§ 4. Электрическая дуга и принципы ее гашения в выключателях высокого напряжения
При размыкании электрической цепи, если напряжение, действующее в этой цепи, не менее 10—20 в и ток не менее 0,1 а, между размыкаемыми контактами образуется электрическая дуга, причем протекание тока в цепи прекращается только после погасания дуги. Явление электрической дуги было впервые открыто в 1802 г. русским ученым академиком В. В. Петровым. Сущность этого явления в основном заключается в следующем.
После расхождения контактов, несмотря на прекращение их непосредственного касания, ток продолжает протекать через промежуток между ними. В этом промежутке, заполненном воздухом или другими газами и частично парами металла, образуется нагретый до очень высокой температуры газовый канал (ствол дуги), по которому и проходит ток. Ствол дуги окружен менее нагретыми газами, которые практически ток не проводят.
Таким образом, электрическую дугу можно рассматривать как газообразный проводник электрического тока, имеющий ограниченное поперечное сечение.
Как известно, в обычных условиях газ почти совсем не проводит электрический ток, т. е. является изолирующей средой. Для того чтобы газ приобрел заметную электропроводность, он должен быть ионизирован, т. е. часть его электрически нейтральных частиц (атомов и молекул) должна быть расщеплена на положительно и отрицательно заряженные частицы (ионы и электроны). Для расщепления нейтральных частиц требуется затрата определенного количества энергии, зависящего от количества расщепленных частиц (степени ионизации). Движение этих заряженных частиц под действием электрического поля (приложенного напряжения) и создает электрический ток в газе.
Ионизация газа может быть вызвана в основном следующими причинами:
- Действием коротковолнового излучения (в частности, ультрафиолетовых, рентгеновских, космических лучей и пр.)· Получающаяся при этом ионизация весьма слаба, однако благодаря действию того или иного излучения в воздухе, например, всегда имеется некоторое небольшое количество заряженных частиц.
- Сильным электрическим полем (падение напряжения — тысячи и десятки тысяч вольт на сантиметр), под действием которого имеющиеся в газе свободные электроны приобретают большие скорости и при столкновении с нейтральными частицами производят их расщепление. Образующиеся новые электроны в свою очередь разгоняются электрическим полем и могут расщеплять новые нейтральные частицы. Такой вид ионизации имеет место, например, при короне и при искровом разряде.
- Весьма высокой температурой (порядка 10 000°), при которой средняя скорость хаотического теплового движения частиц становится настолько большой, что значительная часть их соударений приводит к расщеплению с образованием свободных электронов и ионов, т. е. к ионизации. При этом одновременно с расщеплением одних частиц происходит воссоединение других ранее расщепленных и, в результате, при данной температуре устанавливается некоторый неизменный процент расщепленных частиц.
Последний вид ионизации (термическая ионизация) и имеет место в стволе электрической дуги. Электропроводность дуги в результате термической ионизации сравнительно велика, поэтому падение напряжения на дуге составляет всего несколько десятков вольт на сантиметр.
Высокая температура дуги поддерживается за счет тепловой энергии, выделяемой в ней током. Одновременно с выделением этой энергии происходит процесс рассеивания тепловой энергии в окружающее пространство и в контакты, причем для дуг достаточной длины (с которыми приходится иметь дело в выключателях высокого напряжения) энергия, отдаваемая в контакты, мала по сравнению с энергией, рассеиваемой в окружающее пространство. Последняя зависит от размеров дуги и приблизительно пропорциональна боковой поверхности ее ствола. При одинаковой боковой поверхности рассеиваемая энергия тем больше, чем интенсивнее дуга подвергается искусственному охлаждению.
Боковая поверхность ствола дуги является границей между сильно нагретыми, проводящими газами внутри ствола и менее нагретыми, практически непроводящими газами снаружи.
а) Дуга постоянного тока.
При постоянном токе и неизменной длине устойчиво горящей дуги устанавливается тепловое равновесие, т. е. энергия, выделяемая в дуге током, равна энергии, рассеиваемой в окружающее пространство и в контакты. При этом средняя по сечению температура ствола дуги и самое сечение ствола поддерживаются неизменными, и следовательно, остается неизменным также и сопротивление дуги.
Если теперь, например, быстро изменить величину тока до некоторого меньшего значения, то указанное выше тепловое равновесие нарушится, так как размеры ствола дуги, а следовательно, и рассеиваемая с ее боковой поверхности энергия в первый момент остаются неизменными, а выделяемая в 'стволе энергия уменьшается пропорционально квадрату тока (пока сечение ствола и сопротивление дуги еще не изменились). В результате этого дуга начнет охлаждаться и указанная ранее граница между проводящими и непроводящими газами будет приближаться к оси ствола дуги, т. е. сечение ствола будет уменьшаться.
В связи с этим, с одной стороны, будет уменьшаться боковая поверхность ствола дуги и, соответственно, рассеиваемая энергия, а с другой стороны, будет увеличиваться сопротивление дуги (соответственно уменьшению поперечного сечения) и увеличиваться выделяемая в дуге энергия, т. е. будут происходить изменения, приводящие к уменьшению разницы между выделяемой и рассеиваемой энергиями. В результате через некоторое время установится новое тепловое равновесие, но уже при меньшем поперечном сечении ствола дуги.
Если, наоборот, быстро изменить ток до некоторого большего значения, то тепловое равновесие также нарушится, причем поперечное сечение ствола дуги будет увеличиваться до тех пор, пока не наступит новое тепловое равновесие, но при увеличенном сечении ствола и соответственно уменьшенном сопротивлении дуги.
Таким образом, поперечное сечение ствола дуги и ее сопротивление изменяются соответственно изменению тока в дуге. Однако эти изменения происходят с некоторым отставанием по времени от изменения тока (так называемая «тепловая инерция» дуги).
Тепловое равновесие может быть нарушено также либо путем быстрого увеличения интенсивности охлаждения дуги, либо путем быстрого ее удлинения. В обоих случаях происходит увеличение сопротивления дуги (в первом случае — за счет уменьшения поперечного сечения, во втором случае — за счет удлинения), в связи с чем уменьшается ток. При этом в зависимости от интенсивности охлаждения или от степени удлинения дуги может либо установиться новое тепловое равновесие (при меньшем токе и большем напряжении на дуге), и дуга будет продолжать устойчиво гореть, либо вследствие ограниченной мощности источника тока выделяемая в дуге энергия при данной интенсивности охлаждения или данной степени удлинения окажется уже недостаточной для поддержания нового теплового равновесия, и тогда дуга, непрерывно охлаждаясь, погаснет.
Таким образом, гашение дуги постоянного тока может быть осуществлено либо путем достаточно интенсивного ее охлаждения, либо путем достаточно большого ее удлинения.
