1. Condizioni per l'innesco e la combustione di un arco
Apertura circuito elettrico in presenza di corrente al suo interno, è accompagnato da una scarica elettrica tra i contatti. Se nel circuito scollegato la corrente e la tensione tra i contatti sono maggiori di quelle critiche per queste condizioni, allora a arco, il cui tempo di combustione dipende dai parametri del circuito e dalle condizioni di deionizzazione del gap dell'arco. La formazione di un arco quando si aprono i contatti in rame è possibile già con una corrente di 0,4-0,5 A e una tensione di 15 V.
Riso. uno. Posizione in un arco CC stazionario tensione U(a) e intensitàE(B).
Nell'arco si distinguono lo spazio vicino al catodo, l'albero dell'arco e lo spazio vicino all'anodo (Fig. 1). Tutto lo stress è distribuito tra queste aree u a, u sd, u ma. La caduta di tensione del catodo nell'arco CC è di 10–20 V e la lunghezza di questa sezione è di 10–4–10–5 cm, quindi si osserva un'elevata intensità del campo elettrico (105–106 V/cm) vicino al catodo . A intensità così elevate, si verifica la ionizzazione per impatto. La sua essenza sta nel fatto che gli elettroni strappati dal catodo dalle forze del campo elettrico (emissione di campo) o dal riscaldamento del catodo (emissione termoionica) vengono accelerati in campo elettrico e quando colpiscono un atomo neutro, gli danno la loro energia cinetica. Se questa energia è sufficiente per strappare un elettrone dal guscio di un atomo neutro, si verificherà la ionizzazione. Gli elettroni e gli ioni liberi risultanti costituiscono il plasma dell'albero dell'arco.
Riso. 2. .
La conducibilità del plasma si avvicina a quella dei metalli [ a\u003d 2500 1 / (Ohm × cm)] / Una grande corrente passa nell'albero dell'arco e crea calore. La densità di corrente può raggiungere 10.000 A / cm2 o più e la temperatura - da 6000 K a pressione atmosferica fino a 18000 K e oltre a pressioni elevate.
Le alte temperature nell'albero dell'arco provocano un'intensa ionizzazione termica, che mantiene l'elevata conduttività del plasma.
La ionizzazione termica è il processo di formazione di ioni dovuto alla collisione di molecole e atomi con elevata energia cinetica ad alte velocità del loro movimento.
Maggiore è la corrente nell'arco, minore è la sua resistenza e quindi è necessaria una minore tensione per bruciare l'arco, ovvero è più difficile estinguere un arco con una grande corrente.
Con corrente alternata, la tensione di alimentazione tu cd cambia in modo sinusoidale, cambia anche la corrente nel circuito io(Fig. 2) e la corrente è in ritardo rispetto alla tensione di circa 90 °. Tensione d'arco tu e, bruciando tra i contatti dell'interruttore, a intermittenza. A basse correnti, la tensione aumenta a un valore tu h (tensione di accensione), quindi all'aumentare della corrente nell'arco e della ionizzazione termica, la tensione diminuisce. Alla fine del semiciclo, quando la corrente si avvicina allo zero, l'arco si spegne alla tensione di spegnimento tu d. Nel semiciclo successivo, il fenomeno si ripete se non vengono prese misure per deionizzare il gap.
Se l'arco si spegne in un modo o nell'altro, la tensione tra i contatti dell'interruttore deve essere ripristinata alla tensione di rete - tu vz (Fig. 2, punto A). Tuttavia, poiché ci sono induttivi, attivi e capacità, si verifica un processo transitorio, compaiono fluttuazioni di tensione (Fig. 2), la cui ampiezza u c,max può superare significativamente la tensione normale. Per la disconnessione delle apparecchiature, è importante a quale velocità viene ripristinata la tensione nella sezione AB. Riassumendo, si può notare che la scarica dell'arco inizia a causa della ionizzazione per impatto e dell'emissione di elettroni dal catodo e, dopo l'accensione, l'arco viene mantenuto dalla ionizzazione termica nell'albero dell'arco.
Nei dispositivi di commutazione, è necessario non solo aprire i contatti, ma anche estinguere l'arco che si è formato tra di loro.
In catene corrente alternata la corrente nell'arco passa per zero ogni semiciclo (Fig. 2), in questi momenti l'arco si spegne spontaneamente, ma nel semiciclo successivo può riapparire. Come mostrano gli oscillogrammi, la corrente nell'arco si avvicina allo zero un po' prima del naturale passaggio per lo zero (Fig. 3, ma). Ciò è spiegato dal fatto che quando la corrente diminuisce, l'energia fornita all'arco diminuisce, quindi la temperatura dell'arco diminuisce e la ionizzazione termica si interrompe. Durata del tempo morto T n è piccolo (da decine a diverse centinaia di microsecondi), ma svolge un ruolo importante nell'estinzione dell'arco. Se si aprono i contatti durante un tempo morto e li si separa a una velocità sufficiente a una distanza tale che non si verifichi un'interruzione elettrica, il circuito verrà disconnesso molto rapidamente.
Durante la pausa senza corrente, l'intensità della ionizzazione diminuisce drasticamente, poiché non si verifica alcuna ionizzazione termica. Nei dispositivi di commutazione, inoltre, vengono adottate misure artificiali per raffreddare lo spazio dell'arco e ridurre il numero di particelle cariche. Questi processi di deionizzazione portano ad un graduale aumento della rigidità dielettrica del gap tu pr (Fig. 3, B).
Un forte aumento della forza elettrica dello spazio vuoto dopo che la corrente è passata attraverso lo zero si verifica principalmente a causa di un aumento della forza dello spazio vicino al catodo (nei circuiti CA 150-250 V). Allo stesso tempo, la tensione di ripristino aumenta tu in. Se in qualsiasi momento tu pr > tu il divario non verrà interrotto, l'arco non si riaccenderà dopo che la corrente è passata per zero. Se a un certo punto tu pr = tu c, quindi l'arco viene riacceso nello spazio vuoto.
Riso. 3. :
ma- estinzione dell'arco durante il passaggio naturale della corrente allo zero; B– aumento della rigidità elettrica del gap d'arco quando la corrente passa per zero
Pertanto, il compito di estinguere l'arco si riduce a creare condizioni tali che la rigidità dielettrica dello spazio tra i contatti tu pr c'era più tensione tra di loro tu in.
Il processo di aumento della tensione tra i contatti del dispositivo da spegnere può essere di natura diversa a seconda dei parametri del circuito commutato. Se il circuito con una predominanza di resistenza attiva viene spento, la tensione viene ripristinata secondo la legge aperiodica; se la catena è dominata da reattanza induttiva, quindi sorgono oscillazioni, le cui frequenze dipendono dal rapporto tra capacità e induttanza del circuito. Il processo oscillatorio porta a tassi di recupero di tensione significativi e maggiore è il tasso du in/ dt, tanto più probabile è la rottura del gap e la riaccensione dell'arco. Per facilitare le condizioni di spegnimento dell'arco, vengono introdotte resistenze attive nel circuito della corrente disinserita, quindi la natura del ripristino della tensione sarà aperiodica (Fig. 3, B).
3. Metodi di spegnimento dell'arco in dispositivi di commutazione fino a 1000IN
Nei dispositivi di commutazione fino a 1 kV, sono ampiamente utilizzati i seguenti metodi di estinzione dell'arco:
Allungamento dell'arco ad una rapida divergenza di contatti.
