В отличие от стационарной дуги постоянного тока, дуга переменного тока может быть квазистационарной или неустановившейся (например, при отключении тока).
Рис. V.19. Осциллограмма напряжения и тока дуги переменного тока при большом токе
Рис. V.20. Осциллограмма напряжения и тока дуги при большом токе и высокой частоте
Рис. V.18. Осциллограмма напряжения и тока дуги переменного тока при небольшом токе:
а — цепь индуктивная; б— цепь практически безындукционная
В квазистационарной дуге переменного тока характер изменения напряжения и тока в каждом полупериоде повторяется. При малых токах или при усиленном охлаждении дуги ее напряжение имеет очень характерную форму с высокими пиками зажигания и гашения (рис. V.18). При больших токах эти пики сглаживаются (рис. V.I9), а при высокой частоте могут совсем исчезнуть. Здесь кривая напряжения повторяет кривую тока, как и в случае чисто активного сопротивления (рис. V.20). Дуга теряет свою падающую характеристику, и при очень больших токах характеристика может даже стать возрастающей. В связи с изменением тока изменяется также и температура дуги (рис. V.21).
Процессы, происходящие в дуге при переходе тока через нуль, весьма сложны и очень важны для выяснения того, будет ли дуга гореть в следующем полупериоде или погаснет, т. е. будет ли отключен ток или нет. Исследованию этого в последнее время было посвящено очень много работ, выяснивших ряд деталей процесса.
Рис. V.21. Изменение температуры дуги с изменением тока
Рис. V.22. Осциллограмма процесса отключения тока в масляном выключателе
Рис. V.23. Осциллограмма процесса восстановления напряжения при переходе тока через нуль
Рис. V.24. Три типичных случая восстановления напряжения после перехода тока через нуль:
а — восстановление напряжения в колебательном режиме; б — восстановление напряжения и восстановление тока после пробоя дугового промежутка; в—восстановление напряжения в апериодическом режиме
Процесс отключения тока в масляном выключателе показан на рис. V.22. В течение четырех полупериодов дуга восстанавливалась, а на пятом — погасла. После последнего перехода тока через нуль произошел процесс восстановления напряжения в колебательном режиме. На рис. V.23 процесс восстановления напряжения показан в более растянутом масштабе времени. В верхней части рисунка штриховой линией показан случай пробоя дугового промежутка и восстановления дуги (напряжение иа).
Прямая i показывает восстановление тока дуги. Кривая ин представляет рабочее напряжение питающей цепи. Предполагается, что отключение тока произошло при коротком замыкании, когда переход тока через нуль происходил приблизительно при амплитуде рабочего напряжения. На рис. V.24 показаны три типичных случая процесса после перехода тока через нуль.
Для повторного зажигания дуги необходимо, чтобы в некоторый момент электрическая прочность дугового промежутка оказалась меньше восстанавливающегося напряжения (рис. V.25). Кривые 1 и 3 представляют восстанавливающуюся электрическую прочность дугового промежутка, а кривая 2 — восстанавливающееся напряжение. Кривая I все время идет выше кривой 2, и они не пересекаются. Пробой дугового промежутка и новое зажигание дуги невозможно. Кривая 3 пересекает кривую 2 в точке А. За этой точкой прочность дугового промежутка становится меньше восстанавливающегося напряжения; следовательно, в этой точке должен произойти пробой и дуга восстановится (кривая 4).
Рис. V.25. Восстанавливающееся напряжение и восстанавливающаяся электрическая прочность дугового промежутка: 1 — пробивное напряжение лежит выше восстанавливающегося напряжения; 2 — восстанавливающееся напряжений; 3 — кривая восстанавливающейся электрической прочности пересекает кривую восстанавливающегося напряжения; 4 — напряжение дуги
Чем же определяется возобновление дуги после перехода тока через нуль? После перехода тока через нуль ионизация, существовавшая в стволе дуги, исчезает не сразу. Температура этого, так называемого остаточного, ствола дуги, падает быстро, а вместе с тем возрастает электрическая прочность дугового промежутка. Восстановление электрической прочности дугового промежутка существенно зависит от быстроты спадания температуры остаточного ствола дуги. Расчеты показывают, что падение температуры остаточного ствола дуги следует приблизительно экспоненциальной зависимости:
где Т—температура окружающей среды; Т0— температура на оси дуги в начале процесса; Θ — постоянная времени дуги.
