1. Условия возникновения и горения дуги
Размыкание электрической цепи при наличии в ней тока сопровождается электрическим разрядом между контактами. Если в отключаемой цепи ток и напряжение между контактами больше, чем критические для данных условий, то между контактами возникает дуга , продолжительность горения которой зависит от параметров цепи и условий деионизации дугового промежутка. Образование дуги при размыкании медных контактов возможно уже при токе 0,4-0,5 А и напряжении 15 В.
Рис. 1. Расположение в стационарной дуге постоянного тока напряжения U(a) и напряженности Е(б).
В дуге различают околокатодное пространство, ствол дуги и околоанодное пространство (рис. 1). Все напряжение распределяется между этими областями U к, U сд, U а. Катодное падение напряжения в дуге постоянного тока 10-20 В, а длина этого участка составляет 10–4-10–5 см, таким образом, около катода наблюдается высокая напряженность электрического поля (105-106 В/см). При таких высоких напряженностях происходит ударная ионизация. Суть ее заключается в том, что электроны, вырванные из катода силами электрического поля (автоэлектронная эмиссия) или за счет нагрева катода (термоэлектронная эмиссия), разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать один электрон с оболочки нейтрального атома, то произойдет ионизация. Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги.
Рис. 2. .
Проводимость плазмы приближается к проводимости металлов [у = 2500 1/(Ом×см)]/ В стволе дуги проходит большой ток и создается высокая температура. Плотность тока может достигать 10 000 А/см2 и более, а температура - от 6000 К при атмосферном давлении до 18000 К и более при повышенных давлениях.
Высокие температуры в стволе дуги приводят к интенсивной термоионизации, которая поддерживает большую проводимость плазмы.
Термоионизация - процесс образования ионов за счет соударения молекул и атомов, обладающих большой кинетической энергией при высоких скоростях их движения.
Чем больше ток в дуге, тем меньше ее сопротивление, а поэтому требуется меньшее напряжение для горения дуги, т. е. дугу с большим током погасить труднее.
При переменном токе напряжение источника питания u cд меняется синусоидально, так же меняется ток в цепи i (рис. 2), причем ток отстает от напряжения примерно на 90°. Напряжение на дуге u д, горящей между контактами выключателя, непостоянно. При малых токах напряжение возрастает до величины u з (напряжения зажигания), затем по мере увеличения тока в дуге и роста термической ионизации напряжение падает. В конце полупериода, когда ток приближается к нулю, дуга гаснет при напряжении гашения u г. В следующий полупериод явление повторяется, если не приняты меры для деионизации промежутка.
Если дуга погашена теми или иными способами, то напряжение между контактами выключателя должно восстановиться до напряжения питающей сети - u вз (рис. 2, точка А). Однако поскольку в цепи имеются индуктивные, активные и емкостные сопротивления, возникает переходный процесс, появляются колебания напряжения (рис. 2), амплитуда которых U в,max может значительно превышать нормальное напряжение. Для отключающей аппаратуры важно, с какой скоростью восстанавливается напряжение на участке АВ. Подводя итог, можно отметить, что дуговой разряд начинается за счет ударной ионизации и эмиссии электронов с катода, а после зажигания дуга поддерживается термоионизацией в стволе дуги.
В коммутационных аппаратах необходимо не только разомкнуть контакты, но и погасить возникшую между ними дугу.
В цепях переменного тока ток в дуге каждый полупериод проходит через нуль (рис. 2), в эти моменты дуга гаснет самопроизвольно, но в следующий полупериод она может возникнуть вновь. Как показывают осциллограммы, ток в дуге становится близким нулю несколько раньше естественного перехода через нуль (рис. 3, а ). Это объясняется тем, что при снижении тока энергия, подводимая к дуге, уменьшается, следовательно, уменьшается температура дуги и прекращается термоионизация. Длительность бестоковой паузы t п невелика (от десятков до нескольких сотен микросекунды), но играет важную роль в гашении дуги. Если разомкнуть контакты в бестоковую паузу и развести их с достаточной скоростью на такое расстояние, чтобы не произошел электрический пробой, то цепь будет отключена очень быстро.
Во время бестоковой паузы интенсивность ионизации сильно падает, так как не происходит термоионизации. В коммутационных аппаратах, кроме того, принимаются искусственные меры охлаждения дугового пространства и уменьшения числа заряженных частиц. Эти процессы деионизации приводят к постепенному увеличению электрической прочности промежутка u пр (рис. 3, б ).
Резкое увеличение электрической прочности промежутка после перехода тока через нуль происходит главным образом за счет увеличения прочности околокатодного пространства (в цепях переменного тока 150-250В). Одновременно растет восстанавливающееся напряжение u в. Если в любой момент u пр > u в промежуток не будет пробит, дуга не загорится вновь после перехода тока через нуль. Если в какой-то момент u пр = u в, то происходит повторное зажигание дуги в промежутке.
