8.2 Стадії в міжконтактному проміжку при вимиканні кола. Дуга і її властивості

При вимиканні електричного кола із струмом в міжконтактному проміжку проходять наступні стадії:

1. початок вимикання, якому відповідає стан металічного провідника (замкнутий стан контактів);

2. утворення розплавленого металічного містка в початковій стадії розходження контактів, що супроводжується, внаслідок зменшення сили натискання, збільшенням перехідного опору і ростом виділення тепла в контакті;

3. вибух металічного містка під дією великої концентрації теплової енергії в ньому;

4. утворення електричної дуги (іскри) між контактами апарату. В процесі її гасіння комутаційний орган за допомогою дугогасильної системи збільшує її електроопір;

5. перетворення проміжку в діелектрик, коли всі іонізовані частинки із проміжку розсіюються, і він стає ізолятором.

В процесі вимикання кола можливе виникнення тліючого або дугового розряду. Нагадаємо, що електричний розряд – це процес протікання електричного струму в газі. Він буває самостійним і несамостійним. Тліючий, дуговий, іскровий – це види самостійних розрядів.

Тліючий розряд виникає при розмиканні при І < 0.1 А і напругах 250 – 300 В. Це спостерігається в малопотужних реле, в більш потужних апаратах спостерігається розряд у вигляді електричної дуги. Дуговий розряд виникає в першу чергу внаслідок термоелектронної емісії. Електрони іонізують молекули газу.

Особливості дугового розряду:

1. має місце тільки при відносно великих густинах струмів і відносно невеликих напругах між електродами;

2. температура центральної частини дуги від 6000 до 25000 К;

3. густина струму при дуговому розряді від 100 до 1000;

4. спад напруги біля катода 10 – 20 В, і не залежить від струму.

Розрізняють три характерні області дугового розряду:

• прикатодна область;

• область стовпа дуги;

• прианодна область.

Області мають різну концентрацію носіїв, різну температуру, спад напруги та її градієнт. У короткої дуги, характерної для апаратів низької напруги, спад напруги на стовпі дуги є малим в порівнянні із спадом напруги (в сумі) у катода і анода. У довгої дуги, характерної для апаратів високої напруги – навпаки, тому біляелектродним спадом можна знехтувати.

8.3 Статична і динамічна вольтамперна характеристика (вах) дуги. Умови стабільного горіння та гасіння дуги

На рис. 8.3 приведено типову схему кола, що вимикається, для апаратів, коли коло підключено до джерела з напругою . Послідовно з’єднані опір , комутуючий елемент апарату, індуктивність L. Опір R_Ш – опір розтікання по ізоляції, або опір комутуючого елемента в момент відновлення напруги. Ємність C включає ємність провідників, струмоведучих частин і т.д.

Як правило, R_Ш – дуже великий (кіло- і мегаоми), а C – мала – долі мікрофарад. Якщо вважати, що R_Ш → ∞, а C → 0, то отримаємо схему, представлену на рис. 8.5.

Розрізняють ВАХ статичну і ВАХ динамічну. ВАХ, що знята при повільній змінні струму називається статичною. Динамічні характеристики – це характеристики, які знімаються, коли швидкість струмозміни є великою і внаслідок теплової інерції дугового стовпа зміна опору дуги не встигає за струмом. Тому динамічних характеристик є багато, в залежності від швидкості наростання струму, а статична характеристика є одна (див. рис.8.4). Як видно із рисунка, статична характеристика іде вище і крутіше. Для схеми рис.8.5 можна записати:

1) (8.1)

2) (8.2) (а)

3) (б)

Розглянемо рис.8.6.

1– напруга джерела U_C;

2 – спад напруги на активному опорі (відраховується від прямої 1);

3 – ВАХ-дуги.

Точки а і б – точки, де виконується рівність (8.3).

При стабільно „горящій” дузі =0, тому

4) (8.3)

Проаналізуємо графічний розв’язок рівняннь (8.2), (8.3), представлені на рис. 8.6.

Стан дуги в точках (а), (б) для нашого випадку є рівноважним.

1. якщо коло складається з R, L, то для будь-якого моменту часу процес описується в загальному формулою 8.2 (а), або для дуги – 8.2 (б);

2. при стабільно горящій дузі формула 8.2 переходить у формулу 8.3;

3. для того, щоб дуга погасла необхідно, щоб струм з часом зменшувався, тобто було <0.

4. В нашому випадку це означає, що при ; ; <0 (бо <0). З урахуванням знаків це показує, що, якщо по якійсь причині струм стане менше і_а, то він впаде до нуля. Дуга погасне;

5. якщо по якійсь причині струм стане дещо більше і_а, то отримаємо . Тобто в колі з’явиться „надлишкова” напруга, яка приведе до зростання струму до значення І_б. Між точками а і б >0. Зростання струму супроводжується накопиченням енергії.

6. при струмі для підтримки цього струму напруги недостатньо, і струм впаде до значення його в т. (б). Дуга буде горіти стабільно, коли І=І_б.

Для гасіння дуги необхідно, щоб виконувалась умова:

Це означає: якщо забезпечити такий режим, що ВАХ лежить вище , то дуга обов’язково загаситься.

Це твердження відповідає загальному правилу, яке описує процес вимикання кола.

Апарат вимикає коло, а комутуючий елемент стає діелектриком, якщо його електрична міцність в процесі вимикання вища напруги на ньому.

На рис. 8.8 якісно показано залежність від часу відновлювальної міцності (U_Bм) і напруги (U_вн).

Особливості горіння і гасіння дуги змінного струму при вимиканні (попередні відомості)

Якщо навантаження в колі активне, то cos=1. При цьому залежність від часу буде такою, як показано на рис. 8.9. Опір дуги носить активний характер.

Для активного характеру навантаження процес протікає наступним чином:

1. В момент появи струму різко наростає напруга на дузі і досягає значення напруги запалювання. Із ростом струму спад напруги на дузі падає і досягає мінімуму при .

2. Після цього напруга дуги зростає і досягає напруги гасіння.

3. Якщо струм вимикається, то відбувається гасіння. Якщо струм продовжує проходити, то ця система відновлює попередній стан і, горіння дуги продовжується.

Згасне чи не згасне дуга залежить від процесу деіонізації, який в свою чергу залежить від того, які властивості має дуговий розряд (довжина дуги, величина концентрації іонів в дузі) і відношення фаз між напругою і струмом. Якщо наростання опору в проміжку стовпа дуги буде випереджувати наростання напруги в цьому проміжку, то дуга погасне. Якщо ж наростання опору в проміжку буде іти повільніше, то може відбуватися повторне запалювання дуги (рис.8.9).

При гасінні дуги процес відновлення напруги на дуговому проміжку може носити аперіодичний і періодичний характер. Зв’язане це з накопиченням та перерозподілом електромагнітної енергії в контурі, що утворено індуктивністю, ємністю кола сітки і дугою при аперіодичному характері – дуга гаситься за 1 період.