Hem > Vägtransportutrustning

bågspänning. Vad är en ljusbåge och hur uppstår den

22 augusti 2012 kl. 10.00

När en elektrisk krets öppnas uppstår en elektrisk urladdning i form av en ljusbåge. För utseendet av en elektrisk båge räcker det att spänningen vid kontakterna är över 10 V vid en ström i kretsen i storleksordningen 0,1A eller mer. Vid betydande spänningar och strömmar kan temperaturen inuti bågen nå 10 ... 15 tusen ° C, vilket leder till att kontakterna och de strömförande delarna smälter.

Vid spänningar på 110 kV och över kan båglängden nå flera meter. Därför är en elektrisk ljusbåge, särskilt i kraftkretsar med hög effekt, vid spänningar över 1 kV en stor fara, även om allvarliga konsekvenser kan få i installationer vid spänningar under 1 kV. Som ett resultat måste den elektriska ljusbågen begränsas så mycket som möjligt och snabbt släckas i kretsar för spänningar både över och under 1 kV.

Orsaker till en elektrisk ljusbåge

Processen för bildandet av en elektrisk ljusbåge kan förenklas enligt följande. När kontakterna divergerar, minskar kontakttrycket och följaktligen kontaktytan först, kontaktmotståndet ökar (strömdensitet och temperatur - lokal (i vissa delar av kontaktområdet) överhettning börjar, vilket ytterligare bidrar till termionemission, när, under inverkan av hög temperatur ökar elektronernas hastighet och de bryter ut från elektrodens yta.

I ögonblicket för divergens av kontakter, det vill säga ett kretsbrott, återställs spänningen snabbt vid kontaktgapet. Eftersom avståndet mellan kontakterna är litet uppstår ett höghållfast elektriskt fält, under vilket elektroner flyr ut från elektrodytan. De accelererar i ett elektriskt fält och ger den sin kinetiska energi när de träffar en neutral atom. Om denna energi är tillräcklig för att slita av åtminstone en elektron från skalet på en neutral atom, inträffar joniseringsprocessen.

De resulterande fria elektronerna och jonerna utgör bågaxelns plasma, det vill säga den joniserade kanalen i vilken bågen brinner och den kontinuerliga rörelsen av partiklar säkerställs. I det här fallet rör sig negativt laddade partiklar, främst elektroner, i en riktning (mot anoden), och atomer och gasmolekyler, utan en eller flera elektroner - positivt laddade partiklar - i motsatt riktning (mot katoden). Plasmaledningsförmågan är nära den för metaller.

En stor ström flyter i ljusbågsaxeln och en hög temperatur genereras. En sådan temperatur på bågaxeln leder till termisk jonisering - processen för bildande av joner på grund av kollisionen av molekyler och atomer med hög kinetisk energi vid höga hastigheter för deras rörelse (molekyler och atomer i mediet där bågen brinner sönderfaller till elektroner och positivt laddade joner). Intensiv termisk jonisering upprätthåller hög plasmaledningsförmåga. Därför är spänningsfallet längs båglängden litet.

I en ljusbåge pågår två processer kontinuerligt: ​​förutom jonisering sker även avjonisering av atomer och molekyler. Det senare sker huvudsakligen genom diffusion, det vill säga överföringen av laddade partiklar till miljön, och rekombinationen av elektroner och positivt laddade joner, som rekombineras till neutrala partiklar med återgången av energin som spenderas på deras sönderfall. I detta fall förs värmen bort till miljön.

Således kan tre stadier av processen i fråga särskiljas: ljusbågtändning, när, på grund av stötjonisering och elektronemission från katoden, en ljusbågarladdning börjar och joniseringsintensiteten är högre än avjonisering, stabil ljusbågsbränning, understödd av termisk jonisering i ljusbågsaxeln, när intensiteten av jonisering och avjonisering är densamma, bågsläckning när intensiteten av avjonisering är högre än jonisering.

Metoder för att släcka ljusbågen i elektriska kopplingsanordningar

För att koppla bort elementen i den elektriska kretsen och därmed utesluta skador på omkopplingsanordningen är det nödvändigt att inte bara öppna dess kontakter utan också att släcka bågen som uppstår mellan dem. Processerna för bågsläckning, såväl som förbränning, är olika för växelström och likström. Detta bestäms av det faktum att i det första fallet passerar strömmen i bågen genom noll varje halvcykel. Vid dessa ögonblick upphör energiutsläppet i ljusbågen och ljusbågen släcks spontant varje gång och tänds sedan igen.

I praktiken blir strömmen i bågen nära noll lite tidigare än nollgenomgången, eftersom när strömmen minskar minskar energin som tillförs bågen, temperaturen på bågen minskar i enlighet med detta och termisk jonisering stoppas. I detta fall fortskrider avjoniseringsprocessen intensivt i båggapet. Om kontakterna för tillfället öppnas och snabbt separeras, kan den efterföljande elektriska nedbrytningen inte inträffa och kretsen kommer att stängas av utan en båge. Det är dock extremt svårt att göra detta i praktiken, och därför vidtas speciella åtgärder för att påskynda utsläckningen av ljusbågen, vilket säkerställer kylning av bågutrymmet och en minskning av antalet laddade partiklar.

Som ett resultat av avjonisering ökar den dielektriska styrkan hos gapet gradvis och samtidigt ökar återhämtningsspänningen över den. Det beror på förhållandet mellan dessa värden om bågen kommer att lysa under nästa halva av perioden eller inte. Om den dielektriska styrkan hos gapet ökar snabbare och är större än återvinningsspänningen kommer ljusbågen inte längre att antändas, annars blir ljusbågen stabil. Det första villkoret definierar problemet med ljusbågssläckning.

I omkopplingsanordningar används olika metoder för bågsläckning.

Bågförlängning

När kontakterna divergerar i processen att stänga av den elektriska kretsen sträcks bågen som har uppstått. I detta fall förbättras villkoren för kylning av bågen, eftersom dess yta ökar och mer spänning krävs för förbränning.

