6. NADPRĄDOWA, PODNAPIĘCIOWA l NADNAPIĘCIOWA OCHRONA URZĄDZEŃ ELEKTRYCZNYCH 1

6. NADPRĄDOWA, PODNAPIĘCIOWA l NADNAPIĘCIOWA OCHRONA URZĄDZEŃ ELEKTRYCZNYCH

¹

6.1. ELEKTRYCZNY ŁUK ŁĄCZENIOWY

Wyładowania łukowe zachodzące w lampach wyładowczych, spawarkach elektrycznych czy elektrycznych piecach łukowych mają charakter stacjonarny. Proces wydzielania światła i ciepła jest w tych urządzeniach procesem długotrwałym, zachodzącym praktycznie ze stałą intensywnością w długich przedziałach czasu.

Inaczej rzecz się ma w przypadku łuku elektrycznego powstającego w łącznikach zestykowych (między rozchodzącymi się stykami) i w bezpiecznikach topikowych (w strefie rozpadu topika) - przy wyłączaniu prądów w obwodach energoelektrycznych. Łuk ten musi być szybko zgaszony, gdyż wydziela się w nim duża moc cieplna, która po pewnym czasie doprowadziłaby do zniszczenia aparatu. Może się to zdarzać przy niewłaściwym doborze aparatów do warunków zwarciowych występujących w obwodzie. Wartości prądu zwarciowego oraz napięcia międzyzaciskowego (przejściowego napięcia powrotnego) mogą, przy wyłączaniu zwarcia w takim obwodzie, przekroczyć - właściwe tym wielkościom - wartości znamionowe aparatu.

Rys. 6.1. Siły elektrodynamiczne mikropowierzchniowe (a) oraz wynikające ze struktury geometrycznej zestyków (b) - efekt zakrzywienia linii (rurek) prądu

Łuk elektryczny może występować w każdym z trzech rodzajów pracy łączników zestykowych: załączeniowej, przepustowej oraz wyłączeniowej, a w przypadku bezpiecz- ników - jedynie przy pracy wyłączeniowej. Przy pracy załączeniowej łuk elektryczny zapala się na chwilę przed zetknięciem styków (tylko w łącznikach wysokiego napięcia) i w czasie odskoków sprężystych, inaczej pierwotnych (pochodzących od zderzeń styków), oraz wtórnych (od zderzeń innych części aparatu) i elektrodynamicznych (rys. 6.1; siła Fed

zmienia się ze zmianami wartości prądu), natomiast przy pracy przepustowej - tylko w czasie

1 Literatura do tego rozdziału: [5, 6, 7, 10, 12, 15, 18, 19, 20, 24].

się ciąg zjawisk, szybko po sobie następujących. Osłabienie siły docisku styków (poprzedza- jące wystąpienie przerwy między nimi) powoduje zwiększenie rezystancji zestykowej, a wraz z nią - ciepła wydzielanego przez prąd w miejscach styczności. W efekcie gwałtownego nagrzania powierzchni styków, wydzielają się z nich pary metali i pojawia się emisja elektronów. W chwili rozłączenia się mikropowierzchni styków, między najbliżej położonymi wierzchołkami nierówności występuje bardzo silne pole elektryczne. Inicjuje ono jonizację zderzeniową w parach metali, które - jak wiadomo - charakteryzuje niski potencjał jonizacyjny. Proces jonizacji przechodzi wnet w lawinowy i, obejmując całą przestrzeń międzystykową, doprowadza do zapalenia krótkiego łuku między stykami. Zazwyczaj, wraz z oddaleniem się styków (na odległość paru mm), łuk krótki przechodzi w łuk długi i wówczas dopiero podlega gaszeniu.

Rys. 6.2. Schemat kanału łukowego, rozkład napięcia i prądu łuku wzdłuż kanału

Kanał łukowy składa się ze stref przyelektrodowych (katodowej i anodowej), kolumny łukowej (inaczej: słupa łukowego) i stref przejściowych między strefami przyelektrodowymi a kolumną łukową (rys. 6.2). W strefie przejściowej, przy granicy ze strefą katodową, można jeszcze wyróżnić strefę jonizacji.

