Дуга. Условия возникновения и горения дуги. Способы гашения дуги.

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 Uк, Uсд, Uа. 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. Изменение тока и напряжения при гашении дуги переменного тока в цепи с индуктивной нагрузкой.

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 ucд меняется синусоидально, так же меняется ток в цепи i (рис. 2), причем ток отстает от напряжения примерно на 90°. Напряжение на дуге uд, горящей между контактами выключателя, непостоянно. При малых токах напряжение возрастает до величины uз (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 uг. 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 — uвз (рис. 2, точка А). Однако поскольку в цепи имеются индуктивные, активные и емкостные сопротивления, возникает переходный процесс, появляются колебания напряжения (рис. 2), амплитуда которых Uв,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.

2. Условия гашения дуги переменного тока

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 tп 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 uпр (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 uв . Если в любой момент uпр > uв промежуток не будет пробит, дуга не загорится вновь после перехода тока через нуль. Если в какой-то момент uпр = uв , то происходит повторное зажигание дуги в промежутке.

Рис. 3. Условия гашения дуги переменного тока:

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 uпр была больше напряжения между ними uв.

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 duв/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 Uк и анодного Uа падений напряжений и напряжения ствола дуги Uсд:

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 Uэ. Дуга гаснет, если:

U U2 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.

Источник

УСЛОВИЯ ГАШЕНИЯ ДУГИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Физические основы горения дуги. При размыкании контактов электрического аппарата вследствие ионизации пространства между ними возникает электрическая дуга. Промежуток между контактами при этом остается проводящим и прохождение тока по цепи не прекращается.

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.

Коммутирующие свойства аппарата описывает его ВАХ, представляющая собой зависимость напряжения на дуге от тока. U=i·Rд. С ростом тока i увеличивается температу­ра дуги, усиливается термическая ионизация и падает эл. сопротивление дуги Rд .

При увеличении тока сопротивление дуги уменьшается так резко, что напряжение на ней падает, несмотря на рост тока

ВАХ дуги, снятая при медленном изменении тока, на­зывается статической. Вольт-амперные характеристики полученные при быстром изменении тока до нуля, называются динамическими

Она зависит от расстоя­ния между электродами (длины дуги), материала электродов, параметров среды и условий охлаждения. Напря­жение на дуге u _Д можно рассматривать как сумму околоэлектродных падений напряжения u_э и падения напряже­ния в столбе дуги:

где Е_п — напряженность электрического поля в столбе дуги; l — длина столба дуги.

Величина Еп зависит от тока и условий горения дуги. Статические ВАХ дуги изображены на рис. Чем боль­ше длина дуги, тем выше лежит ее статическая ВАХ. С ро­стом давления среды, в которой горит дуга, также увели­чивается напряженность Еи и ВАХ поднимается .

Охлаждение дуги существенно влияет на ВАХ. Чем ин­тенсивнее охлаждение дуги, тем большая мощность от нее отводится. При этом должна возрасти мощность, выделя­емая дугой. Поскольку при заданном токе это возможно за счет увеличения напряжения на дуге, то ВАХ поднимается, что широко используется в ДУ.

Напряжение Uг, при котором дуга гаснет, называют напряжением гашения. Оно всегда меньше напряжения зажигания вследствие повышения температуры контактов и увеличения проводимости межконтактного промежутка. Чем больше скорость снижения тока, тем меньше напряжение гашения дуги в момент прекращения тока.

Условия гашения дуги постоянного тока зависят не только от ее вольт-амперной характеристики, но и от параметров электрической цепи (напряжение, ток, сопротивление и индуктивность), которую включают и отключают контакты аппарата. Для гашения дуги необходимо, чтобы количество энергии, подводимой к дуге, было меньше количества тепла, отводи­мого от нее. При отключении цепи с большой индуктив­ностью выделяемую в дуге электромагнитную энергию необходимо отвести охлаждением. В связи с этим, чем больше индуктивность цепи и отключаемый ток, тем труднее отключить цепь.

Для гашения электрической дуги необходимо создать условия, при которых падение напряжения на дуге превосходило бы напряжение сети. Основным средством повышения падения напряжения в дуге является увеличение длины дуги. При размыкании цепей низкого напряжения со сравнительно небольшими токами гашение обеспечивается соответствующим выбором раствора контактов, между которыми возникает дуга. В этом случае дуга гаснет без каких-либо дополнительных устройств. Для контактов, разрывающих силовые цепи, необходимая для гашения длина дуги настолько велика, что практически осуществить такой раствор контактов уже не представляется возможным. В таких электрических аппаратах устанавливают специальные дугогасительные устройства

1. для гашения дуги постоянного тока необходимо создать такие условия, при которых ток упал бы до нуля

2. увеличение длины дуги.

3. специальные дугогасительные устройства

Источник

Способы гашения дуги постоянного тока

Способы гашения электрической дуги

Перед электроконтактными аппаратами, которые коммутируют электрические цепи с током, стоит задача не только разорвать электрическую цепь, но и погасить возникшую между контактами электрическую дугу.

