Задача конструирования дугогасительного устройства (ДГУ) состоит в том, чтобы обеспечить гашение дуги за малое время с допустимым уровнем перенапряжений, при минимальном объеме раскаленных газов и износе частей аппарата, с минимальным звуковым, тепловым и световым эффектами.

Гашение электрической дуги обеспечивается увеличением ее электрического сопротивления, снижением тока до критических значений и рассеянием остаточного газоразрядного канала.

Для гашения дуги постоянного тока стремятся повысить напряжение на дуге (и ее сопротивление) или путем ее растяжения, или путем повышения напряженности электрического поля в дуговом столбе, а чаще всего – одновременно тем и другим путем. Также можно добиваться увеличения суммы падений напряжений у электродов (U_A +U_K).

Последнее достигается увеличением количества металлических электродов, разбивающих дугу на ряд коротких дуг. Увеличение напряженности в столбе дуги достигается путем эффективного охлаждения дуги и подъема давления среды, в которой она горит. Охлаждение дуги можно создать за счет перемещения дуги в воздухе или газе, за счет их перемещения относительно дуги либо размещения дуги в узкой щели, стенки которой имеют высокую теплопроводность и дугостойкость.

Простейший способ гашения дуги – механическое растяжение столба дуги. При небольших токах (примерно до 10 А) дуга 1 (рис. 16, а) растягивается между контактами на длину l и не выходит из межконтактного промежутка. При значительных токах столб дуги 2 (рис. 16, а) выдувается вверх под действием сил, вызываемых тепловыми потоками, или сил электродинамического взаимодействия тока дуги Д на участке бв с токами в токоведущих элементах аб и вг. В таких устройствах гасится свободная (открытая) дуга.

Широко применяются дугогасительные решетки (рис. 16, б), набранные из стальных пластин П, на которые выдувается электрическая дуга. Пластины, разбившие столб дуги на ряд коротких дуг 1-6, являются своеобразными радиаторами, интенсивно их охлаждающими.

Весьма часто в ДГУ постоянного тока применяют магнитное дутье (рис. 16, в), т.е. создают в зоне горения дуги поперечное магнитное поле, которое увеличивает скорость перемещения (и растяжения) дуги и способствует вхождению столба дуги в узкие щели между изоляционными стенками (рис. 16, г). Магнитное поле может быть создано обмотками, обтекаемыми отключаемым током (последовательное магнитное дутье), параллельными обмотками или постоянными магнитами.

Описанные ДГУ применяются в аппаратах низкого напряжения.

В аппаратах высокого напряжения используют более интенсивные способы воздействия на столб дуги.

а)	б)	в)	г)
Рис. 16. ДГУ низкого напряжения

При гашении дуги в трансформаторном масле (рис. 17, а) дуга (Д) разлагает масло (М) и образуется газопаровой пузырь (ГП), обладающий высокой теплопроводностью. Возникающее бурное перемешивание смеси из масла, его паров и газов обусловливает гашение дуги.

а)	б)	в)	г)
Рис. 17. ДГУ высокого напряжения

Поток сжатого воздуха (рис. 17, б), воздействующий на дугу, интенсивно ее охлаждает и растягивает столб, особенно если на пути находятся изолирующие перегородки.

Для гашения дуги можно использовать эффект выделения газов (рис. 17, в) из некоторых материалов. Дуга, соприкасаясь с фибровой трубкой (ФТ), дает поток газов, который охлаждает и гасит дугу.

В герметизированных ДГУ (рис. 17, г) дугогасящей средой является элегаз или вакуум. Хорошие дугогасящие свойства элегаза определяются его высокой теплоотводящей способностью и спецификой химических реакций в условиях гашения дуги. Резкое снижение концентрации газовых частиц в вакууме снижает возможность возникновения носителей тока (электронов и ионов). В результате пробивные напряжения промежутков в вакууме повышаются в 4-5 раз в сравнении с воздухом при атмосферном давлении. При прохождении переменного тока через нуль возможность для переноса тока исчезает и дуга гасится. Способ гашения электрической дуги, связанный с интенсивным охлаждением столба дуги в потоках сжатого газа, широко применяется в ДГУ воздушного или элегазового дутья выключателей переменного тока высокого и сверхвысокого напряжения.

