Значення словосполучення «електрична дуга. Утворення та властивості дуги Електрична дуга та причини її виникнення

Гасінню дуги сприяють, використовувані як внутрішній ізоляції апаратів на напругу вище 1000В, високорозряджені гази або гази високого тиску.

Гасіння дуги у вакуумі.Високорозряджений газ має електричну міцність у десятки разів більшу, ніж газ при атмосферному тиску; це використовується у вакуумних контакторах та вимикачах.

Гасіння дуги у газах високого тиску.Повітря при тиску 2 МПа і більше має високу електричну міцність, що дозволяє створити компактні гасильні пристрої в повітряних вимикачах. Ефективне використання шестифтористої сірки SF 6 (елегазу) для гасіння дуги.

Умови гасіння дуги змінного струму.

Нехай контакти розійшлися у точці а. Між ними спалахує дуга. До кінця напівперіоду через зменшення струму збільшується опір ствола дуги і відповідно збільшується напруга на дузі. При підході струму до нуля до дуги підводиться мала потужність, температура дуги зменшується, відповідно сповільнюється термічна іонізація та прискорюються процеси деіонізації – дуга гасне (точка 0 ). Струм у ланцюгу обривається до свого природного проходження через нуль. Напруга відповідні обриву струму – пік гасіння U г.

Мал. 22. Гашення дуги змінного струму при активному навантаженні

Після гасіння дуги відбувається відновлення електричної міцності дугового проміжку (крива а 1 – б 1). Під електричної міцності дугового проміжку мається на увазі напруга, у якому відбувається електричний пробою дугового проміжку. Початкова електрична міцність (точка а 1) та швидкість її зростання залежать від властивостей дугогасного пристрою. В момент t 1крива напруги на дуговому проміжку перетинається із кривою відновлення електричної міцності дугового проміжку – відбувається запалення дуги. Напруга запалення дуги – пік запалення U з. Крива напруги на дузі має сідлоподібну форму.

У точці 0 1 дуга знову гасне і відбуваються процеси, аналогічні описаним раніше. До моменту 0 1 внаслідок розходження контактів довжина дуги зростає, відведення тепла від дуги збільшується, Збільшується відповідно і початкова електрична міцність (точка а 2) і швидкість її зростання (крива а 2-2). Відповідно до цього збільшується і безструмова пауза 0 1 - t 2 > 0 -t 1 .

В момент t 2знову відбувається запалення дуги. У точці 0 11 дуга гасне. Знову збільшується початкова електрична міцність (точка а3) і швидкість її зростання (крива а3-б3). Крива напруги не перетинається з кривою зростання електричної міцності. Дуга у цьому напівперіоді не запалюється.

У відкритій дузі при високій напрузі(роговий розрядник), визначальним фактором є активний опір сильно розтягнутого стовбура дуги. Умови гасіння дуги змінного струму наближаються до умов гасіння дуги постійного струму і процеси після переходу струму через нуль мало впливають на гасіння дуги.

При індуктивному навантаженні безструмова пауза дуже мала (приблизно 0,1 мкс), тобто дуга горить майже безперервно. Вимкнення індуктивного навантаження складніше, ніж активного. Тут немає урвища струму.

У цілому нині процес дугогашення на змінному струмі легше, ніж постійному. Раціональною умовою гасіння дуги змінного струму слід вважати таке, коли гасіння здійснюється в перший після розмикання контактів перехід струму через нуль.

Запитання для самоперевірки:

· Області дугового розряду.

· Статична вольт-амперна характеристика.

· Динамічна вольт-амперна характеристика.

· Умови стабільного горіння та гасіння дуги постійного струму.

· Які явища використовуються для гасіння дуги?

· Умови гасіння дуги змінного струму.

1. Умови виникнення та горіння дуги

Розмикання електричного ланцюга за наявності струму супроводжується електричним розрядом між контактами. Якщо в ланцюгу, що відключається, струм і напруга між контактами більше, ніж критичні для даних умов, то між контактами виникає дуга, тривалість горіння якої залежить від параметрів ланцюга та умов деіонізації дугового проміжку. Утворення дуги при розмиканні мідних контактів можливе вже при струмі 0,4-0,5 А та напрузі 15 Ст.

Мал. 1. Розташування в стаціонарній дузі постійного струму напруги U(a) та напруженостіЕ(б).

У дузі розрізняють навколокатодний простір, стовбур дуги та навколоанодний простір (рис. 1). Вся напруга розподіляється між цими областями Uдо, Uсд, Uа. Катодне падіння напруги в дузі постійного струму 10-20, а довжина цієї ділянки становить 10-4-10-5 см, таким чином, біля катода спостерігається висока напруженість електричного поля (105-106 В / см). За таких високих напруженостей відбувається ударна іонізація. Суть її полягає в тому, що електрони, вирвані з катода силами електричного поля (автоелектронна емісія) або за рахунок нагрівання катода (термоелектронна емісія), розганяються в електричному полі і при ударі в нейтральний атом віддають йому свою кінетичну енергію. Якщо цієї енергії достатньо, щоб відірвати один електрон з нейтрального оболонки атома, то відбудеться іонізація. Вільні електрони та іони, що утворилися, складають плазму стовбура дуги.

Мал. 2. .

Провідність плазми наближається до провідності металів у= 2500 1/(Ом×см)]/ У стовбурі дуги проходить великий струм і створюється висока температура. Щільність струму може досягати 10 000 А/см2 і більше, а температура - від 6000 До при атмосферному тиску до 18000 До і більше підвищених тисках.

Високі температури у стовбурі дуги призводять до інтенсивної термоіонізації, яка підтримує велику провідність плазми.

Термоіонізація - процес утворення іонів за рахунок зіткнення молекул і атомів, що мають велику кінетичну енергію при високих швидкостях їх руху.

Чим більший струм у дузі, тим менший її опір, а тому потрібна менша напруга для горіння дуги, тобто дугу з великим струмом погасити важче.

