Возникновение электрической дуги и её свойства, процессы вызывающие рождение и поддерживающие горение, а также конструктивные решения в коммутационных аппаратах для гашения дугового разряда.

Свойства электрической дуги или дугового разряда

В электротехнике (автоматические выключатели, рубильники, контакторы) при выключении нагруженной цепи рождается электрическая дуга.

Установим ограничения: далее описываются процессы характерные для аппаратов с номинальными токами от 1 до 2000 ампер и предназначенных для работы в сетях с напряжением до 1000 вольт (низковольтная аппаратура). Для высоковольтной аппаратуры существуют другие условия возникновения и горения дуги.

Важные параметры электрической дуги:

• дуговой разряд способен развиться исключительно при высоких токах (для металла этот ток составляет 0,5 ампера);
• температура в стволе дуги значительная и составляет порядка 6-18 тысяч кельвинов (зачастую 6-10 тысяч кельвинов);
• снижение напряжения у катода незначительно и равно 10-20 вольтам.

Дуговой разряд условно разделяют на три зоны:

• околокатодную;
• ствол дуги (основная часть);
• околоанодную.

В выделенных зонах ионизация и деионизация проходят различно:

• ионизация - процесс распадения нейтрального атома на отрицательный электрон и положительный ион;
• деионизация - процесс противоположный ионизации (антоним), при котором происходит слияние электрона и иона в нейтральную частицу.

В 2-минутном видеоролике представлена замедленная съёмка гашения электрической дуги в модульном автоматическом выключателе производства ABB:

Процессы сопутствующие рождению электрической дуги

На начальном этапе разведения главных контактов дуга зарождается при следующих процессах:

• термоэлектронная эмиссия (освобождение отрицательных электронов из разогретой поверхности контакта);
• автоэлектронная эмиссия (отрыв электронов из катода под влиянием значительного электрического поля).

Термоэлектронная эмиссия . При разрыве контактов в районе последней площадки контакта образуется зона с расплавленной медью с соответствующей температурой. Медь испаряется на отрицательном электроде из так называемого катодного пятна, которое является источником свободных электронов. На данный процесс оказывают влияние: температура и металл контактных поверхностей; он является достаточным для рождения электрической дуги, но не достаточным для поддержания её горения.

Автоэлектронная эмиссия . Воздушное пространство между контактами можно рассматривать как своеобразный конденсатор, ёмкость которого в первое мгновение неограниченна, а далее сокращается в зависимости от растущего разрыва между подвижным и неподвижным контактом. Описанный конденсатор постепенно подзаряжается и напряжение в нём сравнивается с напряжением главной цепи. Напряжённость электрического поля доходит до величин, при которых возникают условия для выхода электронов из поверхности не нагретого катода.

Соотношение влияния описанных процессов на зарождение дуги зависит от силы выключаемого тока, металла контактной группы, чистоты контактной поверхности, скорости разъединения контактов и иных факторов. Доминирование одного вида эмиссии над другим индивидуально.

Процессы поддерживающие горение дуги.

При помощи следующих механизмов взаимодействия частиц создаются условия для горения разряда:

• ионизация толчком (разогнанный электрон врезается в нейтральную частицу и «выбивает» и неё электрон);
• тепловая ионизация (разрушение нейтральных атомов значительными температурами).

Ионизация толчком . Свободный электрон с определённой скоростью способен разбить нейтральную частицу на электрон и ион. Вновь полученный электрон способен разорвать внутренние связи у следующей частицы, в результате получается цепная реакция. Скорость электрона является функцией от разности потенциалов на участке движения (достаточный потенциал для выбивания электрона: 13 - 16 вольт для кислорода, водорода, азота; 24 вольта для гелия; 7,7 вольта для медных паров).

Тепловая ионизация . При высоких температурах увеличиваются скорости движения частиц в плазме, что ведёт к разрушению нейтральных атомов по принципу ионизации толчком.

Единовременно с процессами ионизации проходят процессы деионизации за счёт рекомбинации (взаимный контакт «-» и «+» частиц ведёт к слиянию их в нейтральный атом) и диффузии (выход из ствола дуги электронов во внешнюю среду, где в нормальных условиях происходит их поглощение).

Существенным фактором для продолжения горения дуги в нашем случае является тепловая ионизация, поэтому для гашения разряда применяется охлаждение его ствола (контакт с материалом высокой теплопроводности), а также удлинение самой дуги в отведённом ей пространстве.

Методы гашения электрической дуги

Чтобы ограничить негативное воздействие электрической дуги на контакты коммутационного аппарата и его узлы, следует за кратчайшее время погасить дугу. К отрицательным воздействиям относят:

• высокие температуры (оплавление, испарение контактного материала);
• создание перешейков-проводников электрического тока (дуга легко проводит ток, поэтому может провести его на участки, которые не проводят ток при нормальной работе);
• нарушение нормальной электрической схемы аппарата (разрушение изоляции).

Дуга - это частное проявление, одного из состояний вещества, называемого плазмой . Ствол дуги имеет высокие температуры и большое количество свободных ионов. Так как основным фактором, продлевающим горение, является тепловая ионизация , то нужно интенсивно охладить ствол электрической дуги. Для этих целей в коммутационных аппаратах применяются следующие конструктивные решения :

• магнитное дутьё или нагнетание охлаждающёй жидкости или газа для того, чтобы удлинить дугу (бо льшая поверхность, больше отдаёт тепла);
• деионная решётка или набор профилированных стальных пластин, которые единовременно работают радиаторами и расчленяют дугу на отдельные составляющие;
• дугогасительная камера щелевого типа , выполненная из материала с большой теплопроводностью и стойкостью к высоким температурам (электрическая дуга, контактируя с материалом камеры, отдаёт тепловую энергию);
• создание закрытого пространства из материала, выделяющего газ под воздействием температуры (высокое давление газов препятствует горению дуги);
• специальные контактные сплавы для снижения содержания металлов в плазме;
• откачивать воздух из околоконтактного пространства для создания вакуума (нет вещества - нет ионизации);
• в аппаратах на переменный ток производить размыкание в момент перехода тока через ноль (меньше энергии для рождения дуги);
• вводить в промежуток, между расходящимися контактами, полупроводники, которые воспримут ток и не дадут дуге разгореться;
• применять двойной разрыв в цепи (исключая из цепи часть проводника, мгновенно и значительно увеличивается расстояние между катодом и анодом).