Рис. 3. :
а – погасание дуги при естественном переходе тока через нуль; б – рост электрической прочности дугового промежутка при переходе тока через нуль
Таким образом, задача гашения дуги сводится к созданию таких условий, чтобы электрическая прочность промежутка между контактами u пр была больше напряжения между ними u в.
Процесс нарастания напряжения между контактами отключаемого аппарата может носить различный характер в зависимости от параметров коммутируемой цепи. Если отключается цепь с преобладанием активного сопротивления, то напряжение восстанавливается по апериодическому закону; если в цепи преобладает индуктивное сопротивление, то возникают колебания, частоты которых зависят от соотношения емкости и индуктивности цепи. Колебательный процесс приводит к значительным скоростям восстановления напряжения, а чем больше скорость du в/dt , тем вероятнее пробой промежутка и повторное зажигание дуги. Для облегчения условий гашения дуги в цепь отключаемого тока вводятся активные сопротивления, тогда характер восстановления напряжения будет апериодическим (рис. 3, б ).
3. Способы гашения дуги в коммутационных аппаратах до 1000 В
В коммутационных аппаратах до 1 кВ широко используются следующие способы гашения дуги:
Удлинение дуги при быстром расхождении контактов.
Чем длиннее дуга, тем большее напряжение необходимо для ее существования. Если напряжение источника питания окажется меньше, то дуга гаснет.
Деление длинной дуги на ряд коротких (рис. 4, а
).
Как показано на рис. 1, напряжение на дуге складывается из катодного U
к и анодного U
а падений напряжений и напряжения ствола дуги U
сд:
U д=U к+U а+U сд=U э+ U сд.
Если длинную дугу, возникшую при размыкании контактов, затянуть в дугогасительную решетку из металлических пластин, то она разделится на N коротких дуг. Каждая короткая дуга будет иметь свое катодное и анодное падения напряжений U э. Дуга гаснет, если:
U n U э,
где U - напряжение сети; U э - сумма катодного и анодного падений напряжения (20-25 В в дуге постоянного тока).
Дугу переменного тока также можно разделить на N коротких дуг. В момент прохождения тока через нуль околокатодное пространство мгновенно приобретает электрическую прочность 150-250 В.
Дуга гаснет, если
Гашение дуги в узких щелях.
Если дуга горит в узкой щели, образованной дугостойким материалом, то благодаря соприкосновению с холодными поверхностями происходит интенсивное охлаждение и диффузия заряженных частиц в окружающую среду. Это приводит к быстрой деионизации и гашению дуги.
Рис. 4.
а – деление длинной дуги на короткие; б – затягивание дуги в узкую щель дугогасительной камеры; в – вращение дуги в магнитном поле; г – гашение дуги в масле: 1 – неподвижный контакт; 2 – ствол дуги; 3 – водородная оболочка; 4 – зона газа; 5 – зона паров масла; 6 – подвижный контакт
Движение дуги в магнитном поле.
Электрическая дуга может рассматриваться как проводник с током. Если дуга находится в магнитном поле, то на нее действует сила, определяемая по правилу левой руки. Если создать магнитное поле, направленное перпендикулярно оси дуги, то она получит поступательное движение и будет затянута внутрь щели дугогасительной камеры (рис. 4, б ).
В радиальном магнитном поле дуга получит вращательное движение (рис. 4, в ). Магнитное поле может быть создано постоянными магнитами, специальными катушками или самим контуром токоведущих частей. Быстрое вращение и перемещение дуги способствует ее охлаждению и деионизации.
Последние два способа гашения дуги (в узких щелях и в магнитном поле) применяются также в отключающих аппаратах напряжением выше 1 кВ.
4. Основные способы гашения дуги в аппаратах выше 1 кВ.
В коммутационных аппаратах свыше 1 кВ применяются способы 2 и 3 описанные в п.п. 1.3. а также широко применяются следующие способы гашения дуги:
1. Гашение дуги в масле .
Если контакты отключающего аппарата поместить в масло, то возникающая при размыкании дуга приводит к интенсивному газообразованию и испарению масла (рис. 4, г ). Вокруг дуги образуется газовый пузырь, состоящий в основном из водорода (70-80 %); быстрое разложение масла приводит к повышению давления в пузыре, что способствует ее лучшему охлаждению и деионизации. Водород обладает высокими дугогасящими свойствами. Соприкасаясь непосредственно со стволом дуги, он способствует ее деионизации. Внутри газового пузыря происходит непрерывное движение газа и паров масла. Гашение дуги в масле широко применяется в выключателях.
2. Газовоздушное дутье .