При змінному струмі напруга джерела живлення u cд змінюється синусоїдально, так само змінюється струм у ланцюгу i(Рис. 2), причому струм відстає від напруги приблизно на 90 °. Напруга на дузі uд, що горить між контактами вимикача, непостійно. При малих струмах напруга зростає до величини uз (напруги запалювання), потім у міру збільшення струму в дузі та зростання термічної іонізації напруга падає. Наприкінці напівперіоду, коли струм наближається до нуля, дуга гасне при напрузі гасіння uг. У наступний напівперіод явище повторюється, якщо не вжито заходів для деіонізації проміжку.

Якщо дуга погашена тими чи іншими способами, то напруга між контактами вимикача повинна відновитися до напруги мережі живлення - uвз (рис. 2, точка А). Однак оскільки в ланцюзі є індуктивні, активні та ємнісні опори, виникає перехідний процес, з'являються коливання напруги (рис. 2), амплітуда яких Uв,max може значно перевищувати нормальна напруга. Для апаратури, що відключає, важливо, з якою швидкістю відновлюється напруга на ділянці АВ. Підсумовуючи, можна відзначити, що дуговий розряд починається за рахунок ударної іонізації та емісії електронів з катода, а після запалення дуга підтримується термоіонізацією в стовбурі дуги.

У комутаційних апаратах необхідно не тільки розімкнути контакти, а й погасити дугу, що виникла між ними.

У ланцюгах змінного струму струм у дузі кожен напівперіод проходить через нуль (рис. 2), у ці моменти дуга гасне мимовільно, але наступного напівперіод вона може виникнути знову. Як показують осцилограми, струм у дузі стає близьким до нуля трохи раніше природного переходу через нуль (рис. 3, а). Це тим, що при зниженні струму енергія, що підводиться до дуги, зменшується, отже, зменшується температура дуги і припиняється термоіонізація. Тривалість безструмової паузи tп невелика (від десятків до кількох сотень мікросекунди), але відіграє важливу роль у гасінні дуги. Якщо розімкнути контакти в павузу без струму і розвести їх з достатньою швидкістю на таку відстань, щоб не стався електричний пробій, то ланцюг буде відключений дуже швидко.

Під час безструмової паузи інтенсивність іонізації сильно падає, тому що не відбувається термоіонізації. У комутаційних апаратах, крім того, вживаються штучні заходи охолодження дугового простору та зменшення кількості заряджених частинок. Ці процеси деіонізації призводять до поступового збільшення електричної міцності проміжку. uпр (рис. 3, б).

Різке збільшення електричної міцності проміжку після переходу струму через нуль відбувається головним чином рахунок збільшення міцності околокатодного простору (в ланцюгах змінного струму 150-250В). Одночасно зростає напруга, що відновлюється. uв. Якщо будь-якої миті uпр > uв проміжок не буде пробито, дуга не загориться знову після переходу струму через нуль. Якщо в якийсь момент uпр = uв, відбувається повторне запалювання дуги в проміжку.

Мал. 3. :

а- згасання дуги при природному переході струму через нуль; б- Зростання електричної міцності дугового проміжку при переході струму через нуль

Таким чином, завдання гасіння дуги зводиться до створення таких умов, щоб електрична міцність проміжку між контактами uпр була більша напруга між ними uв.

Процес наростання напруги між контактами апарату, що відключається, може носити різний характер залежно від параметрів комутованого ланцюга. Якщо відключається ланцюг з величезним переважанням активного опору, то напруга відновлюється за аперіодичним законом; якщо в ланцюзі переважає індуктивний опір, виникають коливання, частоти яких залежать від співвідношення ємності та індуктивності ланцюга. Коливальний процес призводить до значних швидкостей відновлення напруги, а чим більша швидкість duв/ dt, тим швидше пробою проміжку і повторне запалювання дуги. Для полегшення умов гасіння дуги в ланцюг струму, що відключається, вводяться активні опори, тоді характер відновлення напруги буде аперіодичним (рис. 3, б).

3. Способи гасіння дуги в комутаційних апаратах до 1000У

У комутаційних апаратах до 1 кВ широко використовуються такі способи гасіння дуги:

Подовження дуги при швидкій розбіжності контактів.

Чим довша дуга, тим більша напруга необхідна її існування. Якщо напруга джерела живлення виявиться меншою, то дуга гасне.

Поділ довгої дуги на ряд коротких (рис. 4, а).
Як показано на рис. 1, напруга на дузі складається з катодного Uдо і анодного Uа падінь напруги і напруги стовбура дуги Uсд:

Uд= Uдо+ Uа+ Uсд= Uе+ Uсд.

Якщо довгу дугу, що виникла при розмиканні контактів, затягнути в дугогасну решітку з металевих пластин, вона розділиться на Nкороткі дуги. Кожна коротка дуга матиме своє катодне та анодне падіння напруг. Uе. Дуга гасне, якщо:

U n Uе.,

де U- Напруга мережі; Uе - сума катодного та анодного падінь напруги (20-25 В у дузі постійного струму).

Дугу змінного струму також можна розділити на Nкороткі дуги. У момент проходження струму через нуль навколокатодний простір миттєво набуває електричної міцності 150-250 В.

Дуга гасне, якщо

Гасіння дуги у вузьких щілинах.

Якщо дуга горить у вузькій щілині, утвореній дугостійким матеріалом, завдяки зіткненню з холодними поверхнями відбувається інтенсивне охолодження і дифузія заряджених частинок в навколишнє середовище. Це призводить до швидкої деіонізації та гасіння дуги.

Мал. 4.

а– розподіл довгої дуги на короткі; б– затягування дуги у вузьку щілину дугогасної камери; в– обертання дуги у магнітному полі; г- Гасіння дуги в маслі: 1 - нерухомий контакт; 2 – ствол дуги; 3 – воднева оболонка; 4 – зона газу; 5 – зона парів олії; 6 – рухливий контакт

Рух дуги в магнітному полі.

