Электрическая дуга и ее гашение

При отключении электрических цепей обычно на контактах аппаратов возникает искровой или дуговой разряд. Если ток и напряжение не превосходят некоторых критических значений, то возникает искровой разряд. При больших значениях тока и напряжения размыкание контактов сопровождается дуговым разрядом.

Отключение электрической цепи контактами аппарата по существу представляет собой процесс перехода межконтактного промежутка из состояния проводника в состояние диэлектрика. При замкнутых контактах их переходное сопротивление мало. При размыкании контактов на них образуется дуга, сопротивление которой при ее гашении возрастает. Когда дуга погашена, сопротивление между контактами практически равно бесконечности. В процессе гашения дуги электрическая прочность промежутка нарастает от нуля до значения, равного напряжению, которое она выдерживает при нормальном состоянии воздуха. Электрическая прочность, образующаяся при гашении дуги, называется восстанавливающейся. Она противостоит нарастающему на контактах напряжению; Нормальное отключение будет тогда, когда кривая восстанавливающейся прочности располагается выше кривой напряжения на дуговом промежутке. В противном случае дуга зажигается вновь (повторное зажигание). Следовательно, закон нарастания во времени восстанавливающейся прочности межконтактного промежутка аппарата является главной характеристикой его дугогасительного устройства.

При отключении электрической цепи возникает электрический разряд между расходящимися контактами. Воздушный промежуток между контактами ионизируется, и в нем возникает дуга. В процессе отключения ток в цепи падает от начального значения до нуля.

Электрические дуги в зависимости от характера происходящих в них процессов подразделяют на короткие и длинные.

Рис. 1.2.8. Распределение напряжения и градиента напряжения в дуге постоянного тока

Короткой называют такую дугу, в которой преобладающее влияние оказывают процессы, происходящие непосредственно у электродов. В короткой дуге сумма падения напряжения у катода и анода больше, чем падение напряжения на столбе дуги.

Длинной называют дугу, у которой падение напряжения на столбе дуги значительно превосходит суммарное падение напряжения у анода и катода. Условия горения и гашения длинной дуги определяются процессами, происходящими в столбе дуги.

При коротких дугах расстояние между электродами бывает обычно небольшим, поэтому имеет место сильное тепловое взаимодействие анода и катода. В длинных дугах и при больших расстояниях между электродами процессы на аноде и катоде независимы друг от друга.

Размыкание цепи переменного тока может произойти без электрического разряда, если отключение цепи происходит в момент перехода тока через нуль. Такое отключение цепи называют безыскровым.

Падение напряжения по длине дуги распределяется неравномерно. На рис. 1.2.8 представлена картина изменения падения напряжения (кривая 1) и продольного градиента напряжения (кривая 2) вдоль дуги . Как видно из рисунка, падение напряжения и градиент напряжения в приэлектродных областях резко изменяются. Падение напряжения в дуге слагается из падения напряжения в области катода и анода, а также падения напряжения в остальной части дуги, называемой столбом дуги. Катодное u_к и анодное u_а падения напряжений имеют место у электродов на наибольшем промежутке дуги (около 10^{-4 см) и составляют в сумме 15—30 В. Падение напряжения зависит от материала электродов, их температуры и свойств газа, в котором горит дуга.}

В столбе дуги падение напряжения практически прямо пропорционально его длине. При этом, для дуг длиной в несколько сантиметров, околоэлектродное падение напряжения мало сказывается на суммарном напряжении дуги. Градиент напряжения в области столба дуги остается постоянным, так как в этой области отсутствуют объемные заряды.

Напряжение на дуге зависит от тока дуги, физических свойств контактов и расстояния между контактами.

На практике наблюдается колебание напряженности электрического поля от 10 (для открытых дуг в воздухе при относительно больших токах) до 200 В/см (для дуг, у которых происходит интенсивный отбор тепла от столба дуги).

Степень ионизации столба дуги зависит от давления и температуры. С увеличением давления степень ионизации уменьшается, поэтому во многих дугогасящих устройствах создается повышенное давление газа, что способствует гашению дуги.

Поскольку степень ионизации определяется температурой, то во всех дугогасящих устройствах стремятся отводить тепло от дуги либо за счет охлаждения ее движущимся воздухом или газом, либо за счет отдачи тепла стенкам дугогасительной камеры.

Охлаждение дуги в основном происходит за счет теплопроводности и конвекции.