Охлаждение дуги улучшается, если создать направленное движение газов - дутье. Дутье вдоль или поперек дуги (рис. 5) способствует проникновению газовых частиц в ее ствол, интенсивной диффузии и охлаждению дуги. Газ создается при разложении масла дугой (масляные выключатели) или твердых газогенерирующих материалов (автогазовое дутье). Более эффективно дутье холодным неионизированным воздухом, поступающим из специальных баллонов со сжатым воздухом (воздушные выключатели).
3. Многократный разрыв цепи тока .
Отключение большого тока при высоких напряжениях затруднительно. Это объясняется тем, что при больших значениях подводимой энергии и восстанавливающегося напряжения деионизация дугового промежутка усложняется. Поэтому в выключателях высокого напряжения применяют многократный разрыв дуги в каждой фазе (рис. 6). Такие выключатели имеют несколько гасительных устройств, рассчитанных на часть номинального на
пряжения. Число разрывов на фазу зависит от типа выключателя и его напряжения. В выключателях 500-750 кВ может быть 12 разрывов и более. Чтобы облегчить гашение дуги, восстанавливающееся напряжение должно равномерно распределяться между разрывами. На рис. 6 схематически показан масляный выключатель с двумя разрывами на фазу.
При отключении однофазного КЗ восстанавливающееся напряжение распределится между разрывами следующим образом:
U 1/U 2 = (C 1+C 2)/C 1
где U 1 ,U 2 - напряжения, приложенные к первому и второму разрывам; С 1 – емкость между контактами этих разрывов; C 2 – емкость контактной системы относительно земли.
Рис. 6. Распределение напряжения по разрывам выключателя: а – распределение напряжения по разрывам масляного выключателя; б – емкостные делители напряжения; в – активные делители напряжения.
Так как С 2 значительно больше C 1, то напряжение U 1 > U 2 и, следовательно, гасительные устройства будут работать в неодинаковых условиях. Для выравнивания напряжения параллельно главным контактам выключателя (ГК) включают емкости или активные сопротивления (рис. 16, б , в ). Значения емкостей и активных шунтирующих сопротивлений подбирают так, чтобы напряжение на разрывах распределялось равномерно. В выключателях с шунтирующими сопротивлениями после гашения дуги между ГК сопровождающий ток, ограниченный по значению сопротивлениями, разрывается вспомогательными контактами (ВК).
Шунтирующие сопротивления уменьшают скорость нарастания восстанавливающегося напряжения, что облегчает гашение дуги.
4. Гашение дуги в вакууме .
Высокоразреженный газ (10-6-10-8 Н/см2) обладает электрической прочностью, в десятки раз большей, чем газ при атмосферном давлении. Если контакты размыкаются в вакууме, то сразу же после первого прохождения тока в дуге через нуль прочность промежутка восстанавливается и дуга не загорается вновь.
5. Гашение дуги в газах высокого давления .
Воздух при давлении 2 МПа и более обладает высокой электрической прочностью. Это позволяет создавать достаточно компактные устройства для гашения дуги в атмосфере сжатого воздуха. Еще более эффективно применение высокопрочных газов, например шестифторисгой серы SF6 (элегаз). Элегаз обладает не только большей электрической прочностью, чем воздух и водород, но и лучшими дугогасящими свойствами даже при атмосферном давлении.
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 -6 м). 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/мм 2 .
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)
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).
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
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
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 i 2 , 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 i 2 . 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 ()
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 U 1 д на рис.17). Если напряжение, подаваемое на дугу от источника (прямая ) окажется меньше вольт-амперной характеристики дуги – (кривая U 1 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.
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
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 SF 6 (элегаза) для гашения дуги.
Условия гашения дуги переменного тока .
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 а 1 – б 1). Под электрической прочности дугового промежутка подразумевается напряжение, при котором происходит электрический пробой дугового промежутка. Начальная электрическая прочность (точка а 1) и скорость ее возрастания зависят от свойств дугогасительного устройства. В момент t 1 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 0 1 дуга вновь гаснет и происходят процессы, аналогичные описанным ранее. К моменту 0 1 вследствие расхождения контактов длина дуги возрастает, отвод тепла от дуги увеличивается, Увеличивается соответственно и начальная электрическая прочность (точка а 2) и скорость ее возрастания (кривая а 2 –в 2). Соответственно этому увеличивается и бестоковая пауза 0 1 - t 2 > 0 - t 1 .
В момент t 2 снова происходит зажигание дуги. В точке 0 11 дуга гаснет. Вновь увеличивается начальная электрическая прочность (точка а 3) и скорость ее возрастания (кривая а 3 –б 3). 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.
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.
ЛЕКЦИЯ 5
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА
Возникновение и физические процессы в электрической дуге. Размыкание электрической цепи при значительных токах и напряжениях сопровождается электрическим разрядом между расходящимися контактами. Воздушный промежуток между контактами ионизируется и становится проводящим, в нем горит дуга. Процесс отключения состоит в деионизации воздушного промежутка между контактами, т. е. в прекращении электрического разряда и восстановлении диэлектрических свойств. При особых условиях: малых токах и напряжениях, разрыве цепи переменного тока в момент перехода тока через нуль, может произойти без электрического разряда. Такое отключение называется безыскровым разрывом.