Електрична дуга може розглядатися як провідник із струмом. Якщо дуга знаходиться у магнітному полі, то на неї діє сила, яка визначається за правилом лівої руки. Якщо створити магнітне поле, спрямоване перпендикулярно осі дуги, вона отримає поступальний рух і буде затягнута всередину щілини дугогасної камери (рис. 4, б).

У радіальному магнітному полі дуга отримає обертальний рух(Рис. 4, в). Магнітне поле може бути створене постійними магнітами, спеціальними котушками або контуром струмоведучих частин. Швидке обертання та переміщення дуги сприяє її охолодженню та деіонізації.

Останні два способи гасіння дуги (у вузьких щілинах і магнітному полі) застосовуються також у відключаючих апаратах напругою вище 1 кВ.

4. Основні способи гасіння дуги в апаратах вище 1кВ.

У комутаційних апаратах понад 1 кВ застосовуються способи 2 та 3 описані в п.п. 1.3. а також широко застосовуються такі способи гасіння дуги:

1. Гасіння дуги в олії .

Якщо контакти відключаючого апарату помістити в масло, то дуга, що виникає при розмиканні, призводить до інтенсивного газоутворення і випаровування масла (рис. 4, г). Навколо дуги утворюється газовий міхур, що складається переважно з водню (70-80 %); швидке розкладання олії призводить до підвищення тиску в міхурі, що сприяє її кращому охолодженню та деіонізації. Водень має високі дугогасні властивості. Доторкаючись безпосередньо до стовбура дуги, він сприяє її деіонізації. Усередині газового міхура відбувається безперервний рух газу та парів олії. Гасіння дуги в маслі широко застосовується у вимикачах.

2. Газоповітряне дуття .

Охолодження дуги покращується, якщо створити спрямований рух газів – дуття. Дуття вздовж або впоперек дуги (рис. 5) сприяє проникненню газових частинок у її стовбур, інтенсивній дифузії та охолодженню дуги. Газ створюється при розкладанні олії дугою (масляні вимикачі) або твердих газогенеруючих матеріалів (автогазове дуття). Більш ефективно дуття холодним неіонізованим повітрям, що надходить із спеціальних балонів зі стисненим повітрям (повітряні вимикачі).

3. Багаторазовий розрив ланцюга струму .

Вимкнення великого струму при високих напругах важко. Це пояснюється тим, що за великих значенняхенергії, що підводиться, і відновлюється напруги деіонізація дугового проміжку ускладнюється. Тому у вимикачах високої напруги застосовують багаторазовий розрив дуги у кожній фазі (рис. 6). Такі вимикачі мають кілька пристроїв гасіння, розрахованих на частину номінального на напруги. Число розривів на фазу залежить від типу вимикача та його напруги. У вимикачах 500-750 кВ може бути 12 і більше розривів. Щоб полегшити гасіння дуги, напруга, що відновлюється, повинна рівномірно розподілятися між розривами. На рис. 6 схематично показаний масляний вимикач із двома розривами на фазу.

При відключенні однофазного КЗ напруга, що відновлюється, розподілиться між розривами наступним чином:

U 1/U 2 = (C 1+C 2)/C 1

де U 1 ,U 2 - напруги, прикладені до першого та другого розривів; З 1 – ємність між контактами цих розривів; C 2 – ємність контактної системи щодо землі.

Мал. 6. Розподіл напруги з розривів вимикача: а – розподіл напруги з розривів масляного вимикача; б - ємнісні дільники напруги; в – активні дільники напруги.

Так як З 2 значно більше C 1, то напруга U 1 > U 2 і, отже, гасильні пристрої працюватимуть у різних умовах. Для вирівнювання напруги паралельно головним контактам вимикача (ГК) включають ємності або активні опори (рис. 16, б, в). Значення ємностей та активних шунтуючих опорів підбирають так, щоб напруга на розривах розподілялася рівномірно. У вимикачах із шунтуючими опорами після гасіння дуги між ГК супроводжуючий струм, обмежений за значенням опорами, розривається допоміжними контактами (ВК).

Шунтуючі опори зменшують швидкість наростання напруги, що відновлюється, що полегшує гасіння дуги.

4. Гасіння дуги у вакуумі .

Високорозріджений газ (10-6-10-8 Н/см2) має електричну міцність, в десятки разів більшу, ніж газ при атмосферному тиску. Якщо контакти розмикаються у вакуумі, відразу після першого проходження струму в дузі через нуль міцність проміжку відновлюється і дуга не спалахує знову.

5. Гасіння дуги в газах високого тиску .

Повітря при тиску 2 МПа і більше має високу електричну міцність. Це дозволяє створювати досить компактні пристрої для гасіння дуги в атмосфері повітря. Ще ефективніше застосування високоміцних газів, наприклад шестифторісгою сірки SF6 (елегаз). Елегаз має не тільки більшу електричну міцність, ніж повітря і водень, але і кращі властивості, що дугогасять, навіть при атмосферному тиску.

Відключення ланцюга контактним апаратом характеризується виникненням плазми, яка проходить різні стадії газового розряду у процесі перетворення міжконтактного проміжку з провідника електричного струмуу ізолятор.

При струмах вище 0,5-1 А з'являється стадія дугового розряду (область 1 ) (рис. 1.); при зниженні струму виникає стадія розряду, що тліє, у катода (область 2 ); наступна стадія (область 3 ) - Таунсендівський розряд, і нарешті, область 4 - стадія ізоляції, в якій носії електрики - електрони та іони - не утворюються за рахунок іонізації, а можуть надходити тільки з навколишнього середовища.

Мал. 1. Вольтамперна характеристика стадій електричного розряду у газах

Перша ділянка кривої - дуговий розряд (область 1) – характеризується малим падінням напруги у електродів та великою щільністю струму. Зі зростанням струму напруга на дуговому проміжку спочатку різко падає, а потім незначно змінюється.

Друга ділянка (область 2 ) кривої, що є область тліючого розряду, характеризується високим падінням напруги у катода (250 – 300 У) і малими струмами. Зі зростанням струму зросте падіння напруги на розрядному проміжку.

Таунсендівський розряд (область 3 ) характеризується надзвичайно малими значеннями струму при високих напругах.