Список литературы

Марков А. М. Электрические и электронные аппараты. Часть 1. Электромеханические аппараты. - Псков: Издательство Псков ГУ, 2013 год - 128 с (ссылка на книгу на странице «Прайс-лист »).

При размыкании электрической цепи возникает электрический разряд в виде электрической дуги. Для появления электрической дуги достаточно, чтобы напряжение на контактах было выше 10 В при токе в цепи порядка 0,1А и более. При значительных напряжениях и токах температура внутри дуги может достигать 3 - 15 тыс. °С, в результате чего плавятся контакты и токоведущие части.

При напряжениях 110 кВ и выше длина дуги может достигать нескольких метров. Поэтому электрическая дуга, особенно в мощных силовых цепях, на напряжение выше 1 кВ представляет собой большую опасность, хотя серьезные последствия могут быть и в установках на напряжение ниже 1 кВ. Вследствие этого электрическую дугу необходимо максимально ограничить и быстро погасить в цепях на напряжение как выше, так и ниже 1 кВ.

Процесс образования электрической дуги может быть упрощенно представлен следующим образом. При расхождении контактов вначале уменьшается контактное давление и соответственно контактная поверхность, увеличиваются (плотность тока и температура - начинаются местные (на отдельных участках площади контактов) перегревы, которые в дальнейшем способствуют термоэлектронной эмиссии, когда под воздействием высокой температуры увеличивается скорость движения электронов и они вырываются с поверхности электрода.

В момент расхождения контактов, то есть разрыва цепи, на контактном промежутке быстро восстанавливается напряжение. Поскольку при этом расстояние между контактами мало, возникает высокой напряженности, под воздействием которого с поверхности электрода вырываются электроны. Они разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать хотя бы один электрон с оболочки нейтрального атома, то происходит процесс ионизации.

Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги, то есть ионизированного канала, в котором горит дуга и обеспечивается непрерывное движение частиц. При этом отрицательно заряженные частицы, в первую очередь электроны, движутся в одном направлении (к аноду), а атомы и молекулы газов, лишенные одного или нескольких электронов, - положительно заряженные частицы - в противоположном направлении (к катоду). Проводимость плазмы близка к проводимости металлов.

В стволе дуги проходит большой ток и создается высокая температура. Такая температура ствола дуги приводит к термоионизации - процессу образования ионов вследствие соударения молекул и атомов, обладающих большой кинетической энергией при высоких скоростях их движения (молекулы и атомы среды, где горит дуга, распадаются на электроны и положительно заряженные ионы). Интенсивная термоионизация поддерживает высокую проводимость плазмы. Поэтому падение напряжения по длине дуги невелико.

В электрической дуге непрерывно протекают два процесса: кроме ионизации, также деионизация атомов и молекул. Последняя происходит в основном путем диффузии, то есть переноса заряженных частиц в окружающую среду, и рекомбинации электронов и положительно заряженных ионов, которые воссоединяются в нейтральные частицы с отдачей энергии, затраченной на их распад. При этом происходит теплоотвод в окружающую среду.

Таким образом, можно различить три стадии рассматриваемого процесса: зажигание дуги, когда вследствие ударной ионизации и эмиссии электронов с катода начинается дуговой разряд и интенсивность ионизации выше, чем деионизации, устойчивое горение дуги, поддерживаемое термоионизацией в стволе дуги, когда интенсивность ионизации и деионизации одинакова, погасание дуги, когда интенсивность деионизации выше, чем ионизации.

Способы гашения дуги в коммутационных электрических аппаратах

Для того чтобы отключить элементы электрической цепи и исключить при этом повреждение коммутационного аппарата, необходимо не только разомкнуть его контакты, но и погасить появляющуюся между ними дугу. Процессы гашения дуги, так же как и горения, при переменном и постоянном токе различны. Это определяется тем, что в первом случае ток в дуге каждый полупериод проходит через нуль. В эти моменты выделение энергии в дуге прекращается и дуга каждый раз самопроизвольно гаснет, а затем снова загорается.

Практически ток в дуге становится близким нулю несколько раньше перехода через нуль, так как при снижении тока энергия, подводимая к дуге, уменьшается, соответственно снижается температура дуги и прекращается термоионизация. При этом в дуговом промежутке интенсивно идет процесс деионизации. Если в данный момент разомкнуть и быстро развести контакты, то последующий электрический пробой может не произойти и цепь будет отключена без возникновения дуги. Однако практически это сделать крайне сложно, и поэтому принимают специальные меры ускоренного гашения дуги, обеспечивающие охлаждение дугового пространства и уменьшение числа заряженных частиц.

В результате деионизации постепенно увеличивается электрическая прочность промежутка и одновременно растет восстанавливающееся напряжение на нем. От соотношения этих величин и зависит, загорится ли на очередную половину периода дуга или нет. Если электрическая прочность промежутка возрастает быстрее и оказывается больше восстанавливающего напряжения, дуга больше не загорится, в противном же случае будет обеспечено устойчивое горение дуги. Первое условие и определяет задачу гашения дуги.

В коммутационных аппаратах используют различные способы гашения дуги.

Удлинение дуги

При расхождении контактов в процессе отключения электрической цепи возникшая дуга растягивается. При этом улучшаются условия охлаждения дуги, так как увеличивается ее поверхность и для горения требуется большее напряжение.

Деление длинной дуги на ряд коротких дуг

Если дугу, образовавшуюся при размыкании контактов, разделить на К коротких дуг, например затянув ее в металлическую решетку, то она погаснет. Дуга обычно затягивается в металлическую решетку под воздействием электромагнитного поля, наводимого в пластинах решетки вихревыми токами. Этот способ гашения дуги широко используется в коммутационных аппаратах на напряжение ниже 1 кВ, в частности в автоматических воздушных выключателях.

Охлаждение дуги в узких щелях

Гашение дуги в малом объеме облегчается. Поэтому в широко используют дугогасительные камеры с продольными щелями (ось такой щели совпадает по направлению с осью ствола дуги). Такая щель обычно образуется в камерах из изоляционных дугостойких материалов. Благодаря соприкосновению дуги с холодными поверхностями происходят ее интенсивное охлаждение, диффузия заряженных частиц в окружающую среду и соответственно быстрая деионизация.