Wymienione strefy mają następujące grubości: katodowa rzędu 10^-4÷10^-3 mm, anodowa - 10^-3÷10^-2 mm, jonizacji - 10^-2÷10^-1 mm, przejściowe - paru mm; pozostałą część kanału zajmuje kolumna łukowa (pojawienie się jej oznacza przejście od łuku krótkiego do łuku długiego). Średnica kolumny łukowej jest rzędu kilku mm; w strefach przejściowych kanał ulega przewężeniu, osiągając w pobliżu elektrod średnice rzędu ułamków mm (plamka katodowa i anodowa).

Koncentracja ładunków w kanale łukowym nie jest równomierna. W strefie katodowej występuje przewaga ładunków (jonów) dodatnich, a w anodowej - ładunków ujemnych (elektronów). Efektem tego są bardzo silne pola elektryczne w pobliżu elektrod oraz znaczne spadki napięć: katodowy 8÷20 V, anodowy 2÷6 V. Ruch cząstek naładowanych zostaje więc w strefach przyelektrodowych silnie przyspieszony. Duże prędkości, uzyskiwane przez jony bombardujące katodę, zwiększają zdolność emisji termicznej elektronów. Duże prędkości, uzyskiwane przez elektrony w strefie anodowej, zwiększają intensywność tworzenia jonów, które są niezbędne do podtrzymania wyładowania w kolumnie łukowej. Podgrzewanie katody przez padające na nią jony, oraz anody - przez wchodzące w nią elektrony, wywołuje przy tym parowanie materiału elektrod, dostarczając cząstek obojętnych, podlegających następnie jonizacji.

Prąd łuku elektrycznego jest sumą prądu elektronowego i prądu jonowego. Prąd jonowy stanowi przy katodzie 10÷50% prądu łuku, natomiast w kolumnie łukowej - okołol% prądu łuku (przy anodzie jest równy zeru, gdyż ona sama nie może wydzielać jonów; powstają one w zderzeniach elektronów z cząstkami obojętnymi lub we wzajemnych zderzeniach cząstek obojętnych w kanale łukowym). Jony docierające do katody powstają więc głównie w jej pobliżu - w strefie jonizacji. Dochodzi tu do zderzeń cząstek obojętnych z wyemitowanymi przez katodę elektronami i z odbitymi od katody zneutralizowanymi jonami. Zjawisko powrotu zdejonizowanych przy katodzie cząstek do strefy jonizacji (czyli obieg zamknięty cząstek między katodą i strefą jonizacji) występuje przy dużych mocach wyładowania.

Zwiększony, dzięki temu, prąd jonowy w strefie katodowej zapewnia odpowiednią emisyjność i pokrycie strat cieplnych katody.

W stanach ustalonych, temperatura powierzchni katody osiąga około 2200 K, anody - około 2500 K, natomiast temperatura plazmy w kolumnie łukowej - wartości 6000÷20000 K, zależnie od intensywności odbioru ciepła („chłodzenia”). Ze wzrostem intensywności odbioru ciepła wzrasta gęstość prądu i temperatura kolumny łukowej, natomiast maleje jej średnica.

Efekt wzrostu temperatury przy zwiększonym „chłodzeniu” nosi miano paradoksu łuku elektrycznego.

Podstawowe znaczenie przy odbiorze ciepła z łuku elektrycznego ma konwekcja. W ten sposób, przy wymuszonym przepływie gazu odbierane jest 80%, a nawet więcej, całej mocy łuku. Odbiór ciepła z kolumny łukowej może mieć przy tym charakter powierzchniowy albo wnętrzowy (objętościowy). W pierwszym przypadku strumień zimnego gazu omywa kolumnę wzdłuż powierzchni izotermicznych, zaś w drugim - skierowany jest do jej wnętrza.

Sposób odbioru ciepła z łuku rzutuje na przebieg jego charakterystyki statycznej (rys. 6.3).

