2.2. Электрическая дуга
Общая характеристика дуги. При размыкании контактов, если сила тока в цепи 0,1 А и более и напряжение свыше 10 В, возникает электрический разряд в виде дуги. При напряжениях 110 кВ и выше длина дуги достигает нескольких метров. Температура внутри дуги может быть 10 000... 15 000 оС, и электрическая дуга представляет опасность для электрических цепей всех напряжений, особенно для напряжения выше 1 кВ.
В дуге различают околокатодное пространство, ствол дуги и околоанодное пространство. Около катода наблюдают высокую напряженность электрического поля (105... 106 В/см), вследствие чего возникает ударная ионизация. При этом электроны, вырванные из катода силой электрического поля или за счет нагрева катода, разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом сообщают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать один электрон с оболочки нейтрального атома, то происходит ионизация. Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги.
Высокие температуры в стволе дуги приводят к интенсивной термоионизации, т. е. образованию ионов за счет соударения молекул и атомов, обладающих при высоких скоростях движения большой кинетической энергией.
Чем больше ток в дуге, тем меньше ее сопротивление, и требуется меньшее напряжения для горения дуги. Наряду с ионизацией происходит и обратный процесс взаимной нейтрализации положительных ионов с отрицательными ионами и электронами, или так называемая рекомбинация ионов. В результате одновременно проходящих процессов ионизации и рекомбинации ионов (деионизации) в стволе дуги при определенных значениях тока и напряжения устанавливается определенное число свободных электронов и ионов того и другого знака.
Процесс горения электрической дуги делят на три этапа: зажигание дуги, когда вследствие ударной ионизации и термоэмиссии начинается дуговой разряд, причем интенсивность ионизации выше, чем деионизации; устойчивое горение дуги, поддерживаемое термоионизацией в стволе дуги, когда интенсивность ионизации и деионизации одинаковая; гашение дуги, когда интенсивность деионизации выше, чем ионизации.
В зависимости от того, интенсивность какого из процессов ионизации или деионизации преобладает, электрическая дуга продолжает гореть или гаснет. Дуга должна гаситься за счет ее интенсивного охлаждения, т. е. усиления процессов деионизации. Отвод теплоты от дуги зависит от теплопроводности и подвижности газа, в котором горит дуга. Опыт показывает, что наиболее успешно дуга гасится в водороде, обладающем наибольшей теплопроводностью. Повышение давления газа, в котором горит дуга, сближает молекулы газа, что улучшает конвекцию, а следовательно, и охлаждение дуги.
Соприкосновение дуги с твердыми изолирующими стенками и ее горение в узкой щели между ними также способствует интенсивному гашению дуги. Магнитное дутье вдоль дуги еще один способ ее успешного гашения.
Для того чтобы отключить элементы электрической цепи и не допустить при этом повреждения коммутационного аппарата, необходимо не только разомкнуть его контакты, но и погасить появляющуюся между ними дугу. Процессы горения и гашения электрической дуги на переменном и постоянном токе различны.
Электрическая дуга постоянного тока устойчиво горит при определенных значениях силы тока I, напряжения U и длины lкр. Между электродами, называемой критической длиной дуги. Если расстояние между электродами увеличить и сделать его больше lкр, то процессы деионизации будут превалировать над процессами ионизации и дуга погаснет. Во избежание больших перенапряжений при отключении постоянного тока нельзя применять средства, обеспечивающие слишком быструю деионизацию дугового промежутка. В частности, для отключения цепей постоянного тока не следует применять масляные выключатели, так как масло обеспечивает весьма интенсивную деионизацию.
В системах электроснабжения сельского хозяйства почти повсеместно применяют трехфазный переменный ток. Ток электрической дуги переменного тока каждый полупериод проходит через нуль. В эти моменты прекращается выделение энергии в дуге и она гаснет, а затем может снова загораться. Осциллограмма показывает, что ток в дуге становится близким к нулю несколько раньше естественного перехода через нуль. Это объясняется снижением энергии дуги при уменьшении тока и прекращением термоионизации. Длительность бестоковой паузы хотя и составляет от десятков до нескольких сотен микросекунд, но играет важную роль в гашении дуги. Если в бестоковую паузу разомкнуть контакты и развести их достаточно быстро на расстояние, при котором не может произойти электрического пробоя, то цепь будет быстро отключена. Однако практически этого сделать почти невозможно и поэтому принимают специальные меры ускоренного гашения дуги, способствующие деионизации дугового промежутка и уменьшению числа заряженных частиц. Далее приведены различные приемы гашения электрической дуги в коммутационных аппаратах.
