tensione d'arco. Cos'è un arco elettrico e come si forma

22 agosto 2012 alle 10:00

Quando un circuito elettrico viene aperto, si verifica una scarica elettrica sotto forma di arco elettrico. Per la comparsa di un arco elettrico, è sufficiente che la tensione ai contatti sia superiore a 10 V con una corrente nel circuito dell'ordine di 0,1 A o più. A tensioni e correnti significative, la temperatura all'interno dell'arco può raggiungere 10 ... 15 mila ° C, a seguito della quale i contatti e le parti che trasportano corrente si sciolgono.

A tensioni di 110 kV e oltre, la lunghezza dell'arco può raggiungere diversi metri. Pertanto, un arco elettrico, specialmente nei circuiti di potenza ad alta potenza, a tensioni superiori a 1 kV è un grande pericolo, sebbene gravi conseguenze possano verificarsi in installazioni a tensioni inferiori a 1 kV. Di conseguenza, l'arco elettrico deve essere limitato il più possibile e spento rapidamente nei circuiti per tensioni sia superiori che inferiori a 1 kV.

Cause di un arco elettrico

Il processo di formazione di un arco elettrico può essere semplificato come segue. Quando i contatti divergono, la pressione di contatto e, di conseguenza, la superficie di contatto prima diminuisce, la resistenza di contatto aumenta (iniziano la densità di corrente e la temperatura - il surriscaldamento locale (in alcune parti dell'area di contatto), che contribuisce ulteriormente all'emissione termoionica, quando, sotto l'influenza dell'alta temperatura, la velocità degli elettroni aumenta e eruttano dalla superficie dell'elettrodo.

Al momento della divergenza dei contatti, cioè un'interruzione del circuito, la tensione viene rapidamente ripristinata sulla distanza tra i contatti. Poiché la distanza tra i contatti è piccola, si verifica un campo elettrico ad alta intensità, sotto l'influenza del quale gli elettroni fuoriescono dalla superficie dell'elettrodo. Accelerano in un campo elettrico e, quando colpiscono un atomo neutro, gli conferiscono la loro energia cinetica. Se questa energia è sufficiente per strappare almeno un elettrone dal guscio di un atomo neutro, si verifica il processo di ionizzazione.

Gli elettroni e gli ioni liberi risultanti costituiscono il plasma dell'albero dell'arco, ovvero il canale ionizzato in cui brucia l'arco e viene assicurato il movimento continuo delle particelle. In questo caso, particelle cariche negativamente, principalmente elettroni, si muovono in una direzione (verso l'anodo), e atomi e molecole di gas, prive di uno o più elettroni - particelle cariche positivamente - nella direzione opposta (verso il catodo). La conducibilità del plasma è vicina a quella dei metalli.

Una grande corrente scorre nell'albero dell'arco e viene generata una temperatura elevata. Una tale temperatura dell'albero dell'arco porta alla ionizzazione termica: il processo di formazione di ioni dovuto alla collisione di molecole e atomi con un'elevata energia cinetica ad alte velocità del loro movimento (molecole e atomi del mezzo in cui l'arco brucia decadono in elettroni e ioni con carica positiva). L'intensa ionizzazione termica mantiene un'elevata conduttività del plasma. Pertanto, la caduta di tensione lungo la lunghezza dell'arco è piccola.

In un arco elettrico procedono continuamente due processi: oltre alla ionizzazione, c'è anche la deionizzazione di atomi e molecole. Quest'ultimo avviene principalmente per diffusione, cioè il trasferimento di particelle cariche nell'ambiente, e la ricombinazione di elettroni e ioni caricati positivamente, che si ricombinano in particelle neutre con il ritorno dell'energia spesa per il loro decadimento. In questo caso, il calore viene rimosso nell'ambiente.

Pertanto, si possono distinguere tre fasi del processo in esame: accensione dell'arco, quando, a causa della ionizzazione per impatto e dell'emissione di elettroni dal catodo, inizia una scarica d'arco e l'intensità di ionizzazione è superiore alla deionizzazione, combustione stabile dell'arco, supportata dalla ionizzazione termica nell'albero dell'arco, quando l'intensità della ionizzazione e della deionizzazione è la stessa, estinzione dell'arco quando l'intensità della deionizzazione è superiore alla ionizzazione.

Metodi per l'estinzione dell'arco nei dispositivi elettrici di commutazione

Per disconnettere gli elementi del circuito elettrico ed escludere quindi danni al dispositivo di commutazione, è necessario non solo aprire i suoi contatti, ma anche estinguere l'arco che si forma tra di loro. I processi di estinzione dell'arco, così come la combustione, sono diversi per corrente alternata e continua. Ciò è determinato dal fatto che nel primo caso la corrente nell'arco passa per zero ogni semiciclo. In questi momenti, il rilascio di energia nell'arco si interrompe e l'arco si spegne spontaneamente ogni volta, per poi riaccendersi.

In pratica, la corrente nell'arco si avvicina allo zero un po' prima del passaggio per lo zero, poiché quando la corrente diminuisce, l'energia fornita all'arco diminuisce, la temperatura dell'arco diminuisce di conseguenza e la ionizzazione termica si interrompe. In questo caso, il processo di deionizzazione procede intensamente nel gap dell'arco. Se al momento si aprono e si separano rapidamente i contatti, è possibile che non si verifichi il successivo guasto elettrico e il circuito verrà disconnesso senza arco. Tuttavia, è estremamente difficile farlo in pratica, e quindi vengono prese misure speciali per accelerare l'estinzione dell'arco, che assicurano il raffreddamento dello spazio dell'arco e una diminuzione del numero di particelle cariche.

Come risultato della deionizzazione, la rigidità dielettrica del gap aumenta gradualmente e, allo stesso tempo, aumenta la tensione di recupero ai suoi capi. Dipende dal rapporto di questi valori se l'arco si accenderà per la metà successiva del periodo o meno. Se la rigidità dielettrica del gap aumenta più velocemente ed è maggiore della tensione di ripristino, l'arco non si accenderà più, altrimenti l'arco sarà stabile. La prima condizione definisce il problema dell'estinzione dell'arco.

Nei dispositivi di commutazione vengono utilizzati vari metodi di spegnimento dell'arco.