Кроме щелей с плоскопараллельными стенками, применяют также щели с ребрами, выступами, расширениями (карманами). Все это приводит к деформации ствола дуги и способствует увеличению площади соприкосновения ее с холодными стенками камеры.

Втягивание дуги в узкие щели обычно происходит под действием магнитного поля, взаимодействующего с дугой, которая может рассматриваться как проводник с током.

Внешнее для перемещения дуги наиболее часто обеспечивают за счет катушки, включаемой последовательно с контактами, между которыми возникает дуга. Гашение дуги в узких щелях используют в аппаратах на все напряжения.

Гашение дуги высоким давлением

При неизменной температуре степень ионизации газа падает с ростом давления, при этом возрастает теплопроводность газа. При прочих равных условиях это приводит к усиленному охлаждению дуги. Гашение дуги при помощи высокого давления, создаваемого самой же дугой в плотно закрытых камерах, широко используется в плавких предохранителях и ряде других аппаратов.

Гашение дуги в масле

Если помещены в масло, то возникающая при их размыкании дуга приводит к интенсивному испарению масла. В результате вокруг дуги образуется газовый пузырь (оболочка), состоящий в основном из водорода (70...80 %), а также паров масла. Выделяемые газы с большой скоростью проникают непосредственно в зону ствола дуги, вызывают перемешивание холодного и горячего газа в пузыре, обеспечивают интенсивное охлаждение и соответственно деионизацию дугового промежутка. Кроме того, деионизирующую способность газов повышает создаваемое при быстром разложении масла давление внутри пузыря.

Интенсивность процесса гашения дуги в масле тем выше, чем ближе соприкасается дуга с маслом и быстрее движется масло по отношению к дуге. Учитывая это, дуговой разрыв ограничивают замкнутым изоляционным устройством - дугогасительной камерой . В этих камерах создается более тесное соприкосновение масла с дугой, а при помощи изоляционных пластин и выхлопных отверстий образуются рабочие каналы, по которым происходит движение масла и газов, обеспечивая интенсивное обдувание (дутье) дуги.

Дугогасительные камеры по принципу действия разделяют на три основные группы: с автодутьем, когда высокие давление и скорость движения газа в зоне дуги создаются за счет выделяющейся в дуге энергии, с принудительным масляным дутьем при помощи специальных нагнетающих гидравлических механизмов, с магнитным гашением в масле, когда дуга под действием магнитного поля перемещается в узкие щели.

Наиболее эффективны и просты дугогасительные камеры с автодутьем . В зависимости от расположения каналов и выхлопных отверстий различают камеры, в которых обеспечивается интенсивное обдувание потоками газопаровой смеси и масла вдоль дуги (продольное дутье) или поперек дуги (поперечное дутье). Рассмотренные способы гашения дуги широко используются в выключателях на напряжение выше 1 кВ.

Другие способы гашения дуги в аппаратах на напряжение выше 1 кВ

Кроме указанных выше способов гашения дуги, используют также: сжатый воздух, потоком которого вдоль или поперек обдувается дуга, обеспечивая ее интенсивное охлаждение (вместо воздуха применяются и другие газы, часто получаемые из твердых газогенерирующих материалов - фибры, винипласта и т. п. - за счет их разложения самой горящей дугой), обладающий более высокой электрической прочностью, чем воздух и водород, в результате чего дуга, горящая в этом газе, даже при атмосферном давлении достаточно быстро гасится, высокоразреженный газ (вакуум), при размыкании контактов в котором дуга не загорается вновь (гаснет) после первого прохождения тока через нуль.

ЛЕКЦИЯ 5

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА

Возникновение и физические процессы в электрической дуге. Размыкание электрической цепи при значительных токах и напряжениях сопровождается электрическим разрядом между расходящимися контактами. Воздушный промежуток между контактами иони­зируется и становится проводящим, в нем горит дуга. Процесс отключения состоит в деионизации воздушного промежутка между контактами, т. е. в прекращении электрического разряда и восстановлении диэлектрических свойств. При особых условиях: малых токах и напряжениях, разрыве цепи переменного тока в момент перехода тока через нуль, может произойти без электрического разряда. Такое отключение называется безыскровым разрывом.

Зависимость падения напряжения на разрядном промежутке от тока электрического разряда в газах приведена на рис. 1.

Электрическая дуга сопровождается высокой температурой. Поэтому дуга – явление не только электрическое, но и тепловое. В обычных условиях воздух хороший изолятор. Для пробоя 1см воздушного промежутка требуется напряжение 30кВ. Чтобы воздушный промежуток стал проводником, необходимо создать в нем определенную концентрацию заряженных частиц: свободных электронов и положительных ионов. Процесс отделения от нейтральной частицы электронов и обра­зования свободных электронов и положительно заряженных ионов называется ионизацией . Ионизация газа происходит под действием высокой температуры и электрического поля. Для дуговых процессов в электрических аппаратах наибольшее значение имеют процессы у электродов (термоэлектрон­ная и автоэлектронная эмиссии) и процессы в дуговом промежутке (термическая и ударная ионизация).

Термоэлектронной эмиссией называется испускание электронов с накаленной поверхности. При расхождении контактов резко возрастают переходное сопротивление контакта и плотность тока в площадке контактирования. Площадка разогревается, расплавляется и образуется контактный перешеек из расплавленного металла. Перешеек при дальнейшем расхождении контактов разрывается и происходит испарение металла контактов. На отрицательном электроде образуется раскаленная площадка (катодное пятно), которая служит основа­нием дуги и очагом излучения элект­ронов. Термоэлектронная эмиссия является причиной возникновения электрической дуги при размыкании контактов. Плотность тока термоэлектронной эмиссии зависит от тем­пературы и материала электрода.

Автоэлектронной эмиссией называется явление испускания электронов с ка­тода под воздействием сильного электрического поля. При разомкнутых контактах к ним приложено напряжение сети. При замыкании контактов, по мере приближения подвижного контакта к неподвижному растет напряженность электрического поля между контактами. При критическом расстоянии между контактами напряженность поля достигает 1000 кВ/мм. Такой напряженности электрического поля достаточно для вырывания электронов из холодного катода. Ток автоэлектронной эмиссии мал служит только началом дугового разряда.

