Лекция №5. Электрическая дуга

В коммутационных электрических аппаратах, предназначенных для замыкания и размыкания цепи с током, при отключении возникает электрический разряд в газе либо в виде в виде тлеющего разряда, либо в виде дуги. Тлеющий разряд возникает когда ток ниже 0,1А, а напряжение на контактах 250-300В. Тлеющий разряд встречается на контактах маломощных реле. Дуговой разряд наблюдается только при больших токах. Минимальный ток для металлов 0,4-0,9А.

В дуговом разряде различают три области: околокатодную, область ствола дуги, околоанодную (рис.15).

Рис. 15. Области дугового разряда

Околокатодная область занимает весьма небольшое пространство (общая длина ее и анодной области порядка 10^-6м). Падение напряжения на ней составляет 10-20В и практически не зависит от тока. Средняя напряженность электрического поля достигает 100кВ/см. Такая весьма высокая напряженность электрического поля, достаточная для ударной ионизации газа (воздуха при нормальном атмосферном давлении) или паров материала катода, обусловлена наличием в этой области нескомпенсированного положительного объемного заряда. Однако ввиду малой протяженности околокатодной области электроны не набирают скорости, достаточной для ударной ионизации. Чаще всего после удара атом переходит в возбужденное состояние (электрон атома переходит на более удаленную от ядра орбиту). Теперь для ионизации возбужденного атома требуется меньшая энергия. Такая ионизация называется ступенчатой. При ступенчатой ионизации необходим многократный (несколько десятков) удар электронов по атому.

Наличие нескомпенсированного положительного объемного заряда в значительной степени определяет чрезвычайно высокую плотность тока на катоде - 100-1000А/мм².

Положительные ионы разгоняются в поле катодного падения напряжения и бомбардируют катод. При ударе ионы отдают свою энергию катоду, нагревая его и создавая условия для выхода электронов, происходит термоэлектронная эмиссия электронов с катода.

Область ствола электрической дуги представляет собой газообразную, термически возбужденную ионизированную квазинейтральную среду- плазму, в которой под действием электрического поля носители зарядов (электроны и ионы) движутся в направлении к электродам противоположного знака.

Средняя напряженность электрического поля около 20-30В/см, что недостаточно для ударной ионизации. Основным источником электронов и ионов является термическая ионизация, когда при большой температуре скорость нейтральных частиц увеличивается настолько, что при их столкновении происходит их ионизация.

Околоанодная область, имеющая весьма малую протяженность характеризуется также резким падением потенциала, обусловленным наличием нескомпенсированного отрицательного объемного заряда. Электроны разгоняются в поле анодного падения напряжения и бомбардируют анод который нагревается до температуры как правило большей чем температура катода. Околоанодная область не оказывает существенного влияния на возникновение и условие существования дугового разряда. Задача анода сводится к приему электронного потока из ствола дуги.

Если U_c<(U_к+U_А), то дуга называется короткой, она характерна для некоторых низковольтных аппаратов.

Если U_c>(U_к+U_А), то дуга называется длинной, она характерна для высоковольтных аппаратов.

Статическая вольт-амперная характеристика – устанавливает связь между различными значениями установившегося постоянного тока и падением напряжения на дуге при неизменной длине дуги и неизменных условиях ее горения. В этом случае при каждом значении установившегося постоянного тока устанавливается тепловой баланс (количество тепла выделяемого в дуге равно количеству тепла отдаваемого дугой в окружающую среду)

, (47)

где m - показатель, зависящий от вида (способа) воздействия окружающей среды на ствол дуги; A_m – постоянная, определяемая интенсивностью теплообмена в зоне ствола дуги при данном (m) способе воздействия окружающей среды; l – длина дуги.

Характеристика имеет падающий характер. При увеличении силы тока возрастает термоэлектронная эмиссияэлектронов с катода и степень ионизации дуги вследствие чего снижается сопротивление дуги. Причем скорость снижения сопротивления дуги выше, чем скорость роста тока.

Динамическая вольт-амперная характеристика – устанавливает связь между током, изменяющемся определенным образом во времени и падением напряжения на дуге при неизменной длине дуги и неизменных условиях ее горения. В этом случае скорость изменения тока такова, что тепловой баланс не успевает установиться, изменение сопротивления дуги отстает от изменения тока.