Dela upp en lång båge i en serie korta bågar

Om den båge som bildas när kontakterna öppnas delas upp i K korta bågar, till exempel genom att dra åt den till ett metallgaller, kommer den att slockna. Bågen dras vanligtvis in i ett metallgitter under påverkan av ett elektromagnetiskt fält som induceras i gitterplattorna av virvelströmmar. Denna metod för att släcka ljusbågen används i stor utsträckning i omkopplingsanordningar för spänningar under 1 kV, särskilt i automatiska luftströmbrytare.

Bågkylning i smala slitsar

Släckningen av bågen i en liten volym underlättas. Därför används bågrännor med längsgående slitsar i stor utsträckning i omkopplingsanordningar (axeln för en sådan slits sammanfaller i riktning med bågaxelns axel). Ett sådant gap bildas vanligtvis i kammare gjorda av isolerande bågbeständiga material. På grund av bågens kontakt med kalla ytor sker dess intensiva kylning, diffusion av laddade partiklar i miljön och följaktligen snabb avjonisering.

Förutom slitsar med planparallella väggar används även slitsar med ribbor, utsprång och förlängningar (fickor). Allt detta leder till deformation av bågaxeln och bidrar till en ökning av området för dess kontakt med kammarens kalla väggar.

Dragningen av bågen i smala slitsar sker vanligtvis under inverkan av ett magnetfält som samverkar med bågen, vilket kan betraktas som en strömförande ledare.

Ett externt magnetfält för att förflytta ljusbågen tillhandahålls oftast av en spole kopplad i serie med kontakterna mellan vilka ljusbågen uppstår. Ljusbågssläckning i smala slitsar används i apparater för alla spänningar.

Högtrycksljussläckning

Vid konstant temperatur minskar graden av jonisering av gasen med ökande tryck, medan gasens värmeledningsförmåga ökar. Allt annat lika leder detta till ökad kylning av ljusbågen. Bågsläckning med hjälp av högt tryck som skapas av själva ljusbågen i tätt slutna kammare används ofta i säkringar och ett antal andra anordningar.

Bågsläckning i olja

Om brytarens kontakter är placerade i olja, leder bågen som uppstår när de öppnas till intensiv avdunstning av oljan. Som ett resultat bildas en gasbubbla (skal) runt bågen, huvudsakligen bestående av väte (70 ... 80%), samt oljeånga. De emitterade gaserna med hög hastighet tränger direkt in i bågaxelns zon, orsakar blandning av kall och varm gas i bubblan, ger intensiv kylning och följaktligen avjonisering av båggapet. Dessutom ökar avjoniseringsförmågan hos gaser det tryck som skapas under den snabba nedbrytningen av oljan inuti bubblan.

Intensiteten i processen att släcka bågen i olja är ju högre, ju närmare bågen kommer i kontakt med oljan och desto snabbare rör sig oljan i förhållande till bågen. Med tanke på detta begränsas båggapet av en sluten isoleringsanordning - en bågränna. I dessa kammare skapas en närmare kontakt av olja med bågen, och med hjälp av isolerande plattor och avgashål bildas arbetskanaler genom vilka olja och gaser rör sig, vilket ger intensiv blåsning (blåsning) av bågen.

Enligt funktionsprincipen är bågrännor indelade i tre huvudgrupper: med autoblåsning, när högt tryck och hastighet av gasrörelser i bågzonen skapas på grund av den energi som frigörs i bågen, med forcerad oljeblåsning med speciell pumpande hydrauliska mekanismer, med magnetisk släckning i olja, när bågen under inverkan av magnetfältet rör sig in i smala slitsar.

De mest effektiva och enkla bågrännorna med autoblåsning. Beroende på placeringen av kanalerna och avgashålen särskiljs kammare i vilka intensiv blåsning av gas-ångblandningen och olja strömmar längs bågen (längsgående sprängning) eller över bågen (tvärsprängning). De övervägda metoderna för att släcka bågen används ofta i strömbrytare för spänningar över 1 kV.

Andra sätt att släcka ljusbågen i enheter för spänningar över 1 kV

Förutom ovanstående metoder för att släcka bågen använder de också: tryckluft, vars flöde blåser längs med eller tvärs över bågen, vilket ger dess intensiva kylning (istället för luft används också andra gaser, ofta erhållna från fast gas- genererande material - fiber, vinylplast, etc. - för på grund av deras nedbrytning av den brinnande ljusbågen själv), SF6 (svavelhexafluorid), som har en högre elektrisk hållfasthet än luft och väte, vilket gör att ljusbågen brinner i denna gas, även vid atmosfärstryck, släcks snabbt, mycket förtärnad gas (vakuum), vid öppning av kontakter där ljusbågen inte tänds igen (släcks) efter den första passagen av strömmen genom noll.

Senaste publikationerna

Hej alla besökare på min blogg. Ämnet för dagens artikel är en ljusbåge och skydd mot en ljusbåge. Ämnet är inte av misstag, jag skriver från Sklifosovsky-sjukhuset. Gissa varför?

Vad är en elektrisk ljusbåge

Detta är en av typerna av elektrisk urladdning i en gas (ett fysiskt fenomen). Det kallas också - Arc discharge eller Voltaic arc. Består av joniserad, elektriskt kvasi-neutral gas (plasma).

Det kan uppstå mellan två elektroder när spänningen mellan dem ökar, eller när de närmar sig varandra.

Kort om egenskaper: ljusbågstemperatur, från 2500 till 7000 °C. Ingen liten temperatur dock. Samspelet mellan metaller och plasma leder till uppvärmning, oxidation, smältning, förångning och andra typer av korrosion. Åtföljs av ljusstrålning, spräng- och stötvågor, ultrahög temperatur, brand, ozon och koldioxidutsläpp.

Det finns mycket information på Internet om vad en ljusbåge är, vad dess egenskaper är, om du är intresserad av mer detaljer, titta. Till exempel i en.wikipedia.org.

