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tension d'arc. Qu'est-ce qu'un arc électrique et comment se produit-il

22 août 2012 à 10h00

Lorsqu'un circuit électrique est ouvert, une décharge électrique se produit sous la forme d'un arc électrique. Pour l'apparition d'un arc électrique, il suffit que la tension aux contacts soit supérieure à 10 V à un courant dans le circuit de l'ordre de 0,1A ou plus. À des tensions et des courants importants, la température à l'intérieur de l'arc peut atteindre 10 ... 15 000 ° C, à la suite de quoi les contacts et les pièces conductrices de courant fondent.

À des tensions de 110 kV et plus, la longueur de l'arc peut atteindre plusieurs mètres. Par conséquent, un arc électrique, en particulier dans les circuits de puissance à haute puissance, à des tensions supérieures à 1 kV est un grand danger, bien que des conséquences graves puissent survenir dans des installations à des tensions inférieures à 1 kV. De ce fait, l'arc électrique doit être limité au maximum et rapidement éteint dans les circuits pour des tensions aussi bien supérieures qu'inférieures à 1 kV.

Causes d'un arc électrique

Le processus de formation d'un arc électrique peut être simplifié comme suit. Lorsque les contacts divergent, la pression de contact et, par conséquent, la surface de contact diminuent d'abord, la résistance de contact augmente (la densité de courant et la température - une surchauffe locale (dans certaines parties de la zone de contact) commencent, ce qui contribue davantage à l'émission thermionique, lorsque, sous l'influence d'une température élevée, la vitesse des électrons augmente et ils jaillissent de la surface de l'électrode.

Au moment de la divergence des contacts, c'est-à-dire d'une coupure de circuit, la tension est rapidement rétablie à l'écart de contact. La distance entre les contacts étant faible, un champ électrique à haute intensité apparaît, sous l'influence duquel des électrons s'échappent de la surface de l'électrode. Ils accélèrent dans un champ électrique et, lorsqu'ils heurtent un atome neutre, lui donnent leur énergie cinétique. Si cette énergie est suffisante pour arracher au moins un électron de la coquille d'un atome neutre, alors le processus d'ionisation se produit.

Les électrons et ions libres résultants constituent le plasma de l'arbre d'arc, c'est-à-dire le canal ionisé dans lequel l'arc brûle et le mouvement continu des particules est assuré. Dans ce cas, les particules chargées négativement, principalement les électrons, se déplacent dans une direction (vers l'anode), et les atomes et molécules de gaz, dépourvus d'un ou plusieurs électrons - particules chargées positivement - dans la direction opposée (vers la cathode). La conductivité du plasma est proche de celle des métaux.

Un courant important circule dans le puits d'arc et une température élevée est générée. Une telle température de la tige de l'arc conduit à l'ionisation thermique - le processus de formation d'ions dû à la collision de molécules et d'atomes à haute énergie cinétique à des vitesses élevées de leur mouvement (les molécules et les atomes du milieu où l'arc brûle se désintègrent en électrons et des ions chargés positivement). L'ionisation thermique intense maintient une conductivité plasma élevée. Par conséquent, la chute de tension le long de la longueur de l'arc est faible.

Dans un arc électrique, deux processus se déroulent en continu : en plus de l'ionisation, il y a aussi la déionisation des atomes et des molécules. Ce dernier se produit principalement par diffusion, c'est-à-dire le transfert de particules chargées dans l'environnement et la recombinaison d'électrons et d'ions chargés positivement, qui se recombinent en particules neutres avec le retour de l'énergie dépensée pour leur désintégration. Dans ce cas, la chaleur est évacuée vers l'environnement.

Ainsi, trois étapes du processus considéré peuvent être distinguées: l'amorçage de l'arc, lorsque, en raison de l'ionisation par impact et de l'émission d'électrons de la cathode, une décharge d'arc commence et que l'intensité de l'ionisation est supérieure à la déionisation, la combustion de l'arc stable, soutenue par l'ionisation thermique dans le puits d'arc, lorsque l'intensité de l'ionisation et de la déionisation est la même, extinction de l'arc lorsque l'intensité de la déionisation est supérieure à l'ionisation.

Méthodes d'extinction de l'arc dans les appareils de commutation électriques

Afin de déconnecter les éléments du circuit électrique et ainsi d'éviter d'endommager l'appareil de commutation, il est nécessaire non seulement d'ouvrir ses contacts, mais également d'éteindre l'arc qui apparaît entre eux. Les processus d'extinction de l'arc, ainsi que la combustion, sont différents pour le courant alternatif et continu. Ceci est déterminé par le fait que dans le premier cas, le courant dans l'arc passe par zéro à chaque demi-cycle. A ces instants, la libération d'énergie dans l'arc s'arrête et l'arc s'éteint spontanément à chaque fois, puis se rallume.

En pratique, le courant dans l'arc devient proche de zéro un peu plus tôt que le passage par zéro, car lorsque le courant diminue, l'énergie fournie à l'arc diminue, la température de l'arc diminue en conséquence et l'ionisation thermique s'arrête. Dans ce cas, le processus de déionisation se déroule de manière intensive dans l'intervalle d'arc. Si, pour le moment, ouvrez et séparez rapidement les contacts, la panne électrique ultérieure peut ne pas se produire et le circuit sera éteint sans arc. Cependant, il est extrêmement difficile de le faire en pratique, et donc des mesures spéciales sont prises pour accélérer l'extinction de l'arc, ce qui assure le refroidissement de l'espace de l'arc et une diminution du nombre de particules chargées.

À la suite de la déionisation, la rigidité diélectrique de l'entrefer augmente progressivement et, en même temps, la tension de récupération à ses bornes augmente. Cela dépend du rapport de ces valeurs si l'arc s'allumera ou non pendant la prochaine moitié de la période. Si la rigidité diélectrique de l'entrefer augmente plus vite et est supérieure à la tension de rétablissement, l'arc ne s'amorcera plus, sinon l'arc sera stable. La première condition définit le problème de l'extinction de l'arc.

Dans les dispositifs de commutation, diverses méthodes d'extinction d'arc sont utilisées.