Таким образом, возникновение дугового разряда на расходящихся контак­тах объясняется наличием термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий. Возникновения электрической дуги при замыкании контактов происходит по причине автоэлектронной эмиссия.

Ударной ионизацией называется возникновение свободных электронов и положительных ионов при столкновении электронов с нейтральной частицей. Свободный электрон разбивает нейтральную частицу. В результате получатся новый свободный электрон и положительный ион. Новый электрон, в свою очередь, ионизирует следующую частицу. Чтобы электрон мог ионизировать частицу газа, он должен двигаться с определенной скоростью. Скорость электрона зависит от разности потенциалов на длине свободного пробега. Поэтому обычно указывается не скорость движения электрона, а минимальную разность потенциалов на длине свободного пути, чтобы электрон приобрел необходимую скорость. Эта разность потенциалов называется потенциал ионизации. Потенциал ионизации газовой смеси определяется самым низким из потенциалов ионизации входящих в газовую смесь компонентов и мало зависит от концентрации компонентов. Потенциал ионизации для газов составляет 13÷16В (азот, кислород, водород), для паров металла примерно в два раза ниже: 7,7В для паров меди.

Термическая ионизация происходит под воздействием высокой температуры. Температура ствола дуги достигает 4000÷7000 К, а иногда 15000 К. При такой температуре резко возрастает количество и скорость движущихся частиц газа. При столкновении атомы и молекулы разрушаются, образуя заряженные частицы. Основной характеристикой термической ионизации является сте­пень ионизации, представляющая собой отношение числа ионизированных атомов к общему числу атомов в дуговом промежутке. Поддержание возникшего дугового разряда достаточным числом свободных зарядов обеспечивается термической ионизацией.

Одновременно с процессами ионизации в дуге происходят обратные процессы деионизации – воссоединения заряженных частиц и образование нейтральных молекул. При возникновении дуги преобла­дают процессы ионизации, в устойчиво горящей дуге процессы ионизации и деионизации одинаково интенсивны, при преобладании процессов деиониза­ции дуга гаснет.

Деионизация происходит главным образом за счет рекомбинации и диф­фузии. Рекомбинацией называется процесс, при котором различно заряженные частицы, при­ходя в соприкосновение, образуют нейтральные частицы. Диффузия заряженных частиц представляет собой процесс выноса заряженных частиц из дугового промежутка в окружающее пространство, что уменьшает проводимость дуги. Диффузия обусловлена как электрическими, так и тепловыми факторами. Плотность зарядов в стволе дуги возрастает от периферии к центру. Ввиду этого создается электрическое поле, заставляющее ионы двигаться от центра к периферии и покидать область дуги. В этом же направлении действует и разность температур ствола дуги и окружающего пространства. В стабилизированной и свободно горящей дуге диффузия играет ничтожную роль. В дуге, обдуваемой сжатым воздухом, а также в быстро движущейся открытой дуге деионизация за счет диффузии может по значению быть близкой к рекомбинации. В дуге, горящей в узкой щели или закрытой камере, деионизация происходит за счет рекомби­нации.

ПАДЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГЕ

Падение напряжения вдоль стационарной дуги распределяется неравномерно. Картина изменения падения напряжения U д и продольного градиента напряжения (падение напряжения на единицу длины дуги) Е д вдоль дуги приведена на рис. 2.

В прианодной области образуется отрицательный объемный заряд, обуславливающий разность потенциалов U а . Направляющиеся к аноду электроны, ускоряются и выбивают из анода вторичные электроны, которые существуют вблизи анода.

Суммарное зна­чение прианодного и прикатодного падений напряжений называют приэлектродным падением напряжения:
и составляет 20-30В.

В остальной части дуги, называемой стволом дуги, падение напряжения U д прямо пропорционально длине дуги:

,

где E СТ – продольный градиент напряжения в стволе дуги, l СТ – длина ствола дуги.

Градиент здесь постоянен вдоль ствола. Он зависит от многих факторов и может изменяться в широких пределах, достигая 100÷200 В/см.

Таким образом, падение напряжения на дуговом промежутке:

УСТОЙЧИВОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Чтобы погаситьэлектрическую дугу постоянного тока, необходимо создать условия, при которых в дуговом промежутке процессы деионизации превосходили бы процессы ионизации при всех значениях тока.

В точках а и б справедливо уравнение (2), значит
. Здесь имеет место равновесное состояние. В точке а равновесие неустой­чивое, в точке б устойчивое.

При токах
, напряжение
, a
, и если по какой-либо причине ток станет меньше I а , то он упадет до нуля – дуга погаснет.

Если же по какой-либо причине ток станет несколько больше I а , то будет
, в цепи как бы окажется «избыточное» напряжение, которое приведет к возрастанию тока до значения I б . При любом значении I а < i < I б ток в дуге будет возрастать до значения I б .

Между точками а и б величина
. Рост тока в цепи сопровождается накоплением электромагнитной энергии.

При токе
снова оказывается
, а
, т. е. для поддержания такого значения тока напряжение U недоста­точно. Ток в цепи будет падать до значения I б . Дуга в этой точке будет гореть устойчиво.

Для погасания дуги необходимо, чтобы при любом значении тока соблю­далось условие (3), то есть ВАХ дуги должна лежать выше характеристики
(рис. 5) на всем своем протяжении и не иметь с этой характеристикой ни одной точки соприкосновения.

Физические основы горения дуги . При размыкании контактов электрического аппарата вследствие ионизации пространства между ними возникает электрическая дуга. Промежуток между контактами при этом остается проводящим и прохождение тока по цепи не прекращается.

Для ионизации и образования дуги необходимо, чтобы напряжение между контактами было примерно 15-30 В и ток цепи 80-100 мА.

При ионизации пространства между контактами заполняющие его атомы газа (воздуха) распадаются на заряженные частицы - электроны и положительные ионы. Поток электронов, излучаемых с поверхности контакта, находящегося под отрицательным потенциалом (катода), движется по направлению к положительно заряженному контакту (аноду); поток же положительных ионов движется к катоду (рис. 303,а).

