(продольного, поперечного и радиального) приводит к перемещению дуги в пространстве и к отклонению потоков плазмы, а воздействие собственного магнитного поля дуги является причиной движения плазмы в самой дуге и создает внутреннее движение ее частиц.
В поперечном магнитном поле (перпендикулярном направлению тока в дуге) с индукцией В дута 3 (рис. 5, б) движется поступательно по параллельным пластинчатым электродам 1 и 5. Под действием поперечного магнитного поля потоки плазмы 2 и 4 отклоняются по направлению движения дуги и средняя часть дуги перемещается к концам потоков плазмы, образуя П-образную петлю. Концы потоков плазмы касаются электродов, образуя новые катодные и анодные пятна, в которых возникают потоки плазмы, а старые пятна исчезают. Таким образом, создается прерывистый режим движения дуги.
В продольном равномерном магнитном поле (направления магнитного поля и тока совпадают) магнитное, поле не оказывает влияния на движение заряженных частиц в дуге и они движутся по силовым линиям электрического поля, не испытывая каких- либо внешних воздействий. Однако в стволе дуги под действием двуполярной диффузии возникает движение заряженных частиц от центра дуги к ее наружной поверхности. Направление движения этих частиц составляет угол 90° с вектором магнитной индукции, и, следовательно, возникает сила (сила Лоренца), действующая на заряженные частицы. Под действием силы Лоренца и силы, вызывающей движение частицы от центра к периферии, частица будет двигаться по криволинейной траектории. Вращение ионов и электронов происходит в противоположных направлениях. Масса ионов во много раз больше массы электронов. Поэтому импульс силы, передаваемый ионами нейтральным атомам, оказывается значительно больше импульса силы, передаваемого электронами, и плазма приходит во вращение, совпадающее по направлению с вращением ионов. Угловая скорость частиц плазмы неодинакова в различных слоях ствола дуги.
Рис. 6. Срез тока
Наибольшее значение она имеет во внутренних слоях ствола и уменьшается по направлению к периферии. Скорость вращательного движения частиц, создаваемая электрическим полем, складывается со скоростью их поступательного движения под действием магнитного поля. В результате частицы будут перемещаться по винтовой линии.
В радиальном магнитном поле, перпендикулярном току в дуге, дуга вращается по окружности в направлении, определяемом известным правилом левой руки. Центром этой окружности является центр магнитного поля, из которого радиально расходятся магнитные силовые линии. Кроме того, дуга вращается вокруг собственной оси. Вращение частиц плазмы вокруг оси дуги и движение их вдоль линий электрического поля приводит к закручиванию дуги в спираль. При вращении дуги в газе вокруг центра магнитного поля создается встречный «ветер». На наружной поверхности дуги (по отношению к центру ее вращения) направление вращения дуги вокруг собственной оси и направление этого ветра противоположны, а на внутренней поверхности дуги эти направления совпадают. Соответственно создаются давления: на наружной поверхности больше, а на внутренней меньше Под действием разности этих давлений возникает сила, перемещающая дугу к центру магнитного поля. Под действием двух сил, направленных перпендикулярно друг другу, дуга перемещается не по окружности, а по спирали, приближаясь к центру магнитного поля.
Срез тока (tcp) —внезапное и резкое изменение тока до нулевого значения в процессе отключения выключателя в момент времени t, отличный от момента естественного перехода тока через нуль (рис. 6). Срез тока возникает в результате наложения на синусоидальный ток промышленной частоты, проходящий через выключатель, тока высокочастотных колебаний. Наибольшие мгновенные значения высокочастотного тока могут превосходить мгновенные значения тока промышленной частоты. При противоположных направлениях высокочастотного тока и тока промышленной частоты возможен нулевой суммарный ток и, следовательно, погасание дуги ранее естественного перехода тока через нуль. В результате в цепи освобождается электромагнитная энергия, пропорциональная квадрату тока среза, которая переходит в электростатическую энергию. Вследствие этого в цепи могут возникнуть высокочастотные колебания напряжения с достаточно большой амплитудой.
