tensiunea arcului. Ce este un arc electric și cum se produce
22 august 2012 la ora 10:00
Când un circuit electric este deschis, are loc o descărcare electrică sub forma unui arc electric. Pentru apariția unui arc electric, este suficient ca tensiunea la contacte să fie peste 10 V la un curent în circuit de ordinul a 0,1 A sau mai mult. La tensiuni și curenți semnificativi, temperatura din interiorul arcului poate ajunge la 10 ... 15 mii ° C, drept urmare contactele și piesele purtătoare de curent se topesc.
La tensiuni de 110 kV și peste, lungimea arcului poate ajunge la câțiva metri. Prin urmare, un arc electric, în special în circuitele de putere mare, la tensiuni peste 1 kV reprezintă un mare pericol, deși consecințe grave pot fi în instalații la tensiuni sub 1 kV. Ca urmare, arcul electric trebuie limitat cât mai mult posibil și stins rapid în circuite pentru tensiuni atât peste cât și sub 1 kV.
Cauzele unui arc electric
Procesul de formare a unui arc electric poate fi simplificat după cum urmează. Când contactele diverge, presiunea de contact și, în consecință, suprafața de contact scad mai întâi, rezistența de contact crește (densitatea curentului și temperatura - începe supraîncălzirea locală (în anumite părți ale zonei de contact), care contribuie și mai mult la emisia termoionică, atunci când, sub influența temperaturii ridicate, viteza electronilor crește și aceștia erup de la suprafața electrodului.
În momentul divergenței contactelor, adică a unei întreruperi de circuit, tensiunea este restabilită rapid la intervalul de contact. Deoarece distanța dintre contacte este mică, apare un câmp electric de mare putere, sub influența căruia electronii scapă de pe suprafața electrodului. Acceleră într-un câmp electric și, atunci când lovesc un atom neutru, îi conferă energia lor cinetică. Dacă această energie este suficientă pentru a rupe cel puțin un electron din învelișul unui atom neutru, atunci are loc procesul de ionizare.
Electronii și ionii liberi rezultați alcătuiesc plasma arborelui arcului, adică canalul ionizat în care arde arcul și este asigurată mișcarea continuă a particulelor. În acest caz, particulele încărcate negativ, în primul rând electronii, se deplasează într-o direcție (spre anod), iar atomii și moleculele de gaz, lipsite de unul sau mai mulți electroni - particule încărcate pozitiv - în direcția opusă (spre catod). Conductivitatea plasmei este apropiată de cea a metalelor.
Un curent mare curge în arborele arcului și se generează o temperatură ridicată. O astfel de temperatură a arborelui arcului duce la ionizare termică - procesul de formare a ionilor din cauza ciocnirii moleculelor și atomilor cu energie cinetică mare la viteze mari de mișcare a acestora (moleculele și atomii mediului în care arde arcul se descompun în electroni). și ioni încărcați pozitiv). Ionizarea termică intensă menține o conductivitate ridicată a plasmei. Prin urmare, căderea de tensiune de-a lungul lungimii arcului este mică.
Într-un arc electric au loc în mod continuu două procese: pe lângă ionizare, există și deionizarea atomilor și a moleculelor. Acesta din urmă are loc în principal prin difuzie, adică prin transferul particulelor încărcate în mediu și prin recombinarea electronilor și ionilor încărcați pozitiv, care sunt recombinați în particule neutre cu revenirea energiei cheltuite pentru dezintegrarea lor. În acest caz, căldura este îndepărtată în mediu.
Astfel, se pot distinge trei etape ale procesului luat în considerare: aprinderea arcului, când, datorită ionizării prin impact și emisiei de electroni din catod, începe o descărcare de arc și intensitatea ionizării este mai mare decât deionizarea, arderea stabilă a arcului, susținută de ionizare termică. în arborele arcului, când intensitatea ionizării și a deionizării este aceeași, stingerea arcului când intensitatea deionizării este mai mare decât ionizarea.
Metode de stingere a arcului în dispozitivele electrice de comutare
Pentru a deconecta elementele circuitului electric și a exclude astfel deteriorarea dispozitivului de comutare, este necesar nu numai deschiderea contactelor acestuia, ci și stingerea arcului care apare între ele. Procesele de stingere a arcului, precum și arderea, sunt diferite pentru curent alternativ și continuu. Acest lucru este determinat de faptul că, în primul caz, curentul din arc trece prin zero la fiecare jumătate de ciclu. În aceste momente, eliberarea de energie în arc se oprește și arcul se stinge spontan de fiecare dată, apoi se aprinde din nou.
În practică, curentul din arc devine aproape de zero puțin mai devreme decât trecerea cu zero, deoarece atunci când curentul scade, energia furnizată arcului scade, temperatura arcului scade în mod corespunzător și ionizarea termică se oprește. În acest caz, procesul de deionizare se desfășoară intens în golul arcului. Dacă în acest moment se deschid și se separă rapid contactele, atunci defecțiunea electrică ulterioară poate să nu aibă loc și circuitul va fi oprit fără arc. Cu toate acestea, este extrem de dificil să se facă acest lucru în practică și, prin urmare, se iau măsuri speciale pentru a accelera stingerea arcului, care asigură răcirea spațiului arcului și o scădere a numărului de particule încărcate.
Ca urmare a deionizării, rezistența dielectrică a golului crește treptat și, în același timp, crește tensiunea de recuperare pe el. Depinde de raportul dintre aceste valori dacă arcul se va aprinde în următoarea jumătate a perioadei sau nu. Dacă rigiditatea dielectrică a golului crește mai repede și este mai mare decât tensiunea de recuperare, arcul nu se va mai aprinde, altfel arcul va fi stabil. Prima condiție definește problema stingerii arcului.
În dispozitivele de comutare, sunt utilizate diferite metode de stingere a arcului.
Prelungirea arcului
Când contactele diverge în procesul de oprire a circuitului electric, arcul care a apărut este întins. În acest caz, condițiile de răcire a arcului sunt îmbunătățite, deoarece suprafața acestuia crește și este necesară mai multă tensiune pentru ardere.