Na przebiegi charakterystyk dynamicznych wpływa poza tym charakter i szybkość zmian prądu łuku (rys. 6.3b), co tłumaczy się bezwładnością zjawisk zachodzących w kolumnie łukowej. Dlatego w obwodzie prądu przemiennego z łukiem elektrycznym „chłodzonym”

powierzchniowo, przy przechodzeniu prądu przez zero, napięcie gaśnięcia łuku jest - co do wartości bezwzględnej - niższe od napięcia jego zapłonu (rys. 6.4). Z upływem czasu od chwili zgaśnięcia łuku, wzrasta napięcie ponownego zapłonu (dłuższy czas odbudowy wytrzymałości elektrycznej kanału połukowego).

Rys. 6.3. Prądowo-napięciowe charakterystyki łuku elektrycznego: a) statyczne - przy powierzchniowym (1) i wnętrzowym (2) odbiorze ciepła z kolumny łukowej,

b) dynamiczne - przy prądzie przemiennym (2', 2") oraz malejącym od wartości ustalonej do zera (3), porównane z charakterystyką statyczną (1)

Rys. 6.4. Przebiegi czasowe prądu i napięcia łuku w obwodzie prądu przemiennego przy powierzchniowym odbiorze ciepła z kolumny łukowej

W czasie wyłączania prądu przez niektóre wyłączniki zestykowe, jak również przy wyłączaniu prądów o niewielkich wartościach przez bezpieczniki topikowe, kanał łukowy wydłuża się, przez co zwiększa się intensywność odbioru ciepła.

Przy niskich napięciach korzystnie jest „rozbić” łuk na kilka łuków krótszych, aby polepszyć warunki odbioru ciepła i wykorzystać znaczne, przyelektrodowe spadki napięcia każdego z tych łuków.

Im lepsze są własności dielektryczne, gaszeniowe i cieplne środowiska, tym odległość rozchodzenia się styków w wyłączniku może być mniejsza. Małymi przerwami między- stykowymi wyróżniają się wyłączniki próżniowe i z SF6 (sześciotluorkiem siarki).

Przy wyłączaniu prądu w obwodach zasilanych napięciem przemiennym, najkorzystniejsze warunki gaszenia łuku elektrycznego występują w chwilach naturalnego osiągania przez prąd wartości zerowych. Kanał połukowy musi wtedy zostać szybko zdejonizowany, aby nie nastąpił ponowny zapłon pod wpływem napięcia występującego między elektrodami (stykami). Dzieje się to tym prędzej, im mniejsza jest koncentracja ładunków w przestrzeni międzyelektrodowej (tzn. im mniejszy był wyłączany prąd) i im szybciej są one

odprowadzane z kanału połukowego - przy zachowaniu jego ciągłości, a im szybciej powiększa się odstęp części zjonizowanych kanału - w przypadku jego przerwania przez czynnik chłodzący. Ponowne zapłony łuku mogą mieć charakter cieplny (jonizacja termiczna) lub elektryczny (jonizacja zderzeniowa). Na rysunkach 6.5 i 6.6 pokazano różne krzywe wzrostu wytrzymałości zapłonowej (napięcia zapłonu) przy zapłonie opartym na mecha- nizmie cieplnym oraz elektrycznym. Warto dodać, że w chwilę po osiągnięciu przez prąd wartości zerowej następuje odpływ elektronów z przestrzeni międzyelektrodowej do anody pod wpływem pojawienia się napięcia na zaciskach. Powstały w wyniku tego przyelektrodowy spadek napięcia utrudnia ponowny zapłon, szczególnie w obwodach niskiego napięcia.

Rys. 6.5. Krzywe wzrostu wytrzymałości zapłonowej, związane z zapłonem o mechanizmie: 1 - cieplnym, 2 - elektrycznym

Rys. 6.6. Krzywe wzrostu wytrzymałości zapłonowej (związane z zapłonem o mechanizmie elektrycznym) przy różnych wartościach skutecznych

prądów wyłączanych i stałej długości kanału połukowego

Przebieg czasowy napięcia pojawiającego się między zaciskami łącznika lub bezpiecznika, po wyłączeniu prądu łuku, zależy od parametrów obwodu w części zasilającej i odbiorczej.

Pojemności elementów obwodu (przewodów, uzwojeń maszyn i transformatorów), które w normalnych stanach pracy układu nie odgrywają prawie żadnej roli, mogą ładować się oscylacyjnie po wyłączeniu prądu łuku, wywołując w ten sposób przepięcia w różnych częściach obwodu, w tym również - na zaciskach wyłącznika (bezpiecznika). Między jego stykami mogą wtedy występować ponowne zapłony łuku, szczególnie niepożądane przy wyłączaniu zwarć.