Più lungo è l'arco, maggiore è la tensione richiesta per la sua esistenza. Se la tensione della fonte di alimentazione è inferiore, l'arco si spegne.
La divisione di un lungo arco in una serie di brevi (Fig. 4, ma).
Come mostrato in fig. 1, la tensione dell'arco è la somma del catodo u a e anodo u e cadute di tensione e tensione dell'albero dell'arco u sd:
u d= u k+ u a+ u sd= u e+ u sd.
Se un lungo arco, che si è verificato quando i contatti sono stati aperti, viene tirato in una griglia di piastre metalliche che estingue l'arco, sarà diviso in n archi corti. Ogni arco corto avrà le proprie cadute di tensione del catodo e dell'anodo. u e. L'arco si spegne se:
u n u eh,
dove u- tensione di rete; u e - la somma delle cadute di tensione del catodo e dell'anodo (20-25 V in un arco CC).
L'arco AC può anche essere suddiviso in n archi corti. Nel momento in cui la corrente passa per lo zero, lo spazio vicino al catodo acquisisce istantaneamente una forza elettrica di 150-250 V.
L'arco si spegne se
Spegnimento dell'arco in spazi ristretti.
Se l'arco brucia in una fessura stretta formata da un materiale resistente all'arco, a causa del contatto con superfici fredde, del raffreddamento intensivo e della diffusione di particelle cariche in ambiente. Ciò si traduce in una rapida deionizzazione e spegnimento dell'arco.
Riso. 4.
ma- divisione di un arco lungo in arco corto; B– trascinare l'arco in una fessura stretta dello scivolo dell'arco; in– rotazione dell'arco in un campo magnetico; G- spegnimento dell'arco in olio: 1 - contatto fisso; 2 - tronco ad arco; 3 – guscio di idrogeno; 4 – zona gas; 5 – zona di vapori d'olio; 6 - contatto mobile
Moto dell'arco in un campo magnetico.
Un arco elettrico può essere considerato un conduttore di corrente. Se l'arco è in un campo magnetico, è influenzato da una forza determinata dalla regola della mano sinistra. Se crei un campo magnetico diretto perpendicolarmente all'asse dell'arco, riceverà un movimento di traslazione e verrà attirato nella fessura dello scivolo dell'arco (Fig. 4, B).
In un campo magnetico radiale, l'arco riceverà un movimento rotatorio (Fig. 4, in). Il campo magnetico può essere creato da magneti permanenti, bobine speciali o dal circuito stesso che trasporta la corrente. La rapida rotazione e movimento dell'arco contribuisce al suo raffreddamento e deionizzazione.
Gli ultimi due metodi di spegnimento dell'arco (in fessure strette e in un campo magnetico) sono utilizzati anche nei dispositivi di commutazione con tensioni superiori a 1 kV.
4. I principali metodi di estinzione dell'arco nei dispositivi superiori a 1kV.
Nei dispositivi di commutazione superiori a 1 kV, i metodi 2 e 3 descritti in p.p. 1.3. e i seguenti metodi di estinzione dell'arco sono ampiamente utilizzati:
1. Spegnimento dell'arco in olio .
Se i contatti del dispositivo di sezionamento sono posti in olio, l'arco che si verifica durante l'apertura porta a un'intensa formazione di gas ed evaporazione dell'olio (Fig. 4, G). Attorno all'arco si forma una bolla di gas, costituita principalmente da idrogeno (70-80%); la rapida decomposizione dell'olio porta ad un aumento della pressione nella bolla, che contribuisce al suo migliore raffreddamento e deionizzazione. L'idrogeno ha elevate proprietà di estinzione dell'arco. A diretto contatto con l'albero dell'arco, contribuisce alla sua deionizzazione. All'interno della bolla di gas c'è un movimento continuo di gas e vapore d'olio. L'estinzione dell'arco in olio è ampiamente utilizzata negli interruttori automatici.
2. Gas-aria raffica .
Il raffreddamento dell'arco è migliorato se viene creato un movimento diretto di gas: esplosione. Soffiare lungo o attraverso l'arco (Fig. 5) contribuisce alla penetrazione di particelle di gas nel suo albero, all'intensa diffusione e al raffreddamento dell'arco. Il gas viene creato quando l'olio viene decomposto da un arco (interruttori dell'olio) o da materiali che generano gas solido (esplosione di autogas). È più efficiente soffiare con aria fredda non ionizzata proveniente da speciali bombole di aria compressa (interruttori dell'aria).
3. Interruzione multipla del circuito di corrente .
Spegnere l'alta corrente ad alte tensioni è difficile. Ciò è spiegato dal fatto che a valori elevati dell'energia in ingresso e della tensione di recupero, la deionizzazione del gap dell'arco diventa più complicata. Pertanto, negli interruttori ad alta tensione, vengono utilizzate più interruzioni dell'arco in ciascuna fase (Fig. 6). Tali interruttori hanno diversi dispositivi di estinzione progettati per una parte della corrente nominale. 
filato. Il numero di interruzioni per fase dipende dal tipo di interruttore e dalla sua tensione. Negli interruttori automatici da 500-750 kV possono esserci 12 o più interruzioni. Per facilitare l'estinzione dell'arco, la tensione di ripristino deve essere distribuita uniformemente tra le interruzioni. Sulla fig. 6 mostra schematicamente un interruttore olio con due interruzioni per fase.
Quando un cortocircuito monofase viene interrotto, la tensione di ripristino verrà distribuita tra le interruzioni come segue:
u 1/u 2 = (C 1+C 2)/C 1
dove u 1 ,u 2 - sollecitazioni applicate alla prima e alla seconda discontinuità; DA 1 - capacità tra i contatti di questi spazi vuoti; C 2 - capacità del sistema di contatti rispetto a terra.
Riso. 6. Distribuzione della tensione in caso di interruzione dell'interruttore: a - distribuzione della tensione in caso di interruzione dell'interruttore dell'olio; b - divisori di tensione capacitivi; c - divisori di tensione attivi.
Perché DA 2 molto di più C 1, quindi la tensione u 1 > u 2 e, di conseguenza, gli estintori opereranno in condizioni differenti. Per equalizzare la tensione, i condensatori o le resistenze attive sono collegati in parallelo ai contatti principali dell'interruttore (GK) (Fig. 16, B, in). I valori delle capacità e delle resistenze shunt attive sono selezionati in modo che la tensione attraverso le interruzioni sia distribuita uniformemente. Negli interruttori con resistenze shunt, dopo lo spegnimento dell'arco tra il GC, la corrente di accompagnamento, limitata in valore dalle resistenze, viene interrotta dai contatti ausiliari (AC).
I resistori di shunt riducono la velocità di aumento della tensione di ripristino, facilitando l'estinzione dell'arco.
4. Tempra ad arco sotto vuoto .
Un gas altamente rarefatto (10-6-10-8 N/cm2) ha una forza elettrica dieci volte maggiore di un gas a pressione atmosferica. Se i contatti si aprono nel vuoto, subito dopo il primo passaggio della corrente nell'arco attraverso lo zero, la forza del divario viene ripristinata e l'arco non si accende più.