При возрастании тока динамическая характеристика (кривая В на рис. 16) идет выше статистической (кривая А на рис. 16), так как при быстром росте тока сопротивление дуги падает медленнее, чем растет ток. При уменьшении – ниже, поскольку в этом режиме сопротивление дуги меньше, чем при медленном изменении тока (кривая С на рис. 16).

Рис.16. Статистическая и динамическая вольт-амперная характеристика дуги

Динамическая характеристика в значительной степени определяется скоростью изменения тока в дуге. Если в цепь ввести очень большое сопротивление за время, бесконечно малое по сравнению с тепловой постоянной времени дуги, то в течении времени спада тока до нуля сопротивление дуги останется постоянным. в этом случае динамическая характеристика изобразится прямой, проходящей в начало координат (прямая D на рис. 16), т. е. дуга ведет себя как металлический проводник, так как напряжение на дуге пропорционально току.

Условия стабильного горения и гашения дуги постоянного тока. Рассмотрим цепь постоянного тока (рис. 17).

Рис.17. Дуга в цепи постоянного тока

Для рассматриваемой цепи

(48)

Очевидно, что стационарным режимом, когда дуга горит стабильно будет такой, при котором ток в цепи не меняется, т. е. . В этом режиме скорость роста числа ионизированных частиц равна скорости их исчезновения в результате процессов деионизации -устанавливается динамическое равновесие.

На графике приведена падающая вольт-амперная характеристика дуги и наклонная прямая U-iR. Из (48) следует, что

(49)

Отсюда очевидно, что в точках 1 и 2. Причем точка 1 является точкой неустойчивого равновесия; случайные как угодно малые отклонения тока приводят или к увеличению тока до значения i₂, или уменьшают его до нуля. В точке 2 дуга горит стабильно; случайные малые отклонения тока в ту или другую сторону приводят его к обратно к значению i₂. Из графика видно, что дуга при всех значениях тока не может гореть стабильно если падение напряжения на дуге () превосходит напряжение подаваемое на дугу от источника ()

(50)

Таким образом, для гашения дуги необходимо создать условия при которых падение напряжения на дуге превосходило бы напряжение подаваемое на дугу от источника, в пределе напряжение сети.

Для гашения дуги используют три явления:

1. Увеличение длины дуги путём её растяжения.

Чем длиннее дуга, тем большее напряжение необходимо для ее существования (тем выше располагается ее вольт-амперная характеристика – (кривая U¹ _д на рис.17). Если напряжение, подаваемое на дугу от источника (прямая ) окажется меньше вольт-амперной характеристики дуги – (кривая U¹ _д), то нет условий стабильного горения дуги, дуга гаснет.

Это самый простой, но самый не эффективный способ. Например, для того, чтобы, например, погасить дугу с током 100A при напряжение 220 B требуетсярастянуть дугу на расстояние 25 ÷ 30 см, что практически в электрических аппаратах сделать невозможно (увеличиваются габариты). Поэтому данный способ используется в качестве основного только услаботочных электрических аппаратов (реле, магнитные пускатели, выключатели).

2. Воздействие на ствол дуги путём охлаждения, добиваясь увеличения продольного градиента напряжения.

2.1 Гашение дуги в узких щелях (рис. 18). Если дуга горит в узкой щели, образованной дугостойким материалом, то благодаря соприкосновению с холодными поверхностями происходит интенсивное охлаждение и диффузия заряженных частиц из канала дуги в окружающую среду. Это приводит к гашению дуги. Способ используется в аппаратах на напряжение до 1000В.

Рис. 18. Гашение дуги в узких щелях

2.2 Гашение дуги в масле (рис.19). Если контакты отключающего аппарата поместить в масло, то возникающая при размыкании дуга приводит к интенсивному газообразованию и испарению масла. Вокруг дуги образуется газовый пузырь, состоящий в основном из водорода, обладающего высокими дугогасящими свойствами. Повышенное давление внутри газового пузыря способствует лучшему охлаждению дуги и ее гашению. Способ используется в аппаратах на напряжение выше 1000В.

Рис. 19.Гашение дуги в масле

2.3 Газовоздушное дутье (рис.20). Охлаждение дуги улучшается, если создать направленное движение газов — дутье вдоль или поперек дуги.

Рис.20.Газовоздушное дутье: а - вдоль дуги, б - поперек дуги.

Способ используется в аппаратах на напряжение выше 1000В.

3. Используя околоэлектродное падение напряжения.

