Электрическая дуга, физические явления, основы горения и гашения дуги постоянного тока

Лекция №8.

Тема лекции:

8. Электрическая дуга, физические явления, основы горения и гашения дуги постоянного тока.

ОТКЛЮЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ. (ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА)

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Большая группа электрических аппаратов представле­на коммутационными устройствами, с помощью которых замыкается и размыкается электрическая цепь. Электриче­ский разряд, возникающий при размыкании контактов, приводит к их износу и в значительной степени определяет надежность и долговечность аппарата. Этот разряд в окру­жающем контакт газе является либо тлеющим разрядом, либо электрической дугой. Тлеющий разряд возникает при отключении тока менее 0,1 А при напряжении на контак­тах 250—300 В. Такой разряд происходит на контактах маломощных реле, а в более мощных аппаратах является переходной фазой к разряду в виде электрической дуги. Если ток и напряжение в цепи выше определенных значений,   то имеет место дуговой разряд, обладающий следующими особенностями;

1. Дуговой разряд имеет место только при относитель­но больших токах. Минимальный ток дуги для различных материалов    для металлов составляет примерно 0,5 А.

2. Температура центральной части дуги очень велика и может достигать 6000—25 000 К.

Рекомендуемые материалы

3. При дуговом разряде плотность тока на катоде чрез­вычайно велика и достигает 10²—10³ А/мм².

4. Падение напряжение у катода составляет всего 10— 20 В и практически не зависит от тока.

В дуговом разряде можно различить три характерные области: околокатодную, область столба дуги, околоанодную.  В каждой из этих областей процессы  ионизации   и   деионизации протекают по-раз­ному.

а) Околокатодная область.

Занимает весьма небольшое пространство длиной не более 10^{-6 м. Около катода возникает положительный объ­емный заряд, создаваемый положительными ионами. Меж­ду этим положительным объемным зарядом и катодом со­здается электрическое поле с напряженностью до 107} В/м, в котором движутся электроны, вышедшие из катода и со­здающие электрический ток. Электрическое поле воздейст­вует на электроны, увеличивая их скорость. При соударе­нии такого электрона с нейтральной частицей может прои­зойти ионизация, для чего электрон должен обладать определенной энергией.

Напряжение  (разгоняющее напряжение), которое должен пройти электрон для приобретения энергии, необ­ходимой для ионизации, называется потенциалом иониза­ции. Для газов этот потенциал колеблется от 24,58 В (ге­лий) до 13,3 В (водород). Пары металлов имеют значи­тельно меньший потенциал ионизации. Так, для паров меди он равен 7,7 В.

Положительные ионы, так же как и электроны, разгоня­ются электрическим полем, но из-за большой массы ско­рость их много меньше. При ударе положительного иона о нейтральную частицу меньшая часть энергии передается на ионизацию, так что ионизация толчком происходит в основном за счет электронов.

Ввиду малой протяженности околокатодной области электроны не набирают скорости, достаточной для иониза­ции ударом. Чаще всего после удара атом переходит в возбужденное состояние (электрон атома переходит на более удаленную от ядра орбиту). Для ионизации возбуж­денного атома требуется меньшая энергия. В результате необходимый потенциал ионизации уменьшается. Такая ионизация называется ступенчатой. При ступенчатой иони­зации необходим многократный удар электронов по атому: на каждый образующийся положительный ион требуются десятки электронов. Поэтому ток около катода, несмотря на наличие положительных ионов, носит электронный ха­рактер.

Образующиеся электроны не создают около катода отрицательного объемного заряда, так как их скорость зна­чительно больше скорости тяжелых положительных ионов. Положительные ионы разгоняются в поле катодного падения напряжения и бомбардируют катод. Благодаря этому температура катода поднимается и достигает точки испа­рения материала электрода. При высоких температурах появляется термоэлектронная эмиссия катода, которая в сильной степени зависит от температуры электрода. Проведенные исследования также показали, что дуга может существовать только за счет автоэлектронной эмиссии, со­здаваемой у катода электрическим полем.

б) Область дугового столба. Энергия, приобретенная заряженными частицами в электрическом поле дугового столба, столь мала, что практически ионизация толчком не происходит.

