Дуга переменного тока. 
Понятия «восстанавливающаяся прочность» и «переходное восстанавливающееся напряжение»

Одночастотная схема замещения отключаемой цепи переменного тока при наличии коммутационного аппарата К с дугой представлена на рис. 8.12.

Основными элементами схемы замещения являются: источник напряжения u (t); активное R и индуктивное L сопротивления нагрузки и соединительных проводов; шунтирующее дуговой промежуток активное сопротивление R_m, которое представляет собой сопротивление утечки по изоляции, остаточное сопротивление дуги и (или) дополнительное сопротивление, включенное параллельно дуговому промежутку для облегчения процессов коммутации; приведенная емкость С электрической цепи (проводов, контактного промежутка аппарата и др.).

Рис. 8.11. Процесс отключения цепи постоянного тока при различной длительности горения дуги (t_i 2).

Рис. 8.12. Схема замещения отключаемой цепи с коммутационным аппаратом К.

Соотношения различных элементов схемы замещения R — L — С определяются как параметрами отключаемой цепи, так и параметрами коммутационного аппарата.

Зная закон изменения напряжения источника u (t) и динамическую вольт-амперную характеристику и_я(г) электрической дуги коммутационного аппарата, систему уравнений переходного процесса в цепи можно представить в виде

При отключении цепи переменного тока процесс соревнования электрической прочности межконтактного промежутка и_{ъ п} и приложенного к промежутку напряжения источника u (t), которое пытается пробить его, иоддерживая горение дуги, начинается также сразу после начала расхождения контактов.

Рассмотрим в динамике соревновательный процесс между и_ъп и и (?) на примере отключения цепи низкого напряжения, когда характер явлений в дуговом промежутке оказывает влияние на отключаемую цепь (рис. 8.13).

Рис. 8.13. Процесс отключения цепи переменного тока.

С момента размыкания контактов (МРК) растет сопротивление дуги Я_д, и напряжение на дуге и_я начинает постепенно возрастать (рис. 8.13). В момент t_{ первого перехода тока через нуль запасенная в цепи электромагнитная энергия близка к нулю и создаются благоприятные условия для гашения дуги и восстановления напряжения на ее контактах после перехода тока через нуль. Начинается попытка восстановления напряжения, но промежуток еще не набрал требуемой диэлектрической прочности и пробивается при напряжении зажигания Е/' = Е/_{в п}. Рост межконтактного промежутка продолжается, электрическая дуга охлаждается, что приводит к росту сопротивления /?_д дуги, которое начинает оказывать влияние на общее активное сопротивление цепи путем снижения амплитудного значения тока /₃ < /₂ < 7) и изменения угла условного сдвига фаз между током и напряжением ф₃ < ср₂ < cpj. При втором переходе тока через нуль t₂ прочность промежутка достигает большего значения, но пусть она еще недостаточна, чтобы выдержать приложенное напряжение, хотя при этом U" =U_BU >U'₃. На рост прочности промежутка оказывает влияние и снижение тока дуги (за счет роста сопротивления дуги), а уменьшение условного сдвига фаз между током и напряжением понижает мгновенное значение восстанавливающегося напряжения и скорость его нарастания. Все эго оказывает благоприятное влияние на соотношение и_вп и и_в в следующий момент Е₃ перехода тока через нуль. На рис. 8.13 показан такой вариант, когда выполняются условия гашения дуги в третий нуль тока Е₃. И хотя дуговой столб разрушается, промежуток может еще сохранять остаточную проводимость, присущую некоторым стадиям дугового разряда. В этом случае протекает остаточный ток /_ост, который может оказывать влияние на процесс успешного отключения цепи.

На практике, используя совершенные контактно-дугогасительные системы, стараются создать такие условия, при которых дуга гаснет в первых же нуль тока.

В цепях переменного тока высокого напряжения влиянием параметров дуги (Л_д) на отключаемую цепь можно пренебречь ввиду их незначительности, что существенно утяжеляет сам процесс отключения цепи.

Принято условия успешного гашения дуги переменного тока формулировать так: дуга переменного тока будет погашена, если за переходом тока через нулевое значение кривая восстанавливающейся прочности межконтактного промежутка аппарата будет лежать выше кривой переходного восстанавливающегося напряжения на этом промежутке.

