Електрична дуга та методи її гасіння

Фізичні основи горіння дуги. При розмиканні контактів електричного апарату внаслідок іонізації простору між ними виникає електрична дуга. Проміжок між контактами при цьому залишається провідним і проходження струму по ланцюгу не припиняється.

Для іонізації і освіти дуги необхідно, щоб напруга між контактами було приблизно 15-30 В і струм ланцюга 80-100 мА.

При іонізації простору між контактами заповнюють його атоми газу (повітря) розпадаються на заряджені частинки - електрони і позитивні іони. Потік електронів, випромінюваних з поверхні контакту, що знаходиться під негативним потенціалом (катода), рухається у напрямку до позитивно зарядженого контакту (аноду); потік ж позитивних іонів рухається до катода .

Головними носіями струму в дузі є електрони, так як позитивні іони, маючи велику масу, рухаються значно повільніше електронів і переносять тому в одиницю часу набагато менше електричних зарядів. Однак позитивні іони відіграють велику роль в процесі горіння дуги. Підходячи до катода, вони створюють поблизу нього сильне електричне поле, яке впливає на електрони, наявні в металевому катоді, і виривають їх з його поверхні. Це явище називається автоелектронної емісією. Крім того, позитивні іони безперервно бомбардують катод і віддають йому свою енергію, яка переходить в тепло; при цьому температура катода досягає 3000-5000 ° С.

При збільшенні температури рух електронів в металі катода прискорюється, вони набувають велику енергію і починають залишати катод, вилітаючи в навколишнє середовище. Це явище носить назву термоелектронної емісії. Таким чином, під дією авто- і термоелектронної емісії в електричну дугу надходять з катода все нові і нові електрони.

При своєму переміщенні від катода до анода електрони, стикаючись на своєму шляху з нейтральними атомами газу, розщеплюють їх на електрони і позитивні іони. Цей процес називається ударною іонізацією. З'явилися в результаті ударної іонізації нові, так звані вторинні електрони починають рухатися до анода і при своєму русі розщеплюють все нові атоми газу. Розглянутий процес іонізації газу носить лавиноподібний характер подібно до того, як один камінь, кинутий з гори, захоплює на своєму шляху все нові і нові камені, породжуючи лавину. В результаті проміжок між двома контактами заповнюється великою кількістю електронів і позитивних іонів. Ця суміш електронів і позитивних іонів називається плазмою. В освіті плазми значну роль відіграє термічна іонізація, яка відбувається в результаті підвищення температури, що викликає збільшення швидкості руху заряджених частинок газу.

Електрони, іони і нейтральні атоми, що утворюють плазму, безперервно стикаються один з одним і обмінюються енергією; при цьому деякі атоми під ударами електронів приходять у збуджений стан і випускають надлишок енергії у вигляді світлового випромінювання. Однак електричне поле, що діє між контактами, змушує основну масу позитивних іонів рухатися до катода, а основну масу електронів - до анода.

В електричній дузі постійного струму в сталому режимі визначальною є термічна іонізація. У дузі змінного струму при переході струму через нуль істотну роль грає ударна іонізація, а протягом решти часу горіння дуги - термічна іонізація.

При горінні дуги одночасно з іонізацією проміжку між контактами відбувається зворотний процес. Позитивні іони і електрони, взаємодіючи один з одним в міжконтактного просторі або при попаданні на стінки камери, в якій горить дуга, утворюють нейтральні атоми. Цей процес називається рекомбінацією; при припиненні іонізації рекомбінація призводить до зникнення електроноз та іонів з міжелектродного простору - відбувається його деионизация. Якщо рекомбінація здійснюється на стінці камери, то вона супроводжується виділенням енергії у вигляді тепла; при рекомбінації в міжелектродному просторі енергія виділяється у вигляді випромінювання.

Рис. 1. Напрямок руху електронів і позитивних іонів в електричній дузі (о), виникнення автоелектронної емісії з катода (б) і ударної іонізації атомів газу в просторі між контактами (в): 1,2 - первинні та вторинний електрони; 3- атом газу; 4 - позитивний іон.

При зіткненні зі стінками камери, в якій знаходяться контакти, дуга охолоджується, що. призводить до посилення деіоні-зації. Деионизация відбувається також у результаті руху заряджених частинок з центральних областей дуги з більш високою концентрацією в периферійні області з низькою концентрацією. Цей процес називається дифузією електронів і позитивних іонів.

Зону горіння дуги умовно ділять на три ділянки: катодний зону, стовбур дуги і анодний зону. В катодного зоні відбувається інтенсивна емісія електронів з від'ємного контакту, падіння напруги в цій зоні становить близько 10 В.

У стовбурі дуги утворюється плазма з приблизно однаковою концентрацією електронів і позитивних іонів. Тому в кожен момент часу сумарний заряд позитивних іонів плазми компенсує сумарний негативний заряд її електронів. Велика концентрація заряджених частинок в плазмі і відсутність в ній електричного заряду зумовлюють високу електропровідність стовбура дуги, яка близька до електропровідності металів. Падіння напруги в стовбурі дуги приблизно пропорційно її довжині. Анодна зона заповнена, головним чином, електронами, придатними зі стовбура дуги до позитивного контакту. Падіння напруги в цій зоні залежить від струму в дузі і розмірів позитивного контакту. Сумарне падіння напруги в дузі становить 15-30 В.