При большой температуре, которая имеет место в об­ласти дугового столба, скорость частицы возрастает до значения, при котором удар в нейтральный атом приводит к его ионизации. Такая ионизация называется термической. Основным источником ионов и электронов в столбе дуги является термическая ионизация. Чем меньше масса части­цы, тем больше ее скорость движения. 

 Таким образом, с ростом давления степень ионизации   уменьшается. В связи с этим во многих дугогасящих уст­ройствах (ДУ) электрических аппаратов создается повы­шенное давление газа, что способствует гашению дуги. Очень сильное влияние на ионизацию оказывает темпера­тура. Для большого числа двухатомных газов из-за сту­пенчатой ионизации процесс образования ионов начинается при температурах 6-10³ К. Пары металла ионизируются значительно легче. Заметная ионизация начинается уже при температурах 3000—4000 К. Поэтому в ДУ необходимы меры  против  попадания  металлических  паров электродов.

в) Энергетический баланс дуги. Процесс ионизации и процесс деионизации в значительной степени определя­ются температурой дугового промежутка. Последняя за­висит от количества тепла, выделяемого в дуге и отводи­мого от дуги.

Охлаждение дуги происходит за счет излучения, тепло­проводности и конвекции.

Для открытой дуги, горящей в воздухе, излучением от­дается 15—30 % выделяемой в дуге энергии. Для дуги, го­рящей в закрытом ДУ, доля тепла, отдаваемого лучеиспу­сканием, меньше.

Отвод тепла за счет теплопроводности газа в значи­тельной степени зависит от его температуры. Так, при тем­пературе 4000 К молекулы водорода диссоциируют на атомы. При этом от дуги отводится большое количество тепла. Внешне этот процесс представляется как резкое уве­личение теплопроводности. Теплопроводность газа сильно зависит от его природы. Так, средняя теплопроводность водорода в 17 раз больше, чем воздуха. Благодаря своей высокой теплопроводности при прочих равных условиях водород способствует более быстрому охлаждению столба дуги. Ток, отключаемый в атмосфере водорода, в 7,5 раза больше, чем в воздухе при том же давлении.

При горении дуги в трансформаторном масле последнее разлагается с выделением водорода, что способствует эф­фективному гашению дуги. В некоторых аппаратах под действием магнитного поля дуга перемещается с большой скоростью относительно воздуха, что приводит к ее ох­лаждению за счет конвекции. Этот вид теплоотдачи наря­ду с теплопроводностью является определяющим для про­цесса гашения.

г) Околоанодная область. Поток электронов из столба дуги устремляется к положительному электроду — аноду. Анод при дуговом разряде не излучает положительных ионов, которые могли бы нейтрализовать электроны. По­этому вблизи анода создается отрицательный объемный заряд, что и вызывает появление околоанодного падения напряжения и повышение напряженности электрического поля. Околоанодное падение напряжения зависит от темпе­ратуры анода, его материала и значения тока.

Электроны разгоняются в поле, образованном отрица­тельным объемным зарядом и анодом. Энергия, приобре­тенная электронами, отдается аноду. Благодаря большой энергии электронов анод нагревается до очень высокой температуры, которая, как правило, выше температуры ка­тода. Мощный поток электронов выбивает из анода элект­роны, которые также участвуют в создании отрицательного объемного заряда.

Высокая температура анода и околоанодная область не оказывают существенного влияния на возникновение и ус­ловия существования дугового разряда. Роль анода сво­дится к приему электронного потока из дугового столба.

Для дуги большого тока околоанодное падение напря­жения столь мало, что им можно пренебречь.

Распределение напряжения, напряженности электриче­ского поля (градиента)   и производной, пропорциональной объемному заряду а в дуге, представлено на рис.8.1.

Падение напряжения у катода составляет 10—20 В и за­висит от материала катода и свойств газа, в котором горит дуга. Околокатодное падение напряжения несколько меньше потенциала ионизации газа из-за наличия около катода его паров, у которых потенциал ионизации   значительно   ниже.

Околоанодное падение напряжения составляет 5—10 В. При больших токах околоанодное напряжение уменьшает­ся, в то время как околокатодное напряжение остается по­стоянным.

