Горение и гашение электрической дуги переменного тока

Рис. 1.2.10. Дуга переменного тока: а — вольтамперная характеристика дуги; б — изменение тока и напряжения в дуге

Рис. 1.2.11. Моменты гашения дуги переменного тока

В электрической дуге переменного тока независимо от степени ионизации дугового промежутка напряжение и ток каждый полупериод проходят через нуль. На рис. 1.2.10 приведены кривые изменения тока и напряжения на дуговом промежутке в зависимости от времени. В момент появления тока напряжение резко нарастает до значения и _з (напряжения зажигания). По мере возрастания тока оно падает и при максимальном токе имеет минимальное значение. Затем напряжение на дуге снова возрастает и достигает значения и _г (напряжения погасания) при токе, равном нулю.

Напряжение дуги в течение полупериода меняет свое значение, а за период — и свой знак. Если снять вольт-амперную характеристику дуги за период, то она будет иметь вид, приведенный на рис. 1.2.10. Стрелки на рисунке показывают направление изменения тока при снятии характеристики. Момент перехода тока и напряжения через нуль совпадают. Площадь, ограниченная кривой пропорциональна потерям в дуге за один период.

Принципиально электрическая дуга переменного тока, как и дуга постоянного тока, окончательно погаснет тогда, когда скорость деионизации дугового промежутка будет больше скорости его ионизации. Гашение дуги переменного тока может произойти в два принципиально различных момента времени — в середине полупериода (рис. 1.2.11, а) или в его конце, когда ток проходит через нуль (рис. 1.2.11, б). В первом случае снижение тока до нуля можно получить только путем кратковременного создания в дуговом промежутке большого сопротивления. Увеличение сопротивления дуги происходит за счет преобладания процессов деионизации дугового промежутка над процессами ионизации. Таким образом, при разрыве тока в середине полупериода процесс гашения дуги переменного тока аналогичен процессу гашения дуги постоянного тока. Поэтому уменьшение тока до нуля в середине полупериода приводит, как и при гашении дуги постоянного тока, к значительным перенапряжениям.

Обычно окончательное гашение дуги переменного тока происходит в моменты перехода тока через нуль. При прохождении тока через свое нулевое значение энергия к дуге не подводится, а температура ее резко падает. Поэтому, пока ток близок к нулевому значению, интенсивность ионизации значительно уменьшается, а деионизация сильно возрастает. Дуговой промежуток за это время теряет свою проводимость, и дуга гаснет.

В начале и конце каждого полупериода ток в дуге изменяется по закону, отличному от синусоидального. Величина тока в конце одного полупериода и начале следующего определяется уравнением . В этот отрезок времени сопротивление дугового промежутка настолько увеличивается, что происходит резкое уменьшение тока. Это приводит к тому, что немного раньше момента естественного перехода тока через нуль и в начале следующего полупериода ток практически равен нулю. Схематично процесс перехода тока через нуль показаны на рис. 1.2.11, б сплошной линией; пунктиром показана кривая тока, соответствующая уравнению . В действительности, за время паузы t _п ток в дуговом промежутке равен нулю лишь в одной точке. Однако ток за все время t _п ничтожно мал по сравнению с током в середине периода, и всю паузу t _п можно считать нулевой паузой тока.

Нулевая пауза t _п зависит от интенсивности деионизации дугового промежутка и параметров цепи. Обычно она колеблется от нескольких сот до нескольких тысяч микросекунд. В результате интенсивной деионизации в данный отрезок времени уменьшается проводимость дугового промежутка, и он превращается в диэлектрик. Одновременно с этим на нем растет напряжение, так что ток в дуге, равный , будет увеличиваться или уменьшаться в зависимости от того, что растет быстрее:. и _д или r _д. Если r _д растет быстрее, то ток уменьшится до нуля и дуга погаснет. Если с некоторого момента времени и _д начинает расти быстрее r _д, то ток в дуговом промежутке будет увеличиваться, сопротивление r _д уменьшаться, в результате чего произойдет новое зажигание дуги.

Условие гашения дуги переменного тока можно сформулировать следующим образом: если после прохождения тока через нуль электрическая прочность дугового промежутка в каждый заданный момент времени будет выше напряжения на нем, то дуга погаснет. Если в какой-либо момент времени напряжение, приложенное к дуговому промежутку, станет выше электрической прочности промежутка, то процесс гашения дуги прекратится и дуга загорится вновь.

