Электрическая дуга постоянного тока

Рис. 1.2.9. Вольтамперные характеристики дуги

Основной характеристикой дуги постоянного тока является зависимость падения напряжения на дуге от тока, т. е. вольт-амперная характеристика (рис. 1.2.9). Она имеет ниспадающий характер, так как с увеличением тока напряжение на дуге u_д уменьшается.

Напряжение u_з соответствующее началу дугового разряда, называется напряжением зажигания дуги. С ростом тока увеличивается ионизация дугового промежутка и падает его сопротивление. В установившемся режиме горения для каждого значения тока в какой-то момент времени число вновь образованных зарядов в результате ионизации будет равно числу потерянных зарядов в дуговом промежутке за счет деионизации. С этого момента времени сопротивление дугового промежутка и падение напряжения на нем станут величинами постоянными, не зависящими от времени. Такой режим носит название статического, а кривая 1, характеризующая этот режим, — статической характеристикой дуги. Статическая характеристика соответствует установившемуся квазистационарному состоянию, т. е. условию устойчивого горения дуги. Статическая характеристика дуги зависит от длины дуги, материала электродов и параметров среды, в которой горит дуга. Напряжение на дуге можно рассматривать как сумму околоэлектродных падений напряжения ыэ и падения напряжения в столбе дуги , где Е_д — градиент напряжения в столбе дуги; l_д —длина дуги. Следовательно, чем больше длина дуги, тем выше лежит ее статическая вольт-амперная характеристика.

При быстром изменении тока в дуге напряжение на ней отличается от того, которое было при установившемся значении. Ток в дуге может убывать с различными скоростями, причем, чем выше скорость его спадания, тем ниже проходит вольт-амперная характеристика. Это объясняется тем, что такие параметры, как сечение дуги, температура газа и степень ионизации, понижаются медленнее, чем ток, и не успевают достичь тех значений, которые бы соответствовали меньшему току при установившемся режиме. Зависимость напряжения на дуге от тока при быстром его изменении называется динамической вольт-амперной характеристикой.

Если изменять ток в дуге от значения I₁ бесконечно медленно, то статическая и динамические характеристики дуги будут совпадать.

При бесконечно быстром изменении тока сопротивление столба дуги останется неизменным и напряжение на дуге будет изменяться пропорционально току (прямая 1—2 при увеличении тока, прямая 1—0 при его уменьшении). Конечной скорости изменения тока будут соответствовать промежуточные положения вольт-амперной характеристики, например кривая В при увеличении тока от I₁ и кривые С и D при его уменьшении соответственно от I₂ и от I₁.

Большое расхождение между статической и динамической характеристиками наблюдается при малых токах, т, е. непосредственно перед гашением дуги, что способствует ограничению перенапряжений на элементах отключаемой цепи.

Условия гашения дуги постоянного тока

Для того чтобы погасить электрическую дугу постоянного тока, необходимо создать такие условия, при которых процессы деионизации дугового промежутка превосходили бы процессы его ионизации. Если параметры цепи постоянны, то уменьшение ионизации дугового промежутка ведет к увеличению сопротивления дуги и уменьшению тока. В результате этого дуга начинает гореть неустойчиво.

В момент погасания дуги напряжение на дуговом промежутке соответствует напряжению гашения. Это напряжение зависит от интенсивности деионизации дугового промежутка. С усилением деионизации растет сопротивление дуги, быстро уменьшается ток и к концу гашения дуги напряжение на контактах резко возрастает. Поэтому при отключении цепей постоянного тока возникают значительные перенапряжения. Величина их зависит от индуктивности цепи и быстроты гашения дуги. Перенапряжение растет с увеличением скорости изменения тока и зависит от индуктивности цепи L.

При отключении цепей постоянного тока напряжение на дуговом промежутке в момент погасания дуги может в несколько раз превысить напряжение источника тока. Эти перенапряжения опасны не только для цепи тока, но и гасящих сред, имеющих высокое напряжение гашения. Поэтому при отключении цепей постоянного тока не применяются также среды, напряжение гашения которых велико, например масло. Масляные выключатели не применяются для размыкания цепей постоянного тока.

Для уменьшения перенапряжения применяют различные способы шунтирования индуктивностей цепи активными сопротивлениями, емкостями и вентилями. Это уменьшает перенапряжение и облегчает процесс гашения дуги.

В процессе гашения дуги в дуговом промежутке выделяется определенное количество энергии. Величина энергии в основном определяется током цепи, напряжениями цепи и дуги, сопротивлением дуги, временем ее горения и постоянными дугогасительных устройств. В дуге постоянного тока при ее гашении выделяются энергия магнитного поля, запасенная цепью в начальный момент отключения, и энергия, поступающая от генератора за время горения дуги, за вычетом потерь в цепи. Отсюда следует, что чем больше индуктивность цепи, тем больше в ней запас энергии магнитного поля и тем труднее погасить дугу постоянного тока. В устойчиво горящей дуге вся выделяющаяся в ней энергия поступает от генератора. Энергия, выделяемая в дуге, расходуется на нагревание дугового промежутка и частично рассеивается в окружающей среде.

Гашение дуги происходит в том случае, если температура дугового промежутка будет падать. Это условие выполняется при отрицательном энергетическом балансе дуги, т. е. когда количество тепла, отводимое от дуги, больше количества энергии, подводимой к дуге в процессе ее гашения.