Физические процессы, возникновения и гашения дуги

При разрыве эл цепи, по которой проходит ток, в воздушном промежтке или др. среде между контактами, возникает эл. дуга. Она представляет из себя мост из раскаленных ионизированных газов, хар-ся высокой температурой и высокой электропроводностью. Поэтому для отключения цепи не достаточно механически разомкнуть контакты, а необходимо еще погасить дугу.

При отрыве конт-ов др. от др. один из них, на котором в момент отрыва был отрицательный потециал становится катодом, а второй – анодом.

Несмотря на высокую проводимость дуги, распределение падения напряжения вдоль дуги неоднородно.

Весь участок между контактами условно делят на три зоны: анодная, катодная и столб дуги.

Катодное падение напряжения происходит на маленьком участке (10^-6 м) и составляет 15-20 В. Это падение напряжения зависит от материала среды, температуры и материала катода.

Анодное падение напряжения также происходит на мал. участке (10^-6 м), но его падение напряжения гораздо меньше катодного и оно зависит от среды, материала анода и особенно от величины тока. При больших токах анодное падение напряжения близко к нулю.

Падение напряжение в зоне столба дуги прямо-пропорционально длине столба и для воздушной среды = 0,15-0,2 В/м.

Область катодного падения напряжения играет важную роль в образовании и поддержании дуги. В катодной зоне, при расхождении контактов, создается электрическое поле с высоким градиентом потенциала 10^3-10^4 В/м.

В процессе размыкания контактов сначала происходит уменьшение площади их соприкосновения, что приводит к увеличению переходного сопротивления, что в свою очередь приводит к увеличению выделяемой мощности, а это приводит к возрастанию энергии электронов материала контактов.

При размыкании контактов между К и А образуется сильно эл. поле. Под действием этого поля электроны, обладающие большой энергией, вырываются с поверхности К и направляются к А – это процесс автоэлектронной эмиссии. Электроны с большой скоростью на своём пути встречают нейтральные атомы среды и ударяясь от них выбивают из их оболочке один или несколько эл-ов – это ударная ионизация, при которой образуются новые свободные электроны, направляющиеся к А, а также положительные ионы, направляющиеся к К.

Расщепление атомов среды на электроны и ионы сопровождается выделением большого кол-ва тепла. При этом под действием выс. температуры нейтральные атомы среды расщепляются на положительные ионы и электроны – это термическая ионизация.

Кроме того, дуга нагревает тело контактов до высокой температуры, при этом с по-вти контактов выбрасывается поток эл-ов – это процесс термоэлектронной эмиссии.

Сравнивая рассмотренные факторы ионизации в дуге, следует отметить, что основную роль играет термическая ионизация. Высокая температура дуги (6-12 тысяч град. Цельсия) является основным фактором, обуславливающим большую проводимость дуги.

При гашении дуги одновременно существуют два противоположных процесса:

-ионизация

-деионизация

При деионизации из положительных и отрицательных элеткронов, сталкивающихся между собой при придвижении в противоположном направлении ,образуются нейтральные атомы среды, которые не являются носителями заряда.

В зависимости от преобладания одного процесса над другим определяется режим дуги:

-При преобладании ионизации – дуга разгорается.

-При преобладании деионизации – дуга гаснет.

-При равенстве процессов – дуга горит устойчиво.

Деионизация происходит 2 путями :

- нейтрализацией противоположно заряженных частиц при их столкновении..

- Диффузия заряженных частиц из дугового промежутка в окружающую среду. Частицы диффузирующие из тела дуги не теряют своего заряда , но уменьшает концентрацию заряженных частиц в дуге, способствуя ее деионизации.

Процесс ионизации в дуге развивается самостоятельно.

Процесс деионизации требует специальных методов и технических средств:

дутье сжатым воздухом, масляное дутьё, магнитное и д.р.

Различные способы дутья не только выбрасывают частицы из области горения дуги, но и способствуют её охлаждению в результате удлинения и дробления на несколько дуг и соприкосновения с холодными слоями окр. среды или стенками охлаждающей камеры.