Главными носителями тока в дуге являются электроны, так как положительные ионы, имея большую массу, движутся значительно медленнее электронов и переносят поэтому в единицу времени гораздо меньше электрических зарядов. Однако положительные ионы играют большую роль в процессе горения дуги. Подходя к катоду, они создают вблизи него сильное электрическое поле, которое воздействует на электроны, имеющиеся в металлическом катоде, и вырывают их с его поверхности. Это явление называется автоэлектронной эмиссией (рис. 303,б). Кроме того, положительные ионы непрерывно бомбардируют катод и отдают ему свою энергию, которая переходит в тепло; при этом температура катода достигает 3000-5000 °С.

При увеличении температуры движение электронов в металле катода ускоряется, они приобретают большую энергию и начинают покидать катод, вылетая в окружающую среду. Это явление носит название термоэлектронной эмиссии . Таким образом, под действием авто- и термоэлектронной эмиссии в электрическую дугу поступают с катода все новые и новые электроны.

При своем перемещении от катода к аноду электроны, сталкиваясь на своем пути с нейтральными атомами газа, расщепляют их на электроны и положительные ионы (рис. 303, в). Этот процесс называется ударной ионизацией . Появившиеся в результате ударной ионизации новые, так называемые вторичные электроны начинают двигаться к аноду и при своем движении расщепляют все новые атомы газа. Рассмотренный процесс ионизации газа носит лавинообразный характер подобно тому, как один камень, брошенный с горы, захватывает на своем пути все новые и новые камни, порождая лавину. В результате промежуток между двумя контактами заполняется большим количеством электронов и положительных ионов. Эта смесь электронов и положительных ионов называется плазмой. В образовании плазмы значительную роль играет термическая ионизация, которая происходит в результате повышения температуры, вызывающей увеличение скорости движения заряженных частиц газа.

Электроны, ионы и нейтральные атомы, образующие плазму, непрерывно сталкиваются друг с другом и обмениваются энергией; при этом некоторые атомы под ударами электронов приходят в возбужденное состояние и испускают избыток энергии в виде светового излучения. Однако электрическое поле, действующее между контактами, заставляет основную массу положительных ионов двигаться к катоду, а основную массу электронов - к аноду.

В электрической дуге постоянного тока в установившемся режиме определяющей является термическая ионизация. В дуге переменного тока при переходе тока через нуль существенную роль играет ударная ионизация, а в течение остального времени горения дуги - термическая ионизация.

При горении дуги одновременно с ионизацией промежутка между контактами происходит обратный процесс. Положительные ионы и электроны, взаимодействуя друг с другом в межконтактном пространстве или при попадании на стенки камеры, в которой горит дуга, образуют нейтральные атомы. Этот процесс называется рекомбинацией; при прекращении ионизации рекомбинация приводит к исчезновению электроноз и ионов из межэлектродного пространства - происходит его деионизация. Если рекомбинация осуществляется на стенке камеры, то она сопровождается выделением энергии в виде тепла; при рекомбинации в межэлектродном пространстве энергия выделяется в виде излучения.

При соприкосновении со стенками камеры, в которой находятся контакты, дуга охлаждается, что. приводит к усилению деиони-зации. Деионизация происходит также в результате движения заряженных частиц из центральных областей дуги с более высокой концентрацией в периферийные области с низкой концентрацией. Этот процесс называется диффузией электронов и положительных ионов .

Зону горения дуги условно делят на три участка: катодную зону, ствол дуги и анодную зону. В катодной зоне происходит интенсивная эмиссия электронов из отрицательного контакта, падение напряжения в этой зоне составляет около 10 В.

В стволе дуги образуется плазма с приблизительно одинаковой концентрацией электронов и положительных ионов. Поэтому в каждый момент времени суммарный заряд положительных ионов плазмы компенсирует суммарный отрицательный заряд ее электронов. Большая концентрация заряженных частиц в плазме и отсутствие в ней электрического заряда обусловливают высокую электропроводность ствола дуги, которая близка к электропроводности металлов. Падение напряжения в стволе дуги приблизительно пропорционально ее длине. Анодная зона заполнена, главным образом, электронами, подходящими из ствола дуги к положительному контакту. Падение напряжения в этой зоне зависит от тока в дуге и размеров положительного контакта. Суммарное падение напряжения в дуге составляет 15-30 В.

Зависимость падения напряжения U дг, действующего между контактами, от тока I, проходящего через электрическую дугу, называется вольт-амперной характеристикой дуги (рис. 304,а). Напряжение U з, при котором возможно зажигание дуги при токе I = 0, называется напряжением зажигания . Значение напряжения зажигания определяется материалом контактов, расстоянием между ними, температурой и окружающей средой. После возникновения

электрической дуги ее ток увеличивается до значения, близкого к току нагрузки, который протекал через контакты до отключения. При этом сопротивление межконтактного промежутка падает быстрее, чем увеличивается ток, что приводит к уменьшению падения напряжения U дг. Режим горения дуги, соответствующий кривой а, называется статическим.

При снижении тока до нуля процесс соответствует кривой b и дуга прекращается при меньшем падении напряжения, чем напряжение зажигания. Напряжение U г, при котором дуга гаснет, называют напряжением гашения. Оно всегда меньше напряжения зажигания вследствие повышения температуры контактов и увеличения проводимости межконтактного промежутка. Чем больше скорость снижения тока, тем меньше напряжение гашения дуги в момент прекращения тока. Вольт-амперные характеристики b и с соответствуют снижению тока с различной скоростью (для кривой с больше, чем для кривой b), а прямая d соответствует практически мгновенному снижению тока. Такой характер вольт-амперных характеристик объясняется тем, что при быстром изменении тока ионизационное состояние межконтактного промежутка не успевает следовать за изменением тока. Для деионизации промежутка требуется определенное время, и поэтому, несмотря на то, что ток в дуге упал, проводимость промежутка осталась прежней, соответствующей большому току.

Вольт-амперные характеристики b - d, полученные при быстром изменении тока до нуля, называются динамическими . Для каждого межконтактного промежутка, материала электродов и среды имеются одна статическая характеристика дуги и множество динамических, заключенных между кривыми а и d.

