Процес утворення електричної дуги, гасіння
Процес освіти ел. дуги, гасіння
При розмиканні електричного ланцюга виникає електричний розряд як електричної дуги. Для появи електричної дуги достатньо, щоб напруга на контактах була вище 10 при струмі в ланцюгу порядку 0,1А і більше. При значних напругах і струмах температура всередині дуги може досягати 10. 15 тис. ° С, у результаті плавляться контакти та струмопровідні частини.
При напругах 110 кВ і від довжина дуги може досягати кількох метрів. Тому електрична дуга, особливо в потужних силових ланцюгах, на напругу вище 1 кВ є великою небезпекою, хоча серйозні наслідки можуть бути і в установках на напругу нижче 1 кВ. Внаслідок цього електричну дугу необхідно максимально обмежити та швидко погасити у ланцюгах на напругу як вище, так і нижче 1 кВ.
Причини виникнення електричної дуги
Процес утворення електричної дуги може бути спрощено представлений в такий спосіб. При розбіжності контактів спочатку зменшується контактний тиск і відповідно контактна поверхня, збільшуються перехідний опір( щільність струму і температура - починаються місцеві (на окремих ділянках площі контактів) перегріви, які надалі сприяють термоелектронній емісії, коли під впливом високої температури збільшується швидкість руху електронів і вони вириваються із поверхні електрода.
У момент розбіжності контактів, тобто розриву ланцюга, на контактному проміжку швидко відновлюється напруга. Оскільки при цьому відстань між контактами замало, виникає електричне поле високої напруженості, під впливом якого з поверхні електрода вириваються електрони. Вони розганяються велектричному полі та при ударі в нейтральний атом віддають йому свою кінетичну енергію. Якщо цієї енергії достатньо, щоб відірвати хоча б один електрон з оболонки нейтрального атома, відбувається процес іонізації.
Вільні електрони та іони, що утворилися, становлять плазму стовбура дуги, тобто іонізованого каналу, в якому горить дуга і забезпечується безперервний рух частинок. При цьому негативно заряджені частинки, насамперед електрони, рухаються в одному напрямку (до анода), а атоми та молекули газів, позбавлені одного або декількох електронів, — позитивно заряджені частинки — у протилежному напрямку (до катода). Провідність плазми близька до провідності металів.
У стовбурі дуги проходить великий струм та створюється висока температура. Така температура стовбура дуги призводить до термоіонізації - процесу утворення іонів внаслідок зіткнення молекул і атомів, що мають велику кінетичну енергію при високих швидкостях їх руху (молекули і атоми середовища, де горить дуга, розпадаються на електрони і позитивно заряджені іони). Інтенсивна термоіонізація підтримує високу провідність плазми. Тому падіння напруги по довжині дуги невелике.
В електричній дузі безперервно протікають два процеси: крім іонізації, також деіонізація атомів та молекул. Остання відбувається в основному шляхом дифузії, тобто перенесення заряджених частинок в навколишнє середовище, і рекомбінації електронів і позитивно заряджених іонів, які з'єднуються в нейтральні частки з віддачею енергії, витраченої на їхній розпад. При цьому відбувається тепловідведення у навколишнє середовище.
Таким чином, можна розрізнити три стадії аналізованого процесу: запалення дуги, коли внаслідок ударної іонізації та емісії електронів з катодапочинається дуговий розряд і інтенсивність іонізації вище, ніж деіонізації, стійке горіння дуги, підтримуване термоіонізації в стовбурі дуги, коли інтенсивність іонізації і деіонізації однакова, згасання дуги, коли інтенсивність деіонізації вище, ніж іонізації.
Способи гасіння дуги у комутаційних електричних апаратах
Для того щоб відключити елементи електричного ланцюга і виключити при цьому пошкодження комутаційного апарату, необхідно не тільки розімкнути його контакти, але і погасити дугу, що з'являється між ними. Процеси гасіння дуги, як і і горіння, при змінному і постійному струмі різні. Це визначається тим, що в першому випадку струм у дузі кожен напівперіод проходить через нуль. У ці моменти виділення енергії в дузі припиняється і дуга щоразу мимоволі гасне, а потім знову спалахує.
Практично струм у дузі стає близьким нулю раніше переходу через нуль, так як при зниженні струму енергія, що підводиться до дуги, зменшується, відповідно знижується температура дуги і припиняється термоіонізація.
При цьому в дуговому проміжку інтенсивно йде процес деіонізації. Якщо в даний момент розімкнути і швидко розвести контакти, то наступний електричний пробій може не відбутися і ланцюг буде відключений без виникнення дуги. Однак практично це зробити вкрай складно, і тому вживають спеціальних заходів прискореного гасіння дуги, що забезпечують охолодження дугового простору та зменшення кількості заряджених частинок.
В результаті деіонізації поступово збільшується електрична міцність проміжку і одночасно зростає напруга, що відновлюється, на ньому. Від співвідношення цих величин і залежить, чи загориться на чергову половину періоду дуга чи ні. Якщо електричнаміцність проміжку зростає швидше і виявляється більше напруги, що відновлює, дуга більше не загориться, в іншому випадку буде забезпечене стійке горіння дуги. Перша умова і визначає завдання гасіння дуги.