Nu om min olycka. Det är svårt att tro, men för 2 dagar sedan stötte jag direkt på detta fenomen, och utan framgång. Det var så här: den 21 november, på jobbet, blev jag instruerad att göra ledningarna för lamporna i kopplingsdosan och sedan ansluta dem till nätverket. Det var inga problem med ledningarna, men när jag kom in i skölden uppstod en del svårigheter. Det är synd att Androyden glömde sitt hus, inte tog ett foto av den elektriska panelen, annars skulle det vara mer tydligt. Jag kanske gör mer när jag kommer till jobbet. Så, skölden var väldigt gammal - 3 faser, noll buss (alias jordning), 6 automater och en paketväxel (det verkar som om allt är enkelt), tillståndet var från början inte trovärdigt. Jag kämpade länge med ett nolldäck, eftersom alla bultar var rostiga, varefter jag lätt satte fasen på maskinen. Allt är bra, jag kollade lamporna, de fungerar.

Efter det återvände han till skölden för att försiktigt lägga ledningarna och stänga den. Jag vill notera att den elektriska panelen var på en höjd av ~ 2 meter, i en smal passage, och för att komma till den använde jag en stege (stege). När jag lade kablarna hittade jag gnistor på kontakterna på andra maskiner, vilket fick lamporna att blinka. Följaktligen utökade jag alla kontakter och fortsatte att inspektera de återstående ledningarna (för att göra det en gång och inte återvända till detta igen). Efter att ha upptäckt att en kontakt på påsen har hög temperatur, bestämde jag mig för att förlänga den också. Jag tog en skruvmejsel, lutade den mot skruven, vände på den, pang! Det var en explosion, en blixt, jag kastades tillbaka, träffade väggen, jag föll till golvet, ingenting var synligt (blindad), skölden slutade inte explodera och surra. Varför skyddet inte fungerade vet jag inte. När jag kände hur gnistorna faller på mig insåg jag att jag måste ut. Jag kom ut genom beröring, krypande. Efter att ha kommit ut ur denna trånga passage började han ringa sin partner. Redan i det ögonblicket kände jag att något var fel med min högra hand (jag höll en skruvmejsel med den), en fruktansvärd smärta kändes.

Tillsammans med min sambo bestämde vi att vi behövde springa till första hjälpen-posten. Vad som hände sedan tror jag att det inte är värt att berätta, de bara stack och åkte till sjukhuset. Jag kommer aldrig att glömma det fruktansvärda ljudet av en lång kortslutning - kliande av surrande.

Nu är jag på sjukhuset, jag har ett skavsår på mitt knä, läkarna tror att jag blev chockad, det här är en utväg, så de övervakar mitt hjärta. Jag tror att strömmen inte slog mig, men brännskadan på min arm orsakades av en elektrisk ljusbåge som uppstod under kortslutningen.

Vad som hände där, varför kortslutningen hände vet jag inte än, tror jag, när skruven vreds, rörde sig själva kontakten och en fas-till-fas kortslutning inträffade, eller så fanns det en bar tråd bakom paketet switch och när skruven närmade sig elektrisk ljusbåge. Jag får veta senare om de kommer på det.

Fan, jag gick för en dressing, de lindade min hand så mycket att jag skriver med en kvar nu)))

Jag tog inte ett foto utan bandage, det är inte en särskilt trevlig syn. Jag vill inte skrämma nybörjare elektriker....

Vilka är de elektriska ljusbågsskyddsåtgärderna som kan skydda mig? Efter att ha analyserat Internet såg jag att det mest populära sättet att skydda människor i elektriska installationer från en ljusbåge är en värmebeständig kostym. I Nordamerika är speciella Siemens effektbrytare mycket populära, som skyddar både från en elektrisk ljusbåge och från maximal ström. I Ryssland används för närvarande sådana maskiner endast vid högspänningstransformatorstationer. I mitt fall skulle en dielektrisk handske räcka för mig, men tänk själv hur man kopplar in lampor i dem? Det är väldigt obehagligt. Jag rekommenderar också att du använder skyddsglasögon för att skydda dina ögon.

I elektriska installationer utförs kampen mot en elektrisk ljusbåge med hjälp av vakuum- och oljebrytare, samt med hjälp av elektromagnetiska spolar tillsammans med ljusbågar.

Det är allt? Inte! Det mest pålitliga sättet att skydda dig från en elektrisk ljusbåge, enligt min mening, är stressavlastningsarbete . Jag vet inte om dig, men jag kommer inte att arbeta under stress längre ...

Det här är min artikel elektrisk ljusbåge och ljusbågsskydd slutar. Finns det något att tillägga? Lämna en kommentar.

I boken "Nyheter om galvaniska-voltaiska experiment med hjälp av ett enormt batteri, ibland bestående av 4200 koppar- och zinkcirklar" (S:t Petersburg, 1803). En elektrisk båge är ett specialfall av den fjärde formen av materiens tillstånd - plasma - och består av en joniserad, elektriskt kvasi-neutral gas. Närvaron av fria elektriska laddningar säkerställer ledningsförmågan hos ljusbågen.

fysiska fenomen

En elektrisk båge mellan två elektroder i luft vid atmosfärstryck bildas enligt följande:

När spänningen mellan de två elektroderna ökar till en viss nivå i luften uppstår ett elektriskt genombrott mellan elektroderna. Den elektriska genomslagsspänningen beror på avståndet mellan elektroderna och andra faktorer. Joniseringspotentialen för den första elektronen av metallatomer är ungefär 4,5 - 5 V, och ljusbågsspänningen är dubbelt så stor (9 - 10 V). Det krävs att energi förbrukas på att en elektron kommer ut från metallatomen på en elektrod och på joniseringen av den andra elektrodens atom. Processen leder till bildandet av ett plasma mellan elektroderna och förbränning av en båge (för jämförelse: minimispänningen för bildandet av en gnisturladdning överstiger något elektronutgångspotentialen - upp till 6 V).