5. Spegnimento dell'arco in gas ad alta pressione .
L'aria a una pressione di 2 MPa o più ha un'elevata rigidità elettrica. Ciò consente di creare dispositivi piuttosto compatti per l'estinzione dell'arco in un'atmosfera di aria compressa. Ancora più efficace è l'uso di gas ad alta resistenza, come l'esafluoruro di zolfo SF6 (SF6). L'SF6 non ha solo una maggiore resistenza elettrica rispetto all'aria e all'idrogeno, ma ha anche migliori proprietà di estinzione dell'arco anche a pressione atmosferica.
Nei dispositivi di commutazione elettrici progettati per chiudere e aprire un circuito con corrente, quando scollegato, a scarica elettrica in gas o sotto forma di scarica a bagliore, o nel modulo archi. Una scarica a bagliore si verifica quando la corrente è inferiore a 0,1 A e la tensione ai contatti è 250-300 V. La scarica a bagliore si verifica sui contatti dei relè a bassa potenza. La scarica dell'arco si osserva solo quando correnti elevate. La corrente minima per i metalli è 0,4-0,9 A.
In una scarica ad arco si distinguono tre regioni: vicino al catodo, la regione dell'albero dell'arco e vicino all'anodo (Fig. 15).
Riso. 15. Aree di scarica dell'arco
Regione vicino al catodo occupa un molto piccolo spazio(la sua lunghezza totale e la regione anodica è di circa 10 -6 m). La caduta di tensione ai suoi capi è di 10-20 V e praticamente non dipende dalla corrente. L'intensità media del campo elettrico raggiunge i 100 kV/cm. Un'intensità del campo elettrico così elevata, sufficiente per la ionizzazione per impatto di gas (aria a pressione atmosferica normale) o vapori del materiale catodico, è dovuta alla presenza di una carica spaziale positiva non compensata in questa regione. Tuttavia, a causa della piccola estensione della regione vicino al catodo, gli elettroni non ottengono una velocità sufficiente per la ionizzazione per impatto. Molto spesso, dopo l'impatto, l'atomo entra in uno stato eccitato (l'elettrone dell'atomo va su un'orbita più distante dal nucleo). Ora, è necessaria meno energia per ionizzare l'atomo eccitato. Questa ionizzazione è chiamata fatto un passo. Con la ionizzazione graduale, è necessario un impatto multiplo (diverse decine) di elettroni su un atomo.
La presenza di una carica spaziale positiva non compensata determina in gran parte l'altissima densità di corrente al catodo - 100-1000 A/mm 2 .
Gli ioni positivi vengono accelerati nel campo di caduta di tensione del catodo e bombardano il catodo. All'impatto, gli ioni cedono la loro energia al catodo, riscaldandolo e creando le condizioni per il rilascio di elettroni, emissione termoionica elettroni dal catodo .
Area dell'albero dell'arcoè un plasma medio ionizzato quasi neutro gassoso, eccitato termicamente, in cui, sotto l'influenza di un campo elettrico, portatori di carica (elettroni e ioni) si muovono verso gli elettrodi di segno opposto.
L'intensità media del campo elettrico è di circa 20-30 V/cm, che non è sufficiente per la ionizzazione ad impatto. La principale fonte di elettroni e ioni è la ionizzazione termica, quando ad alta temperatura la velocità delle particelle neutre aumenta così tanto che quando si scontrano, vengono ionizzate.
Regione anodica, che ha una piccolissima estensione, è inoltre caratterizzato da un forte calo di potenziale dovuto alla presenza di una carica spaziale negativa non compensata. Gli elettroni vengono accelerati nel campo della caduta di tensione dell'anodo e bombardano l'anodo, che viene riscaldato ad una temperatura solitamente superiore alla temperatura del catodo. La regione vicino all'anodo non ha un effetto significativo sul verificarsi e sull'esistenza di una scarica ad arco. Il compito dell'anodo è ricevere il flusso di elettroni dall'albero dell'arco.
Se U c<(U к +U А), то дуга называется короткой, она характерна для некоторых низковольтных аппаратов.
Se U c > (da U a + U A), allora l'arco è chiamato lungo, è tipico per i dispositivi ad alta tensione.
Caratteristica corrente-tensione statica- stabilisce una connessione tra significati diversi corrente continua in stato stazionario e caduta di tensione attraverso l'arco a una lunghezza d'arco costante e condizioni di combustione dell'arco costanti. In questo caso ad ogni valore della corrente continua stazionaria si stabilisce un bilancio termico (la quantità di calore rilasciata nell'arco è uguale alla quantità di calore ceduta dall'arco all'ambiente)
dove m- indicatore in funzione del tipo (metodo) di impatto ambientale sull'albero dell'arco; Sonoè una costante determinata dall'intensità del trasferimento di calore nella zona dell'albero dell'arco in un dato ( m) la modalità di esposizione all'ambiente; l- lunghezza dell'arco.
La caratteristica ha un carattere cadente. Con un aumento della forza della corrente, l'emissione termoionica di elettroni dal catodo e il grado di ionizzazione dell'arco aumentano, di conseguenza la resistenza dell'arco diminuisce. Inoltre, il tasso di diminuzione della resistenza dell'arco è superiore al tasso di crescita attuale.
Caratteristica dinamica corrente-tensione- stabilisce una relazione tra la corrente, che varia in un certo modo nel tempo, e la caduta di tensione attraverso l'arco a lunghezza d'arco costante e condizioni costanti per la sua combustione. In questo caso, la velocità di variazione della corrente è tale che il bilancio termico non ha il tempo di essere stabilito, la variazione della resistenza dell'arco è in ritardo rispetto alla variazione della corrente.
All'aumentare della corrente, la caratteristica dinamica (curva B in Fig. 16) supera quella statistica (curva A in Fig. 16), da quando rapida crescita corrente, la resistenza dell'arco diminuisce più lentamente di quanto non aumenti la corrente. Quando diminuisce, è inferiore, poiché in questa modalità la resistenza dell'arco è inferiore rispetto a una lenta variazione di corrente (curva C in Fig. 16).
La risposta dinamica è in gran parte determinata dalla velocità di variazione della corrente nell'arco. Se una resistenza molto grande viene introdotta nel circuito per un tempo infinitamente piccolo rispetto alla costante di tempo termica dell'arco, durante il tempo in cui la corrente scende a zero, la resistenza dell'arco rimarrà costante. in questo caso la caratteristica dinamica sarà rappresentata da una retta passante all'origine (linea D di Fig. 16), cioè l'arco si comporta come conduttore metallico, poiché la tensione ai capi dell'arco è proporzionale alla corrente.
Condizioni per la combustione stabile e l'estinzione dell'arco CC. Si consideri un circuito CC (Fig. 17).
Fig.17. Arco nel circuito CC
Per il circuito considerato
Ovviamente, la modalità stazionaria, quando l'arco brucia stabilmente, sarà quella in cui la corrente nel circuito non cambia, cioè In questa modalità, il tasso di crescita del numero di particelle ionizzate è uguale al tasso della loro scomparsa a causa dei processi di deionizzazione: viene stabilito un equilibrio dinamico.
Il grafico mostra la caratteristica corrente-tensione discendente dell'arco e la retta inclinata U-iR. Dalla (48) segue che
Da qui è ovvio che ai punti 1 e 2. Inoltre, il punto 1 è un punto di equilibrio instabile; deviazioni casuali e arbitrariamente piccole della corrente portano a un aumento della corrente fino a un valore io 2 o ridurlo a zero. Al punto 2, l'arco brucia stabilmente; piccole deviazioni casuali della corrente in una direzione o nell'altra la riportano al valore io 2. Si può vedere dal grafico che l'arco a tutti i valori di corrente non può bruciare stabilmente se la caduta di tensione attraverso l'arco () supera la tensione fornita all'arco dalla sorgente ()
Pertanto, per estinguere l'arco, è necessario creare condizioni in cui la caduta di tensione ai capi dell'arco superi la tensione fornita all'arco dalla sorgente, nel limite della tensione di rete.