U_z

Rys. 6.7. Schemat zastępczy obwodu prądu przemiennego ze zwarciem na zaciskach łącznika Na rysunku 6.7 przedstawiono schemat zastępczy obwodu prądu przemiennego z elektrycznym łukiem łączeniowym, w przypadku zwarcia na zaciskach łącznika (bezpiecznika). Po przerwaniu prądu łuku, układ przedstawia sobą gałąź szeregową RLC zasilaną napięciem przemiennym e(t). Jeśli częstotliwość źródła jest taka, że Xc > XL oraz X_c > R, to składowa ustalona napięcia u_C (t) równa się w przybliżeniu e(t).

Jeśli

C

R≥2 L , to składowa przejściowa napięcia uC (t) ma charakter nieokresowy, a jeśli

C

R<2 L , to ma ona charakter zanikających w czasie oscylacji. Pulsacja napięcia drgań

własnych tłumionych wynosi

2 2 0 2

2

1 ω α

ω  = −







−

= L

R C

L , (6.1) gdzie

C L

1

0 =

ω oznacza pulsację drgań własnych nietłumionych, natomiast

L R

= 2

α

określa szybkość ustalania się przebiegów w gałęzi RLC, zarówno w przypadku oscylacji, jak i przebiegu aperiodycznego. Zwykle pulsacja drgań własnych ω jest wielokrotnie wyższa od pulsacji napięcia źródła. Przebiegi napięcia uC (t) po przerwaniu prądu łuku w obwodzie zwarciowym (napięcia powrotnego) pokazano na rysunku 6.8.

Rys. 6.8. Oscylacyjny (1) i nieokresowy (2) przebieg napięcia uC na zaciskach łącznika po przerwaniu prądu łuku i

Jak widać, po wyłączeniu zwarcia w obwodzie prądu przemiennego, na zaciskach łącznika (bezpiecznika) może pojawić się krótkotrwale napięcie rzędu 1,5÷1,7 amplitudy napięcia roboczego. Wyższe wartości chwilowe napięcia na zaciskach łącznika lub odbiornika, przekraczające nawet 6-krotnie amplitudę napięcia roboczego, mogą wystąpić wskutek

„ucinania” prądu przy wyłączaniu małych prądów indukcyjnych (o wartościach od kilku do kilkunastu amperów). Przykładem odbiorów pobierających małe prądy indukcyjne są cewki styczników oraz nieobciążone transformatory.

Schemat zastępczy obwodu jednofazowego, z zaznaczeniem uproszczeń stosowanych w analizie wyłączania małych prądów o charakterze indukcyjnym, przedstawiono na rys. 6.9.

Przebiegi czasowe, wyjaśniające zjawisko „ucinania” prądu i występujących przy tym przepięć, pokazano na rysunku 6.10. Po rozejściu się styków łącznika W w chwili t0 powstaje między nimi łuk elektryczny. Wzrost napięcia łuku przy malejącym prądzie wpływa na szybkość zmian prądów i oraz iC , powodując zgaszenie łuku i „ucięcie” prądu iw

w chwili t1. Obwód rozdziela się odtąd na dwa obwody oscylacyjne ze źródłem napięcia i bez źródła. Ponieważ oscylacje w części obwodu połączonej ze źródłem są niewielkie, więc można je w ogóle pominąć (pomija się Lz i Cz ). Analiza dotyczy więc przebiegów w drugim obwodzie drgającym (RLC).

Rys. 6.9. Schemat zastępczy obwodu zasilania odbiornika o charakterze indukcyjnym, z zaznaczo- nymi uproszczeniami, odnoszącymi się do analizy procesu wyłączania małych prądów Jeśli wytrzymałość elektryczna kanału połukowego wzrasta bardzo szybko, to po czasie równym około ¼ okresu drgań własnych obwodu RLC napięcie na pojemności C osiągnie najwyższą wartość (rys. 6.10a). Można ją łatwo obliczyć, pomijając energię traconą w rezystancji R, ze wzoru na bilans energii

(

^{2 12}

)

2

1 2

1 2

1 Li = C U_Cm −u , (6.2) gdzie: i1 - prąd odbiornika w chwili t1 („ucięcia” prądu łuku),

u1 - napięcie na pojemności C w chwili t1 ,

Cm

U - najwyższe napięcie na pojemności C po „ucięciu” prądu łuku.

