Способы гашения электрической дуги

Практическое занятие

Расчет характеристик электрической дуги

Цель занятия:изучить явления в дуговом столбе между электрическими контактами, условия гашения дуги, рассчитать скорость движения электрической дуги в магнитном поле.

Пояснения к занятию

Большая группа электрических аппаратов представлена коммутационными устройствами, при помощи которых размыкается и замыкается электрическая цепь. Электрический разряд, возникающий при размыкании контактов, приводит к их износу и в значительной степени определяет надежность и долговечность аппарата. Этот разряд в окружающем контакт газе является либо тлеющим разрядом, либо электрической дугой. Тлеющий разряд возникает при отключении тока менее 0,1А при напряжении на контактах 250-300В. Такой разряд происходит на контактах маломощных реле, а в более мощных аппаратах является переходной фазой к разряду в виде электрической дуги. Если ток и напряжение в цепи выше значений, указанных в таблице 1, то имеет место дуговой разряд, обладающий следующими особенностями:

1. Дуговой разряд имеет место только при относительно больших токах. Минимальный ток дуги для различных материалов приведен в таблице 1 и для металлов составляет примерно 0,5А.
2. Температура центральной части дуги очень велика и может достигать 6000-25000К.
3. При дуговом разряде плотность тока на катоде чрезвычайно велика и достигает 10²-10³ А/мм².
4. Падение напряжения у катода составляет всего 10-20В и практически не зависит от тока.

Таблица 1. Минимальные значения напряжения и тока, необходимые для поддержания дугового разряда

Материал контактов	U0,В	I0,А	Материал контактов	U0,В	I0,А
Платина Золото Серебро	17,0 15,0 12,0	0,9 0,38 0,4	Вольфрам Медь Уголь	17,0 12,3 18,0-22,0	0,9 0,43 0,03

Рисунок 1.

В дуговом разряде можно различить три характерные области: околокатодную область, область столба дуги, и околоанодную область (см. рисунок 1). Околокатодная область занимает весьма небольшое пространство длиной не более 10^-6м. Около катода возникает положительный объемный заряд, создаваемый положительными ионами. Между этим положительным объемным зарядом и катодом создается электрическое поле с напряженностью до 10⁷ В/м, в котором движутся электроны, вышедшие и катода и создающие электрический ток. Электрическое поле воздействует на электроны, увеличивая их скорость. При соударении такого электрона с нейтральной частицей может возникнуть ионизация, для чего электрон должен обладать определенной энергией. Напряжение U_i (разгоняющее напряжение), которое должен пройти электрон для приобретения энергии, необходимой для ионизации, называется потенциалом ионизации.Например, для паров меди он равен 7,7В.

Положительные ионы, так же как и электроны, разгоняются электрическим полем, но из-за большой массы скорость их много меньше. Ионизация толчком происходит в основном за счет электронов. Образующие электроны не создают около катода отрицательного объемного заряда, так их скорость значительно больше скорости тяжелых положительных ионов. Положительные ионы разгоняются в поле катодного падения напряжения и бомбардируют катод. Благодаря этому температура катода поднимается и достигает точки испарения материала электрода. При высоких температурах появляется термоэлектронная эмиссия катода, которая в сильной степени зависит от температуры электрода. Проведенные исследования также показали, что дуга может существовать только за счет автоэлектронной эмиссии, создаваемой у катода электрическим полем.

Энергия, приобретенная заряженными частицами в электрическом поле дугового столба, столь мала, что практически ионизация толчком не происходит. При большой температуре, которая имеет место в области дугового столба, скорость частицы возрастает до значения, при котором удар в нейтральный атом приводит к его ионизации. Такая ионизация называется термической. Основным источником ионов в столбе дуги является термическая ионизация. Пары металла ионизируются значительно легче, чем пары двухатомных газов. Поэтому в дугогасительных устройствах (ДУ) необходимы меры против попадания металлических паров электродов в столб дуги. Также во всех ДУ стремятся отводить тепло от дуги либо за счет охлаждения движущимся воздухом или газом (воздушные, масляные выключатели), либо за счет отдачи тепла стенкам дугогасительной камеры. В дуговом столбе наряду с ионизацией протекают процессы деионизации за счет рекомбинации и диффузии. Для стабильно горящей дуги скорость роста числа ионизированных частиц равна скорости роста исчезновения.

Физически процесс отключения дуги состоит в деионизации дугового промежутка между расходящимися контактами, т. е. в превращении его в диэлектрик и прекращении вследствие этого электрического разряда.

Поток электронов из столба дуги устремляется к положительному электроду - аноду. Анод при дуговом разряде не излучает положительных ионов, которые могли бы нейтрализовать электроны. Поэтому вблизи анода создается отрицательный объемный заряд, что и вызывает появление околоанодного падения напряжения и повышение напряженности электрического поля. Околоанодное падения напряжения зависит от температуры анода, его материала и значения тока. Электроны разгоняются в поле, образованным отрицательным объемным зарядом и анодом. Энергия, приобретенная электродами, отдается аноду. Благодаря большой энергии электронов анод нагревается до очень высокой температуры, которая выше температуры катода. Мощный поток электронов выбивает из анода электроны, которые также участвуют в создании отрицательного объемного заряда. Высокая температура анода и околоанодная область не оказывают существенного влияния на возникновение и условия существования дугового разряда. Роль анода сводится к приему электронов из дугового столба.

