Электрическая дуга и методы ее гашения

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.

Рис. 303. Направление движения электронов и положительных ионов в электрической дуге (о), возникновение автоэлектронной эмиссии из катода (б) и ударной ионизации атомов газа в пространстве между контактами (в): 1,2 — первичные и вторичный электроны; 3— атом газа; 4 — положительный ион

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

Рис. 304. Вольт-амперные характеристики дуги постоянного тока (а) и кривые изменения напряжения и тока (б) при горении дуги переменного тока

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

Рис. 305. Вольт-амперные характеристики дуги при устойчивом горении (а) и гашении (б)

(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.

Рис. 306. Дугогасительное устройство с защитными рогами (а) и гашение дуги (б)

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-

Рис. 307. Принцип магнитного дутья (а) и дугогасительное устройство с дугогасительной катушкой (б)

Рис. 308. Дугогасительные камеры

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-

Рис. 309. Гашение дуги в деионной решетке (а) и в масле (б)

Рис. 310. Кривая изменения тока при отключении аварийного тока автоматическим выключателем

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 t₁, 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 t₁ до момента появления дуги между контактами t₂. Временем горения дуги t_дг называется время от момента появления дуги t₂ до момента прекращения прохождения тока t₃. Полное время отключения t_п представляет собой сумму собственного времени и времени горения дуги.