Extension d'arc

Lorsque les contacts divergent lors du processus de désactivation du circuit électrique, l'arc qui s'est formé est étiré. Dans ce cas, les conditions de refroidissement de l'arc sont améliorées puisque sa surface augmente et qu'il faut plus de tension pour la combustion.

Diviser un arc long en une série d'arcs courts

Si l'arc formé lors de l'ouverture des contacts est divisé en K arcs courts, par exemple en le serrant dans une grille métallique, il s'éteindra. L'arc est généralement aspiré dans un réseau métallique sous l'influence d'un champ électromagnétique induit dans les plaques du réseau par des courants de Foucault. Ce mode d'extinction de l'arc est largement utilisé dans les appareils de coupure pour des tensions inférieures à 1 kV, notamment dans les disjoncteurs automatiques à air.

Refroidissement à l'arc dans des fentes étroites

L'extinction de l'arc dans un petit volume est facilitée. Par conséquent, les chambres d'arc à fentes longitudinales sont largement utilisées dans les dispositifs de commutation (l'axe d'une telle fente coïncide en direction avec l'axe de l'arbre à arc). Un tel espace est généralement formé dans des chambres constituées de matériaux isolants résistant aux arcs. En raison du contact de l'arc avec des surfaces froides, son refroidissement intensif, la diffusion de particules chargées dans l'environnement et, par conséquent, une désionisation rapide se produisent.

En plus des fentes avec des parois parallèles au plan, des fentes avec des nervures, des saillies et des extensions (poches) sont également utilisées. Tout cela entraîne une déformation de l'arbre de l'arc et contribue à augmenter la surface de son contact avec les parois froides de la chambre.

L'étirage de l'arc dans des fentes étroites se produit généralement sous l'influence d'un champ magnétique interagissant avec l'arc, qui peut être considéré comme un conducteur porteur de courant.

Un champ magnétique externe pour déplacer l'arc est le plus souvent fourni par une bobine connectée en série avec les contacts entre lesquels l'arc se produit. L'extinction d'arc dans des fentes étroites est utilisée dans les appareils pour toutes les tensions.

Extinction d'arc à haute pression

A température constante, le degré d'ionisation du gaz diminue avec l'augmentation de la pression, tandis que la conductivité thermique du gaz augmente. Toutes choses égales par ailleurs, cela conduit à un refroidissement accru de l'arc. L'extinction de l'arc à l'aide d'une haute pression, créée par l'arc lui-même dans des chambres hermétiquement fermées, est largement utilisée dans les fusibles et un certain nombre d'autres appareils.

Extinction d'arc dans l'huile

Si les contacts de l'interrupteur sont placés dans l'huile, l'arc qui se produit lors de leur ouverture entraîne une évaporation intense de l'huile. En conséquence, une bulle de gaz (coque) se forme autour de l'arc, composée principalement d'hydrogène (70 ... 80%), ainsi que de vapeur d'huile. Les gaz émis à grande vitesse pénètrent directement dans la zone du puits d'arc, provoquent un mélange de gaz froid et chaud dans la bulle, assurent un refroidissement intensif et, par conséquent, une déionisation de l'espace d'arc. De plus, la capacité désionisante des gaz augmente la pression créée lors de la décomposition rapide de l'huile à l'intérieur de la bulle.

L'intensité du processus d'extinction de l'arc dans l'huile est d'autant plus élevée que l'arc est proche de l'huile et que l'huile se déplace rapidement par rapport à l'arc. Compte tenu de cela, l'espace d'arc est limité par un dispositif isolant fermé - une chambre de coupure. Dans ces chambres, un contact plus étroit de l'huile avec l'arc est créé et, à l'aide de plaques isolantes et de trous d'échappement, des canaux de travail sont formés à travers lesquels l'huile et les gaz se déplacent, fournissant un soufflage intensif (soufflage) de l'arc.

Selon le principe de fonctionnement, les chambres d'arc sont divisées en trois groupes principaux: avec soufflage automatique, lorsqu'une pression élevée et une vitesse de déplacement du gaz dans la zone de l'arc sont créées en raison de l'énergie libérée dans l'arc, avec soufflage d'huile forcée à l'aide de mécanismes hydrauliques de pompage, avec trempe magnétique dans l'huile, lorsque l'arc sous l'action du champ magnétique se déplace dans des fentes étroites.

Les goulottes à arc les plus efficaces et les plus simples avec autosoufflage. En fonction de l'emplacement des canaux et des trous d'échappement, on distingue les chambres dans lesquelles un soufflage intensif du mélange gaz-vapeur et de l'huile s'écoule le long de l'arc (soufflage longitudinal) ou à travers l'arc (soufflage transversal). Les méthodes d'extinction d'arc envisagées sont largement utilisées dans les disjoncteurs pour des tensions supérieures à 1 kV.

Autres moyens d'éteindre l'arc dans les appareils pour des tensions supérieures à 1 kV

En plus des méthodes d'extinction de l'arc ci-dessus, ils utilisent également: de l'air comprimé, dont le flux souffle le long ou à travers l'arc, assurant son refroidissement intensif (au lieu de l'air, d'autres gaz sont également utilisés, souvent obtenus à partir de gaz solides- générant des matériaux - fibres, plastique vinylique, etc. - car, en raison de leur décomposition par l'arc brûlant lui-même), SF6 (hexafluorure de soufre), qui a une résistance électrique plus élevée que l'air et l'hydrogène, à la suite de quoi l'arc brûlant dans ce le gaz, même à pression atmosphérique, s'éteint rapidement, gaz très raréfié (vide), à ​​l'ouverture des contacts dans lesquels l'arc ne se rallume pas (s'éteint) après le premier passage du courant par zéro.

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Bonjour à tous les visiteurs de mon blog. Le sujet de l'article d'aujourd'hui est un arc électrique et la protection contre un arc électrique. Le sujet n'est pas accidentel, j'écris de l'hôpital Sklifosovsky. Devine pourquoi?

Qu'est-ce qu'un arc électrique

C'est l'un des types de décharge électrique dans un gaz (phénomène physique). On l'appelle aussi - décharge d'arc ou arc voltaïque. Se compose de gaz ionisé électriquement quasi neutre (plasma).

Cela peut se produire entre deux électrodes lorsque la tension entre elles augmente ou lorsqu'elles se rapprochent.