Електрична дугасупроводжується високою температурою та пов'язана з цією температурою. Тому дуга – явище як електричне, а й теплове.

У звичайних умовах повітря є добрим ізолятором. Так, для пробою повітряного проміжку 1 см потрібно прикласти напругу не менше 30 кВ. Щоб повітряний проміжок став провідником, необхідно створити у ньому певну концентрацію заряджених частинок: негативних – переважно вільних електронів, і позитивних – іонів. Процес відокремлення від нейтральної частки одного або декількох електронів з утворенням вільних електронів та іонів називається іонізацією.

Іонізація газуможе відбуватися під дією світла, рентгенівських променів, високої температури, під впливом електричного поля та інших чинників. Для дугових процесів в електричних апаратах найбільше значеннямають: із процесів, які у електродів, – термоелектронна і автоелектронна емісії, та якщо з процесів, які у дуговому проміжку, – термічна іонізація і іонізація поштовхом.

У комутаційних електричних апаратах, призначених для замикання та розмикання ланцюга зі струмом, при відключенні виникає розряд у газі або у вигляді розряду, що тліє, або у вигляді дуги. Тліючий розряд виникає тоді, коли струм, що відключається нижче 0,1 А, а напруга на контактах досягає величини 250 - 300 В. Такий розряд зустрічається або на контактах малопотужних реле, або як перехідна фаза до розряду у вигляді електричної дуги.

Основні властивості дугового розряду.

1) Дуговий розряд має місце лише за струмах великої величини; мінімальний струм дуги для металів становить приблизно 0,5 А;

2) Температура центральної частини дуги дуже велика і в апаратах може досягати 6000 - 18000;

3) Щільність струму на катоді надзвичайно велика і досягає 10 2 - 10 3 А/мм 2;

4) Падіння напруги у катода становить лише 10 – 20 У практично не залежить від струму.

У дуговому розряді можна розрізнити три характерні області: навколокатодну область стовпа дуги (ствол дуги) і околоанодную (рис. 2.).

У кожній із цих областей процеси іонізації та деіонізації протікають по-різному залежно від умов, які там існують. Оскільки результуючий струм, що проходить через ці три області, однаковий, у кожній з них відбуваються процеси, що забезпечують виникнення необхідної кількостізарядів.

Мал. 2. Розподіл напруги та напруженості електричного поля в стаціонарній дузі постійного струму

Термоелектронна емісія.Термоелектронною емісією називається явище випромінювання електронів з розжареної поверхні.

При розбіжності контактів різко зростають перехідний опір контакту і щільність струму на останньому майданчику контактування. Цей майданчик нагрівається до температури плавлення та утворення контактного перешийка з розплавленого металу, який при подальшому розбіжності контактів рветься. Тут відбувається випаровування металу контактів. На негативному електроді утворюється так звана катодна пляма (розпечена площадка), яка служить основою дуги та осередком випромінювання електронів у перший момент розходження контактів. Щільність струму термоелектронної емісії залежить від температури та матеріалу електрода. Вона невелика і може бути достатньою для виникнення електричної дуги, але недостатня для її горіння.

Автоелектронна емісія.Це явище випромінювання електронів з катода під впливом сильного електричного поля.

Місце розриву електричного кола може бути представлене як конденсатор змінної ємності. Місткість у початковий момент дорівнює нескінченності, потім зменшується в міру розходження контактів. Через опір ланцюга цей конденсатор заряджається, і напруга на ньому поступово зростає від нуля до напруги мережі. Одночасно збільшується відстань між контактами. Напруга поля між контактами під час наростання напруги проходить через значення, що перевищують 100 МВ/см. Такі значення напруженості електричного поля є достатніми для виривання електронів з холодного катода.

Струм автоелектронної емісії також дуже малий і може бути лише початком розвитку дугового розряду.

Таким чином, виникнення дугового розряду на контактах, що розходяться, пояснюється наявністю термоелектронної та автоелектронної емісій. Переважання того чи іншого фактора залежить від значення струму, матеріалу і чистоти поверхні контактів, швидкості їх розходження і від ряду інших факторів.

Іонізація поштовхом.Якщо вільний електрон матиме достатню швидкість, то при зіткненні з нейтральною частинкою (атом, а іноді й молекула) він може вибити з неї електрон. В результаті вийдуть новий вільний електрон та позитивний іон. Знову отриманий електрон може, своєю чергою, іонізувати наступну частинку. Така іонізація зветься іонізації поштовхом.

Для того, щоб електрон міг іонізувати частину газу, він повинен рухатися з певною швидкістю. Швидкість електрона залежить від різниці потенціалів на довжині його вільного пробігу. Тому зазвичай вказується не швидкість руху електрона, бо мінімальне значення різниці потенціалів, яке необхідно мати на довжині вільного шляху, щоб електрон до кінця шляху набув необхідну швидкість. Ця різниця потенціалів має назву потенціалу іонізації.

Потенціал іонізації для газів становить 13 - 16 В (азот, кисень, водень) і до 24,5 В (гелій), для парів металу він приблизно вдвічі нижче (7,7 В для парів міді).

Термічна іонізація.Це процес іонізації під впливом високої температури. Підтримка дуги після виникнення, тобто. забезпечення дугового розряду, що виникло, достатнім числом вільних зарядів, пояснюється основним і практично єдиним видом іонізації - термічною іонізацією.

Температура стовпа дуги з середньому дорівнює 6000 - 10000 К, але може досягати і більш високих значень - до 18000 К. При такій температурі сильно зростає як кількість часток газу, що швидко рухаються, так і швидкість їх руху. При зіткненні атомів, що швидко рухаються, або молекул більша частина їх руйнується, утворюючи заряджені частинки, тобто. відбувається іонізація газу. Основною характеристикою термічної іонізації є ступінь іонізації, Що являє собою відношення числа іонізованих атомів у дуговому проміжку до загального числа атомів у цьому проміжку. Поруч із процесами іонізації у дузі відбуваються зворотні процеси, т. е. возз'єднання заряджених частинок і утворення нейтральних частинок. Ці процеси звуться деіонізації.