Восстанавливающаяся электрическая прочность промежутка формируется самим аппаратом, его контактно-дугогасительной системой и определяется максимальным напряжением, которое способен выдержать межконтактный промежуток без пробоя. В контактных аппаратах переменного тока рост прочности за переходом тока через нуль наблюдается в течение нескольких десятков или сотен микросекунд. В то время как в бесконтактных аппаратах электрическая прочность (например обратное напряжение на тиристоре) восстанавливается за 10—20 мкс после перехода тока через нуль.

На восстанавливающуюся прочность оказывают влияния среда, в которой существует дуга, интенсивность воздействия на дугу (системы дугогашения), материал контактов и другие внутренние особенности аппарата. Величина приложенного напряжения источника также влияет на прочность промежутка и может существенно его изменить. В любом случае, восстанавливающееся напряжение во многом определяется самим дугогасительным устройством и за счет его совершенствования может быть повышено.

Оценка восстанавливающегося напряжения в настоящее время в основном проводится адаптивными методами, на основе анализа большого количества экспериментальных данных. Большой вклад в разработку таких методов внес профессор И. С. Таев.

Теоретически можно описать изменение восстанавливающейся прочность после перехода тока через нуль следующей зависимостью:

где U"_n — начальная восстанавливающаяся прочность, В; л_вп — скорость роста прочности, В/с.

Оценить эти параметры можно, например, по одной из эмпирических формул, предложенных в работе [2J:

На рис. 8.14 приведена качественная зависимость и_{в п} = f (t).

Рис. 8.14. Схематичное изображение гашения электрической дуги:

• 1 — восстанавливающаяся прочность; ПВН на контактах аппарата:
• 2 — колебательный процесс; 3 — апериодический процесс

После перехода тока через нулевое значение ионизация, существовавшая в стволе дуги (плазма дуги), исчезает не сразу, и температура остаточного ствола дуги и остаточный ток /_ост, протекающий в нем, хотя и спадает быстро, оказывает влияние на состояние электрической прочности промежутка и пробивное напряжение.

Переходное восстанавливающееся напряжение (ПВН) в полной степени определяется параметрами источника питания и электрической цепью, в которой находится аппарат.

Поэтому предварительно необходимо определить параметры схемы замещения электрической цепи с коммутационным аппаратом (см. рис. 8.12):

Здесь/₀ — собственная частота колебаний ПВН, Гц.

Оценить ее можно, используя эмпирическую зависимость, предложенную в работе [2]:

где 2000 — мягкая цепь (кабельная); 2600 — жесткая цепь (воздушная).

Колебательный процесс восстановления напряжения значительно опаснее, чем апериодический (см. рис. 8.14). Это обусловлено высокой скоростью роста ПВН в начале процесса ее восстановления и высоким уровнем максимального значения ?/_втах, которого оно достигает. Это может вызвать пробой межконтактного промежутка, если его прочность ниже ПВН. Средняя скорость восстановления напряжения

где К._Л = ^^ц шах — коэффициент амплитуды (обычно /С_а ~ 1,1−5-1,5); /₀ — U г

в [Гц]; U_r— мгновенное значение напряжения источника U_c в момент перехода тока через нуль, в [В].

Первый максимум восстановления напряжения наступает.

Чтобы снизить скорость восстановления напряжения и его максимальное значение, необходимо перевести ПВН из колебательного процесса в апериодический. Условием такого перевода является неравенство

где R_m и R_OCT — соответственно, дополнительное шунтирующее сопротивление (см. рис. 8.12), остаточное сопротивление дуги после перехода тока через нуль, вызванное продуктами распада дуги.

Если условие (8.16) выполняется, процесс изменения ПВН становится апериодическим, что может облегчить условие успешного гашения дуги (см. рис. 8.14).

Напряжение на контактах аппарата восстанавливается до уровня мгновенного значения напряжения источника U_r в момент перехода тока через нуль. Поскольку процесс восстановления напряжения длится единицы сотни микросекунд, U_rпосле нуля тока остается практически постоянным и определяется как

где К_сх — коэффициент схемы, который зависит от вида коммутируемой цепи: К_сх = V3 — для линейного напряжения; К_сх= 1 — фазного; К_сх = 1,5 — при отключении трехфазной цепи.

Таким образом, предварительно рассчитав параметры схемы замещения коммутируемой цепи и ПВН, можно рассчитать восстанавливающееся напряжение на контактах для двух режимов восстановления:

— апериодического процесса ПВН.

• 214
• — колебательного процесса ПВН

Вышеизложенное проиллюстрировано на рис. 8.14, где показано, что перевод процесса ПВН в апериодический режим (кривая 3) обеспечивает успешное гашение электрической дуги (см. также пример 2, параграф 8.4).