Procesul de formare a unui arc electric și metodele de stingere a acestuia

Când circuitul electric este deschis, are loc o descărcare electrică sub forma unui arc electric. Pentru apariția unui arc electric este suficient ca tensiunea contactelor să fie peste 10 V la un curent în circuit de ordinul a 0,1 A sau mai mult. Cu tensiuni și curenți semnificativi, temperatura din interiorul arcului poate ajunge la 3-15 mii ° C, drept urmare contactele și părțile sub tensiune se topesc.

La tensiuni de 110 kV și peste, lungimea arcului poate ajunge la câțiva metri. Prin urmare, un arc electric, în special în circuitele de mare putere, pentru tensiuni de peste 1 kV reprezintă un mare pericol, deși consecințe grave pot fi și în instalațiile pentru tensiuni sub 1 kV. Ca urmare, arcul trebuie să fie conținut cât mai mult posibil și stins rapid în circuite pentru tensiuni atât mai mari, cât și sub 1 kV.

Cauzele arcului electric

Procesul de formare a unui arc electric poate fi simplificat după cum urmează.Când contactele diverge, presiunea de contact scade mai întâi și suprafața de contact crește în consecință, rezistență la tranziție (densitatea curentului și temperatura — locală (în anumite zone ale zonei de contact) începe supraîncălzirea, ceea ce contribuie și mai mult la radiația termoionică, atunci când sub influența temperaturii ridicate viteza electronilor crește și ei izbucnesc de pe suprafața electrodului.

În momentul separării contactului, adică circuitul este întrerupt, tensiunea este restabilită rapid în spațiul de contact. Deoarece în acest caz distanța dintre contacte este mică, există câmp electric tensiune înaltă sub influența căreia electronii sunt retrași de pe suprafața electrodului. Ele accelerează într-un câmp electric și când lovesc un atom neutru, îi conferă energia lor cinetică. Dacă această energie este suficientă pentru a rupe cel puțin un electron din învelișul unui atom neutru, atunci are loc procesul de ionizare.

Electronii și ionii liberi formați alcătuiesc plasma trunchiului arcului, adică canalul ionizat în care arde arcul și se asigură o mișcare continuă a particulelor. În acest caz, particulele încărcate negativ, în principal electronii, se deplasează într-o direcție (spre anod), iar atomii și moleculele de gaze lipsite de unul sau mai mulți electroni - particule încărcate pozitiv - în direcția opusă (spre catod).

Conductivitatea plasmatică este apropiată de cea a metalelor.

Un curent mare curge în arborele arcului și se creează o temperatură ridicată.Această temperatură a cilindrului arcului duce la ionizare termică — procesul de formare a ionilor din cauza ciocnirii moleculelor și atomilor cu energie cinetică mare la viteze mari de mișcare a acestora (moleculele și atomii mediului în care arde arcul se dezintegrează în electroni și pozitiv). ioni încărcați). Ionizarea termică intensă menține o conductivitate ridicată a plasmei. Prin urmare, căderea de tensiune de-a lungul arcului este mică.

Într-un arc electric, au loc în mod constant două procese: pe lângă ionizare, și deionizarea atomilor și moleculelor. Acesta din urmă are loc în principal prin difuzie, adică prin transferul particulelor încărcate în mediu și prin recombinarea electronilor și ionilor încărcați pozitiv, care se reasambla în particule neutre cu revenirea energiei cheltuite pentru dezintegrarea lor. În acest caz, căldura este îndepărtată în mediu.

Astfel, se pot distinge trei etape ale procesului avut în vedere: aprinderea arcului, când din cauza ionizării șocului și a emisiei de electroni din catod, începe o descărcare de arc și intensitatea ionizării este mai mare decât deionizarea, arderea stabilă a arcului susținută de ionizare termică în cilindrul arcului când intensitățile ionizării și deionizării sunt aceleași, dispariția arcului când intensitatea deionizării este mai mare decât cea a ionizării.

Metode de stingere a arcului în dispozitivele electrice de comutare

Pentru a deconecta elementele circuitului electric și a exclude deteriorarea dispozitivului de comutare, este necesar nu numai să deschideți contactele acestuia, ci și să stingeți arcul care apare între ele. Procesele de stingere a arcului, precum și arderea, cu curent alternativ și curent continuu sunt diferite.Acest lucru este determinat de faptul că, în primul caz, curentul din arc trece prin zero la fiecare jumătate de ciclu. În aceste momente, eliberarea de energie în arc se oprește și arcul se stinge spontan și apoi se reaprinde de fiecare dată.

În practică, curentul din arc devine aproape de zero puțin mai devreme decât trecerea cu zero, deoarece pe măsură ce curentul scade, energia furnizată arcului scade, iar temperatura arcului scade în consecință și ionizarea termică încetează. În acest caz, procesul de deionizare continuă intens în golul arcului. Dacă deschideți și deschideți rapid contactele în acest moment, atunci este posibil ca întreruperea electrică ulterioară să nu aibă loc și circuitul va fi deconectat fără arc. În practică, însă, acest lucru este extrem de dificil de realizat și, prin urmare, sunt luate măsuri speciale pentru a accelera stingerea arcului, pentru a asigura răcirea spațiului arcului și pentru a reduce numărul de particule încărcate.

Ca urmare a deionizării, rezistența dielectrică a golului crește treptat și, în același timp, tensiunea de recuperare în acesta crește. Raportul acestor valori depinde de dacă curcubeul se va aprinde în următoarea jumătate a perioadei sau nu. Dacă rezistența dielectrică a golului crește mai repede și este mai mare decât tensiunea de recuperare, arcul nu se va mai aprinde, altfel se va asigura un arc stabil. Prima condiție definește problema de stingere a arcului.

