Системы управления ЭПС - Электрическая дуга

Характеристики электрической дуги

Электрическая дуга — это процесс прохождения тока через ионизированный газ, характеризующийся большой плотностью тока, высокой температурой и мощным световым излучением. Электрическая дуга используется для сварки, выплавки металлов и для освещения. В этих целях необходимо устойчивое горение дуги. Электрическая дуга возникает также при отключении электрической цепи, и конструкция электрического аппарата должна предусматривать ее гашение.
Электрическую дугу открыл в 1802 г. профессор физики Санкт- Петербургской медико-хирургической академии Василий Владимирович Петров. Он впервые использовал вольтов столб из 4200 медных и цинковых кружков, который давал напряжение около 2 кВ. Электрическая дуга длиной 2,5—7,5 мм горела между двумя угольными электродами.
Независимо от В.В. Петрова электрическую дугу открыл английский физик Дэви. В 1809 г. он получил дугу длиной 3 см в среде азота между платиновыми электродами от батареи, состоящей из 1000 пластин. Первая публикация Дэви по этому вопросу относится к1810г. В начале 50-х гг. XIX в. электрическая дуга используется для освещения (русский изобретатель П.Н. Яблочков), а в конце XIX в. — для сварки (русские изобретатели Н.Н. Бенардос и Н.Г. Славянов). Первые работы по теории электрической дуги опубликованы в 1902 г. англичанкой Гертой Айртон и профессором С.-Петербургского политехнического института В.Ф. Миткевичем. В дальнейшем дугу исследовали многие физики и электротехники. Обширное экспериментальное исследование гашения электрической дуги в аппаратах низкого напряжения выполнено О.Б. Броном. В 1960 г. гашение электрической дуги в специфических условиях тяговых электрических аппаратов исследовалось в ЛИИЖТе (В.П. Федорченко, В.Н. Кабанов).
Электрическая дуга представляет собой столб ионизированного газа между двумя электродами, по которому протекает ток iдг.
Напряжение вдоль ствола дуги Uдг распределяется, как показано на рис. 6.7. и имеет три составляющие:

Падение напряжения в зоне катода Uк связано с работой выхода электрона из материала катода в ионизированное пространство ствола дуги и зависит от материала катода. Для медных электродов= 20В. При iдг=10А снижение тока вызывает увеличение Uк.

Рис. 6.7. Распределение напряжения вдоль столба электрической дуги

Протяженность области катодного падения напряжения порядка 1мкм, поэтому катодная область дуги характеризуется высокими градиентами напряжения. Падение напряжения в зоне анода Ua по величине составляет несколько вольт, а протяженность этой области немного больше, чем у катодной. Напряжение на стволе дуги Uст возрастает с увеличением ее длины lдг и уменьшением тока. Для условий работы тяговых электрических аппаратов градиент напряжения на стволе дуги составляет около 15 В/см. Различают длинные дуги, у которых.
При рассмотрении длинных дуг катодно-анодным падением напряжения можно пренебрегать. В коротких дугах величина Uк должна обязательно учитываться.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) дуги — это зависимость . Процесс горения электрической дуги отличается большой нестабильностью. Это определяется тем, что при горении дуги процессы ионизации и рекомбинации происходят одновременно. Кроме того, происходит диффузия заряженных частиц из столба дуги в окружающее пространство за счет разницы плотности газа.
Статическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) дуги (рис. 6.8, а) —  это зависимость  при медленном изменении тока, когда процессы ионизации и деионизации успевают следовать за изменением тока. Статическая характеристика более длинной дуги располагается выше.
Ряд исследователей предложили эмпирические формулы для статической вольт-амперной характеристики дуги.
Формула Г. Айртон имеет вид:
где a, b,c, d — постоянные.
Однако на практике статические ВАХ дуги чаще получают экспериментально.
ВАХ дуги при быстром изменении тока, когда процессы ионизации не успевают следовать за изменением тока, называется динамической. При уменьшении тока динамическая характеристика располагается ниже статической характеристики, а при увеличении — выше (рис. 6.8, б).
Рассмотрим способы гашения дуги постоянного тока.
Электрическая дуга гаснет, если напряжение на ней меньше величины, требуемой для ее горения в соответствии с вольтамперной характеристикой.
а) Механическое растягивание дуги: увеличение длины дуги за счет увеличения расстояния между контактами аппарата в отключенном состоянии применимо только для аппаратов низкого напряжения и сравнительно небольших токов. При напряжении 3000 В потребуется расстояние между контактами 2 м.
б)  Воздушное дутье потоком нагретого или сжатого воздуха.
в)  Магнитное растягивание дуги основано на взаимодействии тока дуги с магнитным потоком, создаваемым постоянными магнитами или дугогасительной катушкой. Электрическая дуга также обладает свойством притягиваться к стальным конструкциям, за счет создаваемого ею магнитного поля.

Рис. 6.8. Вольтамперная характеристика электрической дуги: а — статическая; б — динамическая

г)             Дугогасительные решетки — набор стальных пластин, расположенных перпендикулярно дуге. Дуга разбивается на ряд последовательно соединенных дуг. И хотя напряжение на стволе дуги Uст не увеличивается, катодное и анодное падение напряжения возрастает пропорционально — числу пластин дугогасительной решетки:

При N? = 100 суммарное катодное и анодное падение напряжения будет равно2000 В, что существенно облегчает гашение дуги.