Деіонізація відбувається головним чином за рахунок рекомбінаціїі дифузії.

Рекомбінація.Процес, при якому по-різному заряджені частинки, приходячи у взаємний дотик, утворюють нейтральні частки, називається рекомбінацією.

В електричній дузі негативними частинкамиє переважно електрони. Безпосереднє з'єднання електронів з позитивним іоном через велику різницю швидкостей малоймовірне. Зазвичай рекомбінація відбувається з допомогою нейтральної частки, яку електрон заряджає. При зіткненні цієї негативно зарядженої частинки з позитивним іоном утворюється одна або дві нейтральні частки.

Дифузія.Дифузія заряджених частинок є процес винесення заряджених частинок з дугового проміжку в навколишній простір, що зменшує провідність дуги.

Дифузія обумовлена ​​як електричними, і тепловими чинниками. Щільність зарядів у стовпі дуги зростає від периферії до центру. Через це створюється електричне поле, що змушує іони рухатися від центру до периферії та залишати область дуги. У цьому напрямі діє і різниця температур стовпа дуги і навколишнього простору. У стабілізованій і вільно палаючій дузі дифузія відіграє мізерну роль.

Падіння напруги на стаціонарній дузі розподіляється нерівномірно вздовж дуги. Картина зміни падіння напруги UД і напруженості електричного поля (подовжнього градієнта напруги) ЕД = dU/dxвздовж дуги наведено малюнку (рис. 2). Під градієнтом напруги ЕД розуміється падіння напруги на одиницю довжини дуги. Як видно з малюнка, перебіг характеристик UД і ЕД в приелектродних областях різко відрізняється від перебігу показників на решті дуги. У електродів, у прикатодній та прианодній областях, на проміжку довжини порядку 10 – 4 см має місце різке падіння напруги, зване катодним Uдо і анодним Uа. Значення цього падіння напруги залежить від матеріалу електродів та навколишнього газу. Сумарне значення прианодного та прикатодного падінь напруги становить 15 – 30 В, градієнт напруги досягає 10 5 – 10 6 В/див.

У решті дуги, званої стовпом дуги, падіння напруги UД практично прямо пропорційно довжині дуги. Градієнт тут приблизно постійний вздовж стовбура. Він залежить від багатьох факторів і може змінюватись у широких межах, досягаючи 100 – 200 В/см.

Навколоелектродне падіння напруги UЕ залежить від довжини дуги, падіння напруги у стовпі дуги пропорційно довжині дуги. Таким чином, падіння напруги на дуговому проміжку

UД = UЕ+ ЕД lД,

де: ЕД - Напруженість електричного поля в стовпі дуги;

lД - Довжина дуги; UЕ = Uдо + Uа.

На закінчення слід зазначити, що у стадії дугового розряду переважає термічна іонізація – розбиття атомів на електрони і позитивні іони рахунок енергії теплового поля. При тліючому виникає ударна іонізація у катода за рахунок зіткнення з електронами, що розганяються електричним полем, а при таунсендівському розряді ударна іонізація переважає на всьому проміжку газового розряду.

Статична вольтамперна характеристика електричної

дуги постійного струму.

Найважливішою характеристикою дуги є залежність напруги у ньому від величини струму. Ця характеристика називається вольтамперною. Зі зростанням струму iзбільшується температура дуги, посилюється термічна іонізація, зростає кількість іонізованих частинок у розряді та падає електричний опірдуги rбуд.

Напруга на дузі дорівнює irд.При збільшенні струму опір дуги зменшується так різко, що напруга на дузі падає, незважаючи на те, що струм у ланцюзі зростає. Кожному значенню струму в режимі відповідає свій динамічний баланс числа заряджених частинок.

При переході від значення струму до іншого тепловий стан дуги не змінюється миттєво. Дуговий проміжок має тепловою інерцією. Якщо струм змінюється у часі повільно, то теплова інерція розряду не позначається. Кожному значення струму відповідає однозначне значення опору дуги або напруги на ній.

Залежність напруги на дузі від струму при повільній його зміні називається статичною вольтамперною характеристикоюдуги.

Статична характеристика дуги залежить від відстані між електродами (довжини дуги), матеріалу електродів та параметрів середовища, в якому горить дуга.

Статичні вольтамперні характеристики дуги мають вигляд кривих, зображених на рис. 3.

Мал. 3. Статичні вольтамперні характеристики дуги

Чим більша довжина дуги, тим вище лежить її статична вольтамперна характеристика. Зі зростанням тиску середовища, в якому горить дуга, також збільшується напруженість ЕД і піднімається вольтамперна характеристика аналогічно рис. 3.

Охолодження дуги суттєво впливає на цю характеристику. Чим інтенсивніше охолодження дуги, тим більше від неї відводиться потужність. При цьому має зрости потужність, що виділяється дугою. При заданому струмі можливо за рахунок збільшення напруги на дузі. Таким чином, зі зростанням охолодження вольтамперна характеристика знаходиться вище. Цим широко користуються в дугогасних пристроях апаратів.

Динамічна вольтамперна характеристика електричної

дуги постійного струму.

Якщо струм у ланцюзі змінюється повільно, то струму i 1 відповідає опір дуги rД1 ,великому струму i 2 відповідає менший опір rД2 що відбито на рис. 4. (див. статичну характеристику дуги – крива А).

Мал. 4. Динамічна вольтамперна характеристика дуги.

У реальних установках струм може змінюватись досить швидко. Внаслідок теплової інерції дугового стовпа зміна опору дуги відстає від зміни струму.

Залежність напруги на дузі від струму при швидкій його зміні називається динамічною вольтамперною характеристикою.

При різкому зростанні струму динамічна характеристика йде вище статичної (крива У), оскільки при швидкому зростанні струму опір дуги падає повільніше, ніж зростає струм. При зменшенні – нижче, оскільки в цьому режимі опір дуги менший, ніж за повільної зміни струму (крива З).