Împărțirea unui arc lung într-o serie de arce scurte
Dacă arcul format la deschiderea contactelor este împărțit în K arce scurte, de exemplu, prin strângerea lui într-o grilă metalică, atunci se va stinge. Arcul este de obicei tras într-o rețea metalică sub influența unui câmp electromagnetic indus în plăcile rețelei de curenții turbionari. Această metodă de stingere a arcului este utilizată pe scară largă în dispozitivele de comutare pentru tensiuni sub 1 kV, în special în întreruptoarele automate cu aer.
Răcire cu arc în fante înguste
Este facilitată stingerea arcului într-un volum mic. Prin urmare, jgheaburile cu arc cu fante longitudinale sunt utilizate pe scară largă în dispozitivele de comutare (axa unei astfel de fante coincide în direcția cu axa arborelui arcului). Un astfel de gol se formează de obicei în camerele realizate din materiale izolante rezistente la arc. Datorită contactului arcului cu suprafețele reci, are loc răcirea intensă a acestuia, difuzarea particulelor încărcate în mediu și, în consecință, deionizarea rapidă.
Pe lângă fante cu pereți plani-paraleli, se mai folosesc fante cu nervuri, proeminențe și prelungiri (buzunare). Toate acestea conduc la deformarea arborelui arcului și contribuie la creșterea zonei de contact a acestuia cu pereții reci ai camerei.
Trasarea arcului în fante înguste are loc de obicei sub influența unui câmp magnetic care interacționează cu arcul, care poate fi considerat ca un conductor purtător de curent.
Un câmp magnetic extern pentru deplasarea arcului este asigurat cel mai adesea de o bobină conectată în serie cu contactele între care are loc arcul. Stingerea arcului în fante înguste este utilizată în dispozitivele pentru toate tensiunile.
Stingerea arcului de înaltă presiune
La o temperatură constantă, gradul de ionizare a gazului scade odată cu creșterea presiunii, în timp ce conductivitatea termică a gazului crește. Cu alte lucruri egale, acest lucru duce la o răcire crescută a arcului. Stingerea arcului cu ajutorul presiunii ridicate, creată de arcul însuși în camere închise etanș, este utilizată pe scară largă în siguranțe și o serie de alte dispozitive.
Stingerea arcului în ulei
Dacă contactele întreruptorului sunt plasate în ulei, atunci arcul care apare la deschidere duce la evaporarea intensă a uleiului. Ca urmare, în jurul arcului se formează o bulă de gaz (cochilie), constând în principal din hidrogen (70 ... 80%), precum și vapori de ulei. Gazele emise la viteză mare pătrund direct în zona arborelui arcului, provoacă amestecarea gazului rece și fierbinte în bule, asigură o răcire intensă și, în consecință, deionizarea spațiului arcului. În plus, capacitatea de deionizare a gazelor crește presiunea creată în timpul descompunerii rapide a uleiului în interiorul bulei.
Intensitatea procesului de stingere a arcului în ulei este cu atât mai mare, cu cât arcul contactează mai aproape de ulei și cu atât uleiul se mișcă mai repede în raport cu arcul. Având în vedere acest lucru, spațiul arcului este limitat de un dispozitiv de izolare închis - o jgheab de arc. În aceste camere se creează un contact mai strâns al uleiului cu arcul, iar cu ajutorul plăcilor izolatoare și găurilor de evacuare se formează canale de lucru prin care se deplasează uleiul și gazele, asigurând suflarea (suflarea) intensă a arcului.
Conform principiului de funcționare, jgheaburile cu arc sunt împărțite în trei grupe principale: cu suflare automată, când se creează presiune mare și viteza de mișcare a gazului în zona arcului datorită energiei eliberate în arc, cu suflare forțată a uleiului folosind special mecanisme hidraulice de pompare, cu stingere magnetică în ulei, când arcul sub acțiunea câmpului magnetic se deplasează în fante înguste.
Cele mai eficiente și simple jgheaburi cu arc cu suflare automată. În funcție de locația canalelor și a găurilor de evacuare, se disting camere în care se asigură suflarea intensivă a amestecului de gaz-vapori și a uleiului de-a lungul arcului (suflare longitudinală) sau peste arc (explozie transversală). Metodele luate în considerare de stingere a arcului sunt utilizate pe scară largă în întrerupătoarele pentru tensiuni de peste 1 kV.
Alte modalități de stingere a arcului în dispozitive pentru tensiuni peste 1 kV
Pe lângă metodele de stingere a arcului de mai sus, se folosesc și: aer comprimat, al cărui flux suflă de-a lungul sau de-a lungul arcului, asigurând răcirea intensivă a acestuia (în loc de aer, se folosesc și alte gaze, adesea obținute din gaz solid- generatoare de materiale - fibre, plastic vinil etc. - pentru ca, din cauza descompunerii lor de catre arcul de ardere insusi), SF6 (hexafluorura de sulf), care are o rezistenta electrica mai mare decat aerul si hidrogenul, drept urmare arcul care arde in acest gazul, chiar și la presiunea atmosferică, se stinge rapid, gaz extrem de rarefiat (vid), la deschiderea contactelor în care arcul nu se mai aprinde (se stinge) după prima trecere a curentului prin zero.
Cele mai recente publicații
Salutare tuturor vizitatorilor blogului meu. Subiectul articolului de astăzi este un arc electric și protecția împotriva unui arc electric. Subiectul nu este întâmplător, scriu de la Spitalul Sklifosovsky. Ghicește de ce?
Ce este un arc electric
Acesta este unul dintre tipurile de descărcare electrică dintr-un gaz (un fenomen fizic). Se mai numește și - Descărcare arc sau arc voltaic. Constă din gaz ionizat, cvasi-neutru din punct de vedere electric (plasmă).
Poate apărea între doi electrozi atunci când tensiunea dintre ei crește sau când se apropie unul de celălalt.
Pe scurt despre proprietăți: temperatura arcului electric, de la 2500 la 7000 °C. Nu o temperatură mică, însă. Interacțiunea metalelor cu plasma duce la încălzire, oxidare, topire, evaporare și alte tipuri de coroziune. Însoțit de radiații luminoase, explozie și unde de șoc, temperatură ultra-înaltă, incendiu, ozon și eliberare de dioxid de carbon.
