4 Отключение цепей постоянного и переменного тока
4.1 Общие сведения
В электроустановках энергетических систем имеется большое количество коммутационных устройств, предназначенных для замыкания и размыкания, электрической цепи. При отключении цепи тока выключателем его контакты расходятся, однако цепь тока не разрывается, так как между контактами возникает электрическая дуга, т.е. сильно ионизированный столб газа ставший проводящим под влиянием высокой температуры.
Таким образом, для отключения электрической цепи недостаточно разомкнуть контакты выключателя, необходимо еще погасить возникшую на его контактах электрическую дугу.
Дуга должна быть погашена как можно быстрее не только в целях сохранности выключателя и его контактов, а также для обеспечения надежности и бесперебойности работы всей энергосистемы в случае отключения токов КЗ или токов перегрузки.
4.2 Электрическая дуга
Электрическая дуга [11]-это один из видов разряда в газах (парах), характеризующийся большой плотностью тока, катодным падением напряжения, небольшим падением напряжения в стволе дуги и его высокой температурой. В дуге одновременно проходят электрические и тепловые процессы. Тепловые процессы в дуге теплообмен между дугой и окружающей средой взаимосвязаны и неразрывны с электрическими процессами в дуге. Электрическая дуга визуально представляет собой светящийся канал, заполненный плазмой. Плазма это газообразное состояние вещества, в котором значительная часть атомов и молекул ионизирована и плотность электронов nэ и положительных ионов nи ( их число в единице объема), так велика, что даже небольшое изменение nэ по отношению к nи оказывается невозможным из-за возникающих сильных электрических полей между электронами и ионами при нарушении равенства между nэ и nи. Существование плазмы возможно при выполнении соотношения:
(4.1)
где
‑ температура
электронов;
дебаевский
радиус.
В плазме непрерывно совершаются процессы возбуждения, ионизации и деионизации ионов, атомов и молекул.
При отклонении плотности электронов nэ от плотности положительных ионов nи в плазме возникает электрическое поле, которое способно выталкивать избыточные заряженные частицы в ту область, где их меньше. В плазме одинаковое количество плотностей положительно и отрицательно заряженных частиц в условиях их непрерывного возникновения и исчезновения. Это свойство называется квазинейтральностью. Плазма состоит из электронов, положительных ионов и нейтральных молекул и атомов, равномерно перемешанных между собой, но неодинаково нагретых.
Отличительное свойство плазмы: изменение траектории движения заряженных частиц происходит плавно, под воздействием электростатических сил, возникающих между противоположно заряженными частицами. Длина свободного пробега электрона λэ в плазме – это расстояние, которое электрон проходит до изменения первоначального направления вектора его скорости. Длина свободного пробега электрона λэ (в см) связана с давлением газа р (в Па) и температурой газа Θ (в К) следующей формулой:
,
(4.2)
где
—
длина свободного пробега электрона при
Θ = 273 К и р = 105 Па.
-
Газ
N2
Н1
Н2
О1
O2
воздух
4,7·10-5
7,53·10-5
9,9·10-5
3,58·10-5
5,38·10-5
4,8·10-5
Приближенно длина
среднего свободного пробега молекулы
,
а иона
.
Несмотря на то, что ионы имеют такие же
размеры, как и молекулы, но вследствие
наличия у них собственного электрического
поля они движутся быстрее молекул, что
приводит к увеличению свободного пробега
иона.
Плазму условно подразделяют на высокотемпературную (более 50 000 К) и низкотемпературную (менее 50 000 К). В коммутационных АВН при размыкании ими тока образуется низкотемпературная плазма.
Свойства плазмы в электрической дуге зависят от давления. Поэтому также различают: 1) дугу высокого давления, горящую в газе при давлении от атмосферного и более; 2) дугу низкого давления, горящую в газе при давлении, меньшем атмосферного; 3) дугу вакуумную, горящую в газе при давлении, меньшем 0,01 Па.