Краткие теоретические сведения. Электрическая дуга является одним из видов газового разряда (явление прохождения тока через газ)

Электрическая дуга является одним из видов газового разряда (явление прохождения тока через газ).

Дуга возникает при размыкании (замыкании) электрических цепей с помощью контактов электрических аппаратов, если величины токов и напряжений превосходят некоторые критические значения. Эти значения зависят от материала контактов, параметров цепи, свойств среды и т.д. Дуговой разряд имеет место при относительно больших токах (для металлов примерно 0, 5 А) и при напряжении в цепи не менее 15 В.

Дуга приводит к значительному износу аппарата. Но, с другой стороны, играет положительную роль. При отключении постоянного тока значительная часть электромагнитной энергии, запасенной в цепи, преобразуется в тепловую энергию дуги, которая отводится в окружающую среду. Это ведет к снижению перенапряжений, опасных для изоляции оборудования.

При переменном токе процесс гашения дуги проходит вблизи нулевой паузы тока, когда электромагнитная энергия цепи близка к нулю. В результате этого вероятность появления опасных перенапряжений резко уменьшается.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) дуги устанавливают связь между значением тока и падением напряжения между электродами (контактами) при неизменной длине дуги и неизменных условиях ее горения. Они позволяют представить дугу при гашении как нелинейное изменяющееся во времени сопротивление, включенное в размыкаемую цепь.

ВАХ, снятая при медленном изменении тока, называется статической. Статическая ВАХ зависит от расстояния между контактами, материала контактов, параметров среды, в которой горит дуга и условий охлаждения.

Одно из возможных выражений для статической вольт-амперной характеристики дуги выглядит следующим образом

(2.1)

где – напряжение дуги; – ток дуги; – напряженность электрического поля в столбе дуги; – длина дуги; и – числовые коэффициенты, определяемые экспериментально.

Гашение дуги постоянного тока обеспечивается, если ВАХ дуги лежит выше реостатной характеристики отключаемой сети.

Для цепи с дугой справедливо уравнение равновесия напряжений

(2.2)

где – напряжение источника; и – активное сопротивление и индуктивность отключаемой цепи.

Условие уменьшения тока дуги во времени (условие гашения дуги)

(2.3)

Напряжение на контактах в момент достижения током нулевого значения называется напряжением гашения дуги.

При уравнение (2.2) имеет вид

(2.4)

Так как , можно написать

(2.5)

Для оценки перенапряжения вводится понятие коэффициента перенапряжений

(2.6)

Из выражения для перенапряжения можно определить время угасания дуги

(2.7)

Длина дуги, при которой статическая вольт-амперная характеристика дуги касается прямой называется критической.

Решая уравнение (2.1) совместно с уравнением устойчивого состояния дуги получим значение в функции

(2.8)

где – ток цепи, ограниченный собственным сопротивлением цепи .

Если взять производную от по (2.8) и приравнять ее нулю (условие максимума), то получим критический ток

(2.9)

Подстановкой (2.9) в (2.8) можно определить критическую длину дуги

(2.10)

Умножив обе части уравнения (2.2) на и проинтегрировав полученное выражение, будем иметь

(2.11)

После преобразований получим выражение для определения энергии дуги

(2.12)

Условие гашение дуги переменного тока определяется на основе сопоставления кривых восстанавливающегося напряжения сети и восстанавливающейся прочности за переходом тока через нулевое значение. Для гашения дуги необходимо, чтобы кривая восстанавливающейся прочности лежала выше кривой восстанавливающегося напряжения.

Оценка возможных условий гашения дуги переменного тока основывается на решении системы дифференциальных уравнений, описывающих динамические свойства области столба дуги, и уравнений, характеризующих переходные электромагнитные процессы в размыкаемой цепи для околонулевой области тока. Для решения системы уравнений применяются различные приближенные методы: аналитические, численные, графо-аналитические, методы теории устойчивости.

При размыкании электрической цепи на контактах восстанавливается напряжение. В зависимости от параметров цепи процесс восстановления напряжения может быть апериодическим или колебательным.

Апериодический процесс имеет место, если

(2.13)

где и – активное сопротивление и емкость, включенные параллельно с контактами.

В случае апериодического процесса восстанавливающееся напряжение изменяется следующим образом

(2.14)

где – мгновенное значение напряжения источника в момент перехода тока через нуль.

Корни характеристического уравнения определяются на основе решения характеристического уравнения

(2.15)

Скорость восстанавливающегося напряжения определяется как

(2.16)

Колебательный процесс имеет место, если

(2.17)

Изменение напряжения на контактах при колебательном процессе имеет вид

(2.18)

где – угловая частота свободных колебаний; – показатель затухания.

При

(2.19)

Наибольшее значение восстанавливающегося напряжения характеризуется коэффициентом превышения амплитуды

(2.20)

Средняя скорость восстановления напряжения (первая четверть периода собственных колебаний Т)

(2.21)

где