Рис. 7. Вольт-амперные характеристики дуги
Высокочастотные колебания обусловлены емкостями С1 и С2, расположенными по ту или другую сторону выключателя, и индуктивностью LK местного контура, связывающего эти емкости. Собственная частота колебаний ВкС-контура
,
где С = С1С2/(С1 + С2), может составить 5—100 кГц. Резкое изменение напряжения на дуге, вызываемое интенсивной деионизацией дугового промежутка, особенно при отключении малых токов, может возбудить в таком контуре высокочастотные колебания. Возможно, что в некоторых случаях возникновению высокочастотных колебаний способствует падающая вольт-амперная характеристика дуги.
Срез тока может происходить и без наложения высокочастотных колебаний, если при отключении выключателем индуктивных токов до нескольких сотен ампер он шунтирован большой емкостью.
Вольт-амперная характеристика дуги и — f(i), представляющая собой зависимость падения напряжения на дуге от тока при постоянной ее длине, является одной из важнейших характеристик дугового разряда и позволяет определить условия гашения дуги, мощность, выделяющуюся в стволе дуги, перенапряжения на дуговом промежутке и т. п. Различают статическую и динамическую вольт-амперные характеристики дуги.
Статическая вольт-амперная характеристика представляет собой зависимость и — f (i), свойственную устойчивому горению дуги постоянной длины при неизменных условиях и весьма медленном изменении тока, когда каждому его значению соответствуют вполне определенные диаметр ствола дуги, температура в нем и ее распределение по радиусу, т. е. вполне определенная для данных условий проводимость (стационарная дуга постоянного тока). Статическая вольт-амперная характеристика в зависимости от условий, в которых горит дуга, может быть следующей (рис. 7).
1. Падающей, когда напряжение на дуге уменьшается при возрастании тока (кривая 4). Это обусловлено тем, что с ростом тока увеличиваются диаметр ствола дуги и его температура. В результате этого проводимость увеличивается настолько, что для проведения все большего тока через дуговой промежуток достаточно все меньшего напряжения.
Кривизна вольт-амперной характеристики зависит от материала электродов, длины дуги, среды, в которой горит дуга, интенсивности внешнего воздействия на дугу и от тока в дуге. С увеличением тока кривая и — /(О вначале очень круто спускается вниз, а затем становится почти параллельной оси тока (кривая 2).
- Падающе-возрастающей, когда сначала с увеличением тока (при малых его значениях) напряжение на дуге уменьшается, а при дальнейшем возрастании тока повышается (кривая 5). Это обусловлено тем, что начиная с некоторого тока увеличивается теплоотвод с поверхности дуги и для ее поддержания требуется все большее напряжение.
- Возрастающей, когда при увеличении тока дуги напряжение на ней увеличивается (кривая /). В этом случае сопротивление дуги остается постоянным или слабо изменяется. Такую характеристику имеет вакуумная дуга.
Если при увеличении тока напряжение на дуге уменьшается, то обычно считают, что дуга имеет отрицательное сопротивление, и наоборот, если при увеличении тока напряжение на дуге возрастает, дуга имеет положительное сопротивление.
Динамическая вольт-амперная характеристика представляет собой зависимость и — f (i) при устойчивом горении дуги постоянной длины и неизменных внешних условиях, но при достаточно быстром изменении тока, когда изменение диаметра ствола дуги и температуры в нем отстает от изменения тока, вследствие чего и проводимость дуги следует за изменением тока с запаздыванием. Поэтому динамические вольт-амперные характеристики не совпадают со статическими, причем отличие тем больше, чем быстрее изменяется ток. Так, току iA на рис, 2-7 соответствует точка А на статической вольт-ампер ной характеристике. При быстром увеличении тока от значения i проводимость дуги в каждый данный момент будет соответствовать какому-то предыдущему (меньшему) току статической характеристики. Поэтому динамическая характеристика расположится выше статической, притом тем выше, чем быстрее изменяется ток. При difdt- (прямая 5) можно считать, что за время изменения тока от iA до h термическое состояние дуги, а значит, и проводимость ее останутся неизменными. Следовательно, в это время дуга ведет себя как металлический проводник, падение напряжения на нем равно Ri. Таким образом, все динамические вольт-амперные характеристики 6 будут располагаться между статической характеристикой 4 и прямой 5, соответствующей di/dt->оо. Аналогичные явления наблюдаются и при быстром уменьшении тока от iб до нуля. К динамическим характеристикам относятся вольт-амперные характеристики дуги в неустановившемся режиме и устойчиво горящей дуги переменного тока. Последняя показана на рис. 8.