При горении дуги переменного тока в течение каждого полупериода имеют место такие же физические процессы, что и в дуге постоянного тока. В начале полупериода напряжение на дуге возрастает по синусоидальному закону до значения напряжения зажигания U з - участок 0-а (рис. 304,б), а затем после возникновения дуги падает по мере возрастания тока - участок а - b. Во вторую часть полупериода, когда ток начинает снижаться, напряжение на дуге вновь возрастает до значения напряжения гашения U г при спаде тока до нуля - участок b - с.

В течение следующего полупериода напряжение меняет знак и по синусоидальному закону возрастает до значения напряжения зажигания, соответствующего точке а’ вольт-амперной характеристики. По мере роста тока напряжение снижается, а затем вновь повышается при снижении тока. Кривая напряжения дуги, как видно из рис. 304, б, имеет форму срезанной синусоиды. Процесс деионизации заряженных частиц в промежутке между контактами продолжается лишь незначительную долю периода (участки 0 - а и с -а’) и, как правило, за это время не заканчивается, в результате чего дуга возникает снова. Окончательное гашение дуги будет иметь место только после ряда повторных зажиганий во время одного из последующих переходов тока через нуль.

Возобновление дуги после перехода тока через нуль объясняется тем, что после спада тока к нулевому значению ионизация, существующая в стволе дуги, исчезнет не сразу, так как она зависит от температуры плазмы в остаточном стволе дуги. По мере уменьшения температуры возрастает электрическая прочность межконтактного промежутка. Однако если в какой-то момент времени мгновенное значение приложенного напряжения будет больше пробивного напряжения промежутка, то произойдет его пробой, возникнет дуга и потечет ток другой полярности.

Условия гашения дуги. Условия гашения дуги постоянного тока зависят не только от ее вольт-амперной характеристики, но и от параметров электрической цепи (напряжение, ток, сопротивление и индуктивность), которую включают и отключают контакты аппарата. На рис. 305, а показана вольт-амперная характеристика дуги

(кривая 1) и зависимость падения напряжения на резисторе R, включенном в данную цепь (прямая 2). В установившемся режиме напряжение U и источника тока равно сумме падений напряжения в дуге U дг и IR на резисторе R. При изменении тока в цепи к ним добавляется э. д. с. самоиндукции ±e L (изображена заштрихованными ординатами). Длительное горение дуги возможно только в режимах, соответствующих точкам А и В, когда напряжение U и - IR, приложенное к промежутку между контактами, равно падению напряжения U дг. При этом в режиме, соответствующем точке А, горение дуги неустойчиво. Если при горении дуги в этой точке характеристики ток по каким-то причинам увеличился, то напряжение U дг станет меньше приложенного напряжения U и - IR. Избыток приложенного напряжения вызовет увеличение тока, который будет расти до тех пор, пока не достигнет значения I в.

Если в режиме, соответствующем точке А, ток уменьшится, приложенное напряжение U и - IR станет меньше U дг и ток будет продолжать уменьшаться, пока дуга не погаснет. В режиме, соответствующем точке В, дуга горит устойчиво. При увеличении тока свыше I в падение напряжения в дуге U дг станет больше приложенного напряжения U и - IR и ток начнет уменьшаться. Когда ток в цепи станет меньше I в, приложенное напряжение U и - IR станет больше U дг и ток начнет увеличиваться.

Очевидно, чтобы обеспечить гашение дуги во всем заданном диапазоне изменения тока I от наибольшего значения до нуля при отключении цепи, нужно, чтобы вольт-амперная характеристика 1 располагалась выше прямой 2 для отключаемой цепи (рис. 305,б). При этом условии падение напряжения в дуге U дг будет всегда больше приложенного к ней напряжения U и - IR и ток в цепи будет уменьшаться.

Основным средством повышения падения напряжения в дуге является увеличение длины дуги. При размыкании цепей низкого напряжения со сравнительно небольшими токами гашение обеспечивается соответствующим выбором раствора контактов, между которыми возникает дуга. В этом случае дуга гаснет без каких-либо дополнительных устройств.

Для контактов, разрывающих силовые цепи, необходимая для гашения длина дуги настолько велика, что практически осуществить такой раствор контактов уже не представляется возможным. В таких электрических аппаратах устанавливают специальные дугогасительные устройства.

Дугогасительные устройства. Способы гашения дуги могут быть различные, но все они основываются на следующих принципах: принудительное удлинение дуги; охлаждение межконтактного промежутка посредством воздуха, паров или газов; разделение дуги на ряд отдельных коротких дуг.

При удлинении дуги и удалении ее от контактов происходит увеличение падения напряжения в столбе дуги и напряжение, приложенное к контактам, становится недостаточным для поддержания дуги.

Охлаждение межконтактного промежутка вызывает повышенную теплоотдачу столба дуги в окружающее пространство, вследствие чего заряженные частицы, перемещаясь из внутренней части дуги на ее поверхность, ускоряют процесс деионизации.

Разделение дуги на ряд отдельных коротких дуг приводит к повышению суммарного падения напряжения в них и приложенное к контактам напряжение становится недостаточным для устойчивого поддерживания дуги, поэтому происходит ее гашение.

Принцип гашения путем удлинения дуги используется в аппаратах с защитными рогами и в рубильниках. Электрическая дуга, возникающая между контактами 1 и 2 (рис. 306, а) при их размыкании, поднимается вверх под действием силы F B , создаваемой потоком нагретого ею воздуха, растягивается и удлиняется на расходящихся неподвижных, рогах, что приводит к ее гашению. Удлинению и гашению дуги способствует также электродинамическое усилие создаваемое в результате взаимодействия тока дуги с возникающим вокруг нее магнитным полем. При этом дуга ведет себя как проводник с током, находящийся в магнитном поле (рис. 307, а), которое, как было показано в главе III, стремится вытолкнуть его из пределов поля.

Для увеличения электродинамического усилия F э, действующего на дугу, в цепь одного из контактов 1 в ряде случаев включают специальную дугогасительную катушку 2 (рис. 307,б), создающую в зоне дугообразования сильное магнитное поле, маг-

нитный поток которого Ф, взаимодействуя с током I дуги, обеспечивает интенсивное выдувание и гашение дуги. Быстрое перемещение дуги по рогам 3, 4 вызывает ее интенсивное охлаждение, что также способствует ее деионизации в камере 5 и гашению.

