КОМУТАЦІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ КІЛ. ЕЛЕКТРИЧНА ДУГА В ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТАХ

Характерні особливості дугового розряду

Рис. 9.1. Характерні ефекти при виникненні електричної дуги.

При розмиканні електричних кіл за допомогою електрик­них контактів переваж­но на цих контактах виникає дуговий роз­ряд. Виникнення дуги на контактах є причи­ною зношування остан-ніх і приводить до зменшення строку служ­би апарата. Тому одним з найбільш радикальних способів зменшення зносу контактів є зменшення часу горіння дуги.

Однак, з іншої сторони, в ряді випадків електрична дуга відіграє і позитивну роль при комутації електричних кіл. Так, при вимиканні постійного струму, більша частина електромагнітної енергії, накопиченої в електричному колі, перетворюється саме в дузі в теплову і віддається в навколишнє середовище. Наявність дугового розряду на контактах при розмиканні електричного кола в певній мірі сприяє зменшенню комутаційних перенапруг, небезпечних для ізоляції електрообладнання.

Рис.9.1. Вольт-амперна характерис­тика розряду в газах.

Явище проходження електричного струму через гази спостерігається практично при всіх значеннях струму. В атмосферних умовах вольтамперна характеристика розряду в газах має вигляд, зображений на рис.9.1. В області 4 струм підтримується за рахунок зовнішніх іонізаторів (космічні промені та ін.). Область 3 відповідає стадії пробою (таунсендів­ський розряд). Область 2 - стадія тліючого розряду коло катоду. При струмі більшому 1А тліючий розряд переходить в дуговий (область 1).

У стадії дугового розряду переважає термічна іонізація, при тліючому розряді – виникає ударна іонізація, за рахунок зіткнення з електронами, які розганяються електричним полем, при таунсендівському розряді ударна іонізація переважає у всьому стовпі дуги.

Дуговий розряд відзначається такими особливостями:

1. чітко вираженими границями між дуговим стовпом і довкіллям;

2. високою густиною струму в дуговому стовпі (сотні А/мм²);

3. високою температурою газів в стовпі дуги.

Рис.9.2. Розподіл напруги за довжиною дуги.

Катодний спад напруги Uк, зосереджений біля катода на відстані 0,001 мм, складає вели­чи­ну порядку 1020 В, що відповідає напруженості елек­трич­ного поля біля катода на рівні 105 В/см. При таких напруженос­тях електричного поля можливий вихід електронів з катода за рахунок авто електрон­ної емісії. При високих температурах катода емісія електронів можлива також за рахунок термічних процесів (термоелектронна емісія). Анодний спад напруги Uа залежить від температури, мате­ріалу анода та ін. і складає десят­ки В. Величина напруги електрик­ного поля в дуговому стовпі суттєво залежить від умов, в яких горить дуга і в першу чергу від умов охолодження дуги. Вели­чина цієї напруги знаходиться в межах 10200 В/см (рис. 9.2).

Умови горіння і погасання дуги постійного струму

В замкненому контурі L, R із струмом із струмом I в індуктивності L накопичується електромагнітна енергія W_м :

(9.1)

При вимиканні струму в контурі магнітна енергія повинна бути розсіяна дуговим (або іскровим) розрядом на контактах комутуючого пристрою. Для такого контуру справедливе рівняння:

, (9.2)

де U_д - спад напруги на дузі.

Графічно розв’язок цього рівняння наведено на рис.9.3. Очевидно, що стійке горіння дуги буде за умови, що тобто в точках перетину реостатної характеристики (U-iR) і вольт-амперної характеристики U_д(i) дугового розряду, причому точка В буде точкою стійкого горіння дуги, а точка А - точкою нестійкого горіння дуги і дуга згасне (при ).

Звідси видно, що для погасання дуги необхідно виконати умову, щоб:

(9.3)

для довільних значень струму. Це можливо лише тоді, коли вольт-амперна характеристика дуги не перетинається з реостатною характеристикою кола.

Рис. 9.3. До визначення умови гасіння дуги постійного струму.

Рис. 9.4. Характеристика процесів від­клю­чення для R-L кола постійного струму

Умову (9.3) можна забезпечити двома способами:

1. збільшити нахил реостатної характеристики кола шляхом введення в коло додаткового активного опору в процесі вимикання електричного кола, тобто здійснювати комутацію кола ступенями (в декілька прийомів);

2. підняти вольт-амперну характеристику дуги над реостатною характе­ристикою кола, що визначає збільшення опору дуги шляхом інтенсифікації деіонізаційних процесів в процесі гасіння електричної дуги (лінія 2 на рис.9.3).

Переважно в дугогасних пристроях використовують другий спосіб. При цьому інтенсифікацію деіонізаційних процесів забезпечують двома шляхами: 1) збільшенням біляелектродного спаду напруги; 2) збільшенням поздовжнього градієнта спаду напруги стовпа дуги.

Збільшення біляелектродного спаду напруг досягають переважно поділом однієї дуги на ряд послідовних коротких дуг за допомогою т. зв. деіонної решітки. Збільшення поздовжнього градієнта спаду напруг стовпа дуги можна досягти за рахунок інтенсивнішого охолодження дуги, що забезпечується такими способами: 1) збільшенням довжини дуги; 2) забезпеченням руху дуги, або обдуванням дуги стиснутим повітрям; 3) забезпеченням контактування дуги з холодними дугостійкими стінками дугогасних камер; 4) підвищенням тиску в зоні горіння дуги. Всі зазначені вище способи переважно взаємопов’язані між собою. Охолодження дуги сприяє також і охолодженню контактів, що, в свою чергу, приводить до збільшення біляелектродних спадів напруг.

У момент погасання дуги, коли струм прямує до 0, у відповідності з рівнянням (9.2) отримаємо:

(9.4)

Звідки напруга на дузі в момент її погасання рівна алгебраїчній сумі е.р.с. самоіндукції і напрузі джерела U і може досягати значних величин (рис. 9.4 ). Величину напруги, на котру напруга дуги в момент погасання перевищує напругу джерела, називають комутаційною перенапругою при погасанні дуги.

Великі перенапруги можуть пошкодити ізоляцію електроустановок. Зменшити перенапругу можна шляхом збільшення часу горіння дуги. Однак, при цьому буде збільшуватись швидкість зношування як контактів, так і самих дугогасних камер.