ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДУГИ

Зависимость падения напряжения на стволе дуги от тока – вольт-амперная характеристика дуги – приведена на рис. 5-2. Она представляет собой часть кривой (область III) на рис. 5-1. Напряжение U₃, соответствующее началу дугового разряда, носит название напряжения зажигания дуги. С ростом тока напряжение на дуге уменьшается. Это означает, что сопротивление дугового промежутка падает быстрее, чем увеличивается ток. Для каждого значения тока в какой-то момент времени установится равновесное состояние, когда ионизация будет равна деионизации. Электрическое сопротивление дугового промежутка и падение напряжения на нем станут величинами постоянными, не зависящими от времени. Такой режим носит название статического, а кривая 1, характеризующая этот режим, – статической характеристики дуги.

Рис. 5-1. ВАХ электрического разряда в газах

Если с той или иной скоростью уменьшить ток в дуге от I₀ до нуля и при этом фиксировать падение напряжения на дуге в зависимости от тока, то получим ряд кривых 2, лежащих ниже кривой 1. Чем быстрей будет происходить уменьшение тока, тем ниже будет лежать вольт-амперная характеристика дуги. В пределе, при мгновенном изменении тока до нуля, получим прямую 3. Только при медленном изменении тока процесс будет происходить по статической характеристике.

Рис.5-2. ВАХ дуги

Такой характер вольт-амперных характеристик объясняется тем, что при быстром изменении тока ионизационное состояние дугового промежутка не успевает за изменением тока. Для деионизации промежутка требуется некоторое время, и поэтому, несмотря на то, что ток в дуге упал, проводимость промежутка осталась прежней, соответствующей большему току.

Вольт-амперные характеристики дуги, полученные при быстром изменении тока до нуля, носят название динамических. Соответствующее этим характеристикам напряжение, при котором дуга гаснет, называется напряжением гашения U_г.

Для данного дугового промежутка, материала электродов и среды имеются одна вполне определенная статическая характеристика дуги и множество динамических, заключенных между кривыми 1 и 3.

Если падение напряжения на дуге U_д характеризует дуговой промежуток как проводник, то напряжения U_з и U_г характеризуют изоляционные свойства промежутка – они означают напряжения, которые необходимо приложить при данном состоянии промежутка, чтобы возбудить в нем электрическую дугу.

Рис. 5-3. Распределение напряжения и градиента напряжения в стационарной дуге постоянного тока

Падение; напряжения на стационарной дуге распределяется неравномерно вдоль дуги. Картина изменения падения напряжения U_д и продольного градиента напряжения Е_д вдоль дуги приведена на рис. 5-3. Под градиентом напряжения понимают падение напряжения на единицу длины дуги. Как видно из рисунка, ход характеристик U_д и Е_д в приэлектродных областях резко отличается от хода характеристик на остальной части дуги. У электродов, в прикатодной и прианодной областях, на промежутке длины порядка 10 ^-4см имеет место резкое падение напряжения, называемое катодным U_к и анодным U_а. Значение этого падения напряжения зависит от материала электродов и окружающего газа. Суммарное значение прианодного и прикатодного падений напряжений составляет 15 — 30В, градиент напряжения достигает 10⁵-10⁶ В/см.

В остальной части дуги, называемой стволом дуги, падение напряжения U_д практически прямо пропорционально длине дуги. Градиент здесь приблизительно постоянен вдоль ствола. Он зависит от многих факторов и может изменяться в широких пределах, достигая 100 — 200В/см.

Околоэлектродное падение напряжения U_э, не зависит от длины дуги, падение напряжения в стволе дуги пропорционально длине дуги. Таким образом, падение напряжения на дуговом промежутке

(5-1)

где Е_д – продольный градиент напряжения на стволе дуги; l_д – длина дуги; U_э = U_к + U_а