При размыкании электрических цепей с помощью контактов электрических аппаратов (выключателей, автоматов, рубильников, контакторов) обычно на этих контактах возникает дуговой разряд если величины тока и напряжения превосходят некоторые критические значения.
ДУГА – это явление прохождения электрического поля через газ, который под действием различных факторов ионизируется.
Известно четыре основных пути появления в дуговом промежутке электрических зарядов – ударная и термическая ионизация, термо- и автоэлектронная эмиссии.
Ионизация есть процесс появления в дуговых промежутках электрических зарядов – положительных и отрицательных электронов.
- ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ – это явление испускания электронов из раскаленной поверхности катода.
После разрыва жидкометаллического мостика на катоде образуется пятно, которое и является основанием дуги. Под действием температуры этого пятна электроны получают энергию для преодоления потенциального барьера и выскакивают с электрона в пространство.
Количество электронов в результате термоэлектронной эмиссии невелико и этот процесс служит для разжигания дуги, т.е. является инициатором возникновения дуги. Но его недостаточно для поддержания горения. Наряду с этим процессом возникает процесс автоэлектронной эмиссии.
- АВТОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ – это явление испускания электронов из катода под действием сильного электрического поля. (Напряженность электрического поля >100 МВ/см). Этот процесс тоже незначительный, он также может служить только началом развития дугового разряда.
Таким образом, возникновение дугового разряда объясняется наличием термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий.
Основные два процесса, которые поддерживают дугу это:
- термическая ионизация – процесс ионизации под воздействием высокой температуры (основной вид ионизации).
Температура ствола дуги достигает 7000 К. Под действием этой высокой температуры возрастает число и скорость движения заряженных частиц. При этом они соударяются, электрон при столкновении с нейтральной частицей может выбить из нее электрон. В результате получается свободный электрон и положительный ион. Вновь полученный электрон может, в свою очередь, ионизировать следующую частицу. Такая ионизация называется – ударной ионизацией.
ПРОЦЕССЫ ДЕИОНИЗАЦИИ (гашение дуги):
- Рекомбинация – процесс образования нейтральных атомов при соударении разноименно заряженных частиц.
- Диффузия – это процесс выноса заряженных частиц из дугового промежутка в окружающее пространство, что уменьшает проводимость дуги. (Вынос заряженных частиц с помощью магнитного поля).
ВАХ ДУГИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Основной характеристикой электрической дуги является вольтамперная характеристика, т.е. зависимость падения напряжения на дуге от величины тока. При свободном горении дуги ВАХ дуги имеет падающий характер – с увеличением тока в дуге напряжение на ней уменьшается, т.к. сопротивление дуги уменьшается обратно пропорционально квадрату тока.
Падение напряжения на дуге зависит не только от величины тока, но также от скорости его изменения. При медленном изменении тока процессы ионизации и деионизации успевают следовать за изменениями тока, вольтамперная характеристика, снятая при таком условии, носит название статической.
При быстром изменении тока дуговой промежуток не успевает прийти в соответствие с величиной тока в цепи и напряжение на дуге будет уже не таким, как при медленном изменении тока. Характеристику дуги для такого случая называют динамической.
|
|
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ КАТОДНОЕ ПАДЕНИЕ – сосредоточено на очень небольшом участке дуги, непосредственно примыкающем к катоду (около 0,001 мм при нормальном атмосферном давлении). Средняя напряженность электрического поля у катода достигает величины порядка 105 В/см.
.
ПО ДЛИНЕ ДУГИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Анодное падение напряжения – имеет место в области непосредственно примыкающей к аноду. Оно не является необходимым условием существования дугового разряда, т.к. задача анода относительно пассивна – принимать идущий к нему электронный поток.
Величина анодного падения напряжения зависит от температуры анода, рода металла и пр.
Падение напряжения в дуговом столбе (
) представляет собой произведение напряженности электрического поля (
) на длину столба (
).
