Рассмотрим процесс гашения дуги в цепи с большой индуктивностью .В момент расхождения контактов (МРК) дуга загорается и напряжение на дуге меняется так же как на рисунке. 4.9.

Рис 4.9. Отключение индуктивной нагрузки переменного тока.

В точке о дуга гаснет. Благодаря процессу деионизации в дугогасительном устройстве диэлектрическая прочность восстанавливается по кривой . К промежутку при этом прикладывается восстанавливающееся напряжения Uв. Данный случай принципиально отличается от предыдущего поскольку в момент погасания дуги в точке о напряжение на источнике близко в амплитудному. Поэтому восстанавливающееся напряжение растет с большой скоростью. В точке С восстанавливающееся напряжение становиться выше электрической прочности и происходит пробой, дуга загорается вновь. Дуга горит еще пол периода и снова гаснет в точке о'. Напряжение восстанавливается по кривой U'в, а электрическая прочность восстанавливается по кривой a' 1'. В точке с' снова происходит пробой, дуга загорается вновь. В точке о'' дуга снова гаснет и снова начинается процесс восстановления напряжения по кривой U''в и нарастание электрической прочности по кривой a'' 1''. Поскольку длина дуги увеличилась, контакты начинают расходиться то кривая электрической прочности а'' 1'' становиться выше кривой U''в. Пробоя не происходит дуга гаснет. Восстанавливающееся напряжение при этом может превысить напряжение источника, те происходит перенапряжение, а потом оно затухает до величины напряжения источника.

При гашении дуги переменного тока одним из решающих факторов является восстанавливающееся напряжение. Для погашения дуги с ростом скорости восстановления напряжения необходимо увеличивать скорость нарастания электрической прочности. В противном случае либо увеличивается длительность горения дуги, либо аппарат не сможет погасить дугу и отключить цепь. Избежать этого можно: увеличением скорости нарастания электрической прочности, снижением скорости восстановления напряжения. Второй способ используется чаще и для снижения скорости восстановления напряжения используется низкоомные и высокоомные шунты.

4.5. Факторы, определяющие процесс восстановления напряжения.

В процессе гашения число заряженных частиц в области дугового промежутка уменьшается, и его сопротивление после гашения резко возрастает. При этом возрастает и электрическая прочность промежутка, то есть напряжение, при котором происходит его электрический пробой. После того как электрическая дуга гаснет, к промежутку прикладывается восстанавливающее напряжение Uв, создаваемое источником. Это напряжение является одним из решающих факторов при гашении дуги переменного тока как низкого, так и высокого напряжения. Для оценки кривой восстанавливающего напряжения (рисунок 4.10), вводится понятие скорости нарастания этого напряжения:

,

Восстанавливающее напряжение часто оценивается собственной частотой  и коэффициентом пика , который определяется индуктивностью и ёмкостью цепи.

      Рис. 4.10 Динамические характеристики дуги переменного тока

  Рис. 4.11 Восстанавливающие напряжения: 1 – допустимое значение восстанавливающего напряжения; 2 – восстанавливающее напряжение в месте установки выключателя

    4.6. Отключение цепей при наличии шунтов

Возрастание скорости восстановления напряжения приводит к тяжелым режимам работы отключающих аппаратов. Облегчить эти режимы можно либо увеличением скорости нарастания электрической прочности в ДУ, либо искусственным снижением скорости восстановления напряжения. Второй путь более экономичен и в настоящее время широко используется. Для снижения скорости восстановления напряжения применяются низкоомные и высокоомные шунты. [2]

        Рассмотрим принцип действия низкоомного шунта (рис. 4.12).

Рис. 4.12.Применение низкоомного шунта

 Рис.4.13. Процесс восстановления напряжения при наличии и отсутствии шунта.

Выключающий аппарат имеет два разрыва. Разрыв 1 шунтирован резистором R_ш. Сопротивление R_ш выбирается так, чтобы колебательный процесс восстановления напряжения перевести в апериодический. Для этого необходимо соблюдать неравенство  корень L/Cэк. Обычно сопротивление Rш так мало, что влиянием С_эк можно пренебречь Тогда . Процесс восстановления напряжения при наличии шунта и без него показан на рис. 4.13. Наибольшая скорость, В/мкс, имеет место при t = 0.

Шунтирующий резистор с малым сопротивлением позволяет настолько снизить скорость восстановления напряжения, что гашение дуги в первом разрыве практически не будет зависеть от собственной частоты сети. Возможный максимальный пик восстанавливающегося напряжения при этом уменьшается примерно в 2 раза. Для снижения скорости восстановления напряжения на первом разрыве желательно иметь возможно малое значение Rш. Как правило, дуга в разрыве 1 гаснет при первом прохождении тока через нуль. После этого расходятся контакты разрыва 2 (см. рис. 4.12) и между ними загорается дуга. Резистор R_ш облегчает работу и этого разрыва, так как его введение в цепь уменьшает ток и сдвиг фаз между током и напряжением источника, что снижает восстанавливающееся напряжение промышленной частоты. Шунтирующие резисторы с малым сопротивлением применяются в выключателях на все классы напряжения, особенно при напряжениях до 35 кВ, где токи отключения достигают больших значений. При напряжении более 35 кВ применяются многократные разрывы. Восстанавливающееся напряжение промышленной частоты, приходящееся на один разрыв, уменьшается пропорционально числу разрывов. Соответственно уменьшается и скорость восстановления напряжения. Емкостное сопротивление между всеми контактами практически одинаково, но токи, текущие через разрывы, различны ввиду наличия емкостей элементов аппарата относительно земли  (рис. 4.14). Это создает неравномерность напряжения по разрывам. С ростом числа разрывов эта неравномерность увеличивается. Для выравнивания напряжения по разрывам применяют емкостные шунты . При  токами  текущими через паразитные емкости на землю, можно пренебречь. При этом напряжение делится поровну между разрывами.

