9.Дуга в контактах эа и ее характеристики; условия гашения дуги постоянного тока; перенапряжения при отключении дуги постоянного тока; способы гашения электрической дуги.

Электрическая дуга – поток заряженных частиц. В начальный момент этот поток обусловлен собственными зарядами в пространстве между электродами.

Ионизация

- ударная – электрические частицы за счёт электрического поля ускоряется, соударяется с нейтроном, в результате чего распадается

- газовая – за счёт нагрева газового пространства

Термоэлектронная эмиссия – испускание электронов материалом при высокой температуре .

Электрические дуги с холодным катодом (до 6000˚С)

Электрические дуги с горячим катодом (6000-12000˚С)

Одновременно с процессом ионизации происходит процесс деионизации

- нейтрализация заряда частиц на металлических поверхностях

- рекомбинация

- диффузия свободных зарядом

Условия гашения дуги постоянного тока

Рассмотрим простейшую цепь постоянного тока, в которой наблюдается дуга (в момент размыкания дуги).

Баланс напряжений по второму закону Кирхгофа:

- нелинейное дифференциальное уравнение первого порядка.

При отключении ключа возникла дуга.

В точках 1 и 2 (пересечения ВАХ) ЭДС самоиндукции равна 0, а значит равна 0 и производная . Если производная равна 0, то точка, в которой наблюдается это равенство, соответствует режиму равновесия (устойчивый режим). Точки 1 и 2 – точки равновесия. Рассмотрим устойчивость равновесия в этих точках.

Рассмотрим устойчивость равновесия в точке 2.

Дадим положительное приращение току за счет внешних воздействий. Δi > 0 – режим будет характеризоваться точкой 2’. Область, где находиться точка 2’ соответствует отрицательной ЭДС самоиндукции. Следовательно, положительное приращение тока вызывает появление отрицательной ЭДС самоиндукции. Под действие этой ЭДС система возвратиться в исходное равновесное состояние.

Если Δi < 0, то попадем в точку 2’’, которая расположена в области положительной ЭДС самоиндукции. Под действие этой ЭДС система вернется в равновесное состояние. Следовательно, равновесие в точке 2 устойчивое.

Рассмотрим устойчивость равновесия в точке 1.

Дадим положительное приращение току за счет внешних воздействий. Δi > 0 – режим будет характеризоваться точкой 1’. Область, где находиться точка 1’ соответствует положительной ЭДС самоиндукции, за счет которой появиться еще большее приращение тока. Следовательно, процесс увеличения тока будет развиваться лавинообразно. До тех пор, пока не переместимся в точку устойчивого положения (2).

Если Δi < 0, то попадем в точку 1’’, которая расположена в области отрицательной ЭДС самоиндукции. Под действие этой ЭДС ток еще больше уменьшиться. Процесс идет лавинообразно, пока не переместимся в точку устойчивого равновесия, где ток равен 0.

Следовательно, равновесие в точке 1 является неустойчивым, и снижение тока в этой точке приводит к гарантированному погасанию дуги. Чтобы гарантированно погасить дугу постоянного тока, необходимо в точке неустойчивого равновесия уменьшить ток.

В исходном состоянии ВАХ пересекаются в точках 1 и 2. Меняя параметры l и R, мы можем изменить положение точек пересечения на ВАХ и можем получить другое соотношение ВАХ. Если ВАХ дуги и линейной части не пересекаются, то дуги не будет.

Длина дуги, при которой для заданных параметров цепи ВАХ линейной части является касательной к ВАХ дуги, называется критической.

Из анализа простейшей цепи можно сделать практический вывод: для ускорения гашения дуги необходимо увеличить ее длину и уменьшить ток дуги.

.

В момент погасания дуги напряжение на дуговом промежутке может превышать напряжение сети (источника) – коммутационные перенапряжения. Перенапряжение равно ЭДС самоиндукции в момент погасания дуги.