Величина напряженности электрического поля в дуговом столбе существенно зависит от условий, в которых горит дуга и свойств дугогасящей среды. Меньшее значение относится к открытым дугам в воздухе при относительно больших токах, а большее – к дугам, находящимся в потоке газов или паров жидкости, когда отбор тепла от дугового столба делается особо интенсивным.
УСЛОВИЯ ГОРЕНИЯ И ГАШЕНИЯ ДУГИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Чтобы погасить дугу постоянного тока, необходимо создать такие условия, при которых в дуговом промежутке при всех значениях тока от начального до нулевого процессы деионизации превосходили бы процессы ионизации.
Для содержащей активное сопротивление (
), индуктивность (
) и дуговой промежуток с падением напряжения (
) цепи, к которой приложено напряжение источника тока (
), будет в любое время справедливо уравнение:
,где 
- падение напряжения на индуктивности при изменении тока.При устойчиво горящей дуге 
и 
.
Для погасания дуги необходимо, чтобы ток в ней все время уменьшался. Это означает, что 
, а 
.
- пропорционально напряжению дуги;
- пропорционально напряжению сети;
- пропорционально напряжению 
;
- пропорционально напряжению 
.
В точках 1 и 2 выполняется условие
В этих точках имеет место равновесное состояние. Однако в т. 1 это равновесие неустойчивое, а в т. 2 – устойчивое.
Точка 1. 
будет возрастать до значения 
(точка 2).
Между точками 1 и 2 величина 
является положительной – рост тока в цепи сопровождается накоплением электромагнитной энергии.
ток упадет до нуля – дуга погаснет.
Точка 2. При токе 
снова оказывается 
, а величина 
отрицательная. Ток в цепи будет падать до значения 
. Дуга в этой точке будет гореть устойчиво.
Для погасания дуги необходимо, чтобы при любом значении тока соблюдалось условие
Это значит, что ВАХ дуги (динамическая) должна на всем своем притяжении лежать выше характеристики (U-IR) и не иметь с этой характеристикой ни одной точки соприкосновения.
ГОРЕНИЕ И ГАШЕНИЕ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Дуга переменного тока обычно гасится легче, чем дуга постоянного тока. Чтобы погасить дугу постоянного тока, надо насильственно свести к нулю ток цепи путем непрерывного увеличения сопротивления дугового столба. При переменном токе этого делать не требуется, здесь через каждый полупериод ток естественным путем проходит через нулевой значение и надо лишь воспользоваться этим обстоятельством и создать вблизи перехода через нуль такие условия в межконтактном промежутке, чтобы протекание тока цепи вслед за этим переходом не возобновлялось.
Рассмотрим два случая гашения дуги переменного тока.
- ОТКРЫТАЯ ДУГА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПРИ ВЫСОКОМ НАПРЯЖЕНИИ ИСТОЧНИКА
Открытая дуга переменного тока в моменты перехода тока через нуль сохраняет высокую проводимость и поэтому в установках высокого напряжения гашение открытой дуги происходит не вследствие перехода через нуль и образования прочности промежутка, а главным образом вследствие растяжения дугового столба и образования на нем высокого напряжения горения (на всем протяжении полупериода). При таком режиме ток в цепи начинает заметно падать за несколько периодов до полного обрыва дуги и причиной его ограничения является возрастание сопротивления канала дуги. При определенной длине дуги переменного тока напряжение сети оказывается недостаточным для поддержания горения дуги (критическая длина), наступает нарушение баланса мощностей (подводимой и отдаваемой) и ток цепи довольно быстро уменьшается и, наконец, совсем прекращается.
Осциллограмма 
и 
на дуге “~” 
, возникшей при размыкании ножа разъединителя высокого напряжения.
В начале процесса ток в цепи меняется слабо и его величина определяется главным образом сопротивлением цепи. По мере растяжения дуги доминирующим становится сопротивление дуги.
Таким образом, если в основу анализа процесса гашения открытой дуги переменного тока положить условие нарушения баланса напряжений при горении дуги (но не нулевые переходы тока), то задача может быть сведена по существу к той же самой, которая возникает и при гашении дуги постоянного тока.
