Способы гашения дуги в электрических аппаратах низкого и высокого напряжения.

Процессы в дуговом промежутке

Размыкание электрической цепи при сколько-нибудь значительных токах и напряжениях, как правило, сопровождается электрическим разрядом между расходящимися контактами. Воздушный промежуток между контактами иони­зируется и становится на некоторое время проводящим, в нем возникаетдуга. Тем или иным способом дуга гасится, т. е. ток в цепи падает от начального значения до нуля, Физический процесс отключения состоит в деионизации воздушного промежутка между контактами, т. е. в превращении его в диэлектрик и прекращении вследствие этого электрического разряда. При особых условиях - очень малых токах и напряжениях, разрыве цепи переменного тока в момент перехода тока через нуль и некоторых других - расхождение контактов может произойти без электрического разряда. Такое отключение называется безыскровым разрывом. Электрическая дуга сопровождается высокой температурой и связана с этой температурой. Поэтому дуга - явление не только электрическое, но и тепловое.

В обычных условиях воздух является хорошим изолятором. Так, для пробоя воздушного промежутка в 1 см требуется приложить напряжение не менее 30 кВ. Для того чтобы воздушный промежуток стал проводником, необходимо создать в нем определенную концентрацию заряженных частиц - отрицатель­ных, в основном свободных электронов и положительных ионов. Процесс отделения от нейтральной частицы одного или нескольких электронов и обра­зования свободных электронов и положительно заряженных частиц - ионов - называется ионизацией.

Ионизация газа может происходить под действием света, рентгеновских лучей, высокой температуры, под влиянием электрического поля и ряда дру­гих факторов. Для дуговых процессов в электрических аппаратах наибольшее значение имеют: из процессов, происходящих у электродов, - термоэлектрон­ная и автоэлектронная эмиссии, а из процессов, происходящих в дуговом промежутке, - термическая ионизация и ионизация толчком.

Термоэлектронной эмиссией называется явление испускания электронов из накаленной поверхности. При расхождении контактов резко возрастают переходное сопротивление контакта и плотность тока в последней площадке контактирования. Эта площадка разогревается до расплавления и образования контактного перешейка из расплавленного металла, который при дальнейшем расхождении контактов рвется. Здесь происходит испарение металла контактов. На отрицательном электроде образуется так называемое катодное пятно (раскалённая площадка), которая служит основанием дуги и очагом излучения электронов в первый момент расхождения контактов. Плотность тока термо­электронной эмиссии зависит от температуры и материала электрода. Она невелика и может быть достаточной для возникновения электрической ду­ги, но она недостаточна для ее горения.

Автоэлектронная эмиссия - явление испускания электродов из катода под действием сильного электрического поля. При размыкании контактов напряженность поля между контактами во время нарастания напряжения проходит через значения, превышающие 100 MB/см. Такие значения напряженности электрического поля достаточны для вырывания электронов из холодного катода. Ток автоэлектронной эмиссии также весьма мал и может служить только началом развития дугового разряда.

Термическая ионизация - процесс ионизации под воздействием высокой температуры. Поддержание дуги после ее возникновения, т. е. обеспечение возникшего дугового, разряда достаточным числом свободных зарядов, объяс­няется основным и практически единственным видом ионизации - термической ионизацией.

Температура ствола дуги достигает 4000 - 7000 К, а по отдельным дан­ным - 15 000 К. При такой температуре сильно возрастает как число быстро движущихся частиц газа, так и скорость их движения. При столкновении быстро движущихся атомов или молекул большая часть их разрушается, образуя как нейтральные, так и заряженные частицы, т. е. происходит иони­зация газа.

Рекомбинация - различно заряженные частицы, при­ходя во взаимное соприкосновение, образуют нейтральные частицы.

В электрической дуге отрицательными частицами являются в основном электроны. Непосредственное соединение электронов с положительным ионом ввиду большой разности скоростей маловероятно. Обычно рекомбинация происходит при помощи нейтральной частицы, которую электрон заряжает. При соударении этой отрицательно заряженной частицы с положительным ионом образуется одна или две нейтральные частицы.