Estensione dell'arco

Quando i contatti divergono nel processo di spegnimento del circuito elettrico, l'arco che si è formato si allunga. In questo caso, le condizioni per il raffreddamento dell'arco sono migliorate, poiché la sua superficie aumenta e per la combustione è necessaria una maggiore tensione.

Dividere un arco lungo in una serie di archi corti

Se l'arco formato all'apertura dei contatti viene suddiviso in K archi corti, ad esempio stringendolo in una griglia metallica, si spegnerà. L'arco viene solitamente trascinato in un reticolo metallico sotto l'influenza di un campo elettromagnetico indotto nelle piastre del reticolo da correnti parassite. Questo metodo di spegnimento dell'arco è ampiamente utilizzato nei dispositivi di commutazione per tensioni inferiori a 1 kV, in particolare negli interruttori automatici aperti.

Raffreddamento ad arco in fessure strette

L'estinzione dell'arco in un piccolo volume è facilitata. Pertanto, gli scivoli ad arco con fessure longitudinali sono ampiamente utilizzati nei dispositivi di commutazione (l'asse di tale fenditura coincide in direzione con l'asse dell'albero dell'arco). Tale spazio è solitamente formato in camere realizzate con materiali isolanti resistenti all'arco. A causa del contatto dell'arco con superfici fredde, si verificano il suo raffreddamento intensivo, la diffusione di particelle cariche nell'ambiente e, di conseguenza, una rapida deionizzazione.

Oltre alle fessure con pareti parallele al piano, vengono utilizzate anche fessure con nervature, sporgenze ed estensioni (tasche). Tutto ciò porta alla deformazione dell'albero dell'arco e contribuisce ad aumentare l'area del suo contatto con le pareti fredde della camera.

Il disegno dell'arco in fessure strette di solito avviene sotto l'influenza di un campo magnetico che interagisce con l'arco, che può essere considerato un conduttore di corrente.

Un campo magnetico esterno per muovere l'arco è spesso fornito da una bobina collegata in serie con i contatti tra i quali si verifica l'arco. L'estinzione dell'arco in fessure strette viene utilizzata nei dispositivi per tutte le tensioni.

Spegnimento dell'arco ad alta pressione

A temperatura costante, il grado di ionizzazione del gas diminuisce all'aumentare della pressione, mentre aumenta la conducibilità termica del gas. A parità di altre condizioni, questo porta ad un maggiore raffreddamento dell'arco. L'estinzione dell'arco con l'aiuto dell'alta pressione, creata dall'arco stesso in camere ben chiuse, è ampiamente utilizzata nei fusibili e in numerosi altri dispositivi.

Spegnimento dell'arco in olio

Se i contatti dell'interruttore sono posti in olio, l'arco che si verifica quando si aprono porta a un'intensa evaporazione dell'olio. Di conseguenza, attorno all'arco si forma una bolla di gas (guscio), costituita principalmente da idrogeno (70 ... 80%), oltre a vapore d'olio. I gas emessi ad alta velocità penetrano direttamente nella zona dell'albero dell'arco, provocano la miscelazione di gas freddo e caldo nella bolla, forniscono un raffreddamento intensivo e, di conseguenza, la deionizzazione dell'intervallo dell'arco. Inoltre, la capacità deionizzante dei gas aumenta la pressione creata durante la rapida decomposizione dell'olio all'interno della bolla.

L'intensità del processo di estinzione dell'arco nell'olio è maggiore, più l'arco entra in contatto con l'olio e più velocemente si muove rispetto all'arco. Detto questo, il divario dell'arco è limitato da un dispositivo isolante chiuso: uno scivolo ad arco. In queste camere viene creato un contatto più stretto dell'olio con l'arco e, con l'aiuto di piastre isolanti e fori di scarico, si formano canali di lavoro attraverso i quali si muovono olio e gas, fornendo un'intensa soffiatura (soffiaggio) dell'arco.

Secondo il principio di funzionamento, gli scivoli ad arco sono divisi in tre gruppi principali: con soffiaggio automatico, quando si creano alta pressione e velocità di movimento del gas nella zona dell'arco a causa dell'energia rilasciata nell'arco, con soffiaggio forzato dell'olio utilizzando speciali meccanismi idraulici di pompaggio, con spegnimento magnetico in olio, quando l'arco sotto l'azione del campo magnetico si sposta in fessure strette.

Gli scivoli ad arco più efficienti e semplici con autosoffiaggio. A seconda della posizione dei canali e dei fori di scarico, si distinguono le camere in cui è previsto il soffiaggio intensivo della miscela gas-vapore e dell'olio lungo l'arco (esplosione longitudinale) o attraverso l'arco (esplosione trasversale). I metodi considerati per l'estinzione dell'arco sono ampiamente utilizzati negli interruttori automatici per tensioni superiori a 1 kV.

Altri modi per spegnere l'arco in dispositivi per tensioni superiori a 1 kV

Oltre ai metodi di spegnimento dell'arco sopra descritti, utilizzano anche: aria compressa, il cui flusso soffia lungo o attraverso l'arco, fornendo il suo raffreddamento intensivo (al posto dell'aria vengono utilizzati anche altri gas, spesso ottenuti da gas solido- materiali che generano - fibra, plastica vinilica, ecc. - perché a causa della loro decomposizione da parte dell'arco di combustione stesso), SF6 (esafluoruro di zolfo), che ha una forza elettrica maggiore dell'aria e dell'idrogeno, per cui l'arco che brucia in questo il gas, anche a pressione atmosferica, si estingue rapidamente, gas altamente rarefatto (vuoto), all'apertura di contatti in cui l'arco non si riaccende (si spegne) dopo il primo passaggio della corrente per zero.

Ultime pubblicazioni

Ciao a tutti i visitatori del mio blog. L'argomento dell'articolo di oggi è un arco elettrico e la protezione contro un arco elettrico. L'argomento non è casuale, scrivo dall'ospedale Sklifosovsky. Indovina perchè?

Cos'è un arco elettrico

Questo è uno dei tipi di scarica elettrica in un gas (un fenomeno fisico). Viene anche chiamato - Scarica ad arco o arco voltaico. È costituito da gas ionizzato elettricamente quasi neutro (plasma).

Può verificarsi tra due elettrodi quando la tensione tra di loro aumenta o quando si avvicinano l'uno all'altro.

