Пособие Теория электрических аппаратов

5. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА

5.1. Общие сведения

При размыкании электрических цепей с помощью коммутационных электрических аппаратов (выключатели, автоматы, контакторы, пускатели, реле и т.д.) на их контактах возникает либо тлеющий, либо дуговой разряд.

Тлеющий разряд возникает при отключении тока менее 0,1 А и при напряжении на контактах 250-300 В (так называемое безыскровое отключение). Данный вид разряда имеет место в маломощных реле, а в более мощных электрических аппаратах он является переходной фазой к разряду виде электрической дуги. Также такой разряд имеет место в мощных электрических аппаратах переменного тока при размыкании контактов и в момент прохождения тока через ноль.

Разряд тока с образованием электрической дуги называется дуговым и характеризуется следующими параметрами:

2.Высокая температура центральной части дуги, которая составляет

6000÷25000 К.

3.Незначительное падение напряжения у электродных областей: для

дуги постоянного тока э _ =10÷20 В, для дуги переменного тока

э~ =20÷40 В.

4. Дуговой разряд существует при относительно больших токах. Минимальный ток зависит от материала контакта и в среднем равен 0,5А.

Образование электрической дуги обуславливается явлением ионизации, происходящем в пространстве между контактами. Этот процесс заключается в отделении от нейтральных атомов воздуха одного или нескольких электронов и образовании свободных положительно заряженных частиц - ионов. Для процессов, происходящих в межконтактном промежутке характерно четыре вида ионизации:

1.Термоэлектронная эмиссия (эффект Ричардсона или Эдисона) — это явление испускания электронов нагретыми телами. Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высокая, поэтому даже при средних температурах вследствие распределения электронов по скоростям (по энергии) некоторые электроны обладают энергией. Этой энергии достаточно для преодоления потенциального барьера на границе металла. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода, растет, и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным.

2.Электронная эмиссия (туннельная или полевая эмиссия) – это испускание электронов поверхностью твердого тела или жидкости. Чтобы

60

электрон покинул конденсированную среду в вакууме или газе, должна быть затрачена энергия, которую называют работой выхода. Зависимость потенциальной энергии электрона от координаты на границе эмиттера и вакуума (или иной среды) называют потенциальным барьером. Его и должен преодолеть электрон, выходя из эмиттера.

Термоэлектронная и автоэлектронная эмиссия происходят вблизи контакта электрического аппарата.

3.Термическая ионизация — это ионизация, при которой необходимую энергию для отрыва электрона от атома дают столкновения между атомами вследствие повышения температуры.

4.Ударная ионизация — это физическая модель, описывающая ионизацию атома при ударе об него электрона (или другой заряженной частицы — например, позитрона, иона или «дырки»). Явление может наблюдаться как в газах, так и в твёрдых телах (вчастности, вполупроводниках).

Термическая и ударная ионизация - это процессы, протекающие в объеме столба электрической дуги.

Возникновения электрической дуги между контактами приводит к их износу. При отключении электрической цепи, имеющей небольшие ток и напряжение, между контактами образуется мостик расплавленного металла, который разбрызгивается и испаряется. При размыкании больших токов и напряжений, в результате теплового воздействия электрической дуги, это явление значительно усиливается. Чтобы уменьшить износ контактов в электрических аппаратах применяют специальные устройства способные осуществлять быстрое гашение дуги, так называемые дугогасительные устройства (ДГУ).

В дуговом разряде различают три характерные области: область столба дуги, околокатодная и околоанодная области, представленные на рис. 5.1.

61

Параметр “E” зависит от условия горения электрической дуги и от интенсивности процессов ионизации. Чем выше процесс протеканияионизации, темменьшеградиентнапряжения.

Для пояснения явления прохождения тока через газ, приведем электрическую схему простейший электрической цепи с дугой постоянного тока (рис.5.3) и построим вольтамперную характеристику (ВАХ) последовательных стадий газового разряда в воздухе при атмосферных условиях (рис.5.4).

Рис. 5.3. Электрическая схема простейшей электрической цепи с дугой постоянного тока

63

6) D-E – стадия перехода тлеющего разряда в дуговой при большом

токе.