При промышленной частоте ток изменяется достаточно быстро.
Рис. 8. Вольт-амперная характеристика дуги переменного тока за один период
Поэтому на возрастающей ветви синусоиды проводимость дуги в каждый данный момент будет соответствовать не данному мгновенному значению тока ί1, а некоторому предыдущему (меньшему) его значению. На спадающей ветви синусоиды проводимость дуги при мгновенном значении тока i2 соответствует предыдущему (большему) значению тока. Поэтому в момент достижения током нулевого значения промежуток сохранит некоторую конечную проводимость, так как в нем сохранится некоторое вполне определенное количество плазмы.
Количество плазмы, оставшейся в промежутке к моменту перехода тока через нуль, зависит от амплитуды отключаемого тока 1т и от условий воздействия на дугу среды, в которой она горит. При большей амплитуде отключаемого тока скорость его изменения при подходе к нулю dl!dit=о — w/m выше, поэтому к моменту перехода тока дуги через нуль в промежутке останется большее количество плазмы, сохранится большая проводимость и, следовательно, большая вероятность возобновления дуги в следующий полупериод.
При слабом воздействии на дугу среды, в которой она горит, например при горении дуги в спокойном воздухе, наблюдается относительно плавное изменение температуры дуги и значительное отставание момента минимальной температуры от момента нуля тока (рис. 9), т. е. такая дуга обладает большой тепловой инерцией.
Рис. 9. Изменение температуры газа в средней части ствола дуги переменного тока в зависимости от внешних воздействий (длина дуги 10 мм, действующее значение тока 25 А, продольное воздушное дутье со скоростью 2 м/с)
Кривая напряжения на дуге по форме незначительно отличается от кривой тока.
Рис. 10. Изменение напряжения дуги в процессе ее гашения
Рис. 11. Переход тока через нуль и восстановление напряжения на дуговом промежутке
При сильном воздействии на дугу, например в случае горения дуги в воздушном потоке, температура дуги и ее диаметр почти синхронно следуют за изменением тока. К моменту перехода тока через нуль температура дуги существенно уменьшается, а дуга представляет собой очень тонкую нить, способную разрушиться за весьма короткий промежуток времени. Кривая напряжения в этом случае принципиально отличается от кривой тока. В конце каждого полупериода тока, при подходе его к нулю, напряжение на дуге возрастает и достигает максимального значения, называемого напряжением гашения дуги Uram (рис. 10); затем напряжение на дуге очень быстро приближается к нулю и в начале следующего периода тока быстро возрастает, изменив полярность (если дуга не погасла), до максимального значения, называемого напряжением зажигания Uзаж. После этого напряжение уменьшается до какого-то минимального значения, а затем снова начинает увеличиваться и к концу полупериода тока достигает напряжения гашения. Однако это напряжение больше напряжения гашения, которое было в предыдущий полупериод, так как за этот полупериод расстояние между контактами увеличилось. Такой процесс изменения напряжения на дуге повторяется в последующие моменты прохождения тока через нуль, пока не произойдет гашение дуги.
Перед переходом тока через нуль (рис. 11) его уменьшение происходит быстрее, чем по синусоидальному закону; непосредственно после перехода через нуль ток возрастает сначала медленно, а затем быстрее.
Таким образом, возникает некоторый промежуток времени, в продолжение которого ток близок к нулю, — так называемая пауза тока. Пауза тока при разрыве высокоиндуктивной цепи составляет примерно 10-4 с, а при малоиндуктивной цепи она существенно больше. Переходы тока через нуль создают благоприятные условия для гашения дуги. Процессу гашения дуги при переходе тока через нуль способствует и то, что электромагнитная энергия, запасенная в цепи, в этот момент равна нулю. Вопрос об окончательном гашении дуги решается в короткое время после перехода тока через нуль в ходе соревнования двух быстропротекающих процессов: нарастания напряжения на дуговом промежутке ивс и нарастания условной электрической прочности последнего иа.п.
Если не учитывать взаимодействия между выключателем и сетью и наоборот, то первый процесс — изменения напряжения на дуговом промежутке — определяется параметрами цепи, в которой установлен выключатель.
