Процес утворення електричної дуги і способи її гасіння

При розмиканні електронної ланцюга з`являється електричний розряд у вигляді електронної дуги. Для виникнення електронної дуги досить, щоб напруга на контактах було вище 10 В при струмі в ланцюзі порядку 0,1А і більше. При значних напругах і токах температура всередині дуги може досягати 10 ... 15 тис. ° С, в результаті чого плавляться контакти і струмопровідні частини.

При напрузі 110 кВ і вище довжина дуги може досягати декількох метрів. Тому електронна дуга, особливо в масивних силових ланцюгах, на напругу вище 1 кВ є величезну небезпеку, хоча суворі наслідки можуть бути і в установках на напругу нижче 1 кВ. Внаслідок цього електронну дугу потрібно максимально обмежити і стрімко погасити в ланцюгах на напругу як вище, так і нижче 1 кВ.

Причини виникнення електронний дуги

Процес утворення електронної дуги може бути спрощено представлений наступним чином. При розбіжності контактів спочатку зменшується контактний тиск і відповідно контактна поверхня, ростуть перехідний опір (щільність струму і температура - починаються місцеві (на окремих ділянках площі контактів) перегріви, які в майбутньому
сприяють термоелектронної емісії, коли під впливом високої
температури зростає швидкість руху електронів і вони вириваються з поверхні електрода.

У момент розбіжності контактів, іншими словами розриву ланцюга, на контактному проміжку стрімко відновлюється напруга. Так як при
цьому відстань між контактами мало, з`являється електричне поле високої напруженості, під впливом якого з поверхні електрода вириваються електрони. Вони розганяють в
електронному поле і при ударі в нейтральний атом віддають йому свою кінетичну енергію. Якщо цієї енергії досить, щоб відірвати хоча б один електрон з оболонки нейтрального атома,
то відбувається процес іонізації.

Утворилися вільні електрони і іони складають плазму стовбура дуги, іншими словами іонізованого каналу, в якому палає дуга і забезпечується безперервний рух частинок. При цьому негативно заряджені частинки, спочатку електрони, рухаються в одному напрямку (до анода), а атоми і молекули газів, позбавлені 1-го або декількох електронів, - позитивно заряджені частинки - в зворотному напрямку (до катода).

Провідність плазми близька до провідності металів.

У стовбурі дуги проходить великий струм і створюється висока температура. Така температура стовбура дуги призводить до термоіонізації - процесу утворення іонів внаслідок зіткнення молекул і атомів, які володіють велику кінетичну енергію при великих швидкостях їх руху (молекули й атоми середовища, де
палає дуга, розпадаються на електрони і позитивно заряджені іони). Насичена термоіонізація підтримує вищу
провідність плазми. Тому падіння напруги по довжині дуги
невелика.

В електронній дузі безперервно протікають два процеси: крім іонізації, також деионизация атомів і молекул. Остання відбувається в головному методом дифузії, іншими словами перенесення заряджених частинок у навколишнє середовище, і рекомбінації електронів і позитивно заряджених іонів, які возз`єднуються в нейтральні частинки з віддачею енергії, витраченої на їх розпад. При цьому відбувається тепловідвід в навколишнє середовище.

Таким чином, можна розрізнити три стадії даного процесу: запалювання дуги, коли внаслідок ударної іонізації і емісії електронів з катода починається дугового розряд і інтенсивність іонізації вище, ніж деионизации, стійке горіння дуги, підтримуване термоіонізація в стовбурі дуги, коли інтенсивність іонізації і деионизации схожа, згасання дуги, коли інтенсивність деионизации вище, ніж іонізації.

Методи гасіння дуги в комутаційних електронних апаратах

Для того щоб відключити елементи електронної ланцюга і виключити при цьому пошкодження комутаційного апарату, потрібно не тільки розімкнути його контакти, та й погасити з`являється між ними дугу. Процеси гасіння дуги, так само як і горіння, при змінному та постійному струмі різні. Це залежить від того, що в першому випадку струм в дузі кожен напівперіод проходить через нуль. У ці моменти виділення енергії в дузі припиняється і дуга щоразу мимоволі згасає, а потім знову запалюється.

Фактично ток в дузі стає близьким нулю дещо раніше переходу через нуль, тому що при зниженні струму енергія, що підводиться до дуги, зменшується, відповідно знижується температура дуги і припиняється термоіонізація. При цьому в дуговому проміжку активно йде процес деионизации. Якщо на цей момент розімкнути і стрімко розвести контакти, то наступний електронний пробій може не відбутися і ланцюг буде відключена без появи дуги. Але фактично це зробити дуже важко, і тому приймають особливі заходи прискореного гасіння дуги, що забезпечують охолодження дугового місця і зменшення числа заряджених частинок.

