Дугове напруження. Що таке електрична дуга і як вона виникає
22 серпня 2012 о 10:00
При розмиканні електричного ланцюга виникає електричний розряд як електричної дуги. Для появи електричної дуги достатньо, щоб напруга на контактах була вище 10 при струмі в ланцюзі порядку 0,1А і більше. При значних напругах і струмах температура всередині дуги може досягати 10...15 тис. °С, внаслідок чого плавляться контакти та струмовідні частини.
При напругах 110 кВ і від довжина дуги може досягати кількох метрів. Тому електрична дуга, особливо в потужних силових ланцюгах, на напругу вище 1 кВ є великою небезпекою, хоча серйозні наслідки можуть бути і в установках на напругу нижче 1 кВ. Внаслідок цього електричну дугу необхідно максимально обмежити та швидко погасити у ланцюгах на напругу як вище, так і нижче 1 кВ.
Причини виникнення електричної дуги
Процес утворення електричної дуги може бути спрощено представлений в такий спосіб. При розходженні контактів спочатку зменшується контактний тиск і відповідно контактна поверхня, збільшуються перехідний опір (щільність струму і температура - починаються місцеві (на окремих ділянках площі контактів) перегріви, які надалі сприяють термоелектронній емісії, коли під впливом високої температури збільшується швидкість руху електронів і вони вириваються із поверхні електрода.
У момент розходження контактів, тобто розриву ланцюга, на контактному проміжку швидко відновлюється напруга. Оскільки при цьому відстань між контактами замало, виникає електричне поле високої напруженості, під впливом якого з поверхні електрода вириваються електрони. Вони розганяються в електричному полі та при ударі в нейтральний атом віддають йому свою кінетичну енергію. Якщо цієї енергії достатньо, щоб відірвати хоча б один електрон з оболонки нейтрального атома, відбувається процес іонізації.
Вільні електрони та іони, що утворилися, становлять плазму стовбура дуги, тобто іонізованого каналу, в якому горить дуга і забезпечується безперервний рух частинок. При цьому негативно заряджені частинки, насамперед електрони, рухаються в одному напрямку (до анода), а атоми та молекули газів, позбавлені одного або кількох електронів, — позитивно заряджені частинки — у протилежному напрямку (до катода). Провідність плазми близька до провідності металів.
У стовбурі дуги проходить великий струм та створюється висока температура. Така температура стовбура дуги призводить до термоіонізації - процесу утворення іонів внаслідок зіткнення молекул і атомів, що мають велику кінетичну енергію при високих швидкостях їх руху (молекули і атоми середовища, де горить дуга, розпадаються на електрони і позитивно заряджені іони). Інтенсивна термоіонізація підтримує високу провідність плазми. Тому падіння напруги по довжині дуги невелике.
В електричній дузі безперервно протікають два процеси: крім іонізації, також деіонізації атомів і молекул. Остання відбувається в основному шляхом дифузії, тобто перенесення заряджених частинок у навколишнє середовище, і рекомбінації електронів та позитивно заряджених іонів, які возз'єднуються у нейтральні частинки з віддачею енергії, витраченої на їхній розпад. При цьому відбувається тепловідведення у навколишнє середовище.
Таким чином, можна розрізнити три стадії аналізованого процесу: запалення дуги, коли внаслідок ударної іонізації та емісії електронів з катода починається дуговий розряд та інтенсивність іонізації вище, ніж деіонізації, стійке горіння дуги, підтримуване термоіонізації в стовбурі дуги, коли інтенсивність іонізації та деіонізації однакова, погасання дуги, коли інтенсивність деіонізації вища, ніж іонізації.
Способи гасіння дуги у комутаційних електричних апаратах
Для того щоб відключити елементи електричного ланцюга і виключити при цьому пошкодження комутаційного апарату, необхідно не тільки розімкнути його контакти, але і погасити дугу, що з'являється між ними. Процеси гасіння дуги, як і і горіння, при змінному і постійному струмі різні. Це визначається тим, що в першому випадку струм у дузі кожен напівперіод проходить через нуль. У ці моменти виділення енергії в дузі припиняється і дуга щоразу мимоволі гасне, а потім знову спалахує.
Практично струм у дузі стає близьким нулю раніше переходу через нуль, так як при зниженні струму енергія, що підводиться до дуги, зменшується, відповідно знижується температура дуги і припиняється термоіонізація. При цьому в дуговому проміжку інтенсивно йде процес деіонізації. Якщо в даний момент розімкнути і швидко розвести контакти, то наступний електричний пробій може не відбутися і ланцюг буде відключено без виникнення дуги. Однак практично це зробити вкрай складно, і тому вживають спеціальних заходів прискореного гасіння дуги, що забезпечують охолодження дугового простору та зменшення кількості заряджених частинок.
В результаті деіонізації поступово збільшується електрична міцність проміжку і одночасно зростає напруга, що відновлюється, на ньому. Від співвідношення цих величин і залежить, чи спалахне на чергову половину періоду дуга чи ні. Якщо електрична міцність проміжку зростає швидше і виявляється більше напруги, що відновлює, дуга більше не загориться, в іншому випадку буде забезпечене стійке горіння дуги. Перша умова і визначає завдання гасіння дуги.
У комутаційних апаратах використовують різні способи гасіння дуги.
Подовження дуги
При розходженні контактів у процесі відключення електричного ланцюга дуга, що виникла, розтягується. При цьому покращуються умови охолодження дуги, так як збільшується її поверхня і для горіння потрібна більша напруга.