För att initiera ett genombrott vid den tillgängliga spänningen förs elektroderna närmare varandra. Under ett haveri uppstår vanligtvis en gnisturladdning mellan elektroderna, vilket pulsstänger den elektriska kretsen. Elektroner i gnisturladdningar joniserar molekyler i luftgapet mellan elektroderna. Med tillräcklig effekt av spänningskällan i luftgapet bildas en tillräcklig mängd plasma för ett betydande fall i genombrottsspänningen eller resistansen i luftgapet. I det här fallet förvandlas gnistanladdningar till en ljusbågsurladdning - en plasmasladd mellan elektroderna, som är en plasmatunnel. Den resulterande bågen är i själva verket en ledare och stänger den elektriska kretsen mellan elektroderna. Som ett resultat ökar den genomsnittliga strömmen ännu mer och värmer bågen upp till 5000-50000. I detta fall anses det att tändningen av bågen är klar. Efter antändning säkerställs stabil ljusbågsbränning genom termionisk emission från katoden som värms upp av ström och jonbombardement.

Efter tändning kan ljusbågen förbli stabil när de elektriska kontakterna är separerade upp till ett visst avstånd.

Interaktionen mellan elektroder och bågplasma leder till deras uppvärmning, partiell smältning, förångning, oxidation och andra typer av korrosion.

Under driften av elektriska högspänningsinstallationer, där utseendet på en elektrisk båge är oundvikligt när du byter en elektrisk krets, utförs kampen mot den med hjälp av elektromagnetiska spolar i kombination med bågar. Bland andra metoder är användningen av vakuum-, luft-, SF6- och oljebrytare kända, liksom metoder för att avleda ström till en spänningsförande last som oberoende bryter den elektriska kretsen.

Bågstruktur

Den elektriska ljusbågen består av katod- och anodområden, bågpelare, övergångsområden. Tjockleken på anodområdet är 0,001 mm, katodområdet är cirka 0,0001 mm.

Temperaturen i anodområdet under förbrukningsbar elektrodsvetsning är cirka 2500 ... 4000 ° C, temperaturen i bågkolonnen är från 7 000 till 18 000 ° C, i katodområdet - 9 000 - 12 000 ° C.

Bågpelaren är elektriskt neutral. I någon av dess sektioner finns det samma antal laddade partiklar med motsatta tecken. Spänningsfallet i bågkolonnen är proportionellt mot dess längd.

Svetsbågar klassificeras enligt:

  • Elektrodmaterial - med en förbrukningsbar och icke-förbrukningsbar elektrod;
  • Grader av kolumnkompression - fri och komprimerad båge;
  • Enligt den använda strömmen - båge av likström och båge av växelström;
  • Enligt polariteten för likström - direkt polaritet ("-" på elektroden, "+" - på produkten) och omvänd polaritet;
  • Vid användning av växelström - enfas och trefas bågar.

Självreglerande båge

När en extern störning uppstår - en förändring av nätspänningen, trådmatningshastigheten etc. - uppstår ett brott i den etablerade jämvikten mellan matningshastigheten och smälthastigheten. Med en ökning av båglängden i kretsen minskar svetsströmmen och smälthastigheten för elektrodtråden, och matningshastigheten, som förblir konstant, blir större än smälthastigheten, vilket leder till att båglängden återställs. Med en minskning av båglängden blir trådens smälthastighet större än matningshastigheten, vilket leder till att den normala båglängden återställs.

Effektiviteten hos självregleringsprocessen för ljusbågen påverkas avsevärt av formen på strömspänningskarakteristiken för strömkällan. Den höga hastigheten för svängningen av båglängden beräknas automatiskt med en stel ström-spänningskarakteristik för kretsen.

Användbar applikation

Elektrisk svetsning

Den elektriska ljusbågen används vid elektrisk svetsning av metaller, för stålsmältning (bågsstålsugn) och vid belysning (i ljusbågslampor). Ibland används egenskapen för bågens olinjära volt-amperekarakteristik (se Fältsläckningsmaskin).

Ljuskällor

Elektrisk ljusbågsstrid

I ett antal enheter är fenomenet en elektrisk ljusbåge skadligt. Dessa är först och främst kontaktbrytare som används i strömförsörjning och elektrisk drivning: högspänningsomkopplare, automatiska strömbrytare, kontaktorer, sektionsisolatorer på kontaktnätet för elektrifierade järnvägar och elektriska stadstransporter. När lasterna kopplas bort av ovanstående anordningar uppstår en ljusbåge mellan brytningskontakterna.

Mekanismen för uppkomsten av en båge i detta fall är följande:

  • Minska kontakttrycket - antalet kontaktpunkter minskar, motståndet i kontaktnoden ökar;
  • Början av divergensen av kontakter - bildandet av "broar" från kontakternas smälta metall (på platserna för de sista kontaktpunkterna);
  • Ruptur och förångning av "broar" från smält metall;
  • Bildandet av en elektrisk ljusbåge i metallånga (vilket bidrar till större jonisering av kontaktgapet och svårigheter att släcka ljusbågen);
  • Stabil ljusbågsbildning med snabb utbränning av kontakter.

För minimal skada på kontakterna är det nödvändigt att släcka bågen på minsta möjliga tid och göra allt för att förhindra att bågen finns på ett ställe (när bågen rör sig kommer värmen som släpps ut i den att fördelas jämnt över kroppen av kontakten).