Падение напряжения у катода составляет 10-20В и зависит от материала катода и свойств газа, в котором горит дуга. Околоанодное падение напряжения составляет 5-10В. В области дугового столба положительные и отрицательные объемные заряды уравновешивают друг друга и результирующий заряд равен нулю. Градиент напряжения на дуге остается постоянным, и для дуги свободно горящей в воздухе составляет (2÷3)∙10³ В/м. В ДУ градиент напряжения сильно возрастает, достигая (2÷3)∙10⁴ В/м.

В некоторых аппаратах низкого напряжения длина дуги невелика. Падение напряжения на столбе дуги мало по сравнению с суммой падения напряжения у катода и анода. Такие дуги называют короткими. Условия гашения короткой дуги в значительной степени определяются процессами, происходящими у электродов, и условиями их охлаждения.

В аппаратах высокого напряжения падение напряжения на столбе дуги значительно больше околоэлектродных, и последними можно пренебречь. Условия существования таких дуг, называемых длинными, определяются процессами в столбе дуги.

Итак, для дуговых процессов в электрических аппаратах характерны следующие процессы: термоэлектронная и автоэлектронная эмиссия, термическая ионизация и ионизация толчком.

Важнейшей характеристикой дуги является вольт-амперная (ВАХ), представляющая собой зависимость напряжения на дуге от тока. На рисунке 2 изображена ВАХ дуги постоянного тока. ВАХ, снятая при медленном изменении тока называется статической (см. рис.2, кривая 1). Если с той или иной скоростью уменьшать ток в дуге от I₀ до нуля и при этом фиксировать падение напряжения на дуге в зависимости от тока, то получим ряд кривых 2. Чем быстрее будет происходить уменьшение тока, тем ниже будет лежать ВАХ дуги. При мгновенном изменении тока до нуля получим кривую 3.

Рисунок 2.

Напряжение на дуге U_д можно рассматривать как сумму окоэлектродных падений напряжения U_э и падения напряжения на столбе дуги:

U_д= U_э+Е_дl_д , (1)

где Е_д– продольный градиент напряжения на столбе дуги, В/м;

l_д - длина дуги, м.

На рисунке 3,б изображены ВАХ дуги переменного тока.

Рисунок 3.

Рассмотрим условия гашения дуги постоянного тока.

Рисунок 4.

На рисунке 4 изображена схема, содержащая сопротивление R, индуктивность L, дуговой промежуток с падением напряжения U_д; U- напряжение источника, приложенное к цепи.

Для электрической цепи, изображенной на рисунке 4 для любого момента времени справедливо уравнение:

U=U_д + iR + L(di/dt) . (2) При устойчиво горящей дуге di/dt=0 и U=U_д + iR. Для погасания дуги необходимо, чтобы ток в ней все время уменьшался. Это означает, что di/dt <0, а U_д > U- iR .

а) б)

Рисунок 5. Условия гашения дуги постоянного тока: прямая 1 - напряжение источника тока U;прямая 2- падение напряжения на сопротивлении (реостатная характеристика цепи), отсчитываемое от U; кривая 3- вольт-амперная характеристика (ВАХ) дугового промежутка U_д.

Графическое решение уравнения U=U_д + iR + L(di/dt) приведено на рис. 5,а. На рис. 5,б показано, что в точках а и б выполняется условие U=U_д - iR , L(di/dt)=0. В этих точках имеет место равновесное состояние. Однако в точке а это равновесие неустойчивое, ав точке б – устойчивое.

Для гашения дуги постоянного тока необходимо, чтобы при любом значении тока соблюдалось условие Uд > U- iR. Это означает, что ВАХ дуги должна на всем протяжении лежать выше характеристики U – iR и не иметь с этой характеристикой ни одной точки соприкосновения.

Рассмотрим условие гашения дуги переменного тока.

а) б)

Рисунок 6.

На рисунке 6,а показан схематично процесс перехода тока через нуль (сплошной линией). При переходе через нуль имеет место бестоковая пауза, во время которой происходит интенсивная деионизация дугового промежутка. Важное значение для гашения дуги переменного тока при напряжении до 1000В имеют явления, происходящие у катода при переходе через нуль. В момент перехода тока через нуль в прикатодной области практически мгновенного (за время t <1мкс) изоляционная прочность промежутка восстанавливается до значения пробивного напряжения U_пр0=150÷250В. Большая цифра относится к меньшим токам и холодному катоду, а меньшая относится к большим токам и горячему катоду.

На рисунке 6,б кривые 1 и 3 показывают нарастание пробивного напряжения на дуговом промежутке U_пр, кривая 2 показывает нарастание напряжения на дуговом промежутке U, кривая 4 показывает падение напряжения на дуге; точка О-точка повторного зажигания дуги; U_пр0 -пробивное напряжения дугового промежутка, оно показывает электрическую прочность промежутка; U_пр0 является тем минимальным напряжением, которое необходимо для пробоя околокатодного слоя после прохождения тока через нуль.

