Условия возникновения и горения дуги

Прежде чем рассматривать конструкцию коммутационных аппаратов, необходимо ознакомиться с основными процессами, происходящими в электрической дуге.

Рис. 4.9. Распределение напряжения U (а)и напряженности Е (б)в стационарной дуге постоянного тока

При размыкании контактов в цепи высокого напряжения возникает электрический разряд в виде дуги. В дуге различают околокатодное пространство, ствол дуги и околоанодное пространство (рис. 4.9). Все напряжение распределяется между этими областями U\& U_c.n, U_a. Катодное падение напряжения в дуге постоянного тока 10—20 В, а длина этого участка составляет 10^-4—10^-3 см, таким образом, около катода наблюдается высокая напряженность электрического поля (10⁵—10⁶ В/см). При таких высоких напряженностях происходит ударная ионизация. Суть ее заключается в том, что электроны, вырванные из катода силами электрического поля (автоэлектронная эмиссия) или за счет нагрева катода (термоэлектронная эмиссия), разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать один электрон с оболочки нейтрального атома, то произойдет ионизация. Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги. Проводимость плазмы приближается к проводимости металлов [у = 2500 1/(Ом см)]. В стволе дуги проходит большой ток и создается высокая температура. Плотность тока может достигать 10000 А/см² и более, а температура — от 6000 К при атмосферном давлении до 18000 К и более при повышенных давлениях.

Высокие температуры в стволе дуги приводят к интенсивной термоионизации, которая поддерживает большую проводимость плазмы. Термоионизация — процесс образования ионов за счет соударения молекул и атомов, обладающих большой кинетической энергией при высоких скоростях их движения. Чем больше ток в дуге, тем меньше ее сопротивление, а поэтому требуется меньшее напряжение для горения дуги, т. е. дугу с большим током погасить труднее.

Рис. 4.10. Изменение тока и напряжения при гашении дуги переменного

тока: а — момент горения дуги; б — после гашения дуга

При переменном токе напряжение источника питания и_с меняется синусоидально, так же меняется ток в цепи /' (рис. 4.10, а), причем ток отстает от напряжения примерно на 90°. Напряжение на дуге и_д, горящей между контактами выключателя, непостоянно. При малых токах напряжение возрастает до величины и₃ (напряжения зажигания), затем по мере увеличения тока в дуге и роста термической ионизации напряжение уменьшается. В конце полупериода, когда ток приближается к нулю, дуга гаснет при напряжении гашения и_г. В следующий полупериод явление повторяется, если не приняты меры для деионизации промежутка.

Если дуга погашена теми или иными способами, то напряжение между контактами выключателя должно восстановиться до напряжения питающей сети. Однако поскольку в цепи имеются индуктивные, активные и емкостные сопротивления, возникает переходный процесс, появляются колебания напряжения (рис. 4.10, 5), амплитуда которых и_в „ их может значительно превышать нормальное напряжение. Для отключающей аппаратуры важно, с какой скоростью восстанавливается напряжение на участке АВ.

Подводя итог, можно отметить, что дуговой разряд начинается за счет ударной ионизации и эмиссии электронов с катода, а после зажигания дуга поддерживается термоионизацией в стволе дуги.