En bref sur Propriétés: température de l'arc électrique, de 2500 à 7000 °C. Pas une petite température, cependant. L'interaction des métaux avec le plasma entraîne un échauffement, une oxydation, une fusion, une évaporation et d'autres types de corrosion. Accompagné par un rayonnement lumineux, une explosion et une onde de choc, une température ultra-élevée, un feu, un dégagement d'ozone et de dioxyde de carbone.

Il y a beaucoup d'informations sur Internet sur ce qu'est un arc électrique, quelles sont ses propriétés, si vous êtes intéressé par plus de détails, regardez. Par exemple, dans en.wikipedia.org.

Parlons maintenant de mon accident. C'est difficile à croire, mais il y a 2 jours j'ai directement rencontré ce phénomène, et sans succès. C'était comme ça: le 21 novembre, au travail, on m'a demandé de faire le câblage des lampes dans la boîte de jonction, puis de les connecter au réseau. Il n'y a eu aucun problème avec le câblage, mais lorsque je suis entré dans le bouclier, certaines difficultés sont survenues. Dommage que l'androyd ait oublié sa maison, n'ait pas pris de photo du panneau électrique, sinon ce serait plus clair. J'en ferai peut-être plus quand j'arriverai au travail. Ainsi, le bouclier était très ancien - 3 phases, zéro bus (aka mise à la terre), 6 automates et un commutateur de paquets (il semble que tout soit simple), la condition n'était initialement pas crédible. J'ai longtemps lutté avec un pneu zéro, car tous les boulons étaient rouillés, après quoi j'ai facilement mis la phase sur la machine. Tout va bien, j'ai vérifié les lampes, elles fonctionnent.

Après cela, il est retourné au bouclier pour poser soigneusement les fils et le fermer. Je tiens à souligner que le panneau électrique était à une hauteur de ~ 2 mètres, dans un passage étroit, et pour y accéder, j'ai utilisé une échelle (échelle). En posant les fils, j'ai trouvé des étincelles sur les contacts d'autres machines, ce qui a fait clignoter les lampes. En conséquence, j'ai prolongé tous les contacts et continué à inspecter les fils restants (pour le faire une fois et ne pas y revenir). Ayant constaté qu'un contact sur le sac avait une température élevée, j'ai décidé de l'étendre également. J'ai pris un tournevis, je l'ai appuyé contre la vis, je l'ai tourné, bang ! Il y a eu une explosion, un éclair, j'ai été projeté en arrière, heurtant le mur, je suis tombé au sol, rien n'était visible (aveuglé), le bouclier n'a pas arrêté d'exploser et de bourdonner. Pourquoi la protection n'a pas fonctionné, je ne sais pas. Sentant les étincelles tomber sur moi, j'ai réalisé que je devais sortir. Je suis sorti au toucher, en rampant. Sorti de ce passage étroit, il commença à appeler son partenaire. Déjà à ce moment-là, j'ai senti que quelque chose n'allait pas avec ma main droite (je tenais un tournevis avec), une douleur terrible a été ressentie.

Avec mon partenaire, nous avons décidé que nous devions courir jusqu'au poste de secours. Ce qui s'est passé ensuite, je pense que ça ne vaut pas la peine de le dire, ils ont juste piqué et sont allés à l'hôpital. Je n'oublierai jamais ce son terrible d'un long court-circuit - démangeaisons avec bourdonnement.

Maintenant, je suis à l'hôpital, j'ai une écorchure au genou, les médecins pensent que j'ai été choqué, c'est une issue, alors ils surveillent mon cœur. Je crois que le courant ne m'a pas battu, mais la brûlure sur mon bras a été causée par un arc électrique qui s'est produit lors du court-circuit.

Que s'est-il passé là-bas, pourquoi le court-circuit s'est produit, je ne sais pas encore, je pense, quand la vis a été tournée, le contact lui-même s'est déplacé et un court-circuit entre phases s'est produit, ou il y avait un fil nu derrière le paquet interrupteur et lorsque la vis s'est approchée arc électrique. Je saurai plus tard s'ils ont compris.

Merde, je suis allé chercher un pansement, ils m'ont tellement enveloppé la main que j'écris avec un gauche maintenant)))

Je n'ai pas pris de photo sans pansements, ce n'est pas très agréable à voir. Je ne veux pas effrayer les électriciens débutants....

Quelles sont les mesures de protection contre les arcs électriques qui pourraient me protéger ? Après avoir analysé Internet, j'ai vu que le moyen le plus populaire de protéger les personnes dans les installations électriques contre un arc électrique est une combinaison résistante à la chaleur. En Amérique du Nord, les machines automatiques spéciales de Siemens sont très populaires, elles protègent à la fois de l'arc électrique et du courant maximal. En Russie, pour le moment, ces machines ne sont utilisées que dans les sous-stations à haute tension. Dans mon cas, un gant diélectrique me suffirait, mais réfléchissez vous-même comment y connecter des lampes? C'est très inconfortable. Je recommande également d'utiliser des lunettes pour protéger vos yeux.

Dans les installations électriques, la lutte contre un arc électrique est réalisée à l'aide de disjoncteurs à vide et à huile, ainsi qu'à l'aide de bobines électromagnétiques associées à des chambres de soufflage.

C'est tout ? Pas! Le moyen le plus fiable de se protéger d'un arc électrique, à mon avis, est travail anti-stress . Je ne sais pas pour vous, mais je ne travaillerai plus sous le stress...

Ceci est mon article arc électrique et protection contre les arcs prend fin. Y a-t-il quelque chose à ajouter ? Laissez un commentaire.

Dans le livre "Nouvelles des expériences galvano-voltaïques au moyen d'une énorme batterie, composée parfois de 4200 cercles de cuivre et de zinc" (Saint-Pétersbourg, 1803). Un arc électrique est un cas particulier de la quatrième forme de l'état de la matière - le plasma - et consiste en un gaz ionisé électriquement quasi neutre. La présence de charges électriques libres assure la conductivité de l'arc électrique.

phénomènes physiques

Un arc électrique entre deux électrodes dans l'air à pression atmosphérique se forme comme suit :

Lorsque la tension entre les deux électrodes augmente jusqu'à un certain niveau dans l'air, un claquage électrique se produit entre les électrodes. La tension de claquage électrique dépend de la distance entre les électrodes et d'autres facteurs. Le potentiel d'ionisation du premier électron des atomes métalliques est d'environ 4,5 à 5 V et la tension d'arc est le double (9 à 10 V). Il est nécessaire de dépenser de l'énergie à la sortie d'un électron de l'atome de métal d'une électrode et à l'ionisation de l'atome de la deuxième électrode. Le processus conduit à la formation d'un plasma entre les électrodes et à la combustion d'un arc (à titre de comparaison: la tension minimale pour la formation d'une décharge par étincelle dépasse légèrement le potentiel de sortie des électrons - jusqu'à 6 V).

