5. Электрическая дуга и методы ее гашения

5.1. Процесс отключения выключателя

Описание процесса отключения электрической цепи перемен­ного тока при коротком замыкании. При размыкании контактов вык­лючателя ток не прерывается. Согласно закону Ленца в цепи возникает препятствующая изменению тока [3]. Последний находит для себя путь через газовый промежуток между расходящимися контакта­ми выключателя, который перекрывается электрической дугой. Чтобы пре­рвать ток, дуга должна быть погашена. В цепях переменного тока благопри­ятные условия для гашения дуги возникают каждый раз, когда ток приходит к пулю, т.е. 2 раза в течение каждого периода. Диаметр дугового столба, температура и ионизация газа резко уменьшаются. В некоторый момент времени ток приходит к нулю и дуговой разряд прекращается. Однако цепь ещё не прервана.

После нудя тока в газовом промежутке, ещё в некоторой мере ионизи­рованном, продолжается процесс деионизации, т.е. процесс превращения его из проводника в диэлектрик, а в электрической цепи начинается процесс восстановления напряжения на контактах выключателя от относительно небольшого напряжения на дуге до напряжения сети. Эти процессы взаи­мосвязаны. Исход взаимодействия дугового промежутка с электрической цепью зависит от соотношения между энергией, подводимой к промежутку, и потерями энергии в нём, зависящими от дугогасительного устройства вык­лючателя. Если в течение всего переходного процесса потери энергии пре­обладают, дуга не возникнет вновь и цепь будет прервана. В противном случае дуга возникнет вновь и ток будет проходить ещё в течение полови­ны периода, после чего процесс взаимодействия повторится. Функция вык­лючателя заключается не только в том, чтобы «погасить» дугу, а скорее в том, чтобы исключить возможность её нового зажигания путём эффектив­ной деионизации промежутка различными искусственными средствами. При этом используется исключительное свойство газа — быстро, в течение не­скольких микросекунд, превращаться из проводника в диэлектрик, способ­ный противостоять восстанавливающемуся напряжению сети.

Для понимания устройства и работы выключателей необходимо озна­комиться с физическими процессами в дуговом промежутке в процессе от­ключения.

5.2. Физические процессы в дуговом промежутке выключателя при высоком давлении.

Электрической дугой, точнее дуговым разрядом, назы­вают самостоятельный разряд в газе, т.е. разряд, протекающий без внешнего ионизатора, характеризующийся большой плотностью тока и относительно небольшим падением напряжения у катода. Ниже рассмотрена дуга высоко­го давления, т.е. дуговой разряд при атмосферном и более высоком давлении.

Различают следующие области дугового разряда:

• область катодного падения напряжения;

• область анодного падения напряжения;

• ствол дуги.

Область катодного падения напряжения представляет собой тончайший слой газа у поверхности катода. Падение напряжения в этом слое составляет 20...50 В, а напряжённость электрического поля достигает 10⁵…10⁶ В/см. Энергия, подводимая из сети к этой области, используется на выделение элек­тронов с поверхности катода. Механизм освобождения электронов может быть двояким: а) термоэлектронная эмиссия при тугоплавких и огнеупор­ных электродах (вольфрам, уголь), температура которых может достигнуть 6000 К и выше, и б) автоэлектронная эмиссия, т.е. вырывание электронов из катода действием сильного электрического поля при «холодном» катоде. Плотность тока на катоде достигает 3000...10000 А/см² Ток сосредоточен на небольшой ярко освещенной площадке, получившей название катодного пятна. Освобождающиеся электроны движутся через дуговой столб к аноду.

У анода положительные ионы приобретают ускорение в направлении к катоду. Электроны уходят в анод и образуют в тонком слое отрицательный заряд. Падение напряжения у анода составляет 10...20 В.

Рис.21 Области дугового разряда

Где Uк – катодное падение напряжения

Uа – анодное падение напряжения

Процессы в стволе дуги представляют наибольший интерес при изу­чении выключателей, поскольку для гашения дуги используют различные виды воздействия именно на дуговой столб. Последний представляет собой плазму, т.е. ионизированный газ с очень высокой температурой и одинако­вым содержанием электронов и положительных ионов в единице объёма.

Высокую температуру в дуге создают и поддерживают элек­троны и ионы, участвующие в тепловом хаотическом движении нейтраль­ных молекул и атомов, но имеющие также направленное движение в элект­рическом поле вдоль оси дуги, определяемое знаком заряда частиц. Этому движению препятствует нейтральный газ. Происходят частые соударения электронов и ионов с нейтральными частицами. Поскольку длина свободно­го пробега электронов при высоком давлении мала, потеря энергии при упругих столкновениях с молекулами и атомами, приходящаяся на каждое столкновение, мала и недостаточна для ионизации частиц. Однако, число столкновений, претерпеваемых электронами, весьма велико. В результате, энергия атомов передаётся нейтральному газу в виде тепла.

Кратчайшая теория горения электрической дуги