Există o mulțime de informații pe Internet despre ce este un arc electric, care sunt proprietățile lui, dacă sunteți interesat de mai multe detalii, uitați-vă. De exemplu, în en.wikipedia.org.
Acum despre accidentul meu. E greu de crezut, dar acum 2 zile m-am confruntat direct cu acest fenomen, si fara succes. A fost așa: pe 21 noiembrie, la serviciu, am fost instruit să fac cablajul lămpilor în cutia de joncțiune, apoi să le conectez la rețea. Nu au fost probleme cu cablajul, dar când am intrat în scut, au apărut unele dificultăți. Păcat că androyd și-a uitat casa, nu a făcut o fotografie a panoului electric, altfel ar fi mai clar. Poate voi face mai multe când voi ajunge la muncă. Așadar, scutul era foarte vechi - 3 faze, magistrală zero (aka împământare), 6 automate și un comutator de pachete (se pare că totul este simplu), starea nu era inițial credibilă. M-am luptat mult timp cu o anvelopă zero, deoarece toate șuruburile erau ruginite, după care am pus ușor faza pe mașină. Totul este bine, am verificat lămpile, funcționează.
După aceea, s-a întors la scut pentru a așeza cu grijă firele și a-l închide. Tin sa remarc ca tabloul electric era la o inaltime de ~ 2 metri, intr-un pasaj ingust, iar pentru a ajunge la el am folosit o scara (scara). Punând firele, am găsit scântei pe contactele altor mașini, care au făcut ca lămpile să clipească. În consecință, am extins toate contactele și am continuat să inspectez firele rămase (să o fac o dată și să nu mai revin la asta). După ce am descoperit că un contact de pe geantă are o temperatură ridicată, am decis să-l extind și eu. Am luat o șurubelniță, am sprijinit-o de șurub, am răsucit-o, bang! A fost o explozie, un fulger, am fost aruncat înapoi, lovind peretele, am căzut la podea, nu se vedea nimic (orbit), scutul nu a încetat să explodeze și să bâzâie. De ce nu a funcționat protecția, nu știu. Simțind scânteile care cădeau asupra mea, mi-am dat seama că trebuie să ies. Am ieșit prin atingere, târându-mă. După ce a ieșit din acest pasaj îngust, a început să-și sune partenerul. Deja în acel moment am simțit că ceva nu este în regulă cu mâna mea dreaptă (am ținut cu ea o șurubelniță), s-a simțit o durere îngrozitoare.
Împreună cu partenerul meu, am decis că trebuie să alergăm la postul de prim ajutor. Ce s-a întâmplat apoi, cred că nu merită spus, doar au înțepat și au mers la spital. Nu voi uita niciodată acel sunet teribil al unui scurtcircuit lung - mâncărime cu bâzâit.
Acum sunt la spital, am o abraziune la genunchi, medicii cred că am fost șocată, asta e o cale de ieșire, așa că îmi monitorizează inima. Cred ca curentul nu m-a batut, dar arsura de pe bratul meu a fost cauzata de un arc electric care a aparut in timpul scurtcircuitului.
Ce s-a întâmplat acolo, de ce s-a întâmplat scurtcircuitul, nu știu încă, cred că, când a fost răsucit șurubul, contactul însuși s-a mutat și s-a produs un scurtcircuit fază-la-fază, sau era un fir gol în spatele pachetului comutator și când șurubul s-a apropiat arc electric. Voi afla mai târziu dacă își dau seama.
La naiba, m-am dus la un dressing, mi-au înfășurat atât de mult mâna încât scriu cu unul rămas acum)))
Nu am făcut o fotografie fără bandaje, nu este o vedere foarte plăcută. Nu vreau să sperii electricienii începători....
Care sunt măsurile de protecție împotriva arcului electric care m-ar putea proteja? După ce am analizat internetul, am văzut că cel mai popular mijloc de a proteja oamenii din instalațiile electrice de un arc electric este costumul rezistent la căldură. În America de Nord, întreruptoarele speciale Siemens sunt foarte populare, care protejează atât de un arc electric, cât și de curentul maxim. În Rusia, în prezent, astfel de mașini sunt utilizate numai la stațiile de înaltă tensiune. În cazul meu, o mănușă dielectrică mi-ar fi suficientă, dar gândiți-vă singur cum să conectați lămpile în ele? Este foarte incomod. De asemenea, vă recomand să folosiți ochelari de protecție pentru a vă proteja ochii.
În instalațiile electrice, lupta împotriva arcului electric se realizează cu ajutorul întrerupătoarelor de circuit în vid și ulei, precum și folosind bobine electromagnetice împreună cu jgheaburi de arc.
Asta este tot? Nu! Cel mai fiabil mod de a te proteja de un arc electric, în opinia mea, sunt munca de reducere a stresului . Nu știu despre tine, dar nu voi mai lucra sub stres...
Acesta este articolul meu arc electricȘi protectie la arc se termină. Există ceva de adăugat? Lasa un comentariu.
În cartea „Știri despre experimentele galvano-voltaice prin intermediul unei baterii uriașe, formată uneori din 4200 de cercuri de cupru și zinc” (Sankt Petersburg, 1803). Un arc electric este un caz special al celei de-a patra forme a stării materiei - plasmă - și constă dintr-un gaz ionizat, cvasi-neutru din punct de vedere electric. Prezența sarcinilor electrice libere asigură conductivitatea arcului electric.
fenomene fizice
Un arc electric între doi electrozi în aer la presiunea atmosferică se formează după cum urmează:
Când tensiunea dintre cei doi electrozi crește la un anumit nivel în aer, între electrozi are loc o defecțiune electrică. Tensiunea electrică de defectare depinde de distanța dintre electrozi și de alți factori. Potențialul de ionizare al primului electron al atomilor de metal este de aproximativ 4,5 - 5 V, iar tensiunea arcului este de două ori mai mare (9 - 10 V). Este necesar să se cheltuiască energie la ieșirea unui electron din atomul de metal al unui electrod și la ionizarea atomului celui de-al doilea electrod. Procesul duce la formarea unei plasme între electrozi și arderea unui arc (pentru comparație: tensiunea minimă pentru formarea unei descărcări de scânteie depășește puțin potențialul de ieșire a electronilor - până la 6 V).