- ДУГА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В УСЛОВИЯХ АКТИВНОЙ ДЕИОНИЗАЦИИ
Если столб дуги переменного тока подвергается интенсивной деионизации, то в этом случае механизм гашения дуги существенно меняется по сравнению со случаем открытой дуги в цепи высокого напряжения. За счет активного воздействия газовой или жидкой среды диаметр дугового канала сокращается (плотность тока повышается) и изменение его следует почти синхронно с током.
При подходе тока к нулю дуговой столб приобретает весьма малые размеры и благодаря этому быстро распадается после достижения током нулевого значения, теряет свою проводимость и приобретает заметную электрическую прочность. В таком случае восстановление дуги в следующий полупериод связано с пробоем межконтактного промежутка. Эти условия характерны для отключающих аппаратов относительно высокого напряжения.
Таким образом, дуга переменного тока в условиях активной деионизации дугового столба представляет собой такое явление, когда при каждом переходе тока через нуль возникает соревнование двух процессов, а именно: процесса восстановления электрической прочности промежутка и процесса восстановления напряжения на промежутке. Исходя из такой трактовки процесса, нетрудно заключить, что для угасания дуги переменного тока при интенсивной деионизации необходимо обеспечить такой режим, при котором электрическая прочность дугового промежутка после достижения током его нулевого значения нарастала бы достаточно быстро и достигала бы достаточного уровня. Условие гашения дуги переменного тока:
восстанавливающая прочность должна быть большевосстанавливающегося напряжения.
- ДУГА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В УСЛОВИЯХ ОТКЛЮЧЕНИЯ ЦЕПЕЙ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
В установках низкого напряжения (до 1000 В) электрическое сопротивление столба дуги обычно бывает соизмеримым с сопротивлением отключаемой цепи, а напряжение на дуге – с напряжением источника питания. В таких условиях уже нельзя пренебрегать влиянием напряжения (и сопротивления) дуги, а с другой стороны - нельзя не рассматривать явлений на нуле тока, т.е. не учитывать влияния восстановления прочности при переходе тока через нуль.
СПОСОБЫ ГАШЕНИЯ ДУГИ
Для дуг постоянного и переменного токов существуют следующие способы гашения дуги:
- МЕХАНИЧЕСКОЕ РАСТЯГИВАНИЕ (только для “—” тока). Простейший способ гашения, но малоэффективен. Применим только в слаботочной аппаратуре.
- ДЕЛЕНИЕ ДУГИ НА РЯД КОРОТКИХ ДУГ (применяется как на постоянном, так и на переменном токе). Это гашение дуги с помощью дугогасительной решетки. Способ этот предложен еще в начале века русским ученым М. О. Доливо-Добровольским и до сих пор широко применяется. При расхождении контактов возникшая между ними дуга под воздействием магнитного поля движется на пластины и разбивается на ряд коротких дуг.
Т.к. на переменном токе деионная решетка работает эффективнее, чем на постоянном, а аппараты могут использоваться как на “~” так и на “—” токе (например, автоматы) число пластин рассчитывают из условия гашения дуги “—” тока.
- ГАШЕНИЕ ДУГИ ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ (применяется как на постоянном, так и на переменном токе). С ростом давления возрастает плотность газа, при этом увеличивается теплопроводность и отвод тепла от дуги. На этом принципе основано гашение дуги в предохранителях и других аппаратах низкого напряжения. (В некоторых аппаратах стенки дугогасящей камеры делаются из газогенерирующих материалов – например, фибры. Благодаря высокой температуре дуги такие стенки выделяют газ и давление в объеме поднимается до 10-15 МПа.).
- ГАШЕНИЕ ДУГИ В ПОТОКЕ СЖАТОГО ВОЗДУХА. В электрических аппаратах высокого напряжения коммутируются токи в десятки килоампер при напряжении 106 В. Для решения такой сложной задачи используется воздействие на электрическую дугу потока сжатого воздуха или других газов. Сжатый воздух обладает высокой плотностью и теплопроводностью. Омывая дугу с большой скоростью, он охлаждает ее и при прохождении тока через нуль обеспечивает деионизацию дугового столба. Воздух при высоком давлении обладает также высокой электрической прочностью, что создает высокую скорость нарастания электрической прочности промежутка.