Obliczona w ten sposób wartość U_Cm, równa napięciu na odbiorniku, jest zwykle bardzo duża. W rzeczywistych warunkach napięcie na pojemności C osiąga jednak niższe wartości, ponieważ wytrzymałość elektryczna kanału połukowego wzrasta wolniej niż to napięcie i występują ponowne zapłony łuku. Po każdym z nich pojemność gwałtownie się rozładowuje, prąd łuku zostaje „ucięty”, po czym prąd odbiornika na nowo doładowuje pojemność C (rys. 6.10b). Powolny wzrost wytrzymałości elektrycznej przerwy między- stykowej w łącznikach zmniejsza więc narażenie izolacji urządzeń na przebicie (lecz utrudnia wyłączanie dużych prądów).

Rys. 6.10. Przebiegi napięć i prądów w układzie z rys. 6.9 przy „ucinaniu” małego prądu obciążenia o charakterze indukcyjnym w przypadkach: a) gdy nie ma ponownych zapłonów łuku, b) z ponownymi zapłonami łuku łączeniowego (linie przerywane, nieopisane na wykresach czasowych prądów, obrazują przebiegi odpowiadające

stanowi ustalonemu obwodu przy zamkniętym łączniku W)

Na rysunku 6.11 pokazano uproszczone (bezrezystancyjne) jednofazowe obwody zwarciowe prądu przemiennego z bezpiecznikiem topikowym i z wyłącznikiem. Od chwili t = 0 powstania zwarcia, do chwili t = t1 pojawienia się napięcia łuku, układ opisany jest równaniem

(

^{ω +ψ}

)

=

=e E t

dt

L di _m sin , (6.3) gdzie: L - indukcyjność obwodu,

i - prąd w obwodzie, równy prądowi spodziewanemu isp , e - napięcie zasilające,

Em - wartość maksymalna napięcia zasilającego,

ω - pulsacja napięcia zasilającego,

ψ - kąt fazowy napięcia e(t) w chwili powstania zwarcia.

Rys. 6.11. Jednofazowe, bezrezystancyjne obwody zwarciowe: a) z bezpiecznikiem B załączanym na zwarcie przez łącznik Ł, b) z wyłącznikiem W

Rozwiązaniem równania (6.3) jest wyrażenie

( )

[

ψ ω ψ

]

ω ^{− +}

= t

L

i_sp E^m cos cos . (6.4)

W chwili t1 pojawia się napięcie łuku u_τ , a równanie obwodu e

dt u

L di+ _τ = , (6.5)

zapisane, podobnie do (6.3), w postaci uτ

dt e

L di = − , (6.6)

określa szybkość zmian prądu w obwodzie.

Dopóki e > u_τ , dopóty prąd rośnie; w chwili, w której e = u_τ , prąd osiąga największą wartość; jeśli wreszcie e < u_τ , to prąd maleje.

Rys. 6.12. Przebiegi prądu i napięcia luku podczas wyłączania jednofazowego obwodu zwarciowego przez: a) bezpiecznik topikowy, b) wyłącznik ograniczający prądu przemiennego

(isp - spodziewany przebieg czasowy prądu bez wyłączania obwodu)

Szybkie wyłączenie prądu zwarciowego ogranicza skutki jego działania cieplnego i dynamicznego w obwodzie zabezpieczanym. W wyłącznikach topikowych i wyłącznikach ograniczających prądu przemiennego zapłon łuku następuje w pierwszym półokresie po wystąpieniu zwarcia, w chwili zanim prąd zwarciowy osiągnie wartość maksymalną spodziewanego przebiegu w obwodzie bez wyłączania prądu isp (rys. 6.12).

e

iogr iogr t

e

stykowego wyłącznika ograniczającego zależy natomiast stromość wzrostu napięcia łuku w wyłączniku.