Tre fenomeni sono usati per estinguere l'arco:
1. Aumentare la lunghezza dell'arco allungandolo.
Più lungo è l'arco, maggiore è la tensione necessaria per la sua esistenza (maggiore è la sua caratteristica corrente-tensione - (curva U 1 d in Fig. 17). Se la tensione fornita all'arco dalla sorgente (diritto) risulta essere inferiore alla caratteristica corrente-tensione dell'arco - (curva U 1 e), quindi non ci sono condizioni per una combustione stabile dell'arco, l'arco si spegne.
Questo è il più semplice, ma il più metodo efficace. Ad esempio, per spegnere, ad esempio, un arco con una corrente di 100 A a una tensione di 220 V, è necessario allungare l'arco su una distanza di 25 ÷ 30 cm, cosa praticamente impossibile da fare nei dispositivi elettrici (le dimensioni aumentano). Pertanto, questo metodo è utilizzato come l'unico debilitante principale apparato elettrico(relè, avviatori magnetici, interruttori).
2. Impatto sull'albero dell'arco mediante raffreddamento, ottenendo un aumento del gradiente di sollecitazione longitudinale.
2.1 Spegnimento dell'arco in spazi ristretti(Fig. 18). Se l'arco brucia in una fessura stretta formata da un materiale resistente all'arco, a causa del contatto con superfici fredde, si verifica un raffreddamento intensivo e la diffusione di particelle cariche dal canale dell'arco nell'ambiente. Questo porta all'estinzione dell'arco. Il metodo è utilizzato nei dispositivi per tensioni fino a 1000 V.
Riso. 18. Spegnimento dell'arco in fessure strette
2.2 Spegnimento dell'arco in olio(fig.19) . Se i contatti del dispositivo di disconnessione sono inseriti nell'olio, l'arco che si verifica durante l'apertura porta a un'intensa formazione di gas e all'evaporazione dell'olio. Attorno all'arco si forma una bolla di gas, costituita principalmente da idrogeno, che ha elevate proprietà di estinzione dell'arco. L'aumento della pressione all'interno della bolla di gas contribuisce a un migliore raffreddamento dell'arco e alla sua estinzione. Il metodo viene utilizzato nei dispositivi per tensioni superiori a 1000 V.
2.3 Soffio aria-gas(fig.20) . Il raffreddamento dell'arco è migliorato se viene creato un movimento direzionale dei gas, che soffia lungo o attraverso l'arco .
Fig. 20. Esplosione gas-aria: a - lungo l'arco, b - attraverso l'arco .
Il metodo viene utilizzato nei dispositivi per tensioni superiori a 1000 V.
3. Utilizzo di una caduta di tensione vicino all'elettrodo.
Dividendo un lungo arco in una serie di brevi(Fig. 21). Se un lungo arco viene trascinato in uno scivolo ad arco con piastre metalliche (griglia ad arco), verrà suddiviso in P archi corti. Cadute di tensione vicino all'elettrodo si verificano su ciascuna piastra del reticolo. A causa della somma delle cadute di tensione vicino all'elettrodo, la caduta di tensione totale diventa maggiore di quella data dal generatore e l'arco si spegne. L'arco si spegne se u
Fig.21. Dividendo un lungo arco in una serie di brevi
L'estinzione dell'arco è facilitata da gas ad alta scarica o gas ad alta pressione utilizzati come isolamento interno dei dispositivi per tensioni superiori a 1000 V.
Spegnimento dell'arco sotto vuoto. Un gas altamente scaricato ha una forza elettrica dieci volte maggiore di un gas a pressione atmosferica; è utilizzato in contattori e interruttori in vuoto.
Spegnimento dell'arco in gas ad alta pressione. L'aria a una pressione di 2 MPa o più ha un'elevata rigidità elettrica, che consente di creare dispositivi di estinzione compatti negli interruttori automatici in aria. L'uso dell'esafluoruro di zolfo SF 6 (SF6) è efficace per l'estinzione dell'arco.
Condizioni di spegnimento dell'arco CA.
Separare i contatti al punto a. Un arco si accende tra di loro. Entro la fine del semiciclo, a causa della diminuzione della corrente, la resistenza dell'albero dell'arco aumenta e, di conseguenza, aumenta la tensione ai capi dell'arco. Quando la corrente si avvicina allo zero, viene fornita una bassa potenza all'arco, la temperatura dell'arco diminuisce, la ionizzazione termica rallenta di conseguenza e i processi di deionizzazione accelerano - l'arco si spegne (punto 0 ). La corrente nel circuito si interrompe prima del suo naturale passaggio per lo zero. Tensione corrispondente all'interruzione di corrente - picco di smorzamento Ug.
Riso. 22. Spegnimento dell'arco AC con carico attivo
Dopo che l'arco si è estinto, si verifica il processo di ripristino della forza elettrica del gap dell'arco (curva a 1 - b 1). Sotto la forza elettrica dell'intervallo di arco si intende la tensione alla quale si verifica un'interruzione elettrica dell'intervallo di arco. La forza elettrica iniziale (punto a 1) e la velocità del suo aumento dipendono dalle proprietà del dispositivo di spegnimento dell'arco. Nel momento t1 la curva di tensione sul gap dell'arco si interseca con la curva di ripristino della rigidità elettrica del gap dell'arco - l'arco si accende. Tensione di accensione dell'arco - Picco di accensione Noi. La curva della tensione dell'arco ha una forma a sella.
Al punto 0 1 l'arco si spegne nuovamente e si verificano processi simili a quelli descritti in precedenza. Al momento 0 1 a causa della divergenza dei contatti, la lunghezza dell'arco aumenta, la rimozione di calore dall'arco aumenta, rispettivamente, e la forza elettrica iniziale (punto a 2) e la velocità del suo aumento (curva a 2 - in 2) aumentare di conseguenza. Di conseguenza, aumenta anche il tempo morto. 0 1 - t2 > 0 -t1 .
Nel momento t2 l'arco si riaccende. Al punto 0 11 l'arco è spento. La forza elettrica iniziale aumenta nuovamente (punto a 3) e la velocità del suo aumento (curva a 3 -b 3). La curva di tensione non interseca la curva di aumento della rigidità dielettrica. L'arco non si accende durante questo mezzo ciclo.
In un arco aperto a alta tensione (apertura del corno), il fattore determinante è resistenza attiva In un albero ad arco fortemente teso, le condizioni per l'estinzione dell'arco CA si avvicinano alle condizioni per l'estinzione dell'arco CC e i processi dopo che la corrente è passata attraverso lo zero hanno scarso effetto sull'estinzione dell'arco.
Con un carico induttivo, il tempo morto è molto piccolo (circa 0,1 µs), cioè l'arco brucia quasi continuamente. Scollegare un carico induttivo è più difficile di uno resistivo. Non ci sono interruzioni qui.
In generale, il processo di arco in corrente alternata è più facile che in corrente continua. Una condizione razionale per l'estinzione di un arco in corrente alternata è da considerarsi tale quando lo spegnimento viene effettuato al primo passaggio per lo zero della corrente dopo l'apertura dei contatti.