Pour initier un claquage à la tension disponible, les électrodes sont rapprochées les unes des autres. Lors d'une panne, une décharge d'étincelle se produit généralement entre les électrodes, fermant par impulsion le circuit électrique. Les électrons des décharges par étincelle ionisent les molécules dans l'entrefer entre les électrodes. Avec une puissance suffisante de la source de tension dans l'entrefer, une quantité suffisante de plasma est formée pour une chute significative de la tension ou de la résistance de claquage de l'entrefer. Dans ce cas, les décharges d'étincelles se transforment en une décharge d'arc - un cordon de plasma entre les électrodes, qui est un tunnel à plasma. L'arc résultant est en fait conducteur et ferme le circuit électrique entre les électrodes. En conséquence, le courant moyen augmente encore plus, chauffant l'arc jusqu'à 5000-50000. Dans ce cas, on considère que l'amorçage de l'arc est terminé. Après amorçage, la combustion stable de l'arc est assurée par l'émission thermionique de la cathode chauffée par le courant et le bombardement ionique.

Après amorçage, l'arc peut rester stable lorsque les contacts électriques sont séparés jusqu'à une certaine distance.

L'interaction des électrodes avec le plasma d'arc entraîne leur échauffement, leur fusion partielle, leur évaporation, leur oxydation et d'autres types de corrosion.

Lors du fonctionnement d'installations électriques à haute tension, dans lesquelles l'apparition d'un arc électrique est inévitable lors de la commutation d'un circuit électrique, la lutte contre celui-ci est effectuée à l'aide de bobines électromagnétiques associées à des chambres d'arc. Parmi d'autres procédés, l'utilisation de disjoncteurs à vide, à air, au SF6 et à huile est connue, ainsi que des procédés pour dévier le courant vers une charge temporaire qui interrompt indépendamment le circuit électrique.

Structure en arc

L'arc électrique se compose de régions de cathode et d'anode, d'une colonne d'arc, de régions de transition. L'épaisseur de la région d'anode est de 0,001 mm, la région de cathode est d'environ 0,0001 mm.

La température dans la région de l'anode lors du soudage à l'électrode consommable est d'environ 2500 ... 4000 ° C, la température dans la colonne d'arc est de 7000 à 18 000 ° C, dans la région de la cathode - 9000 - 12000 ° C.

La colonne d'arc est électriquement neutre. Dans chacune de ses sections, il y a le même nombre de particules chargées de signes opposés. La chute de tension dans la colonne d'arc est proportionnelle à sa longueur.

Les arcs de soudage sont classés selon :

  • Matériaux d'électrode - avec une électrode consommable et non consommable ;
  • Degrés de compression de la colonne - arc libre et comprimé ;
  • Selon le courant utilisé - arc de courant continu et arc de courant alternatif ;
  • Selon la polarité du courant électrique continu - polarité directe ("-" sur l'électrode, "+" - sur le produit) et polarité inverse ;
  • Lors de l'utilisation de courant alternatif - arcs monophasés et triphasés.

Arc autorégulateur

Lorsqu'une perturbation externe se produit - une modification de la tension secteur, de la vitesse d'alimentation du fil, etc. - une violation se produit dans l'équilibre établi entre la vitesse d'alimentation et la vitesse de fusion. Avec une augmentation de la longueur de l'arc dans le circuit, le courant de soudage et la vitesse de fusion du fil électrode diminuent, et la vitesse d'alimentation, restant constante, devient supérieure à la vitesse de fusion, ce qui conduit à la restauration de la longueur de l'arc. Avec une diminution de la longueur d'arc, la vitesse de fusion du fil devient supérieure à la vitesse d'alimentation, ce qui conduit à la restauration de la longueur d'arc normale.

L'efficacité du processus d'autorégulation de l'arc est significativement affectée par la forme de la caractéristique courant-tension de la source d'alimentation. La grande vitesse d'oscillation de la longueur de l'arc est calculée automatiquement avec une caractéristique courant-tension rigide du circuit.

Application utile

Soudage électrique

L'arc électrique est utilisé dans le soudage électrique des métaux, pour la fusion de l'acier (four d'acier à arc) et dans l'éclairage (dans les lampes à arc). Parfois, la propriété de la caractéristique volt-ampère non linéaire de l'arc est utilisée (voir Machine d'extinction de champ ).

Sources de lumière

Combat à l'arc électrique

Dans un certain nombre d'appareils, le phénomène d'arc électrique est néfaste. Il s'agit tout d'abord des dispositifs de commutation de contact utilisés dans l'alimentation électrique et la traction électrique : interrupteurs haute tension, interrupteurs automatiques, contacteurs, isolateurs sectionnels sur le réseau de contact des voies ferrées électrifiées et des transports électriques urbains. Lorsque les charges sont déconnectées par les dispositifs ci-dessus, un arc se produit entre les contacts de coupure.

Le mécanisme d'apparition d'un arc dans ce cas est le suivant :

  • Réduction de la pression de contact - le nombre de points de contact diminue, la résistance dans le nœud de contact augmente ;
  • Le début de la divergence des contacts - la formation de "ponts" à partir du métal en fusion des contacts (aux endroits des derniers points de contact);
  • Rupture et évaporation des "ponts" du métal en fusion ;
  • La formation d'un arc électrique dans la vapeur métallique (qui contribue à une plus grande ionisation de l'entrefer de contact et des difficultés d'extinction de l'arc) ;
  • Arc stable avec épuisement rapide des contacts.