Легко рассчитать, что при Θ = 10-4 температура на оси дуги падает до температуры окружающей среды примерно через 0,5 мсек. При постоянной времени этот промежуток времени возрастает примерно до 5 мсек.
Падение температуры во время паузы тока приводит к соответствующему повышению электрической прочности дугового промежутка. Электрическая прочность воздуха обратно пропорциональна температуре:
где Е0 — прочность при температуре Т. Полагая Т —300° и Т = 4000°, получим
Рис. V.27. Процессы при тепловом пробое дугового промежутка
Рис. V.26. Расчетная зависимость восстанавливающейся электрической прочности (пробивного напряжения) дугового промежутка от времени:
1— расчет при постоянной времени дуги 0-10—4 сек; 2 — то же, при ϑ=10-3 сек; 3— полупериод восстанавливающегося напряжения при частоте 1000 гц
это значит, что при температуре Т — 4000° прочность воздуха составляет 7,50% от его прочности при комнатной температуре.
Зная изменение температуры во времени, можно рассчитать соответствующее изменение электрической прочности и пробивного напряжения дугового промежутка. На рис. V.26 приведена зависимость восстанавливающейся электрической прочности дугового промежутка при двух разных значениях постоянной времени дуги. Как видно из рисунка, при θ = 10-4 сек кривая 1 идет все время выше кривой 5; следовательно, пробой дугового промежутка и новое зажигание дуги невозможны. Кривая 2 пересекает кривую 3 уже при t= 0,02 мсек (2-10-5 сек). В этот момент произойдет пробой, и дуга возобновится.
Постоянная времени дуги определяется условиями ее охлаждения. Чем энергичнее охлаждение, тем меньше постоянная времени. Она зависит также от газа, в котором существует дуга, и от тока. При малых токах (1-5а) постоянная времени дуги в элегазе имеет величину Ι-:-2 мксек постоянная времени дуги в воздухе при этих токах — 100-200 мксек. При токах порядка сотен ампер постоянные времени дуги в разных газах сближаются и имеют величину порядка сотен микросекунд.
Еще недавно ученые приписывали постоянной времени дуги решающую роль при гашении дуги. Однако в настоящее время выяснено, что это положение ошибочно. Так, например, постоянная времени дуги при малых токах в элегазе, водороде и кислороде почти одинакова, в то время как дугогасительная способность этих газов различна. Наибольшая дугогасительная способность наблюдается у элегаза, за ним следует водород, а кислород имеет малую дугогасительную способность. Для оценки дугогасительной способности газов, кроме величины постоянной времени дуги, весьма важна еще электрическая прочность газа. Из указанных газов наибольшую электрическую прочность имеет элегаз. В сочетании с малой постоянной времени дуги это и объясняет более высокую дугогасительную способность элегаза.
Рассмотренный нами механизм повторного зажигания дуги получил название электрического пробоя дугового промежутка. Можно отметить еще случай теплового пробоя дугового промежутка. Температура дуги в момент падения тока до нуля еще обеспечивает некоторую минимальную проводимость остаточного ствола дуги, а потому через него может проходить некоторый остаточный ток. Этот ток обычно быстро достигает максимума, а затем падает до нуля, если дуга гаснет. Но если выделяемая остаточным током энергия больше отводимой от ствола дуги в данных условиях, то остаточный ток может расти непрерывно, что и приведет к повторному зажиганию дуги (рис. V.27). В современных выключателях с энергичным дугогашением случай теплового пробоя дугового промежутка очень мало вероятен; обычным является электрический пробой.