För att uppfylla ovanstående krav används följande bågundertryckningsmetoder:

  • kylning av bågen genom flödet av kylmediet - vätska (oljebrytare); gas - (luftströmbrytare, automatisk gasströmbrytare, oljeströmbrytare, SF6-strömbrytare), och flödet av kylmediet kan passera både längs bågaxeln (längsgående dämpning) och tvärs över (tvär dämpning); ibland används longitudinell-tvärgående dämpning;
  • användning av bågsläckningskapaciteten hos vakuum - det är känt att när trycket från gaserna som omger de omkopplade kontakterna minskar till ett visst värde, leder vakuumbrytaren till effektiv ljusbågssläckning (på grund av bristen på bärare för bågbildning) .
  • användning av mer bågbeständigt kontaktmaterial;
  • användningen av kontaktmaterial med högre joniseringspotential;
  • användningen av ljusbågsnät (automatisk omkopplare, elektromagnetisk omkopplare). Principen för tillämpning av bågundertryckning på gitter är baserad på tillämpningen av effekten av nära-katodfall i ljusbågen (det mesta av spänningsfallet i bågen är spänningsfallet vid katoden; bågrännan är faktiskt en serie av seriekontakter för bågen som kom dit).
  • användningen av bågrännor - att komma in i en kammare gjord av bågbeständigt material, såsom glimmerplast, med smala, ibland sicksackkanaler, sträcker sig bågen, drar ihop sig och svalnar intensivt från kontakt med kammarens väggar.
  • användningen av "magnetisk sprängning" - eftersom bågen är starkt joniserad, kan den i den första approximationen betraktas som en flexibel ledare med ström; Genom att skapa speciella elektromagneter (kopplade i serie med bågen) kan ett magnetfält skapa bågrörelse för att jämnt fördela värmen över kontakten och för att driva in den i en bågränna eller galler. Vissa kretsbrytare skapar ett radiellt magnetfält som ger vridmoment till bågen.
  • shuntning av kontakter i ögonblicket för att öppna en krafthalvledarnyckel med en tyristor eller triac kopplad parallellt med kontakterna, efter att kontakterna öppnats stängs halvledarnyckeln av i det ögonblick som spänningen passerar genom noll (hybridkontaktor, tyricon).
    • .
  • gnistanladdning- artikel från Great Soviet Encyclopedia.
  • Reiser Yu.P. Gasutsläppets fysik. - 2:a uppl. - M. : Nauka, 1992. - 536 sid. - ISBN 5-02014615-3.
  • Rodshtein L. A. Electric devices, L 1981
  • Clerici, Matteo; Hu, Yi; Lassonde, Philippe; Milian, Carles; Couairon, Arnaud; Christodoulides, Demetrios N.; Chen, Zhigang; Razzari, Luca; Vidal, Francois (2015-06-01). "Laserassisterad styrning av elektriska urladdningar runt föremål". Science Advances 1(5): e1400111. Bibcode:2015SciA….1E0111C. doi:10.1126/sciadv.1400111. ISSN 2375-2548.

Förekomsten av en elektrisk ljusbåge och dess egenskaper, de processer som orsakar födsel och stödjer förbränning, samt designlösningar i omkopplingsanordningar för att släcka en ljusbågsurladdning.

Sammanfattning av artikeln:

Egenskaper hos en ljusbåge eller ljusbågsurladdning

Inom elektroteknik (automatiska strömbrytare, knivbrytare, kontaktorer) när en laddad krets stängs av uppstår en elektrisk ljusbåge.

Låt oss sätta gränserna: följande beskriver processerna som är typiska för enheter med nominell strömmar från 1 till 2000 ampere och designad för att fungera i nätverk med spänning upp till 1000 volt(lågspänningsutrustning). För högspänningsutrustning finns det andra förutsättningar för uppkomsten och förbränningen av ljusbågen.

Viktiga parametrar för ljusbågen:

  • en ljusbågsurladdning kan endast utvecklas vid höga strömmar (för en metall är denna ström 0,5 ampere);
  • temperaturen i bågaxeln är betydande och är cirka 6-18 tusen kelvin (ofta 6-10 tusen kelvin);
  • spänningsfallet vid katoden är obetydligt och lika med 10-20 volt.

Ljusbågsurladdningen är villkorligt uppdelad i tre zoner:

  • nära-katod;
  • bågstam (huvuddel);
  • nära-anod.

I de valda zonerna fortskrider jonisering och avjonisering annorlunda:

  • jonisering- processen för sönderfall av en neutral atom till en negativ elektron och en positiv jon;
  • avjonisering- en process motsatt jonisering (antonym), där en elektron och en jon smälter samman till en neutral partikel.


2 minuters videofunktioner time-lapse fotografering av ljusbågssläckning i en ABB modulär brytare:

Processer som följer med födelsen av en ljusbåge

I det inledande skedet av avel de viktigaste kontakterna bågen är född under följande processer:

  • termionisk emission (frisättning av negativa elektroner från den uppvärmda kontaktytan);
  • fältemission (avskiljning av elektroner från katoden under påverkan av ett betydande elektriskt fält).

Termionisk emission. När kontakterna bryts i området för det sista kontaktområdet, bildas en zon med smält koppar med motsvarande temperatur. Koppar avdunstar vid den negativa elektroden från den så kallade katodfläcken, som är en källa till fria elektroner. Denna process påverkas av: temperatur och metall på kontaktytor; det räcker för att skapa en elektrisk ljusbåge, men inte tillräckligt för att behålla sin förbränning.

Fältutsläpp. Luftutrymmet mellan kontakterna kan betraktas som en slags kondensator, vars kapacitet är obegränsad i det första ögonblicket, och sedan minskar beroende på det växande gapet mellan den rörliga och fasta kontakten. Den beskrivna kondensatorn laddas gradvis upp och spänningen i den jämförs med huvudkretsens spänning. Den elektriska fältstyrkan når värden vid vilka förhållanden uppstår för utträde av elektroner från ytan av en ouppvärmd katod.

Förhållandet mellan påverkan av de beskrivna processerna på initieringen av bågen beror på styrkan hos den avstängda strömmen, kontaktgruppens metall, kontaktytans renhet, kontaktseparationshastigheten och andra faktorer. Dominansen av en typ av utsläpp över en annan är individuell.

Bågstödjande processer.

Med hjälp av följande mekanismer för interaktion mellan partiklar skapas förhållanden för brinnande flytningar:

  • jonisering genom ett tryck (en spridd elektron kraschar in i en neutral partikel och "slår ut" en elektron från den också);
  • termisk jonisering (förstörelse av neutrala atomer av betydande temperaturer).