Поділ довгої дуги на низку коротких дуг
Якщо дугу, що утворилася при розмиканні контактів, розділити на К коротких дуг, наприклад, затягнувши її в металеву решітку, вона згасне. Дуга зазвичай затягується в металеві ґрати під впливом електромагнітного поля, що наводиться в пластинах решітки вихровими струмами. Цей спосіб гасіння дуги широко використовується в комутаційних апаратах на напругу нижче 1 кВ, зокрема, в автоматичних повітряних вимикачах.
Охолодження дуги у вузьких щілинах
Гасіння дуги в малому обсязі полегшується. Тому в комутаційних апаратах широко використовують дугогасні камери з поздовжніми щілинами (вісь такої щілини збігається у напрямку з віссю ствола дуги). Така щілина зазвичай утворюється в камерах із ізоляційних дугостійких матеріалів. Завдяки дотику дуги з холодними поверхнями відбуваються її інтенсивне охолодження, дифузія заряджених частинок у навколишнє середовище та відповідно швидка деіонізація.
Крім щілин із плоскопаралельними стінками, застосовують також щілини з ребрами, виступами, розширеннями (кишенями). Все це призводить до деформації ствола дуги та сприяє збільшенню площі зіткнення її з холодними стінками камери.
Втягування дуги у вузькі щілини зазвичай відбувається під дією магнітного поля, що взаємодіє з дугою, яка може розглядатися як провідник зі струмом.
Зовнішнє магнітне поле для переміщення дуги найчастіше забезпечують за рахунок котушки, що включається послідовно з контактами, між якими виникає дуга. Гасіння дуги у вузьких щілинах використовують в апаратах на всі напруження.
Гасіння дуги високим тиском
При постійної температурі ступінь іонізації газу падає зі зростанням тиску, у своїй зростає теплопровідність газу. За інших рівних умов це призводить до посиленого охолодження дуги. Гасіння дуги за допомогою високого тиску, створюваного самою ж дугою в щільно закритих камерах, широко використовується в плавких запобіжниках та інших апаратах.
Гасіння дуги в маслі
Якщо контакти вимикача поміщені в масло, то дуга, що виникає при їх розмиканні, призводить до інтенсивного випаровування масла. В результаті навколо дуги утворюється газовий міхур (оболонка), що складається в основному з водню (70 ... 80%), а також парів олії. Гази, що виділяються, з великою швидкістю проникають безпосередньо в зону стовбура дуги, викликають перемішування холодного і гарячого газу в міхурі, забезпечують інтенсивне охолодження і відповідно деіонізацію дугового проміжку. Крім того, деіонізуючу здатність газів підвищує тиск, що створюється при швидкому розкладанні масла всередині міхура.
Інтенсивність процесу гасіння дуги в олії тим вище, чим ближче стикається дуга з маслом і швидше рухається масло по відношенню до дуги. Враховуючи це, дуговий розрив обмежують замкнутим ізоляційним пристроєм – дугогасною камерою. У цих камерах створюється тісніший дотик олії з дугою, а за допомогою ізоляційних пластин і вихлопних отворів утворюються робочі канали, якими відбувається рух олії і газів, забезпечуючи інтенсивне обдування (дуття) дуги.
Дугогасні камери за принципом дії поділяють на три основні групи: з автодуттям, коли високі тиск і швидкість руху газу в зоні дуги створюються за рахунок енергії, що виділяється в дузі, з примусовим масляним дуттям за допомогою спеціальних нагнітальних гідравлічних механізмів, з магнітним гасінням в маслі, коли дуга під впливом магнітного поля переміщається у вузькі щілини.
Найбільш ефективні та прості дугогасні камери з автодуттям. Залежно від розташування каналів та вихлопних отворів розрізняють камери, в яких забезпечується інтенсивне обдування потоками газопарової суміші та олії вздовж дуги (поздовжнє дуття) або поперек дуги (поперечне дуття). Розглянуті способи гасіння дуги широко використовуються у вимикачах на напругу вище 1 кВ.
Інші способи гасіння дуги в апаратах на напругу вище 1 кВ
Крім зазначених вище способів гасіння дуги, використовують також: стиснене повітря, потоком якого вздовж або поперек обдувається дуга, забезпечуючи її інтенсивне охолодження (замість повітря застосовуються й інші гази, що часто одержуються з твердих газогенеруючих матеріалів - фібри, вініпласту тощо - рахунок їх розкладання самою дугою, що горить), елегаз (шестифториста сірка), що володіє вищою електричною міцністю, ніж повітря і водень, в результаті чого дуга, що горить в цьому газі, навіть при атмосферному тиску досить швидко гаситься, високорозріджений газ (вакуум), при розмиканні контактів у якому дуга не спалахує знову (гасне) після першого проходження струму через нуль.
Останні публікації
Привіт усім відвідувачам мого блогу. Тема сьогоднішньої статті - електрична дуга і захист від електричної дуги. Тема не випадкова, пишу із лікарні імені Скліфосовського. Здогадуєтесь чому?
Що таке електрична дуга
Це один із видів електричного розряду в газі (фізичне явище). Також її називають - Дуговий розряд або Вольтова дуга. Складається з іонізованого, електрично квазінейтрального газу (плазми).
Може виникнути між двома електродами зі збільшенням напруги з-поміж них, або наближенні друг до друга.
