Возникновение и гашение электрической дуги

Лекция  19: «Возникновение и гашение электрической дуги».

При разрыве электрической цепи высокого напряжения всегда возникает электрическая дуга, которая представляет из себя мост из ионизированных газов между контактами. Этот мост обладает высокой температурой и высокой проводимостью, приближающейся к проводимости металла. Мост, или как его еще иначе называют, дугоразрядная плазма, состоит из положительных ионов и электронов. При расхождении контактов между ними появляется электрическое поле, напряжённость которого тем больше, чем меньше расстояние между контактами и чем выше напряжение приложенное между контактами. Свободные электроны, всегда имеющиеся в газе, под действием сил электрического поля устремляются к аноду, производя на своём пути ионизацию толчком нейтральных молекул. Из большого количества различных ионизирующих факторов в выключателях действуют следующие:

1) ионизация ударом или толчком;

2) автоэлектронная эмиссия;

3) термическая или тепловая ионизация;

4) термоэлектронная эмиссия.

1) Ионизация ударом возникает в начальный момент расхождения контактов, когда при малом расстоянии между ними имеет место большая разность потенциалов. Свободные электроны под действием электрического поля со всё увеличивающейся скоростью начинают перемещаться от катода к аноду, увеличивая при этом занос кинетической энергии, равной

Те электроны, которые имеют достаточный занос кинетической энергии при столкновении с нейтральными молекулами могут выбить из них один или несколько электронов, в результате чего появятся дополнительные электроны и положительные ионы, которые, разгоняясь в электрическом полем, также могут произвести ионизацию ударом.

Рекомендуемые материалы

Наименьшая разность потенциалов, пройдя которую на пути свободного пробега электрон приобретает скорость, достаточную для ионизации ударом, называется потенциалом ионизации, который для различных газов колеблется в пределах от 16¸24В. Для паров металла этот потенциал ионизации равен от 6¸7,5В.

2) Автоэлектронная эмиссия возникает и существует в начальный момент размыкания контактов. В этот момент напряжённость электрического поля достигает такой величины,  которой достаточно для вырывания электронов с поверхность катодов. Этому процессу способствует также высокая температура в точках контакта на катоде, имеющая место при разрыве больших по величине ионов. Сущность автоэлектронной эмиссии заключается в том, что под действием сильного электрического поля свободные электроны вырываются с поверхности катода и принимают участие в ионизации ударом. В результате ударной ионизации и автоэлектронной эмиссии между контактами зажигается электрическая дуга, вследствие чего появляются другие, более эффективные ионизирующие факторы, зависящие от высокой температуры дуги.

3)          Термическая или тепловая ионизация возникает под действием высоких температур в стволе дуги. При нагреве увеличивается скорость теплового движения молекул, при этом кинетическая энергия молекул достаточна для ионизации их в дуговом промежутке. Сущность термической ионизации заключается в распаде нейтральных молекул на заряженные частицы вследствие теплового движения.

Пары металла начинают ионизироваться при температуре приблизительно равной 4000 °К, тогда как газы начинают ионизироваться при температуре приблизительно равной 9000¸10000 °К. В дуговом промежутке всегда имеются пары металла, так как они появляются при размыкании контактов.

4) При высоких температурах возникает термоэлектронная эмиссия, которая представляет из себя выброс потока электронов с поверхности катода. Свободные электроны, которые имеются в металлах, не могут покинуть его вследствие наличия потенциального барьера. При высокой температуре нагрева катода некоторые из электронов приобретают скорость, достаточную для его преодоления. Из  всех рассмотренных выше факторов, главную  роль в процессе ионизации играет термическая ионизация.

При горении дуги имеет место не только ионизация газов и появление заряженных частиц, но и обратный процесс – деионизация заряженных частиц. При зажигании дуги преобладает процесс ионизации газов, при устойчивом горении дуги оба процесса уравновешивают друг друга, при гашении дуги преобладает процесс деионизация. Необходимо отметить что процесс ионизации в дуговом промежутке развивается самостоятельно, тогда как интенсивный процесс деионизации требует применения специальных средств: дутьё сжатым воздухом, дутьё газовое, масляное, магнитное. С помощью этих средств температура дуги уменьшается, а так как высокая температура является основным фактором ионизации газа, то отсюда ясно, что будет проходить усиленная деионизация дуги.

Образующиеся в дуге положительные ионы под действием электрического поля перемещаются к катоду и вблизи его на расстоянии 10^{-4 см концентрация положительных ионов становится наибольшей и образуется положительный объёмный заряд. Он создаёт с катодом электрическое поле большей напряжённости, которой достаточно для вырывания электронов из катода, часть из которых рекомбинируется, а часть увлекается к аноду. Образованные нейтральные молекулы по инерции двигаясь к катоду, бомбардируют его и образуют катодную петлю с температурой 1500}°. 

На процесс гашения дуги существенно влияет  свойства той среды, в которой горит дуга: чем больше теплопроводность, электрическая прочность температура термической ионизации теплоёмкость газовой среды,  тем легче погасить дугу. Наилучшим дугогасящими свойствами обладает водород, пары воды, воздух и т.д.

l_k- область катодного сияния;

l_o – область объёмного положительного заряда;

l_ст – длина столба дуги;

l_а – анодное пространство;

Uд – напряжение на дуге;

U_к – катодное падение напряжения;

U_а – анодное падение напряжения;

U_ст – падение напряжения в столбе дуги.

В современных отключающих устройствах для ускорения гашения дуги применяют:

1) Увеличение скорости расхождения контактов в целях быстрого увеличения дуги.

2) Воздушное или газовое дутьё, направленное вдоль или поперёк дуги.

Поперечное дутьё, приводит к перемещению дуги в сторону дутья и является наиболее эффективным, так как дуга обладает большой длиной и поверхностью, лучшее охлаждение, интенсивнее диффузия. В воздушных выключателях воздух поступает из специального бак со сжатым

воздухом – ресивером. Дутьё возникает при расхождении контактов. В масляных выключателях для дутья используются газы водорода, образующиеся при разложении масла под действием высокой температуры дуги. В таких выключателях создаётся продольно – поперечное дутьё при помощи гасительных камер различных конструкций.

3) Перемещение дуги  в окружающей её среде даёт тот же эффект, что и поперечное дутьё. Перемещение дуги в среде возможно:

А) Под действием электродинамических сил.

Б) При взаимодействии тока в дуге с какой-либо массой из магнитного материала.

В) При помощи магнитного дутья.

1 – роги выключателя;

2 – катушка магнитного дутья.

Катушку магнитного дутья располагают так, чтобы её магнитный поток был направлен перпендикулярно дуге и создавал усилия, перемещающую дугу вверх.

4) Приведение дуги в тесное соприкосновение с твёрдым диэлектриком.

Рекомендуем посмотреть лекцию "2 Научная дисциплина муниципального права".

В трубчатых предохранителях трубки заполнены кварцевым песком. Тесное соприкосновение дуги с диэлектриком – песком приводит к сильной деионизации дуги вследствие её сильного охлаждения.

5) Расщепление молекул дуг на ряд мелких параллельных дуг. В кварцевых предохранителях, заполненных кварцевым песком, применяют несколько параллельных вставок. Возникает несколько параллельных дуг малого сечения, что ускоряет гашение.

6)

Разделение длинной дуги на ряд последовательных дуг.

Если приложенное к контактам напряжение окажется меньше суммы катодных и анодных напряжений коротких дуг, то они быстро погаснут.

 

     В этом рисунке для ускорения гашения электрической дуги применяется многократный разрыв цепи тока.