9. Дуга в контактах эа и ее характеристики; условия гашения дуги постоянного тока; перенапряжения при отключении дуги постоянного тока; способы гашения электрической дуги.

Электрическая дуга – поток заряженных частиц. В начальный момент этот поток обусловлен собственными зарядами в пространстве между электродами.

Статическая вольт-амперная характеристика. Важнейшей характеристикой, представляющая собой зависимость напряжения на дуге от тока. С ростом тока i увеличивается температура дуги, усиливается термическая ионизация, возрастает число ионизированных частиц в разряде и падает электрическое сопротивление дуги r_Д.

Напряжение на дуге = ir_д. При увеличении тока сопротивление дуги r_д уменьшается так резко, что напряжение на ней падает, несмотря на рост тока. Каждому значению тока в установившемся режиме соответствует свой динамический баланс числа заряженных частиц. При большем значении тока увеличивается количество возникающих зарядов, но результирующая скорость изменения числа заряженных частиц при новом значении тока равна нулю.

При переходе от одного значения тока к другому тепловое состояние дуги не изменяется мгновенно. Электрическая дуга обладает тепловой инерцией. Каждому значению тока соответствует определенное значение сопротивления дуги или напряжения на ней.

В АХ дуги, снятая при медленном изменении тока, называется статической.

Статическая характеристика дуги зависит от расстояния между электродами (длины дуги), материала электродов, параметров среды и условий охлаждения. Напряжение на дуге Uд можно рассматривать как сумму около-электродных падений напряжения Uэ и падения напряжения в столбе дуги:

Uд = Uэ + Епl,

где Еп — напряженность электрического поля в столбе дуги; I — длина столба дуги.

Рис. 1. Вольт-амперные характеристики дуги при различной длине

Величина Еп зависит от тока и условий горения дуги. Статические ВАХ дуги изображены на рис. 1. Чем больше длина дуги, тем выше лежит ее статическая ВАХ. С ростом давления среды, в которой горит дуга, также увеличивается напряженность Еп и ВАХ поднимается так же, как показано на рис. 1.

Охлаждение дуги существенно влияет на ВАХ. Чем интенсивнее охлаждение дуги, тем большая мощность от нее отводится. При этом должна возрасти мощность, выделяемая дугой. Поскольку при заданном токе это возможно за счет увеличения напряжения на дуге, то ВАХ поднимается, что широко используется в ДУ.

Условия гашения дуги постоянного тока

Условия гашения дуги постоянного тока

Р ассмотрим простейшую цепь постоянного тока, в которой наблюдается дуга (в момент размыкания дуги).

Баланс напряжений по второму закону Кирхгофа:

- нелинейное дифференциальное уравнение первого порядка. При отключении ключа возникла дуга.

В точках 1 и 2 (пересечения ВАХ) ЭДС самоиндукции равна 0, а значит равна 0 и производная . Если производная равна 0, то точка, в которой наблюдается это равенство, соответствует режиму равновесия (устойчивый режим). Точки 1 и 2 – точки равновесия. Рассмотрим устойчивость равновесия в этих точках.

Рассмотрим устойчивость равновесия в точке 2.

Дадим положительное приращение току за счет внешних воздействий. Δi > 0 – режим будет характеризоваться точкой 2’. Область, где находиться точка 2’ соответствует отрицательной ЭДС самоиндукции. Следовательно, положительное приращение тока вызывает появление отрицательной ЭДС самоиндукции. Под действие этой ЭДС система возвратиться в исходное равновесное состояние.

Если Δi < 0, то попадем в точку 2’’, которая расположена в области положительной ЭДС самоиндукции. Под действие этой ЭДС система вернется в равновесное состояние. Следовательно, равновесие в точке 2 устойчивое.

Рассмотрим устойчивость равновесия в точке 1.

Дадим положительное приращение току за счет внешних воздействий. Δi > 0 – режим будет характеризоваться точкой 1’. Область, где находиться точка 1’ соответствует положительной ЭДС самоиндукции, за счет которой появиться еще большее приращение тока. Следовательно, процесс увеличения тока будет развиваться лавинообразно. До тех пор, пока не переместимся в точку устойчивого положения (2).