Pentru a iniția o defecțiune la tensiunea disponibilă, electrozii sunt apropiați unul de celălalt. În timpul unei avarii, între electrozi apare de obicei o descărcare de scânteie, închiderea circuitului electric prin impuls. Electronii din descărcări de scânteie ionizează moleculele din spațiul de aer dintre electrozi. Cu o putere suficientă a sursei de tensiune în spațiul de aer, se formează o cantitate suficientă de plasmă pentru o scădere semnificativă a tensiunii de rupere sau a rezistenței spațiului de aer. În acest caz, descărcările de scânteie se transformă într-o descărcare cu arc - un cordon de plasmă între electrozi, care este un tunel de plasmă. Arcul rezultat este, de fapt, un conductor și închide circuitul electric dintre electrozi. Ca urmare, curentul mediu crește și mai mult, încălzind arcul până la 5000-50000. În acest caz, se consideră că aprinderea arcului este încheiată. După aprindere, arderea stabilă a arcului este asigurată de emisia termoionică din catodul încălzit prin bombardament cu curent și ioni.
După aprindere, arcul poate rămâne stabil atunci când contactele electrice sunt separate până la o anumită distanță.
Interacțiunea electrozilor cu plasma arcului duce la încălzirea lor, topirea parțială, evaporarea, oxidarea și alte tipuri de coroziune.
În timpul funcționării instalațiilor electrice de înaltă tensiune, în care apariția unui arc electric este inevitabilă la comutarea unui circuit electric, lupta împotriva acestuia se realizează folosind bobine electromagnetice combinate cu jgheaburi de arc. Printre alte metode, se cunoaște utilizarea întrerupătoarelor cu vid, aer, SF6 și ulei, precum și metode de deviare a curentului către o sarcină temporară care întrerupe independent circuitul electric.
Structura arcului
Arcul electric este format din regiuni catod și anod, coloană de arc, regiuni de tranziție. Grosimea regiunii anodului este de 0,001 mm, regiunea catodului este de aproximativ 0,0001 mm.
Temperatura în regiunea anodului în timpul sudării electrodului consumabil este de aproximativ 2500 ... 4000 ° C, temperatura în coloana arcului este de la 7.000 la 18.000 ° C, în regiunea catodului - 9.000 - 12.000 ° C.
Coloana arcului este neutră din punct de vedere electric. În oricare dintre secțiunile sale există același număr de particule încărcate de semne opuse. Căderea de tensiune în coloana arcului este proporțională cu lungimea acesteia.
Arcurile de sudura sunt clasificate dupa:
- Materiale electrozi - cu un electrod consumabil și neconsumabil;
- Grade de compresie a coloanei - arc liber și comprimat;
- În funcție de curentul utilizat - arc de curent continuu și arc de curent alternativ;
- În funcție de polaritatea curentului electric continuu - polaritate directă ("-" pe electrod, "+" - pe produs) și polaritate inversă;
- Când se utilizează curent alternativ - arcuri monofazate și trifazate.
Arc de autoreglare
Când apare o perturbare externă - o modificare a tensiunii rețelei, a vitezei de alimentare a firului etc. - apare o încălcare a echilibrului stabilit între viteza de alimentare și viteza de topire. Odată cu creșterea lungimii arcului în circuit, curentul de sudare și viteza de topire a firului electrodului scad, iar viteza de avans, rămânând constantă, devine mai mare decât viteza de topire, ceea ce duce la restabilirea lungimii arcului. Odată cu o scădere a lungimii arcului, viteza de topire a sârmei devine mai mare decât viteza de alimentare, ceea ce duce la restabilirea lungimii normale a arcului.
Eficiența procesului de autoreglare a arcului este afectată semnificativ de forma caracteristicii curent-tensiune a sursei de alimentare. Viteza mare de oscilație a lungimii arcului este calculată automat cu o caracteristică rigidă curent-tensiune a circuitului.
Aplicație utilă
Sudura electrica
Arcul electric este utilizat în sudarea electrică a metalelor, pentru topirea oțelului (cuptor de oțel Arc) și în iluminat (în lămpi cu arc). Uneori se folosește proprietatea caracteristicii neliniare volt-amper a arcului (vezi Mașina de stingere pe câmp).
Surse de lumină
Lupta cu arcul electric
Într-o serie de dispozitive, fenomenul arcului electric este dăunător. Acestea sunt, în primul rând, dispozitivele de comutare de contact utilizate în alimentarea cu energie și acționarea electrică: întrerupătoare de înaltă tensiune, întrerupătoare automate, contactoare, izolatoare secționale pe rețeaua de contact a căilor ferate electrificate și transportul electric urban. Atunci când sarcinile sunt deconectate de dispozitivele de mai sus, se produce un arc între contactele de rupere.
Mecanismul pentru apariția unui arc în acest caz este următorul:
- Reducerea presiunii de contact - scade numarul de puncte de contact, creste rezistenta in nodul de contact;
- Începutul divergenței contactelor - formarea de „punți” din metalul topit al contactelor (în locurile ultimelor puncte de contact);
- Ruperea și evaporarea „punților” din metalul topit;
- Formarea unui arc electric în vapori de metal (care contribuie la o ionizare mai mare a golului de contact și dificultăți în stingerea arcului);
- Arc stabil cu ardere rapidă a contactelor.
Pentru deteriorarea minimă a contactelor, este necesară stingerea arcului în timp minim, făcând toate eforturile pentru a preveni ca arcul să fie într-un singur loc (când arcul se mișcă, căldura eliberată în acesta va fi distribuită uniform pe corpul contactul).
Pentru a îndeplini cerințele de mai sus, se utilizează următoarele metode de suprimare a arcului:
- răcirea arcului prin curgerea mediului de răcire - lichid (comutator de ulei); gaz - (întrerupător de circuit de aer, întreruptor de circuit de gaz automat, întreruptor de circuit de ulei, întrerupător de circuit SF6), iar fluxul de mediu de răcire poate trece atât de-a lungul arborelui arcului (amortizare longitudinală), cât și transversal (amortizare transversală); uneori se folosește amortizarea longitudinală-transversală;
- utilizarea capacității de stingere a arcului de vid - se știe că atunci când presiunea gazelor din jurul contactelor comutate scade la o anumită valoare, întrerupătorul de circuit în vid duce la stingerea efectivă a arcului (din cauza lipsei de purtători pentru formarea arcului) .
