характеризуемый большой плотностью тока и термической ионизацией молекул газа. Скорость снижения тока при гашении дуги определяет возникающие перенапряжения в сети.

Условия существования дуги и ее характеристики зависят от скорости ее охлаждения. При токах более 200-300 А и неподвижной дуге в воздухе средний градиент потенциала на дуге составляет 8..10 В/см. Если напряжение на размыкаемых контактах меньше 15..20 В, то дуга возникнуть не может и ток прерывается за очень короткое время (менее 1 мс), что при больших токах и значительных индуктивностях в цепи приводит к большим перенапряжениям. При небольших токах, менее 0,4..1 А, не обеспечивается баланс тепла в дуге и размыкание цепи сопровождается многочисленными неустойчивыми разрядами со значительными перенапряжениями.

При достаточно больших токах и напряжениях на размыкаемых контактах возникает устойчивая дуга, свойства которой определяются вольтамперной характеристикой (статической для установившейся дуги постоянного тока и динамической при отключении или при переменном напряжении). Для иллюстрации влияния скорости гашения дуги на возникающие перенапряжения достаточно рассмотреть процессы в простейшей цепи постоянного тока с резистором и катушкой по рис. 6.9.

Рисунок 6.9 - Схема цепи постоянного тока

Согласно второму закону Кирхгофа . При расположении вольтамперной характеристики дуги по рис.6.10а и токе получается , так что ток в цепи растет вплоть до значения , и при токе получается , изменения тока не будет и дуга будет гореть длительно. Точка является точкой неустойчивого равновесия.

Рисунок 6.10 -. Вольтамперная характеристика устойчивой (а) и неустойчивой (б) электрической дуги

Чтобы дуга могла погаснуть, необходимо увеличивать , например, путем растягивания дуги. Если ее вольтамперная характеристика будет везде выше прямой , как на рис. 6.10б, то везде , источник питания не сможет поддерживать дугу, ток будет уменьшаться и дуга погаснет. Скорость снижения тока при этом будет определяться параметрами цепи и скоростью удлинения дуги. Удлинение дуги может быть естественным, как в роговых разрядниках, или принудительным под действием магнитного поля; изменение вольтамперной характеристики дуги может быть и под действием принудительного ее охлаждения.

При переменном напряжении ток дуги периодически снижается до нуля и дуга полностью прекращается. Если восстанавливающееся напряжение на промежутке меньше пробивного напряжения промежутка, то дуга возникнуть больше не может и ток естественным образом прекращается; по этой причине гашение дуги переменного тока происходит значительно легче гашения дуги постоянного тока.

Потенциалы точек схемы рис. 6.9 меняются во времени, что показано на рис. 6.11. Потенциал точки b определяется равенством , а потенциал точки c, то есть напряжение на дуге, равен

.

Рисунок 6.11 - Перенапряжения при гашении дуги

На рис. 6.11 показано кривая изменения во времени напряжения в точке b, из которой хорошо видно, что возникающее перенапряжение определяется скоростью снижения тока в цепи.