Если Δi < 0, то попадем в точку 1’’, которая расположена в области отрицательной ЭДС самоиндукции. Под действие этой ЭДС ток еще больше уменьшиться. Процесс идет лавинообразно, пока не переместимся в точку устойчивого равновесия, где ток равен 0.

С ледовательно, равновесие в точке 1 является неустойчивым, и снижение тока в этой точке приводит к гарантированному погасанию дуги. Чтобы гарантированно погасить дугу постоянного тока, необходимо в точке неустойчивого равновесия уменьшить ток.

В исходном состоянии ВАХ пересекаются в точках 1 и 2. Меняя параметры l и R, мы можем изменить положение точек пересечения на ВАХ и можем получить другое соотношение ВАХ. Если ВАХ дуги и линейной части не пересекаются, то дуги не будет.

Длина дуги, при которой для заданных параметров цепи ВАХ линейной части является касательной к ВАХ дуги, называется критической.

Из анализа простейшей цепи можно сделать практический вывод: для ускорения гашения дуги необходимо увеличить ее длину и уменьшить ток дуги.

.Перенапряжения при отключении дуги постоянного тока

Напряжение на контактах в момент достижения током нулевого значения называется напряжением гашения дуги. При i=0

Так как . можно написать

Таким образом, в момент гашения дуги напряжение на контактах равно сумме напряжения источника и модуля напряжения на индуктивности. Увеличение напряжения на контактах относительно напряжения U источника питания называется перенапряжением. Чем больше индуктивность и скорость спада тока в момент гашения, тем больше перенапряжение.

Следует отметить, что чем больше индуктивность цепи, тем меньше скорость спада тока при прочих равных условиях. Для оценки перенапряжения вводится понятие коэффициента перенапряжений

Для ограничения перенапряжений при отключении больших индуктивностей (обмотки возбуждения крупных генераторов) применяются устройства с дугогасительной решеткой.

Способы гашения электрической дуги

1. Предотвращение появления дуги.

В аппаратах низкого напряжения – искрогасящие дополнительные контакты (вольфрам).

На гибких пружинных элементах крепятся дополнительные таким образом, чтобы при замыкании основных контактов сначала замыкались дополнительные, а потом продолжали сближаться основные контакты. Дополнительные контакты удерживаются во включенном состоянии за счет гибких пластин. При размыкании – сначала основные контакты, а потом дополнительные. В случае возникновения искрения или дуги между дополнительными контактами, искрового или дугового разряда между основными контактами не наблюдается. Используются только в слаботочных цепях.

2. Герконовые (герметичные) контакты.

Конструктивно представляет собой стеклянный баллон, заполненный газовой смесью, в корпус которого впаяны две гибкие пластины из ферромагнитного материала. Для повышения электропроводности пластин они обычно лудятся. Внутри колбы газовая смесь. Она снижает вероятность искрообразования и эрозии.

Е сли поместить геркон в продольное магнитное поле, то магнитный поток будет сконцентрирован в пластинах. Замыкание контакта осуществляется под действием магнитного поля на пластины. В герконе отсутствуют электромагнитные механизмы, а управление осуществляется при помощи магнитного поля.

3. Использование естественных свойств дуги.

1. Действие силы Амперы на элемент проводника:

.

2. Любая реактивная система стремиться к состоянию, при котором запасенная энергия имеет наибольшую величину.

.

Собственные силы, действующие на проводник с током, называются пондемоторными силами. Они способствую ускорению погасания дуги.

Если есть линейный контакт, при расхождении которого возникает дуга, то для ускорения ее погасания к этому контакту крепят металлические пластины под определенным углом, которые называются дугогасительный рог. Дуга загорается и начинает перемещаться, пока не погаснет.

Для того, чтобы пондемоторные силы действовали эффективно, рога должны быть расположены так, чтобы дуга перемещалась вверх. Контакты лучше расположить горизонтально.