- utilizarea unui material de contact mai rezistent la arc;
- utilizarea materialului de contact cu un potențial de ionizare mai mare;
- utilizarea grilelor de arc (întrerupător automat, întrerupător electromagnetic). Principiul aplicării suprimării arcului pe grătare se bazează pe aplicarea efectului căderii aproape catodice în arc (cea mai mare parte a căderii de tensiune în arc este căderea de tensiune la catod; jgheabul arcului este de fapt o serie de contacte de serie pentru arcul care a ajuns acolo).
- utilizarea jgheaburilor cu arc - intrarea într-o cameră din material rezistent la arc, precum plasticul micaceu, cu canale înguste, uneori în zig-zag, arcul se întinde, se contractă și se răcește intens din contactul cu pereții camerei.
- utilizarea „exploziei magnetice” - deoarece arcul este puternic ionizat, atunci în prima aproximare poate fi considerat ca un conductor flexibil cu curent; Prin crearea de electromagneți speciali (conectați în serie cu arcul), un câmp magnetic poate crea mișcarea arcului pentru a distribui uniform căldura peste contact și pentru a-l conduce într-un jgheab sau grătar. Unele modele de întrerupătoare creează un câmp magnetic radial care conferă cuplu arcului.
- manevra contactelor in momentul deschiderii unei chei semiconductoare de putere cu un tiristor sau triac conectat in paralel cu contactele, dupa deschiderea contactelor, cheia semiconductoare este oprita in momentul trecerii tensiunii prin zero (contactor hibrid, thyricon). .
- descărcare de scânteie- articol din Marea Enciclopedie Sovietică.
- Reiser Yu.P. Fizica descărcării gazelor. - Ed. a II-a. - M. : Nauka, 1992. - 536 p. - ISBN 5-02014615-3.
- Rodshtein L. A. Dispozitive electrice, L 1981
- Clerici, Matteo; Hu, Yi; Lassonde, Philippe; Milian, Carles; Couiron, Arnaud; Christodoulides, Demetrios N.; Chen, Zhigang; Razzari, Luca; Vidal, Francois (01.06.2015). „Dirijarea asistată cu laser a descărcărilor electrice în jurul obiectelor”. Avansuri în știință 1(5): e1400111. Cod biblic:2015SciA….1E0111C. doi:10.1126/sciadv.1400111. ISSN 2375-2548.
Apariția unui arc electric și proprietățile acestuia, procesele care provoacă nașterea și susțin arderea, precum și soluții de proiectare în dispozitivele de comutare pentru stingerea unei descărcări de arc.
Rezumatul articolului:Proprietățile unui arc electric sau descărcări de arc
În electrotehnică (întrerupătoare automate, întrerupătoare cu cuțit, contactoare) atunci când un circuit încărcat este oprit, se naște un arc electric.
Să stabilim limitele: în cele ce urmează sunt descrise procesele tipice pentru dispozitivele cu nominală curenți de la 1 la 2000 de amperiși concepute pentru a funcționa în rețele cu tensiune pana la 1000 volti(echipamente de joasă tensiune). Pentru echipamentele de înaltă tensiune, există și alte condiții pentru apariția și arderea arcului.
Parametri importanți ai arcului electric:
- o descărcare de arc se poate dezvolta numai la curenți mari (pentru un metal, acest curent este de 0,5 amperi);
- temperatura în arborele arcului este semnificativă și este de aproximativ 6-18 mii kelvin (deseori 6-10 mii kelvin);
- caderea de tensiune la catod este nesemnificativa si egala cu 10-20 volti.
Descărcarea arcului este împărțită condiționat în trei zone:
- aproape catod;
- trunchi de arc (partea principală);
- aproape de anod.
În zonele selectate, ionizarea și deionizarea procedează diferit:
- ionizare- procesul de dezintegrare a unui atom neutru într-un electron negativ și un ion pozitiv;
- deionizare- un proces opus ionizării (antonim), în care un electron și un ion se contopesc într-o particulă neutră.
Caracteristicile video de 2 minute fotografiere time-lapse a stingerii arcului electricîntr-un întrerupător modular ABB:
Procese care însoțesc nașterea unui arc electric
În stadiul inițial al reproducerii principalele contacte se naște arculîn timpul următoarelor procese:
- emisie termoionică (eliberarea de electroni negativi de pe suprafața de contact încălzită);
- emisie de câmp (desprinderea electronilor de la catod sub influența unui câmp electric semnificativ).
Emisia termoionică. Când contactele sunt rupte în zona ultimei zone de contact, se formează o zonă cu cupru topit cu temperatura corespunzătoare. Cuprul se evaporă la electrodul negativ din așa-numitul punct catod, care este o sursă de electroni liberi. Acest proces este influențat de: temperatura și metalul suprafețelor de contact; este suficient pentru a crea un arc electric, dar nu suficient pentru a-i menține arderea.
Emisia de câmp. Spațiul de aer dintre contacte poate fi considerat un fel de condensator, a cărui capacitate este nelimitată în primul moment, iar apoi scade în funcție de decalajul tot mai mare dintre contactul mobil și cel fix. Condensatorul descris este reîncărcat treptat, iar tensiunea din el este comparată cu tensiunea circuitului principal. Intensitatea câmpului electric atinge valori la care apar condițiile pentru ieșirea electronilor de pe suprafața unui catod neîncălzit.
Raportul influenței proceselor descrise asupra inițierii arcului depinde de puterea curentului oprit, metalul grupului de contact, curățenia suprafeței de contact, viteza de separare a contactului și alți factori. Dominanța unui tip de emisie asupra altuia este individuală.
Procese de susținere a arcului.
