СЕЛФ

42

и С.Б. Каравашкин

Исходя из этого, наиболее общая структура ливневых дуг будет иметь вид, представленный на рис. 25.

Рис. 25. Реконструкция наиболее общей структуры ливневых дуг

Как мы видим, на рис. 25 можно выделить 6 характерных этапов.

1. Этап "коротких" мостиков, предшествующих длинной дуге. В их число входит и первый мостик, хорошо изученный и описанный в литературе. Он взрывается при напряжении 1,5- 2 В. Сразу после него длинная дуга образоваться не может, поскольку она горит при напряжении 12- 18 В. До момента возникновения длинной дуги может образоваться несколько мостиков, пока напряжение на контактах достигнет необходимой величины. Возможность образования этих мостиков предполагает также Слейд [12].

2. Этап длинной дуги. При ее горении в основном имеет место испарение металлов с контактов. Длинная дуга горит все время, пока усиленное испарение с контактных поверхностей препятствует образованию мостика.

3. Этап "средних" мостиков, образующихся после длинной дуги. На этом этапе ток индуктивности I₀  достаточен для возникновения коротких дуг с малым сопротивлением, поэтому релаксации напряжений имеют отрицательные выбросы. Если образование мостиков закончится на этом этапе, то после него возникает переходной процесс в цепи (4 этап), как показано пунктиром на рис. 25. Если же образование мостиков продолжается, но ток нагрузки резко уменьшается, то осуществляется переход на следующий этап.

4. Этап длинных мостиков. Релаксации в этом случае имеют вид возрастающих гребешков. Поскольку ток на этом участке мал, мостики могут не взрываться, а разрываться под действием растягивающих усилий. Если образование мостиков закончится на этом этапе, а напряжение, до которого разряжается емкость, меньше 300 В, то процесс заканчивается переходным процессом (6 этап), как показано пунктиром на рис. 25. Если же напряжение разряда емкости достигнет величины больше 300 В, то может осуществиться переход на следующий этап.

5. Этап тлеющего разряда. Пока имеет место тлеющий разряд, мостики образовываться не могут, поскольку к контактам приложено сравнительно низкое напряжение (300- 400 В), а расстояние между ними значительное (десятки микрон). По мере убывания тока индуктивности тлеющий разряд гаснет. Он может закончиться переходным процессом (6 этап), как показано на рис. 25. Но если контактные поверхности еще достаточно нагреты, а напряжение после гашения тлеющего разряда достигает больших величин, то могут вновь образоваться длинные металлические мостики. Именно такой случай имеет место на осциллограмме рис. 25д.

6. Этап переходного процесса в цепи, когда контакты полностью разомкнуты. Энергия, оставшаяся в цепи, рассеивается на ее активных элементах.

В конкретных случаях не все рассмотренные выше этапы имеют место одновременно. Некоторые из этапов могут отсутствовать. Это зависит от параметров нагрузки коммутируемого источника, а также параметров контактного элемента.

Вышеописанный характер размыкания контактами индуктивных нагрузок позволяет дать новое объяснение эрозионной кривой Слейда, приведенной нами на рис. 26.

Рис. 26. Кривая эрозии контактов G в зависимости от величины индуктивности нагрузки L [12]

- Быстрый рост переноса на катод в первой области связан с увеличением числа мостиков по мере роста индуктивности.

- Дальнейший рост индуктивности во второй области создаёт условия для появления длинной дуги, время существования которой увеличивается с ростом индуктивности. При горении длинной дуги происходит распыление катода тем большее, чем протяженнее во времени дуга. В соответствии с этим уменьшается перенос на катод.

- В третьей области рост индуктивности обеспечивает более длительное протекание тока ее разряда. Это способствует появлению средних и длинных мостиков. Число таких мостиков растет с увеличением индуктивности. Одновременно с этим увеличивается и длительность длинной дуги. Совместное действие двух этих факторов обеспечивает более медленный, чем в первой области, рост переноса металла на катод.

- Дальнейшее увеличение времени горения длинной дуги в четвертой области сопровождается уменьшением количества мостиков. Испарение металла превалирует над мостиковым переносом. Вследствие этого общий перенос на катод уменьшается.

В заключение на основании выдвинутых нами положений приведем физическое обоснование кривых Миллса (см. рис. 1).

Увеличение скорости расхождения контактов (см. рис. 1а) приводит к увеличению периодов ливневых дуг и амплитуд релаксаций для одних и тех же моментов времени, а также для максимальных мостиков. Кроме того, при этих условиях укорачивается длительность всего релаксационного процесса.

При этом увеличение периодов и амплитуд релаксаций можно объяснить тем, что с увеличением скорости расхождения контактов мостики во время заряда емкости способны вытягиваться длиннее, поскольку за время между образованием и разрывом мостика контакты расходятся на большее расстояние. При этом сопротивление самих мостиков, а также максимальная величина падения напряжения на них становятся больше, что и обуславливает рост амплитуд ливневых дуг, хорошо наблюдаемый на рис. 1а.

Увеличение нагрузки (величина I₀L) (см. рис. 1б) приводит к увеличению частоты релаксаций. Общее же время релаксационного процесса при этом увеличивается слабо.

Рост частоты релаксаций в этом случае связан с увеличением коммутируемого тока   I₀, поскольку это обеспечивает более быстрый заряд емкости. Некоторое увеличение времени релаксационного процесса с увеличением нагрузки можно объяснить ростом величины максимального мостика в связи с большим плавлением металла при большем коммутируемом токе.

Наконец, увеличение длины кабеля (см. рис. 1в) приводит к уменьшению частоты релаксаций, времени релаксационного процесса и амплитуды колебаний.

Увеличение длины кабеля соответствует увеличению паразитной емкости. Рост последней требует более длительного ее заряда, что способствует образованию более длинных мостиков и улучшению условий охлаждения металлов. Последнее может быть причиной более коротких максимальных мостиков, а соответственно меньшего времени релаксационного процесса.

Увеличением емкости можно добиться полного отсутствия релаксаций, что и используется в цепях типа RC для защиты контактов от эрозии.