Зависимость падения напряжения на разрядном промежутке от тока электрического разряда в газах приведена на рис. 1.
Электрическая дуга сопровождается высокой температурой. Поэтому дуга – явление не только электрическое, но и тепловое. В обычных условиях воздух хороший изолятор. Для пробоя 1см воздушного промежутка требуется напряжение 30кВ. Чтобы воздушный промежуток стал проводником, необходимо создать в нем определенную концентрацию заряженных частиц: свободных электронов и положительных ионов. Процесс отделения от нейтральной частицы электронов и образования свободных электронов и положительно заряженных ионов называется ионизацией . Ионизация газа происходит под действием высокой температуры и электрического поля. Для дуговых процессов в электрических аппаратах наибольшее значение имеют процессы у электродов (термоэлектронная и автоэлектронная эмиссии) и процессы в дуговом промежутке (термическая и ударная ионизация).
Термоэлектронной эмиссией называется испускание электронов с накаленной поверхности. При расхождении контактов резко возрастают переходное сопротивление контакта и плотность тока в площадке контактирования. Площадка разогревается, расплавляется и образуется контактный перешеек из расплавленного металла. Перешеек при дальнейшем расхождении контактов разрывается и происходит испарение металла контактов. На отрицательном электроде образуется раскаленная площадка (катодное пятно), которая служит основанием дуги и очагом излучения электронов. Термоэлектронная эмиссия является причиной возникновения электрической дуги при размыкании контактов. Плотность тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры и материала электрода.
Автоэлектронной эмиссией называется явление испускания электронов с катода под воздействием сильного электрического поля. При разомкнутых контактах к ним приложено напряжение сети. При замыкании контактов, по мере приближения подвижного контакта к неподвижному растет напряженность электрического поля между контактами. При критическом расстоянии между контактами напряженность поля достигает 1000 кВ/мм. Такой напряженности электрического поля достаточно для вырывания электронов из холодного катода. Ток автоэлектронной эмиссии мал служит только началом дугового разряда.
Таким образом, возникновение дугового разряда на расходящихся контактах объясняется наличием термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий. Возникновения электрической дуги при замыкании контактов происходит по причине автоэлектронной эмиссия.
Ударной ионизацией называется возникновение свободных электронов и положительных ионов при столкновении электронов с нейтральной частицей. Свободный электрон разбивает нейтральную частицу. В результате получатся новый свободный электрон и положительный ион. Новый электрон, в свою очередь, ионизирует следующую частицу. Чтобы электрон мог ионизировать частицу газа, он должен двигаться с определенной скоростью. Скорость электрона зависит от разности потенциалов на длине свободного пробега. Поэтому обычно указывается не скорость движения электрона, а минимальную разность потенциалов на длине свободного пути, чтобы электрон приобрел необходимую скорость. Эта разность потенциалов называется потенциал ионизации. Потенциал ионизации газовой смеси определяется самым низким из потенциалов ионизации входящих в газовую смесь компонентов и мало зависит от концентрации компонентов. Потенциал ионизации для газов составляет 13÷16В (азот, кислород, водород), для паров металла примерно в два раза ниже: 7,7В для паров меди.
Термическая ионизация происходит под воздействием высокой температуры. Температура ствола дуги достигает 4000÷7000 К, а иногда 15000 К. При такой температуре резко возрастает количество и скорость движущихся частиц газа. При столкновении атомы и молекулы разрушаются, образуя заряженные частицы. Основной характеристикой термической ионизации является степень ионизации, представляющая собой отношение числа ионизированных атомов к общему числу атомов в дуговом промежутке. Поддержание возникшего дугового разряда достаточным числом свободных зарядов обеспечивается термической ионизацией.
Одновременно с процессами ионизации в дуге происходят обратные процессы деионизации – воссоединения заряженных частиц и образование нейтральных молекул. При возникновении дуги преобладают процессы ионизации, в устойчиво горящей дуге процессы ионизации и деионизации одинаково интенсивны, при преобладании процессов деионизации дуга гаснет.
Деионизация происходит главным образом за счет рекомбинации и диффузии. Рекомбинацией называется процесс, при котором различно заряженные частицы, приходя в соприкосновение, образуют нейтральные частицы. Диффузия заряженных частиц представляет собой процесс выноса заряженных частиц из дугового промежутка в окружающее пространство, что уменьшает проводимость дуги. Диффузия обусловлена как электрическими, так и тепловыми факторами. Плотность зарядов в стволе дуги возрастает от периферии к центру. Ввиду этого создается электрическое поле, заставляющее ионы двигаться от центра к периферии и покидать область дуги. В этом же направлении действует и разность температур ствола дуги и окружающего пространства. В стабилизированной и свободно горящей дуге диффузия играет ничтожную роль. В дуге, обдуваемой сжатым воздухом, а также в быстро движущейся открытой дуге деионизация за счет диффузии может по значению быть близкой к рекомбинации. В дуге, горящей в узкой щели или закрытой камере, деионизация происходит за счет рекомбинации.
ПАДЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГЕ
Падение напряжения вдоль стационарной дуги распределяется неравномерно. Картина изменения падения напряжения U д и продольного градиента напряжения (падение напряжения на единицу длины дуги) Е д вдоль дуги приведена на рис. 2.
|
Ход характеристик U д и Е д в приэлектродных областях резко отличается от хода характеристик на остальной части дуги. У электродов, в прикатодной и прианодной областях, на промежутке порядка 10 -3 мм имеет место резкое падение напряжения, называемое прикатодным U к и прианодным U а . В прикатодной области образуется дефицит электронов из-за высокой их подвижности. В этой области образуется объемный положительный заряд, который обуславливает разность потенциалов U к , порядка 10÷20В. Напряженность поля в прикатодной области достигает 10 5 В/см и обеспечивает выход электронов с катода за счет автоэлектронной эмиссии. Кроме того, напряжение у катода обеспечивает выделение необходимой энергии для подогрева катода и обеспечения термоэлектронной эмиссии. |
Рис. 2. Распределение напряжения на стационарной дуге постоянного тока |
В прианодной области образуется отрицательный объемный заряд, обуславливающий разность потенциалов U а . Направляющиеся к аноду электроны, ускоряются и выбивают из анода вторичные электроны, которые существуют вблизи анода.
Суммарное значение
прианодного и прикатодного падений
напряжений называют приэлектродным
падением напряжения:
и составляет 20-30В.
В остальной части дуги, называемой стволом дуги, падение напряжения U д прямо пропорционально длине дуги:
,
где E СТ – продольный градиент напряжения в стволе дуги, l СТ – длина ствола дуги.
Градиент здесь постоянен вдоль ствола. Он зависит от многих факторов и может изменяться в широких пределах, достигая 100÷200 В/см.
Таким образом, падение напряжения на дуговом промежутке:
УСТОЙЧИВОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Чтобы погаситьэлектрическую дугу постоянного тока, необходимо создать условия, при которых в дуговом промежутке процессы деионизации превосходили бы процессы ионизации при всех значениях тока.
|
Для цепи (рис. 3),
содержащей сопротивление R
,
индуктивность
L
,
дуговой
промежуток с падением напряжения U
д
,
источник постоянного тока напряжением
U
,
в переходном режиме (
где
При устойчиво
горящей дуге (стационарное состояние
Для погасания дуги
необходимо, чтобы ток в ней все время
уменьшался. Это означает, что
Графическое решение уравнения (3) приведено на рис. 4. Прямая 1 – напряжение источника U, прямая 2 – падение напряжения в сопротивлении (реостатная характеристика), кривая 3 – ВАХ дугового промежутка U д . |
|
)
справедливо уравнение Кирхгофа:
,
(1)
– падение напряжения на индуктивности
при изменении тока.
)
выражение (1) принимает вид:
.
(2)
:
.
(3)
В точках а
и б
справедливо уравнение (2), значит
.
Здесь имеет место равновесное состояние.
В точке а
равновесие неустойчивое, в точке б
устойчивое.
При токах
,
напряжение
,
a
,
и если по какой-либо причине ток станет
меньше I
а
,
то он упадет
до нуля – дуга погаснет.
Если же по какой-либо
причине ток станет несколько больше
I
а
,
то будет
,
в цепи как бы окажется «избыточное»
напряжение, которое приведет к возрастанию
тока до значения I
б
.
При любом значении I
а
< i
< I
б
ток в дуге
будет возрастать до значения I
б
.
Между точками а
и б
величина
.
Рост тока в цепи сопровождается
накоплением электромагнитной энергии.
При токе
снова оказывается
,
а
,
т. е. для поддержания такого значения
тока напряжение U
недостаточно. Ток в цепи будет падать
до значения I
б
.
Дуга в этой точке будет гореть устойчиво.
Для погасания дуги
необходимо, чтобы при любом значении
тока соблюдалось условие (3), то есть
ВАХ дуги должна лежать выше характеристики
(рис. 5) на всем своем протяжении и не
иметь с этой характеристикой ни одной
точки соприкосновения.
Электрическая дуга представляет собой вид разряда, характеризующийся большой плотностью тока, высокой температурой, повышенным давлением газа и малым падением напряжения на дуговом промежутке. При этом имеет место интенсивное нагревание электродов (контактов), на которых образуются так называемые катодные и анодные пятна. Катодное свечение концентрируется в небольшом ярком пятне, раскаленная часть противоположного электрода образует анодное пятно.
