КОММУТАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ,

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА И ЕЕ ГАШЕНИЕ [1,3,5,7]

Основные законы коммутации, перенапряжение

Каждая электрическая цепь имеет индуктивность L и ёмкость C. Установившемуся состоянию цепи соответствует запас энергии магнитных полей в индуктивности  и запас энергии электрических полей в ёмкости

Эта энергия может изменяться только непрерывно, а переход из одного установившегося состояния в другое при коммутации занимает определённое время и происходит плавно.

Отсюда вытекают законы коммутации:

1 Ток в индуктивной цепи ступенчато измениться не может или в начальный момент коммутации ток остаётся таким же каким он был перед коммутацией, а затем плавно изменяется до нового установившегося значения.

                                          (54)

2 Напряжение на ёмкости ступенчато измениться не может или в начальный момент коммутации напряжение остаётся таким же каким оно было перед коммутацией, а затем плавно изменяется до нового установившегося значения.

                                      (55)

Определение перенапряжения на контактах рассмотрим на примере.

Имеется цепь с индуктивностью (рис. 26) с следующими параметрами: напряжение источника питания U=24 В, активное сопротивление нагрузки R=2,4 Ом, индуктивность достаточно велика, внутреннее сопротивление электронного вольтметра R_В=2000 Ом, выключатель S вакуумный, т. е. осуществляет коммутацию без дуги.

Найти показания вольтметра в момент после размыкания S (идеальная коммутация).

Решение:

Определяется сила тока до коммутации при замкнутом S

По первому закону коммутации

Показание вольтметра при размыкании S

Полученное напряжение способно пробить промежуток между контактами.

Увеличение напряжения на контактах относительно напряжения источника питания называется перенапряжением. В идеальном случае задачи перенапряжение составляет 19976 В.

В действительности при размыкании обычного выключателя возникает дуговой или тлеющий разряд и размыкание происходит не мгновенно, поэтому перенапряжение будет значительно меньше.

Дуговой разряд и его особенности, распределение

Напряжений в дуге

1 Дуговой разряд может быть только при относительно больших токах и напряжениях, например для меди I > 0,5 A, U > 25 В.

2 Температура дуги очень велика 6000 – 25000 ⁰С, плавится любой металл

3 Плотность тока у катода очень велика 100 – 1000 А/мм², из катода дуга горит практически из одной точки.

4 Падение напряжения у катода за счёт объёмного заряда в тонком слое составляет 10 – 20 В.

5 Падение напряжения у анода составляет 5 – 10 В.

Возникновение и горение дуги в воздушном промежутке свидетельствует об ионизации этого промежутка.

Одновременно имеют место процессы ионизации и деионизации. Если преобладает деионизация, то дуга гаснет.

Для дуговых процессов наибольшее значение при ионизации имеют место следующие факторы:

у электродов (у контактов)

 – автоэлектронная эмиссия – это явление выхода электронов из катода под действием сильного электрического поля > 10⁵ В/см (пробой),

 – термоэлектронная эмиссия – это явление испускания электронов из накалённой поверхности.

в дуговом столбе

– ионизация толчком – это когда электрон при столкновении с нейтральным атомом выбивает из него электроны, которые могут ионизировать несколько нейтральных атомов и т. д.

– термическая ионизация – это ионизация под действием высокой температуры дуги.

Деионизация это:

– рекомбинация – процесс при котором заряженные частицы, приходя в соприкосновение, образуют нейтральные атомы,

– диффузия – это процесс выноса заряженных частиц из дугового промежутка.

Основным фактором горения дуги является термическая ионизация, то есть высокая температура дуги. Отсюда следует, что преобладающим способом гашения дуги между контактами является её охлаждение различными способами (растяжение, дутьё и т. д.) с помощью дугогасительных камер.

Распределение напряжений в стационарной дуге постоянного тока (рис. 27) может быть представлено следующим образом:

                                (56)

где U_А = 5 – 10 В – напряжение у анода, U_К = 10 – 20 В – напряжение у катода, эта область составляет ≈ 0,001 мм за счёт объёмного заряда, E_П = 10 – 15 В – напряжённость электрического поля в столбе дуги, l – длина дуги, U_С = E_П l – напряжение в столбе дуги.

Способом гашения дуги является также разделение дугового столба решёткой, образуя много анодов и катодов, при этом увеличивается сумма падений напряжений , уменьшая долю напряжения в столбе дуги.