Domande per l'autoesame:
· Aree di scarica dell'arco.
· Caratteristica corrente-tensione statica.
· Caratteristica dinamica corrente-tensione.
· Condizioni per la combustione stabile e l'estinzione dell'arco CC.
Quali fenomeni vengono utilizzati per estinguere l'arco?
· Condizioni di estinzione dell'arco AC.
CONFERENZA 5
ARCO ELETTRICO
Evento e processi fisici in un arco elettrico. L'apertura del circuito elettrico a correnti e tensioni significative è accompagnata da una scarica elettrica tra contatti divergenti. Il traferro tra i contatti viene ionizzato e diventa conduttivo, un arco brucia al suo interno. Il processo di disconnessione consiste nella deionizzazione del traferro tra i contatti, ovvero nella terminazione della scarica elettrica e nel ripristino delle proprietà dielettriche. In condizioni particolari: basse correnti e tensioni, un'interruzione del circuito in corrente alternata nel momento in cui la corrente passa per lo zero, può verificarsi senza una scarica elettrica. Questo arresto è chiamato pausa antiscintilla.
La dipendenza della caduta di tensione attraverso il gap di scarica dalla corrente della scarica elettrica nei gas è mostrata in Fig. uno.
L'arco elettrico è accompagnato da alta temperatura. Pertanto, l'arco non è solo un fenomeno elettrico, ma anche termico. In condizioni normali, l'aria è un buon isolante. La rottura di un traferro di 1 cm richiede una tensione di 30 kV. Affinché il traferro diventi un conduttore, è necessario creare una certa concentrazione di particelle cariche al suo interno: elettroni liberi e ioni positivi. Viene chiamato il processo di separazione degli elettroni da una particella neutra e la formazione di elettroni liberi e ioni caricati positivamente ionizzazione. La ionizzazione del gas avviene sotto l'influenza dell'alta temperatura e del campo elettrico. Per processi ad arco in apparecchiature elettriche valore più alto hanno processi agli elettrodi (termoelettronica ed emissione di campo) e processi nel gap dell'arco (ionizzazione termica e da impatto).
Emissione termoionica è chiamata emissione di elettroni da una superficie riscaldata. Quando i contatti divergono, la resistenza di contatto del contatto e la densità di corrente nell'area di contatto aumentano notevolmente. La piattaforma si riscalda, si scioglie e dal metallo fuso si forma un istmo di contatto. L'istmo si rompe quando i contatti divergono ulteriormente e il metallo dei contatti evapora. Sull'elettrodo negativo si forma un'area calda (punto catodico), che funge da base dell'arco e fonte di radiazione elettronica. L'emissione termoionica è la causa del verificarsi di un arco elettrico all'apertura dei contatti. La densità di corrente di emissione termoionica dipende dalla temperatura e dal materiale dell'elettrodo.
Emissione autoelettronica chiamato il fenomeno dell'emissione di elettroni dal catodo sotto l'influenza di un forte campo elettrico. Quando i contatti sono aperti, viene applicata la tensione di rete. Quando i contatti sono chiusi, man mano che il contatto mobile si avvicina a quello fisso, l'intensità del campo elettrico tra i contatti aumenta. A una distanza critica tra i contatti, l'intensità del campo raggiunge 1000 kV/mm. Tale intensità di campo elettrico è sufficiente per espellere elettroni da un catodo freddo. La corrente di emissione del campo è piccola e serve solo come inizio di una scarica ad arco.
Pertanto, il verificarsi di una scarica d'arco su contatti divergenti è spiegato dalla presenza di emissioni termoioniche e autoelettroniche. Il verificarsi di un arco elettrico quando i contatti sono chiusi è dovuto all'emissione autoelettronica.
ionizzazione d'impatto chiamato l'emergere di elettroni liberi e ioni positivi nella collisione di elettroni con una particella neutra. Un elettrone libero rompe una particella neutra. Il risultato è un nuovo elettrone libero e uno ione positivo. Il nuovo elettrone, a sua volta, ionizza la particella successiva. Affinché un elettrone possa ionizzare una particella di gas, deve muoversi a una certa velocità. La velocità di un elettrone dipende dalla differenza di potenziale sul cammino libero medio. Pertanto, di solito non viene indicata la velocità dell'elettrone, ma la minima differenza di potenziale lungo la lunghezza del percorso libero, in modo che l'elettrone acquisisca la velocità necessaria. Questa differenza di potenziale è chiamata potenziale di ionizzazione. Il potenziale di ionizzazione di una miscela di gas è determinato dal più basso dei potenziali di ionizzazione dei componenti inclusi nella miscela di gas e dipende poco dalla concentrazione dei componenti. Il potenziale di ionizzazione per i gas è 13 ÷ 16V (azoto, ossigeno, idrogeno), per i vapori metallici è circa due volte inferiore: 7,7V per i vapori di rame.
Ionizzazione termica avviene sotto l'influenza di alte temperature. La temperatura dell'albero dell'arco raggiunge 4000÷7000 K e talvolta 15000 K. A questa temperatura, il numero e la velocità delle particelle di gas in movimento aumentano notevolmente. In caso di collisione, atomi e molecole vengono distrutti, formando particelle cariche. La caratteristica principale della ionizzazione termica è il grado di ionizzazione, che è il rapporto tra il numero di atomi ionizzati e il numero totale di atomi nel gap dell'arco. Il mantenimento della scarica dell'arco generato da un numero sufficiente di cariche gratuite è fornito dalla ionizzazione termica.
Contemporaneamente ai processi di ionizzazione nell'arco, si verificano processi inversi deionizzazione– riunioni di particelle cariche e formazione di molecole neutre. Quando si verifica un arco, predominano i processi di ionizzazione, in un arco costantemente acceso, i processi di ionizzazione e deionizzazione sono ugualmente intensi, con la predominanza dei processi di deionizzazione, l'arco si spegne.
La deionizzazione si verifica principalmente a causa della ricombinazione e della diffusione. ri combinazione è il processo mediante il quale particelle con carica diversa, venendo a contatto, formano particelle neutre. Diffusione di particelle cariche è il processo di trasporto di particelle cariche dal gap dell'arco nello spazio circostante, che riduce la conduttività dell'arco. La diffusione è dovuta a fattori sia elettrici che termici. La densità di carica nell'albero dell'arco aumenta dalla periferia al centro. In considerazione di ciò, si crea un campo elettrico che costringe gli ioni a spostarsi dal centro alla periferia e ad abbandonare la regione dell'arco. Anche la differenza di temperatura tra l'albero dell'arco e lo spazio circostante agisce nella stessa direzione. In un arco stabilizzato e che brucia liberamente, la diffusione gioca un ruolo insignificante. In un arco soffiato con aria compressa, così come in un arco aperto in rapido movimento, la deionizzazione dovuta alla diffusione può avere un valore vicino alla ricombinazione. In un arco che brucia in una fessura stretta o in una camera chiusa, la deionizzazione si verifica a causa della ricombinazione.