В некоторых аппаратах применяют методы принудительного охлаждения и растягивания дуги сжатым воздухом или другим газом.

При размыкании контактов 1 и 2 (см. рис. 306, б) возникшая дуга охлаждается и выдувается из зоны контактов струей сжатого воздуха или газа с силой FB.

Эффективным средством охлаждения электрической дуги с последующим ее гашением являются дугогасительные камеры различной конструкции (рис. 308). Электрическая дуга под действием магнитного поля, потока воздуха или иными средствами загоняется в узкие щели или лабиринт камеры (рис. 308, а и б), где она тесно соприкасается с ее стенками 1, перегородками 2, отдает им тепло и гаснет. Широкое применение в электрических аппаратах э. п. с. находят лабиринтно-щелевые камеры, где дуга удлиняется не только путем растягивания между контактами, но и путем ее зигзагообразного искривления между перегородками камеры (рис. 308, в). Узкая щель 3 между стенками камеры способствует охлаждению и деионизации дуги.

К дугогасительным устройствам, действие которых основано на разделении дуги на ряд коротких дуг, относят деионную решетку (рис. 309, а), встроенную внутрь дугогасительной камеры.

Деионная решетка представляет собой набор ряда отдельных стальных пластин 3, изолированных друг относительно друга. Электрическая дуга, возникшая между размыкающимися контактами 1 и 2, разделяется решеткой на ряд более коротких дуг, соединенных последовательно. Для поддержания горения дуги без ее разделения требуется напряжение U, равное сумме околоэлектродного (анодного и катодного) падения напряжения U э и падения напряжения в столбе дуги U ст.

При разделении одной дуги на п коротких дуг суммарное падение напряжения в столбе всех коротких дуг по-прежнему будет равно nU э как и у одной общей дуги, но суммарное околоэлектродное падение напряжения во всех дугах будет равно nU э. Поэтому для поддержания горения дуги в этом случае потребуется напряжение

U = nU э + U ст.

Число дуг n равно числу пластин решетки и может быть выбрано таким, чтобы возможность устойчивого горения дуги при данном напряжении U была полностью исключена. Действие такого принципа гашения эффективно как при постоянном, так и при переменном токе. При переходе переменного тока через нулевое значение для поддержания дуги требуется напряжение 150-250 В. В связи с этим число пластин может быть выбрано значительно меньшим, чем при постоянном токе.

В плавких предохранителях с заполнителем при плавлении вставки и возникновении электрической дуги вследствие повышенного давления газов в патроне ионизированные частицы перемещаются в поперечном направлении. При этом они попадают между зернами заполнителя, остывают и деионизируются. Зерна заполнителя, передвигаясь под действием избыточного давления, разбивают дугу на большое число микродуг, чем и обеспечивается их гашение.

В предохранителях без заполнителя нередко корпус делают из материала, обильно выделяющего газ при нагревании. К таким материалам относится, например, фибра. При соприкосновении с дугой корпус нагревается и выделяет газ, способствующий гашению дуги. Аналогично гасится дуга в масляных выключателях переменного тока (рис. 309, б) с той лишь разницей, что вместо сухого заполнителя здесь используется негорючее масло. При возникновении дуги в момент размыкания подвижных 1, 3 и неподвижного 2 контактов ее гашение происходит под действием двух факторов: выделения большого количества водорода, не поддерживающего горение (в применяемом для этой цели масле содержание водорода 70-75 %), и интенсивного охлаждения дуги маслом вследствие его высокой теплоемкости. Дуга гаснет в момент, когда ток равен нулю. Масло не только способствует ускоренному гашению дуги, но и служит изоляцией токоведущих и заземленных частей конструкции. Для гашения дуги в цепи постоянного тока масло не применяют, так как под действием дуги оно быстро разлагается и теряет свои изоляционные качества.

В современных электрических аппаратах гашение дуги часто осуществляется путем сочетания двух или нескольких рассмотрен-

ных выше способов (например, с помощью дугогасительной катушки, защитных рогов и деионной решетки).

Условия гашения электрической дуги определяют отключающую способность защитных аппаратов. Она характеризуется наибольшим током, который может отключить аппарат с определенным временем гашения дуги.

При коротком замыкании электрической цепи, подключенной к источнику электрической энергии, ток в цепи возрастает по кривой 1 (рис. 310). В момент t 1 , когда он достигает значения, на которое отрегулирован защитный аппарат (тока уставки I у), аппарат срабатывает и отключает защищаемую цепь, вследствие чего ток уменьшается по кривой 2.

Время, отсчитываемое от момента подачи сигнала на отключение (или включение) аппарата до момента начала размыкания (или замыкания) контактов, называют собственным временем срабатывания аппарата t с. При отключении момент начала размыкания контактов соответствует возникновению дуги между расходящимися контактами. В автоматических выключателях это время измеряется от момента достижения током значения уставки t 1 до момента появления дуги между контактами t 2 . Временем горения дуги t дг называется время от момента появления дуги t 2 до момента прекращения прохождения тока t 3 . Полное время отключения t п представляет собой сумму собственного времени и времени горения дуги.

Введение

Способы гашения электрической дуги… Тема актуальна и интересна. Итак начнем. Задаемся вопросами: Что такое электрическая дуга? Как её контролировать? Какие процессы происходят при её образовании? Из чего она состоит? И как выглядит.

Что такое электрическая дуга?

Электрическая дуга (Вольтова дуга, Дуговой разряд ) -- физическое явление, один из видов электрического разряда в газе. Впервые была описана в 1802 году русским учёным В.В.Петровым.

Электрическая дуга является частным случаем четвёртой формы состояния вещества -- плазмы -- и состоит из ионизированного, электрически квазинейтрального газа. Присутствие свободных электрических зарядов обеспечивает проводимость электрической дуги.

Образование и свойства дуги

При увеличении напряжения между двумя электродами до определённого уровня в воздухе между электродами возникает электрический пробой. Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния между электродами и пр. Зачастую, для инициирования пробоя при имеющемся напряжении электроды приближают друг к другу. Во время пробоя между электродами обычно возникает искровой разряд, импульсно замыкая электрическую цепь.