Рис. 8.1. Распределение напряжения, напряженности электрического

поля и объемных зарядов в электрической дуге

В некоторых аппаратах низкого напряжения длина дуги невелика. Падение напряжения на столбе дуги мало по сравнению с суммой падения напряжения у катода и ано­да. Такие дуги называются короткими. Условия гашения короткой дуги в значительной степени определяются процессами, происходящими у электродов, и условиями их охлаждения.

В аппаратах высокого напряжения падение напряже­ния на столбе дуги значительно больше околоэлектродных, и последними можно пренебречь. Условия существования таких дуг, называемых длинными, определяются про­цессами в столбе дуги.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ДУГ030Г0 РАЗРЯДА ПРИ ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ

Явление прохождения электрического тока через газ, называемое газовым разрядом, может наблюдаться практически при любых значениях тока. На рис. 8.2 изображена вольтамперная характе­ристика последовательных стадий газового разряда в воздухе при атмосферных условиях.

При несамостоятельном разряде (зона О — В) ток поддерживается за счет внешних ионизаторов (космические лучи, рентгеновские лучи и др.); при самостоятельном разряде (зона В — Е) носители электричества возникают в газоразрядном канале непосредственно за счет ионизирующих факторов, присущих газоразрядному каналу.

Между точками О — А зависимость и = / (t) следует закону степени  трех  вторых.

В стадии «насыщения» (А — В) все заряды, содержащиеся в про­межутке, достигают электродов. Но так как никакой дополнительной ионизации здесь не возникает, то значительное увеличение напряже­ния не ведет к существенному изменению тока.

За точкой В напряжение становится достаточным для возникно­вения ударной ионизации (под действием сил электрического поля), начинается самостоятельная форма разряда.

Участок В — С соответствует стадии пробоя, или «таунсендовской» стадии (по имени Таунсенда, разработавшего математическую теорию этой стадии).

  Наиболее характерные признаки стадии пробоя: ударная ионизация, незначительные  пространственные  заряды,   лавинообразный процесс образования электронов (и ионов). При больших расстоя­ниях между электродами и достаточно высокой плотности газа таунсендовская стадия может перейти в так называемую стримерную   стадию пробоя.

Когда мощность источника становится достаточно большой, способной вызвать в цепи токи порядка мА, стадия пробоя перехо­дит в стадию тлеющего разряда (С — D). Для тлеющего разряда характерна ударная ионизация, но уже в условиях резко неравномер­ного поля, когда основное падение напряжения приходится на слой у катода. Основной столб разряда в данном случае представляет собой как бы проводник тока, убыль электронов в котором восполняется за счет столкновения наиболее «быстрых» электро­нов с атомами газа. Для тлеющего разряда также ха­рактерно постоянство произ­ведения давления газа на длину околокатодного слоя.
При достаточно большом токе тлеющий разряд пере­ходит в дуговой (переходная стадия D — Е).

Рис. 8.2. Вольтамперная характеристика газового разряда 

Дуговой раз­ряд в газовой среде относи­тельно высокой плотности (при атмосферном и более вы­соком давлении) обладает следующими характерными чер­тами:  

1) ясно очерчена   граница между    дуговым    столбом   и окружающей средой;

2) высокая плотность тока в дуговом столбе (десятки — сотни А/мм²);

3) высокая температура газа внутри дугового столба, дости­гающая 5000 –10000° К и более высоких значений. В этих условиях преобладает термическая ионизация газа (см. ниже). При нормаль­ных условиях дуговая стадия разряда (и термическая ионизация) в воздухе практически прекращаются при температурах около 3000° К;

4) высокая плотность тока на катоде и малое падение напряже­ния у катода.

Одно время полагали, что характерной особенностью дуги яв­ляется высокая температура катода, однако теперь уже совершенно ясно, что дуговой разряд на металлических электродах может су­ществовать практически и при холодном катоде.  На рис. 2. 2 приведено изображение дугового столба между металлическими контактами и показано распределение напряжения вдоль него. Как можно видеть, падение напряжения на дуге складывается из трех слагаемых: катодного падения напряжения; падения напряжения в дуговом столбе и анодного падения напряжения.