Pour un minimum de dommages aux contacts, il est nécessaire d'éteindre l'arc en un minimum de temps, en s'efforçant d'éviter que l'arc ne se trouve au même endroit (lorsque l'arc se déplace, la chaleur qui y est libérée sera uniformément répartie sur le corps de le contact).

Pour répondre aux exigences ci-dessus, les méthodes de suppression d'arc suivantes sont utilisées :

  • refroidissement de l'arc par le flux du fluide de refroidissement - liquide (commutateur d'huile); gaz - (disjoncteur à air, disjoncteur à gaz automatique, disjoncteur à huile, disjoncteur SF6), et le flux du fluide de refroidissement peut passer à la fois le long de l'arbre de l'arc (amortissement longitudinal) et à travers (amortissement transversal); parfois un amortissement longitudinal-transversal est utilisé ;
  • utilisation de la capacité d'extinction d'arc du vide - on sait que lorsque la pression des gaz entourant les contacts commutés diminue jusqu'à une certaine valeur, le disjoncteur à vide conduit à une extinction efficace de l'arc (en raison du manque de porteurs pour la formation d'arc) .
  • utilisation d'un matériau de contact plus résistant aux arcs ;
  • l'utilisation d'un matériau de contact avec un potentiel d'ionisation plus élevé ;
  • application de grilles d'arc (interrupteur automatique, interrupteur électromagnétique). Le principe d'application de la suppression d'arc sur les réseaux est basé sur l'application de l'effet de chute proche de la cathode dans l'arc (la majeure partie de la chute de tension dans l'arc est la chute de tension à la cathode ; la chambre de coupure est en fait une série de contacts en série pour l'arc qui y est arrivé).
  • l'utilisation de goulottes d'arc - entrer dans une chambre en matériau résistant à l'arc, comme le plastique micacé, avec des canaux étroits, parfois en zigzag, l'arc s'étire, se contracte et se refroidit intensément au contact des parois de la chambre.
  • l'utilisation du "souffle magnétique" - puisque l'arc est fortement ionisé, alors en première approximation, il peut être considéré comme un conducteur flexible avec du courant; En créant des électroaimants spéciaux (connectés en série avec l'arc), un champ magnétique peut créer un mouvement d'arc pour répartir uniformément la chaleur sur le contact et l'entraîner dans une goulotte ou une grille à arc. Certaines conceptions de disjoncteurs créent un champ magnétique radial qui transmet un couple à l'arc.
  • shuntage des contacts au moment de l'ouverture d'une clé semi-conductrice de puissance avec un thyristor ou un triac connecté en parallèle avec les contacts, après ouverture des contacts, la clé semi-conductrice est désactivée au moment où la tension passe par zéro (contacteur hybride, thyricon).
    • .
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L'apparition d'un arc électrique et ses propriétés, les processus qui provoquent la naissance et entretiennent la combustion, ainsi que des solutions de conception dans les dispositifs de commutation pour éteindre une décharge d'arc.

Résumé de l'article :

Propriétés d'un arc électrique ou d'une décharge d'arc

En électrotechnique (interrupteurs automatiques, interrupteurs à couteau, contacteurs) lorsqu'un circuit chargé est éteint, un arc électrique est né.

Fixons les limites : ce qui suit décrit les processus typiques pour les appareils avec courants de 1 à 2000 ampères et conçu pour fonctionner dans des réseaux sous tension jusqu'à 1000 volts(équipement basse tension). Pour les équipements à haute tension, il existe d'autres conditions pour l'apparition et la combustion de l'arc.

Paramètres importants de l'arc électrique :

  • une décharge en arc ne peut se développer qu'à des courants élevés (pour un métal, ce courant est de 0,5 ampère) ;
  • la température dans le puits d'arc est importante et est d'environ 6 à 18 000 kelvins (souvent 6 à 10 000 kelvins);
  • la chute de tension à la cathode est insignifiante et égale à 10-20 volts.

La décharge d'arc est conditionnellement divisée en trois zones:

  • proche de la cathode ;
  • tronc d'arc (partie principale);
  • près de l'anode.

Dans les zones sélectionnées, l'ionisation et la déionisation procèdent différemment :

  • ionisation- le processus de désintégration d'un atome neutre en un électron négatif et un ion positif ;
  • désionisation- un processus opposé à l'ionisation (antonyme), dans lequel un électron et un ion fusionnent en une particule neutre.


Les caractéristiques vidéo de 2 minutes photographie accélérée de l'extinction d'un arc électrique dans un disjoncteur modulaire ABB :

Processus accompagnant la naissance d'un arc électrique

Au stade initial de l'élevage, les principaux contacts l'arc est né lors des processus suivants :

  • émission thermionique (libération d'électrons négatifs de la surface de contact chauffée);
  • émission de champ (détachement d'électrons de la cathode sous l'influence d'un champ électrique important).

Émission thermoionique. Lorsque les contacts sont rompus dans la zone de la dernière zone de contact, une zone de cuivre fondu à la température correspondante se forme. Le cuivre s'évapore à l'électrode négative à partir de la soi-disant tache cathodique, qui est une source d'électrons libres. Ce processus est influencé par : la température et le métal des surfaces de contact ; elle est suffisante pour créer un arc électrique, mais pas suffisante pour entretenir sa combustion.

Émission de champ. L'espace d'air entre les contacts peut être considéré comme une sorte de condensateur dont la capacité est illimitée au premier instant, puis diminue en fonction de l'écart croissant entre le contact mobile et le contact fixe. Le condensateur décrit est progressivement rechargé et la tension qu'il contient est comparée à la tension du circuit principal. L'intensité du champ électrique atteint des valeurs auxquelles les conditions se présentent pour la sortie d'électrons de la surface d'une cathode non chauffée.

Le rapport de l'influence des processus décrits sur l'amorçage de l'arc dépend de la force du courant coupé, du métal du groupe de contact, de la propreté de la surface de contact, de la vitesse de séparation des contacts et d'autres facteurs. La prédominance d'un type d'émission sur un autre est individuelle.

Processus de support d'arc.

À l'aide des mécanismes suivants d'interaction des particules, des conditions sont créées pour les décharges brûlantes :

  • ionisation par poussée (un électron dispersé s'écrase sur une particule neutre et en « assomme » également un électron) ;
  • ionisation thermique (destruction des atomes neutres par des températures importantes).