ΔU - перенапряжение;

t_Р – время (момент) расхождения.

Способы гашения электрической дуги

1. Предотвращение появления дуги.

В аппаратах низкого напряжения – искрогасящие дополнительные контакты (вольфрам).

На гибких пружинных элементах крепятся дополнительные таким образом, чтобы при замыкании основных контактов сначала замыкались дополнительные, а потом продолжали сближаться основные контакты. Дополнительные контакты удерживаются во включенном состоянии за счет гибких пластин. При размыкании – сначала основные контакты, а потом дополнительные. В случае возникновения искрения или дуги между дополнительными контактами, искрового или дугового разряда между основными контактами не наблюдается. Используются только в слаботочных цепях.

2. Герконовые (герметичные) контакты.

Конструктивно представляет собой стеклянный баллон, заполненный газовой смесью, в корпус которого впаяны две гибкие пластины из ферромагнитного материала. Для повышения электропроводности пластин они обычно лудятся. Внутри колбы газовая смесь. Она снижает вероятность искрообразования и эрозии.

Если поместить геркон в продольное магнитное поле, то магнитный поток будет сконцентрирован в пластинах. Замыкание контакта осуществляется под действием магнитного поля на пластины. В герконе отсутствуют электромагнитные механизмы, а управление осуществляется при помощи магнитного поля.

3 . Использование естественных свойств дуги.

1. Действие силы Амперы на элемент проводника:

.

2. Любая реактивная система стремиться к состоянию, при котором запасенная энергия имеет наибольшую величину.

.

Собственные силы, действующие на проводник с током, называются пондемоторными силами. Они способствую ускорению погасания дуги.

Если есть линейный контакт, при расхождении которого возникает дуга, то для ускорения ее погасания к этому контакту крепят металлические пластины под определенным углом, которые называются дугогасительный рог. Дуга загорается и начинает перемещаться, пока не погаснет.

Для того, чтобы пондемоторные силы действовали эффективно, рога должны быть расположены так, чтобы дуга перемещалась вверх. Контакты лучше расположить горизонтально.

Дугогасительные устройства

1. Устройство магнитного дутья.

Надо расположить магнитное поле так, чтобы на дугу действовала магнитная сила (сила Ампера), направленная вверх.

Катушку включают последовательно с контактами. Если меняется полярность и поля и тока, то направление действия сил остается постоянным.

2. Дугогасительная камера переменного сечения.

Конструкция из изоляционных материалов (фибра) с переменным сечением внутреннего объема.

В дугогасительной камере происходит увеличение длины дуги, и, за счет соприкосновения дуги с элементами конструкции, дуга охлаждается.

3. Де-ионная решетка.

Корпус из изоляционных материалов, в котором закрепляются металлические пластины (стальные анодированы).

Дуга втягивается в область деионной решетки и разбивается на несколько участков (принцип коротких дуг). За счет теплоемкости металла происходит охлаждение дуги. Количество околоэлектродных областей увеличивается:

ΔU_ОЭ = n(ΔU_А + ΔU_К) – околоэлектродное падение напряжения для этой дуги растет, следовательно, уменьшается напряжение на теле дуги – уменьшается ток дуги. Облегчаются условия гашения дуги. Нейтрализация свободных зарядов на металлических поверхностях – деионизация.

Используются в автоматах гашения поля в мощных ЭМ.

4. Устройства газового дутья.

Используются в основном в аппаратах высокого напряжения. Дуга начинает выдуваться в отверстия в стенке камеры с помощью газа или принудительно. Ускоренное погасание дуги за счет обдува и увеличения длины дуги. Бывают двух типов:

1. С принудительным дутьем (избыточное давление – за счет внешнего устройства);

2. Автогенераторное газовое дутье (при редких коммутациях). При появлении дуги начинает выделяться газ из стенок камеры за счет увеличения температуры. Одноразовые.