Коротко про властивості: Температура електричної дуги, від 2500 до 7000 °С. Не маленька температура, але. Взаємодія металів з плазмою призводить до нагрівання, окислення, розплавлення, випаровування та інших видів корозії. Супроводжується світловим випромінюванням, вибуховою та ударною хвилею, надвисокою температурою, спалахом, виділенням озону та вуглекислого газу.
В інтернеті є чимало інформації про те, що таке електрична дуга, які її властивості, якщо цікаво докладніше, подивіться. Наприклад, у ru.wikipedia.org.
Тепер про мій нещасний випадок. Важко повірити, але 2 дні тому я стикнувся з цим явищем, причому невдало. Справа була така: 21 листопада, на роботі, мені було доручено зробити розведення світильників у розпаювальній коробці, після чого підключити їх до мережі. З розведенням проблем не виникло, а ось коли поліз до щита, виникли деякі труднощі. Жаль андройд свій вдома забув, не зробив фото електрощита, а то було б ясніше. Можливо, зроблю ще, як вийду на роботу. Отже, щит був дуже старий - 3 фази, нульова шина (вона ж заземлення), 6 автоматів і пакетний вимикач (начебто все просто), стан спочатку не викликало довіри. Довго боровся з нульовою шиною, тому що всі болти були іржаві, після чого легко посадив фазу на автомат. Все добре, перевірив світильники, працюють.
Після цього повернувся до щита, щоб акуратно укласти дроти, закрити його. Хочу помітити, електрощит знаходився на висоті ~2 метри, у вузькому проході і щоб дістатися до нього, використав драбину (драбину). Укладаючи дроти, виявив іскріння на контактах інших автоматів, що викликало моргання ламп. Відповідно, я простягнув всі контакти і продовжив огляд інших проводів (щоб 1 раз зробити і не повертатися більше до цього). Виявивши, що один контакт на пакетнику має високу температуру, вирішив протягнути його також. Взяв викрутку, притулив до гвинта, повернув, бах! Пролунав вибух, спалах, мене відкинуло назад, ударившись об стіну, я впав на підлогу, нічого не видно (сліпило), щит не переставав вибухати і гудіти. Чому не спрацював захист, мені не відомо. Відчуваючи на собі падаючі іскри я зрозумів, що треба вибиратися. Вибирався на дотик, поповзом. Вибравшись із цього вузького проходу, почав звати напарника. Вже на той момент я відчув, що з моєю правою рукою (я тримав викрутку) щось не так, жахливий біль відчувався.
Разом із напарником ми вирішили, що треба бігти до медпункту. Що було далі, гадаю, не варто розповідати, всього обкололи і до лікарні. Ніколи походу не забуду цей жахливий звук довгого короткого замикання – свербіж із дзижчанням.
Зараз лежу в лікарні, на колінці у мене садна, лікарі думають, що мене било струмом, це вихід, тож спостерігають за серцем. Я ж вважаю, що струмом мене не било, а опік на руці, був нанесений електричною дугою, що виникла під час замикання.
Що там трапилося, чому сталося замикання мені поки не відомо, думаю, при повороті гвинта, зрушив сам контакт і відбулося замикання фаза-фаза, або ззаду пакетного вимикача знаходився оголений провід і при наближенні гвинта виникла електрична дуга. Впізнаю пізніше, якщо розберуться.
Блін, сходив на перев'язку, так руку замотали, що пишу однієї лівої тепер)))
Фото без бинтів робити не став, дуже приємне видовище. Не хочу лякати електриків-початківців….
Якими є заходи захисту від електричної дуги, що могло мене захистити? Проаналізувавши інтернет, побачив, що найпопулярнішим засобом захисту людей в електроустановках від електричної дуги є термостійкий костюм. У північній Америці популярністю користуються спеціальні автомати фірми Siemens, які захищають як від електричної дуги, так і від максимального струму. У Росії, зараз, подібні автомати застосовуються тільки на високовольтних підстанціях. У моєму випадку мені вистачило б діелектричної рукавички, але самі подумайте, як у них підключати світильники? Це дуже незручно. Також рекомендую використовувати захисні окуляри, щоб захистити очі.
В електроустановках боротьба з електричною дугою здійснюється за допомогою вакуумних та масляних вимикачів, а також за допомогою електромагнітних котушок спільно з дугогасними камерами.
Це все? Ні! Найнадійнішим способом убезпечити себе від електричної дуги, на мій погляд, є роботи зі зняттям напруги . Не знаю, як ви, а я під напругою працювати більше не буду.
На цьому моя стаття електрична дугаі захист від електричної дугизакінчується. Чи є що доповнити? Залиш коментар.
У книзі «Известие про гальвані-вольтівські досліди за допомогою величезної батареї, що складалася іноді з 4200 мідних та цинкових гуртків» (Санкт-Петербург, 1803). Електрична дуга є окремим випадком четвертої форми стану речовини - плазми - і складається з іонізованого, електрично квазінейтрального газу. Присутність вільних електричних зарядів забезпечує провідність електричної дуги.
Фізичні явища
Електрична дуга між двома електродами в повітрі при атмосферному тиску утворюється так:
При збільшенні напруги між двома електродами до певного рівня повітря між електродами виникає електричний пробою . Напруга електричного пробою залежить від відстані між електродами та іншими факторами. Потенціал іонізації першого електрона атомів металів становить приблизно 4,5 - 5, а напруга дугоутворення - в два рази більше (9 - 10 В). Потрібно витратити енергію на вихід електрона з атома металу одного електрода та на іонізацію атома другого електрода. Процес призводить до утворення плазми між електродами та горіння дуги (для порівняння: мінімальна напруга для утворення іскрового розряду трохи перевищує потенціал виходу електрона – до 6 В).