Общее напряжение на дуге

При условии однородности дугового столба последний член — напряжение на дуговом столбе — может быть представлен как произведение напряженности электрического поля Е на длину канала дуги.

Катодное падение сосредо­точено на очень небольшом участке дуги, непосредственно примыкающем к катоду (около 0,001 мм при нормальном атмо­сферном давлении). Оно состав­ляет величину порядка 10 –20 В, следовательно, средняя напря­женность электрического поля у   катода    достигает   величины         порядка   10⁵ В/см и  выше. При таких напряженностях выход электронов с поверхности катода может осуществляться в значительной степени за счет автоэлектрон­ной эмиссии. Если материал катода таков, что температура его кипения может превысить 2500° К, то эмиссия электронов с поверх­ности катода может происходить и за счет термических процессов (термоэлектронная эмиссия). При этих условиях выход электронов с катода обеспечивается и при более низких паде­ниях напряжения у катода. В этом случае катодное падение является не прямой причиной выхода электронов с катода, как при автоэлек­тронной эмиссии, а косвенной, обеспечивающей выделение около ка­тода  необходимой  энергии  для   подогрева   катода.

Возможно и совместное существование термической и автоэлек­тронной эмиссии при нагретом катоде.

Дуга может существовать между металлическими электродами и при холодном катоде. В этом случае имеет место в основном авто­электронная эмиссия.

Рис. 8.3. Распределение напряжения по длине электрической дуги

Возможен и такой механизм выхода электронов с катода, когда за счет высокой удельной плотности энергии в области околокатодного пространства возникает высокая степень термической ионизации газа. При этом электроны уходят в зону Дуговой плазмы, а положительные ионы, падая на катод, забирают электроны из катода, образуя нейтральные атомы. Таким образом создается электрический ток в цепи. Вполне вероятно, что при холодном катоде имеет место совместное действие автоэлектронной эмис­сии и эмиссии за счет термической ионизации в околокатодном про­странстве. Следовательно, каким бы ни был механизм освобождения электронов с катода, при всех условиях у катода должна совершаться работа, т. е. выделяться энергия, что и обеспечивается благодаря катодному падению напряжения.

Анодное падение напряжения имеет место в области, непосред­ственно примыкающей к аноду. Оно не является необходимым усло­вием существования дугового разряда, так как задача анода относи­тельно пассивная — принимать идущий к нему из зоны плазмы дуги электронный поток. Повышение же напряженности электрического поля у анода является следствием образования у анода простран­ственного отрицательного заряда из-за недостатка ионов у анода. Анод в дуговом разряде не излучает положительные ионы. Ионы же, возникающие в дуговом столбе, хотя и с небольшой скоростью, движутся к катоду, таким образом непосредственно у поверхности анода образуется преобладание отрицательных зарядов и создается условие для анодного скачка напряжения (анодного падения напря­жения). Величина анодного падения напряжения зависит от темпе­ратуры анода, рода металла и пр. Пришедшие из столба дуги электро­ны, нейтрализуясь на аноде, освобождают «работу выхода», затра­ченную ранее на выход электронов из катода. Часто температура анода бывает даже выше, чем температура катода.

Падение напряжения в дуговом столбе U_CT представляет собой произведение напряженности электрического поля Е на длину столба l. Произведение напряженности электрического поля на ток в дуге определяет мощность, подводимую к дуговому столбу из сети на единицу его длины W = Ei.

При установившемся состоянии эта мощность равна мощ­ности, рассеиваемой дугой в окружающее пространство Р, т. е. Р = W.

Рассеивание энергии дуговым столбом идет посредством излуче­ния, теплопроводности и конвекции. При различных условиях гаше­ния дуги в отключающих аппаратах может преобладать тот или иной вид теплоотдачи. Это зависит от величины тока, среды, в которой образуется дуга (различные газы или жидкости), давления, состоя­ния среды (неподвижная или движущаяся) и пр.

Величина напряженности электрического поля в дуговом столбе также существенно зависит от условий, в которых горит дуга, и свойств дугогасящей среды. На практике наблюдается колебание напряженности электрического поля в пределах 10 – 200 В/см. Меньшая цифра относится к открытым дугам в воздухе при относи­тельно больших токах, а большая — к дугам, находящимся в по­токе газов или паров жидкости, когда отбор тепла от дугового столба делается особо интенсивным.