Brevemente circa proprietà: temperatura dell'arco elettrico, da 2500 a 7000 °C. Non una piccola temperatura, tuttavia. L'interazione dei metalli con il plasma porta a riscaldamento, ossidazione, fusione, evaporazione e altri tipi di corrosione. Accompagnato da radiazioni luminose, onde d'urto e d'urto, temperature ultra elevate, rilascio di fuoco, ozono e anidride carbonica.

Ci sono molte informazioni su Internet su cos'è un arco elettrico, quali sono le sue proprietà, se sei interessato a maggiori dettagli, guarda. Ad esempio, in en.wikipedia.org.

Ora riguardo al mio incidente. È difficile da credere, ma 2 giorni fa ho incontrato direttamente questo fenomeno e senza successo. È stato così: il 21 novembre, al lavoro, mi è stato chiesto di fare il cablaggio delle lampade nella scatola di derivazione, per poi collegarle alla rete. Non ci sono stati problemi con il cablaggio, ma quando sono entrato nello scudo, sono emerse alcune difficoltà. Peccato che l'androyd si sia dimenticato di casa, non abbia fatto una foto al quadro elettrico, altrimenti sarebbe più chiaro. Forse farò di più quando andrò al lavoro. Quindi, lo scudo era molto vecchio: 3 fasi, bus zero (ovvero messa a terra), 6 automi e un interruttore di pacchetto (sembra che tutto sia semplice), la condizione inizialmente non era credibile. Ho lottato a lungo con una gomma zero, dato che tutti i bulloni erano arrugginiti, dopodiché ho messo facilmente la fase sulla macchina. Va tutto bene, ho controllato le lampade, funzionano.

Dopodiché, tornò allo scudo per posare con cura i fili e chiuderlo. Voglio notare che il quadro elettrico era ad un'altezza di ~ 2 metri, in un passaggio stretto, e per arrivarci ho usato una scala a pioli (scala). Posando i fili, ho trovato scintille sui contatti di altre macchine, che hanno fatto lampeggiare le lampade. Di conseguenza, ho esteso tutti i contatti e ho continuato a ispezionare i fili rimanenti (per farlo una volta e non tornarci più). Avendo scoperto che un contatto sulla borsa ha una temperatura elevata, ho deciso di allungarlo anch'io. Ho preso un cacciavite, l'ho appoggiato alla vite, l'ho girato, botto! C'è stata un'esplosione, un lampo, sono stato rigettato all'indietro, colpendo il muro, sono caduto a terra, non si vedeva nulla (accecato), lo scudo non smetteva di esplodere e ronzare. Perché la protezione non ha funzionato non lo so. Sentendo le scintille che cadevano su di me, ho capito che dovevo uscire. Sono uscito al tatto, strisciando. Uscito da questo stretto passaggio, cominciò a chiamare il suo compagno. Già in quel momento sentivo che qualcosa non andava con la mia mano destra (con essa tenevo un cacciavite), si sentiva un dolore terribile.

Insieme al mio compagno, abbiamo deciso che dovevamo correre al posto di pronto soccorso. Quello che è successo dopo, penso che non valga la pena dirlo, hanno appena punto e sono andati in ospedale. Non dimenticherò mai quel terribile suono di un lungo cortocircuito - prurito con ronzio.

Ora sono in ospedale, ho un'abrasione al ginocchio, i dottori pensano che fossi scioccato, questa è una via d'uscita, quindi controllano il mio cuore. Credo che la corrente non mi abbia battuto, ma l'ustione al braccio è stata causata da un arco elettrico che si è generato durante il cortocircuito.

Cosa è successo lì, perché è successo il cortocircuito, non lo so ancora, penso che quando la vite è stata girata, il contatto stesso si è spostato e si è verificato un cortocircuito fase-fase, oppure c'era un filo scoperto dietro il pacchetto interruttore e quando la vite si è avvicinata arco elettrico. Lo scoprirò più tardi se lo risolvono.

Accidenti, sono andato a vestirmi, mi hanno avvolto così tanto la mano che ora scrivo con una rimasta)))

Non ho fatto una foto senza bende, non è uno spettacolo molto piacevole. Non voglio spaventare gli elettricisti principianti ....

Quali sono le misure di protezione dall'arco elettrico che potrebbero proteggermi? Dopo aver analizzato Internet, ho visto che il mezzo più popolare per proteggere le persone negli impianti elettrici da un arco elettrico è una tuta resistente al calore. In Nord America sono molto popolari gli speciali interruttori automatici Siemens, che proteggono sia da un arco elettrico che dalla corrente massima. In Russia, al momento, tali macchine vengono utilizzate solo nelle sottostazioni ad alta tensione. Nel mio caso mi basterebbe un guanto dielettrico, ma pensa tu stesso come collegare le lampade al loro interno? È molto scomodo. Consiglio anche l'uso di occhiali per proteggere gli occhi.

Negli impianti elettrici, la lotta contro un arco elettrico viene effettuata utilizzando interruttori automatici del vuoto e dell'olio, nonché utilizzando bobine elettromagnetiche insieme a scivoli d'arco.

È tutto? Non! Il modo più affidabile per proteggersi da un arco elettrico, secondo me, è lavoro di sollievo dallo stress . Non so voi, ma non lavorerò più sotto stress...

Questo è il mio articolo arco elettrico e protezione dall'arco voltaico finisce. C'è qualcosa da aggiungere? Lascia un commento.

Nel libro "Notizie di esperimenti galvanico-voltaici per mezzo di un'enorme batteria, a volte composta da 4200 cerchi di rame e zinco" (San Pietroburgo, 1803). Un arco elettrico è un caso speciale della quarta forma dello stato della materia - plasma - ed è costituito da un gas ionizzato, elettricamente quasi neutro. La presenza di cariche elettriche libere garantisce la conducibilità dell'arco elettrico.

fenomeni fisici

Un arco elettrico tra due elettrodi in aria a pressione atmosferica si forma come segue:

Quando la tensione tra i due elettrodi aumenta a un certo livello nell'aria, si verifica un'interruzione elettrica tra gli elettrodi. La tensione di rottura elettrica dipende dalla distanza tra gli elettrodi e altri fattori. Il potenziale di ionizzazione del primo elettrone degli atomi di metallo è di circa 4,5 - 5 V e la tensione dell'arco è doppia (9 - 10 V). È necessario spendere energia per l'uscita di un elettrone dall'atomo di metallo di un elettrodo e per la ionizzazione dell'atomo del secondo elettrodo. Il processo porta alla formazione di un plasma tra gli elettrodi e alla combustione di un arco (per confronto: la tensione minima per la formazione di una scarica di scintille supera leggermente il potenziale di uscita dell'elettrone - fino a 6 V).