Cu ajutorul următoarelor mecanisme de interacțiune a particulelor, se creează condiții pentru descărcare de ardere:
- ionizare prin împingere (un electron dispers se prăbușește într-o particulă neutră și „elimină” și un electron din aceasta);
- ionizare termică (distrugerea atomilor neutri de către temperaturi semnificative).
Ionizare push. Un electron liber cu o anumită viteză este capabil să spargă o particulă neutră într-un electron și un ion. Electronul nou obținut este capabil să rupă legăturile interne ale următoarei particule, rezultând o reacție în lanț. Viteza unui electron este o funcție a diferenței de potențial din zona de mișcare (potențial suficient pentru a elimina un electron: 13 - 16 volți pentru oxigen, hidrogen, azot; 24 volți pentru heliu; 7,7 volți pentru vapori de cupru) .
Ionizare termică. La temperaturi ridicate, vitezele particulelor din plasmă cresc, ceea ce duce la distrugerea atomilor neutri conform principiului ionizării prin împingere.
Concomitent cu procesele de ionizare, procesele de deionizare au loc datorită recombinării (contactul reciproc al particulelor „-” și „+” duce la fuziunea acestora într-un atom neutru) și difuziei (electronii ies din arborele arcului în mediul extern, unde sunt absorbit în condiții normale).
Un factor esențial pentru continuarea arcului în cazul nostru este ionizare termică, deci, pentru a stinge scurgerea se aplică răcirea trunchiului acestuia(contact cu material cu conductivitate termică ridicată), precum si alungirea arcul însuși în spațiul alocat acestuia.
Metode de stingere a arcului electric
Pentru a limita impactul negativ al arcului electric asupra contactelor dispozitivului de comutare și ale componentelor acestuia, arcul trebuie stins cât mai curând posibil. Impacturile negative includ:
- temperaturi ridicate (topire, evaporare a materialului de contact);
- crearea de conductori istmici ai curentului electric (arcul conduce cu ușurință curentul, prin urmare îl poate conduce în zone care nu conduc curentul în timpul funcționării normale);
- încălcarea circuitului electric normal al aparatului (distrugerea izolației).
Arc este o manifestare particulară a uneia dintre stările materiei, numită plasmă. Ciocul arcului are temperaturi ridicate și o cantitate mare de ioni liberi. Din moment ce principalul factorul care prelungește arderea este ionizarea termică, atunci trebuie să intens răcește butoiul arc electric. În aceste scopuri, în dispozitivele de comutare aplica următoarele constructive solutii:
- suflare magnetică sau injectare de lichid de răcire sau gaz pentru a prelungi arcul (b despre Suprafata mai mare, mai multa caldura se disipa
- o grilă deionică sau un set de plăci de oțel profilate care funcționează simultan ca radiatoare și împart arcul în componente separate;
- jgheab cu arc de tip slot, realizat dintr-un material cu conductivitate termică ridicată și rezistență la temperaturi ridicate (un arc electric, în contact cu materialul camerei, degajă energie termică);
- crearea unui spațiu închis dintr-un material care eliberează gaz sub influența temperaturii (presiunea mare a gazului împiedică arderea arcului);
- aliaje speciale de contact pentru reducerea conținutului de metale în plasmă;
- pompați aer din spațiul apropiat pentru a crea un vid (fără substanță - fără ionizare);
- în dispozitivele pentru curent alternativ, deschise în momentul trecerii curentului prin zero (mai puțină energie pentru a crea un arc);
- să introducă în gol, între contactele divergente, semiconductori care să perceapă curentul și să nu permită aprinderea arcului;
- aplicați o întrerupere dublă în circuit (excluzând o parte a conductorului din circuit, distanța dintre catod și anod crește instantaneu și semnificativ).
Bibliografie
Markov A.M. Dispozitive electrice și electronice. Partea 1. Dispozitive electromecanice. - Pskov: Editura Pskov GU, 2013 - 128 s (link către carte de pe pagina „Lista de prețuri”).
În dispozitivele electrice de comutare concepute pentru a închide și deschide un circuit cu curent, atunci când este deconectat, a descărcare electricăîn gaz sau sub formă de descărcare strălucitoare, sau sub formă arcuri. O descărcare luminoasă apare atunci când curentul este sub 0,1 A, iar tensiunea la contacte este de 250-300V. Descărcarea luminoasă are loc la contactele releelor de putere redusă. Descărcarea arcului se observă numai la curenți mari. Curentul minim pentru metale este 0,4-0,9A.
Într-o descărcare cu arc, se disting trei regiuni: aproape catodul, regiunea arborelui arcului și aproape anodul (Fig. 15).
Orez. 15. Zone de descărcare a arcului
Regiunea aproape catodică ocupa un spatiu foarte mic (lungimea totala a acestuia si regiunea anodica este de aproximativ 10 -6 m). Căderea de tensiune pe ea este de 10-20V și practic nu depinde de curent. Intensitatea medie a câmpului electric ajunge la 100 kV/cm. O astfel de intensitate foarte mare a câmpului electric, suficientă pentru ionizarea prin impact a gazului (aerului la presiunea atmosferică normală) sau a vaporilor materialului catodic, se datorează prezenței unei sarcini spațiale pozitive necompensate în această regiune. Cu toate acestea, din cauza întinderii mici a regiunii aproape catodice, electronii nu câștigă o viteză suficientă pentru ionizarea prin impact. Cel mai adesea, după impact, atomul intră într-o stare excitată (electronul atomului merge pe o orbită mai îndepărtată de nucleu). Acum, este nevoie de mai puțină energie pentru a ioniza atomul excitat. Această ionizare se numește călcat. Cu ionizarea în trepte, este necesar un impact multiplu (mai multe zeci) al electronilor asupra unui atom.
Prezența unei sarcini spațiale pozitive necompensate determină în mare măsură densitatea de curent extrem de mare la catod - 100-1000 A/mm2.
Ionii pozitivi sunt accelerați în câmpul căderii de tensiune a catodului și bombardează catodul. La impact, ionii își renunță la energia catodului, încălzindu-l și creând condiții pentru eliberarea electronilor, emisie termoionică electroni din catod .
Zona arborelui arcului este un mediu-plasmă cvasi-neutru ionizat, gazos, excitat termic, în care, sub influența unui câmp electric, purtătorii de sarcină (electroni și ioni) se deplasează spre electrozii de semn opus.
