Восстановление электрической прочности дугового промежутка после прохождения тока через нуль

Процесс восстановления электрической прочности дугового промежутка после прохождения тока через нуль определяется конструкцией выключателя и его главного элемента — дугогасительного устройства, свойствами среды, используемой для гашения дуги, и т. д.
Типичная конструкция такого устройства с двухсторонним газовым дутьем показана на рис. 1. Пространство перед входом в сопла заполнено газом высокого давления. Выхлоп каждого сопла 3 сообщается с областью низкого давления. Вследствие разности давлений возникает газовый поток, направленный симметрично в обе стороны. Опорные точки дуги /, возникающей при разведении сопл (контактов), смещаются потоком газа в полость сопла. Высокая температура ствола дуги обусловливает его большую проводимость, весьма малую плотность плазмы в нем и, следовательно, высокую ее скорость, достигающую многих тысяч метров в секунду. Из-за разности скоростей плазмы дуги и холодного газа на границе раздела возникает турбулентность. Вследствие того что часть энергии, излучаемой дугой, поглощается холодным газом, окружающим дугу, вокруг нее образуется пограничный газовый слой 2. Этот слой и турбулентность оказывают существенное влияние на процесс гашения дуги.
Для успешного гашения электрической дуги необходимо, чтобы после перехода тока через нуль восстанавливающаяся электрическая прочность промежутка росла быстрее и была все время выше восстанавливающегося напряжения. Для этого необходимо превратить дуговой промежуток из проводящего в непроводящий путем быстрого снижения температуры ствола дуги (со скоростью
порядка 100 К/с) в околонулевой области. Непроводящее состояние газа, в котором горела дуга, наступит тогда, когда число электронов в единице объема остаточной плазмы снизится примерно до 109 1/смэ.

Рис. 1. Схема охлаждения дуги
Электрическая прочность промежутка, восстанавливающаяся после перехода тока через нуль, определяется процессами распада плазмы, содержащейся в стволе дуги. Эти процессы начинаются еще до перехода тока через нуль. Их интенсивность определяется степенью воздействия среды на ствол дуги. Именно от степени воздействия гасящей среды на дугу до перехода тока через нуль зависит количество плазмы, остающейся в промежутке к этому моменту. От количества же оставшейся плазмы существенным образом зависит скорость исчезновения проводимости после перехода тока через нуль, т. е. восстановление электрической прочности промежутка.
Процесс отключения цепи условно можно разделить на три этапа. Первый этап — протекание через дуговой промежуток большого тока, близкого к амплитуде 1т. При этом сопротивление ствола дуги и напряжение на нем малы. Ток определяется исключительно напряжением сети. Дуга заполняет значительную часть сопла, и контакты (сопло) подвергаются наиболее интенсивному разрушающему воздействию со стороны дуги. Воздействие потока газа на дугу не особенно эффективно. Второй этап — активное взаимодействие потока газа с дугой — начинается незадолго до перехода тока через нуль и заканчивается очень быстро после перехода. Незадолго до перехода тока через нуль сопротивление дугового промежутка может оказаться настолько большим, что сеть будет определять не ток в дуге, а напряжение на дуговом промежутке. Третий этап наступает после прохождения тока через нуль. Произойдет ли при этом погасание дуги или ее повторное зажигание, зависит от баланса энергии в стволе дуги в течение рассматриваемого этапа, длительность которого иногда ограничивается несколькими микросекундами.
При установившемся режиме горения дуги мощность, подводимая к стволу дуга, полностью отводится в окружающее пространство теплопроводностью, турбулентной конвекцией и излучением. Таким образом, энергетический баланс дуги для установившегося режима выражается равенством EI — N0 = 0, где N0 — мощность, отводимая от единицы длины ствола дуги.
В неустановившемся режиме при возрастании переменного тока энтальпия Q в единице длины ствола дуги увеличивается, а при снижении тока от амплитудного значения — уменьшается. Энтальпия Q включает в себя тепловую энергию, энергию возбуждения, ионизации и диссоциации газа.
В ряде выключателей гашение дуги происходит в интенсивном потоке газа, в котором рассеяние энергии осуществляется всеми видами теплоотвода, причем количественно определить роль каждого из них, как правило, не представляется возможным. Отчасти это связано со взаимодействием между различными процессами. Сильный поток газа будет, например, влиять на давление в дуге, а следовательно, и на потери энергии на излучение. Поток газа оказывает влияние на форму ствола дуги, а значит, и на распределение в нем температуры, с которой связано рассеяние энергии за счет теплопроводности.
Теоретический анализ, который в общем случае позволял бы определять влияние того или иного вида рассеяния энергии, связан с большими трудностями. Пока не представляется возможным достаточно надежно рассчитать дугогасительную способность выключателей. Поэтому окончательные размеры ДУ выбираются на основании экспериментов.