Процесът на образуване на електрическа дъга и методи за неговото гасене

При отваряне на електрическата верига възниква електрически разряд под формата електрическа дъга. За появата на електрическа дъга е достатъчно напрежението на контактите да е над 10 V при ток във веригата от порядъка на 0,1 А или повече. При значителни напрежения и токове температурата вътре в дъгата може да достигне 3-15 хиляди ° C, в резултат на което контактите и частите под напрежение се стопяват.

При напрежения от 110 kV и повече дължината на дъгата може да достигне няколко метра. Следователно електрическа дъга, особено в мощни силови вериги, за напрежения над 1 kV представлява голяма опасност, въпреки че сериозни последици могат да бъдат и при инсталации за напрежения под 1 kV. В резултат на това електрическата дъга трябва да бъде ограничена доколкото е възможно и бързо да се гаси във вериги за напрежения както над, така и под 1 kV.

Причини за възникване на електрическа дъга

Процесът на образуване на електрическа дъга може да бъде опростен, както следва. Когато контактите се разминават, контактното налягане първо намалява и съответно контактната повърхност се увеличава, съпротивление на прехода (плътност на тока и температура — локално (в определени области на контактната зона) започва прегряване, което допълнително допринася за термионното излъчване, когато под въздействието на висока температура скоростта на електроните се увеличава и те избухват от повърхността на електрода.

В момента на разминаване на контакта, тоест веригата е прекъсната, напрежението бързо се възстановява в контактната междина. Тъй като в този случай разстоянието между контактите е малко, има електрическо поле високо напрежение, под въздействието на което електроните се изтеглят от повърхността на електрода. Те ускоряват в електрическо поле и при удар върху неутрален атом му придават своята кинетична енергия. Ако тази енергия е достатъчна, за да откъсне поне един електрон от обвивката на неутрален атом, тогава протича процесът на йонизация.

Образуваните свободни електрони и йони съставляват плазмата на дъговия ствол, тоест йонизирания канал, в който дъгата изгаря и се осигурява непрекъснато движение на частици. В този случай отрицателно заредените частици, предимно електроните, се движат в една посока (към анода), а атомите и молекулите на газовете, лишени от един или повече електрони, — положително заредени частици — в обратната посока (към катода).

Плазмената проводимост е близка до тази на металите.

В дъговия вал тече голям ток и се създава висока температура. Тази температура на дъговия цилиндър води до термична йонизация — процесът на образуване на йони поради сблъсък на молекули и атоми с висока кинетична енергия при високи скорости на тяхното движение (молекули и атоми на средата, където дъгата изгаря, се разпадат на електрони и положително заредени йони). Интензивната термична йонизация поддържа висока плазмена проводимост. Следователно спадът на напрежението по дължината на дъгата е малък.

В електрическа дъга непрекъснато протичат два процеса: в допълнение към йонизацията, също дейонизацията на атомите и молекулите. Последното възниква главно чрез дифузия, тоест прехвърляне на заредени частици в околната среда и рекомбинация на електрони и положително заредени йони, които се събират отново в неутрални частици с връщане на енергията, изразходвана за разпадането им. В този случай топлината се отвежда в околната среда.

По този начин могат да се разграничат три етапа на разглеждания процес: запалване на дъга, когато поради ударната йонизация и излъчването на електрони от катода започва дъгов разряд и интензивността на йонизация е по -висока от дейонизацията, стабилно изгаряне на дъгата, поддържано от термично йонизация в дъговия цилиндър, когато интензитетите на йонизация и дейонизация са еднакви, изчезване на дъгата, когато интензитетът на дейонизация е по -висок от този на йонизацията.

Методи за гасене на дъгата в електрически комутационни устройства

За да изключите елементите на електрическата верига и да изключите повреда на превключващото устройство, е необходимо не само да отворите контактите му, но и да гасите дъгата, която се появява между тях. Процесите на гасене на дъгата, както и изгаряне, с променлив и постоянен ток са различни. Това се определя от факта, че в първия случай токът в дъгата преминава през нула на всеки полупериод. В тези моменти освобождаването на енергия в дъгата спира и дъгата всеки път спонтанно изгасва, а след това отново се запалва.

На практика токът в дъгата става близо до нула малко по -рано от пресичането на нулата, тъй като когато токът намалее, енергията, подавана към дъгата, намалява, а температурата на дъгата съответно намалява и термичната йонизация спира. В този случай процесът на дейонизация продължава интензивно в дъговата междина. Ако отворите и бързо отворите контактите в момента, тогава последващото електрическо прекъсване може да не настъпи и веригата ще бъде изключена без дъга. На практика обаче това е изключително трудно да се направи и затова се предприемат специални мерки за ускоряване на изчезването на дъгата, осигуряване на охлаждане на дъговото пространство и намаляване на броя на заредените частици.

В резултат на дейонизацията диелектричната якост на пролуката постепенно се увеличава и в същото време напрежението на възстановяване в нея се увеличава. От съотношението на тези стойности зависи дали дъгата ще светне през следващата половина от периода или не. Ако диелектричната якост на пролуката се увеличи по -бързо и е по -голяма от напрежението за възстановяване, дъгата вече няма да се запали, в противен случай ще бъде осигурена стабилна дъга. Първото условие определя проблема с гасенето на дъга.