Для ініціювання пробою при напругі електроди наближають один до одного. Під час пробою між електродами зазвичай виникає іскровий розряд, імпульсно замикаючи електричний ланцюг. Електрони в іскрових розрядах іонізують молекули повітряному проміжку між електродами. При достатньої потужності джерела напруги повітряному проміжку утворюється достатню кількість плазми для значного падіння напруги пробою або опору повітряного проміжку. При цьому іскрові розряди перетворюються на дуговий розряд - плазмовий шнур між електродами, що є плазмовим тунелем. Виникаюча дуга є по суті провідником і замикає електричний ланцюг між електродами. В результаті середній струм збільшується ще більше, нагріваючи дугу до 5000-50000. При цьому вважається, що підпал дуги завершено. Після запалювання стійке горіння дуги забезпечується термоелектронною емісією з катода, що розігрівається струмом та іонним бомбардуванням.
Після запалювання дуга може залишатися стійкою під час розведення електричних контактів до певної відстані.
Взаємодія електродів з плазмою дуги призводить до їх нагрівання, часткового розплавлення, випаровування, окислення та інших видів корозії.
При експлуатації високовольтних електроустановок, у яких при комутації електричного ланцюга неминуче виникнення електричної дуги, боротьба з нею здійснюється за допомогою електромагнітних котушок, поєднаних з дугогасними камерами. Серед інших способів відомі використання вакуумних, повітряних, елегазових та масляних вимикачів, а також методи відведення струму на тимчасове навантаження, що самостійно розриває електричний ланцюг.
Будова дуги
Електрична дуга складається з катодної та анодної областей, стовпа дуги, перехідних областей. Товщина анодної області становить 0,001 мм, катодної області – близько 0,0001 мм.
Температура в анодній області при зварюванні електродом, що плавиться, становить близько 2500 ... 4000 ° С, температура в стовпі дуги - від 7 000 до 18 000 ° С, в області катода - 9000 - 12000 ° С.
Стовп дуги електрично нейтральний. У будь-якому його перерізі є однакова кількість заряджених частинок протилежних знаків. Падіння напруги в стовпі дуги пропорційне його довжині.
Зварювальні дуги класифікують за:
- Матеріалам електрода - з електродом, що плавиться і неплавиться;
- Ступені стиснення стовпа - вільну та стислу дугу;
- По струму, що використовується - дуга постійного і дуга змінного струму;
- По полярності постійного електричного струму - прямої полярності («-» на електроді, «+» - на виробі) та зворотній полярності;
- При використанні змінного струму - дуги однофазна та трифазна.
Саморегулювання дуги
При виникненні зовнішнього обурення - зміни напруги мережі, швидкості подачі дроту та ін - виникає порушення в рівновазі між швидкістю подачі і швидкістю плавлення. При збільшенні довжини дуги в ланцюзі зменшуються зварювальний струм і швидкість плавлення електродного дроту, а швидкість подачі, залишаючись постійною, стає більшою за швидкість плавлення, що призводить до відновлення довжини дуги. При зменшенні довжини дуги швидкість плавлення дроту стає більшою за швидкість подачі, це призводить до відновлення нормальної довжини дуги .
На ефективність процесу саморегулювання дуги значно впливає форма вольт-амперної характеристики джерела живлення. Велике швидкодію коливання довжини дуги відпрацьовується автоматично при жорстких ВАХ ланцюга.
Корисне застосування
Електрозварювання
Електрична дуга використовується при електрозварюванні металів, для виплавки сталі (Дугова сталеплавильна піч) та у освітленні (у дугових лампах). Іноді використовується властивість нелінійної вольт-амперної характеристики дуги (див. Автомат гасіння поля).
Джерела світла
Боротьба з електричною дугою
У ряді пристроїв явище електричної дуги є шкідливим. Це насамперед контактні комутаційні пристрої, що використовуються в електропостачанні та електроприводі: високовольтні вимикачі, автоматичні вимикачі, контактори, секційні ізолятори на контактній мережі електрифікованих залізниць та міського електротранспорту. При відключенні навантажень вищевказаними апаратами, між контактами, що розмикаються, виникає дуга.
Механізм виникнення дуги у разі наступний:
- Зменшення контактного тиску – кількість контактних точок зменшується, зростає опір у контактному вузлі;
- Початок розходження контактів – утворення «містків» із розплавленого металу контактів (у місцях останніх контактних точок);
- Розрив та випаровування «містків» з розплавленого металу;
- Утворення електричної дуги в парах металу (що сприяє більшій іонізації контактного проміжку та труднощі під час гасіння дуги);
- Стійке горіння дуги зі швидким вигорянням контактів.
Для мінімального пошкодження контактів необхідно погасити дугу в мінімальний час, докладаючи всіх зусиль щодо недопущення знаходження дуги на одному місці (при русі дуги, теплота, що виділяється в ній, буде рівномірно розподілятися по тілу контакту).
Для виконання вищезгаданих вимог застосовуються такі методи боротьби з дугою:
- охолодження дуги потоком охолодного середовища - рідини (масляний вимикач); газу - (повітряний вимикач, автогазовий вимикач, масляний вимикач, елегазовий вимикач), причому потік охолоджуючого середовища може проходити як вздовж стовбура дуги (поздовжнє гасіння), так і поперек (поперечне гасіння); іноді застосовується поздовжньо-поперечне гасіння;
- використання дугогасної здатності вакууму - відомо, що при зменшенні тиску газів, що оточують комутовані контакти до певного значення, призводить до ефективного гасіння дуги (у зв'язку з відсутністю носіїв освіти дуги) вакуумний вимикач .