Залежність падіння напруги Uдг, що діє між контактами, від струму I, що проходить через електричну дугу, називається вольт-амперної характеристикою дуги (рис. 2, а). Напруга Uз, при якому можливе запалювання дуги при струмі I = 0, називається напругою запалювання. Значення напруги запалювання визначається матеріалом контактів, відстанню між ними, температурою і навколишнім середовищем.

Рис. 2. Вольт-амперні характеристики дуги постійного струму (а) і криві зміни напруги та струму (б) при горінні дуги змінного струму.

Після виникнення електричної дуги її струм збільшується до значення, близького до струму навантаження, який протікав через контакти до відключення. При цьому опір міжконтактного проміжку падає швидше, ніж збільшується струм, що призводить до зменшення падіння напруги Uдг. Режим горіння дуги, відповідний кривої а, називається статичним.

При зниженні струму до нуля процес відповідає кривої b і дуга припиняється при меншому падінні напруги, ніж напруга запалювання. Напруга Uг, при якому дуга гасне, називають напругою гасіння. Воно завжди менше напруги запалювання внаслідок підвищення температури контактів і збільшення провідності міжконтактного проміжку. Чим більше швидкість зниження струму, тим менше напруга гасіння дуги в момент припинення струму. Вольт-амперні характеристики b і з відповідають зниженню струму з різною швидкістю (для кривої з більше, ніж для кривої b), а пряма d відповідає практично миттєвого зниження струму. Такий характер вольт-амперних характеристик пояснюється тим, що при швидкій зміні струму Іонізаційна стан міжконтактного проміжку не встигає слідувати за зміною струму. Для деионизации проміжку потрібен певний час, і тому, незважаючи на те, що струм в дузі впав, провідність проміжку залишилася колишньою, відповідної великим току.

Вольт-амперні характеристики b - d, отримані при швидкій зміні струму до нуля, називаються динамічними. Для кожного міжконтактного проміжку, матеріалу електродів і середовища є одна статична характеристика дуги і безліч динамічних, укладених між кривими а й d.

При горінні дуги змінного струму протягом кожного напівперіоду мають місце такі ж фізичні процеси, що і в дузі постійного струму. На початку напівперіоду напруга на дузі зростає за синусоїдальним законом до значення напруги запалювання Uз - ділянка 0-а (рис. 2, б), а потім після виникнення дуги падає в міру зростання струму - ділянка а - b. У другу частину полупериода, коли струм починає знижуватися, напруга на дузі знову зростає до значення напруги гасіння Uг при спаді струму до нуля - ділянка b - с.

Протягом наступного напівперіоду напруга змінює знак і за синусоїдальним законом зростає до значення напруги запалювання, відповідного точці а 'вольт-амперної характеристики. У міру зростання струму напруга знижується, а потім знову підвищується при зниженні струму. Крива напруги дуги, як видно з рис. 2, б, має форму зрізаної синусоїди. Процес деионизации заряджених частинок в проміжку між контактами триває лише незначну частку періоду (ділянки 0 - а і з -а ') і, як правило, за цей час не закінчується, в результаті чого дуга виникає знову. Остаточне гасіння дуги буде мати місце тільки після низки повторних запалень під час одного з подальших переходів струму через нуль.

Поновлення дуги після переходу струму через нуль пояснюється тим, що після спаду струму до нульового значення іонізація, існуюча в стовбурі дуги, зникне не відразу, оскільки вона залежить від температури плазми в залишковому стовбурі дуги. У міру зменшення температури зростає електрична міцність міжконтактного проміжку. Однак якщо в якийсь момент часу миттєве значення прикладеної напруги буде більше пробивної напруги проміжку, то відбудеться його пробій, виникне дуга і потече струм іншої полярності.

Умови гасіння дуги. Умови гасіння дуги постійного струму залежать не тільки від її вольт-амперної характеристики, а й від параметрів електричного кола (напруга, струм, опір і індуктивність), яку включають і відключають контакти апарату. На рис. 3 показана вольт-амперна характеристика дуги.

Рис. 3. Вольт-амперні характеристики дуги при стійкому горінні (а) і гасінні (б) (крива 1) і залежність падіння напруги на резистори R, включеному в даний ланцюг (пряма 2).

У сталому режимі напруга Uі джерела струму дорівнює сумі падінь напруги в дузі Uдг і IR на резистори R. При зміні струму в ланцюзі до них додається е. д. с. самоіндукції ± eL (зображена заштрихованими ординатами). Тривале горіння дуги можливо тільки в режимах, відповідних точкам А і В, коли напруга Uі - IR, прикладена до проміжку між контактами, рівне падінню напруги Uдг. При цьому в режимі, відповідному точці А, горіння дуги нестійка. Якщо при горінні дуги в цій точці характеристики ток з якихось причин збільшився, то напруга Uдг стане менше прикладеної напруги Uі - IR. Надлишок прикладеної напруги викличе збільшення струму, який буде рости до тих пір, поки не досягне значення Iв.