В дуге можно отметить три области, весьма различные по характеру протекающих в них процессов. Непосредственно к отрицательному электроду (катоду) дуги прилегает область катодного падения напряжения. Далее идет плазменный ствол дуги. Непосредственно к положительному электроду (аноду) прилегает область анодного падения напряжения. Эти области схематично показаны на рис. 1.
Рис. 1. Строение электрической дуги
Размеры областей катодного и анодного падения напряжении на рисунке сильно преувеличены. В действительности их протяженность очень мала Например, протяженность катодного падения напряжения имеет величину порядка пути свободного движения электрона (меньше 1 мк). Протяженность области анодного падения напряжения обычно несколько больше этой величины.
В обычных условиях воздух является хорошим изолятором. Так, необходимое для пробоя воздушного промежутка в 1 см напряжение составляет 30 кВ. Чтобы воздушный промежуток стал проводником, необходимо создать в нем определенную концентрацию заряженных частиц (электронов и ионов).
Как возникает электрическая дуга
Электрическая дуга, представляющая собой поток заряженных частиц, в начальный момент расхождения контактов возникает в результате наличия свободных электронов газа дугового промежутка и электронов, излучаемых с поверхности катода. Свободные электроны, находящиеся в промежутке между контактами перемещаются с большой скоростью по направлению от катода к аноду под действием сил электрического поля.
Напряженность поля в начале расхождения контактов может достигать нескольких тысяч киловольт на сантиметр. Под действием сил этого поля вырываются электроны с поверхности катода и перемещаются к аноду выбивая из него электроны, которые образуют электронное облако. Созданный таким путем первоначальный поток электронов образует в дальнейшем интенсивную ионизацию дугового промежутка.
Наряду с ионизационными процессами, в дуге параллельно и непрерывно идут процессы деионизации. Процессы деионизации состоят а том, что при сближении двух ионов разных знаков или положительного иона и электрона они притягиваются и, сталкиваясь, нейтрализуются, кроме того, наряженные частицы перемещаются из области горения душ с большей концентрацией зарядов в окружающую среду с меньшей концентрацией зарядов. Все эта факторы приводят к понижению температуры дуги, к ее охлаждению и погасанию.
Рис. 2. Электрическая дуга
Дуга после зажигания
В установившемся режиме горения дут ионизационные и деионизационные процессы в ней находятся в равновесии. Ствол дуги с равным количеством свободных положительных и отрицательных зарядов характеризуется высокой степенью ионизации газа.
Вещество, степень ионизации которого близка к единице, т.е. в котором нет нейтральных атомов и молекул, называют плазмой.
Электрическая дуга характеризуется следующими особенностями:
1. Ясно очерченной границей между стволом дуги и окружающей средой.
2. Высокой температурой внутри ствола дуга, достигающей 6000 - 25000K.
3. Высокой плотностью тока и стволе дуги (100 - 1000 А/мм 2).
4. Малыми значениями анодного и катодного падения напряжения и практически не зависит от тока (10 - 20 В).
Вольт-амперная характеристика электрической дуги
Основной характеристикой дуги постоянного тока является зависимость напряжения дуги от тока, которая называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ).
Дуга возникает между контактами при некотором напряжении (рис. 3), называемом напряжением зажигания Uз и зависящим от расстояния между контактами, от температуры и давления среды и от скорости расхождения контактов. Напряжение гашения дуги Uг всегда меньше напряжения U з.
Рис. 3. Вольт-амперная характеристика дуги постоянного тока (а) и ее схема замещения (б)
Кривая 1 представляет собой статическую характеристику дуги, т.е. получаемую при медленном изменении тока. Характеристика имеет падающий характер. С ростом тока напряжение на дуге уменьшается. Это означает, что сопротивление дугового промежутка уменьшается быстрее, чей увеличивается ток.
Если с той или иной скоростью уменьшать ток в дуге от I1 до нуля и при этом фиксировать падение напряжения на дуге, то получатся кривые 2 и 3. Эти кривые носят название динамических характеристик.
Чем быстрее уменьшать ток, тем ниже будут лежать динамические ВАХ. Это объясняется тем, что при снижении тока такие параметры дуги, как сечение ствола, температура, не успевают быстро измениться и приобрести значения, соответствующие меньшему значению тока при установившемся режиме.
Падение напряжения на дуговом промежутке:
Ud = U з + EdId ,
где U з = U к + U а - околоэлектродное падение напряжения, Ed - продольный градиент напряжения в дуге, Id - дина дуги.
Из формулы следует, что с увеличением длины дуги падение напряжения на дуге будет увеличиваться, и ВАХ будет располагаться выше.
С электрической дугой борются при конструировании коммутационных электрических аппаратов. Свойства электрической дуги используются в и в .