  В дуговом разряде с изменением тока меняются радиус дуго­вого столба, температура газа и плотность ионизации. В результате часто получается падающая вольтамперная характеристика, т. е. напряженность электрического поля в дуговом столбе уменьшается с ростом тока, как показано на рис. 8.4 (кривая 1).

Можно получить зависимость между напряженностью электрического поля и током в дуговом столбе. Мощность, поглощаемая дугой, в стационарном состоянии пол­ностью отдается в окружающее пространство. Эту мощность дуга отдает не только с поверхности, как это имеет место у твердого тела, но и всем своим объемом.

Но иногда можно наблюдать, что Е остается по­стоянной величиной, не зависящей от тока. Это может иметь место  когда плотность зарядов в дуговом канале остается величиной постоянной, не зависящей от тока. Такое состояние полу­чается в том случае, когда сечение дуги пропорционально току, текущему через нее. Постоянство напряжения на дуге наблюдается при гашении дуги перемен­ного тока в выключателях, т.е. в усло­виях интенсивной деионизации дугового канала. Отсюда можно заключить, что в таких дугах сечение канала возрастает пропорционально току и плотность тока сохраняется постоянной.         

Рис. 8.4. Вольтамперные характеристики   электрической дуги:                           

Рассмотренные зависимости относятся к статическим вольтамперным характеристикам. Однако при быстром изменении тока в дуге напряжение на ней может довольно существенно отличаться от того, которое имеет место при установив­шемся значении. Это происходит вследствие того, что процессы в ду­говом канале обладают инерционностью и для их установления требуется некоторое время.

Рассмотрим рис. 8.4, а, на котором показано семейство вольт-амперных характеристик для различных скоростей убывания тока. Кривая 1 — это статическая вольтамперная характеристика, отно­сящаяся к открытой дуге в воздухе. Если от значения i = I ток убывает с различными скоростями, то чем выше скорость спада тока, тем ниже проходит вольтамперная характеристика. Это происходит потому, что при снижении тока такие параметры дуги, как сечение дуги, температура газа и степень ионизации, не успевают быстро измениться и приобрести значения, соответствующие меньшему значению тока при установившемся режиме. В результате напряже­ние на дуговом столбе может существенно отличаться от значений, определяемых статической характеристикой. Эта серия характе­ристик при резких скоростях спада тока носит название динами­ческих   вольтамперных   характеристик.

При бесконечно высокой скорости спада тока к нулю активное падение напряжения на дуге изменяется по прямой 2, так как при очень быстром уменьшении тока в цепи физические свойства канала не успевают сколько-нибудь измениться, т. е. сопротивление канала остается неизменным и, следовательно, напряжение на дуге будет падать прямо пропорционально току. Этот крайний предел — падаю­щая к нулю прямая — практически не достижим. Обычно те дина­мические характеристики, которые получаются в аппаратах отклю­чения при спаде тока, имеют всегда возрастающий характер. Осо­бенно большое отступление от статической характеристики при спаде тока наблюдается в области малых токов, т. е. при подходе тока к нулю (непосредственно перед гашением дуги), что способст­вует ограничению перенапряжений на выключателе и элементах цепи.

Динамическая характеристика дуги лежит в общем ниже стати­ческой, если она соответствует условиям спадания тока от некото­рого сравнительно большего значения к меньшему. В другом слу­чае, когда ток цепи не уменьшается, а, наоборот, возрастает неза­висимо от сопротивления дуги, динамическая характеристика дуги в принципе может лежать выше ее статической  характеристики.

На рис. 8.4, б представлена динамическая характеристика дуги синусоидального тока. Ее ветви 1 и 2 относятся к первой половине полупериода, когда ток нарастает во времени, а ветви 3 и 4 — ко второй полуволне, когда ток уменьшается.

Вид статических (и динамических) характеристик определяется многими условиями, в том числе и способом гашения дуги.

ГАШЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДУГ   В ЦЕПЯХ ПОСТОЯННОГО ТОКА

При размыкании контактов аппарата, находящегося в цепи пос­тоянного тока, возникает дуговой разряд. Для гашения возникающей дуги постоянного тока обычно стремятся повысить напряжение на дуге (и ее сопротивление) или путем растяжения дуги, или путем повышения напряженности электрического поля в дуговом столбе, а большей частью — одновременно и тем и другим путями.

Это достигается применением специальных дугогасительных ка­мер в выключающих аппаратах, задача которых состоит в том, чтобы обеспечивать быстрое растяжение дуги и повышение напряжения на ней, с одной стороны, а с другой — огра­ничивать распространение порождае­мого ею пламени и раскаленных газов в  приемлемом объеме  пространства.

Казалось бы,  что идеальным вы­ключателем постоянного   тока будет тот,   сопротивление   межконтактного  промежутка в котором   может мгновенно возрастать от нуля до беско­нечности. Тогда мгновенно прекращалось бы протекание тока по цепи. Однако для реальных цепей постоянного тока, которые всегда содержат индуктивность L, такой выключатель не пригоден. Дело в том, что запасенная в индуктивной цепи электромагнитная энер­гия должна куда-то израсходоваться в процессе отключения цепи. Она может уйти, например, на заряд емкости С (рис. 8.5), парал­лельной дуговому промежутку, и существенно повысить напряже­ние на ней.

В пределе максимально возможное перенапряжение на емкости определится из равенства энергии:

(8.1)

Для  примера  возьмем  реальные                                                             величины:

 

Тогда

Естественно, что такие большие перенапряжения для низковольтных установок недопустимы. Электрическую цепь следует отключать так, чтобы перенапряжения не превышали тех величин, которые может выдержать без пробоя электрическая изоляция. Такие усло­вия выполняются в рационально сконструированных выключате­лях с электрической дугой, при гашении которой большая часть электромагнитной энергии цепи превращается в тепловую и рас­сеивается столбом дуги в окру­жающую среду. В результате энергия, запасаемая в емко­сти, и перенапряжения на ем­кости снижаются. В этом от­ношении электрическая дуга играет, очевидно, положитель­ную роль.

Рис.8.5.Цепь постоянного тока с электрической дугой.

Для того чтобы уяснить условие  угасания   дуги  в цепи постоянного   тока,   необходимо сначала   выяснить  условия стабильного ее горения,     На рис. 8.6 показана статическая  вольтамперная  характеристика дуги                 Там же приведены   величина напряжения   источника U_И и вольтамперная характеристика сопротивления цепи

На рис. 8.5 была изображена электрическая цепь постоянного тока с дугой. Принципиально во всех реальных схемах присутствует емкость С (емкости между токоведущими проводами, проводами и землей и т. д.). Но обычно в процессе горения дуги D через С протекают относительно небольшие токи в сравнении с основным током цепи i, и влияние С обычно не учитывается. Это влияние становится заметным в конце процесса гашения дуги, когда ток i приближается к нулевому значению, а напряжение на дуговом промежутке резко возрастает. При таком допущении общее уравне­ние баланса напряжений для цепи с дугой будет выглядеть сле­дующим образом:

 (8.2)

Рис.8.6. Графическая интерпретация условия гашения

дуги   постоянного тока

В установившемся состоянии при

 (8.3)

Для удобства анализа вместо прямой               проведем реостатную или внешнюю характеристику                      . Это будет прямая (рис. 8.6),   исходящая из точки  на оси ординат и пересекающая ось абсцисс в точке                 

где        установившийся ток в цепи при замкнутом выключателе В, т. е. при U_R = 0.

Нетрудно видеть, что прямая                    пересекает вольтамперную характеристику дуги       " в точках А и Б. В них соблюдается уравнение (8.3).  Однако подлинно устойчивое состоя­ние обеспечивается в точке А, так как при меньшем токе мы должны написать

а при токе, большем, чем в точке

В рассматриваемом контуре (см. рис.8.5) величина бU может компенсироваться только за счет э. д. с. самоиндукции (см. соотно­шение 8.2), т. е.      При этом слева от точки А, а следовательно, и, должны быть положительными. Справа же от точки А , следовательно, и, должны быть отрицательными. Это возможно только в том случае, когда слева от точки А ток воз­растает, а справа — убывает. В точке Б это условие равновесия не обеспечивается, так как справа от нее ток возрастает (переходит в точку А), а слева - убывает (дуга угасает), точка Б характери­зует собой неустойчивое равновесие.