Динамічна характеристика значною мірою визначається швидкістю зміни струму у дузі. Якщо ланцюг ввести дуже великий опір за час, нескінченно мале в порівнянні з тепловою постійною часу дуги, то протягом часу спаду струму до нуля опір дуги залишиться постійним. У цьому випадку динамічна характеристика зобразиться прямою, що проходить з точки 2 на початок координат (пряма D),т. е. дуга поводиться як металевий провідник, так як напруга на дузі пропорційна струму.

Умови гасіння дуги постійного струму.

Щоб погасити електричну дугу постійного струму, необхідно створити такі умови, щоб у дуговому проміжку при всіх значеннях струму процеси деіонізації протікали інтенсивніше, ніж процеси іонізації.

Мал. 5. Баланс напруги в ланцюгу з електричною дугою.

Розглянемо електричний ланцюг, що містить опір R, індуктивність Lта дуговий проміжок з падінням напруги UД, до якої додана напруга U(рис. 5, а). При дузі, що має незмінну довжину, для будь-якого моменту часу буде справедливе рівняння балансу напруги в цьому ланцюгу:

де падіння напруги індуктивності при зміні струму.

Стаціонарним режимом буде такий, у якому струм у ланцюгу не змінюється, тобто. а рівняння балансу напруг набуде вигляду:

Для згасання електричної дуги потрібно, щоб струм у ній постійно зменшувався, тобто. , а

Графічне рішення рівняння балансу напруги представлено на рис. 5, б. Тут пряма 1 є напругою джерела U; похила пряма 2 - Падіння напруги на опорі R(реостатна характеристика ланцюга), що віднімається з напруги U, тобто. U – iR; крива 3 - вольтамперну характеристику дугового проміжку UД.

Особливості електричної дуги змінного струму.

Якщо гасіння дуги постійного струму необхідно створити такі умови, у яких струм впав до нуля, то за змінному струмі струм у дузі незалежно від рівня іонізації дугового проміжку переходить через нуль кожен полупериод, тобто. кожен напівперіод дуга гасне і запалюється знову. Завдання гасіння дуги значно полегшується. Тут необхідно створити умови, за яких струм не відновився б після проходження через нуль.

Вольтамперна характеристика дуги змінного струму за період наведена на рис. 6. Оскільки, навіть за промислової частоті 50 Гц, струм у дузі змінюється досить швидко, то представлена ​​характеристика є динамічною. При синусоїдальному струмі напруга на дузі спочатку збільшується на ділянці 1, а потім, у зв'язку із зростанням струму, падає на ділянці 2 (Дільниці 1 і 2 відносяться до першої половини напівперіоду). Після проходження струму через максимум динамічна ВАХ зростає по кривій 3 у зв'язку із зменшенням струму, а потім зменшується на ділянці 4 у зв'язку з наближенням напруги до нуля (дільниці 3 і 4 відносяться до другої половини цього ж напівперіоду).

Мал. 6. Вольтамперна характеристика дуги змінного струму

При змінному струмі температура дуги є перемінною величиною. Однак теплова інерція газу виявляється досить значною, і на момент переходу струму через нуль температура дуги хоч і зменшується, але залишається досить високою. Все ж таки зниження температури при переході струму через нуль сприяє деіонізації проміжку і полегшує гасіння електричної дуги змінного струму.

Електрична дуга в магнітному полі.

Електрична дуга є газоподібним провідником струму. На цей провідник, як і на металевий, діє магнітне поле, створюючи силу, пропорційну індукції поля і струму в дузі. Магнітне поле, діючи на дугу, збільшує її довжину та переміщає елементи дуги у просторі. Поперечне переміщення елементів дуги створює інтенсивне охолодження, що призводить до підвищення напруги градієнта на стовпі дуги. При русі дуги серед газу з великою швидкістю виникає розшарування дуги окремі паралельні волокна. Чим довша дуга, тим сильніше відбувається розшарування дуги.

Дуга є надзвичайно рухливим провідником. Відомо, що на струмоведучу частину діють такі сили, які прагнуть збільшити електромагнітну енергію контуру. Оскільки енергія пропорційна індуктивності, то дуга під впливом свого поля прагне утворювати витки, петлі, оскільки у своїй зростає індуктивність ланцюга. Ця здатність дуги тим сильніша, чим більша її довжина.

Дуга, що рухається в повітрі, долає аеродинамічний опір повітря, який залежить від діаметра дуги, відстані між електродами, щільності газу і швидкості руху. Досвід показує, що у всіх випадках у рівномірному магнітному полі дуга рухається з постійною швидкістю. Отже, електродинамічна сила врівноважується силою аеродинамічного опору.

З метою створення ефективного охолодження дуга за допомогою магнітного поля втягується у вузьку (діаметр дуги більше за ширину щілини) щілину між стінками з дугостійкого матеріалу з високою теплопровідністю. Через збільшення тепловіддачі стінкам щілини градієнт напруги в стовпі дуги за наявності вузької щілини значно вищий, ніж у дуги, що вільно переміщається між електродами. Це дає можливість скоротити необхідну для гасіння довжину та час гасіння.

Способи на електричну дугу в комутаційних апаратах.

Мета на стовп що виникає в апараті дуги полягає у збільшенні її активного електричного опору до нескінченності, коли комутаційний орган перетворюється на ізоляційний стан. Практично завжди це досягається шляхом інтенсивного охолодження стовпа дуги, зменшення її температури та тепломістку, внаслідок чого знижується ступінь іонізації та кількість носіїв електрики та іонізованих частинок та підвищується електричний опір плазми.

