Процесът на образуване на електрическа дъга, гасене
Процесът на обучение e. дъги, гасене
При отваряне на електрическа верига възниква електрически разряд под формата на електрическа дъга. За появата на електрическа дъга е достатъчно напрежението на контактите да е над 10 V при ток във веригата от порядъка на 0,1A или повече. При значителни напрежения и токове температурата вътре в дъгата може да достигне 10,15 хиляди ° C, в резултат на което контактите и тоководещите части се стопяват.
При напрежение от 110 kV и повече дължината на дъгата може да достигне няколко метра. Следователно, електрическа дъга, особено в силови вериги с висока мощност, при напрежение над 1 kV е голяма опасност, въпреки че сериозни последствия могат да бъдат в инсталации с напрежение под 1 kV. В резултат на това електрическата дъга трябва да бъде максимално ограничена и бързо изгасена във вериги за напрежения както над, така и под 1 kV.
Причини за електрическа дъга
Процесът на образуване на електрическа дъга може да се опрости по следния начин. Когато контактите се разминават, контактното налягане първо намалява и съответно контактната повърхност, контактното съпротивление се увеличава (плътност на тока и температура - започват локални (в определени части на контактната зона) прегрявания, които допълнително допринасят за термоелектронна емисия, когато под въздействието на висока температура скоростта на електроните се увеличава и те излизат от повърхността на електрода.
В момента на разминаване на контактите, т.е. прекъсване на веригата, напрежението бързо се възстановява в контактната междина. Тъй като в този случай разстоянието между контактите е малко, възниква електрическо поле с висока якост, под въздействието на което електроните излизат от повърхността на електрода. Те ускоряват велектрическо поле и при удар с неутрален атом му предават своята кинетична енергия. Ако тази енергия е достатъчна, за да откъсне поне един електрон от обвивката на неутрален атом, тогава възниква процесът на йонизация.
Получените свободни електрони и йони съставляват плазмата на вала на дъгата, тоест йонизирания канал, в който гори дъгата и се осигурява непрекъснатото движение на частиците. В този случай отрицателно заредените частици, предимно електроните, се движат в една посока (към анода), а атомите и газовите молекули, лишени от един или повече електрони, положително заредени частици, се движат в обратна посока (към катода). Проводимостта на плазмата е близка до тази на металите.
В вала на дъгата протича голям ток и се генерира висока температура. Такава температура на вала на дъгата води до термична йонизация - процесът на образуване на йони поради сблъсъка на молекули и атоми, които имат висока кинетична енергия при високи скорости на тяхното движение (молекулите и атомите на средата, в която гори дъгата, се разпадат на електрони и положително заредени йони). Интензивната топлинна йонизация поддържа висока плазмена проводимост. Следователно спадът на напрежението по дължината на дъгата е малък.
В електрическата дъга непрекъснато протичат два процеса: в допълнение към йонизацията има и дейонизация на атоми и молекули. Последното се осъществява главно чрез дифузия, т.е. прехвърляне на заредени частици в околната среда и рекомбинация на електрони и положително заредени йони, които се рекомбинират в неутрални частици с връщане на енергията, изразходвана за тяхното разпадане. В този случай топлината се отвежда в околната среда.
По този начин могат да се разграничат три етапа на разглеждания процес: запалване на дъгата, когато поради ударна йонизация и емисия на електрони от катодазапочва разреждането на дъгата и интензитетът на йонизация е по-висок от дейонизацията, стабилно изгаряне на дъгата, поддържано от термична йонизация в дъговия вал, когато интензитетът на йонизация и дейонизация е еднакъв, изгасването на дъгата, когато интензитетът на дейонизацията е по-висок от йонизацията.
Методи за гасене на дъгата в електрически комутационни устройства
За да изключите елементите на електрическата верига и по този начин да изключите повреда на превключващото устройство, е необходимо не само да отворите контактите му, но и да изгасите дъгата, която се появява между тях. Процесите на изгасване на дъгата, както и горенето, са различни за променлив и постоянен ток. Това се определя от факта, че в първия случай токът в дъгата преминава през нула на всеки полупериод. В тези моменти освобождаването на енергия в дъгата спира и дъгата спонтанно угасва всеки път, след което отново светва.
На практика токът в дъгата става близо до нула малко по-рано от пресичането на нулата, тъй като когато токът намалява, енергията, подадена към дъгата, намалява, температурата на дъгата съответно намалява и топлинната йонизация спира.
В този случай процесът на дейонизация протича интензивно в дъговата междина. Ако в момента отворите и бързо разделите контактите, тогава последващият електрически срив може да не настъпи и веригата ще бъде изключена без дъга. На практика обаче е изключително трудно да се направи това и затова се предприемат специални мерки за ускоряване на изгасването на дъгата, които осигуряват охлаждане на дъговото пространство и намаляване на броя на заредените частици.
В резултат на дейонизацията, диелектричната якост на празнината постепенно се увеличава и в същото време се увеличава възстановяващото напрежение в нея. От съотношението на тези стойности зависи дали дъгата ще свети през следващата половина от периода или не. Ако електрическисилата на междината се увеличава по-бързо и е по-голяма от възстановяващото напрежение, дъгата вече няма да се запали, в противен случай ще се осигури стабилна дъга. Първото условие определя проблема с гасенето на дъгата.
