Глава 2. Электрическая дуга и дугогашение

2.1. Процессы ионизации межконтактного промежутка.

В процессе размыкания контактов контактное нажатие уменьшается, переходное сопротивление увеличивается, увеличивается температура нагрева точек соприкосновения контактов и достигает температуры плавления материала контактов. В результате между контактами возникает жидкометаллический мостик, который при расхождении контактов взрывается. На поверхности контактов остаются нагретые площадки, служащие источниками заряженных частиц в межконтактном промежутке.

Для того, чтобы межконтактный промежуток стал проводящим необходимо создать в нем определенную концентрацию заряженных частиц. Процесс образования заряженных частиц называется процессом ионизации. Существуют четыре процесса ионизации - термоэлектронная и автоэлектронная эмиссии, ударная и термическая ионизации.

Термоэлектронная эмиссия - явление испускания электронов из накаленной поверхности. После взрыва жидкометаллического мостика на отрицательном электроде образуется, так называемое, катодное пятно, которое служит основанием дуги и очагом излучения электронов. Плотность тока термоэлектронной эмиссии не велика и может быть достаточной лишь для инициирования дуги.

Автоэлектронная эмиссия - явление испускания электронов из катода под воздействием сильного электрического поля. Расходящиеся контакты можно представить как конденсатор переменной емкости, который через сопротивление цепи заряжается и напряжение на нем растет от нуля до напряжения сети. Напряженность электрического поля в межконтактном промежутке возрастает и проходит через значения, превышающие 10 млн В/см. Такие напряженности достаточны для вырывания электронов даже из холодного электрода.

Ударная ионизация - процесс выбивания электрона из нейтральной частицы воздуха при соударении ее с движущимся электроном. Вновь образовавшийся электрон ионизирует следующую нейтральную частицу .

Термическая ионизация, это процесс ионизации межконтактного промежутка под воздействием высокой температуры, которая возникает при горении дуги. Термическая ионизация это единственный вид ионизации, который поддерживает горение дуги между контактами.

Одновременно с процессами ионизации в межконтактном промежутке происходят процессы деионизации. Деионизацией называется процесс образования нейтральной частицы из положительно и отрицательно заряженных частиц. Процесс деионизации может быть двух видов - рекомбинация и диффузия. Рекомбинация, это процесс воссоединения заряженных частиц и образования нейтральной частицы. Диффузия, это процесс перемещения заряженных частиц из межконтактного промежутка. В результате деионизации сопротивление межконтактного промежутка увеличивается.

2.2. Вольтамперные характеристики (вах) дуги.

2.2.1. ВАХ дуги постоянного тока. Электрическая дуга между контактами загорается при некотором напряжении зажигания U_з. Оно зависит от расстояния между контактами, от температуры и давления среды, окружающей дугу, от температуры и материала контактов и др. По мере увеличения тока дуги напряжение на ней U_д уменьшается (рис10). Это обусловлено интенсивностью процессов ионизации.

Рис.10 Напряжение на дуге при уменьшении тока до нуля

н азывается напряжением гашения U_г. Это напряжение всегда меньше напряжения зажигания U_з. Это объясняется большим нагревом и инерционностью тепловых процессов. Чем большей теплопроводностью и теплоемкостью обладает материал контактов и сама дуга, тем меньше будет разница между U_з и U_г. Напряжение на дуге U_д является функцией тока дуги, расстояния между контактами и физических свойств контактов.

Рис.11 2.3.2. ВАХ переменного тока. Переменный ток изменяется

настолько быстро, что на процессы в дуге сказывается инерционность тепловых и ионных процесссов. По мере нарастания тока напряжение на межконтактном промежутке возрастает и при U_з дуга загорается.

После этого, несмотря на увеличение тока дуги, напряжение уменьшается и на протяжении большей части полупериода остается практически постоянным. В области близкой к переходу тока через нулевое значение напряжение на дуге вновь увеличивается и к моменту гашения дуги оно достигает напряжения гашения U_г (Рис.11).Вольтамперная характеристика дуги переменного тока имеет вид, показанный на рис.12.

Рис.12 В большинстве случаев в конце и в начале каждого полупериода

величина тока в дуге изменяется не по синусоидальному закону, а по закону Ома. В этот момент сопротивление дугового промежутка резкоувеличивается,чтоприводит к ступеньчатому уменьшению тока практически до нуля. В результате величина этого тока в течение некоторого промежутка времени до его естественного прохождения через ноль и после становится очень малой (рис.13). Этот промежуток называется бестоковой паузой t_п. Она зависит от величины тока, напряжения, постоянных цепи (RLC) и от процессов внутри дугового промежутка

Рис. 13 .