В результаті деионизации поступово збільшується електронна міцність проміжку і відразу виростає відновлюється напруга на ньому. Від співвідношення цих величин і залежить, займеться чи на ще одну половину періоду дуга або немає. Якщо електронна міцність проміжку зростає швидше і виявляється більше, що відновлює напруги, дуга більше не загориться, в іншому ж випадку буде забезпечено стійке горіння дуги. 1-е умова і визначає завдання гасіння дуги.

У комутаційних апаратах використовують різні методи гасіння дуги.

подовження дуги

При розбіжності контактів в процесі відключення електронної ланцюга з`явилася дуга розтягується. При цьому поліпшуються умови охолодження дуги, бо сильно росте її поверхню і для горіння потрібна більша напруга.

Розподіл довгою дуги на ряд маленьких дуг

Якщо дугу, що утворилася при
розмиканні контактів, поділити на До маленьких дуг, наприклад затягнувши її в
залізні грати, то вона згасне. Дуга зазвичай затягується в залізну решітку під впливом електричного поля, що наводиться в пластинках решітки вихровими струмами. Цей метод гасіння дуги широко використовується в комутаційних апаратах на напругу нижче 1 кВ, а саме в автоматичних повітряних вимикачах.

Охолодження дуги у вузьких щілинах

Гасіння дуги в малому обсязі полегшується. Тому в комутаційних апаратах широко використовують дугогасительниє камери з поздовжніми щілинами (вісь такої щілини збігається за напрямком з віссю стовбура дуги). Така щілина зазвичай з`являється в камерах з ізоляційних дугостійкості матеріалів. Завдяки зіткненню дуги з прохолодними поверхнями відбуваються її насичене охолодження, дифузія заряджених частинок у навколишнє середовище і відповідно стрімка деионизация.

Крім щілин з плоскопараллельнимі стінами, використовують також щілини з ребрами, виступами, розширеннями (кишеньками). Все це призводить до деформації стовбура дуги
і сприяє підвищенню площі дотику її з прохолодними стінами камери.

Втягування дуги в вузенькі щілини зазвичай відбувається під дією магнітного поля, що взаємодіє
з дугою, яка може розглядатися як провідник зі струмом.

Зовнішнє магнітне поле для переміщення дуги більш нерідко забезпечують за рахунок котушки, що включається по черзі з контактами, між якими з`являється дуга. Гасіння дуги у вузьких щілинах вживають в апаратах на все напруги.

Гасіння дуги високим тиском

При постійній температурі ступінь іонізації газу падає з ростом тиску, при цьому зростає теплопровідність газу. За інших рівних умов це призводить до посиленого охолодження дуги. Гасіння дуги за допомогою високого тиску, створюваного самої ж дугою в щільно закритих камерах, широко використовується в плавких запобіжниках і ряді інших апаратів.

Гасіння дуги в маслі

Якщо контакти вимикача поміщені в масло, то виникає при їх розмиканні дуга призводить до інтенсивного випаровування олії. В результаті навколо дуги з`являється газовий міхур (оболонка), що складається в основному з водню (70 ... 80%), також парів масла. Кошти, виділені гази з великою швидкістю потрапляють конкретно в зону стовбура дуги, викликають змішування холодного і гарячого газу в міхурі, забезпечують насичене охолодження і відповідно Деионизация дугового проміжку. Крім того, деіонізірующую здатність газів збільшує створюване при швидкому розкладанні масла тиск всередині міхура.

Інтенсивність процесу гасіння дуги в маслі тим вище, чим ближче стикається дуга з маслом і швидше рухається масло по відношенню до дуги. Беручи до уваги це, дугового розрив обмежують замкнутим ізоляційним пристроєм - дугогасительной камерою. У цих камерах створюється більш тісне зіткнення масла з дугою, а за допомогою ізоляційних пластинок і вихлопних отворів утворюються робочі канали, за якими відбувається рух масла і газів, забезпечуючи насичене обдування (дуття) дуги.

Дугогасительниє камери за принципом дії поділяють на три основні групи: з автодутьем, коли найвищі тиск і швидкість руху газу в зоні дуги створюються за рахунок виділяється в дузі енергії, з примусовим масляним дуттям за допомогою особливих нагнітають гідравлічних пристроїв, з магнітним гасінням в маслі, коли дуга під дією магнітного поля переміщається в вузенькі щілини.

Більш ефективні і прості дугогасительниє камери з автодутьем. Залежно від розташування каналів і вихлопних отворів розрізняють камери, в яких забезпечується насичене обдування потоками газопарові консистенції і масла
вздовж дуги (поздовжнє дуття) або поперек дуги (поперечне дуття). Розглянуті методи гасіння дуги широко використовуються в вимикачах на напругу вище 1 кВ.

Інші методи гасіння дуги в апаратах на напругу вище 1 кВ