Rys. 6.13. Przebiegi czasowe prądu przy różnych wartościach i stromościach narastania napięcia łuku (w obwodzie zwarciowym prądu przemiennego)

Jeśli napięcie łuku występującego w bezpieczniku w trakcie wyłączania prądu zwarciowego ma stałą wartość, przykładowo: U_τ = U_{τ I} i U_τ = U_{τ III} - linie przerywane I i III na rys. 6.13, to rozwiązanie równania (6.6) wyraża się wzorem

(

1

) (

1

)

1

1 t t

L i U t L t dt U L e

i _sp

t

t

−

−

=

−

−

=

∫

^{τ τ} . (6.7)

W chwili zgaśnięcia łuku (t = t₂, i = 0), otrzymuje się zależność

(

t t

)

isp

L

U 2 − 1 =

τ . (6.8)

Wynika z niej, że punkty przecięcia przebiegów czasowych (rys. 6.13): prostych

(

t t1

)

f⁽t⁾ L

U^τ − = i isp = isp(t) - wg (6.4), wyznaczają chwile zgaszenia łuku: t_2I i t_2III, odpowiadające zadanym przebiegom czasowym I i III napięcia łuku. Na rysunku 6.13 przedstawiono przebiegi prądu zwarciowego i = i(t) dla napięcia łuku jw. (I i III) i napięcia łuku o liniowo narastającym czole (II).

Energia, wydzielona w łuku łączeniowym, zależy od przebiegów czasowych prądu i napięcia łuku. Przy stałym napięciu łuku miarą jej jest pole powierzchni pod krzywą prądu. Ilość energii wydzielonej w łuku zależy w dużym stopniu od czasu przedłukowego t1 , który maleje ze wzrostem prądu spodziewanego i_sp (szybsze „nadtopienie” topika w bezpieczniku, większa siła odrzutu elektrodynamicznego styków w wyłączniku ograniczającym). Przy tym samym prądzie spodziewanym podstawowe znaczenie ma wysokość napięcia łuku (rys. 6.13).

Wyłączanie zwarć w obwodach prądu stałego, podobnie jak przy prądzie przemiennym, może przebiegać z ograniczeniem lub bez ograniczenia prądu. Ograniczenie narastania prądu zwarciowego występuje w bezpiecznikach topikowych i wyłącznikach ograniczających prądu stałego, zwanych wyłącznikami szybkimi. Przebiegi prądów, przy zwarciu w obwodzie zasilanym napięciem stałym, pokazano na rysunku 6.14.

Rys. 6.14. Wyłączanie zwarcia w obwodzie prądu stałego z elektrycznym łukiem łączeniowym, zapalającym się w chwili tl : a) zanim prąd osiągnie wartość ustaloną (zaznaczono różny

charakter przebiegu prądu wyłącznika szybkiego iw oraz bezpiecznika topikowego ib ; iogr - prąd ograniczony), b) gdy prąd osiągnie praktycznie wartość ustaloną

Oczywiście, wyłączanie prądów roboczych przebiega podobnie do wyłączania ustalonych prądów zwarciowych (rys. 6.14b), z tą tylko różnicą, że ustalony prąd roboczy I_u jest dużo mniejszy od ustalonego prądu zwarciowego I_zwu (wyłączanie Iu można realizować za pomocą rozłącznika, tzn. łącznika przeznaczonego do częstych łączeń prądów roboczych).

Rys. 6.15. Schemat zastępczy obwodu prądu stałego z elektrycznym łukiem łączeniowym

Schemat zastępczy obwodu z łukiem elektrycznym, zasilanego napięciem stałym, przedstawiono na rysunku 6.15. Obwód ten opisany jest równaniem

E dt u

L di i

R + + _τ = , (6.9) gdzie: R - rezystancja zastępcza,

L - indukcyjność zastępcza,

zw_u zw_u

i R E

u_τ < − , (6.10) któremu odpowiada położenie charakterystyki dynamicznej łuku poniżej prostej

(

^E−^Ri

)

= ^f(i), co pokazano na rysunku 6.16. Prosta ta jest charakterystyką zewnętrzną obwodu zasilającego łuk elektryczny. Punkt przecięcia jej z osią prądu wyznacza wartość ustaloną prądu

R

I_u = E w obwodzie bez łuku elektrycznego (u_τ = 0).