Якщо в режимі, відповідному точці А, струм зменшиться, прикладена напруга Uі - IR стане менше Uдг і струм буде продовжувати зменшуватися, поки дуга згасне. У режимі, відповідному точці В, дуга горить стійко. При збільшенні струму понад Iв падіння напруги в дузі Uдг стане більше прикладеної напруги Uі - IR і струм почне зменшуватися. Коли струм в ланцюзі стане менше Iв, прикладена напруга Uі - IR стане більше Uдг і струм почне збільшуватися.

Очевидно, щоб забезпечити гасіння дуги у всьому заданому діапазоні зміни струму I від найбільшого значення до нуля при відключенні ланцюга, потрібно, щоб вольт-амперна характеристика 1 розташовувалася вище прямої 2 для відключається ланцюга (рис. 305, б). При цьому умови падіння напруги в дузі Uдг буде завжди більше прикладеного до неї напруги Uі - IR і струм в ланцюзі буде зменшуватися.

Основним засобом підвищення падіння напруги в дузі є збільшення довжини дуги. При розмиканні ланцюгів низької напруги з порівняно невеликими струмами гасіння забезпечується відповідним вибором розчину контактів, між якими виникає дуга. У цьому випадку дуга гасне без будь-яких додаткових пристроїв.

Для контактів, що розривають силові ланцюги, необхідна для гасіння довжина дуги настільки велика, що практично здійснити такий розчин контактів вже не представляється можливим. У таких електричних апаратах встановлюють спеціальні дугогасительниє пристрою.

Дугогасильні пристрою. Способи гасіння дуги можуть бути різні, але всі вони ґрунтуються на наступних принципах: примусове подовження дуги; охолодження міжконтактного проміжку допомогою повітря, парів або газів; поділ дуги на ряд окремих коротких дуг.

При подовженні дуги і видаленні її від контактів відбувається збільшення падіння напруги в стовпі дуги і напруга, прикладена до контактів, стає недостатнім для підтримки дуги.

Рис. 4. Дугогасительноє пристрій із захисними рогами (а) і гасіння дуги (б).

Охолодження міжконтактного проміжку викликає підвищену тепловіддачу стовпа дуги в навколишній простір, внаслідок чого заряджені частинки, переміщаючись з внутрішньої частини дуги на її поверхню, прискорюють процес деионизации.

Поділ дуги на ряд окремих коротких дуг призводить до підвищення сумарного падіння напруги в них і прикладена до контактів напруга стає недостатнім для стійкого підтримування дуги, тому відбувається її гасіння.

Принцип гасіння шляхом подовження дуги використовується в апаратах із захисними рогами і в рубильниках. Електрична дуга, яка виникає між контактами 1 і 2 (рис. 4, а) при їх розмиканні, піднімається вгору під дією сили FB, створюваної потоком нагрітого нею повітря, розтягується і подовжується на розбіжних нерухомих, рогах, що призводить до її гасінню. Подовженню і гасінню дуги сприяє також електродинамічне зусилля створюване в результаті взаємодії струму дуги з виникаючим навколо неї магнітним полем. При цьому дуга поводиться як провідник зі струмом, що знаходиться в магнітному полі (рис. 5, а), яке, як було показано в розділі III, прагне виштовхнути його з меж поля.

Для збільшення електродинамічного зусилля Fе, що діє на дугу, в ланцюг одного з контактів 1 в ряді випадків включають спеціальну дугогасительную котушку 2 (рис. 5, б), що створює в зоні дугообразованія сильне магнітне поле, магнітний потік якого Ф, взаємодіючи із струмом I дуги , забезпечує інтенсивне видування і гасіння дуги. Швидке переміщення дуги по рогам 3, 4 викликає її інтенсивне охолодження, що також сприяє її деионизации в камері 5 і гасінню.

Рис. 5. Принцип магнітного дуття (а) і дугогасительноє пристрій з дугогасительной котушкою (б).

Рис. 6. Дугогасильні камери.

У деяких апаратах застосовують методи примусового охолодження і розтягування дуги стисненим повітрям або іншим газом.

При розмиканні контактів 1 і 2 (див. Рис. 4, б) виникла дуга охолоджується і видувається із зони контактів струменем стисненого повітря або газу з силою FB.

Ефективним засобом охолодження електричної дуги з подальшим її гасінням є дугогасительниє камери різної конструкції (рис. 6). Електрична дуга під дією магнітного поля, потоку повітря чи іншими засобами заганяється у вузькі щілини або лабіринт камери (рис. 6, а і б), де вона тісно стикається з її стінками 1, перегородками 2, віддає їм тепло і гасне. Широке застосування в електричних апаратах е. п. с. знаходять лабіринтно-щілинні камери, де дуга подовжується не тільки шляхом розтягування між контактами, а й шляхом її зигзагоподібного викривлення між перегородками камери (рис. 6, в). Вузька щілина 3 між стінками камери сприяє охолодженню і деионизации дуги.