Для успішного гасіння електричної дуги в низьковольтних комутаційних апаратах необхідно виконати такі умови:

1) збільшити довжину дуги шляхом її розтягування чи збільшення кількості розривів на полюс вимикача;

2) перемістити дугу на металеві пластини дугогасних грат, які є як радіаторами, що поглинають теплову енергію стовпа дуги, так і розбивають її на ряд послідовно з'єднаних дуг;

3) перемістити стовп дуги магнітним полемв щілинну камеру з дугостійкого ізоляційного матеріалу з великою теплопровідністю, де дуга інтенсивно охолоджується, торкаючись стінок;

4) утворювати дугу в закритій трубці з газогенеруючого матеріалу – фібри; гази, що виділяються під впливом температури, створюють високий тиск, що сприяє гасенню дуги;

5) зменшити концентрацію парів металів у дузі, навіщо на етапі проектування апаратів використовувати відповідні матеріали;

6) гасити дугу у вакуумі; при дуже низькому тиску газу недостатньо атомів газу, щоб іонізувати їх і підтримати проведення струму в дузі; електричний опір каналу стовпа дуги стає дуже високим і дуга гасне;

7) розмикати контакти синхронно перед переходом змінного струму через нуль, що значно знижує виділення теплової енергії у дузі, тобто. сприяє гасіння дуги;

8) застосовувати суто активні опори, що шунтують дугу та полегшують умови її гасіння;

9) застосовувати шунтуючі міжконтактний проміжок напівпровідникові елементи, що перемикають на себе струм дуги, що практично виключає утворення дуги на контактах.

Електрична дуга може бути вкрай руйнівною для обладнання і, що важливіше, становитиме небезпеку для людей. Тривожна кількість спричинених нею нещасних випадків відбувається щорічно, часто призводячи до серйозних опіків або смерті. На щастя, в електротехнічній промисловості досягнуто значного прогресу в частині створення засобів і методів захисту від впливу дуги.

Причини та місця виникнення

Електрична дуга є однією з найбільш смертоносних та найменш вивчених небезпек електроенергії та переважає в більшості галузей промисловості. Широко зізнається, що чим вища напруга електричної системи, тим більше ризик для людей, які працюють на території або поблизу проводів та обладнання, що знаходяться під напругою.

Теплова енергія від спалаху дуги, однак, може насправді бути більше і виникати частіше за більш низьких напруг з тими ж руйнівними наслідками.

Виникнення електричної дуги, як правило, відбувається при випадковому контакті між струмопровідним провідником, таким як контактний провід тролейбусної або трамвайної лінії з іншим провідником або заземленою поверхнею.

Коли це відбувається, струм короткого замикання, що виникає, плавить дроти, іонізує повітря і створює вогненний канал провідної плазми характерної дугоподібної форми (звідси і назва), причому температура електричної дуги в її серцевині може досягати понад 20000 °С.

Що таке електрична дуга?

Насправді, так у побуті називають добре відомий у фізиці та електротехніці дуговий розряд - вид самостійного електророзряду в газі. Які ж фізичні властивості електричної дуги? Вона горить у широкому діапазоні тиску газу, при постійній або змінній (до 1000 Гц) напрузі між електродами в діапазоні від кількох вольт (зварювальна дуга) до десятків кіловольт. Максимальна щільність струму дуги спостерігається на катоді (10 2 -10 8 А/см 2), де вона стягується в катодне пляма, дуже яскрава і мала за розмірами. Воно безладно і безперервно переміщається по всій площі електрода. Температура його така, що матеріал катода в ньому вирує. Тому виникають ідеальні умови для термоелектронної емісії електронів у прикатодний простір. Над ним утворюється невеликий шар, позитивно заряджений і забезпечує прискорення емітованих електронів до швидкостей, при яких вони ударно іонізують атоми і молекули середовища в міжелектродному проміжку.

Така ж пляма, але дещо більша і малорухлива, формується і на аноді. Температура в ньому близька до катодної плями.

Якщо струм дуги близько кількох десятків ампер, то з обох електродів випливають з великою швидкістю нормально до їх поверхонь плазмові струмені або смолоскипи (див. на фото нижче).

При великих струмах (100-300 А) виникають додаткові плазмові струмені, і дуга стає схожою на пучок плазмових ниток (див. фото нижче).

Як поводиться дуга в електрообладнанні

Як було сказано вище, каталізатором її виникнення є сильне тепловиділення у катодній плямі. Температура електричної дуги, як згадувалося, може досягати 20 000 °З, приблизно вчетверо вище, ніж поверхні сонця. Ця спека може швидко розплавити або навіть випарувати мідь провідників, яка має температуру плавлення близько 1084 ° С, набагато нижче, ніж у дузі. Тому в ній часто утворюються пари міді та бризки розплавленого металу. Коли мідь переходить із твердого стану до пари, вона розширюється в кілька десятків тисяч разів від свого первісного обсягу. Це еквівалентно тому, що шматочок міді один кубічний сантиметр зміниться до розміру 0,1 кубометра в частки секунди. При цьому виникне тиск високої інтенсивності та звукові хвилі, що поширюються навколо з великою швидкістю (яка може бути понад 1100 км/год).

Вплив електричної дуги

Тяжкі травми, і навіть зі смертельними наслідками, при її виникненні можуть отримати не тільки особи, які працюють на електроустаткування, а й люди, що знаходяться поблизу. Дугові травми можуть включати зовнішні опіки шкіри, внутрішні опіки від вдихання гарячих газів і випареного металу, пошкодження слуху, зору, такі як сліпота від ультрафіолетового світла спалаху, а також багато інших руйнівних пошкоджень.

При особливо потужній дузі може також статися таке явище, як її вибух, що створює тиск понад 100 кілопаскалей (кПа) з викидом частинок сміття, подібних до шрапнелі, зі швидкістю до 300 метрів на секунду.

Особи, що перенесли вплив електричного струму електричної дуги, можуть потребувати серйозного лікування та реабілітації, а ціна їх травм може бути екстремальною - фізично, емоційно та фінансово. Хоча законодавство вимагає від підприємств проведення оцінки ризиків для всіх видів трудової діяльностіПроте ризик ураження електричною дугою часто не береться до уваги, тому що більшість людей не знають, як оцінювати і ефективно керувати цією небезпекою. Захист від впливу електричної дуги передбачає використання цілого комплексу засобів, включаючи застосування при роботі з електрообладнанням, що перебуває під напругою, спеціальних електрозахисних засобів, спецодягу, а також самого обладнання, насамперед високо- низьковольтних комутаційних електроапаратів, сконструйованих із застосуванням засобів гасіння дуги.