Контур, содержащий индуктивность, при протекании через него тока запасает электромагнитную энергию, причем, чем больше индуктивность контура, тем больше запасенная электромагнитная энергия. При размыкании контура запасенная энергия должна быть израсходована. В основном эта энергия расходуется на создание разряда между разомкнувшимися контактами, который, в большинстве случаев, является дуговым разрядом, характеризуемый большой плотностью тока в разрядном промежутке, сопровождающийся высокой температурой и повышением давления в области горения дуги. В коммутационных электрических аппаратах, предназначенных для замыкания и размыкания электрической цепи с током, при отключении возникает разряд в газе. Либо тлеющий разряд в газе, либо электрическая дуга. Тлеющий разряд возникает тогда, когда ток в отключаемой цепи ниже 0,1 А, а напряжение на контактах достигает величины 250 – 300 В. Такой разряд возникает на контактах мощных реле или как переходная фаза к разряду в виде электрической дуги. Дуговой разряд имеет место только при токах большой величины, минимальный ток дуги составляет примерно 0,5 А.

Способы гашения дуги постоянного тока

Принудительное движение воздуха. Гашение дуги в струе сжатого воздуха, полученной с помощью компрессора, весьма эффективно. Такое гашение в аппаратах низкого напряжения не применяется, так как дугу можно погасить и более простыми способами, без применения специального оборудования для сжатия воздуха. Для гашения дуги, особенно при критических токах (токи, при которых наступают условия для гашения электрической дуги, называются критическими), применяется принудительное дутьё воздуха, создаваемого деталями подвижной системы при движении в процессе отключения.

Гашение дуги в жидкости. Гашение электрической дуги в жидкости, например, в трансформаторном масле, очень эффективно, так как образующиеся газообразные продукты разложения масла при высокой температуре электрической дуги, интенсивно деионизируют ствол дуги. 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. Быстрое разложение масла приводит к повышению давления, что способствует лучшему охлаждению дуги и деионизации. Из-за сложности конструкции этот способ гашения дуги в аппаратах низкого напряжения не применяется.

Повышенное давление газа. Повышенное давление газа облегчает гашение дуги, так как при этом повышается теплоотдача. Установлено, что вольтамперные характеристики дуги в разных газах, находящихся при разных давлениях (больше атмосферного), будут одинаковы, если в этих газах будут одинаковые коэффициенты теплоотдачи конвекцией.

Электродинамическое воздействие на дугу. При токах свыше 1 А большое влияние на гашение дуги оказывают электродинамические силы, возникающие между дугой и соседними токоведущими частями. Эти силы удобно рассматривать как результат взаимодействия тока дуги и магнитного поля, созданного током, проходящим по токоведущим частям. Простейшим способом создания магнитного поля является соответствующее расположение электродов, между которыми горит дуга. Для успешного гашения дуги требуется, чтобы расстояние между электродами по ходу ее движения увеличивалось плавно. При малых токах никакие, даже очень маленькие, ступеньки (высотой порядка 1 мм) нежелательны, так как у их края дуга может задержаться.

Магнитное гашение. Если путем соответствующего расположения токоведущих частей не удается достигнуть гашения дуги при приемлемых растворах контактов, то, чтобы их не увеличивать чрезмерно, применяют так называемое магнитное гашение. Для этого в зоне, где горит дуга, создают магнитное поле с помощью постоянного магнита или электромагнита, дугогасительная катушка которого включена последовательно в главную цепь. Иногда магнитное поле, созданное контуром тока, усиливается специальными стальными деталями. Магнитное поле направляет дугу в требуемую сторону.

При последовательно включенной дугогасительной катушке изменение направления тока в главной цепи не вызывает изменение направления тока и не вызывает изменение направления движения дуги. При постоянном магните дуга будет двигаться в разные стороны в зависимости от направления тока в главной цепи. Обычно конструкция дугогасительной камеры этого не позволяет, тогда аппарат может работать только при одном направлении тока, что представляет значительные неудобства. Это является главным недостатком конструкции с постоянным магнитом, которая проще, компактнее и дешевле конструкции с дугогасительной катушкой. Способ гашения дуги с помощью последовательно включенной катушки состоит еще и в том, что наибольшую напряженность поля надо создать при критических токах, которые невелики. Дугогасительное поле становится большим при больших токах, когда можно обойтись и без него, так как электродинамические силы становятся достаточно большими для выдувания дуги.

В аппаратах, рассчитанных на атмосферное давление, магнитное гашение применяется широко. В автоматических воздушных выключателях на напряжение до 660 В (за исключением быстродействующих) дугогасительные катушки не применяются, так как эти аппараты преимущественно ручного управления и у них легко создать достаточно большой раствор контактов. Но усилие поля с помощью стальных скоб, охватывающих токоведущие части, применяется часто. Дугогасительные катушки применяются в однополюсных электромагнитных контакторах постоянного тока, так как раствор контакта аппарата необходимо делать значительно меньшим во избежание применения чрезмерно большого втягивающего электромагнита.

Источник