Диффузия - процесс выноса заряженных частиц из дугового промежутка в окружающее пространство, что уменьшает проводимость дуги.

Вольтамперные характеристики дуги

Зависимость падения напряжения на стволе дуги от тока - вольт-амперная характеристика дуги - приведена на рис. 2.2. Она представляет собой часть кривой (область III) на рис. 2.3. Напряжение, соответствующее началу дугового разряда, носит название напряжения зажигания дуги. С ростом тока напряжение на дуге уменьшается. Это означает, что сопротив­ление дугового промежутка падает быстрее, чем увеличивается ток. Для каж­дого значения тока в какой-то момент времени установится равновесное состояние, когда ионизация будет равна деионизации. Электрическое сопротив­ление дугового промежутка и падение напряжения на нем станут величинами постоянными, не зависящими от времени. Такой режим носит название статического, а кривая 1, характеризующая этот режим, - статической характеристики дуги.

Если с той или иной скоростью уменьшить ток в дуге от I₀ до нуля и при этом фиксировать падение напряжения на дуге в зависимости от тока, то получим ряд кривых 2, лежащих ниже кривой 1. Чем быстрей будет происходить уменьшение тока, тем ниже будет лежать вольтамперная харак­теристика дуги. В пределе, при мгновенном изменении тока до нуля, получим прямую 3. Только при медленном изменении тока процесс будет происходить по статической характеристике.

Рис.2.3. Вольтамперные характеристики дуги

Источник: Источник: Л.А.Родштейн, Электрические аппараты, Ленэнергоиздат, 1981, 304 с.(стр. 72)

Вольтамперные характеристики дуги, полученные, при быстром изме­нении тока до нуля, носят название динамических. Соответствую­щее этим характеристикам напряжение, при котором дуга гаснет, назы­вается напряжением гашения U_Г. Если падение напряжения на дуге U_Д характеризует дуговой промежуток как проводник, то напряжения Uз и U_Г характеризуют изоляционные свойства промежутка - они означают напряжения, которые необходимо приложить при данном состоянии промежутка, чтобы возбудить в нём электрическую дугу.

Способы гашения электрической дуги

Чтобы погасить дугу постоянного тока, необходимо создать такие условия, при которых в дуговом промежутке при всех значениях тока от начального до нулевого процессы деионизации превосходили бы процессы ионизации. Независимо от способа гашения дуги постоянного тока в ней выделится энергия, запасенная в магнитном поле отключаемой цепи, плюс еще какая-то доля энергии, которая поступит от генератора за время горения дуги (в устойчиво горящей дуге вся выделяющаяся в ней энергия поступает от генератора).

При переменном токе, ток в дуге независимо от степени ионизации дугового промежутка переходит через нуль каждый полупериод, т.е. каждый полупериод дуга гаснет и зажигается вновь. Задача гашения дуги несколько облегчается. Здесь необходимо создать условия, при которых ток не восстановился бы после прохождения через нуль. При переменном токе температура дуги является величиной переменной. Однако тепловая инерция газа оказывается довольно значительной, и в момент перехода тока через нуль температура дуги не падает до нуля и остается достаточно высокой. Все же имеющее место снижение температуры дуги при переходе тока через нуль способствует деионизации промежутка и облегчает гашение.

Для гашения электрической дуги необходимо создать условия, при которых падение напряжения на дуге превосходило бы напряжение сети. Гасить дугу можно:

· увеличивая ее длину (растягивая);

· воздействуя на ее ствол и добиваясь повышения продольного градиента напряжения и в) используя околоэлектродные падения напряжения.

Отключающие аппараты имеют обычно два электрода, и для исполь­зования околоэлектродных падений напряжения необходимо создать ду­гогасительные устройства со многи­ми электродами. Такие устройства получили название дугогасительных решёток. Существует много способов гашения электрической дуги:

· гашение открытой дуги в магнитном поле;

· гашение электрической дуги высоким давлением;

· гашение электрической дуги в масле;

· гашение электрической дуги воздушным дутьём;

· гашение дуги в дугогасительной решётке;

· использование контактной системы с тиристорным блоком бездугового отключения.