Per avviare un guasto alla tensione disponibile, gli elettrodi vengono avvicinati l'uno all'altro. Durante un guasto, di solito si verifica una scarica di scintille tra gli elettrodi, che chiude a impulsi il circuito elettrico. Gli elettroni nelle scariche di scintille ionizzano le molecole nel traferro tra gli elettrodi. Con una potenza sufficiente della sorgente di tensione nel traferro, si forma una quantità sufficiente di plasma per un calo significativo della tensione di rottura o della resistenza del traferro. In questo caso, le scariche di scintille si trasformano in una scarica ad arco: un cavo di plasma tra gli elettrodi, che è un tunnel di plasma. L'arco risultante è, infatti, un conduttore e chiude il circuito elettrico tra gli elettrodi. Di conseguenza, la corrente media aumenta ancora di più, riscaldando l'arco fino a 5000-50000. In questo caso si considera che l'accensione dell'arco sia completata. Dopo l'accensione, la combustione stabile dell'arco è assicurata dall'emissione termoionica dal catodo riscaldato dalla corrente e dal bombardamento ionico.

Dopo l'accensione, l'arco può rimanere stabile quando i contatti elettrici sono separati fino a una certa distanza.

L'interazione degli elettrodi con il plasma ad arco porta al loro riscaldamento, fusione parziale, evaporazione, ossidazione e altri tipi di corrosione.

Durante il funzionamento di impianti elettrici ad alta tensione, in cui la comparsa di un arco elettrico è inevitabile quando si commuta un circuito elettrico, la lotta contro di esso viene effettuata utilizzando bobine elettromagnetiche combinate con scivoli ad arco. Tra gli altri metodi, è noto l'uso di interruttori in vuoto, in aria, in SF6 e in olio, nonché metodi per deviare la corrente su un carico temporaneo che interrompe in modo indipendente il circuito elettrico.

Struttura ad arco

L'arco elettrico è costituito da regioni di catodo e anodo, colonna d'arco, regioni di transizione. Lo spessore della regione anodica è di 0,001 mm, la regione del catodo è di circa 0,0001 mm.

La temperatura nella regione dell'anodo durante la saldatura dell'elettrodo di consumo è di circa 2500 ... 4000 ° C, la temperatura nella colonna dell'arco è compresa tra 7000 e 18 000 ° C, nella regione del catodo - 9000 - 12000 ° C.

La colonna dell'arco è elettricamente neutra. In una qualsiasi delle sue sezioni vi è lo stesso numero di particelle cariche di segno opposto. La caduta di tensione nella colonna dell'arco è proporzionale alla sua lunghezza.

Gli archi di saldatura sono classificati in base a:

  • Materiali per elettrodi - con un elettrodo consumabile e non consumabile;
  • Gradi di compressione della colonna - arco libero e compresso;
  • A seconda della corrente utilizzata - arco di corrente continua e arco di corrente alternata;
  • Secondo la polarità della corrente elettrica continua - polarità diretta ("-" sull'elettrodo, "+" - sul prodotto) e polarità inversa;
  • Quando si utilizza la corrente alternata - archi monofase e trifase.

Arco autoregolante

Quando si verifica un disturbo esterno - una variazione della tensione di rete, della velocità di avanzamento del filo, ecc. - si verifica una violazione dell'equilibrio stabilito tra la velocità di alimentazione e la velocità di fusione. Con un aumento della lunghezza dell'arco nel circuito, la corrente di saldatura e la velocità di fusione del filo dell'elettrodo diminuiscono e la velocità di avanzamento, rimanendo costante, diventa maggiore della velocità di fusione, il che porta al ripristino della lunghezza dell'arco. Con una diminuzione della lunghezza dell'arco, la velocità di fusione del filo diventa maggiore della velocità di avanzamento, ciò porta al ripristino della normale lunghezza dell'arco.

L'efficienza del processo di autoregolazione dell'arco è significativamente influenzata dalla forma della caratteristica corrente-tensione del generatore. L'elevata velocità di oscillazione della lunghezza dell'arco viene elaborata automaticamente con una rigida caratteristica corrente-tensione del circuito.

Applicazione utile

Saldatura elettrica

L'arco elettrico è utilizzato nella saldatura elettrica dei metalli, per la fusione dell'acciaio (forno d'acciaio ad arco) e nell'illuminazione (nelle lampade ad arco). A volte viene utilizzata la proprietà della caratteristica volt-ampere non lineare dell'arco (vedi Macchina estinguente da campo).

Fonti di luce

Combattimento con arco elettrico

In un certo numero di dispositivi, il fenomeno dell'arco elettrico è dannoso. Si tratta, in primis, dei dispositivi di commutazione dei contatti utilizzati nell'alimentazione e nell'azionamento elettrico: interruttori di alta tensione, interruttori automatici, contattori, isolatori sezionali sulla rete di contatto delle ferrovie elettrificate e del trasporto elettrico urbano. Quando i carichi vengono scollegati dai dispositivi di cui sopra, si verifica un arco tra i contatti di interruzione.

Il meccanismo per il verificarsi di un arco in questo caso è il seguente:

  • Ridurre la pressione di contatto: il numero di punti di contatto diminuisce, aumenta la resistenza nel nodo di contatto;
  • L'inizio della divergenza dei contatti - la formazione di "ponti" dal metallo fuso dei contatti (nei punti degli ultimi punti di contatto);
  • Rottura ed evaporazione di "ponti" da metallo fuso;
  • La formazione di un arco elettrico in vapore metallico (che contribuisce a una maggiore ionizzazione della fessura di contatto e difficoltà di spegnimento dell'arco);
  • Arco stabile con rapido burnout dei contatti.

Per danni minimi ai contatti, è necessario spegnere l'arco nel tempo minimo, facendo ogni sforzo per evitare che l'arco si trovi in ​​un punto (quando l'arco si muove, il calore rilasciato al suo interno sarà distribuito uniformemente sul corpo del il contatto).

