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, в нем должна быть создана определенная концентрация заряженных частиц. Процесс образования заряженных частиц называется процессом ионизации. Существует 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 заряжается через сопротивление цепи, 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 окружающую среду. 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 (рис. 14.). Это обусловлено интенсивностью процессов ионизации.

Рис. 14. ВАХ дуги постоянного Напряжение на дуге при уменьшении то

тока ка до нуля называется 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.

2.2.2. 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

Рис. 15. Диаграмма напряжений при U_з дуга загорается.

на дуге переменного тока 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. 15.). Вольтамперная характеристика дуги переменного тока имеет вид, показанный

Рис. 16. ВАХ дуги переменного на рис. 16.

тока 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 резко увеличивается, что приводит к ступеньчатому уменьшению тока, практически до нуля. В результате, величина этого тока в течение некоторого промежутка времени до его естественного прохождения через нуль

Рис. 17. Бестоковая пауза и после становится очень малой (рис. 17.). Этот промежуток называется бестоковой паузой t_п. Она зависит: от величины тока, напряжения, постоянных цепи (RLC) и от процессов внутри дугового промежутка.