Вэлектрическом разряде помимо процесса ионизации присутствуют обратные процессы деионизации. Деионизация - это процесс воссоединения (нейтрализации) заряженных частиц и образование нейтральных частиц. Деионизация приводит к гашению электрической дуги. Данный процесс происходит с участием третьего тела (например, стенки камер, расположенных вблизи дугового столба или нейтральных частиц газов, находящихся в объеме дугового промежутка), а также деионизация может быть вызвана диффузией заряженных частиц. Диффузия – это вынос заряженных частиц из пространства между электродами. В результате чего уменьшается число электронов и ионов участвующих в поддержании горения электрической дуги. Гашение электрической дуги возможно только в том случае, если процессы деионизации протекают с большей скоростью, чем процессы ионизации.

5.2.Дуга постоянного тока. Основные статические и динамические характеристики дуги. Условия гашения дуги постоянного тока

Вкоммутационных электрических аппаратах постоянного тока важнейшей характеристикой электрической дуги является вольтамперная характеристика (ВАХ), которая представляет собой зависимость напряжения на дуге от тока.

Вольтамперная характеристика делится на статическую и динамическую характеристики. Статическая ВАХ – это характеристика, снятая при медленном изменении тока. Динамическая ВАХ – это характеристика, полученная при быстром изменении тока.

Статическая характеристика дуги постоянного тока зависит от расстояния между контактами (длины дуги), от параметров окружающей среды и условий охлаждения, а также от материалов контактов. Статические ВАХ при различной длине дуги " д", давлении “P” и условии охла-

ждения дуги “Q” (количество теплоты, отдающееся в окружающую среду), представлены на рис.5.5.

При увеличении длины дуги " д" напряжение дуги “ д” увеличивается (рис.5.5,а.). С ростом давления дуги “P” увеличивается градиент напряжения “ ” и вольтамперная характеристика будет также подниматься (рис.5.5,б.). Охлаждение дуги также влияет существенно на ВАХ дуги. Чем интенсивнее охлаждение, тем большая мощность отводится от электрической дуги в окружающее пространство. Для поддержания горения дуги должна возрасти мощность, выделяемая в электрической дуге. При заданной величине тока это возможно за счет увеличения напряжения дуги.

65

Рис. 5.5.Статические ВАХ при различной длине, давление и условие охлаждение дуги.

Динамическая вольтамперная характеристика постоянного тока показана на рисунке 5.6. (кривая А - статическая ВАХ, кривые B,C,D – динамические ВАХ).

В случае статической ВАХ току соответствует строго определенное сопротивление д , а току - сопротивление д . В данном случае имеет строгое соответствие между напряжением и током (кривая А,

рис.5.6.).

В реальных условиях ток дуги может меняться быстро, в этом случае из-за тепловой инерции дугового столба изменение сопротивления дуги отстает от изменения тока. При этом динамическая ВАХ будет отличаться от статической ВАХ. При быстром возрастании тока динамическая ВАХ идет выше статической ВАХ (кривая В), так как при быстром росте тока сопротивление дуги ( д) уменьшается медленнее, чем увеличивается ток (i). Напротив, при быстром уменьшении тока динамическая ВАХ располагается ниже статической ВАХ (кривая С), поскольку сопротивление дуги увеличивается медленнее, чем уменьшается ток. Таким образом, динамическая ВАХ сильно зависит от скорости изменения тока. Если в цепь с дугой ввести очень большое сопротивление за бесконечно малое время, по сравнению с тепловой постоянной ( д = 100−

66

3000мкс), которая характеризует тепловую инерцию электрической дуги, то во время спада тока до нуля сопротивление дуги остается постоянным и динамическая ВАХ будет представлять собой прямую линию (кривая D). Дуга в этом случае ведет себя как металлический проводник с постоянным сопротивлением.

Рис. 5.6. Динамическая ВАХ постоянного тока.

Условия стабильного горения и гашения электрической дуги постоянного тока

Рассмотрим схему замещения простейшей электрической цепи с дугой постоянного тока, представленной на рис.5.7.

Здесь сум и сум – это суммарные сопротивление и индукция электрической нагрузки кабелей, а также внутреннего сопротивления источника напряжения. В большинстве случаев емкостью между контактами можно пренебречь. С учетом допущений (С=0) уравнение состояние будет иметь следующий вид:

Встационарном режиме при постоянном токе электрической дуги -

д= 0, соответственно уравнение состояний будет иметь следующий

вид:

67