книги / Электрические аппараты

Рис, 4.2, Статические вольт-ампер- ные характеристики дуги при раз­ личной ее длине

Рис. 4.3. Баланс напряжений в электрической цепи при наличии дуги

и отрезок Ьс соответствует Ldi/dt. Очевидно, что в точках 1 я 2 L d i/d t= 0 . В этих точках возможен стационарный ре­ жим. Рассмотрим более подробно равновесие напряжений вблизи этих точек. Если по каким-либо причинам напря­ жение источника питания снизится, то точка равновесного состояния перейдет в 2', при этом ток уменьшится до зна­

чения Î2, определяемого пересечением ВАХ с прямой U'—

iR.

Пусть теперь напряжение источника восстановится до

рое увеличивает ток (производная положительна у расту­

щают состояние цепи снова в эту точку.

Теперь рассмотрим процесс изменения тока около точ­

ки 1. Пусть ii </1, в этом случае возникнет напряжение L d ijd tc 0, и ток в цепи будет убывать до тех пор, пока дуга

не погаснет. Если i \ > h , то возникнет напряжение dL i/dt> > 0 . Ток будет возрастать до значения / 2.

Таким образом, точка 1 является точкой неустойчивого равновесия: при выходе из нее ток в цепи либо становится

Очевидно, для гашения дуги при всех значениях тока дол­

Это возможно за счет либо поднятия ВАХ, либо уве­ личения сопротивления цепи. ВАХ дуги может быть под­ нята в результате увеличения длины дуги, интенсивного охлаждения и повышения давления среды, в которой горит дуга.

При замкнутых контактах дуга отсутствует, и ток в це­ пи равен IK= U /R . При разведении контактов между ними возникнет дуга с током /2. Если длина дуги и напряжение

соблюдается неравенство мд>{7—iR, т. е. создаются усло­ вия для гашения дуги. Токи и сопротивления, при которых

напряжение питания U или при неизменном значении на-

Рис. 4 4 Ток в цепи при различ- и ных сопротивлениях R и наличии Дуги

пряжения U увеличить ток цепи / к, то прямая U—Щ будет проходить выше. Тогда для соблюдения условий гашения дуги (4.7) необходимо поднять ВАХ дуги. Таким образом, с ростом отключаемого тока и напряжения источника ус­ ловия отключения утяжеляются.

Анализ рис. 4.4 показывает, что за счет изменения со­ противления R можно снять статическую ВАХ только при токе i ^ / Kp. Чтобы снять эту ВАХ при меньших токах, не­ обходимо увеличить напряжение источника питания.

Определим длительность горения дуги /д. Обозначим

Дм — | Ldildt |,

откуда получим

тока. Напряжение на контактах в момент достижения то­

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

больше перенапряжение. Скорость спада тока di/dt зави­ сит от скорости роста сопротивления дугового промежутка и скорости его деионизации. Поэтому в быстродействую­ щих аппаратах, отключающих цепь постоянного тока за сотые доли секунды, возможны большие перенапряжения.

Следует отметить, что чем больше индуктивность цепи, тем меньше скорость спада тока при прочих равных усло­

к индуктивности отключаемой нагрузки. Это напряжение может в десятки раз превышать номинальное напряжение источника и приводить к пробою изоляции нагрузки. Для ограничения перенапряжений при отключении больших ин­ дуктивностей (обмотки возбуждения крупных генераторов) применяются устройства с дугогасительной решеткой (§4.11).

г) Динамическая вольт-амперная характеристика дуги. Если ток в цепи изменяется медленно, то току i\ соответ­ ствует сопротивление дуги гдЬ а току i2> h — сопротивле­ ние ГдгСГд, (см. кривую А на рис. 4.5).

В реальных установках ток может меняться довольно быстро. Вследствие тепловой инерции дугового столба из­

статической (кривая В), так как при быстром росте тока сопротивление дуги падает медленнее, чем растет ток. При уменьшении — ниже, поскольку в этом режиме сопротивле­ ние дуги меньше, чем при медленном изменении тока (кри­ вая С).

Динамическая ВАХ в значительной степени зависит от скорости изменения тока в дуге. Если в цепь ввести боль­ шое сопротивление за время, бесконечно малое по сравне­ нию с тепловой постоянной времени дуги, то во время спада тока до нуля сопротивление дуги останется постоянным. В этом случае динамическая ВАХ изобразится прямой, про­ ходящей из точки 2 в начало координат (прямая D ),t. е.дуга ведет себя как металлический проводник и напряжение на дуге пропорционально току.

Вреальном аппарате после размыкания контактов рас­ стояние между ними меняется и дуга имеет переменную длину. Разобьем путь, который проходит контакт, на уча­ стки I]—U и нанесем статические ВАХ, соответствующие концу каждого участка (рис. 4.6). Если индуктивность цепи мала, то по мере увеличения длины дуги ток будет быстро принимать значения, соответствующие точке пересечения статических ВАХ с прямой U—iR.

Вточке О ток достигнет критического значения. При дальнейшем увеличении длины дуги наступят условия га­

шения.

Длина дуги, при которой статическая характеристика касается прямой U—iR, называется к р и т и ч е с к о й . Пос­ ле точки О ток быстро уменьшается до нуля и дуга гаснет.

В цепи с большой индуктивностью спадание тока за­ медляется; ВАХ дуги сразу же после расхождения контак­ тов поднимается выше прямой U—iR. В момент гашения дуги возможны большие перенапряжения.