CADUTA DI TENSIONE IN ARCO ELETTRICO
La caduta di tensione lungo l'arco stazionario è distribuita in modo non uniforme. Modello di caduta di tensione u D e gradiente di tensione longitudinale (caduta di tensione per unità di lunghezza d'arco) e D lungo l'arco è mostrato in Fig. 2.
|
Progresso delle prestazioni u D e e D nelle regioni del vicino elettrodo differisce nettamente dal comportamento delle caratteristiche nel resto dell'arco. Agli elettrodi, nelle regioni vicino al catodo e vicino all'anodo, nell'intervallo dell'ordine di 10 -3 mm, c'è un forte calo di tensione, chiamato vicino al catodo u a e anodo u ma . IN catodo regione, si forma un deficit di elettroni a causa della loro elevata mobilità. In questa regione si forma una carica positiva di volume, che provoca una differenza di potenziale u a, circa 10÷20V. L'intensità di campo nella regione vicino al catodo raggiunge 10 5 V/cm e garantisce il rilascio di elettroni dal catodo a causa dell'emissione di campo. Inoltre, la tensione al catodo assicura il rilascio dell'energia necessaria per riscaldare il catodo e fornire l'emissione termoionica. |
Riso. 2. Distribuzione della tensione ai capi arco CC stazionario |
IN anodo regione, si forma una carica spaziale negativa, che causa una differenza di potenziale u ma. Gli elettroni diretti verso l'anodo vengono accelerati e eliminano gli elettroni secondari dall'anodo che esistono vicino all'anodo.
Il valore totale delle cadute di tensione dell'anodo e del catodo è chiamato caduta di tensione del vicino elettrodo: 
ed è 20-30V.
Nel resto dell'arco, chiamato stelo dell'arco, la tensione scende u D direttamente proporzionale alla lunghezza dell'arco:
,
dove e STè il gradiente di sollecitazione longitudinale nell'albero dell'arco, l STè la lunghezza dell'albero dell'arco.
Il gradiente qui è costante lungo lo stelo. Dipende da molti fattori e può variare ampiamente, arrivando a 100÷200 V/cm.
Pertanto, la caduta di tensione attraverso il gap dell'arco:
STABILITÀ DELL'ARCO ELETTRICO CC
Per estinguere un arco elettrico in corrente continua, è necessario creare condizioni in cui i processi di deionizzazione nel gap dell'arco superino i processi di ionizzazione a tutti i valori di corrente.
|
Per un circuito (Fig. 3) contenente resistenza R,
induttanza l, traferro d'arco con caduta di tensione u D, Sorgente di tensione CC u,
in modalità di transizione (
dove Con un arco costantemente acceso (stato stazionario
Per estinguere l'arco, è necessario che la corrente al suo interno diminuisca continuamente. Significa che
La soluzione grafica dell'equazione (3) è mostrata in fig. 4. Retta 1 - tensione sorgente tu, retta 2 - caduta di tensione nella resistenza (caratteristica reostatica), curva 3 - CVC del gap dell'arco u D . |
|
) vale l'equazione di Kirchhoff:
,
(1)
- caduta di tensione ai capi dell'induttanza al variare della corrente.
) l'espressione (1) assume la forma:
.
(2)
:
.
(3)
A punti ma e B L'equazione (2) è valida, quindi 
. C'è un equilibrio qui. Al punto ma l'equilibrio è instabile, al punto B sostenibile.
Alle correnti 
,
voltaggio 
,
un 
, e se per qualche motivo la corrente diminuisce io ma ,
poi scende a zero - l'arco si spegne.
Se, per qualsiasi motivo, la corrente diventa leggermente superiore io ma, allora lo farà 
,
nel circuito, per così dire, ci sarà una tensione "eccessiva", che porterà ad un aumento della corrente a un valore io B .
Per qualsiasi valore io ma
< io
< io B
la corrente nell'arco aumenterà a un valore io B .
tra i punti ma e B grandezza 
. L'aumento della corrente nel circuito è accompagnato dall'accumulo di energia elettromagnetica.
Al momento 
risulta di nuovo 
,
ma 
, cioè per mantenere tale valore di corrente, la tensione u non abbastanza. La corrente nel circuito scenderà a un valore io B. L'arco a questo punto brucerà costantemente.
Per estinguere l'arco è necessario che la condizione (3) sia soddisfatta a qualsiasi valore di corrente, cioè la caratteristica I–V dell'arco deve trovarsi al di sopra della caratteristica 
(Fig. 5) per tutta la sua lunghezza e non hanno un solo punto di contatto con questa caratteristica.
Un arco elettrico è un tipo di scarica caratterizzata da alta densità di corrente, alta temperatura, alta pressione sanguigna gas e una piccola caduta di tensione attraverso il gap dell'arco. In questo caso avviene un intenso riscaldamento degli elettrodi (contatti), su cui si formano i cosiddetti spot catodici e anodici. Il bagliore del catodo è concentrato in un piccolo punto luminoso, la parte calda dell'elettrodo opposto forma un punto anodico.
Si possono notare tre aree nell'arco, che sono molto diverse nella natura dei processi che si verificano in esse. Direttamente all'elettrodo negativo (catodo) dell'arco, la regione della caduta di tensione del catodo è adiacente. Poi arriva il barilotto dell'arco plasma. Direttamente all'elettrodo positivo (anodo) confina con la regione della caduta di tensione dell'anodo. Queste regioni sono schematicamente mostrate in Fig. uno.
Riso. 1. La struttura dell'arco elettrico
Le dimensioni delle cadute di tensione del catodo e dell'anodo in figura sono notevolmente esagerate. Infatti la loro lunghezza è molto piccola, ad esempio la lunghezza della caduta di tensione del catodo ha un valore dell'ordine del percorso di moto libero di un elettrone (inferiore a 1 micron). La lunghezza della regione della caduta di tensione anodica è generalmente leggermente maggiore di questo valore.
In condizioni normali, l'aria è un buon isolante. Pertanto, la tensione richiesta per la rottura di un traferro di 1 cm è di 30 kV. Affinché il traferro diventi un conduttore, è necessario creare una certa concentrazione di particelle cariche (elettroni e ioni).
Come si forma un arco elettrico
Un arco elettrico, che è un flusso di particelle cariche, nel momento iniziale della divergenza di contatto si verifica a causa della presenza di elettroni liberi nel gas del gap dell'arco e di elettroni emessi dalla superficie del catodo. Gli elettroni liberi situati nello spazio tra i contatti si muovono ad alta velocità nella direzione dal catodo all'anodo sotto l'azione delle forze del campo elettrico.
L'intensità del campo all'inizio della divergenza dei contatti può raggiungere diverse migliaia di kilovolt per centimetro. Sotto l'azione delle forze di questo campo, gli elettroni scappano dalla superficie del catodo e si spostano verso l'anodo, eliminando gli elettroni da esso, che formano una nuvola di elettroni. Il flusso iniziale di elettroni così creato forma successivamente un'intensa ionizzazione del gap d'arco.
Insieme ai processi di ionizzazione, i processi di deionizzazione procedono in parallelo e continuamente nell'arco. I processi di deionizzazione consistono nel fatto che quando due ioni di segno diverso o uno ione positivo e un elettrone si avvicinano, vengono attratti e, scontrandosi, vengono neutralizzati, inoltre, le particelle cariche si spostano dall'area in fiamme delle anime con un maggiore concentrazione di carica nell'ambiente con una concentrazione di carica inferiore. Tutti questi fattori portano ad una diminuzione della temperatura dell'arco, al suo raffreddamento ed estinzione.