Per soddisfare i requisiti di cui sopra, vengono utilizzati i seguenti metodi di soppressione dell'arco:

  • raffreddamento dell'arco mediante il flusso del mezzo di raffreddamento - liquido (interruttore dell'olio); gas - (interruttore automatico dell'aria, interruttore automatico del gas, interruttore automatico dell'olio, interruttore automatico SF6) e il flusso del mezzo di raffreddamento può passare sia lungo l'albero dell'arco (smorzamento longitudinale) che attraverso (smorzamento trasversale); a volte viene utilizzato lo smorzamento longitudinale-trasversale;
  • uso della capacità di estinzione dell'arco del vuoto - è noto che quando la pressione dei gas che circondano i contatti commutati diminuisce ad un certo valore, l'interruttore del vuoto porta all'effettiva estinzione dell'arco (a causa della mancanza di vettori per la formazione dell'arco) .
  • uso di materiale di contatto più resistente all'arco;
  • l'uso di materiale di contatto con un potenziale di ionizzazione più elevato;
  • l'uso di reti ad arco (interruttore automatico, interruttore elettromagnetico). Il principio di applicazione della soppressione dell'arco sui reticoli si basa sull'applicazione dell'effetto della caduta quasi catodica nell'arco (la maggior parte della caduta di tensione nell'arco è la caduta di tensione al catodo; lo scivolo dell'arco è in realtà una serie di contatti in serie per l'arco che ci è arrivato).
  • l'uso di scivoli ad arco - entrando in una camera in materiale resistente all'arco, come plastica micacea, con canali stretti, a volte a zigzag, l'arco si allunga, si contrae e si raffredda intensamente dal contatto con le pareti della camera.
  • l'uso di "esplosione magnetica" - poiché l'arco è fortemente ionizzato, in prima approssimazione può essere considerato un conduttore flessibile con corrente; Creando speciali elettromagneti (collegati in serie con l'arco), un campo magnetico può creare il movimento dell'arco per distribuire uniformemente il calore sul contatto e guidarlo in uno scivolo o griglia ad arco. Alcuni modelli di interruttori automatici creano un campo magnetico radiale che impartisce coppia all'arco.
  • derivazione dei contatti al momento dell'apertura di una chiave a semiconduttore di potenza con un tiristore o un triac collegato in parallelo ai contatti, dopo l'apertura dei contatti, la chiave a semiconduttore viene spenta nel momento in cui la tensione passa per zero (contattore ibrido, thyricon).
  • .
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Il verificarsi di un arco elettrico e le sue proprietà, i processi che causano la nascita e supportano la combustione, nonché soluzioni progettuali nei dispositivi di commutazione per l'estinzione di una scarica d'arco.

Riassunto dell'articolo:

Proprietà di un arco elettrico o di una scarica ad arco

In ingegneria elettrica (interruttori automatici, interruttori a coltello, contattori) allo spegnimento di un circuito carico si genera un arco elettrico.

Definiamo i limiti: di seguito vengono descritti i processi tipici per i dispositivi con nominale correnti da 1 a 2000 ampere e progettato per funzionare in reti con tensione fino a 1000 Volt(apparecchiature a bassa tensione). Per le apparecchiature ad alta tensione, esistono altre condizioni per il verificarsi e la combustione dell'arco.

Parametri importanti dell'arco elettrico:

  • una scarica ad arco può svilupparsi solo a correnti elevate (per un metallo, questa corrente è di 0,5 ampere);
  • la temperatura nell'albero dell'arco è significativa ed è di circa 6-18 mila kelvin (spesso 6-10 mila kelvin);
  • la caduta di tensione al catodo è insignificante e pari a 10-20 volt.

La scarica dell'arco è condizionatamente suddivisa in tre zone:

  • vicino al catodo;
  • tronco ad arco (parte principale);
  • vicino all'anodo.

Nelle zone selezionate, ionizzazione e deionizzazione procedono diversamente:

  • ionizzazione- il processo di decadimento di un atomo neutro in un elettrone negativo e uno ione positivo;
  • deionizzazione- un processo opposto alla ionizzazione (contrario), in cui un elettrone e uno ione si fondono in una particella neutra.


Le funzionalità video di 2 minuti fotografia time-lapse dell'estinzione dell'arco elettrico in un interruttore modulare ABB:

Processi che accompagnano la nascita di un arco elettrico

Nella fase iniziale dell'allevamento i contatti principali nasce l'arco durante i seguenti processi:

  • emissione termoionica (rilascio di elettroni negativi dalla superficie di contatto riscaldata);
  • emissione di campo (distacco di elettroni dal catodo sotto l'influenza di un campo elettrico significativo).

Emissione termoionica. Quando i contatti si rompono nell'area dell'ultima area di contatto, si forma una zona con rame fuso con la temperatura corrispondente. Il rame evapora all'elettrodo negativo dal cosiddetto punto catodico, che è una fonte di elettroni liberi. Questo processo è influenzato da: temperatura e metallo delle superfici di contatto; è sufficiente per creare un arco elettrico, ma non sufficiente per mantenerne la combustione.

Emissione di campo. Lo spazio d'aria tra i contatti può essere considerato come una sorta di condensatore, la cui capacità è illimitata al primo momento, per poi diminuire a seconda della distanza crescente tra il contatto mobile e quello fisso. Il condensatore descritto viene gradualmente ricaricato e la tensione in esso contenuta viene confrontata con la tensione del circuito principale. L'intensità del campo elettrico raggiunge valori in cui si verificano le condizioni per l'uscita di elettroni dalla superficie di un catodo non riscaldato.

Il rapporto tra l'influenza dei processi descritti sull'innesco dell'arco dipende dalla forza della corrente disinserita, dal metallo del gruppo di contatti, dalla pulizia della superficie di contatto, dalla velocità di separazione dei contatti e da altri fattori. Il predominio di un tipo di emissione su un altro è individuale.

Processi di supporto dell'arco.

Con l'aiuto dei seguenti meccanismi di interazione delle particelle, vengono create le condizioni per scarico bruciante:

  • ionizzazione mediante una spinta (un elettrone disperso va a sbattere contro una particella neutra e "mette fuori combattimento" anche un elettrone da essa);
  • ionizzazione termica (distruzione di atomi neutri da temperature significative).