Рис.4.14. Выравнивающее напряжение по разрывам выключателя с помощью шунтирующего выключателя.

 4.7. Отключение короткой дуги переменного тока

К моменту прохождения тока через нуль промежуток между электродами заполнен сильно ионизированным газом. Под действием восстанавливающегося напряжения образуется электрическое поле, которое действует на ионы и электроны. Из-за малой массы скорость электронов в электрическом поле примерно в 2000 раз больше скорости положительных ионов. Электроны, обладающие большой скоростью, быстро уходят из зоны катода, и около катода появляется положительный объемный заряд. Благодаря высокой проводимости остальной части промежутка, в которой положительные и отрицательные ионы взаимно уравновешиваются, почти все напряжение, подведенное к электродам, прикладывается к области положительного объемного заряда у катода. В этой области возникает очень высокая напряженность поля Е_П достигающая 30 000 кВ/м.

Примерная картина распределения зарядов в объеме, напряженности электрического поля Еп и напряжения на промежутке и представлена на рис. 4.7.1, где d — толщина слоя положительного объемного заряда, расположенного у катода; Uп — напряжение, приложенное к электродам. Для того чтобы дуга загорелась вновь, необходимо, чтобы из катода было получено соответствующее количество основных носителей тока в дуге — электронов. Если катод не нагрет до температуры, при которой начинается термоэмиссия, то необходимое количество электронов может быть получено только за счет автоэлектронной эмиссии. Последняя возможна при напряженности поля примерно 30 000 кВ/м (при медных электродах).

Рис. 4.15. К анализу процессов в короткой дуге переменного тока: a — распределение зарядов в дуговом промежутке, б и в — зависимости электрической напряженности и разности потенциал лов от положения точки в дуговом разряде

Расчеты показывают, что такая напряженность поля получается при  напряжении на промежутке 250 В. Если напряжение меньшие, то дуга гаснет. При сильно нагретых электродах часть электронов с катода получется за счет термоэмиссии и напряжение, необходимое для начала разряда, снижается до 160—170 В. Прочность промежутка после прохождения тока через нуль сильно зависит от материала электродов и при электродах достигает 320 В. Исследования показали , что электрическая прочность, возникающая около катода, в значительной степени зависит от нагрева точки дуги При холодных электродах эта прочность приближается к указанному выше значению (250 В) и имеет место при небольших токах и быстром перемещении дуги по электродам. При токах примерно сотни ампер даже при быстром перемещении дуги по электродам из-за термоэлектронной эмиссии прочность падает до 140 В при медных электродах. При токах более 100 А и неподвижных опорных точках дуги прочность снижается до 40—60 В. При токах КЗ она снижается до околоэлектродного падения напряжения (20—30 В), Явление образования околокатодной прочности открыто Слепяном и в настоящее время широко используется для гашения дуги в дугогасящих решетках аппаратов низкого напряжения. Дуга разбивается на ряд коротких дуг с помощью металлических электродов. После прохождения тока через нуль результирующая электрическая прочность равна сумме всех околокатодных прочностей. Если результирующая прочность больше пика восстанавливающегося, напряжения, то дуга гаснет при первом же прохождении тока через нуль.

 
4.8. Отключение цепей с повышенной частотой тока

Аппараты низкого напряжения изготовляются для переменного тока повышенной частоты 400 - 500 Гц, а также 2,5-10 кГц (закалочные установки). В последнем случае частота колебательного процесса при восстановлении напряжения на дуговом промежутке оказывается того же порядка, что и частота тока. Здесь уже нельзя считать ЭДС источника питания неизменной за время переходного процесса. Близкое совпадение частот источника питания и собственных колебаний существенно меняет характер переходных процессов. Если при промышленной частоте отключение индуктивного контура (φ - 90°) оказывалось тяжелее, чем отключение активного контура (φ -> 0), то при повышенной частоте отключение активного контура осуществляется труднее, нежели индуктивного контура.

При гашении дуги в индуктивном контуре промышленной частоты напряжение на дуговом промежутке может достигнуть 2Е_т. При гашении дуги в активном контуре повышенной частоты напряжение не может превзойти величины Е_т. Этим при прочих равных условиях облегчается гашение высокочастотной дуги по сравнению с дугой промышленной частоты.

Существуют, однако, и факторы, ухудшающие условия гашения дуги повышенной частоты. При промышленной частоте температура дугового промежутка при переходе тока через нуль успевает упасть на 30-50%, что способствует интенсификации процессов деионизации. При дуге повышенной частоты существенного снижения температуры дугового промежутка при переходе тока через нуль не происходит. Если не учитывать явлений у катода при переходе тока через нуль, то условия гашения дуги повышенной частоты (λ- 10 кГц) приближаются к условиям гашения дуги постоянного тока.