Удлинение дуги за счет быстрого расхождения контактов — эффективный способ гашения дуги. Это объясняется тем, что для дуги большей длины требуется большее напряжение, а на практике напряжение остается тем же самым и поэтому дуга гаснет.
Деление длинной дуги на ряд коротких возможно путем втягивания ее в металлическую решетку. Напряжение на дуге складывается из катодного Uк и анодного Uа падений напряжений и напряжения ствола дуги Uc.д :
(9-2)
где Uэ= Uк + Uа.
Если длинную дугу разделить на К коротких дуг, то каждая из них будет иметь свое катодное и анодное падение напряжения Uэ, и тогда условие гашения дуги U< KUэ, где U напряжение сети.
Дуга затягивается в металлическую решетку под воздействием электромагнитного поля, наводимого в пластинах решетки вихревыми токами. Число пластин в решетке, при котором гаснет дуга, определяют соотношением
где Uк.а сумма катодного и анодного падения напряжения (150... 250 В) для дуги переменного тока.
Этот способ гашения дуги широко используют в коммутационных аппаратах напряжением до 1 кВ, например в автоматических воздушных выключателях.
Гашение дуги в узких щелях применяют в аппаратах всех напряжений. Часто используют дугогасительные камеры с продольными щелями. Ось такой щели совпадает по направлению с осью ствола дуги. Щель образуется в камерах из изоляционных дугостойких материалов. Когда дуга горит в такой щели, то благодаря соприкосновению с холодными поверхностями происходят интенсивное охлаждение и диффузия заряженных частиц в окружающую среду. Дуга втягивается в узкие щели обычно под действием магнитного поля, взаимодействующего с дугой, которую можно рассматривать как проводник с током. Магнитное поле обеспечивается катушкой, включаемой последовательно с контактами, между которыми загорается дуга.
Газовоздушное дутье вдоль или поперек дуги способствует проникновению газовых частиц в ее ствол, интенсивной диффузии и охлаждению дуги. Под воздействием высокой температуры дуги твердые газогенерирующие стенки дугогасительной камеры, например из оргстекла для выключателей нагрузки, выделяют большое количество газов, создающих дутье вдоль дуги за счет высокого давления. Это называется автогазовым дутьем.
Гашение дуги сжатым воздухом более эффективно. Дутье осуществляется холодным неионизированным воздухом, поступающим в воздушные выключатели из баллонов со сжатым воздухом. Высокая температура горения дуги в масле приводит к интенсивному разложению масла с выделением большого количества газов, на 70... 80 % состоящих из водорода и паров масла. Выделяемые газы образуют газомасляный пузырь и проникают в ствол дуги, при этом в пузыре перемешиваются холодный и горячий газы. Газомасляная смесь обеспечивает интенсивное охлаждение и деионизацию дугового промежутка. Интенсивность процесса повышается за счет более тесного соприкосновения дуги с маслом или газомасляной смесью. Учитывая это, обычно электрическая дуга перемещается в дугогасительную камеру, которую собирают из изоляционных пластин с горизонтальными и вертикальными щелями. При этом дуга режется на ряд мелких дуг, деионизация которых газомасляной смесью и соприкосновением со стенками дугогасительной камеры облегчается и в целом способствует ее быстрому гашению.
Дугогасительные камеры по принципу устройства разделяют на три основные группы: с автодутьем, когда высокое давление и скорость движения газа в зоне дуги создаются за счет энергии дуги; с принудительным масляным дутьем, создаваемым специальными нагнетающими механизмами; с магнитным гашением в масле, когда дуга под действием магнитного поля перемещается в узкие щели. Наиболее эффективно гашение дуги в дугогасительных камерах с автодутьем, применяемых в масляных выключателях напряжением свыше 1 кВ.
К другим способам гашения дуги относят гашение дуги в коммутационных аппаратах высоких напряжений, в вакууме, газах высокого давления, а также многократный разрыв цепи тока.