- використання дугостійкого матеріалу контактів;
- застосування матеріалу контактів із вищим потенціалом іонізації;
- застосування дугогасних решіток (автоматичний вимикач, електромагнітний вимикач). Принцип застосування дугогасіння на решітках заснований на застосуванні ефекту околокатодного падіння в дузі (більшість падіння напруги в дузі - це падіння напруги на катоді; дугогасна грати - фактично ряд послідовних контактів для дуги, що потрапила туди).
- використання дугогасних камер - потрапляючи в камеру з дугостійкого матеріалу, наприклад слюдопласту, з вузькими, іноді зигзагоподібними каналами, дуга розтягується, стискається та інтенсивно охолоджується від зіткнення зі стінками камери.
- використання «магнітного дуття» - оскільки дуга сильно іонізована, то її в першому наближенні можна вважати як гнучкий провідник зі струмом; створюючи спеціальними електромагнітами (включених послідовно з дугою) магнітне поле можна створювати рух дуги для рівномірного розподілу тепла по контакту, так і для загону її в дугогасну камеру або грати. У деяких конструкціях вимикачів створюється радіальне магнітне поле, що надає дузі обертального моменту.
- шунтування контактів у момент розмикання силовим напівпровідниковим ключем тиристором або симістором, включеним паралельно контактам, після розмикання контактів напівпровідниковий ключ відключається в момент переходу напруги через нуль (гібридний контактор, тирикон). .
- Іскровий розряд- стаття з Великої радянської енциклопедії.
- Райзер Ю. П.Фізика газового розряду - 2-ге вид. - М.: Наука, 1992. - 536 с. - ISBN 5-02014615-3.
- Родштейн Л. А. Електричні апарати, Л 1981
- Clerici, Matteo; Hu, Yi; Lassonde, Philippe; Milián, Карл; Couairon, Arnaud; Christodoulides, Demetrios N.; Chen, Zhigang; Razzari, Luca; Vidal, François (2015-06-01). "Laser-assisted guiding of electric discharges around objects". Science Advances 1 (5): e1400111. Bibcode:2015SciA….1E0111C. doi:10.1126/sciadv.1400111. ISSN 2375-2548.
Виникнення електричної дуги та її властивості, процеси, що викликають народження та підтримують горіння, а також конструктивні рішення в комутаційних апаратах для гасіння дугового розряду.
Короткий зміст статті:Властивості електричної дуги або дугового розряду
В електротехніці (автоматичні вимикачі, рубильники, контактори) при вимиканні навантаженого кола народжується електрична дуга.
Встановимо обмеження: далі описуються процеси, характерні для апаратів з номінальними. струмами від 1 до 2000 амперта призначених для роботи в мережах з напругою до 1000 вольт(низьковольтна апаратура). Для високовольтної апаратури існують інші умови виникнення та горіння дуги.
Важливі параметри електричної дуги:
- дуговий розряд здатний розвинутися виключно за високих струмів (для металу цей струм становить 0,5 ампера);
- температура у стволі дуги значна і становить близько 6-18 тисяч кельвінів (часто 6-10 тисяч кельвінів);
- зниження напруги у катода незначне і рівне 10-20 вольтам.
Дуговий розряд умовно поділяють на три зони:
- навколокатодну;
- стовбур дуги (основна частина);
- навколоанодну.
У виділених зонах іонізація та деіонізація проходять по-різному:
- іонізація- процес розпаду нейтрального атома на негативний електрон та позитивний іон;
- деіонізація- процес протилежний іонізації (антонім), у якому відбувається злиття електрона та іона в нейтральну частинку.
У 2-хвилинному відеоролику представлена уповільнена зйомка гасіння електричної дугив модульному автоматичному вимикачі виробництва ABB:
Процеси, що супроводжують народження електричної дуги
На початковому етапі розведення основних контактів дуга зароджуєтьсяпри наступних процесах:
- термоелектронна емісія (звільнення негативних електронів із розігрітої поверхні контакту);
- автоелектронна емісія (відрив електронів із катода під впливом значного електричного поля).
Термоелектронна емісія. При розрив контактів у районі останнього майданчика контакту утворюється зона з розплавленою міддю з відповідною температурою. Мідь випаровується на негативному електроді з так званої катодної плями, яка є джерелом вільних електронів. На цей процес впливають: температура та метал контактних поверхонь; він є достатнім народження електричної дуги, але з достатнім підтримки її горіння.
Автоелектронна емісія. Повітряний простір між контактами можна розглядати як своєрідний конденсатор, ємність якого в першу мить необмежена, а далі скорочується в залежності від розриву між рухомим і нерухомим контактом. Описаний конденсатор поступово заряджається і напруга в ньому порівнюється з напругою головного ланцюга. Напруженість електричного поля сягає величин, у яких виникають умови виходу електронів із поверхні не нагрітого катода.
Співвідношення впливу описаних процесів на зародження дуги залежить від сили струму, що вимикається, металу контактної групи, чистоти контактної поверхні, швидкості роз'єднання контактів та інших факторів. Домінування одного виду емісії з іншого індивідуально.
Процеси, що підтримують горіння дуги.