Tryck jonisering. En fri elektron med en viss hastighet kan bryta en neutral partikel till en elektron och en jon. Den nyligen erhållna elektronen kan bryta de inre bindningarna av nästa partikel, vilket resulterar i en kedjereaktion. En elektrons hastighet är en funktion av potentialskillnaden i rörelseområdet (tillräcklig potential för att slå ut en elektron: 13 - 16 volt för syre, väte, kväve; 24 volt för helium; 7,7 volt för kopparånga) .

Termisk jonisering. Vid höga temperaturer ökar partiklarnas hastigheter i plasman, vilket leder till att neutrala atomer förstörs enligt joniseringsprincipen genom ett tryck.

Samtidigt med joniseringsprocesser sker avjoniseringsprocesser på grund av rekombination (ömsesidig kontakt mellan "-" och "+"-partiklar leder till deras sammansmältning till en neutral atom) och diffusion (elektroner går ut från ljusbågsaxeln till den yttre miljön, där de är absorberas under normala förhållanden).

En väsentlig faktor för fortsättningen av bågen i vårt fall är termisk jonisering, därför att släcka utsläppet kylning av dess stam tillämpas(kontakt med material med hög värmeledningsförmåga), samt förlängning själva bågen i det tilldelade utrymmet.

Metoder för att släcka en elektrisk ljusbåge

För att begränsa den negativa effekten av den elektriska ljusbågen på kontakterna på omkopplingsanordningen och dess komponenter, bör ljusbågen släckas så snart som möjligt. De negativa effekterna inkluderar:

  • höga temperaturer (smältning, avdunstning av kontaktmaterialet);
  • skapandet av isthmusledare av elektrisk ström (bågen leder lätt ström, därför kan den leda den till områden som inte leder ström under normal drift);
  • brott mot apparatens normala elektriska krets (förstörelse av isolering).

Bågeär en speciell manifestation av ett av materiens tillstånd, kallad plasma. Bågröret har höga temperaturer och en stor mängd fria joner. Sedan den huvudsakliga den faktor som förlänger förbränningen är termisk jonisering, då måste du intensivt kyl tunnan elektrisk ljusbåge. För dessa ändamål, i växling av enheter tillämpa följande konstruktiva lösningar:

  • magnetiskt slag eller insprutning av kylvätska eller gas för att förlänga ljusbågen (b handla om Större yta, mer värme försvinner
  • ett deioniskt rutnät eller en uppsättning profilerade stålplåtar som samtidigt fungerar som radiatorer och delar upp bågen i separata komponenter;
  • bågränna av slitstyp, gjord av ett material med hög värmeledningsförmåga och motstånd mot höga temperaturer (en elektrisk ljusbåge, i kontakt med materialet i kammaren, avger värmeenergi);
  • skapande av ett slutet utrymme från ett material som släpper ut gas under påverkan av temperatur (högt gastryck förhindrar att bågen brinner);
  • speciella kontaktlegeringar för att minska halten av metaller i plasma;
  • pumpa ut luft från det nära kontaktutrymmet för att skapa ett vakuum (ingen substans - ingen jonisering);
  • i enheter för växelström, öppen i det ögonblick som strömmen passerar genom noll (mindre energi för att skapa en båge);
  • att införa i gapet, mellan de divergerande kontakterna, halvledare som kommer att uppfatta strömmen och inte tillåter bågen att blossa upp;
  • tillämpa ett dubbelbrott i kretsen (exklusive en del av ledaren från kretsen, avståndet mellan katoden och anoden ökar omedelbart och avsevärt).

Bibliografi

Markov A.M. Elektriska och elektroniska apparater. Del 1. Elektromekaniska anordningar. - Pskov: Pskov GU Publishing House, 2013 - 128 s (länk till boken på sidan "Prislista").

I elektriska omkopplingsanordningar utformade för att stänga och öppna en krets med ström, när den är frånkopplad, a elektrisk urladdning i gas eller i form av glöd urladdning, eller i formen bågar. En glödurladdning uppstår när strömmen är under 0,1A, och spänningen vid kontakterna är 250-300V. Glödurladdning sker vid kontakterna på lågeffektreläer. Ljusbågsurladdningen observeras endast vid höga strömmar. Minsta ström för metaller är 0,4-0,9A.


I en ljusbågsurladdning särskiljs tre områden: nära-katod, området för ljusbågsaxeln och nära-anod (fig. 15).

Ris. 15. Områden med ljusbågsurladdning

Nära-katodregion upptar ett mycket litet utrymme (den totala längden av den och anodområdet är cirka 10 -6 m). Spänningsfallet över den är 10-20V och beror praktiskt taget inte på strömmen. Den genomsnittliga elektriska fältstyrkan når 100 kV/cm. En sådan mycket hög elektrisk fältstyrka, tillräcklig för stötjonisering av gas (luft vid normalt atmosfärstryck) eller ångor från katodmaterialet, beror på närvaron av en okompenserad positiv rymdladdning i detta område. Men på grund av den ringa omfattningen av nära-katodområdet får elektronerna inte en hastighet som är tillräcklig för stötjonisering. Oftast, efter nedslaget, går atomen in i ett exciterat tillstånd (atomens elektron går till en bana längre bort från kärnan). Nu krävs mindre energi för att jonisera den exciterade atomen. Denna jonisering kallas trampade. Med stegvis jonisering är en multipel (flera tiotals) påverkan av elektroner på en atom nödvändig.

Närvaron av en okompenserad positiv rymdladdning bestämmer till stor del den extremt höga strömtätheten vid katoden - 100-1000 A/mm 2 .

Positiva joner accelereras i katodens spänningsfallfält och bombarderar katoden. Vid stöten avger jonerna sin energi till katoden, värmer upp den och skapar förutsättningar för frigöring av elektroner, termionisk emission elektroner från katoden .

Bågaxelområdetär en gasformig, termiskt exciterad joniserad kvasi-neutral mediumplasma, i vilken laddningsbärare (elektroner och joner) under påverkan av ett elektriskt fält rör sig mot elektroderna med motsatt tecken.

