Електрична дуга, способи гасіння

Процеси в дуговому проміжку

Розмикання електричного кола при скільки-небудь значних токах і напружених, як правило, супроводжується електричним розрядом між розбіжними контактами. Повітряний проміжок між контактами иони-зіруется і стає на деякий час проводять. в ньому виникає дуга. Тим чи іншим способом дуга гаситься, т. Е. Струм в ланцюзі падає від початкового значення до нуля, Фізичний процес відключення складається в деионизации повітряного проміжку між контактами, т. Е. В перетворенні його в діелектрик і припинення внаслідок цього електричного розряду. При особливих умовах - дуже малих токах і напружених, розрив ланцюга змінного струму в момент переходу струму через нуль і деяких інших - розбіжність контактів може статися без електричного розряду. Таке відключення називається безіскрова розривом. Електрична дуга супроводжується високою температурою і пов'язана з цією температурою. Тому дуга - явище не тільки електричне, але і теплове.

У звичайних умовах повітря є хорошим ізолятором. Так, для пробою повітряного проміжку в 1 см потрібно прикласти напругу не менше 30 кВ. Для того щоб повітряний проміжок став провідником, необхідно створити в ньому певну концентрацію заряджених частинок - отрицатель-них, в основному вільних електронів і позитивних іонів. Процес відділення від нейтральної частинки одного або декількох електронів і обра-тання вільних електронів і позитивно заряджених частинок - іонів - називається іонізацією.

Іонізація газу може відбуватися під дією світла, рентгенівських променів, високої температури, під впливом електричного поля і ряду дру-гих факторів. Для дугових процесів в електричних апаратах найбільше значення мають: з процесів, що відбуваються у електродів, - термоелектронів-ва і автоелектронна емісії, а з процесів, що відбуваються в дуговому проміжку, - термічна іонізація і іонізація поштовхом.

Термоелектронної емісією називається явище випускання електронів з напруженій поверхні. При розбіжності контактів різко зростають перехідний опір контакту і щільність струму в останній майданчику контактування. Цей майданчик розігрівається до розплавлення і освіти контактного перешийка з розплавленого металу, який при подальшому розбіжності контактів рветься. Тут відбувається випаровування металу контактів. На негативному електроді утворюється так зване катодне пляма (розпечена майданчик), яка служить підставою дуги і вогнищем випромінювання електронів в перший момент розбіжності контактів. Щільність струму термо-електронної емісії залежить від температури і матеріалу електрода. Вона невелика і може бути достатньою для виникнення електричної ду-ги, але вона недостатня для її горіння.

Автоелектронна емісія - явище випускання електродів з катода під дією сильного електричного поля. При розмиканні контактів напруженість поля між контактами під час наростання напруги проходить через значення, що перевищують 100 MB / см. Такі значення напруженості електричного поля достатні для виривання електронів з холодного катода. Струм автоелектронної емісії також дуже малий і може служити тільки початком розвитку дугового розряду.

Термічна іонізація - процес іонізації під впливом високої температури. Підтримка дуги після її виникнення, т. Е. Забезпечення виник дугового, розряду достатнім числом вільних зарядів, пояс-вується основним і практично єдиним видом іонізації - термічної іонізацією.

Температура стовбура дуги досягає 4000 - 7000 К, а по окремим дан-ним - 15 000 К. При такій температурі сильно зростає як число швидко рухомих частинок газу, так і швидкість їх руху. При зіткненні швидко рухомих атомів або молекул велика частина їх руйнується, утворюючи як нейтральні, так і заряджені частинки, т. Е. Відбувається иони-зація газу.

Рекомбінація - по-різному заряджені частинки, при-ходячи під взаємне зіткнення, утворюють нейтральні частинки.

В електричній дузі негативними частками є в основному електрони. Безпосереднє з'єднання електронів з позитивним іоном зважаючи на велику різниці швидкостей малоймовірно. Зазвичай рекомбінація відбувається за допомогою нейтральної частинки, яку електрон заряджає. При зіткненні цієї негативно зарядженої частинки з позитивним іоном утворюється одна або дві нейтральні частинки.