Riso. 2. Arco elettrico
Arco dopo l'accensione
Nello stato stazionario di combustione, i processi di ionizzazione e deionizzazione sono in equilibrio in esso. L'albero dell'arco con un numero uguale di cariche positive e negative libere è caratterizzato da un alto grado di ionizzazione del gas.
Una sostanza il cui grado di ionizzazione è vicino all'unità, cioè in cui non ci sono atomi neutri e molecole si chiama plasma.
L'arco elettrico è caratterizzato dalle seguenti caratteristiche:
1. Un confine chiaramente definito tra l'albero dell'arco e l'ambiente.
2. Alta temperatura all'interno della canna dell'arco, raggiungendo 6000 - 25000 K.
3. Alta densità di corrente e albero ad arco (100 - 1000 A/mm2).
4. Piccoli valori della tensione di anodo e catodo diminuiscono e praticamente non dipendono dalla corrente (10 - 20 V).
Caratteristica Volt-Ampere di un arco elettrico
La caratteristica principale di un arco CC è la dipendenza della tensione dell'arco dalla corrente, che viene chiamata caratteristica corrente-tensione (VAC).
L'arco si verifica tra i contatti ad una certa tensione (Fig. 3), chiamata tensione di accensione Uz, e dipende dalla distanza tra i contatti, dalla temperatura e dalla pressione del fluido e dalla velocità di divergenza dei contatti. La tensione di spegnimento dell'arco Ug è sempre inferiore alla tensione U c.
Riso. 3. Caratteristica volt-ampere dell'arco CC (a) e del suo circuito equivalente (b)
La curva 1 rappresenta la caratteristica statica dell'arco, cioè ottenuto modificando lentamente la corrente. La caratteristica ha un carattere cadente. All'aumentare della corrente, la tensione dell'arco diminuisce. Ciò significa che la resistenza del gap dell'arco diminuisce più velocemente la cui corrente aumenta.
Se riduciamo la corrente nell'arco da I1 a zero ad una certa velocità e allo stesso tempo fissiamo la caduta di tensione attraverso l'arco, si otterranno le curve 2 e 3. Queste curve sono chiamate caratteristiche dinamiche.
Più velocemente viene ridotta la corrente, più basse saranno le caratteristiche I–V dinamiche. Ciò è spiegato dal fatto che quando la corrente diminuisce, parametri dell'arco come la sezione trasversale dell'albero, la temperatura, non hanno il tempo di cambiare rapidamente e acquisire valori corrispondenti a un valore di corrente inferiore nello stato stazionario.
Caduta di tensione attraverso il gap dell'arco:
Ud \u003d U s + EdId,
dove U c \u003d U k + U a - caduta di tensione vicino all'elettrodo, Ed - gradiente di tensione longitudinale nell'arco, Id - lunghezza dell'arco.
Dalla formula segue che con un aumento della lunghezza dell'arco, la caduta di tensione attraverso l'arco aumenterà e la caratteristica I–V sarà maggiore.
Combattono con un arco elettrico nella progettazione di dispositivi elettrici di commutazione. Le proprietà di un arco elettrico sono utilizzate in e in.
22 agosto 2012 alle 10:00
Quando un circuito elettrico viene aperto, si verifica una scarica elettrica sotto forma di arco elettrico. Per la comparsa di un arco elettrico, è sufficiente che la tensione ai contatti sia superiore a 10 V con una corrente nel circuito dell'ordine di 0,1 A o più. A tensioni e correnti significative, la temperatura all'interno dell'arco può raggiungere 10 ... 15 mila ° C, a seguito della quale i contatti e le parti che trasportano corrente si sciolgono.
A tensioni di 110 kV e oltre, la lunghezza dell'arco può raggiungere diversi metri. Pertanto, un arco elettrico, specialmente nei circuiti di potenza ad alta potenza, a tensioni superiori a 1 kV è un grande pericolo, sebbene gravi conseguenze possano verificarsi in installazioni a tensioni inferiori a 1 kV. Di conseguenza, l'arco elettrico deve essere limitato il più possibile e spento rapidamente nei circuiti per tensioni sia superiori che inferiori a 1 kV.
Cause di un arco elettrico
Il processo di formazione di un arco elettrico può essere semplificato come segue. Quando i contatti divergono, la pressione di contatto e, di conseguenza, la superficie di contatto prima diminuisce, la resistenza di contatto aumenta (iniziano la densità di corrente e la temperatura - il surriscaldamento locale (in alcune parti dell'area di contatto), che contribuisce ulteriormente all'emissione termoionica, quando, sotto l'influenza dell'alta temperatura, la velocità degli elettroni aumenta e eruttano dalla superficie dell'elettrodo.
Al momento della divergenza dei contatti, cioè un'interruzione del circuito, la tensione viene rapidamente ripristinata sulla distanza tra i contatti. Poiché in questo caso la distanza tra i contatti è piccola, si verifica un campo elettrico ad alta intensità, sotto l'influenza del quale gli elettroni fuoriescono dalla superficie dell'elettrodo. Accelerano in un campo elettrico e, quando colpiscono un atomo neutro, gli conferiscono la loro energia cinetica. Se questa energia è sufficiente per strappare almeno un elettrone dal guscio di un atomo neutro, si verifica il processo di ionizzazione.
Gli elettroni e gli ioni liberi risultanti costituiscono il plasma dell'albero dell'arco, ovvero il canale ionizzato in cui brucia l'arco e viene assicurato il movimento continuo delle particelle. In questo caso, le particelle con carica negativa, principalmente elettroni, si muovono in una direzione (verso l'anodo) e atomi e molecole di gas, prive di uno o più elettroni, particelle con carica positiva, si muovono nella direzione opposta (verso il catodo). La conducibilità del plasma è vicina a quella dei metalli.
Una grande corrente scorre nell'albero dell'arco e viene generata una temperatura elevata. Una tale temperatura dell'albero dell'arco porta alla ionizzazione termica: il processo di formazione di ioni dovuto alla collisione di molecole e atomi con un'elevata energia cinetica ad alte velocità del loro movimento (molecole e atomi del mezzo in cui l'arco brucia decadono in elettroni e ioni con carica positiva). L'intensa ionizzazione termica mantiene un'elevata conduttività del plasma. Pertanto, la caduta di tensione lungo la lunghezza dell'arco è piccola.
In un arco elettrico procedono continuamente due processi: oltre alla ionizzazione, c'è anche la deionizzazione di atomi e molecole. Quest'ultimo avviene principalmente attraverso la diffusione, cioè il trasferimento di particelle cariche nell'ambiente, e la ricombinazione di elettroni e ioni caricati positivamente, che si ricombinano in particelle neutre con il ritorno dell'energia spesa per il loro decadimento. In questo caso, il calore viene rimosso nell'ambiente.
Pertanto, si possono distinguere tre fasi del processo in esame: accensione dell'arco, quando, a causa della ionizzazione per impatto e dell'emissione di elettroni dal catodo, inizia una scarica d'arco e l'intensità di ionizzazione è superiore alla deionizzazione, combustione stabile dell'arco, supportata dalla ionizzazione termica nell'albero dell'arco, quando l'intensità della ionizzazione e della deionizzazione è la stessa, estinzione dell'arco quando l'intensità della deionizzazione è superiore alla ionizzazione.