Intensitatea medie a câmpului electric este de aproximativ 20-30V/cm, ceea ce nu este suficient pentru ionizarea prin impact. Sursa principală de electroni și ioni este ionizarea termică, când la o temperatură ridicată viteza particulelor neutre crește atât de mult încât atunci când se ciocnesc, acestea sunt ionizate.
Regiunea anodului, care are o întindere foarte mică, se caracterizează și printr-o scădere bruscă a potențialului datorită prezenței unei sarcini spațiale negative necompensate. Electronii sunt accelerați în câmpul căderii tensiunii anodului și bombardează anodul, care este încălzit la o temperatură de obicei mai mare decât temperatura catodului. Regiunea apropiată de anod nu are un efect semnificativ asupra apariției și existenței unei descărcări de arc. Sarcina anodului este de a primi fluxul de electroni de la arborele arcului.
Dacă U c<(U к +U А), то дуга называется короткой, она характерна для некоторых низковольтных аппаратов.
Dacă U c > (U la + U A), atunci arcul se numește lung, este tipic pentru dispozitivele de înaltă tensiune.
Caracteristica curent-tensiune statică- Stabilește o relație între diferitele valori ale curentului continuu în stare de echilibru și căderea de tensiune pe arc la o lungime constantă a arcului și la condiții constante de ardere a arcului. În acest caz, la fiecare valoare a curentului continuu în regim permanent, se stabilește un echilibru termic (cantitatea de căldură degajată în arc este egală cu cantitatea de căldură degajată de arc către mediu)
Unde m- indicator în funcție de tipul (metoda) impactului de mediu asupra arborelui arcului; A m este o constantă determinată de intensitatea transferului de căldură în zona arborelui arcului la un anumit ( m) modul de expunere la mediu; l - lungimea arcului.
Caracteristica are un caracter de cădere. Odată cu creșterea puterii curentului, emisia termoionică de electroni de la catod și gradul de ionizare a arcului cresc, în urma căruia rezistența arcului scade. Mai mult decât atât, rata de scădere a rezistenței arcului este mai mare decât rata de creștere a curentului.
Caracteristica curent-tensiune dinamică- stabilește o relație între curent, care se modifică într-un anumit fel în timp, și căderea de tensiune pe arc la o lungime constantă a arcului și condiții constante de ardere a acestuia. În acest caz, rata de schimbare a curentului este de așa natură încât echilibrul termic nu are timp să fie stabilit, modificarea rezistenței arcului este în urmă cu schimbarea curentului.
Odată cu creșterea curentului, caracteristica dinamică (curba B din Fig. 16) devine mai mare decât cea statistică (curba A din Fig. 16), deoarece cu o creștere rapidă a curentului, rezistența arcului scade mai lent decât crește curentul. La scădere, este mai mică, deoarece în acest mod rezistența arcului este mai mică decât la o schimbare lentă a curentului (curba C în Fig. 16).
Răspunsul dinamic este determinat în mare măsură de rata de schimbare a curentului în arc. Dacă în circuit este introdusă o rezistență foarte mare pentru un timp infinit mic în comparație cu constanta de timp termică a arcului, atunci în timpul în care curentul scade la zero, rezistența arcului va rămâne constantă. în acest caz, caracteristica dinamică va fi reprezentată ca o linie dreaptă care trece la originea coordonatelor (linia dreaptă D în Fig. 16), adică arcul se comportă ca un conductor metalic, deoarece tensiunea pe arc este proporțională cu actual.
Condiții pentru arderea și stingerea stabilă a arcului de curent continuu. Luați în considerare un circuit DC (Fig. 17).
Fig.17. Arc în circuit DC
Pentru circuitul considerat
Evident, modul staționar, când arcul arde stabil, va fi unul în care curentul din circuit nu se modifică, adică. În acest mod, rata de creștere a numărului de particule ionizate este egală cu rata de dispariție a acestora ca urmare a proceselor de deionizare - se stabilește un echilibru dinamic.
Graficul arată caracteristica curent-tensiune în scădere a arcului și linia dreaptă înclinată U-iR. Din (48) rezultă că
De aici este evident că la punctele 1 și 2. Mai mult, punctul 1 este un punct de echilibru instabil; abaterile aleatorii, arbitrar mici ale curentului conduc fie la o creștere a curentului la o valoare eu 2, sau reduceți-l la zero. La punctul 2, arcul arde stabil; mici abateri aleatorii ale curentului într-un sens sau altul îl conduc înapoi la valoare eu 2. Din grafic se poate observa că arcul la toate valorile curentului nu poate arde stabil dacă căderea de tensiune pe arc () depășește tensiunea furnizată arcului de la sursă ()
Astfel, pentru stingerea arcului, este necesar să se creeze condiții în care căderea de tensiune pe arc să depășească tensiunea furnizată arcului de la sursă, în limita tensiunii de rețea.
Trei fenomene sunt folosite pentru a stinge arcul:
1. Mărirea lungimii arcului prin întinderea acestuia.
Cu cât arcul este mai lung, cu atât este mai mare tensiunea necesară existenței sale (cu cât caracteristica curent-tensiune este mai mare - (curba U 1 d în fig. 17). Dacă tensiunea furnizată arcului de la sursă (drept) se dovedește a fi mai mică decât caracteristica curent-tensiune a arcului - (curba U 1 e), atunci nu există condiții pentru arderea stabilă a arcului, arcul se stinge.
Acesta este cel mai simplu, dar cel mai ineficient mod. De exemplu, pentru a stinge, de exemplu, un arc cu un curent de 100A la o tensiune de 220 V, este necesară întinderea arcului pe o distanță de 25 ÷ 30 cm, ceea ce este practic imposibil de realizat în dispozitivele electrice. (dimensiunile cresc). Prin urmare, această metodă este utilizată ca principale numai dispozitive electrice de joasă tensiune (relee, demaroare magnetice, întrerupătoare).