Дифузія - процес виносу заряджених частинок з дугового проміжку в навколишній простір, що зменшує провідність дуги.

Вольтамперні характеристики дуги

Залежність падіння напруги на стовбурі дуги від струму - вольт-амперна характеристика дуги - приведена на рис. 2.2. Вона являє собою частину кривої (область III) на рис. 2.3. Напруга, відповідне початку дугового розряду, носить назву напруги запалювання дуги. З ростом струму напруга на дузі зменшується. Це означає, що опору-ня дугового проміжку падає швидше, ніж збільшується струм. Для каж-дого значення струму в якийсь момент часу встановиться рівноважний стан, коли іонізація буде дорівнює деионизации. Електричний опір-ня дугового проміжку і падіння напруги на ньому стануть величинами постійними, незалежними від часу. Такий режим носить назву статичного, а крива 1, що характеризує цей режим, - статичної характеристики дуги.

Якщо з тією чи іншою швидкістю зменшити струм в дузі від I0 до нуля і при цьому фіксувати падіння напруги на дузі в залежності від струму, то отримаємо ряд кривих 2, що лежать нижче кривої 1. Чим швидше буде відбуватися зменшення струму, тим нижче буде лежати вольтамперная харак-теристика дуги. У межі, при миттєвому зміні струму до нуля, отримаємо пряму 3. Тільки при повільному зміні струму процес буде відбуватися по статичній характеристиці.

Рис.2.3. Вольтамперні характеристики дуги

Джерело: Джерело: Л.А.Родштейн, Електричні апарати, Лененергоіздат, 1981, 304 с. (Стор. 72)

Вольтамперні характеристики дуги, отримані, при швидкому изме-нении струму до нуля, носять назву динамічних. Відповідаю щее цим характеристикам напруга, при якому дуга гасне, називаються ється напругою гасіння UГ. Якщо падіння напруги на дузі UД характеризує дугового проміжок як провідник, то напруги Uзи UГ характеризують ізоляційні властивості проміжку - вони означають напруги, які необхідно докласти при даному стані проміжку, щоб порушити в ньому електричну дугу.

Способи гасіння електричної дуги

Щоб погасити дугу постійного струму. необхідно створити такі умови, при яких в дуговому проміжку при всіх значеннях струму від початкового до нульового процеси деионизации перевершували б процеси іонізації. Незалежно від способу гасіння дуги постійного струму в ній виділиться енергія, запасені в магнітному полі відключається ланцюга, плюс ще якась частка енергії, яка надійде від генератора за час горіння дуги (в стійко палаючої дузі вся виділяється в ній енергія надходить від генератора).

При змінному струмі, ток в дузі незалежно від ступеня іонізації дугового проміжку переходить через нуль кожен напівперіод, тобто кожен напівперіод дуга гасне і запалюється знову. Завдання гасіння дуги дещо полегшується. Тут необхідно створити умови, при яких струм не відновився б після проходження через нуль. При змінному струмі температура дуги є величиною змінною. Однак теплова інерція газу виявляється досить значною, і в момент переходу струму через нуль температура дуги не падає до нуля і залишається досить високою. Все ж має місце зниження температури дуги при переході струму через нуль сприяє деионизации проміжку і полегшує гасіння.

Для гасіння електричної дуги необхідно створити умови, при яких падіння напруги на дузі перевершувало б напругу мережі. Гасити дугу можна:

збільшуючи її довжину (розтягуючи);
впливаючи на її стовбур і домагаючись підвищення поздовжнього градієнта напруги і в) використовуючи околоелектродние падіння напруги.

Вимикаючі апарати мають зазвичай два електроди, і для викорис-тання околоелектродних падінь напруги необхідно створити ду-гогасітельние пристрої зі многи-ми електродами. Такі пристрої отримали назву дугогасильних решіток. Існує багато способів гасіння електричної дуги:

гасіння відкритої дуги в магнітному полі;
гасіння електричної дуги високим тиском;
гасіння електричної дуги в маслі;
гасіння електричної дуги повітряним дуттям;
гасіння дуги в дугогасительной решітці;
використання контактної системи з тиристорним блоком бездугового відключення.