Чтобы дуговой промежуток не был повторно пробит восстанавливающимся напряжением, необходимо возможно быстрее устранить из него заряженные частицы, т. е. деионизировать его. В стационарной дуге непрерывно протекают спонтанные процессы деионизации, уравновешивающие ионизационные процессы. После первого обрыва дуги естественная деионизация в ее стволе усиливается из-за прекращения подвода энергии и спада температуры. Однако ионизация, существовавшая в стволе дуги до перехода тока через нуль, исчезает не сразу и задерживает восстановление электрической прочности дугового промежутка. Температура остаточного ствола дуги падает по экспоненциальной зависимости:
(4-15)
где /окр — температура окружающей среды; /д — температура в центре ствола дуги перед обрывом; Ф — тепловая постоянная времени дуги.
Так как тепловая постоянная времени дуги очень мала (10_3— 10~4 с), температура остаточного ствола дуги падает чрезвычайно быстро и уже через несколько миллисекунд или даже через доли миллисекунды достигает температуры окружающей среды.
(где U0 — электрическая прочность воздуха при температуре /в) и, следовательно, она также повышается по экспоненциальной зависимости с постоянной времени О.
I _ постоянная времени дуги 0 = *== 10~4 с; 2 ?— постоянная времени дуги b = 10-3 с; 3 полупермод востанавливающегося напряжения при частоте 1 кГц
Электрическая прочность воздуха обратно пропорциональна температуре воздуха tB:
Рис. 4-12. Зависимость восстанавливающейся электрической прочности дугового промежутка от времени
Выше указывалось, что тепловая постоянная времени дуги зависит от охлаждения. Чем интенсивней происходит отвод теплоты от ствола дуги, тем скорей повышается ее сопротивление и электрическая прочность, тем меньше постоянная времени дуги.
Кроме того, на нее влияют также физические свойства среды, в которой горит дуга, и значение тока. Например, при токах до 5 А постоянная дуги в элегазе равна 1—2 мкс, а в воздухе равна 100—200 мкс. При увеличении тока до нескольких сотен ампер значения постоянной времени дуги в воздухе и в других газах сближаются и составляют сотни микросекунд.
На рис. 4-12 показаны зависимости электрической прочности дугового промежутка от времени при естественной деионизации (кривая 2, для § = 10_3 с) и при форсированном охлаждении ствола дуги (кривая 1, для f = 10~4 с). Как видим, кривая 3 восстанавливающегося напряжения, имеющего частоту 1 кГц, не пересекается с кривой 1 и гашение дуги произойдет после первого же перехода тока через нуль.
Кривая 2 пересекает кривую 3 уже при 0,02 мс (2-10"5с). В этот момент дуговой промежуток будет пробит и произойдет повторное зажигание дуги. Следовательно, чтобы не допустить повторного зажигания, надо привлечь специальные средства для интенсивного охлаждения ствола дуги, ускорения деионизации и восстановления электрической прочности дугового промежутка. К ним можно отнести дутье, осуществляемое в разных конструкциях дугогасителей различными способами: масляное, газовое, сжатым воздухом, магнитное и др. При этом следует подчеркнуть значительное влияние на процесс деионизации физических свойств гасящей среды. На рис. 4-13 приведены относительные скорости восстановления электрической прочности для воздуха и элегаза при радиальном магнитном дутье [291 Как видим, деионизирующие свойства элегаза в 8—10 раз выше, чем воздуха.
В масляных выключателях организованному дутью помогает сильное турбулентное движение масла, возникающее около газового пузыря, в котором горит дуга, сопровождающееся перемешиванием масла и интенсивным отводом теплоты от ствола дуги.
Надо отметить также, что всякое дутье способствует диффузии заряженных частиц, вынося их за пределы ствола дуги, В этом смысле особенно эффективными являются дугогасители воздушных выключателей, в которых плазма целиком выдувается из межконтактного промежутка потоком сжатого воздуха.
На скорость повышения электрической прочности влияют также параметры дутья. Повышение давления гасящей среды может заметно ускорить восстановление электрической прочности.
Наконец, отмечается влияние конструкции дугогасителей на восстанавливающуюся прочность дугового промежутка. На рис. 4-14 приведено сравнение скоростей роста восстанавливающейся прочности в воздушных выключателях с разными типами дугогасителей.
Для аппаратов низкого напряжения существенное значение имеет скорость восстановления электрической прочности в околоэлектродной области. Эта скорость значительно выше в околокатодной области, что объясняется большой разницей в массе электронов, стремящихся к аноду, и ионов, стремящихся к катоду.
Рис. 4-13. Восстанавливающаяся электрическая прочность воздуха и элегаза (штриховые линии — разброс значений при испытании)
Сразу же после обрыва дуги в околокатодном пространстве образуется зона, лишенная заряженных частиц, и электрическая прочность в этой зоне скачком повышается до 150—250 В. Существенно влияние материала электродов на восстанавливающуюся прочность, а также на ее зависимость от тока (рис. 4-15) 129].
Рис. 4-14. Зоны восстанавливающейся прочности дугового промежутка для двух типов дугогасителей 1 — дутье через сопло; 2 — дутье о цилиндре
В выключателях высокого напряжения также существует скачок восстанавливающейся прочности, однако здесь это не играет большой роли, так как напряжение, восстанавливающееся на контактах выключателя после обрыва дуги, намного выше начального скачка прочности в околокатодном пространстве.
Рис. 4-16, Отключение переменного тока в цепи с емкостью
Кроме электрического пробоя, рассмотренного выше, существует еще опасность теплового пробоя дугового промежутка из-за наличия остаточного тока в межконтактном промежутке после погасания дуги. Оставшиеся в этом промежутке из-за неполной деионизации заряженные частицы эвакуируются оттуда под воздействием восстанавливающегося напряжения, и это в основном и создает остаточный ток в выключателе после расхождения контактов и погасания дуги. Остаточный ток замыкается через емкость сети, подключенную параллельно контактам выключателя, и, как видно из диаграммы на рис. 4-16, возникает несколько раньше естественного перехода отключаемого тока через нуль, компенсируя ток дуги, который из-за резкого возрастания сопротивления ствола дуги исчезает несколько раньше естественного перехода тока через нуль (срез тока).
Остаточный ток обычно невелик, быстро достигает своего максимума и затем падает до нуля, в большинстве случаев не осложняя процесса отключения и даже несколько помогая ему, демпфируя восстанавливающееся напряжение. Однако в неблагоприятных условиях, когда выделяемая остаточным током энергия превосходит отводимую от дуги энергию, возникают кумулятивный рост остаточного тока и высокая температура ствола дуги, что приводит в конечном счете к тепловому пробою дугового промежутка и повторному зажиганию дуги. Современные выключатели имеют, как правило, весьма эффективную систему дугогашения, и поэтому тепловой пробой в них практически исключен.
Рис. 4-15. Начальный скачок восстанавливающейся прочности дугового промежутка в зависимости от тока
1 — латунные электроды; 2 — медные электроды
