Отключение цепей переменного тока нормально производится выключателями. При размыкании контактов выключателя возникает дуга. Когда ток проходит через нуль, дуга гаснет, однако в следующий момент она может вновь зажечься, если электрическая прочность промежутка оказывается меньше восстанавливающегося напряжения на контактах выключателя.
Контакты выключателя при отключении непрерывно расходятся, поэтому при каждом последующем прохождении тока через нуль начальная электрическая прочность промежутка оказывается больше и в конце концов создаются условия для окончательного гашения дуги. Характеристики современных выключателей таковы, что дуга в них может гореть один — три полупериода промышленной частоты.
Электрическая дуга или дуговой разряд представляет собой самостоятельный, т. е. не зависящий от внешнего ионизатора разряд в воздухе или в газе (в зависимости от типа выключателя). У дуги различают три характерные области: околокатодную, околоанодную и столб дуги (рис. 7.3). Примечательно, что падения напряжения вблизи катода ΔUК и вблизи анода ΔUА не зависят от проходящего тока и соответственно равны 10 - 20 и 3 - 5 В. В среднем ΔUК + ΔUА ≈ 20 В. Столб дуги представляет собой плазму, состоящую из электронов и положительных ионов; в цент- |
ре столба температура доходит до 25 000—50 000 К.
В дуге непрерывно идут процессы ионизации, которые поддерживают горение дуги, и деионизации, которые, наоборот, стараются погасить дугу. Воздействие на эти процессы и является основой различных способов гашения дуги в выключателях.
Рис. 7.5. Вольт-амперные характеристики дуги | Рис. 7.6. Отключение активной (а) и индуктивной (б) цепей переменного тока |
Электрическая дуга обладает нелинейной вольт-амперной характеристикой (рис. 7.5).
Различают статическую и динамическую характеристики дуги. Для данного промежутка и данных условий дугового разряда существует одна статическая характеристика (пунктирная кривая на рис. 7.5). Динамических же характеристик может быть множество в зависимости от тока и степени деионизации дугового промежутка. При увеличении тока динамические характеристики идут выше статической, а при уменьшении тока — ниже ее.
Напряжения, при которых дуга загорается (возникает) и гасится (прекращается), называются соответственно напряжениями зажигания и3 и гашения иГ, причем всегда uЗ > uГ. На участках 1-2-3 и 4-5-6 имеет место самостоятельный разряд, а на участках 0-1, 3-0-4, 6-0 несамостоятельный разряд, при котором ток пропорционален приложенному к промежутку напряжению. В соответствии с характером физических процессов в дуге ее сопротивление является чисто активным, поэтому напряжение и ток дугового промежутка одновременно проходят через нуль.
Тяжесть отключения цепи существенно зависит от фазы Отключаемого тока. На рис. 7.6 показано отключение чисто активного тока (рис. 7.6, а) и чисто индуктивного тока (рис. 7.6, б); в обоих случаях через т обозначено время начала расхождения дугогасительных контактов, а через uПР — электрическая прочность промежутка между контактами.
Как видно, в первом случае процесс отключения цепи облегчен, так как здесь восстанавливающееся напряжение на контактах выключателя определяется характером изменения напряжения сети и скорость восстановления напряжения относительно невелика. Во втором случае переходный процесс восстановления напряжения характеризуется большими значениями амплитуды и скорости восстанавливающегося напряжения.