2. Impact asupra arborelui arcului prin răcire, realizându-se o creștere a gradientului de efort longitudinal.
2.1 Stingerea arcului în goluri înguste(Fig. 18). Dacă arcul arde într-o fantă îngustă formată dintr-un material rezistent la arc, atunci din cauza contactului cu suprafețele reci, are loc răcirea intensă și difuzarea particulelor încărcate din canalul arcului în mediu. Aceasta duce la stingerea arcului. Metoda este utilizată în dispozitive pentru tensiune de până la 1000V.
Orez. 18. Stingerea arcului în fante înguste
2.2 Stingerea arcului în ulei(fig.19) . Dacă contactele dispozitivului de deconectare sunt plasate în ulei, atunci arcul care apare în timpul deschiderii duce la formarea intensivă de gaz și la evaporarea uleiului. În jurul arcului se formează o bulă de gaz, constând în principal din hidrogen, care are proprietăți mari de stingere a arcului. Presiunea crescută în interiorul bulei de gaz contribuie la o mai bună răcire a arcului și la stingerea acestuia. Metoda este utilizată în dispozitivele pentru tensiuni peste 1000V.
2.3 Explozie gaz-aer(fig.20) . Răcirea arcului este îmbunătățită dacă se creează o mișcare direcțională a gazelor - suflarea de-a lungul sau peste arc .
Fig. 20. Suflare gaz-aer: a - de-a lungul arcului, b - peste arc .
Metoda este utilizată în dispozitivele pentru tensiuni peste 1000V.
3. Folosind căderea de tensiune aproape de electrod.
Împărțirea unui arc lung într-o serie de arc scurt(Fig. 21). Dacă un arc lung este tras într-un jgheab cu plăci metalice (grilajul arcului), atunci acesta va fi împărțit în P arcuri scurte. Scăderile de tensiune apropiate de electrod apar la fiecare placă de rețea. Datorită sumei căderilor de tensiune din apropierea electrodului, căderea totală de tensiune devine mai mare decât cea dată de sursa de alimentare și arcul se stinge. Arcul se stinge dacă U
Fig.21. Împărțirea unui arc lung într-o serie de arc scurt
Stingerea arcului este facilitată de gaze cu descărcare mare sau gaze de înaltă presiune utilizate ca izolație internă a dispozitivelor pentru tensiuni peste 1000V.
Stingerea arcului în vid. Un gaz puternic descărcat are o putere electrică de zece ori mai mare decât un gaz la presiunea atmosferică; se folosește la contactoare și întrerupătoare în vid.
Stingerea arcului în gaze de înaltă presiune. Aerul la o presiune de 2 MPa sau mai mult are o rezistență electrică ridicată, ceea ce face posibilă crearea unor dispozitive de stingere compacte în întrerupătoarele cu aer. Utilizarea hexafluorurii de sulf SF 6 (SF6) este eficientă pentru stingerea arcului electric.
Condiții de stingere a arcului AC.
Lăsați contactele să se separe la punctul a. Între ele se aprinde un arc. Până la sfârșitul semiciclului, din cauza scăderii curentului, rezistența arborelui arcului crește și, în consecință, tensiunea pe arc crește. Când curentul se apropie de zero, arcului este furnizată putere scăzută, temperatura arcului scade, ionizarea termică încetinește în consecință și procesele de deionizare se accelerează - arcul se stinge (punct 0 ). Curentul din circuit se întrerupe înainte de trecerea lui naturală prin zero. Tensiune corespunzătoare întreruperii curentului - vârf de amortizare U g.
Orez. 22. Stingerea arcului de curent alternativ cu sarcina activă
După stingerea arcului, are loc procesul de restabilire a rezistenței electrice a golului arcului (curba a 1 - b 1). Sub puterea electrică a întreruperii arcului se înțelege tensiunea la care are loc o defecțiune electrică a întreruperii arcului. Forța electrică inițială (punctul a 1) și viteza de creștere a acesteia depind de proprietățile dispozitivului de stingere a arcului. Pe moment t1 curba de tensiune pe decalajul arcului se intersectează cu curba de restabilire a rezistenței electrice a decalajului arcului - arcul este aprins. Tensiune de aprindere arc - vârf de aprindere U s. Curba tensiunii arcului are formă de șa.
La punctul 0 1 arcul se stinge din nou și au loc procese similare celor descrise mai devreme. Până în momentul de față 0 1 datorită divergenței contactelor, lungimea arcului crește, îndepărtarea căldurii din arc crește, respectiv, rezistența electrică inițială crește (punctul a 2) și viteza de creștere a acestuia (curba a 2 - în 2). ). În mod corespunzător, crește și timpul mort. 0 1 - t2 > 0 -t1 .
Pe moment t2 arcul este reaprins. La punctul 0 11 arcul se stinge. Rezistența electrică inițială crește din nou (punctul a 3) și rata creșterii acesteia (curba a 3 -b 3). Curba de tensiune nu se intersectează cu curba de creștere a rigidității dielectrice. Arcul nu se aprinde în această jumătate de ciclu.
Într-un arc deschis la tensiune înaltă(intercalarea cornului), factorul determinant este rezistența activă a unui arbore de arc puternic întins.Condițiile de stingere a arcului de curent alternativ se apropie de condițiile de stingere a arcului de curent continuu, iar procesele după trecerea curentului prin zero au un efect redus asupra stingerii. a arcului.
Cu o sarcină inductivă, timpul mort este foarte mic (aproximativ 0,1 µs), adică arcul arde aproape continuu. Deconectarea unei sarcini inductive este mai dificilă decât a unei sarcini rezistive. Nu există nicio întrerupere aici.
În general, procesul de arc pe curent alternativ este mai ușor decât pe curent continuu. O condiție rațională pentru stingerea unui arc de curent alternativ ar trebui considerată ca atare atunci când stingerea se efectuează la prima trecere prin zero a curentului după deschiderea contactelor.
Întrebări pentru autoexaminare:
· Zone de descărcare a arcului.
· Caracteristică curent-tensiune statică.
· Caracteristică curent-tensiune dinamică.
· Condiții pentru arderea și stingerea stabilă a arcului de curent continuu.
Ce fenomene sunt folosite pentru stingerea arcului?
· Condiții de stingere a arcului de curent alternativ.
Recomandăm și noi
Se încarcă...