Ionizzazione a spinta. Un elettrone libero con una certa velocità è in grado di rompere una particella neutra in un elettrone e uno ione. L'elettrone appena ricevuto è in grado di rompere i legami interni della particella successiva, provocando una reazione a catena. La velocità di un elettrone è una funzione della differenza di potenziale nell'area di movimento (potenziale sufficiente per mettere fuori combattimento un elettrone: 13 - 16 volt per ossigeno, idrogeno, azoto; 24 volt per elio; 7,7 volt per vapore di rame) .

Ionizzazione termica. Ad alte temperature, la velocità delle particelle nel plasma aumenta, il che porta alla distruzione di atomi neutri secondo il principio della ionizzazione mediante una spinta.

Contemporaneamente ai processi di ionizzazione, avvengono processi di deionizzazione dovuti alla ricombinazione (il contatto reciproco delle particelle "-" e "+" porta alla loro fusione in un atomo neutro) e alla diffusione (gli elettroni escono dall'albero dell'arco nell'ambiente esterno, dove sono assorbito in condizioni normali).

Un fattore essenziale per la continuazione dell'arco nel nostro caso è la ionizzazione termica, quindi, per estinguere lo scarico viene applicato il raffreddamento del suo tronco(contatto con materiale ad alta conducibilità termica), così come allungamento l'arco stesso nello spazio assegnatogli.

Metodi per l'estinzione di un arco elettrico

Per limitare l'impatto negativo dell'arco elettrico sui contatti del dispositivo di commutazione e dei suoi componenti, l'arco deve essere estinto il prima possibile. Gli impatti negativi includono:

  • alte temperature (fusione, evaporazione del materiale di contatto);
  • la creazione di conduttori istmici di corrente elettrica (l'arco conduce facilmente corrente, quindi può condurlo in aree che non conducono corrente durante il normale funzionamento);
  • violazione del normale circuito elettrico dell'apparato (distruzione dell'isolamento).

Arcoè una manifestazione particolare di uno degli stati della materia, chiamato plasma. La canna dell'arco ha temperature elevate e una grande quantità di ioni liberi. Dal momento che il principale il fattore che prolunga la combustione è la ionizzazione termica, quindi è necessario intensamente raffreddare la canna arco elettrico. A tal fine, nei dispositivi di commutazione applicare il seguente costruttivo soluzioni:

  • soffio magnetico o iniezione di refrigerante o gas per allungare l'arco (b di Superficie più ampia, più calore si dissipa
  • una griglia deionica o un insieme di lastre di acciaio profilate che fungono contemporaneamente da radiatori e dividono l'arco in componenti separati;
  • scivolo ad arco a fessura, realizzato in materiale ad alta conducibilità termica e resistenza alle alte temperature (un arco elettrico, a contatto con il materiale della camera, sprigiona energia termica);
  • creazione di uno spazio chiuso da un materiale che rilascia gas sotto l'influenza della temperatura (l'elevata pressione del gas impedisce la combustione dell'arco);
  • leghe speciali di contatto per ridurre il contenuto di metalli nel plasma;
  • pompare l'aria dallo spazio di vicino contatto per creare un vuoto (nessuna sostanza - nessuna ionizzazione);
  • nei dispositivi per corrente alternata, aperto nel momento in cui la corrente passa per zero (meno energia per creare un arco);
  • introdurre nell'intercapedine, tra i contatti divergenti, semiconduttori che percepiranno la corrente e non permetteranno all'arco di divampare;
  • applicare una doppia interruzione nel circuito (escludendo parte del conduttore dal circuito, la distanza tra il catodo e l'anodo aumenta istantaneamente e notevolmente).

Bibliografia

Markov A.M. Dispositivi elettrici ed elettronici. Parte 1. Dispositivi elettromeccanici. - Pskov: casa editrice Pskov GU, 2013 - 128 s (link al libro nella pagina "Listino prezzi").

Nei dispositivi di commutazione elettrici progettati per chiudere e aprire un circuito con corrente, quando scollegato, a scarica elettrica in gas o sotto forma di scarica a bagliore, o nel modulo archi. Una scarica a bagliore si verifica quando la corrente è inferiore a 0,1 A e la tensione ai contatti è 250-300 V. La scarica a bagliore si verifica sui contatti dei relè a bassa potenza. La scarica dell'arco si osserva solo a correnti elevate. La corrente minima per i metalli è 0,4-0,9 A.


In una scarica ad arco si distinguono tre regioni: vicino al catodo, la regione dell'albero dell'arco e vicino all'anodo (Fig. 15).

Riso. 15. Aree di scarica dell'arco

Regione vicino al catodo occupa uno spazio molto piccolo (la sua lunghezza totale e la regione anodica è di circa 10 -6 m). La caduta di tensione ai suoi capi è di 10-20 V e praticamente non dipende dalla corrente. L'intensità media del campo elettrico raggiunge i 100 kV/cm. Un'intensità del campo elettrico così elevata, sufficiente per la ionizzazione per impatto di gas (aria a pressione atmosferica normale) o vapori del materiale catodico, è dovuta alla presenza di una carica spaziale positiva non compensata in questa regione. Tuttavia, a causa della piccola estensione della regione vicino al catodo, gli elettroni non ottengono una velocità sufficiente per la ionizzazione per impatto. Molto spesso, dopo l'impatto, l'atomo entra in uno stato eccitato (l'elettrone dell'atomo va su un'orbita più distante dal nucleo). Ora, è necessaria meno energia per ionizzare l'atomo eccitato. Questa ionizzazione è chiamata fatto un passo. Con la ionizzazione graduale, è necessario un impatto multiplo (diverse decine) di elettroni su un atomo.

La presenza di una carica spaziale positiva non compensata determina in gran parte l'altissima densità di corrente al catodo - 100-1000 A/mm 2 .

Gli ioni positivi vengono accelerati nel campo di caduta di tensione del catodo e bombardano il catodo. All'impatto, gli ioni cedono la loro energia al catodo, riscaldandolo e creando le condizioni per il rilascio di elettroni, emissione termoionica elettroni dal catodo .

Area dell'albero dell'arcoè un plasma medio ionizzato quasi neutro gassoso, eccitato termicamente, in cui, sotto l'influenza di un campo elettrico, portatori di carica (elettroni e ioni) si muovono verso gli elettrodi di segno opposto.