Таким образом, если разомкнуть цепь при токе I и при этом на контактах установится дуга с напряжением U_л (полагаем, что дуга сразу достигает определенной длины, которой соответствует характеристика U_R = f(i), нанесенная на рис. 8.6), то ток спадет со значения I до   и дуга при этом будет устойчиво гореть.

Для обеспечения условий гашения дуги после размыкания контактов необходимо, чтобы вольтамперная характеристика дуги ока­залась выше внешней характеристики цепи, т. е. прямой

 когда не будет пересечения этих кривых и не возникнет точка А. В этом случае ток в цепи со значения I будет убывать до нуля. Во всем диапазоне изменения тока от I до 0 будет сохранено условие

                                                                           (8.4)

Весьма   эффективным    средством, повышающим   дугогасящие   свойства аппарата и снижающим перенапряжения при отключении цепей постоянного тока, являются шунтирование дугового промежутка активным сопротивлением г (рис. 8.7).

На рис. 8.8 дано построение, позволяющее сделать заключение об эффективности шунтирования дугового промежутка сопротивле­нием r. Шунтирующее сопротивление r находится под тем же напряжением U_д, что и дуга. Ток в цепи, текущий через индуктивность L и сопротивление R, разветвляется на ток дуги   и ток шунта, при этом всегда остается справедливым равенство  

Рис. 8.7. Электрическая цепь постоянного тока с дугой, шун­тированной активным сопротив­лением

Для оценки условий гашения дуги необходимо построить зави­симость напряжения на дуге от общего тока, т. е. U_A = f(i), чтобы судить, как ориентируется кривая напряжения по отношению к реостатной характеристике цепи U_и — iR = f(i). Из рис. 8.8 можно видеть, что   (без шунта) кривая  напряжения на дуге проходит вблизи прямой почти касаясь ее. Условия гашения дуги здесь соблюдаются, но они близки к предель­ным, так как даже небольшое понижение характеристики дуги привело бы к устойчивой дуге. Кроме того, пик напряжения   на   дуге   в   конце   гашения   весьма   велик,   а так же высоко  значениет. е. напряжение на индуктивности

                           

Если же мы подключаем к дуговому промежутку сопротивление r, имеющее вольтамперную характеристику в виде прямой общий ток в цепи i должен складываться из токов дуги и шунта, т. е.

Кривая напряжения на дуге в функции общего тока 2 (рис. 8.8) лежит существенно выше, чем кривая напряжения на дуге без шунта 1. Таким образом, процесс гашения происходит значительно быстрее, и наибольший пик напряжения на дуге будет В этот момент дуга  гаснет.  После  этого   ток   продолжает  убывать до   момента пересечения прямых  (i_ro).   Этот  ток   остается   в   цепи. Он   равен

Обратите внимание на лекцию "6 Общая схема теплотехнического расчёта теплообменного аппарата".

                                            

Для полного разрыва цепи ток i_ro необходимо отключить дополнительным контактом К (рис. 8.5). В этом состоит недостаток метода шунтирования, так как он несколько усложняет коммутационный аппарат.

Рис.8.8.    Построение   вольтамперной  характери­стики  при   шунтировании   дуги   активным   сопро­тивлением

Аналогичных результатов можно достичь, прибегая к шунтиро­ванию индуктивности цепи или всей нагрузки. Однако этот метод имеет недостаток, потому что при включенной цепи через шунт будет непрерывно протекать ток и в нем возникнут значительные потери. При сопоставлении рассмотренных методов можно заключить, что более рациональным является применение шунтов на выключателях.

Как уже было сказано, критическим можно назвать такой режим, когда характеристика U_A = f(i) делается касательной к внешней характеристике цепи. Длину дуги, при которой наступает такой режим, называют критической. При длине, большей критической, дуга всегда гасится, а при меньшей — возможно устойчивое ее горе­ние.