Przy malejącym prądzie

(

⁻

)

^{− <0}

= E Ri u_τ dt

L di ,

czyli

i R E

u_τ > − , (6.11) a więc charakterystyka dynamiczna łuku leży w tym wypadku nad prostą

(

^E−^Ri

)

= ^f(i).

Rys. 6.16. Położenie charakterystyk dynamicznych łuku przy rosnącym i malejącym prądzie w obwodzie zasilanym napięciem stałym

Spełnienie warunku (6.11) zapewnia wyłączenie prądu (zgaszenie łuku).

Napięcie gaśnięcia łuku (przy i=0, <0 dt

di ), zgodnie z (6.9), ma wartość

dt E L di E u

i

g = − >

=0

, (6.12) co oznacza, że w chwili wyłączania prądu występuje przepięcie na zaciskach łącznika (bezpiecznika).

Przy malejącym prądzie i stałej długości kanału łukowego w wyłączniku, charakterystyka dynamiczna leży poniżej charakterystyki statycznej (rys. 6.3b), natomiast wydłużanie kanału łukowego powoduje podnoszenie się charakterystyki statycznej. Można więc uważać, że w wyniku kompensowania się tych efektów, pewne fragmenty charakterystyk dynamicznych

i statycznych przebiegają bardzo blisko siebie. Uwidoczniono to na rysunku 6.17, przed- stawiającym charakterystyki dynamiczne łuku elektrycznego przy wyłączaniu zwarcia w obwodzie prądu stałego. Wyłączenie prądu (zwarciowego lub roboczego) w obwodzie prądu stałego jest zapewnione, gdy charakterystyka statyczna łuku, przy otwartych do końca stykach łącznika, leży nad charakterystyką zewnętrzną obwodu zasilającego łuk elektryczny.

Rys. 6.17. Charakterystyki dynamiczne łuku elektrycznego prądu stałego przy wyłączaniu zwarcia:

l - z ograniczaniem prądu, 2 - bez ograniczenia prądu (linie przerywane - charakterystyki statyczne przy stałych długościach łuku)

Ze względu na konieczność ograniczenia przepięcia na łączniku, charakterystyki łuku wyłączeniowego prądu stałego powinny być możliwie płaskie. Znaczy to, że odbiór ciepła z łuku przy małych prądach musi być mniej intensywny niż przy dużych. Wymagania te spełnia odpowiednio skonstruowany układ gaszeniowy z rożkami i komorami łukowymi.

W przypadku wyłączania dużego prądu zwarciowego przez bezpiecznik topikowy, następuje gwałtowny rozpad topika na wiele części i w pierwszej chwili przepięcie jest znacznie wyższe, niż w chwili zgaśnięcia łuku (większa stromość początkowa prądu łuku na rys. 6.14a).

Wykorzystując równanie (6.9), można wyznaczyć energię wydzieloną w łuku prądu stałego w czasie od chwili zapłonu łuku t₁ do chwili jego zgaśnięcia t₂

( )

2 1 2

0 2

2

2 1

1 2

1

1 2

1 2

1

i L dt i R dt i E

dt i L dt i R i E dt i u W

t

t t

t

i t

t t

t

+

−

=

=

−

−

=

=

∫

∫

∫

∫

∫

^τ

, (6.13)

Oprócz energii dostarczonej ze źródła, pomniejszonej o energię wydzieloną na rezystancji R, wydziela się więc w łuku cała energia pola magnetycznego związana z prądem i1 płynącym w obwodzie w chwili zapłonu łuku t₁ .

Indukcyjność obwodu wpływa zwykle na zwiększenie czasu łukowego t2 - t1 . Zwolnienie procesu gaszenia łuku powoduje, że charakterystyka dynamiczna staje się bardziej stroma (bliższa statycznej), wzrasta więc przepięcie w chwili zgaśnięcia łuku.

Ważną rzeczą jest też takie rozwiązanie odbioru ciepła z łuku w łączniku lub bezpieczniku, aby w czasie wyłączania prądów o stosunkowo niewielkich wartościach czas palenia się łuku nie był zbyt długi, gdyż oznaczałoby to cieplne zniszczenie aparatu.