L'intensità media del campo elettrico è di circa 20-30 V/cm, che non è sufficiente per la ionizzazione ad impatto. La principale fonte di elettroni e ioni è la ionizzazione termica, quando ad alta temperatura la velocità delle particelle neutre aumenta così tanto che quando si scontrano, vengono ionizzate.

Regione anodica, che ha una piccolissima estensione, è inoltre caratterizzato da un forte calo di potenziale dovuto alla presenza di una carica spaziale negativa non compensata. Gli elettroni vengono accelerati nel campo della caduta di tensione dell'anodo e bombardano l'anodo, che viene riscaldato ad una temperatura solitamente superiore alla temperatura del catodo. La regione vicino all'anodo non ha un effetto significativo sul verificarsi e sull'esistenza di una scarica ad arco. Il compito dell'anodo è ricevere il flusso di elettroni dall'albero dell'arco.



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

Se U c > (da U a + U A), allora l'arco è chiamato lungo, è tipico per i dispositivi ad alta tensione.

Caratteristica corrente-tensione statica- Stabilisce una relazione tra vari valori di corrente continua stazionaria e la caduta di tensione attraverso l'arco a una lunghezza d'arco costante e condizioni di combustione dell'arco costanti. In questo caso, ad ogni valore della corrente continua stazionaria si stabilisce un bilancio termico (la quantità di calore rilasciata nell'arco è uguale alla quantità di calore ceduta dall'arco all'ambiente)

dove m- indicatore in funzione del tipo (metodo) di impatto ambientale sull'albero dell'arco; Sonoè una costante determinata dall'intensità del trasferimento di calore nella zona dell'albero dell'arco in un dato ( m) la modalità di esposizione all'ambiente; l- lunghezza dell'arco.

La caratteristica ha un carattere cadente. Con un aumento della forza della corrente, l'emissione termoionica di elettroni dal catodo e il grado di ionizzazione dell'arco aumentano, di conseguenza la resistenza dell'arco diminuisce. Inoltre, il tasso di diminuzione della resistenza dell'arco è superiore al tasso di crescita attuale.

Caratteristica dinamica corrente-tensione- stabilisce una relazione tra la corrente, che varia in un certo modo nel tempo, e la caduta di tensione attraverso l'arco a lunghezza d'arco costante e condizioni costanti per la sua combustione. In questo caso, la velocità di variazione della corrente è tale che il bilancio termico non ha il tempo di essere stabilito, la variazione della resistenza dell'arco è in ritardo rispetto alla variazione della corrente.

All'aumentare della corrente, la caratteristica dinamica (curva B in Fig. 16) supera quella statistica (curva A in Fig. 16), poiché con un rapido aumento della corrente, la resistenza dell'arco diminuisce più lentamente dell'aumento della corrente. Quando diminuisce, è inferiore, poiché in questa modalità la resistenza dell'arco è inferiore rispetto a una lenta variazione di corrente (curva C in Fig. 16).


La risposta dinamica è in gran parte determinata dalla velocità di variazione della corrente nell'arco. Se una resistenza molto grande viene introdotta nel circuito per un tempo infinitamente piccolo rispetto alla costante di tempo termica dell'arco, durante il tempo in cui la corrente scende a zero, la resistenza dell'arco rimarrà costante. in questo caso, la caratteristica dinamica sarà rappresentata come una retta passante all'origine delle coordinate (retta D in Fig. 16), cioè l'arco si comporta come un conduttore metallico, poiché la tensione ai capi dell'arco è proporzionale alla attuale.

Condizioni per la combustione stabile e l'estinzione dell'arco CC. Si consideri un circuito CC (Fig. 17).

Fig.17. Arco nel circuito CC

Per il circuito considerato

Ovviamente, la modalità stazionaria, quando l'arco brucia stabilmente, sarà quella in cui la corrente nel circuito non cambia, cioè In questa modalità, il tasso di crescita del numero di particelle ionizzate è uguale al tasso della loro scomparsa a causa dei processi di deionizzazione: viene stabilito un equilibrio dinamico.

Il grafico mostra la caratteristica corrente-tensione discendente dell'arco e la retta inclinata U-iR. Dalla (48) segue che

Da qui è ovvio che ai punti 1 e 2. Inoltre, il punto 1 è un punto di equilibrio instabile; deviazioni casuali e arbitrariamente piccole della corrente portano a un aumento della corrente fino a un valore io 2 o ridurlo a zero. Al punto 2, l'arco brucia stabilmente; piccole deviazioni casuali della corrente in una direzione o nell'altra la riportano al valore io 2. Si può vedere dal grafico che l'arco a tutti i valori di corrente non può bruciare stabilmente se la caduta di tensione attraverso l'arco () supera la tensione fornita all'arco dalla sorgente ()

Pertanto, per estinguere l'arco, è necessario creare condizioni in cui la caduta di tensione ai capi dell'arco superi la tensione fornita all'arco dalla sorgente, nel limite della tensione di rete.

Tre fenomeni sono usati per estinguere l'arco:

1. Aumentare la lunghezza dell'arco allungandolo.

Più lungo è l'arco, maggiore è la tensione necessaria per la sua esistenza (maggiore è la sua caratteristica corrente-tensione - (curva U 1 d in Fig. 17). Se la tensione fornita all'arco dalla sorgente (diritto) risulta essere inferiore alla caratteristica corrente-tensione dell'arco - (curva U 1 e), quindi non ci sono condizioni per una combustione stabile dell'arco, l'arco si spegne.

Questo è il modo più semplice, ma più inefficiente. Ad esempio, per spegnere, ad esempio, un arco con una corrente di 100 A a una tensione di 220 V, è necessario allungare l'arco su una distanza di 25 ÷ 30 cm, cosa praticamente impossibile da fare nei dispositivi elettrici (le dimensioni aumentano). Pertanto, questo metodo viene utilizzato come i principali dispositivi elettrici solo a bassa tensione (relè, avviatori magnetici, interruttori).

2. Impatto sull'albero dell'arco mediante raffreddamento, ottenendo un aumento del gradiente di sollecitazione longitudinale.


2.1 Spegnimento dell'arco in spazi ristretti(Fig. 18). Se l'arco brucia in una fessura stretta formata da un materiale resistente all'arco, a causa del contatto con superfici fredde, si verifica un raffreddamento intensivo e la diffusione di particelle cariche dal canale dell'arco nell'ambiente. Questo porta all'estinzione dell'arco. Il metodo è utilizzato nei dispositivi per tensioni fino a 1000 V.