Полное исключение дуги достигается в бесконтактных аппаратах, широкое распространение среди которых нашли полупроводниковые аппараты.

Примеры решения задач

Пример 1. Определить энергию, поглощенную дугой постоянного тока при её гашении, если напряжение источника U = 200 В, сопротивление R = 1 Ом, индуктивность L =100 мГн, время угасания дуги t_д = 0,1 с, спад тока происходит по прямой.

Решение. Исходя из уравнения равновесия напряжений при гашении дуги постоянного тока U_д = iR + u + Ldi / dt, получаем выражение энергии дуги

По условию задачи ток в зависимости от времени спадает по прямой линии, т.е.

Тогда

Ответ: A_д = 2667 Дж.

Пример 2. Определить время угасания дуги постоянного тока, если индуктивность цепи L = 0,1 ∙ 10^-3 Гн, перенапряжение ΔU = 30 В остается величиной постоянной, напряжение источника U = 400 В, сопротивление цепи R = 2 Ом.

Решение. Установившийся ток цепи I = U / R = 400 / 2 = 200 А.

Из выражения для перенапряжения ΔU = ‒Ldi / dt определим время угасания дуги по формуле (20):

Ответ: t_д = 0,67 ∙10^-3 с.

Пример 3. Определить критическую длину дуги постоянного тока и критический ток дуги для цепи с общим сопротивлением R =1,2 Ом при напряжении источника U = 400 В. Выражение вольт-амперной характеристики имеет вид U _д = Ci ^{- a} l, где C = 80, a = 0,5.

Решение. Из выражения для вольт-амперной характеристики определяем критические значения длины и тока дуги по формулам (23), (22):

= 35 см

Ответ: l_кр = 35 см; i_кр =111 А.

Пример 4. Определить возможное напряжение в цепи постоянного тока, если происходит её размыкание без дуги, при условии, что к зажимам индуктивности L = 1,5 Гн подключена ёмкость C = 0,1 мкФ. Ток в цепи I = 20 А.

Решение. Если пренебречь активным сопротивлением цепи, то ожидаемое напряжение может быть определено из условия, что вся электромагнитная энергия переходит в электростатическую LI² / 2 = CU² / 2, откуда

= 77460 В

Ответ: U = 77460 В.

Пример 5. Определить число стальных пластин в дугогасительной решетке, учитывая, что прочность должна нарастать во времени и увеличиться в два раза по сравнению с начальной величиной через 100 мкс.

Действующее значение напряжения U = 600 В. Напряжение восстанавливается с частотой f₀ = 5000 Гц. Коэффициент превышения амплитуды K = 1,4. Начальное расчетное пробивное напряжение единичного промежутка U_пр1 =120 В.

Решение. Амплитуда восстанавливающегося напряжения определяется по формуле:

Через 100 мкс пробивное напряжение единичного промежутка составит

Полупериод собственной частоты

Таким образом, через 100 мкс пробивное напряжение единичного промежутка составляет 240 В, а амплитуда восстанавливающегося напряжения – 1188 В.

Число пластин в дугогасительной решетке (при 20 %-м запасе)

Ответ: m = 6.

Пример 6. Определить частоту собственных колебаний восстанавливающегося напряжения выключателя, декремент затухания колебаний и коэффициент превышения амплитуды при условии, что индуктивное сопротивление контура x = ωL = 30 Ом, емкость C = 20000 пФ, активное сопротивление R = 400 Ом, шунтирующее контакты сопротивление r = ∞, частота напряжения питания f = 50 Гц.

Решение. Индуктивность контура L = x / ω = 30 / 314 = 0,0955 Гн.

Процесс восстановления напряжения будет колебательным, так как

Угловая частота колебаний восстанавливающегося напряжения

Частота собственных колебаний восстанавливающегося напряжения

Декремент затухания при r = ∞

Коэффициент превышения амплитуды по формуле (2.20)

Ответ: f ₀ = 3662,4 Гц, a = ‒2105 1/с, K = 1,75.