În aparatele de comutare sunt utilizate diferite metode de stingere a arcului.

Extinderea arcului

Dacă contactele diverg în timpul deconectării circuitului electric, arcul rezultat este întins.În același timp, condițiile de răcire ale arcului sunt îmbunătățite deoarece suprafața acestuia crește și este necesară mai multă tensiune pentru ardere.

Împărțirea unui arc lung într-o serie de arce scurte

Dacă arcul format la deschiderea contactelor este împărțit în K arce scurte, de exemplu prin tragerea într-o rețea metalică, se va stinge. De obicei, arcul este introdus într-o rețea metalică sub influența unui câmp electromagnetic indus în plăcile rețelei de curenții turbionari. Această metodă de stingere a arcului este utilizată pe scară largă în aparatele de comutare pentru tensiuni sub 1 kV, în special în comutatoarele automate de aer.

Răcire cu arc în fante înguste

Stingerea arcurilor mici este facilitată. Prin urmare, în dispozitive de comutare jgheaburile cu arc cu fante longitudinale sunt utilizate pe scară largă (axa unei astfel de fante coincide în direcția cu axa cilindrului arcului). Un astfel de gol se formează de obicei în camerele realizate din materiale izolante rezistente la arc. Datorită contactului arcului cu suprafețele reci, are loc răcirea intensă a acestuia, difuzarea particulelor încărcate în mediu și, în consecință, deionizarea rapidă.

Pe lângă fante cu pereți plat-paraleli, se mai folosesc fante cu nervuri, proeminențe, prelungiri (buzunare). Toate acestea duc la deformarea cilindrului cu arc și măresc zona de contact a acestuia cu pereții reci ai camerei.

Arcul este tras în fante înguste, de obicei, de un câmp magnetic care interacționează cu arcul, care poate fi considerat ca un conductor purtător de curent.

Extern camp magnetic deplasarea arcului este asigurată cel mai adesea de o bobină conectată în serie cu contactele între care are loc arcul.Stingerea arcului cu fantă îngustă este utilizată în dispozitive pentru toate tensiunile.

Stingerea arcului de înaltă presiune

La temperatură constantă, gradul de ionizare a gazului scade odată cu creșterea presiunii, în timp ce conductivitatea termică a gazului crește. Toate celelalte lucruri fiind egale, acest lucru are ca rezultat o răcire îmbunătățită a arcului. Stingerea arcului prin presiune ridicată, creată de arcul însuși în camere închise etanș, este utilizată pe scară largă în siguranțe și o serie de alte dispozitive.

Stingerea arcului în ulei

Dacă comutarea contactelor puse în ulei, arcul care apare la deschiderea acestora duce la evaporarea intensă a uleiului. Ca urmare, în jurul arcului se formează o bulă de gaz (înveliș), constând în principal din hidrogen (70 ... 80%), precum și vapori de ulei. Gazele emise pătrund direct în zona cilindrului arcului cu viteză mare, provoacă amestecarea gazului rece și fierbinte în balon, asigură o răcire intensivă și, în consecință, deionizarea spațiului arcului. În plus, capacitatea de deionizare a gazelor crește presiunea din interiorul bulei creată în timpul descompunerii rapide a uleiului.

Intensitatea procesului de stingere a arcului în ulei este cu atât mai mare cu cât arcul intră mai aproape în contact cu uleiul și cu atât uleiul se mișcă mai repede în raport cu arcul. Având în vedere acest lucru, golul arcului este limitat de un dispozitiv de izolare închis - jgheab de arc... În aceste camere se creează un contact mai strâns al uleiului cu arcul, iar cu ajutorul plăcilor izolatoare și a orificiilor de descărcare se formează canale de lucru. prin care se efectuează mișcarea petrolului și a gazelor, asigurând o explozie (explozie) intensivă a arcului.

Jgheaburi de arc conform principiului de funcționare, ele sunt împărțite în trei grupe principale: cu autosuflare, când se creează presiune mare și viteza de mișcare a gazului în zona arcului datorită energiei eliberate în arc, cu suflarea forțată a uleiului cu ajutorul unor mecanisme hidraulice speciale de pompare, cu stingere magnetică în ulei, când arcul se află sub acțiunea câmpului magnetic, se deplasează în goluri înguste.

Cele mai eficiente și simple jgheaburi cu arc cu autoumflare... În funcție de locația canalelor și a orificiilor de evacuare, se disting camere în care suflarea intensivă a amestecului gaz-abur și ulei de-a lungul curentului arcului (suflare longitudinală) sau prin arc (suflare transversală) este prevăzută). Metodele de stingere a arcului luate în considerare sunt utilizate pe scară largă în întrerupătoarele pentru tensiuni de peste 1 kV.

Alte metode de stingere a arcului în dispozitive pentru tensiuni peste 1 kV

Pe lângă metodele de stingere a arcului de mai sus, se folosesc și: aer comprimat, al cărui flux sufla arcul de-a lungul sau peste, asigurând răcirea intensă a acestuia (în loc de aer, se folosesc alte gaze, adesea obținute din generatoare de gaze solide). materiale - fibre, plastic vinil etc. - în detrimentul descompunerii lor de către arcul de ardere însuși), SF6 (hexafluorura de sulf), care are o rezistență electrică mai mare decât aerul și hidrogenul, drept urmare arcul care arde în acest gaz, chiar și la presiunea atmosferică, se stinge rapid, gaz foarte rarefiat (vid) la deschiderea contactelor, în care arcul nu nu se aprinde (se stinge) după prima trecere a curentului prin zero.