Den genomsnittliga elektriska fältstyrkan är cirka 20-30V/cm, vilket inte är tillräckligt för stötjonisering. Den huvudsakliga källan till elektroner och joner är termisk jonisering, när hastigheten hos neutrala partiklar vid hög temperatur ökar så mycket att när de kolliderar joniseras de.

Anodregion, som har en mycket liten utsträckning, kännetecknas också av en kraftig minskning av potentialen på grund av närvaron av en okompenserad negativ rymdladdning. Elektronerna accelereras i fältet för anodens spänningsfall och bombarderar anoden, som värms upp till en temperatur som vanligtvis är högre än katodens temperatur. Nära-anodområdet har ingen signifikant effekt på förekomsten och förekomsten av en ljusbågsurladdning. Anodens uppgift är att ta emot elektronflödet från ljusbågsaxeln.



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

Om U c > (U till + U A), kallas bågen lång, det är typiskt för högspänningsenheter.

Statisk ström-spänning karakteristik- Etablerar ett samband mellan olika värden av likström i konstant tillstånd och spänningsfallet över bågen vid en konstant båglängd och konstanta bågbränningsförhållanden. I det här fallet, vid varje värde av likströmmen i konstant tillstånd, upprättas en termisk balans (mängden värme som frigörs i ljusbågen är lika med mängden värme som avges av ljusbågen till omgivningen)

var m- indikator beroende på typen (metod) av miljöpåverkan på ljusbågsaxeln; En mär en konstant som bestäms av intensiteten av värmeöverföring i bågaxelns zon vid en given ( m) sättet för exponering för miljön; l - båglängd.

Karaktäristiken har en fallande karaktär. Med en ökning av strömstyrkan ökar den termioniska emissionen av elektroner från katoden och graden av bågjonisering, vilket resulterar i att bågmotståndet minskar. Dessutom är minskningshastigheten i bågens motstånd högre än hastigheten för nuvarande tillväxt.

Dynamisk ström-spänningskarakteristik- upprättar ett samband mellan strömmen, som ändras på ett visst sätt i tiden, och spänningsfallet över ljusbågen vid konstant båglängd och konstanta förhållanden för dess förbränning. I det här fallet är hastigheten för strömändringen sådan att värmebalansen inte hinner upprättas, förändringen i bågresistans släpar efter förändringen i ström.

Med ökande ström går den dynamiska karakteristiken (kurva B i fig. 16) högre än den statistiska (kurva A i fig. 16), eftersom med en snabb ökning av strömmen sjunker bågmotståndet långsammare än strömmen ökar. När den minskar är den lägre, eftersom i detta läge är bågresistansen mindre än med en långsam förändring av strömmen (kurva C i fig. 16).


Det dynamiska svaret bestäms till stor del av förändringshastigheten för strömmen i bågen. Om ett mycket stort motstånd införs i kretsen under en tid som är oändligt liten jämfört med ljusbågens termiska tidskonstant, så kommer ljusbågsresistansen att förbli konstant under tiden som strömmen sjunker till noll. i detta fall kommer den dynamiska karakteristiken att avbildas som en rät linje som går till utgångspunkten för koordinaterna (rät linje D i fig. 16), dvs. bågen beter sig som en metallledare, eftersom spänningen över bågen är proportionell mot bågen. nuvarande.

Förutsättningar för stabil förbränning och släckning av likströmsbågen. Tänk på en DC-krets (Fig. 17).

Fig. 17. Båge i DC-krets

För den betraktade kretsen

Uppenbarligen kommer det stationära läget, när bågen brinner stabilt, att vara ett där strömmen i kretsen inte ändras, d.v.s. I detta läge är tillväxthastigheten för antalet joniserade partiklar lika med hastigheten för deras försvinnande som ett resultat av avjoniseringsprocesser - en dynamisk jämvikt upprättas.

Grafen visar den fallande ström-spänningskarakteristiken för bågen och den lutande räta linjen U-iR. Av (48) följer att

Härifrån är det uppenbart att vid punkterna 1 och 2. Dessutom är punkt 1 en punkt med instabil jämvikt; slumpmässiga, godtyckligt små avvikelser av strömmen leder antingen till en ökning av strömmen till ett värde jag 2, eller minska den till noll. Vid punkt 2 brinner ljusbågen stabilt; slumpmässiga små avvikelser av strömmen i en eller annan riktning leder den tillbaka till värdet jag 2. Det kan ses från grafen att bågen vid alla strömvärden inte kan brinna stabilt om spänningsfallet över bågen () överstiger spänningen som tillförs ljusbågen från källan ()

För att släcka ljusbågen är det således nödvändigt att skapa förhållanden under vilka spänningsfallet över ljusbågen skulle överstiga den spänning som tillförs ljusbågen från källan, inom gränsen för nätspänningen.

Tre fenomen används för att släcka bågen:

1. Öka längden på bågen genom att sträcka ut den.

Ju längre bågen är, desto större spänning är nödvändig för dess existens (desto högre är dess ström-spänningskarakteristik placerad - (kurva U 1 d i fig. 17). Om spänningen som tillförs ljusbågen från källan (rak) visar sig vara mindre än ström-spänningskarakteristiken för bågen - (kurva U 1 e), då finns det inga förutsättningar för stabil förbränning av ljusbågen, ljusbågen slocknar.

Detta är det enklaste, men mest ineffektiva sättet. Till exempel, för att till exempel släcka en båge med en ström på 100A vid en spänning på 220 V, krävs det att sträcka bågen över ett avstånd på 25 ÷ 30 cm, vilket är praktiskt taget omöjligt att göra i elektriska apparater (måtten ökar). Därför används denna metod som den huvudsakliga endast elektriska lågspänningsanordningar (reläer, magnetstartare, strömbrytare).