Дуга в електричних апаратах

У цьому класі електротехнічних пристроїв (автоматичні вимикачі, контактори, магнітні пускачі) боротьба з цим явищем має особливе значення. Коли контакти вимикача, не обладнаного спеціальними пристроями для запобігання дузі, розмикаються, вона обов'язково запалюється між ними.

У момент, коли контакти починають відокремлюватися, площа останніх зменшується швидко, що призводить до збільшення щільності струму і, отже, підвищення температури. Виділення тепла в проміжку між контактами (звичайне середовище масло або повітря) достатньо для іонізації повітря або випаровування та іонізації масла. Іонізоване повітря або пара діє як провідник для струму дуги між контактами. Різниця потенціалів між ними дуже мала, але її достатньо підтримки дуги. Отже, струм у ланцюзі залишається безперервним доти, доки дуга не усунена. Вона не тільки затримує процес переривання струму, але й генерує величезну кількість теплоти, яка може призвести до пошкодження самого вимикача. Таким чином, головна проблема у вимикачі (насамперед високовольтному) - це гасіння електричної дуги в найкоротші терміни для того, щоб тепло, що виділяється в ній, не могло досягти небезпечного значення.

Чинники підтримки дуги між контактами вимикачів

До них відносяться:

2. Іонізовані частки між ними.

Приймаючи це, зазначимо додатково:

• Коли між контактами є невеликий проміжок, навіть невеликої різниці потенціалів достатньо підтримки дуги. Одним із способів її гасіння є поділ контактів на таку відстань, що різниця потенціалів стає недостатньою для підтримки дуги. Проте цей метод є практично нездійсненним у високовольтному устаткуванні, де може знадобитися поділ на багато метрів.
• Іонізовані частинки між контактами, як правило, підтримують дугу. Якщо її шлях деіонізовано, то процес гасіння буде полегшений. Це може бути досягнуто шляхом охолодження дуги або видалення іонізованих частинок з простору між контактами.
• Є два способи, за допомогою яких здійснюється захист від електричної дуги у вимикачах:

Метод високого опору;

Метод нульового струму.

Гасіння дуги збільшенням її опору

У цьому методі опір на шляху дуги зростає з часом так, що струм зменшується до значення, недостатнього для її підтримки. Отже, він переривається, і електрична дуга гасне. Основний недолік цього методу полягає в тому, що час гасіння досить велике, і в дузі встигає розсіюватися величезна енергія.

Опір дуги може бути збільшена шляхом:

• Подовження дуги - опір дуги прямо пропорційна її довжині. Довжина дуги може бути збільшена завдяки зміні зазору між контактами.
• Охолодженням дуги, точніше серед контактів. Ефективне охолодження обдувом має бути спрямоване вздовж дуги.
• Поміщенням контактів у важкоіонізоване газове середовище (газові вимикачі) або вакуумну камеру (вакуумні вимикачі).
• Зниженням поперечного перерізудуги шляхом її пропускання через вузький отвір або зниженням площі контактів.
• Поділом дуги - її опір може бути збільшено шляхом розподілу на ряд невеликих дуг, з'єднаних послідовно. Кожна з них зазнає дії подовження та охолодження. Дуга може бути розділена шляхом введення деяких провідних пластин між контактами.

Гасіння дуги методом нульового струму

Цей метод використовується лише у ланцюгах змінного струму. У ньому опір дуги зберігається низьким, поки струм не знижується до нуля, де вона гасне природним шляхом. Її повторне запалювання запобігає незважаючи на збільшення напруги на контактах. Усі сучасні вимикачі великих змінних струмів використовують цей метод гасіння дуги.

У системі змінного струму останній падає до нуля після кожного напівперіоду. Кожне таке обнулення дуга гасне на короткий час. При цьому середовище між контактами містить іони і електрони, так що її діелектрична міцність невелика і може бути легко зруйнована напругою, що росте на контактах.

Якщо це відбувається, електрична дуга горітиме протягом наступного напівперіоду струму. Якщо відразу після його обнулення діелектрична міцність середовища між контактами зростає швидше, ніж напруга ними, то дуга не запалиться і струм буде перервано. Швидке збільшення діелектричної міцності середовища поблизу нуля струму може бути досягнуто шляхом:

• рекомбінації іонізованих частинок у просторі між контактами у нейтральні молекули;
• видаленням іонізованих частинок геть та заміною їх нейтральними частинками.

Таким чином, реальною проблемою у перериванні змінного струму дуги є швидка деіонізація середовища між контактами, як тільки струм стає рівним нулю.

Способи деіонізації середовища між контактами

1. Подовження зазору: діелектрична міцність середовища пропорційна довжині зазору між контактами. Таким чином, при швидкому розмиканні контактів може бути досягнута більш висока діелектрична міцність середовища.

2. Високий тиск. Якщо воно у безпосередній близькості від дуги, збільшується, щільність частинок, що становлять канал дугового розряду, також зростає. Підвищена щільність частинок призводить до високого рівняїх деіонізації та, отже, діелектрична міцність середовища між контактами збільшується.

3. Охолодження. Природна рекомбінація іонізованих частинок відбувається швидше, якщо вони остигають. Таким чином, діелектрична міцність середовища між контактами може бути збільшена охолодженням дуги.

4. Ефект вибуху. Якщо іонізовані частинки між контактами зметені геть і замінені неіонізованими, діелектрична міцність середовища може бути збільшена. Це може бути досягнуто за допомогою газового вибуху, спрямованого в зону розряду, або впорскуванням олії міжконтактний простір.

У таких вимикачах як середовище гасіння дуги використовується газ гексафторид сірки (SF6). Він має сильну тенденцію поглинати вільні електрони. Контакти вимикача відкриваються в потоці високого тиску SF6 між ними (див. малюнок нижче).

Газ захоплює вільні електрони в дузі та формує надлишок малорухливих негативних іонів. Число електронів у дузі швидко скорочується, і вона гасне.