Электроны в искровых разрядах ионизируют молекулы в воздушном промежутке между электродами. При достаточной мощности источника напряжения, в воздушном промежутке образуется достаточное количество плазмы для того, чтобы напряжение пробоя (или сопротивление воздушного промежутка) в этом месте значительно упало. При этом искровые разряды превращаются в дуговой разряд -- плазменный шнур между электродами, являющийся плазменным тоннелем. Эта дуга является по сути проводником, и замыкает электрическую цепь между электродами, средний ток увеличивается ещё больше нагревая дугу до 5000-50000 K. При этом считается, что поджиг дуги завершён.

Взаимодействие электродов с плазмой дуги приводит к их нагреву, частичному расплавлению, испарению, окислению и другим видам коррозии. Электрическая сварочная дуга представляет собой мощный электрический разряд, протекающий в газовой среде. Дуговой разряд характеризуется двумя основными особенностями: выделением значительного количества тепла и сильным световым эффектом. Температура обычной сварочной дуги около 6000°С.

Свет дуги ослепительно яркий и используется в различных осветительных устройствах. Дуга излучает большое количество видимых и невидимых тепловых (инфракрасных) и химических (ультрафиолетовых) лучей. Невидимые лучи вызывают воспаление глаз и обжигают кожу человека, поэтому для защиты от них сварщики применяют специальные щитки и спецодежду.

Использование дуги

В зависимости от среды, в которой происходит дуговой разряд, различают следующие сварочные дуги:

1. Открытая дуга. Горит в воздухе. Состав газовой среды зоны дуги-- воздух с примесью паров свариваемого металла, материала электродов и электродных покрытий.

2. Закрытая дуга. Горит под слоем флюса. Состав газовой среды зоны дуги -- пары основного металла, материала электрода и защитного флюса.

3. Дуга с подачей защитных газов. В дугу подаются.под давлением различные газы -- гелий, аргон, углекислый газ, водород, светильный газ и различные смеси газов. Состав газовой среды в зоне дуги -- атмосфера защитного газа, пары материала электрода и основного металла.

Питание дуги может осуществляться от источников постоянного или переменного тока. В случае питания постоянным током различают дугу прямой полярности (минус источника питания на электроде, плюс -- на основном металле) и обратной полярности (минус на основном металле, плюс на электроде). В зависимости от материала электродов дуги различают с плавким (металлическим) и неплавким (угольным, вольфрамовым, керамическим и др.) электродами.

При сварке дуга может быть прямого действия (основной металл участвует в электрической цепи дуги) и косвенного действия (основной металл не участвует в электрической цепи дуги). Дуга косвенного действия применяется сравнительно мало.

Плотность тока в сварочной дуге может быть различна. Применяются дуги с нормальной плотностью тока -- 10--20 а/мм2 (обычная ручная сварка, сварка в некоторых защитных газах) и с большой плотностью тока -- 80--120 а/мм2 и больше (автоматическая, полуавтоматическая сварка под флюсом, в среде защитных газов).

Возникновение дугового разряда возможно только в случае, когда газовый столб между электродом и основным металлом будет ионизирован, т. е. будет содержать ионы и электроны. Это достигается тем, что газовой молекуле или атому сообщается соответствующая энергия, называемая энергией ионизации, в результате чего из атомов и молекул выделяются электроны. Среду дугового разряда можно представить газовым проводником электрического тока,имеющим круглоцилиндрическую форму. Состоит дуга из трех областей -- катодная область, столб дуги, анодная область.

Во время горения дуги на электроде и основном металле наблюдаются активные пятна, которые представляют собой нагретые участки на поверхности электрода и основного металла; через эти пятна проходит весь ток дуги. На катоде пятно именуется катодным, на аноде -- анодным. Сечение средней части столба дуги несколько больше размеров катодного и анодного пятен. Его размер соответственно зависит от размеров активных пятен.

Напряжение дуги изменяется в зависимости от плотности тока. Эта зависимость, изображенная графически, называется статической характеристикой дуги. При малых значениях плотности тока статическая характеристика имеет падающий характер, т. е. напряжение дуги уменьшается по мере увеличения тока. Это обусловлено тем, что с увеличением тока площадь сечения столба дуги и электропроводность увеличиваются, а плотность тока и градиент потенциала в столбе дуги уменьшаются. Величина катодного и анодного падений напряжений дуги не изменяется от величины тока и зависит только от материала электрода, основного металла, газовой среды и давления газа в зоне дуги.

При плотностях тока сварочной дуги обычных режимов, применяемых при ручной сварке, напряжение дуги не зависит от величины тока, так как площадь сечения столба дуги увеличивается пропорционально току, а электропроводность изменяется весьма мало, и плотность тока в столбе дуги практически остается постоянной. При этом величина катодного и анодного падений напряжений остается неизменной. В дуге большой плотности тока при увеличении силы тока катодное пятно и сечение столба дуги не могут увеличиваться, хотя плотность тока возрастает пропорционально силе тока. При этом температура и электропроводность столба дуги несколько повышаются.

Напряжение электрического поля и градиент потенциала столба дуги будут возрастать с увеличением силы тока. Катодное падение напряжения увеличивается, вследствие чего статическая характеристика будет носить возрастающий характер, т. е. напряжение дуги с увеличением тока дуги будет возрастать. Возрастающая статическая характеристика является особенностью дуги высокой плотности тока в различных газовых средах. Статические характеристики относятся к установившемуся стационарному состоянию дуги при неизменной ее длине.

Устойчивый процесс горения дуги при сварке может происходить при соблюдении определенных условий. На устойчивость процесса горения дуги влияет ряд факторов; напряжение холостого хода источника питания дуги, род тока, величина тока, полярность, наличие индуктивности в цепи дуги, наличие емкости, частота тока и др.

Способствуют улучшению устойчивости дуги увеличение тока, напряжения холостого хода источника питания дуги, включение индуктивности в цепь дуги, увеличение частоты тока (при питании переменным током) и ряд других условий. Устойчивость может быть также существенно улучшена за счет применения специальных электродных обмазок, флюсов, защитных газов и ряда других технологических факторов.

гашение электрическая дуга сварочный