22 августа 2012 в 10:00
При размыкании электрической цепи возникает электрический разряд в виде электрической дуги. Для появления электрической дуги достаточно, чтобы напряжение на контактах было выше 10 В при токе в цепи порядка 0,1А и более. При значительных напряжениях и токах температура внутри дуги может достигать 10...15 тыс. °С, в результате чего плавятся контакты и токоведущие части.
При напряжениях 110 кВ и выше длина дуги может достигать нескольких метров. Поэтому электрическая дуга, особенно в мощных силовых цепях, на напряжение выше 1 кВ представляет собой большую опасность, хотя серьезные последствия могут быть и в установках на напряжение ниже 1 кВ. Вследствие этого электрическую дугу необходимо максимально ограничить и быстро погасить в цепях на напряжение как выше, так и ниже 1 кВ.
Причины возникновения электрический дуги
Процесс образования электрической дуги может быть упрощенно представлен следующим образом. При расхождении контактов вначале уменьшается контактное давление и соответственно контактная поверхность, увеличиваются переходное сопротивление(плотность тока и температура — начинаются местные (на отдельных участках площади контактов) перегревы, которые в дальнейшем способствуют термоэлектронной эмиссии, когда под воздействием высокой температуры увеличивается скорость движения электронов и они вырываются с поверхности электрода.
В момент расхождения контактов, то есть разрыва цепи, на контактном промежутке быстро восстанавливается напряжение. Поскольку при этом расстояние между контактами мало, возникает электрическое поле высокой напряженности, под воздействием которого с поверхности электрода вырываются электроны. Они разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать хотя бы один электрон с оболочки нейтрального атома, то происходит процесс ионизации.
Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги, то есть ионизированного канала, в котором горит дуга и обеспечивается непрерывное движение частиц. При этом отрицательно заряженные частицы, в первую очередь электроны, движутся в одном направлении (к аноду), а атомы и молекулы газов, лишенные одного или нескольких электронов, — положительно заряженные частицы — в противоположном направлении (к катоду). Проводимость плазмы близка к проводимости металлов.
В стволе дуги проходит большой ток и создается высокая температура. Такая температура ствола дуги приводит к термоионизации — процессу образования ионов вследствие соударения молекул и атомов, обладающих большой кинетической энергией при высоких скоростях их движения (молекулы и атомы среды, где горит дуга, распадаются на электроны и положительно заряженные ионы). Интенсивная термоионизация поддерживает высокую проводимость плазмы. Поэтому падение напряжения по длине дуги невелико.
В электрической дуге непрерывно протекают два процесса: кроме ионизации, также деионизация атомов и молекул. Последняя происходит в основном путем диффузии, то есть переноса заряженных частиц в окружающую среду, и рекомбинации электронов и положительно заряженных ионов, которые воссоединяются в нейтральные частицы с отдачей энергии, затраченной на их распад. При этом происходит теплоотвод в окружающую среду.
Таким образом, можно различить три стадии рассматриваемого процесса: зажигание дуги, когда вследствие ударной ионизации и эмиссии электронов с катода начинается дуговой разряд и интенсивность ионизации выше, чем деионизации, устойчивое горение дуги, поддерживаемое термоионизацией в стволе дуги, когда интенсивность ионизации и деионизации одинакова, погасание дуги, когда интенсивность деионизации выше, чем ионизации.
Способы гашения дуги в коммутационных электрических аппаратах
Для того чтобы отключить элементы электрической цепи и исключить при этом повреждение коммутационного аппарата, необходимо не только разомкнуть его контакты, но и погасить появляющуюся между ними дугу. Процессы гашения дуги, так же как и горения, при переменном и постоянном токе различны. Это определяется тем, что в первом случае ток в дуге каждый полупериод проходит через нуль. В эти моменты выделение энергии в дуге прекращается и дуга каждый раз самопроизвольно гаснет, а затем снова загорается.
Практически ток в дуге становится близким нулю несколько раньше перехода через нуль, так как при снижении тока энергия, подводимая к дуге, уменьшается, соответственно снижается температура дуги и прекращается термоионизация. При этом в дуговом промежутке интенсивно идет процесс деионизации. Если в данный момент разомкнуть и быстро развести контакты, то последующий электрический пробой может не произойти и цепь будет отключена без возникновения дуги. Однако практически это сделать крайне сложно, и поэтому принимают специальные меры ускоренного гашения дуги, обеспечивающие охлаждение дугового пространства и уменьшение числа заряженных частиц.
В результате деионизации постепенно увеличивается электрическая прочность промежутка и одновременно растет восстанавливающееся напряжение на нем. От соотношения этих величин и зависит, загорится ли на очередную половину периода дуга или нет. Если электрическая прочность промежутка возрастает быстрее и оказывается больше восстанавливающего напряжения, дуга больше не загорится, в противном же случае будет обеспечено устойчивое горение дуги. Первое условие и определяет задачу гашения дуги.
В коммутационных аппаратах используют различные способы гашения дуги.