- ГАШЕНИЕ ДУГИ В ТРАНСФОРМАТОРНОМ МАСЛЕ. Этот способ гашения дуги нашел широкое применение в выключателях переменного тока на высокое напряжение. Контакты выключателя погружаются в масло. Возникающая при разрыве дуга (5000-60000 С) приводит к очень интенсивному испарению окружающего масла с диссоциацией его паров. Вокруг дуги образуется газовая оболочка – газовый пузырь, состоящий в основном из водорода (70-80% газов пузыря) и паров масла. Водород, обладающий наивысшими среди газов дугогасящими свойствами (обладает исключительно высокой теплопроводностью), наиболее тесно соприкасается со стволом дуги. Выделяемые с громадной скоростью газы проникают непосредственно в зону ствола дуги, вызывают перемешивание холодного и горячего газа в пузыре, создают интенсивное охлаждение и деионизацию промежутка. Быстрое разложение масла приводит к повышению давления внутри пузыря, что также способствует гашению дуги.
- ГАШЕНИЕ ДУГИ В ВАКУУМНОЙ СРЕДЕ (применяется как на постоянном, так и на переменном токе). В вакуумном ДУ (дугогасительном устройстве) контакты расходятся в среде с давлением 10-4 Па (10-6 мм рт.ст.), при котором плотность воздуха мала. Длина свободного пробега молекул достигает 50 и электронов – 300 м. В вакууме очень высокая скорость диффузии из-за большой разницы плотностей частиц в дуге и окружающем ее вакууме. Практически через 10 мкс после нуля тока между контактами восстанавливается электрическая прочность вакуума. Быстрая диффузия частиц, высокие электрическая прочность вакуума и скорость ее восстановления обеспечивают гашение дуги при первом прохождении тока через нуль. Вакуумные ДУ являются в настоящее время наиболее эффективными и долговечными. Их срок службы достигает 25 лет.
- ГАШЕНИЕ ДУГИ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ МАГНИТНОГО ПОЛЯ (применяется как на постоянном, так и на переменном токе). Электрическая дуга является своеобразным проводником с током, который может взаимодействовать с магнитным полем. Сила взаимодействия между током дуги и магнитным полем перемещает дугу, создается так называемое магнитное дутье. В ДУ с магнитным дутьем может быть применено либо последовательное либо параллельное подключение катушки.
ДУ С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО ВКЛЮЧЕННОЙ КАТУШКОЙ
Достоинства:
- при токах свыше 100 А магнитное поле быстро сдвигает дугу с рабочих поверхностей контактов, чем обеспечивается их малый износ. Система хорошо работает в области больших токов;
- (неполярность) при изменении направления тока меняет знак и магнитное поле. Сила, действующая на дугу, не изменяет своего направления. Система работает при любом направлении тока;
- поскольку через катушку проходит номинальный ток, она выполняется из провода большого сечения. Падение напряжения на катушке составляет доли Вольта.
Недостатки:
- сила, действующая на дугу, пропорциональна квадрату тока. Следовательно, при малых токах сила мала и время гашения дуги велико;
- большое сечение катушки
большой расход меди до 
от массы контакторов приходится на катушку.
ДУ С ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ КАТУШКОЙ
Недостатки:
- направление электродинамической силы, действующей на дугу, зависит от полярности тока. При изменении направления тока меняется направление движения дуги (и контактор становится неработоспособным);
- при КЗ возможно снижение напряжения на источнике, питающем катушку. В результате процесс гашения дуги идет неэффективно;
- в случае обрыва катушки отсутствие дугогашения.
Воздействовать на дугу можно и магнитным полем постоянного магнита. При этом отсутствуют затраты энергии на создание магнитного поля, резко сокращается расход меди.