В превключващите устройства се използват различни методи за гасене на дъгата.
Удължаване на дъгата
Когато контактите се разминават в процеса на изключване на електрическата верига, възникналата дъга се разтяга. В този случай се подобряват условията за охлаждане на дъгата, тъй като нейната повърхност се увеличава и е необходимо повече напрежение за изгаряне.
Разделяне на дълга дъга на поредица от къси дъги
Ако дъгата, образувана при отваряне на контактите, се раздели на K къси дъги, например, като се затегне в метална решетка, тогава тя ще изгасне. Дъгата обикновено се вкарва в метална решетка под въздействието на електромагнитно поле, индуцирано в решетъчните плочи от вихрови токове. Този метод за гасене на дъгата се използва широко в комутационни устройства за напрежение под 1 kV, по-специално в автоматични въздушни прекъсвачи.
Дъгово охлаждане в тесни слотове
Улеснява се гасенето на дъгата в малък обем. Поради това дъговите улеи с надлъжни процепи се използват широко в комутационни устройства (оста на такъв процеп съвпада по посока с оста на дъговия вал). Такава междина обикновено се образува в камери, изработени от изолационни материали, устойчиви на дъга. Поради контакта на дъгата със студени повърхности се получава нейното интензивно охлаждане, дифузия на заредени частици в околната среда и съответно бърза дейонизация.
В допълнение към прорезите с плоскопаралелни стени се използват и прорези с ребра, издатини и разширения (джобове). Всичко това води до деформация на дъговия вал и допринася за увеличаване на площта на неговия контакт със студените стени на камерата.
Изтеглянето на дъгата в тесни процепи обикновено се случва под въздействието на магнитно поле, взаимодействащо с дъгата, което може да се счита за проводник с ток.
Външно магнитно поле за движение на дъгата най-често се осигурява от намотка, свързана последователно с контактите, между които възниква дъгата. Гасенето на дъгата в тесни прорези се използва в устройства за всички напрежения.
Дъгогасене под високо налягане
При постоянна температура степента на йонизация на газа намалява с увеличаване на налягането, докато топлопроводимостта на газа се увеличава. При равни други условия това води до повишено охлаждане на дъгата. Гасенето на дъгата чрез високо налягане, създадено от самата дъга в плътно затворени камери, се използва широко в предпазители и редица други устройства.
Дъгогасене в масло
Ако контактите на прекъсвача са поставени в масло, тогава дъгата, която възниква при отварянето им, води до интензивно изпаряване на маслото. В резултат на това около дъгата се образува газов мехур (черупка), състоящ се главно от водород (70,80%), както и маслени пари. Отделяните газове с висока скорост проникват директно в зоната на дъговия вал, предизвикват смесване на студен и горещ газ в мехура, осигуряват интензивно охлаждане и съответно дейонизация на дъговата междина. В допълнение, дейонизиращата способност на газовете увеличава налягането, създадено по време на бързото разлагане на маслото вътре в мехура.
Интензивността на процеса на гасене на дъгата в масло е толкова по-висока, колкото по-близо дъгата контактува с маслото и колкото по-бързо маслото се движи спрямо дъгата. Като се има предвид това, дъговата междина е ограничена от затворено изолационно устройство - дъгообразен улей. В тези камери се създава по-тесен контакт на маслото с дъгата и с помощта наИзолационните плочи и изпускателните отвори образуват работни канали, през които се движат масло и газове, осигурявайки интензивно издухване (издухване) на дъгата.
Според принципа на работа дъговите улеи се разделят на три основни групи: с автоматично издухване, когато се създава високо налягане и скорост на движение на газа в зоната на дъгата поради енергията, освободена в дъгата, с принудително издухване на масло с помощта на специални помпени хидравлични механизми, с магнитно охлаждане в масло, когато дъгата се движи в тесни процепи под въздействието на магнитно поле.
Най-ефективните и прости дъгови улеи с автоматично издухване. В зависимост от местоположението на каналите и изпускателните отвори се разграничават камери, в които се осигурява интензивно издухване на сместа от газ и пара и маслени потоци по дъгата (надлъжно взривяване) или през дъгата (напречно взривяване). Разгледаните методи за гасене на дъгата се използват широко в прекъсвачи за напрежение над 1 kV.
Други начини за гасене на дъгата в устройства за напрежение над 1 kV
В допълнение към горните методи за гасене на дъгата, те също използват: сгъстен въздух, чийто поток духа по дължина или напречно на дъгата, осигурявайки нейното интензивно охлаждане (вместо въздух се използват и други газове, често получени от твърди газообразуващи материали - влакна, винилова пластмаса и др. - поради разлагането им от самата горяща дъга), SF6 газ (серен хексафлуорид), който има по-висока електрическа якост от въздуха и водорода, т.к. в резултат на което дъгата, горяща в този газ, дори при При атмосферно налягане, силно разреден газ (вакуум) бързо изгасва, когато контактите се отварят, при което дъгата не се запалва отново (изгасва) след първото преминаване на тока през нулата.
Източник на информация: „Училище заелектротехника: електротехника и електроника"