Удлинение дуги
При расхождении контактов в процессе отключения электрической цепи возникшая дуга растягивается. При этом улучшаются условия охлаждения дуги, так как увеличивается ее поверхность и для горения требуется большее напряжение.
Деление длинной дуги на ряд коротких дуг
Если дугу, образовавшуюся при размыкании контактов, разделить на К коротких дуг, например затянув ее в металлическую решетку, то она погаснет. Дуга обычно затягивается в металлическую решетку под воздействием электромагнитного поля, наводимого в пластинах решетки вихревыми токами. Этот способ гашения дуги широко используется в коммутационных аппаратах на напряжение ниже 1 кВ, в частности в автоматических воздушных выключателях.
Охлаждение дуги в узких щелях
Гашение дуги в малом объеме облегчается. Поэтому в коммутационных аппаратах широко используют дугогасительные камеры с продольными щелями (ось такой щели совпадает по направлению с осью ствола дуги). Такая щель обычно образуется в камерах из изоляционных дугостойких материалов. Благодаря соприкосновению дуги с холодными поверхностями происходят ее интенсивное охлаждение, диффузия заряженных частиц в окружающую среду и соответственно быстрая деионизация.
Кроме щелей с плоскопараллельными стенками, применяют также щели с ребрами, выступами, расширениями (карманами). Все это приводит к деформации ствола дуги и способствует увеличению площади соприкосновения ее с холодными стенками камеры.
Втягивание дуги в узкие щели обычно происходит под действием магнитного поля, взаимодействующего с дугой, которая может рассматриваться как проводник с током.
Внешнее магнитное поле для перемещения дуги наиболее часто обеспечивают за счет катушки, включаемой последовательно с контактами, между которыми возникает дуга. Гашение дуги в узких щелях используют в аппаратах на все напряжения.
Гашение дуги высоким давлением
При неизменной температуре степень ионизации газа падает с ростом давления, при этом возрастает теплопроводность газа. При прочих равных условиях это приводит к усиленному охлаждению дуги. Гашение дуги при помощи высокого давления, создаваемого самой же дугой в плотно закрытых камерах, широко используется в плавких предохранителях и ряде других аппаратов.
Гашение дуги в масле
Если контакты выключателя помещены в масло, то возникающая при их размыкании дуга приводит к интенсивному испарению масла. В результате вокруг дуги образуется газовый пузырь (оболочка), состоящий в основном из водорода (70...80 %), а также паров масла. Выделяемые газы с большой скоростью проникают непосредственно в зону ствола дуги, вызывают перемешивание холодного и горячего газа в пузыре, обеспечивают интенсивное охлаждение и соответственно деионизацию дугового промежутка. Кроме того, деионизирующую способность газов повышает создаваемое при быстром разложении масла давление внутри пузыря.
Интенсивность процесса гашения дуги в масле тем выше, чем ближе соприкасается дуга с маслом и быстрее движется масло по отношению к дуге. Учитывая это, дуговой разрыв ограничивают замкнутым изоляционным устройством — дугогасительной камерой. В этих камерах создается более тесное соприкосновение масла с дугой, а при помощи изоляционных пластин и выхлопных отверстий образуются рабочие каналы, по которым происходит движение масла и газов, обеспечивая интенсивное обдувание (дутье) дуги.
Дугогасительные камеры по принципу действия разделяют на три основные группы: с автодутьем, когда высокие давление и скорость движения газа в зоне дуги создаются за счет выделяющейся в дуге энергии, с принудительным масляным дутьем при помощи специальных нагнетающих гидравлических механизмов, с магнитным гашением в масле, когда дуга под действием магнитного поля перемещается в узкие щели.
Наиболее эффективны и просты дугогасительные камеры с автодутьем. В зависимости от расположения каналов и выхлопных отверстий различают камеры, в которых обеспечивается интенсивное обдувание потоками газопаровой смеси и масла вдоль дуги (продольное дутье) или поперек дуги (поперечное дутье). Рассмотренные способы гашения дуги широко используются в выключателях на напряжение выше 1 кВ.
Другие способы гашения дуги в аппаратах на напряжение выше 1 кВ
Кроме указанных выше способов гашения дуги, используют также: сжатый воздух, потоком которого вдоль или поперек обдувается дуга, обеспечивая ее интенсивное охлаждение (вместо воздуха применяются и другие газы, часто получаемые из твердых газогенерирующих материалов — фибры, винипласта и т. п. — за счет их разложения самой горящей дугой), элегаз (шестифтористая сера), обладающий более высокой электрической прочностью, чем воздух и водород, в результате чего дуга, горящая в этом газе, даже при атмосферном давлении достаточно быстро гасится, высокоразреженный газ (вакуум), при размыкании контактов в котором дуга не загорается вновь (гаснет) после первого прохождения тока через нуль.
Последние публикации