2. Slå på ljusbågsaxeln genom kylning, vilket uppnår en ökning av den längsgående spänningsgradienten.


2.1 Ljusbågssläckning i smala luckor(Fig. 18). Om ljusbågen brinner i en smal slits bildad av ett bågbeständigt material, uppstår på grund av kontakt med kalla ytor intensiv kylning och diffusion av laddade partiklar från ljusbågskanalen till miljön. Detta leder till att bågen slocknar. Metoden används i enheter för spänning upp till 1000V.

Ris. 18. Släckning av ljusbågen i smala spår

2.2 Bågsläckning i olja(fig.19) . Om kontakterna på frånskiljningsanordningen placeras i olja, leder bågen som uppstår vid öppning till intensiv gasbildning och avdunstning av oljan. Runt ljusbågen bildas en gasbubbla, huvudsakligen bestående av väte, som har höga ljusbågsläckande egenskaper. Det ökade trycket inuti gasbubblan bidrar till bättre kylning av ljusbågen och dess utsläckning. Metoden används i enheter för spänningar över 1000V.


2.3 Gas-luftsprängning(bild 20) . Kylningen av bågen förbättras om en riktningsrörelse av gaser skapas - blåser längs med eller tvärs över bågen .

Fig. 20. Gas-luftblåsning: a - längs bågen, b - tvärs över bågen .

Metoden används i enheter för spänningar över 1000V.

3. Använd spänningsfall nära elektrod.

Dela en lång båge i en serie korta(Fig. 21). Om en lång båge dras in i en bågränna med metallplattor (båggaller), kommer den att delas in i P korta bågar. Nära elektrodspänningsfall inträffar vid varje gitterplatta. På grund av summan av nästan elektrodspänningsfall blir det totala spänningsfallet större än det som ges av strömkällan, och ljusbågen slocknar. Bågen slocknar om U var U- nätspänning: U katt- katodiskt spänningsfall (20-25 V i DC-båge; 150-250 V i AC-båge). Metoden används i enheter för spänningar över 1000V.


Fig. 21. Dela en lång båge i en serie korta

Bågsläckning underlättas av högurladdningsgaser eller högtrycksgaser som används som intern isolering av enheter för spänningar över 1000V.

Bågsläckning i vakuum. En starkt urladdad gas har en elektrisk styrka som är tio gånger större än en gas vid atmosfärstryck; den används i vakuumkontaktorer och brytare.

Ljusbågssläckning i högtrycksgaser. Luft med ett tryck på 2 MPa eller mer har en hög elektrisk hållfasthet, vilket gör det möjligt att skapa kompakta släckanordningar i luftbrytare. Användningen av svavelhexafluorid SF 6 (SF6) är effektiv för ljusbågssläckning.

AC-ljusbågssläckningsförhållanden.

Låt kontakterna separera vid punkt a. En ljusbåge tänds mellan dem. I slutet av halvcykeln, på grund av en minskning av strömmen, ökar motståndet hos bågaxeln och följaktligen ökar spänningen över bågen. När strömmen närmar sig noll tillförs ljusbågen låg effekt, ljusbågens temperatur minskar, termisk jonisering saktar ner i enlighet därmed och avjoniseringsprocesser accelererar - ljusbågen slocknar (punkt 0 ). Strömmen i kretsen bryter innan dess naturliga passage genom noll. Spänning motsvarande strömavbrott - dämpningstopp U g.


Ris. 22. Släckning av AC-ljusbågen med aktiv belastning

Efter att bågen har släckts inträffar processen för att återställa den elektriska styrkan hos båggapet (kurva a 1 - b 1). Under ljusbågsgapets elektriska styrka menas den spänning vid vilken ett elektriskt genombrott av båggapet uppstår. Den initiala elektriska styrkan (punkt a 1) och hastigheten för dess ökning beror på egenskaperna hos ljusbågssläckningsanordningen. I stunden t1 spänningskurvan på båggapet skär med kurvan för återställande av den elektriska styrkan hos båggapet - bågen antänds. Arc Ignition Voltage - Ignition Peak U s. Bågspänningskurvan har en sadelform.

Vid punkten 0 1 bågen slocknar igen och processer liknande de som beskrivits tidigare inträffar. Till ögonblicket 0 1 på grund av divergensen mellan kontakterna ökar bågens längd, avlägsnandet av värme från bågen ökar respektive den initiala elektriska styrkan (punkt a 2) och hastigheten för dess ökning (kurva a 2 - i 2) öka i enlighet därmed. På motsvarande sätt ökar också dödtiden. 0 1 - t2 > 0 -t1 .

I stunden t2 ljusbågen tänds igen. Vid punkten 0 11 bågen släcks. Den initiala elektriska styrkan ökar igen (punkt a 3) och hastigheten för dess ökning (kurva a 3 -b 3). Spänningskurvan skär inte kurvan för ökning av dielektrisk styrka. Ljusbågen antänds inte under denna halvcykel.

I en öppen båge vid hög spänning(horngap), den avgörande faktorn är det aktiva motståndet hos en starkt sträckt ljusbågsaxel Förutsättningarna för att släcka växelströmsbågen närmar sig villkoren för att släcka likströmsbågen, och processerna efter att strömmen passerar noll har liten effekt på släckningen av bågen.

Med en induktiv belastning är dödtiden mycket liten (cirka 0,1 µs), det vill säga bågen brinner nästan kontinuerligt. Att koppla bort en induktiv last är svårare än en resistiv. Det är inget avbrott här.

I allmänhet är processen med ljusbåge på växelström lättare än på likström. Ett rationellt villkor för att släcka en växelströmsbåge bör betraktas som sådant när släckning utförs vid den första nollgenomgången av strömmen efter att kontakterna öppnats.

Frågor för självrannsakan:

· Områden med ljusbågsurladdning.

· Statisk ström-spänningskarakteristik.

· Dynamisk ström-spänningskarakteristik.

· Förutsättningar för stabil förbränning och släckning av likströmsbågen.

Vilka fenomen används för att släcka bågen?

· AC-ljusbågssläckningsförhållanden.

Vi rekommenderar också

Läser in...Läser in...