Во всех случаях деионизация приводит к возрастанию сопротивления дуги, а следовательно к уменьшению тока в дуге и её гашению.

Условия гашения дуги.

Гашение дуги возможно при постоянном токе и при переменном токе.

а) На постоянном токе.

 (*)

I1,2=I*R+Uд

 (**) (участок от I₁ до I₂).

 (участок от I₂ до I).

При гашении дуги преобладают процессы деионизации, в результате чего увеличивается сопротивление дугового промежутка. Тог в дуге уменьшается до нуля и гаснет.

Схема цепи включает в себя источник пост. тока, r, L, а также дуговой промежуток, характеризующийся падением напряжения Uд. Эта электрическая цепь описывается уравнением (*). Решив его относительно Uд – получим (**). На графике приведено графическое решение этого уравнения. Рассмотрим точки I1 и I2. Эти точки хар-ся тем, что в них =0. => (точки А и В).

Точка В – является точкой устойчивого горения дуги, так как любое отклонение тока от значения I2 приводит к возвращению тока к значению I2.

Рассмотрим точку А. При увеличении тока выше значения I₁,  становится положительной, что приводит к уменьшению падения напряжения на дуге и еще большему возрастанию тока. Ток будет увеличиваться до значения I₂. При уменьшении тока меньшего значения I₁, значение  становится отрицательным, падение напряжения на дуге возрастает, ток уменьшается, и это будет продолжаться до тех пор, пока дуга не погаснет, т.е. I=0.

Таким образом можно записать условие гашения дуги: .

Следует иметь ввиду, что благодаря индуктивности и запасенной в ней энергии гашение дуги происходит при напряжении большем, чем напряжение источника питания.

 может быть в 3-4 раза больше номинального напряжения источника питания, что может привести к повреждению изоляции.

 зависит от скорости уменьшения тока, поэтому в ВВ постоянного тока не применяются такие эффективные методы гашения дуги, как в трансформаторном масле, вакууме и т.п.

Для устойчивого гашения дуги необходимо, чтобы омическая характеристика IR и кривая падающего напряжения на дуге не пересекались. В этом случае условие гашение дуги будет выполнятся при всех значения тока. Таким образом, чтобы дуга гасла при различных значений тока надо либо увеличить значение сопротивления, либо увеличить напряжение на дуге путем ускорения процессов деионизации.

2) На переменном токе.

Процессы деионизации и ионизации в дуге переменного тока аналогичны процессам в дуге постоянного тока. Однако условия гашения дуги переменного тока отличаются от пост. тока.

В дуге постоянного тока, ток уменьшается до нуля принудительно при достаточно сильной деионизации. При переменном токе каждые пол периода ток сам уже уменьшается до нуля, независимо от степени ионизации дугового промежутка.

Дугу переменного тока можно погасить двумя способами:

1. В середине полупериода принудит уменьшением тока до «0»

2. В конце полупериода при естественном переходе тока через «0»

При 1-ом способе гашение дуги аналогично для постоянного тока, при этом возникает значительное перенапряжение и на ВВ переменного тока он не используется.

При 2-ом способе дуга гаснет независимо от степени ионизации дугового промежутка и задача гашения дуги сводится к недопущению ее нового загорания

При этом околокатодное пространство достаточно быстро (примерно 0,1 мкс) приобретает высокую электрическую прочность, но вместе с этим на контактах восстанавливается синусоидальное напряжение, которое стремится пробить деионезированнный промежуток и зажечь дугу. Возникает ли новая дуга или дуга останется погашенной зависит от скорости развития этих противоположных процессов т.е. что будет преобладать: скорость деионизации или скорость восстановления напряжения на контактах.

На «рис 1» видно, что скорость восстановления напряжения (2) выше скорости восстановления электрической прочности между контактами А и К – (1) и в какой-то момент времени, когда напряжение вырастет до значения достаточного для зажигания дуги, произойдет ее зажигание.

На «рис 2» скорость восстановления электрической прочности межконтактного промежутка выше скорости восстановления напряжения на контактах и повторное зажигание дуги не происходит .