У комутаційних апаратах використовують різні способи гасіння дуги.
Подовження дуги
При розходженні контактів у процесі відключення електричного ланцюга дуга, що виникла, розтягується. При цьому покращуються умови охолодження дуги, так як збільшується її поверхня і для горіння потрібна більша напруга.
Поділ довгої дуги на низку коротких дуг
Якщо дугу, що утворилася при розмиканні контактів, розділити на К коротких дуг, наприклад, затягнувши її в металеву решітку, вона згасне. Дуга зазвичай затягується в металеві ґрати під впливом електромагнітного поля, що наводиться в пластинах решітки вихровими струмами. Цей спосіб гасіння дуги широко використовується в комутаційних апаратах на напругу нижче 1 кВ, зокрема автоматичних повітряних вимикачах.
Охолодження дуги у вузьких щілинах
Гасіння дуги в малому обсязі полегшується. Тому в комутаційних апаратах широко використовують дугогасні камери з поздовжніми щілинами (вісь такої щілини збігається у напрямку з віссю дула). Така щілина зазвичай утворюється в камерах із ізоляційних дугостійких матеріалів. Завдяки зіткненню дуги з холодними поверхнями відбуваються її інтенсивне охолодження, дифузія заряджених частинок у навколишнє середовище та відповідно швидка деіонізація.
Крім щілин із плоскопаралельними стінками, застосовують також щілини з ребрами, виступами, розширеннями (кишенями). Все це призводить до деформації стовбура дуги та сприяє збільшенню площі зіткнення її з холодними стінками камери.
Втягування дуги у вузькі щілини зазвичай відбувається під дією магнітного поля, що взаємодіє з дугою, яка може розглядатися як провідник зі струмом.
Зовнішнє магнітне поле для переміщення дуги найчастіше забезпечують за рахунок котушки, що включається послідовно з контактами, між якими виникає дуга. Гасіння дуги у вузьких щілинах використовують в апаратах на всі напруження.
Гасіння дуги високим тиском
При постійній температурі ступінь іонізації газу падає зі зростанням тиску, у своїй зростає теплопровідність газу. За інших рівних умов це призводить до посиленого охолодження дуги. Гасіння дуги за допомогою високого тиску, створюваного самою дугою в щільно закритих камерах, широко використовується в плавких запобіжниках і ряді інших апаратів.
Гасіння дуги в олії
Якщо контакти вимикача поміщені в масло, то дуга, що виникає при їх розмиканні, призводить до інтенсивного випаровування масла. В результаті навколо дуги утворюється газовий міхур (оболонка), що складається в основному з водню (70. 80%), а також парів олії. Гази, що виділяються, з великою швидкістю проникають безпосередньо в зону стовбура дуги, викликають перемішування холодного і гарячого газу в міхурі, забезпечують інтенсивне охолодження і відповідно деіонізацію дугового проміжку. Крім того, деіонізуючу здатність газів підвищує створюваний при швидкому розкладанні масла тиск усередині міхура.
Інтенсивність процесу гасіння дуги в олії тим вища, чим ближче стикається дуга з маслом і швидше рухається масло по відношенню до дуги. Враховуючи це, дуговий розрив обмежують замкнутим ізоляційним пристроєм - дугогасною камерою. У цих камерах створюється більш тісний зіткнення олії з дугою, а за допомогоюізоляційних пластин і вихлопних отворів утворюються робочі канали, якими відбувається рух олії та газів, забезпечуючи інтенсивне обдування (дуття) дуги.
Дугогасні камери за принципом дії поділяють на три основні групи: з автодуттям, коли високі тиск і швидкість руху газу в зоні дуги створюються за рахунок енергії, що виділяється в дузі, з примусовим масляним дуттям за допомогою спеціальних нагнітальних гідравлічних механізмів, з магнітним гасінням в маслі, коли дуга під впливом магнітного поля переміщається у вузькі щілини.
Найбільш ефективні та прості дугогасні камери з автодуттям. Залежно від розташування каналів та вихлопних отворів розрізняють камери, в яких забезпечується інтенсивне обдування потоками газопарової суміші та олії вздовж дуги (поздовжнє дуття) або поперек дуги (поперечне дуття). Розглянуті способи гасіння дуги широко використовуються у вимикачах на напругу понад 1 кВ.
Інші способи гасіння дуги в апаратах на напругу понад 1 кВ
Крім зазначених вище способів гасіння дуги, використовують також: стиснене повітря, потоком якого вздовж або впоперек обдувається дуга, забезпечуючи її інтенсивне охолодження (замість повітря застосовуються й інші гази, що часто одержуються з твердих газогенеруючих матеріалів - фібри, вініпласту і т.п. рахунок їх розкладання дугою), елегаз (шестифториста сірка), що володіє вищою електричною міцністю, ніж повітря і водень, в результаті чого дуга, що горить в цьому газі, навіть при атмосферному тиску досить швидко гаситься, високорозріджений газ (вакуум), при розмиканні контактів у якому дуга не спалахує знову (гасне) після першого проходження струму через нуль.
Джерело інформації: "Школа дляелектрика: електротехніка та електроніка"