Условия гашения дуги переменного тока: если после прохождения тока через нуль электрическая прочность дугового промежутка в каждый момент времени будет больше напряжения на нем, то дуга погаснет.

Для погасания дуги постоянного необходимо, чтобы при любом значении тока соблюдалось условие U_д > U- iR. Согласно (1) подъем ВАХ можно осуществить за счет увеличения длины дуги l_д, увеличения градиента напряжения Е_д, а также используя околоэлектродное падение напряжения U_э. Увеличить градиент Е_д можно путем эффективного охлаждения и подъема давления среды в которой горит дуга. Охлаждение дуги можно создать за счет перемещения дуги в воздухе или газе, за счет их перемещения относительно дуги, либо за счет размещения дуги в узкой щели, стенки которой имеют высокую теплопроводность и дугостойкость. Перемещение дуги в такой камере осуществляется с помощью магнитного поля. В дугогасительной решетке для гашения дуги используется околоэлектродное падение напряжения U_э (в аппаратах постоянного тока) и околокатодная электрическая прочность (в аппаратах переменного тока).

Способы гашения электрической дуги

1.Применение дугогасительных камер с узкой щелью (в электрических аппаратах низкого напряжения).

2.Перемещение дуги под воздействием магнитного поля.

3.Гашение дуги с помощью дугогасительной решетки.

4.Гашение дуги высоким давлением.

5.Гашение дуги в потоке сжатого газа.

6.Гашение дуги в трансформаторном масле.

7.Гашение дуги в вакуумной среде.

8.Гашение дуги с помощью полупроводниковых приборов.

При решении задач используются следующие расчетные формулы и соотношения.

Скорость движения дуги в результате действия тока в шинах при В ≤0,1Тл определяется по формуле Г.А. Кукекова:

v_д=73 I_д^1/3 В_ср^2/3, (3)

где I_д-ток в дуге,А;

В_ср-магнитная индукция между шинами,Тл.

Скорость дуги в результате действия тока в шинах по данным О.Б. Брона определяется по формуле:

v_д= , (4)

где Н=В/µ₀-напряженность магнитного поля,А/см;

В-магнитная индукция между шинами,Тл;

µ₀=4π∙10^-7-магнитная проницаемость воздуха, Гн/м.

I_д-ток в дуге,А.

Скорость дуги, находящейся в узкой щели, по данным Г.А. Кукекова определяется по формуле:

v_д= , (5)

где δ-ширина щели, м;

I_д-ток в дуге,А;

В-величина индукции,Тл.

Энергия, выделенная в дуге в процесс гашения горения дуги, Дж:

А_д= = +LI²/2 (6)

где U_д- падение напряжения на дуге,В;

i-ток в дуге,А;

t_д-время горения дуги,с;

R-сопротивление отключаемой цепи,Ом;

L-индуктивность отключаемой цепи,Гн;

I=U/R-установившийся ток в цепи,А.

Время горения дуги, с:

t_д= , (7)

где L- индуктивность цепи,Гн;

∆U-перенапряжение,В;

I-установившийся ток в цепи,А.

Вольт-амперная характеристика дуги постоянного тока:

U_д=с i ^-a l , (8)

где i-ток дуги,А;

l-длина дуги,м;

с и а- числовые коэффициенты, определяемые экспериментально.

Для аппаратов постоянного тока напряжение дугогасительной решетки:

U_д.р=U_э(m-1)+Е_дl_д , (9)

где U_э=U_к+U_а-сумма околоэлектродных падений напряжения,В;

m-число пластин;

Е_д-градиент напряжения на свободно горящей дуге, В/см;

l_д=(m-1)l₀ –длина дуги,см;

l₀-зазор между пластинами, см.

Для гашения дуги надо соблюсти условие:

U_д.р=U_э(m-1)+Е_дl₀(m-1)> U- iR , (10)

где R-сопротивление нагрузки;

U-напряжение источника.

Процесс гашения дуги в дугогасительной решетке при переменном токе имеет свои особенности. После расхождения контактов дуга за счет электромагнитных сил затягивается на решетку и делится на ряд коротких дуг. Введение в цепь (m-1) коротких дуг уменьшает ток в цепи из-за падения напряжения на них, равного U_э(m-1). В результате ток проходит через нуль раньше своего естественного нуля (t=Т/2). При этом облегчаются условия процесса восстановления напряжения. Длительность горения дуги t_д уменьшается. После прохождения тока через нуль около каждого катода восстанавливается электрическая прочность, достигая 300В при малых токах и 70В при больших. Гашение происходит при выполнении условия:

с(m-1) > U’_max , (11)

где с= U_пр0-околокатодная прочность дугового промежутка;

U’_max- мгновенное напряжение сети или мгновенное значение ЭДС источника,

U’_max ≤ 2Е_m , Е_m – максимальное значение ЭДС источника тока;

m-число пластин.

Задание

Перед выполнением практического занятия студент должен подготовить ответы на контрольные вопросы.