За допомогою наступних механізмів взаємодії частинок створюються умови для горіння розряду:
- іонізація поштовхом (розігнаний електрон врізається в нейтральну частинку та «вибиває» і її електрон);
- теплова іонізація (руйнування нейтральних атомів значними температурами).
Іонізація поштовхом. Вільний електрон із певною швидкістю здатний розбити нейтральну частинку на електрон та іон. Знову отриманий електрон здатний розірвати внутрішні зв'язки у наступної частки, у результаті виходить ланцюгова реакція. Швидкість електрона є функцією від різниці потенціалів на ділянці руху (достатній потенціал для вибивання електрона: 13 - 16 вольт для кисню, водню, азоту; 24 вольти для гелію; 7,7 вольти для мідної пари).
Теплова іонізація. За високих температур збільшуються швидкості руху частинок у плазмі, що веде до руйнування нейтральних атомів за принципом іонізації поштовхом.
Одночасно з процесами іонізації проходять процеси деіонізації за рахунок рекомбінації (взаємний контакт «-» і «+» частинок веде до злиття їх у нейтральний атом) та дифузії (вихід зі ствола дуги електронів у зовнішнє середовище, де в нормальних умовах відбувається їх поглинання).
Істотним чинником продовження горіння дуги у разі є теплова іонізація,тому для гасіння розряду застосовується охолодження його ствола(контакт із матеріалом високої теплопровідності), а також подовженнясамої дуги у відведеному їй просторі.
Методи гасіння електричної дуги
Щоб обмежити негативний вплив електричної дуги на контакти комутаційного апарату та його вузли, слід за короткий час погасити дугу. До негативних впливів відносять:
- високі температури (оплавлення, випаровування контактного матеріалу);
- створення перешийків-провідників електричного струму (дуга легко проводить струм, тому може провести його на ділянки, які не проводять струм за нормальної роботи);
- порушення нормальної електричної схеми апарату (руйнування ізоляції).
Дуга- це приватний прояв, одного зі станів речовини, що називається плазмою. Стовбур дуги має високі температури та велику кількість вільних іонів. Оскільки основним фактором, що продовжує горіння, є теплова іонізація, то потрібно інтенсивно охолодити стволелектричної дуги. Для цих цілей у комутаційних апаратах застосовуютьсянаступні конструктивні рішення:
- магнітне дуть або нагнітання охолоджуючої рідини або газу для того, щоб подовжити дугу (б пробільша поверхня, більше віддає тепла);
- деіонні грати або набір профільованих сталевих пластин, які одночасно працюють радіаторами і розчленовують дугу на окремі складові;
- дугогасна камера щілинного типу, виконана з матеріалу з великою теплопровідністю та стійкістю до високих температур (електрична дуга, контактуючи з матеріалом камери, віддає теплову енергію);
- створення закритого простору з матеріалу, що виділяє газ під впливом температури (високий тиск газів перешкоджає горінню дуги);
- спеціальні контактні сплави для зниження вмісту металів у плазмі;
- відкачувати повітря з навколоконтактного простору для створення вакууму (немає речовини – немає іонізації);
- в апаратах на змінний струм проводити розмикання в момент переходу струму через нуль (менше енергії для народження дуги);
- вводити в проміжок, між контактами, що розходяться, напівпровідники, які сприймуть струм і не дадуть дузі розгорітися;
- застосовувати подвійний розрив у ланцюгу (виключаючи з ланцюга частина провідника, миттєво та значно збільшується відстань між катодом та анодом).
Список літератури
Марков А. М. Електричні та електронні апарати. Частина 1. Електромеханічні апарати. – Псков: Видавництво Псков ГУ, 2013 рік – 128 с (посилання на книгу на сторінці «Прайс-лист»).
У комутаційних електричних апаратах, призначених для замикання та розмикання ланцюга зі струмом, при відключенні виникає електричний розряду газі або у вигляді у вигляді тліючого розряду, або у вигляді дуги. Тліючий розряд виникає коли струм нижче 0,1А, а напруга на контактах 250-300В. Тліючий розряд зустрічається на контактах малопотужних реле. Дуговий розряд спостерігається лише при великих струмах. Мінімальний струм для металів 04-09А.
У дуговому розряді розрізняють три області: околокатодную, область стовбура дуги, околоанодну (рис.15).
Рис. 15. Області дугового розряду
Близькокатодна областьзаймає дуже невеликий простір (загальна довжина її та анодної області близько 10 -6 м). Падіння напруги у ньому становить 10-20В і мало залежить від струму. Середня напруженість електричного поля сягає 100кВ/див. Така дуже висока напруженість електричного поля, достатня для ударної іонізації газу (повітря при нормальному атмосферному тиску) або пари матеріалу катода, обумовлена наявністю в цій області позитивного позитивного об'ємного заряду. Однак через малу протяжність навколокатодної області електрони не набирають швидкості, достатньої для ударної іонізації. Найчастіше після удару атом перетворюється на збуджений стан (електрон атома перетворюється більш віддалену від ядра орбіту). Тепер для іонізації збудженого атома потрібна менша енергія. Така іонізація називається ступінчастою. При ступінчастій іонізації необхідний багаторазовий (кілька десятків) удар електронів по атому.
Наявність некомпенсованого позитивного об'ємного заряду значною мірою визначає надзвичайно високу щільність струму на катоді - 100-1000А/мм 2 .