Гашение электрической дуги в цепи постоянного тока

Отключение активной нагрузки.

Примером такого случая является отключение цепи электрического отопления (рис. 6.9, а). Уравнение равновесия напряжений или (6. 1).
Для описания вольт-амперной характеристики воспользуемся формулой Айртон
(6.2)
В системе двух уравнений (6.1) и (6.2) одно — нелинейное. Эта система решается графически.

Рис. 6.9. Гашение дуги постоянного тока при активной нагрузке: а — электрическая схема; б — вольт-амперная характеристика; в — осциллограмма отключения цепи с активной нагрузкой

Выводы:

1. Процесс гашения электрической дуги можно разделить на два этапа: развития и погасания дуги.
2. При развитии дуги ее длина постоянно увеличивается за счет магнитного растягивания или воздушного дутья. При этом в каждый момент времени дуга горит устойчиво, а величина тока определяется длиной дуги. Время развития дуги определяется конструкцией и параметрами системы дугогашения.
3. Переход от развития дуги к ее погасанию происходит, когда длина дуги достигает критической.

Критическая длина дуги пропорциональна напряжению сети и отключаемому току.

1. При погасании длина дуги больше критической. Дуга при этом горит неустойчиво. Гашение дуги определяется условиями деионизации воздуха в дугогасительной камере.
2. С увеличением отключаемого тока возрастают интенсивность магнитного растягивания, скорость движения дуги в камере, а также производная di/dt в момент разрыва дуги. Время гашения дуги при этом уменьшается.
3. С увеличением питающего напряжения возрастает критическая длина дуги и скорость движения дуги в камере. Время гашения дуги от напряжения практически не зависит.

Отключение активно-индуктивной нагрузки.

Схема электрической цепи приведена на рис. 6.10, а; вольт-амперные характеристики —  на рис. 6.10, б; осциллограммы отключения — на рис. 6.10, в. Для сравнения штриховой линии показаны осциллограммы отключения активной нагрузки.
Уравнение (6.1) с учетом индуктивности цепи принимает вид:

Рис. 6.10. Гашение дуги постоянного тока при активно-индуктивной нагрузке: а — электрическая схема; б — вольтамперные характеристики; в — осциллограмма

Повторные зажигания электрической дуги

При использовании магнитного растягивания длина дуги в момент ее погасания lдг mах значительно превышает расстояние между контактами отключающего аппарата. Напряжение на дуге Uдг max в этот момент превышает напряжение сети Uc. Напряжение Uдг mах принято называть восстанавливающимся напряжением. Воздух в пространстве между разомкнутыми контактами отключающегося аппарата в значительной степени ионизирован вследствие того, что между контактами только что горела электрическая дуга, а процесс деионизации требует определенного времени. Если напряжение Пдг тах будет больше диэлектрической прочности воздушного промежутка между контактами аппарата, то произойдет пробой этого промежутка и повторное зажигание электрической дуги.
Повторные зажигания могут происходить несколько раз до тех пор, пока процесс деионизации не дойдет до такой стадии, когда диэлектрическая прочность воздушного промежутка Uэл пр станет больше Uдг mах.
Отрицательные последствия повторных зажиганий:

1. увеличение времени горения дуги до нескольких секунд и нарушение четкости отключения цепи;
2. повышенное выделение тепла в аппарате, обгорание дугогасительной камеры и контактов;
3. ионизация окружающего воздуха и возникновение перебросов на заземленные части.

Перенапряжения на дуге вызываются быстрым затуханием потоков рассеяния. Вихревые токи в остове ТЭД снижают величину перенапряжений.
Вольт-амперная характеристика и осциллограмма повторного зажигания дуги приведены на рис. 6.11, а, б.
Для предотвращения повторных зажиганий электрической дуги необходимо:

1. обеспечить быстрое расхождение контактов, т.е. увеличение lдг, это особенно важно для групповых переключателей;
2. снизить ионизацию окружающего воздуха за счет применения воздушного дутья или вентиляции;
3. снизить перенапряжения на дуге за счет уменьшения di/dt в момент обрыва тока; для этого надо уменьшить скорость движения дуги у края дугогасительной камеры, используя дугогасительные решетки;
4. шунтировать дугу резистором.

Рис. 6.11. Повторные зажигания электрической дуги: а — вольт-амперные характеристики; б — осциллограмма

Шунтирование электрической дуги резистором

Схема шунтирования дуги линейным резистором приведена на рис. 6.12, а. Процесс отключения выключателя В описывается системой уравнений:

Выводы:
При шунтировании дуги линейным резистором:

1. энергия, выделяемая в дуге, уменьшается и процесс гашения дуги происходит быстрее;

Рис. 6.12. Гашение дуги, шунтированной линейным резистором (начало): а — электрическая схема; б — вольт-амперная характеристика

Рис. 6.12. Гашение дуги, шунтированной линейным резистором (окончание): в — осциллограммы

Рис. 6.13. Гашение дуги, шунтированной нелинейным резистором: а — электрическая схема; б — вольт-амперная характеристика