В превключващите устройства се използват различни методи за гасене на дъга.

Удължаване на дъгата

Ако контактите се разминават по време на изключването на електрическата верига, възникващата дъга се разтяга. В същото време условията за охлаждане на дъгата се подобряват, тъй като повърхността й се увеличава и е необходимо повече напрежение за изгаряне.

Разделяне на дълга дъга на поредица от къси дъги

Ако дъгата, образувана при отваряне на контактите, е разделена на K къси дъги, например чрез издърпване в метална скара, тя ще изгасне. Обикновено дъгата се вкарва в метална решетка под въздействието на електромагнитно поле, индуцирано в решетъчните плочи от вихрови токове. Този метод за гасене на дъгата се използва широко в комутационни устройства за напрежения под 1 kV, по -специално в автоматични въздушни превключватели.

Дъгово охлаждане в тесни слотове

Улеснява се гасенето на малки дъги. Следователно, в превключващи устройства широко се използват дъгови улеи с надлъжни прорези (оста на такъв прорез съвпада по посока с оста на дъговия цилиндър). Такава празнина обикновено се образува в камери, изработени от изолационни дъгоустойчиви материали. Поради контакта на дъгата със студени повърхности, настъпва нейното интензивно охлаждане, дифузията на заредени частици в околната среда и съответно бърза дейонизация.

В допълнение към прорезите с плоско-паралелни стени се използват и прорези с ребра, издатини, удължители (джобове). Всичко това води до деформация на дъговия цилиндър и увеличава площта на контакта му със студените стени на камерата.

Дъгата се изтегля в тесни прорези обикновено от магнитно поле, взаимодействащо с дъгата, което може да се разглежда като проводник с ток.

Външен магнитно поле за преместване на дъгата най -често се осигурява от бобина, свързана последователно с контактите, между които възниква дъгата. Дъговото гасене в тесни слотове се използва в устройства за всички напрежения.

Дъгова гасене под високо налягане

При постоянна температура степента на йонизация на газа намалява с увеличаване на налягането, докато топлопроводимостта на газа се увеличава. При равни други условия това води до подобрено дъгово охлаждане. Дъгогасенето чрез високо налягане, създадено от самата дъга в плътно затворени камери, се използва широко в предпазители и редица други устройства.

Дъгогасене в масло

Ако превключване на контакти поставени в масло, дъгата, възникваща при отварянето им, води до интензивно изпаряване на маслото. В резултат на това около дъгата се образува газов мехур (обвивка), състоящ се предимно от водород (70 … 80%), както и от нефтени пари. Емитираните газове проникват директно в зоната на дъговия цилиндър с висока скорост, предизвикват смесване на студен и горещ газ в балона, осигуряват интензивно охлаждане и съответно дейонизация на дъговата междина. В допълнение, дейонизиращата способност на газовете увеличава налягането вътре в балона, създадено по време на бързото разлагане на маслото.

Интензивността на процеса на гасене на дъгата в маслото е толкова по -висока, колкото по -близо дъгата влиза в контакт с маслото и толкова по -бързо се движи маслото спрямо дъгата. Като се има предвид това, дъговата междина е ограничена от затворено изолационно устройство — дъгови улей… В тези камери се създава по -тесен контакт на маслото с дъгата, а с помощта на изолационни плочи и изпускателни отвори се образуват работни канали, през които се осъществява движението на масло и газове, осигуряващи интензивно издухване (издухване) на дъгата.

Дъгови улеи според принципа на действие те се разделят на три основни групи: със самодухане, когато се създава високо налягане и скорост на движение на газа в зоната на дъгата поради енергията, отделена в дъгата, с принудително издухване на масло с помощта на специално изпомпване хидравлични механизми, с магнитно гасене в масло, когато дъгата е под действието на магнитното поле се премества в тесни процепи.

Най -ефективен и прост самодуващи се дъгови улеи… В зависимост от разположението на каналите и изпускателните отвори се разграничават камери, в които се осигурява интензивно издухване на газово-паровата смес и маслото по течението на дъгата (надлъжно издухване) или през дъгата (напречно издухване). Разглежданите методи за гасене на дъга се използват широко в прекъсвачи за напрежения над 1 kV.

Други методи за гасене на дъгата в устройства за напрежения над 1 kV

В допълнение към горните методи за гасене на дъгата, те също използват: сгъстен въздух, чийто поток издухва дъгата по протежение или напречно, осигурявайки нейното интензивно охлаждане (вместо въздух се използват и други газове, често получени от твърд газ- генериращи материали — влакна, винилова пластмаса и др. — за сметка на тяхното разлагане от самата горяща дъга), SF6 (серен хексафлуорид), който има по -висока електрическа якост от въздуха и водорода, в резултат на което дъгата, изгаряща в този газ, дори при атмосферно налягане, бързо се гаси, силно разреден газ (вакуум), когато контактите се отворят, в които дъгата не се запалва (гаси) след първото преминаване на тока през нула.