Позитивні іони розганяються в полі падіння катодного напруги і бомбардують катод. При ударі іони віддають свою енергію катоду, нагріваючи його та створюючи умови для виходу електронів, відбувається термоелектронна емісіяелектронів з катода .
Область ствола електричної дугиявляє собою газоподібне, термічно збуджене іонізоване квазінейтральне середовище-плазму, в якій під дією електричного поля носії зарядів (електрони та іони) рухаються у напрямку до електродів протилежного знака.
Середня напруженість електричного поля близько 20-30В/см, що замало ударної іонізації. Основним джерелом електронів та іонів є термічна іонізація, коли при великій температурі швидкість нейтральних частинок збільшується настільки, що при їх зіткненні відбувається їхня іонізація.
Околоанодна область, що має дуже малу протяжність, характеризується також різким падінням потенціалу, обумовленим наявністю нескомпенсованого негативного об'ємного заряду. Електрони розганяються у полі анодного падіння напруги та бомбардують анод котрий нагрівається до температури зазвичай більшої ніж температура катода. Околоанодна область не має істотного впливу на виникнення та умову існування дугового розряду. Завдання анода зводиться прийому електронного потоку зі стовбура дуги.
Якщо U c<(U к +U А), то дуга называется короткой, она характерна для некоторых низковольтных аппаратов.
Якщо U c >(U до +U А), то дуга називається довгою, вона уражає високовольтних апаратів.
Статична вольт-амперна характеристика- Встановлює зв'язок між різними значеннями постійного струму, що встановився, і падінням напруги на дузі при незмінній довжині дуги і незмінних умовах її горіння. У цьому випадку при кожному значенні постійного струму встановлюється тепловий баланс (кількість тепла, що виділяється в дузі, дорівнює кількості тепла, що віддається дугою в навколишнє середовище).
де m- Показник, що залежить від виду (способу) впливу навколишнього середовища на стовбур дуги; A m- постійна, що визначається інтенсивністю теплообміну в зоні стовбура дуги при цьому ( m) спосіб впливу навколишнього середовища; l –Довжина дуги.
Характеристика має падаючий характер. При збільшенні сили струму зростає термоелектронна емісіяелектронів з катода та ступінь іонізації дуги, внаслідок чого знижується опір дуги. Причому швидкість зниження опору дуги вища, ніж швидкість зростання струму.
Динамічна вольт-амперна характеристика– встановлює зв'язок між струмом, що змінюється певним чином у часі та падінням напруги на дузі при незмінній довжині дуги та незмінних умовах її горіння. В цьому випадку швидкість зміни струму така, що тепловий баланс не встигає встановити, зміна опору дуги відстає від зміни струму.
При зростанні струму динамічна характеристика (крива на рис. 16) йде вище статистичної (крива А на рис. 16), так як при швидкому зростанні струму опір дуги падає повільніше, ніж росте струм. При зменшенні – нижче, оскільки у цьому режимі опір дуги менше, ніж за повільному зміні струму (крива З рис. 16).
Динамічна характеристика значною мірою визначається швидкістю зміни струму у дузі. Якщо ланцюг ввести дуже великий опір за час, нескінченно мале в порівнянні з тепловою постійною часу дуги, то протягом спаду струму до нуля опір дуги залишиться постійним. у цьому випадку динамічна характеристика зобразиться прямою, яка проходить на початок координат (пряма D на рис. 16), тобто дуга поводиться як металевий провідник, так як напруга на дузі пропорційна струму.
Умови стабільного горіння та гасіння дуги постійного струму. Розглянемо ланцюг постійного струму (рис. 17).
Рис.17. Дуга в ланцюзі постійного струму
Для розглянутого ланцюга
Вочевидь, що стаціонарним режимом, коли дуга горить стабільно буде такий, у якому струм у кайдани не змінюється, т. е. . У цьому режимі швидкість зростання кількості іонізованих частинок дорівнює швидкості їх зникнення в результаті процесів деіонізації - встановлюється динамічна рівновага.
На графіці наведена падаюча вольт-амперна характеристика дуги та похила пряма U-iR. З (48) випливає, що
Звідси очевидно, що у точках 1 та 2. Причому точка 1 є точкою нестійкої рівноваги; випадкові як завгодно малі відхилення струму призводять або до збільшення струму до значення i 2або зменшують його до нуля. У точці 2 дуга горить стабільно; випадкові малі відхилення струму в той чи інший бік призводять його назад до значення i 2. З графіка видно, що дуга при всіх значеннях струму не може горіти стабільно, якщо падіння напруги на дузі () перевершує напругу, що подається на дугу від джерела ().
Таким чином, для гасіння дуги необхідно створити умови, при яких падіння напруги на дузі перевищувало б напругу, що подається на дугу від джерела, в межі напруги мережі.
Для гасіння дуги використовують три явища:
1. Збільшення довжини дуги шляхом розтягування.
Чим довша дуга, тим більша напруга необхідна для її існування (тим вище розташовується її вольт-амперна характеристика – (крива) U 1д на рис.17). Якщо напруга, що подається на дугу від джерела (пряма ), виявиться меншою за вольт-амперну характеристику дуги – (крива U 1д), то немає умов стабільного горіння дуги, дуга гасне.
Це найпростіший, але найефективніший спосіб. Наприклад, для того, щоб, наприклад, погасити дугу зі струмом 100A при напругу 220 B потрібно розтягнути дугу на відстань 25 ÷ 30 см, що практично в електричних апаратах зробити неможливо (збільшуються габарити). Тому даний спосіб використовується як основне лише услаботочных електричних апаратів (реле, магнітні пускачі, вимикачі).
