5 Электрическая дуга, ее свойства, условия гашения

5.1 Основные требования к коммутационным аппаратам

Выключатель является наиболее важным аппаратом, от которого зависит надежность работы всей энергосистемы. Наиболее ответственной операцией, выполняемой выключателем, является отключение токов КЗ, которое должно производится быстро, в течение нескольких полупериодов. Выключатель также должен: выдерживать без повреждений автоматическое повторное включение (АПВ), которое может происходить в противофазу; надежно отключать малые индуктивные и емкостные токи без появления опасных коммутационных напряжений; иметь простую конструкцию и быть простым в эксплуатации; быть термически и динамически стойким при сквозных токах КЗ; иметь высокую надежность.

5.2 Физические процессы в дуге

При размыкании контактов выключателя возникает момент, когда площадь соприкосновения контактов исчезающе мала. Протекающий ток вызывает расплавление металла контактов и возникает жидкий мостик, который сразу же испаряется, создавая область воздуха, нагретого до высокой температуры, который к тому же насыщен парами металла. Если напряжение и ток невелики, то выделяющаяся в дуге мощность мала и все ограничивается искрой, не оставляющей на контактах практически никаких следов.

В противном случае область воздуха приобретает температуру выше 4000°К при которой начинается термическая ионизация газа вследствие большой энергии соударения молекул при их тепловом хаотическом движении. Степень ионизации газа и его проводимость быстро растут с температурой (рис. 5.1). Газ при этом становится плазмой.

Рисунок 5.1 – Зависимость удельной электрической проводимости азота от температуры при давлении 1 ат

Наличие паров металлов в полтора раза снижает температуру, необходимую для достижения той же удельной ионизации газа.

Ударная ионизация. Под действием внешнего напряжения электроны будут двигаться к аноду, а положительные ионы – к катоду. На протяжении длины свободного пробега потенциальная энергия электрического поля будет превращаться в кинетическую энергию движения заряженной частицы, что будет выражаться в линейном возрастании скорости частицы до соударения. Скорость электрона будет в тысячи раз выше скорости иона, обратно пропорционально их массам. Если длина свободного пробега и напряженность электрического поля (ускорение при движении) достаточно велики, то накопленной энергии будет достаточно для ионизации молекулы газа при соударении. Происходит лавинообразное увеличение количества движущихся заряженных частиц.

Сильно нагреваясь в канале дуги, воздух значительно расширяется, что увеличивает длину свободного пробега.

Увеличение давления уменьшает длину свободного пробега и для устойчивого горения дуги необходим больший градиент напряжения. Повышение давления газа способствует гашению дуги.

Упругое столкновение при соударении, даже если оно не приводит к ионизации, вызывает передачу кинетической энергии молекулам газа и рост температуры среды. Таков механизм разогрева канала дуги при протекании тока. Температура в центре канала дуги может доходить до 15 000 – 20 000 °K, а при переходе тока через ноль сохраняется на уровне 4 000 – 8 000 °K из-за тепловой инерции [3, с.236].

Пока катод не нагрет, большое значение имеет эффект автоэлектронной эмиссии – вырывания электронов с поверхности металла за счет очень большой напряженности электрического поля. В области соприкосновения дуги с холодной поверхностью металла образуется тончайший слой холодного газа, в котором термическая ионизация отсутствует. Здесь нет также ударной ионизации, так как электроны летят к аноду и в области катода их будет недостаток. Так как остальной ствол дуги обладает высокой проводимостью (градиент напряжения 15–20 В/см), то к холодному слою, толщиной 10^-4 – 10^-5 см оказывается приложено значительное напряжение. При напряжениях 10–20 вольт, приложенных к этой области, уже создается достаточный градиент напряжения 10⁵ – 10⁶ В/см для вырывания электронов с поверхности метала, что и обеспечивает необходимую проводимость в этом слое.

При нагреве поверхности металла свыше 700°С вследствие теплового движения молекул над поверхностью металла создается облако электронов и энергия выхода электронов резко снижается. Катод начинает сам испускать электроны. Такое явление носит название термоэлектронной эмиссии и широко используется в радиолампах и электронно-лучевых трубках телевизоров и мониторов. Область автоэлектронной эмиссии с появлением термоэлектронной эмиссии исчезает. Термоэлектронная эмиссия играет значительную роль при повторном зажигании дуги, так как для возникновения потока электронов из нагретой области катода достаточно небольшого градиента напряжения.

В области анода образуется недостаток положительных ионов, так как они устремляются к катоду, что приводит к падению напряжения 3 – 5 В.

Указанные области дуги и их параметры отображены на рисунке 5.2:

ΔUа=3–5 В

В среднем ΔUк + ΔUa = 20 В

Рисунок 5.2 – Параметры дуги, достаточные для ее горения

Наряду с процессами ионизации идут процессы деионизации области горения дуги: рекомбинация и диффузия электронов и ионов.

Рекомбинация заключается в нейтрализации положительно и отрицательно заряженных ионов или положительных ионов или электронов, которые взаимно притягиваются, что заканчивается их столкновением и образованием нейтральных молекул. Рекомбинация идет значительно интенсивнее в области холодных электродов и при соприкосновении с холодными изолирующими стенками щелевой дугогасительной камеры.

Канал дуги представляет собой сравнительно узкую область диаметром 5-10 мм. Стягивание канала происходит за счет взаимного притяжения однонаправлено двигающихся заряженных частиц аналогично притяжению параллельных проводников с током (см. раздел 3.1). Высокая температура означает наличие большой кинетической энергии хаотического движения молекул и ионов, что приводит к их рассеянию – диффузии в окружающее пространство, быстрому охлаждению и мгновенной рекомбинации. В окружающем дугу слое толщиной 1мм с температурой 4000°К протекает всего 0.05% тока дуги. Диффузия резко увеличивается с ростом температуры, что останавливает рост температуры в канале дуги и достигается равновесие энергии, выделяющейся в дуге и теряемой в окружающее пространство.

Для самостоятельного изучения рекомендуется [1, c.234-237], [3, с.234-240] и [2, с.109-114].