Pousser l'ionisation. Un électron libre d'une certaine vitesse est capable de casser une particule neutre en un électron et un ion. L'électron nouvellement obtenu est capable de rompre les liaisons internes de la particule suivante, entraînant une réaction en chaîne. La vitesse d'un électron est fonction de la différence de potentiel dans la zone de mouvement (potentiel suffisant pour assommer un électron : 13 - 16 volts pour l'oxygène, l'hydrogène, l'azote ; 24 volts pour l'hélium ; 7,7 volts pour la vapeur de cuivre) .

Ionisation thermique. A haute température, les vitesses des particules dans le plasma augmentent, ce qui conduit à la destruction des atomes neutres selon le principe de l'ionisation par poussée.

Simultanément aux processus d'ionisation, des processus de déionisation se produisent en raison de la recombinaison (le contact mutuel des particules "-" et "+" conduit à leur fusion en un atome neutre) et de la diffusion (les électrons sortent de l'arbre de l'arc dans l'environnement extérieur, où ils sont absorbé dans des conditions normales).

Un facteur essentiel pour la poursuite de l'arc dans notre cas est l'ionisation thermique, donc, pour éteindre la décharge le refroidissement de son tronc est appliqué(contact avec un matériau à haute conductivité thermique), ainsi que l'allongement l'arc lui-même dans l'espace qui lui est alloué.

Méthodes d'extinction d'un arc électrique

Pour limiter l'impact négatif de l'arc électrique sur les contacts de l'appareil de coupure et de ses composants, l'arc doit être éteint le plus tôt possible. Les impacts négatifs incluent :

  • températures élevées (fusion, évaporation du matériau de contact);
  • la création d'isthmes conducteurs de courant électrique (l'arc conduit facilement le courant, il peut donc le conduire dans des zones qui ne conduisent pas de courant pendant le fonctionnement normal);
  • violation du circuit électrique normal de l'appareil (destruction de l'isolation).

Arc est une manifestation particulière d'un des états de la matière, appelé plasma. Le canon à arc a des températures élevées et une grande quantité d'ions libres. Depuis le principal le facteur qui prolonge la combustion est l'ionisation thermique, alors vous devez intensément refroidir le baril arc électrique. A ces fins, dans les dispositifs de commutation appliquer le constructif suivant solutions:

  • soufflage magnétique ou injection de liquide de refroidissement ou de gaz afin d'allonger l'arc (b à propos Plus grande surface, plus de chaleur se dissipe
  • une grille déionique ou un ensemble de plaques d'acier profilées qui fonctionnent simultanément comme radiateurs et divisent l'arc en composants séparés;
  • chambre d'arc à fente, réalisée dans un matériau à haute conductivité thermique et résistant aux hautes températures (un arc électrique, au contact du matériau de la chambre, dégage de l'énergie thermique) ;
  • création d'un espace clos à partir d'un matériau qui libère du gaz sous l'influence de la température (une pression de gaz élevée empêche l'arc de brûler);
  • alliages de contact spéciaux pour réduire la teneur en métaux du plasma ;
  • pomper l'air de l'espace de contact proche pour créer un vide (pas de substance - pas d'ionisation) ;
  • dans les appareils à courant alternatif, ouvert au moment où le courant passe par zéro (moins d'énergie pour créer un arc);
  • introduire dans l'entrefer, entre les contacts divergents, des semi-conducteurs qui percevront le courant et ne permettront pas à l'arc de s'embraser ;
  • appliquer une double coupure dans le circuit (en excluant une partie du conducteur du circuit, la distance entre la cathode et l'anode augmente instantanément et de manière significative).

Bibliographie

Markov A.M. Appareils électriques et électroniques. Partie 1. Dispositifs électromécaniques. - Pskov : Pskov GU Publishing House, 2013 - 128 s (lien vers le livre sur la page "Liste de prix").

Dans les appareils de commutation électriques conçus pour fermer et ouvrir un circuit avec du courant, lorsqu'il est déconnecté, un decharge electrique sous forme de gaz ou sous forme de décharge luminescente, ou sous la forme arcs. Une décharge luminescente se produit lorsque le courant est inférieur à 0,1 A et que la tension aux contacts est de 250-300 V. La décharge luminescente se produit aux contacts des relais de faible puissance. La décharge d'arc n'est observée qu'à des courants élevés. Le courant minimum pour les métaux est de 0,4 à 0,9 A.


Dans une décharge en arc, trois régions sont distinguées : près de la cathode, la région du puits d'arc et près de l'anode (Fig. 15).

Riz. 15. Zones de décharge d'arc

Région proche de la cathode occupe un très petit espace (la longueur totale de celui-ci et de la région de l'anode est d'environ 10 -6 m). La chute de tension à ses bornes est de 10-20V et ne dépend pratiquement pas du courant. L'intensité moyenne du champ électrique atteint 100 kV/cm. Une telle intensité de champ électrique très élevée, suffisante pour l'ionisation par impact de gaz (air à pression atmosphérique normale) ou de vapeurs du matériau de cathode, est due à la présence d'une charge d'espace positive non compensée dans cette région. Cependant, en raison de la faible étendue de la région proche de la cathode, les électrons n'acquièrent pas une vitesse suffisante pour l'ionisation par impact. Le plus souvent, après l'impact, l'atome passe dans un état excité (l'électron de l'atome va sur une orbite plus éloignée du noyau). Maintenant, moins d'énergie est nécessaire pour ioniser l'atome excité. Cette ionisation est appelée fait un pas. Avec l'ionisation par étapes, plusieurs impacts (plusieurs dizaines) d'électrons sur un atome sont nécessaires.

La présence d'une charge d'espace positive non compensée détermine en grande partie la densité de courant extrêmement élevée à la cathode - 100-1000 A/mm 2 .

Les ions positifs sont accélérés dans le champ de chute de tension de la cathode et bombardent la cathode. Lors de l'impact, les ions cèdent leur énergie à la cathode, la chauffant et créant des conditions pour la libération d'électrons. émission thermioniqueélectrons de la cathode .

Zone de l'arbre de l'arc est un milieu-plasma quasi-neutre ionisé, gazeux, excité thermiquement, dans lequel, sous l'influence d'un champ électrique, des porteurs de charge (électrons et ions) se déplacent vers les électrodes de signe opposé.