Riso. 18. Spegnimento dell'arco in fessure strette

2.2 Spegnimento dell'arco in olio(fig.19) . Se i contatti del dispositivo di disconnessione sono inseriti nell'olio, l'arco che si verifica durante l'apertura porta a un'intensa formazione di gas e all'evaporazione dell'olio. Attorno all'arco si forma una bolla di gas, costituita principalmente da idrogeno, che ha elevate proprietà di estinzione dell'arco. L'aumento della pressione all'interno della bolla di gas contribuisce a un migliore raffreddamento dell'arco e alla sua estinzione. Il metodo viene utilizzato nei dispositivi per tensioni superiori a 1000 V.


2.3 Soffio aria-gas(fig.20) . Il raffreddamento dell'arco è migliorato se viene creato un movimento direzionale dei gas, che soffia lungo o attraverso l'arco .

Fig. 20. Esplosione gas-aria: a - lungo l'arco, b - attraverso l'arco .

Il metodo viene utilizzato nei dispositivi per tensioni superiori a 1000 V.

3. Utilizzo di una caduta di tensione vicino all'elettrodo.

Dividendo un lungo arco in una serie di brevi(Fig. 21). Se un lungo arco viene trascinato in uno scivolo ad arco con piastre metalliche (griglia ad arco), verrà suddiviso in P archi corti. Cadute di tensione vicino all'elettrodo si verificano su ciascuna piastra del reticolo. A causa della somma delle cadute di tensione vicino all'elettrodo, la caduta di tensione totale diventa maggiore di quella data dal generatore e l'arco si spegne. L'arco si spegne se u dove u- tensione di rete: U gatto- caduta di tensione catodica (20-25 V in arco DC; 150-250 V in arco AC). Il metodo viene utilizzato nei dispositivi per tensioni superiori a 1000 V.


Fig.21. Dividendo un lungo arco in una serie di brevi

L'estinzione dell'arco è facilitata da gas ad alta scarica o gas ad alta pressione utilizzati come isolamento interno dei dispositivi per tensioni superiori a 1000 V.

Spegnimento dell'arco sotto vuoto. Un gas altamente scaricato ha una forza elettrica dieci volte maggiore di un gas a pressione atmosferica; è utilizzato in contattori e interruttori in vuoto.

Spegnimento dell'arco in gas ad alta pressione. L'aria a una pressione di 2 MPa o più ha un'elevata rigidità elettrica, che consente di creare dispositivi di estinzione compatti negli interruttori automatici in aria. L'uso dell'esafluoruro di zolfo SF 6 (SF6) è efficace per l'estinzione dell'arco.

Condizioni di spegnimento dell'arco CA.

Separare i contatti al punto a. Un arco si accende tra di loro. Entro la fine del semiciclo, a causa della diminuzione della corrente, la resistenza dell'albero dell'arco aumenta e, di conseguenza, aumenta la tensione ai capi dell'arco. Quando la corrente si avvicina allo zero, viene fornita una bassa potenza all'arco, la temperatura dell'arco diminuisce, la ionizzazione termica rallenta di conseguenza e i processi di deionizzazione accelerano - l'arco si spegne (punto 0 ). La corrente nel circuito si interrompe prima del suo naturale passaggio per lo zero. Tensione corrispondente all'interruzione di corrente - picco di smorzamento Ug.


Riso. 22. Spegnimento dell'arco AC con carico attivo

Dopo che l'arco si è estinto, si verifica il processo di ripristino della forza elettrica del gap dell'arco (curva a 1 - b 1). Sotto la forza elettrica dell'intervallo di arco si intende la tensione alla quale si verifica un'interruzione elettrica dell'intervallo di arco. La forza elettrica iniziale (punto a 1) e la velocità del suo aumento dipendono dalle proprietà del dispositivo di spegnimento dell'arco. Nel momento t1 la curva di tensione sul gap dell'arco si interseca con la curva di ripristino della rigidità elettrica del gap dell'arco - l'arco si accende. Tensione di accensione dell'arco - Picco di accensione Noi. La curva della tensione dell'arco ha una forma a sella.

Al punto 0 1 l'arco si spegne nuovamente e si verificano processi simili a quelli descritti in precedenza. Al momento 0 1 a causa della divergenza dei contatti, la lunghezza dell'arco aumenta, la rimozione di calore dall'arco aumenta, rispettivamente, e aumenta la rigidità elettrica iniziale (punto a 2) e la velocità del suo aumento (curva a 2 - in 2 ). Di conseguenza, aumenta anche il tempo morto. 0 1 - t2 > 0 -t1 .

Nel momento t2 l'arco si riaccende. Al punto 0 11 l'arco è spento. La forza elettrica iniziale aumenta nuovamente (punto a 3) e la velocità del suo aumento (curva a 3 -b 3). La curva di tensione non interseca la curva di aumento della rigidità dielettrica. L'arco non si accende durante questo mezzo ciclo.

In un arco aperto ad alta tensione(horn gap), il fattore determinante è la resistenza attiva di un albero dell'arco fortemente teso Le condizioni per l'estinzione dell'arco CA si avvicinano alle condizioni per l'estinzione dell'arco CC e i processi dopo che la corrente è passata per lo zero hanno scarso effetto sull'estinzione dell'arco.

Con un carico induttivo, il tempo morto è molto piccolo (circa 0,1 µs), cioè l'arco brucia quasi continuamente. Scollegare un carico induttivo è più difficile di uno resistivo. Non ci sono interruzioni qui.

In generale, il processo di arco in corrente alternata è più facile che in corrente continua. Una condizione razionale per l'estinzione di un arco in corrente alternata è da considerarsi tale quando lo spegnimento viene effettuato al primo passaggio per lo zero della corrente dopo l'apertura dei contatti.

Domande per l'autoesame:

· Aree di scarica dell'arco.

· Caratteristica corrente-tensione statica.

· Caratteristica dinamica corrente-tensione.

· Condizioni per la combustione stabile e l'estinzione dell'arco CC.

Quali fenomeni vengono utilizzati per estinguere l'arco?

· Condizioni di estinzione dell'arco AC.

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