Типичные осциллограммы отключения цепей с малой и большой индуктивностью, приведены на рис. 4.7. При от­ ключении индуктивной цепи процесс гашения затягивается

гашение дуги происходит быстро и перенапряжения отсут­

где Лд — энергия, выделенная в дуге в процессе гашения; /д — время гашения дуги; / к — ток в цепи при замкнутых контактах; L — индуктивность цепи.

Момент

Момент г расхождения

_____ \г контактов

h 1=0

Рис. 4.7. Процесс отключения цепи постоянного тока, со­ держащей большую (а) и малую (б) индуктивность

Анализ (4.12) показывает, что в дуговом промежутке выделяется вся энергия, полученная от источника питания за вычетом потерь в активном сопротивлении R, и вся элек­ тромагнитная энергия, накопленная в отключаемой цепи. Результаты опытов показывают, что для всех аппаратов с ДУ энергия, поступающая в дугу от источника питания, составляет всего 3—5 % энергии дуги. Остальная часть, 97—95 %, приходится на электромагнитную энергию от­ ключаемого контура.

2. После прохождения тока через максимум динамическая ВАХ поднимается и проходит через точку 3 в связи с уменьшением тока. В отрицательный полупериод процесс

рис. 4.8, б. При высокой частоте форма напряжения на ду­ ге (кривая 2) приближается к форме тока.

Рассмотрим отключение цепи с чисто активной нагруз­

Рис. 4.9. Процесс отключения активной нагрузки переменного тока

лупериода из-за уменьшения тока и воздействия ДУ сопро­ тивление дугового промежутка и напряжение на дуге увеличиваются. При подходе тока к нулю к дуге подводится малая мощность, температура ее уменьшается, что, с одной стороны, ведет к замедлению термической ионизации, с дру­ гой — способствует деионизации. Все это приводит к пога­ санию дуги. Напряжение, при котором дуга гаснет, называ­

ток в цепи обрывается до своего естественного прохождения через нуль.

В процессе гашения дуги число заряженных частиц в об­ ласти дугового промежутка уменьшается, и его сопротивле­ ние после гашения дуги резко возрастает. При этом возра­ стает и э л е к т р и ч е с к а я п р о ч н о с т ь п р о м е ж у т ­ ка, т. е. напряжение, при котором происходит его электрический пробой.

После прохождения напряжения через нуль электричес­

ДУ, тем больше начальная прочность и круче идет ее на­

и дуга загорится вновь. Напряжение и3 называется напря­ жением зажигания.

Напряжение, появляющееся на контактах после прохож­ дения тока через нуль, называется восстанавливающимся. Оно зависит от напряжения источника и параметров отклю­ чаемой цепи. В данном случае при чисто активной цепи (cos<p=l) после прохождения тока через нуль к контак­ там приложено синусоидальное напряжение источника.

В точке О' дуга вновь гаснет, и происходят процессы, аналогичные описанным ранее. В этой точке при подходе тока к нулю дуга имеет более высокую температуру по сравнению с температурой к концу бестоковой паузы teiПоэтому всегда пик гашения дуги меньше пика зажигания.

К моменту О' вследствие расхождения контактов длина дуги возрастает и увеличивается интенсивность воздействия ДУ. В результате и начальная прочность промежутка и кру­ тизна ее нарастания в точке О' больше, чем в точке О (кри­ вая а4&4). Поэтому пауза тока увеличивается по сравне­ нию с t<>\. Однако и в этом нуле тока гашение дуги не прои­ зошло, и она загорелась вновь. Из-за возросшей длины дуги вследствие расхождения контактов напряжение на дуге в этом полупериоде больше, чем в предыдущем. Окон­ чательное гашение дуги происходит в точке О". Для случая, когда электрическая прочность промежутка растет по кри­ вой а2Ь2, гашение дуги происходит при первом же прохож­ дении тока через нуль.

Следует отметить, что в эффективно работающих ДУ напряжение на дуге во времени меняется согласно рис. 4.10. В области нуля тока происходит интенсивное охлаждение дуги, в результате чего возрастает пик гашения иг (увели­ чивается сопротивление дуги) и нарастает электрическая прочность (увеличивается пик зажигания м3). На протя­ жении большей части полупериода напряжение на дуге не меняется во времени [4.1]. В некоторых ДУ после всзник-

новения дуги ее сопротивление так быстро возрастает, что ток в цепи начинает уменьшаться за счет этого сопротив­ ления и не достигает установившегося значения (на посто­ янном токе) и амплитуды (на переменном токе). Такой про­ цесс отключения называется процессом с токоограничением.

4.4. ОТКЛЮЧЕНИЕ ИНДУКТИВНОЙ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Рассмотрим процесс гашения дуги в цепи с большой ин­ дуктивностью (соэф ^О Д ). В момент расхождения контак­ тов (МРК) загорается дуга (рис. 4.10) и напряжение на дуге изменяется во времени так же, как на рис. 4.9. В мо­ мент времени t = 0 дуга гаснет. Благодаря процессу деиони­ зации в ДУ электрическая прочность промежутка увеличи-

Рис, 4.10. Отключение индуктивной нагрузки переменного тока

вается по кривой а— 1. К промежутку прикладывается вос­ станавливающееся напряжение на контактах ив, создавае­ мое источником. Данный случай принципиально отличается от предыдущего тем, что в момент погасания дуги ЭДС ис­ точника близка к амплитуде. При этом напряжение на про­ межутке восстанавливается с большой скоростью. В точке с прочность промежутка ниже восстанавливающегося на нем напряжения и происходит пробой. Дуга горит еще пол­ периода и снова гаснет в точке О'. В точке с' снова проис­ ходит пробой междуконтактного промежутка, так как после