Дуга змінного струму

Дуга змінного струму відрізняється від дуги постійного струму тим, що струм у дузі за кожний півперіод проходить через нульове значення, не залеж­но від ступені іонізації дугового проміжку. Вольтамперна харак­тери­стика дуги змінного струму, знята за один період, показана на рис.1.9.

Точки А і С вольтамперної характеристики (рис. 1.9) лежать дуже близько до ординати, і з деяким допущенням цю характеристику можна зобразити так, як показано на рис. 1.10.

Заштрихована площа на рис.9 і 10 пропорційна втратам у дузі за півперіод. U_Z відповідає напрузі запалювання дуги, а U_L - напрузі гасіння. Природно,що напруга дуги не змінюється миттєво з деякого позитивного значення до негативного, як це показано на рис. 10, тому рис. 9 дає більш правильну картину зміни цієї напруги.

Рис. 19 Рис. 1.10

Покажемо, як змінюється струм і напруга дуги за один період у залежності від часу (рис. 1.11).

Відповідно до викладеного вище, напруга дуги падає при збільшенні струму, і навпаки, при зменшенні струму напруга дуги росте. При цих умовах напруга дуги від чверті періоду трохи падає, а потім до проходження струму через нульове значення збільшується. Після цього знак напруги дуги змінюється і процес повторюється. При цьому спостерігається збільшення значення напруги загоряння, ніж значення напруги гасіння дуги.

Умови гасіння електричної дуги змінного струму ті ж, що і для постійного струму. При цьому також необхідно, щоб умови деіонізації іскрового проміжку домінували над умовами іонізації.

Принципово дугу змінного струму можна погасити в різні моменти часу: при переході струму через нульове значення й у другий момент напівперіоду. В другому випадку, щоб погасити дугу необхідно створити сильно деіонізуюче середовище, яке здатне знизити струм до нуля ще до кінця напівперіоду. Це зв'язано з великими перенапругами в момент гасіння дуги, так як у цьому випадку процес гасіння дуги змінного струму нічим не відрізняється від гасіння дуги постійного струму.

Практично гасіння дуги протягом часу меншого напівперіоду спостерігається дуже рідко. Зазвичай дуга гасне при проходженні струму через нульове значення, коли підвід енергії до дуги припиняється, температура її при цьому різко падає. Тому даний момент є найбільш сприятливим щодо гасіння дуги. Внаслідок спадання температури і посилення процесів деіонізації з моменту проходження струму через нульове значення сильно спадає ступінь іонізації дугового проміжку й опір між контактами росте. Одночасно в дуговому проміжку починає рости напруга, що прагне знову відновити дугу. Ріст напруги іскрового проміжку після проходження струму через нульове значення називається процесом відновлення напруги.

Таким чином, у момент проходження струму через нульове значення починається посилене відновлення електричної міцності іскрового про­між­ку внаслідок різкого зниження його іонізації. Одночасно з цим почи­нається процес відновлення напруги в іскровому проміжку, що є іоні­зуючим чинником.

Якщо швидкість відновлення електричної міцності більше швидкості відновлення напруги іскрового проміжку, то дуга, що погасла після про­ходження струму через нульове значення, більше не відновиться. Навпаки, якщо швидкість відновлення електричної міцності менша швидкості відновлення напруги іскрового проміжку, дуга відновлюється і горить до наступного проходження струму через нульове значення.

Співвідношення швидкості відновлення електричної міцності іскрового проміжку і швидкості відновлення напруги залежить від багатьох факторів. На це співвідношення впливають параметри елементів електричного ланцюга, особливості конструкції вимикального апарата, режим роботи системи і т.д. Але одним з головних факторів варто вважати конструкцію вимикального апарата, його швидкісні характеристики й особливості конструкції, що дозволяють швидко гасити утворену електричну дугу.

Процес вимкнення вимикача.

Розмикання контактів вимикача не приводить до негайного переривання струму, тому що розрив, що утворився, перекривається дугою, опір якої малий. В міру наближення сили струму до нуля температура іонізації і провідність дугового проміжку швидко зменшуються й у якийсь момент часу, що близький до моменту природного досягнення нуля струмом, дуга гаситься (рис. 12,а)

У цей момент проміжок між контактами, які розходяться до деякої міри ще іонізований, що визначається відставанням теплових процесів від зміни струму. Після гасіння дуги процес пере­творення дугового проміжку з провідника в діелектрик відбувається досить швидко, але не миттєво. У цей же період часу відновлюється напруга на контактах вимикача. Поки горить дуга, напруга на розриві U_д відносно малa. У момент гасіння дуги воно змінює знак і відновлюється до напруги мережі, що близька до амплітудної. Якщо відновлювальна електрична міцність проміжку (напруга, яка необхідна для пробою проміжку) Uпрб перевищує відновлювальну напругу, U_в, дуга не виникає (рис. 12,а). У протилежному випадку відбувається запа­лювання дуги (рис. 12,6). Через половину періоду процес повто­рюється, але за цей час контакти розійдуться на більшу відстань, що сприяє гасінню дуги. Зазвичай дуга у вимикачі горить 1-3 півперіоду.

Для успішного вимкнення ланцюга необхідно, щоб U_прб (ізоляційна властивість проміжку) збільшувалася швидше ніж напруга, що прикладена до контактів. Для цієї мети вимикачі постачають гасильними пристроями, які забезпечують ефективну деіонізацію дугового стовпа.

Способи гасіння дуги в апаратах напругою до 1000 В.

1. Подовження дуги швидким розведенням контактів до моменту, коли напруга джерела не в змозі підтримати дугу на такій відстані.

2. Поділ дуги на ділянки за допомогою струмопровідних пластин (рис. 1.13). У цьому випадку напруга дуги U_д буде складатися з n ділянок з анодним U_а і катодним U_k падіннями напруги і падінням напруги в стовпі дуги U_cт:

Коли падіння напруги в дузі буде менше напруги джерела, дуга гасне. Ефективність такого способу гасіння дуги полягає в тому, що сума катодного й анодного падінь напруги значно більша падіння напруги в стовпі нерозділеної дуги.

Для дуги постійного струму сума катодного і анодного падіння напруги складає:

Дугу змінного струму також можна розділити на ділянки. У момент проходження струму через нуль білякатодовий простір набуває електричної міцністі 150...250 В.

3. Дуга у вузьких щілинах з дугостійких ізоляційних матеріалів (рис. 14) гаситься інтенсивним охолодженням і деіонізацією стовпа дуги, що стикається з матеріалом щілини.

4. Рух дуги в магнітному полі. Якщо дугу помістити в магнітне поле, спрямоване перпендикулярно до її осі, дуга почне переміщатися, тому що вона являє собою провідник зі струмом. У радіальному магнітному полі (рис. 15) дуга буде обертатися і переміщуватися, що сприяє її інтенсивному охолодженню і деіонізації.

Магнітне поле може бути створено постійними магнітами, спеціальними котушками чи самим контуром протікання струму, що вимикається. Способи гасіння дуги у вузьких щілинах і рух у магнітному полі вико­ристовуються також в апаратах напругою вище 1000 В.