2. Вплив на ствол дуги шляхом охолодження, домагаючись збільшення поздовжнього градієнта напруги.
2.1 Гасіння дуги у вузьких щілинах(Рис. 18). Якщо дуга горить у вузькій щілині, утвореній дугостійким матеріалом, завдяки зіткненню з холодними поверхнями відбувається інтенсивне охолодження і дифузія заряджених частинок з каналу дуги в навколишнє середовище. Це призводить до гасіння дуги. Спосіб використовується в апаратах напруги до 1000В.
Рис. 18. Гасіння дуги у вузьких щілинах
2.2 Гасіння дуги в маслі(Рис.19) . Якщо контакти відключаючого апарату помістити в масло, то дуга, що виникає при розмиканні, призводить до інтенсивного газоутворення і випаровування масла. Навколо дуги утворюється газовий міхур, що складається в основному з водню, що володіє високими властивостями дугогасіння. Підвищений тиск усередині газового міхура сприяє кращому охолодженню дуги та її гасіння. Спосіб використовується в апаратах напруги вище 1000В.
2.3 Газоповітряне дуття(Рис.20) . Охолодження дуги покращується, якщо створити спрямований рух газів - дуття вздовж або поперек дуги .
Рис.20.Газоповітряне дуття: а - вздовж дуги, б - поперек дуги .
Спосіб використовується в апаратах напруги вище 1000В.
3. Використовуючи навколоелектродне падіння напруги.
Поділ довгої дуги на ряд коротких(Рис. 21). Якщо довгу дугу затягнути в дугогасний пристрій, що має металеві пластини (дугогасну решітку), вона розділиться на пкороткі дуги. У кожної пластини ґрат виникають навколоелектродні падіння напруги. За рахунок суми навколоелектродних падінь напруг сумарне падіння напруги стає більше, ніж джерело живлення, що дається, і дуга гасне. Дуга гасне, якщо U
Рис.21. Поділ довгої дуги на ряд коротких
Гашенню дуги сприяють, використовувані як внутрішній ізоляції апаратів на напругу вище 1000В, високорозряджені гази або гази високого тиску.
Гасіння дуги у вакуумі.Високорозряджений газ має електричну міцність у десятки разів більшу, ніж газ при атмосферному тиску; це використовується у вакуумних контакторах та вимикачах.
Гасіння дуги в газах високого тиску.Повітря при тиску 2 МПа і більше має високу електричну міцність, що дозволяє створити компактні гасильні пристрої в повітряних вимикачах. Ефективне використання шестифтористої сірки SF 6 (елегаза) для гасіння дуги.
Умови гасіння дуги змінного струму.
Нехай контакти розійшлися у точці а. Між ними спалахує дуга. До кінця напівперіоду через зменшення струму збільшується опір ствола дуги і відповідно збільшується напруга на дузі. При підході струму до нуля до дуги підводиться мала потужність, температура дуги зменшується, відповідно сповільнюється термічна іонізація та прискорюються процеси деіонізації – дуга гасне (точка 0 ). Струм у ланцюгу обривається до свого природного проходження через нуль. Напруга, що відповідають обриву струму – пік гасіння U г.
Рис. 22. Гашення дуги змінного струму при активному навантаженні
Після гасіння дуги відбувається відновлення електричної міцності дугового проміжку (крива а 1 – б 1). Під електричної міцності дугового проміжку мається на увазі напруга, у якому відбувається електричний пробій дугового проміжку. Початкова електрична міцність (точка 1) і швидкість її зростання залежать від властивостей дугогасного пристрою. В момент t 1крива напруги на дуговому проміжку перетинається з кривою відновлення електричної міцності дугового проміжку – відбувається запалення дуги. Напруга запалення дуги – пік запалення U з. Крива напруга на дузі має сідлоподібну форму.
У точці 0 1 дуга знову гасне і відбуваються процеси, аналогічні описаним раніше. До моменту 0 1 внаслідок розходження контактів довжина дуги зростає, відведення тепла від дуги збільшується, Збільшується відповідно і початкова електрична міцність (точка а 2) та швидкість її зростання (крива а 2-2). Відповідно до цього збільшується і безструмова пауза 0 1 - t 2 > 0 -t 1 .
В момент t 2знову відбувається запалення дуги. У точці 0 11 дуга гасне. Знову збільшується початкова електрична міцність (точка а 3) та швидкість її зростання (крива а 3 –б 3). Крива напруга не перетинається з кривою зростання електричної міцності. Дуга у цьому півперіоді не запалюється.
У відкритій дузі при високій напрузі(роговий розрядник), визначальним фактором є активний опір сильно розтягнутого ствола дуги.
При індуктивному навантаженні безструмова пауза дуже мала (приблизно 0,1 мкс), тобто дуга горить майже безперервно. Відключення індуктивного навантаження складніше, ніж активне. Тут немає урвища струму.
У цілому нині процес дугогашення на змінному струмі легше, ніж постійному. Раціональною умовою гасіння дуги змінного струму слід вважати таке, коли гасіння здійснюється в перший після розмикання контактів перехід струму через нуль.
Питання для самоперевірки:
· Області дугового розряду.
· Статична вольт-амперна характеристика.
· Динамічна вольт-амперна характеристика.
· Умови стабільного горіння та гасіння дуги постійного струму.
· Які явища використовуються для гасіння дуги?
· Умови гасіння дуги змінного струму.
Loading...