Електрична дуга або дугового розряд

Виникнення електричної дуги і її властивості, процеси викликають народження і підтримують горіння, а також конструктивні рішення в комутаційних апаратах для гасіння дугового розряду.

Властивості електричної дуги або дугового розряду

В електротехніці (автоматичні вимикачі, рубильники, контактори) при виключенні навантаженої ланцюга народжується електрична дуга.

Важливі параметри електричної дуги:

дугового розряд здатний розвинутися виключно при високих струмах (для металу цей струм складає 0,5 ампера);
температура в стовбурі дуги значна і складає близько 6-18 тисяч кельвінів (найчастіше 6-10 тисяч кельвінів);
зниження напруги у катода незначно і одно 10-20 вольт.

Дугового розряд умовно поділяють на три зони:

околокатодную;
стовбур дуги (основна частина);
околоанодную.

У виділених зонах іонізація і деионизация проходять по-різному:

іонізація - процес розпаду нейтрального атома на негативний електрон і позитивний іон;
деионизация - процес протилежний іонізації (антонім), при якому відбувається злиття електрона і іона в нейтральну частку.

Процеси супутні народженню електричної дуги

На початковому етапі розведення головних контактів дуга зароджується при наступних процесах:

термоелектронна емісія (звільнення негативних електронів з розігрітої поверхні контакту);
автоелектронна емісія (відрив електронів з катода під впливом значного електричного поля).

Термоелектронна емісія. При розриві контактів в районі останньої площадки контакту утворюється зона з розплавленої міддю з відповідною температурою. Мідь випаровується на негативному електроді з так званого катодного плями, яке є джерелом вільних електронів. На даний процес впливають: температура і метал контактних поверхонь; він є достатнім для народження електричної дуги, але не достатньою для підтримки її горіння.

Автоелектронна емісія. Повітряний простір між контактами можна розглядати як своєрідний конденсатор, ємність якого в першу мить необмежена, а далі скорочується в залежності від зростаючого розриву між рухомим і нерухомим контактом. Описаний конденсатор поступово заряджається і напруга в ньому порівнюється з напругою головного ланцюга. Напруженість електричного поля доходить до величин, при яких виникають умови для виходу електронів з поверхні не нагрітого катода.

Співвідношення впливу описаних процесів на зародження дуги залежить від сили вимикати струму, металу контактної групи, чистоти контактної поверхні, швидкості роз'єднання контактів і інших чинників. Домінування одного виду емісії над іншим індивідуально.

Процеси підтримують горіння дуги.

За допомогою наступних механізмів взаємодії частинок створюються умови для горіння розряду:

іонізація поштовхом (розігнаний електрон врізається в нейтральну частку і «вибиває» і неї електрон);
теплова іонізація (руйнування нейтральних атомів значними температурами).

Іонізація поштовхом. Вільний електрон з певною швидкістю здатний розбити нейтральну частку на електрон і іон. Знову отриманий електрон здатний розірвати внутрішні зв'язки у наступній частки, в результаті утворюється ланцюгова реакція. Швидкість електрона є функцією від різниці потенціалів на ділянці руху (достатній потенціал для вибивання електрона: 13 - 16 вольт для кисню, водню, азоту; 24 вольта для гелію; 7,7 вольта для мідних парів).

Теплова іонізація. При високих температурах збільшуються швидкості руху частинок в плазмі, що веде до руйнування нейтральних атомів за принципом іонізації поштовхом.

Одноразово з процесами іонізації проходять процеси деионизации за рахунок рекомбінації (взаємний контакт «-» і «+» частинок веде до злиття їх в нейтральний атом) і дифузії (вихід зі стовбура дуги електронів у зовнішнє середовище, де в нормальних умовах відбувається їх поглинання).

Істотним фактором для продовження горіння дуги в нашому випадку є теплова іонізація, тому для гасіння розряду застосовується охолодження його стовбура (контакт з матеріалом високої теплопровідності), а також подовження самої дуги в відведеному їй просторі.

Методи гасіння електричної дуги

Щоб обмежити негативний вплив електричної дуги на контакти комутаційного апарату і його вузли, слід за найкоротший час погасити дугу. До негативних впливів відносять:

високі температури (оплавлення, випар контактного матеріалу);
створення перешийків-провідників електричного струму (дуга легко проводить струм, тому може провести його на ділянки, які не проводять струм при нормальній роботі);
порушення нормальної електричної схеми апарату (руйнування ізоляції).

Дуга - це частковий вияв, одного з станів речовини, званого плазмою. Стовбур дуги має високі температури і велика кількість вільних іонів. Так як основним чинником, що продовжує горіння, є теплова іонізація. то потрібно інтенсивно охолодити стовбур електричної дуги. Для цих цілей в комутаційних апаратах застосовуються такі конструктивні рішення:

магнітне дуття або нагнітання охлаждающёй рідини або газу для того, щоб подовжити дугу (бо більша поверхня, більше віддає тепла);
деіонная решітка або набір профільованих сталевих пластин, які одноразово працюють радіаторами і розчленовують дугу на окремі складові;
дугогасильні камери щілинного типу. виконана з матеріалу з великою теплопровідністю і стійкістю до високих температур (електрична дуга, контактуючи з матеріалом камери, віддає теплову енергію);
створення закритого простору з матеріалу, що виділяє газ під впливом температури (високий тиск газів перешкоджає горінню дуги);
спеціальні контактні сплави для зниження вмісту металів в плазмі;
відкачувати повітря з околоконтактного простору для створення вакууму (немає речовини - немає іонізації);
в апаратах на змінний струм виробляти розмикання в момент переходу струму через нуль (менше енергії для народження дуги);
вводити в проміжок, між розбіжними контактами, напівпровідники, які сприймуть ток і не дадуть дузі розгорітися;
застосовувати подвійний розрив в ланцюзі (виключаючи з ланцюга частина провідника, миттєво і значно збільшується відстань між катодом і анодом).