L'intensité moyenne du champ électrique est d'environ 20 à 30 V/cm, ce qui n'est pas suffisant pour l'ionisation par impact. La principale source d'électrons et d'ions est l'ionisation thermique, lorsqu'à haute température la vitesse des particules neutres augmente tellement que lorsqu'elles entrent en collision, elles sont ionisées.

Région anodique, qui a une très faible étendue, se caractérise également par une forte chute de potentiel due à la présence d'une charge d'espace négative non compensée. Les électrons sont accélérés dans le champ de chute de tension de l'anode et bombardent l'anode qui est portée à une température généralement supérieure à la température de la cathode. La région proche de l'anode n'a pas d'effet significatif sur l'apparition et l'existence d'une décharge en arc. La tâche de l'anode est de recevoir le flux d'électrons de l'arbre de l'arc.



Si U c<(U к +U А), то дуга называется короткой, она характерна для некоторых низковольтных аппаратов.

Si U c > (U à + U A), alors l'arc est dit long, il est typique des appareils à haute tension.

Caractéristique courant-tension statique- Établit une relation entre différentes valeurs de courant continu en régime permanent et la chute de tension à travers l'arc à une longueur d'arc constante et des conditions de combustion d'arc constantes. Dans ce cas, à chaque valeur du courant continu en régime établi, un bilan thermique s'établit (la quantité de chaleur dégagée dans l'arc est égale à la quantité de chaleur dégagée par l'arc vers l'environnement)

où m- indicateur selon le type (méthode) d'impact environnemental sur le puits d'arc ; Suis est une constante déterminée par l'intensité du transfert de chaleur dans la zone du puits d'arc à un ( m) le mode d'exposition à l'environnement ; l- longueur de l'arc.

La caractéristique a un caractère décroissant. Avec une augmentation de l'intensité du courant, l'émission thermionique d'électrons de la cathode et le degré d'ionisation de l'arc augmentent, ce qui entraîne une diminution de la résistance de l'arc. De plus, le taux de diminution de la résistance de l'arc est supérieur au taux de croissance du courant.

Caractéristique courant-tension dynamique- établit une relation entre le courant, qui évolue d'une certaine manière dans le temps, et la chute de tension aux bornes de l'arc à longueur d'arc constante et conditions constantes de sa combustion. Dans ce cas, la vitesse de variation du courant est telle que le bilan thermique n'a pas le temps de s'établir, la variation de la résistance de l'arc est en retard par rapport à la variation du courant.

Avec l'augmentation du courant, la caractéristique dynamique (courbe B sur la Fig. 16) dépasse la caractéristique statistique (courbe A sur la Fig. 16), car avec une augmentation rapide du courant, la résistance de l'arc diminue plus lentement que le courant n'augmente. Avec une diminution, il est plus faible, car dans ce mode, la résistance de l'arc est inférieure à celle d'une variation lente du courant (courbe C sur la Fig. 16).


La réponse dynamique est largement déterminée par le taux de variation du courant dans l'arc. Si une très grande résistance est introduite dans le circuit pendant un temps infiniment petit par rapport à la constante de temps thermique de l'arc, alors pendant le temps où le courant tombe à zéro, la résistance de l'arc restera constante. dans ce cas, la caractéristique dynamique sera représentée par une droite passant à l'origine des coordonnées (droite D sur la Fig. 16), c'est-à-dire que l'arc se comporte comme un conducteur métallique, puisque la tension aux bornes de l'arc est proportionnelle à la courant.

Conditions pour une combustion et une extinction stables de l'arc DC. Considérons un circuit à courant continu (Fig. 17).

Fig.17. Arc dans le circuit CC

Pour le circuit considéré

De toute évidence, le mode stationnaire, lorsque l'arc brûle de manière stable, sera celui dans lequel le courant dans le circuit ne change pas, c'est-à-dire Dans ce mode, le taux de croissance du nombre de particules ionisées est égal au taux de leur disparition à la suite des processus de déionisation - un équilibre dynamique est établi.

Le graphique montre la caractéristique courant-tension décroissante de l'arc et la ligne droite inclinée U-iR. De (48) il résulte que

De là, il est évident qu'aux points 1 et 2. De plus, le point 1 est un point d'équilibre instable ; des déviations aléatoires et arbitrairement petites du courant conduisent soit à une augmentation du courant à une valeur je 2, ou le réduire à zéro. Au point 2, l'arc brûle de manière stable ; de petites déviations aléatoires du courant dans un sens ou dans un autre le ramènent à la valeur je 2. On peut voir sur le graphique que l'arc à toutes les valeurs de courant ne peut pas brûler de manière stable si la chute de tension aux bornes de l'arc () dépasse la tension fournie à l'arc depuis la source ()

Ainsi, pour éteindre l'arc, il est nécessaire de créer des conditions dans lesquelles la chute de tension aux bornes de l'arc dépasserait la tension fournie à l'arc depuis la source, dans la limite de la tension du secteur.

Trois phénomènes sont utilisés pour éteindre l'arc:

1. Augmenter la longueur de l'arc en l'étirant.

Plus l'arc est long, plus la tension nécessaire à son existence est importante (plus sa caractéristique courant-tension est élevée - (courbe U 1 d sur la figure 17). Si la tension fournie à l'arc à partir de la source (droite) s'avère inférieure à la caractéristique courant-tension de l'arc - (courbe U 1 e), alors il n'y a pas de conditions pour une combustion stable de l'arc, l'arc s'éteint.

C'est le moyen le plus simple, mais le plus inefficace. Par exemple, pour, par exemple, éteindre un arc avec un courant de 100A à une tension de 220 V, il est nécessaire d'étirer l'arc sur une distance de 25 ÷ 30 cm, ce qui est pratiquement impossible à faire dans les appareils électriques (les dimensions augmentent). Par conséquent, cette méthode est utilisée comme les principaux seuls appareils électriques basse tension (relais, démarreurs magnétiques, interrupteurs).