Снижение степени ионизации дугового промежутка или рост его электрической прочности с момента перехода тока через нуль происходит неравномерно. Обычно электрическая прочность дугового промежутка сначала растет быстро, затем рост ее замедляется. В момент перехода тока через нуль прикатодная область почти мгновенно приобретает электрическую прочность 150— 250В. Первое значение относится к большим токам и горячему катоду, второе — к меньшим токам и холодному катоду. Дальнейший рост электрической прочности происходит со скоростью, зависящей от способов воздействия на дуговой промежуток. Такой ход процесса объясняется наличием объемных зарядов у катода. В соответствии с полярностью данной полуволны тока отрицательно заряженные частички (в основном электроны) будут двигаться к аноду, а положительные (ионы) — к катоду. При переходе тока через нуль изменяется полярность электродов. Так как скорость движения электронов приблизительно в 1000 раз больше скорости движения положительных ионов, то электроны, находящиеся у нового анода, мгновенно уйдут в анод и объемного отрицательного заряда у нового анода не будет. По сравнению с электронами положительные ионы можно считать неподвижными. Вследствие этого у катода образуется положительный объемный разряд и пространство вблизи катода освободится от электронов. Распределение напряжения по дуговому промежутку будет неравномерным.

Для возобновления протекания тока по дуговому промежутку необходимо, чтобы у катода появились электроны. Для этого в зависимости от состояния дугового промежутка и электродов в короткой дуге требуется напряжение 150—250В.

При погасании дуги напряжение на дуговом промежутке нарастает от значения напряжения гашения и _г до мгновенного значения напряжения сети или ЭДС источника тока.

Процесс изменения напряжения на дуговом промежутке после прохождения тока через нуль называется восстановлением напряжения. Процесс восстановления напряжения совершается за короткий промежуток времени — десятки — сотни микросекунд. ЭДС источника питания, меняющегося с частотой 50 Гц, можно считать в это время постоянной.

Мгновенное значение напряжения на дуговом промежутке, возникающее в процессе восстановления напряжения при переходе тока через нуль, называется восстанавливающимся напряжением (и _в). После того как дуга погасла, восстанавливающееся напряжение стремится пробить дуговой промежуток, электрическая прочность которого восстанавливается.

Дуга окончательно погаснет в том случае, если в любой момент времени электрическая прочность дугового промежутка будет больше восстанавливающегося напряжения.

Для успешного гашения дуги необходимо, чтобы скорость восстановления напряжения на контактах аппарата была как можно меньше, поэтому апериодическое изменение напряжения на контактах предпочтительнее, чем периодическое или колебательное. Иногда для уменьшения скорости восстановления напряжения контакты аппарата шунтируют специальными активными сопротивлениями.

На условия гашения дуги оказывает влияние не только величина восстанавливающегося напряжения, но и скорость его нарастания. Наиболее неблагоприятные условия гашения дуги возникают при колебательном процессе изменения восстанавливающегося напряжения. Чем больше собственная частота колебаний цепи, тем выше скорость восстанавливающегося напряжения. В этом случае для быстрого гашения дуги необходимо, чтобы возрастала и скорость нарастания электрической прочности дугового промежутка.

Аппараты низкого напряжения часто выполняют на частоте 400—500 Гц и более. Гашение дуги переменного тока повышенной частоты имеет некоторые особенности. При больших частотах сети частота колебательного процесса при восстановлении напряжения на дуговом промежутке может иметь тот же порядок, что и частота тока. В этом случае уже нельзя считать ЭДС источника неизменной за время переходного процесса. Совпадение частот собственных колебаний и источника тока оказывает значительное влияние на изменение характера переходного процесса. Следует отметить, что существуют и факторы, ухудшающие условия гашения дуги повышенной частоты. При частоте 50 Гц температура дугового промежутка в момент перехода тока через нуль успевает снизиться на 30—50%, что способствует интенсификации процессов деионизации. При повышенной частоте существенного снижения температуры дугового промежутка при переходе тока через нуль не происходит. Если не учитывать явлений, происходящих у катода в момент перехода тока через нуль, то можно считать, что условия гашения дуги повышенной частоты приближаются к условиям гашения дуги постоянного тока.