Metodi per l'estinzione dell'arco nei dispositivi elettrici di commutazione
Per disconnettere gli elementi del circuito elettrico ed escludere così danni al dispositivo di commutazione, è necessario non solo aprire i suoi contatti, ma anche estinguere l'arco che si forma tra di loro. I processi di estinzione dell'arco, oltre alla combustione, con alternanza e DC diverso. Ciò è determinato dal fatto che nel primo caso la corrente nell'arco passa per zero ogni semiciclo. In questi momenti, il rilascio di energia nell'arco si interrompe e l'arco si spegne spontaneamente ogni volta, per poi riaccendersi.
In pratica, la corrente nell'arco si avvicina allo zero un po' prima del passaggio per lo zero, poiché quando la corrente diminuisce, l'energia fornita all'arco diminuisce, la temperatura dell'arco diminuisce di conseguenza e la ionizzazione termica si interrompe. In questo caso, il processo di deionizzazione procede intensamente nel gap dell'arco. Se dentro questo momento aprire e separare rapidamente i contatti, quindi potrebbe non verificarsi il successivo guasto elettrico e il circuito verrà disconnesso senza arco. Tuttavia, è estremamente difficile farlo in pratica, e quindi vengono prese misure speciali per accelerare l'estinzione dell'arco, che assicurano il raffreddamento dello spazio dell'arco e una diminuzione del numero di particelle cariche.
Come risultato della deionizzazione, la rigidità dielettrica del gap aumenta gradualmente e, allo stesso tempo, aumenta la tensione di recupero ai suoi capi. Dipende dal rapporto di questi valori se l'arco si accenderà per la metà successiva del periodo o meno. Se la rigidità dielettrica del gap aumenta più velocemente ed è maggiore della tensione di ripristino, l'arco non si accenderà più, altrimenti l'arco sarà stabile. La prima condizione definisce il problema dell'estinzione dell'arco.
Nei dispositivi di commutazione vengono utilizzati vari metodi di spegnimento dell'arco.
Estensione dell'arco
Quando i contatti divergono nel processo di spegnimento del circuito elettrico, l'arco che si è formato si allunga. In questo caso, le condizioni per il raffreddamento dell'arco sono migliorate, poiché la sua superficie aumenta e per la combustione è necessaria una maggiore tensione.
Dividere un arco lungo in una serie di archi corti
Se l'arco formato all'apertura dei contatti viene suddiviso in K archi corti, ad esempio stringendolo in una griglia metallica, si spegnerà. L'arco è solitamente disegnato nella griglia metallica sotto l'influenza di elettro campo magnetico indotto nelle piastre reticolari da correnti parassite. Questo metodo di spegnimento dell'arco è ampiamente utilizzato nei dispositivi di commutazione per tensioni inferiori a 1 kV, in particolare negli interruttori automatici aperti.
Raffreddamento ad arco in fessure strette
L'estinzione dell'arco in un piccolo volume è facilitata. Pertanto, gli scivoli ad arco con fessure longitudinali sono ampiamente utilizzati nei dispositivi di commutazione (l'asse di tale fenditura coincide in direzione con l'asse dell'albero dell'arco). Tale spazio è solitamente formato in camere realizzate con materiali isolanti resistenti all'arco. A causa del contatto dell'arco con superfici fredde, si verificano il suo raffreddamento intensivo, la diffusione di particelle cariche nell'ambiente e, di conseguenza, una rapida deionizzazione.
Oltre alle fessure con pareti parallele al piano, vengono utilizzate anche fessure con nervature, sporgenze ed estensioni (tasche). Tutto ciò porta alla deformazione dell'albero dell'arco e contribuisce ad aumentare l'area del suo contatto con le pareti fredde della camera.
Il disegno dell'arco in fessure strette di solito avviene sotto l'influenza di un campo magnetico che interagisce con l'arco, che può essere considerato un conduttore di corrente.
Un campo magnetico esterno per muovere l'arco è spesso fornito da una bobina collegata in serie con i contatti tra i quali si verifica l'arco. L'estinzione dell'arco in fessure strette viene utilizzata nei dispositivi per tutte le tensioni.
Spegnimento dell'arco ad alta pressione
A temperatura costante, il grado di ionizzazione del gas diminuisce all'aumentare della pressione, mentre aumenta la conducibilità termica del gas. A parità di altre condizioni, questo porta ad un maggiore raffreddamento dell'arco. L'estinzione dell'arco mediante l'alta pressione creata dall'arco stesso in camere ben chiuse è ampiamente utilizzata nei fusibili e in numerosi altri dispositivi.
Spegnimento dell'arco in olio
Se i contatti dell'interruttore sono posti in olio, l'arco che si verifica quando si aprono porta a un'intensa evaporazione dell'olio. Di conseguenza, attorno all'arco si forma una bolla di gas (guscio), costituita principalmente da idrogeno (70 ... 80%), oltre a vapore d'olio. I gas emessi ad alta velocità penetrano direttamente nella zona dell'albero dell'arco, provocano la miscelazione di gas freddo e caldo nella bolla, forniscono un raffreddamento intensivo e, di conseguenza, la deionizzazione dell'intervallo dell'arco. Inoltre, la capacità deionizzante dei gas aumenta la pressione creata durante la rapida decomposizione dell'olio all'interno della bolla.
L'intensità del processo di estinzione dell'arco nell'olio è maggiore, più l'arco entra in contatto con l'olio e più velocemente si muove rispetto all'arco. Detto questo, il divario dell'arco è limitato da un dispositivo isolante chiuso: uno scivolo ad arco. In queste camere viene creato un contatto più stretto dell'olio con l'arco e, con l'aiuto di piastre isolanti e fori di scarico, si formano canali di lavoro attraverso i quali si muovono olio e gas, fornendo un'intensa soffiatura (soffiaggio) dell'arco.
Gli scivoli ad arco sono divisi in tre gruppi principali in base al principio di funzionamento: con soffiaggio automatico, quando alta pressione e la velocità di movimento del gas nella zona dell'arco sono create dall'energia rilasciata nell'arco, con scoppio forzato d'olio utilizzando speciali meccanismi idraulici di pompaggio, con smorzamento magnetico in olio, quando l'arco si muove in fessure strette sotto l'azione di un magnete campo.
Gli scivoli ad arco più efficienti e semplici con autosoffiaggio. A seconda della posizione dei canali e dei fori di scarico, si distinguono le camere in cui è previsto il soffiaggio intensivo della miscela gas-vapore e dell'olio lungo l'arco (soffio longitudinale) o attraverso l'arco (soffio trasversale). I metodi considerati per l'estinzione dell'arco sono ampiamente utilizzati negli interruttori automatici per tensioni superiori a 1 kV.
Altri modi per spegnere l'arco in dispositivi per tensioni superiori a 1 kV
Oltre ai metodi di spegnimento dell'arco sopra descritti, utilizzano anche: aria compressa, il cui flusso soffia lungo o attraverso l'arco, fornendo il suo raffreddamento intensivo (al posto dell'aria vengono utilizzati anche altri gas, spesso ottenuti da gas solido- materiali che generano - fibra, plastica vinilica, ecc. - perché a causa della loro decomposizione da parte dell'arco di combustione stesso), SF6 (esafluoruro di zolfo), che ha una forza elettrica maggiore dell'aria e dell'idrogeno, per cui l'arco che brucia in questo gas, anche a pressione atmosferica, si estingue rapidamente, gas altamente rarefatto (vuoto), all'apertura di contatto in cui l'arco non si riaccende (estingue) dopo il primo passaggio della corrente per lo zero.
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