2. Impact sur l'arbre de l'arc par refroidissement, réalisant une augmentation du gradient de contrainte longitudinal.


2.1 Extinction d'arc dans des espaces étroits(Fig. 18). Si l'arc brûle dans une fente étroite formée par un matériau résistant à l'arc, alors en raison du contact avec des surfaces froides, un refroidissement intensif et une diffusion de particules chargées du canal d'arc dans l'environnement se produisent. Cela conduit à l'extinction de l'arc. La méthode est utilisée dans les appareils pour une tension jusqu'à 1000V.

Riz. 18. Extinction de l'arc dans les fentes étroites

2.2 Extinction d'arc dans l'huile(fig.19) . Si les contacts du dispositif de déconnexion sont placés dans l'huile, l'arc qui se produit lors de l'ouverture entraîne une formation intensive de gaz et une évaporation de l'huile. Une bulle de gaz se forme autour de l'arc, constituée principalement d'hydrogène, qui possède des propriétés d'extinction d'arc élevées. L'augmentation de la pression à l'intérieur de la bulle de gaz contribue à un meilleur refroidissement de l'arc et à son extinction. La méthode est utilisée dans les appareils pour des tensions supérieures à 1000V.


2.3 Soufflage gaz-air(fig.20) . Le refroidissement de l'arc est amélioré si un mouvement directionnel des gaz est créé - soufflant le long ou à travers l'arc .

Fig. 20. Souffle gaz-air: a - le long de l'arc, b - à travers l'arc .

La méthode est utilisée dans les appareils pour des tensions supérieures à 1000V.

3. Utilisation d'une chute de tension proche de l'électrode.

Diviser un long arc en une série de courts(Fig. 21). Si un long arc est tiré dans une goulotte d'arc ayant des plaques métalliques (grille d'arc), alors il sera divisé en P arcs courts. Des chutes de tension près des électrodes se produisent au niveau de chaque plaque de réseau. En raison de la somme des chutes de tension près des électrodes, la chute de tension totale devient supérieure à celle donnée par la source d'alimentation et l'arc s'éteint. L'arc s'éteint si tu où tu- tension secteur : Votre chat- chute de tension cathodique (20-25 V en arc DC ; 150-250 V en arc AC). La méthode est utilisée dans les appareils pour des tensions supérieures à 1000V.


Fig.21. Diviser un long arc en une série de courts

L'extinction de l'arc est facilitée par des gaz à haute décharge ou des gaz à haute pression utilisés comme isolation interne des appareils pour des tensions supérieures à 1000V.

Extinction d'arc sous vide. Un gaz fortement déchargé a une intensité électrique dix fois supérieure à un gaz à pression atmosphérique ; il est utilisé dans les contacteurs et interrupteurs sous vide.

Extinction d'arc dans les gaz à haute pression. L'air à une pression de 2 MPa ou plus a une résistance électrique élevée, ce qui permet de créer des dispositifs d'extinction compacts dans les disjoncteurs à air. L'utilisation d'hexafluorure de soufre SF 6 (SF6) est efficace pour l'extinction des arcs.

Conditions d'extinction de l'arc AC.

Laissez les contacts se séparer au point a. Un arc s'enflamme entre eux. À la fin du demi-cycle, en raison d'une diminution du courant, la résistance de l'arbre à arc augmente et, par conséquent, la tension aux bornes de l'arc augmente. Lorsque le courant approche de zéro, une faible puissance est fournie à l'arc, la température de l'arc diminue, l'ionisation thermique ralentit en conséquence et les processus de déionisation s'accélèrent - l'arc s'éteint (point 0 ). Le courant dans le circuit s'interrompt avant son passage naturel par zéro. Tension correspondant à l'interruption de courant - pic d'amortissement U g.


Riz. 22. Extinction de l'arc AC avec charge active

Une fois l'arc éteint, le processus de restauration de la rigidité électrique de l'entrefer de l'arc se produit (courbe a 1 - b 1). Sous l'intensité électrique de l'intervalle d'arc, on entend la tension à laquelle se produit un claquage électrique de l'intervalle d'arc. L'intensité électrique initiale (point a 1) et la vitesse de son augmentation dépendent des propriétés du dispositif d'extinction d'arc. Sur le moment t1 la courbe de tension sur l'intervalle d'arc coupe la courbe de restauration de la rigidité électrique de l'intervalle d'arc - l'arc est amorcé. Tension d'allumage de l'arc - Pic d'allumage Nous. La courbe de tension d'arc a une forme de selle.

À ce point 0 1 l'arc s'éteint à nouveau et des processus similaires à ceux décrits précédemment se produisent. A l'instant 0 1 en raison de la divergence des contacts, la longueur de l'arc augmente, l'évacuation de la chaleur de l'arc augmente, respectivement, et la résistance électrique initiale (point a 2) et le taux de son augmentation (courbe a 2 - en 2) augmenter en conséquence. En conséquence, le temps mort augmente également. 0 1 - t2 > 0 -t1 .

Sur le moment t2 l'arc se rallume. À ce point 0 11 l'arc est éteint. L'intensité électrique initiale augmente à nouveau (point a 3) et la vitesse de son augmentation (courbe a 3 -b 3). La courbe de tension ne croise pas la courbe d'augmentation de la rigidité diélectrique. L'arc ne s'allume pas pendant ce demi-cycle.

Dans un arc ouvert à haute tension(entrefer), le facteur déterminant est la résistance active d'un arbre d'arc fortement étiré.Les conditions d'extinction de l'arc AC se rapprochent des conditions d'extinction de l'arc DC, et les processus après le passage du courant par zéro ont peu d'effet sur l'extinction de l'arc.

Avec une charge inductive, le temps mort est très faible (environ 0,1 µs), c'est-à-dire que l'arc brûle presque en continu. Déconnecter une charge inductive est plus difficile qu'une charge résistive. Il n'y a pas d'interruption ici.

En général, le processus d'arc sur courant alternatif est plus facile que sur courant continu. Une condition rationnelle d'extinction d'un arc de courant alternatif doit être considérée comme telle lorsque l'extinction est effectuée au premier passage par zéro du courant après ouverture des contacts.

Questions pour l'auto-examen :

· Zones de décharge d'arc.

· Caractéristique courant-tension statique.

· Caractéristique courant-tension dynamique.

· Conditions pour une combustion stable et l'extinction de l'arc DC.

Quels sont les phénomènes utilisés pour éteindre l'arc ?

· Conditions d'extinction de l'arc AC.

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