Деление длинной дуги на ряд коротких (рис. 21). Если длинную дугу затянуть в дугогасительное устройство, имеющее металлические пластины (дугогасительную решетку), то она разделится на п коротких дуг. У каждой пластины решётки возникают околоэлектродные падения напряжения. За счёт суммы околоэлектродных падений напряжений суммарное падение напряжения становится больше,чем даваемое источником питания, и дуга гаснет. Дуга гаснет, если U<nU_кат , где U — напряжение сети: U_кат — катодное падение напряжения (20—25 В в дуге постоянного тока; 150—250 В в дуге переменного тока). Способ используется в аппаратах на напряжение выше 1000В.

Рис.21. Деление длинной дуги на ряд коротких

Гашению дуги способствуют, используемые в качестве внутренней изоляции аппаратов на напряжение выше 1000В, высокоразряженные газы или газы высокого давления.

Гашение дуги в вакууме. Высокоразряженный газ обладает электрической прочностью в десятки раз большей, чем газ при атмосферном давлении; это используется в вакуумных контакторах и выключателях.

Гашение дуги в газах высокого давления. Воздух при давлении 2 МПа и более обладает высокой электрической прочностью, что позволяет создать компактные гасительные устройства в воздушных выключателях. Эффективно использование шестифтористой серы SF₆ (элегаза) для гашения дуги.

Условия гашения дуги переменного тока.

Активная нагрузка

Пусть контакты разошлись в точке а. Между ними загорается дуга. К концу полупериода из-за уменьшения тока увеличивается сопротивление ствола дуги и соответственно увеличивается напряжение на дуге. При подходе тока к нулю к дуге подводится малая мощность, температура дуги уменьшается, соответственно замедляется термическая ионизация и ускоряются процессы деионизации - дуга гаснет (точка 0). Ток в цепи обрывается до своего естественного прохождения через нуль. Напряжение соответствующие обрыву тока – пик гашения U_г.

Рис. 22. Гашения дуги переменного тока при активной нагрузке

После гашения дуги происходит процесс восстановления электрической прочности дугового промежутка (кривая а₁ – б₁). Под электрической прочности дугового промежутка подразумевается напряжение, при котором происходит электрический пробой дугового промежутка. Начальная электрическая прочность (точка а₁) и скорость ее возрастания зависят от свойств дугогасительного устройства. В момент t₁ кривая напряжения на дуговом промежутке пересекается с кривой восстановления электрической прочности дугового промежутка – происходит зажигание дуги. Напряжение зажигания дуги – пик зажигания U_з. Кривая напряжения на дуге имеет седлообразную форму.

В точке 0¹ дуга вновь гаснет и происходят процессы, аналогичные описанным ранее. К моменту 0¹ вследствие расхождения контактов длина дуги возрастает, отвод тепла от дуги увеличивается, Увеличивается соответственно и начальная электрическая прочность (точка а₂) и скорость ее возрастания (кривая а₂ –в₂). Соответственно этому увеличивается и бестоковая пауза 0¹ - t₂ > 0 - t₁.

В момент t₂ снова происходит зажигание дуги. В точке 0¹¹ дуга гаснет. Вновь увеличивается начальная электрическая прочность (точка а₃) и скорость ее возрастания (кривая а₃ –б₃). Кривая напряжения не пересекается с кривой возрастания электрической прочности. Дуга в этом полупериоде не зажигается.

В открытой дуге при высоком напряжении (роговой разрядник), определяющим фактором является активное сопротивление сильно растянутого ствола дуги условия гашения дуги переменного тока приближаются к условиям гашения дуги постоянного тока и процессы после перехода тока через нуль мало влияют на гашение дуги.

Индуктивная нагрузка.

При индуктивной нагрузке бестоковая пауза очень мала (примерно 0,1мкс), то есть дуга горит практически непрерывно. Отключение индуктивной нагрузки сложнее, чем активной. Здесь нет обрыва тока.

В целом процесс дугогашения на переменном токе легче, чем на постоянном. Рациональным условием гашения дуги переменного тока следует считать такое, когда гашение осуществляется в первый после размыкания контактов переход тока через нуль.

Вопросы для самопроверки:

· Области дугового разряда.

· Статическая вольт-амперная характеристика.

· Динамическая вольт-амперная характеристика.

· Условия стабильного горения и гашения дуги постоянного тока.

· Какие явления используются для гашения дуги?

· Условия гашения дуги переменного тока.

Дата добавления: 2014-01-20