1.3. Електрична дуга постійного струму

Вольтамперні характеристики дуги. На рис. 1.1 показані вольтамперні характеристики електричної дуги (залежність напруги на дузі від струму в ній U_д=f(I_д)). Характеристики мають падаючий характер, тобто зі збільшенням струму в дузі напруга, необхідна для підтримання її горіння, зменшиться. Пояснюється це тим, що електричний опір дугового проміжку зменшується швидше, ніж збільшується струм.

Рис. 1.1

При повільній зміні струму в дузі для кожного його значення встигає встановлюватися рівноважний стан, коли процеси іонізації врівноважуються процесами деіонізації, тобто коли кількість заряджених частинок в стовбурі дуги при заданому струмі залишається приблизно однаковою. Стабілізуються електричний опір і падіння напруги на дузі. Такий режим горіння дуги називають статичним, а залежність U_д = f (I_д), отримана при повільній зміні струму, – статичною характеристикою дуги (рис. 1.1, крива а).

При достатньо швидкій зміні струму в дузі (наприклад, в мережі з частотою 50 Гц) іонізаційні процеси не встигають перебудовуватися. Так, при швидкому зменшенні струму додаткова деіонізація дугового проміжку потребує певного часу. Тому провідність дугового проміжку в першочерговий момент залишається тою самою, відповідаючи великому струму, а, відповідно, і падіння напруги на дузі буде меншим, ніж при статичному режимі (рис. 1.1, крива в). У випадку швидкого збільшення струму вольтамперна характеристика буде розміщуватися вище статичної (рис. 1.1, крива б). Ці вольтамперні характеристики, отримані при швидкій зміні струму в дузі, називають динамічними.

Розподіл напруги в стовбурі дуги. Прикладена до дуги напруга розподіляється вздовж її стовбура нерівномірно. Можна виділити три характерних зони: зона катодного спаду напруги (катодна зона), сам стовбур дуги і зона анодного спаду напруги (анодна зона) (рис. 1.2).

Рис. 1.2

Поблизу електродів, в катодній і анодній зонах спостерігаються різкі зміни напруги, викликані наступними причинами. Створені в стовбурі дуги позитивні іони під дією прикладеної напруги зміщуються до катода. На дуже малій відстані (10^-4…10^-5 см) від поверхні катода відбувається концентрація іонів і утворюється об’ємний позитивний заряд, який створює поблизу поверхні катода електричне поле з дуже великою напруженістю (рис. 1.2, ліва частина кривої Е_Д). Це поле сильно розганяє важкі позитивні іони, що рухаються до катода, і бомбардуючи його поверхню, вибивають із катода електрони і одночасно сильно його нагрівають. Утворюється катодна пляма, що випромінює електрони. Частина електронів, що вилетіла з катода, рекомбінує із зустрічними позитивними іонами, інша частина під дією електричного поля дуги рухається до анода.

Таким чином, в катодній зоні відбувається безперервне зникнення позитивних іонів, внаслідок чого електрична провідність на одиницю довжини в катодній зоні значно менше, ніж в стовбурі дуги, від чого спостерігається значне падіння напруги (рис. 1.2, ліва частина кривої U_Д), що називається катодним U_кат. Аналогічне зниження густини заряджених частинок спостерігається і в анодній зоні, і викликає появу анодного спаду напруги U_ан.

Величина катодного спаду напруги не перевищує 10…20 В і залежить від матеріалу і середовища, в якому горить дуга. Анодний спад напруги менше 5…10 В, а при великих струмах близький до нуля.

У стовбурі дуги концентрація заряджених частинок практично однакова, тому напруженість електричного поля на цій ділянці постійна (середня частина кривої Е_Д), а падіння напруги U_ст пропорційне довжині дуги (див. рис. 1.2).

Умови гасіння дуги постійного струму. Для вдалого гасіння дуги постійного струму необхідно створити такі умови, щоб інтенсивність деіонізації в дуговому проміжку перевищувала інтенсивність іонізації.

Для з’ясування умов розглянемо електричне коло з опором R, індуктивністю L і дуговим проміжком Д (рис. 1.3,а), до якого прикладена напруга джерела U_дж. В будь-який момент часу для цього кола буде справедлива рівність

,

де iR – спад напруги на активному опорі; – спад напруги на індуктивності при зміні струму; U_д – спад напруги на дуговому проміжку.

Дуга погасне, якщо струм в ній буде зменшуватися, тобто при di/dt < 0, а напруга, необхідна для підтримання її горіння U_д, буде перевищувати діючу напругу джерела U_дж за-за спаду напруги на опорі R.

U_д > U_дж – iR. (1.1)

Ця нерівність представляє умову, при якій дуга гасне.

.

Рис. 1.3

Рівняння (1.1) зручно рішати графічно. На рис. 1.3,б крива А – це вольтамперна характеристика дуги, пряма Б – напруга джерела U_дж, пряма В – спад напруги на опорі R, що відраховується від значення U_дж

В точках перетину кривої А з прямою В (точки 1 і 2) виконуються умови і U_д = U_дж – iR, тобто зміна струму за відсутності зовнішніх впливів не повинна відбуватись. Але в точці 1 цей стан нестійкий, а в точці 2 – стійкий. Дійсно, якщо за якої-небудь причини струм в точці 1 стане трохи більшим (I₁^′), то буде справедлива нерівність U_д < U_дж – iR. В колі виявиться “надлишок” напруги на значення , який призведе до подальшого зростання струму до величини І₂. Якщо ж струм І₁ зменшиться до значення I₁^′′, напруги для підтримання дуги знадобиться більше, ніж є: U_д > U_дж – iR, що призведе до подальшого зменшення струму і загасання дуги.

При величині струму І₂ (точка 2) дуга горить стійко, оскільки у випадку збільшення струму до величини І₂^′ необхідна напруга для горіння дуги U_д потрібна буде більш ніж U_дж – iR, а тому струм зменшиться до значення І₂. При зменшенні струму до значення І₂^′′ з’явиться певний “надлишок” напруги і струм збільшиться до значення І₂. Як видно з рис. 1.3,б, доки лінії А і В мають хоч би одну точку перетину, буде виконуватись умова стійкого горіння дуги. Для виключення такої умови необхідно підняти вольтамперну характеристику дуги (криву А) вище прямої В, або збільшити опір кола R (пряма В піде крутіше вниз). Підняти вольтамперну характеристику найбільш просто збільшенням довжини дуги або охолодженням.

Вимкнення кола постійного струму. В момент вимкнення електричного кола за рахунок енергії електромагнітного поля в усіх провідниках і зосереджених індуктивностях виникає ЕРС самоіндукції, яка в сумі з основною напругою мережі викликає в ній комутаційні перенапруги. Величина цієї ЕРС, як відомо, пропорційна швидкості зменшення струму в колі (di/dt), яка, в свою чергу, залежить від використовуваного способу гасіння дуги (див. п.1.4), тобто від конструкції дугогасної камери.

У колах постійного струму використовують комутаційні апарати, що мають різні конструкції дугогасних камер, але в усіх апаратах дуга гаситься в повітрі. Це забезпечує прийнятний рівень комутаційних перенапруг (до 3…4 U_мер), що витримується ізоляцією апаратів постійного струму. На рис. 5.4 показано приклад осцилограм струму і напруги на контактах повітряного вимикача постійного струму в момент вимкнення мережі U_мер = 220 В.

Рис. 1.4

Використання масла та інших спеціальних засобів в дугогасильних камерах апаратів постійного струму призвело б до суттєвого зменшення часу вимкнення, що викликало б більш значні комутаційні перенапруги, небезпечні для ізоляції.