На рис. 12, а приведена электрическая цепь постоянного тока, состоящая из источника питания с напряжением U, активного сопротивления R и индуктивности L. При расхождении контактов К1—К2 аппарата на них появляется напряжение и немедленно возникает процесс ионизации среды. Когда напряжение на контактах достигает определенной величины, называемой напряжением зажигания Ua, дуговой промежуток, уже в определенной степени ионизированный, пробивается и на нем зажигается электрическая дуга. Процесс зажигания, горения и погасания дуги при постоянной ее длине изображается статической С и динамической Д вольт-амперными характеристиками (рис. 12, б). Статическая характеристика дуги снимается при медленном, а динамическая — при быстром изменении тока.
Динамическая характеристика располагается ниже статической потому, что при изменении тока с большой скоростью процесс деионизации дуги не успевает следовать за изменением тока. В этом случае сопротивление дуги R д отстает от изменения тока и падение напряжения в дуге будет отличаться незначительно от предыдущего значения U д. При уменьшении тока до нуля дуга гаснет. Напряжение, соответствующее погасанию дуги, называется напряжением гашения UT. Для нового зажигания дуги, следующего непосредственно за ее погасанием, требуется напряжение зажигания меньше первоначального, так как в момент исчезновения тока и последующего зажигания дуговой промежуток будет еще в некоторой степени ионизирован.
Рис. 12. Электрическая цепь (а), вольт-амперная характеристика (б), условия горения и гашения (в, г) дуги постоянного тока
При гашении электрической дуги преобладает деионизация, в результате чего увеличивается сопротивление дугового промежутка, дуга начинает гореть неустойчиво, ток в дуге уменьшается до нуля и дуга гаснет. Условия неустойчивого горения и гашения дуги рассмотрим по рис. 12, а и в. При размыкании контактов К1—К2 (см. рис. 12, а) и возникновении дуги сумма падений напряжения в любой момент времени равна приложенному напряжению U источника тока. Поэтому уравнение баланса напряжений можно записать в следующем виде:
U= IR+eL + Un (1)
Графическое изображение формулы (1) приведено на рис. 12, в,- где показаны вольт-амперная характеристика дуги — кривая с ординатами Un; падение напряжения IR в сопротивлении R — прямая линия с ординатами U —IR; индуктивное падение напряжения, связанное с возникновением э. д. с. самоиндукции eL в цепи с электрической дугой, равное разности ординат между вольт-амперной характеристикой и прямой (U — IR). Э. д. с. самоиндукции выполняет роль автоматического регулятора в цепи с электрической дугой: изменяясь по величине и знаку в зависимости от изменения тока, она одновременно оказывает влияние на изменение этого тока.
Из уравнения (1) видно, что дуга может гореть устойчиво, если ток в дуге не изменяется (dl/dt = 0) и, следовательно, eL — 0. Тогда уравнение (1) примет вид
U=IR+Uп, (2)
которому на диаграмме (см. рис. 12, в) соответствуют точки 1 и 2 с токами 1г и l2. Рассмотрим, как поведет себя дуга при отклонении токов от значений и l2. Для этого используем формулу (1), из которой будет видна зависимость напряжения на дуге Uд =U — eL — IR от знака э. д. с. eL. Если ток в дуге станет больше I2, то э. д. о. самоиндукции на этом участке вольт-амперной характеристики принимает отрицательное значение, вследствие чего напряжение на дуге Uд =U — (—eL) — IR = U+eL — IR увеличивается, а ток уменьшается. Однако уменьшение тока происходит не до нуля, а только до значения I2, т. е. до точки устойчивого горения 2, при котором eL = 0 и соблюдается уравнение (2). Если каким-либо способом уменьшить ток дуги до значения меньше I2, то э. д. с. самоиндукции попадет в зону положительных значений, т. е. в зону с малым сопротивлением дуги, напряжение на дуге уменьшится (U π = U — eL — IR), что будет способствовать увеличению тока до значения I2, соответствующего точке 2. Таким образом, благодаря регулирующему действию э. д. с. самоиндукции, возвращающему ток I2 к своему устойчивому состоянию при отклонении от него в ту или иную сторону, точку 2 называют точкой устойчивого горения дуги.
Иначе ведет себя дуга при отклонении тока от точки 1. Если ток в дуге станет несколько больше I, то э. д. с. самоиндукции примет положительное значение, напряжение на дуге будет уменьшаться (U д = U — eL — IR), вследствие чего ток в дуге будет увеличиваться и расти до тех пор, пока не достигнет устойчивого значения I2 в точке 2. Когда ток дуги становится меньше I2, то э. д. с. самоиндукции принимает отрицательное значение, напряжение на дуге увеличивается (U д = U + eL — IR), в результате чего ток будет уменьшаться еще больше, и при достижении нулевого значения дуга погаснет Из этого следует, что в точке 1 дуга может гореть только при токе Iv При значении I > I, ток увеличивается до I2, а при значении I< 1г ток уменьшается до нуля. Поэтому точку 1 называют точкой неустойчивого горения дуги.
Из уравнения (1) и диаграммы (см. рис. 12, в) видно, что для снижения тока до нуля и гашения дуги необходимо обеспечить отрицательное значение э. д. с. самоиндукции при токе, меньшем Iv Этому требованию удовлетворяет условие
U д = U + eL — IR, или U > U — IR. (3)
Гашение дуги во всем диапазоне токов согласно условию (3) осуществляется в том случае, если вольт-амперная характеристика дуги нигде не пересекается с прямой U — IR. Этому удовлетворяет кривая 1 на рис. 12, г. Кривая А не обеспечивает гашения дуги во всем диапазоне токов, хотя по этой характеристике положительного значения еь нет, но при токе I, э. д. с. самоиндукции равна нулю и дуга может длительно гореть согласно уравнению (2).
Поднять вольт-амперную характеристику дуги выше прямой U — — IR можно двумя способами: или увеличить сопротивление дуги R, путем ускорения деионизации дугового промежутка, вследствие чего будет увеличиваться V д = IR д, или увеличить сопротивление R, снижая ординаты U— IR. В большинстве современных выключателей используют первый способ, применяя для этого дугогасительные камеры, в которых деионизация дугового промежутка осуществляется удлинением дуги и разделением ее на мелкие дуги в продольном и поперечном направлениях. Однако в последние годы разработаны дугогасительные камеры быстродействующих выключателей, в которых в цепь удлиняющейся дуги автоматически включается активное сопротивление и снижаются ординаты U — IR.
Из рис. 12, в и г видно, что напряжение гашения дуги U,. выше напряжения источника питания U. Это объясняется тем, что в процессе гашения дуги наводится э.д. с. самоиндукции, величина которой зависит от скорости уменьшения тока во времени dl|dt до нуля и индуктивности цепи L. При погасании дуги (I = 0 и IR = 0) уравнение (1) принимает вид
U =eL +U д,
откуда величина перенапряжения
∆U = U д - U= ~eL. (4)
Величина перенапряжения достигает трех-, четырехкратного значения напряжения источника питания и может быть опасной для изоляции, как самого источника питания, так и электрически связанных с ним устройств, в том числе и выключателя. Поэтому для гашения дуги постоянного тока не применяют сильно деионизирующих средств, например, трансформаторное масло, так как в нем происходит очень быстрое принудительное уменьшение тока до нуля.
