Основи теорії горіння і гасіння електричної дуги

 

Однією з вимог до вимикальної апаратури, як при нормальній роботі, так і в аварійних умовах є надійність вимкнення електричного ланцюга.

Існують дві форми вимкнення електричного ланцюга. Одна з них - це безіскровий розрив, який можливий при дуже малих величинах струму і напруги. Друга форма вимкнення – коли при розриві ланцюга виникає електрична дуга.

Для з'ясування умов горіння і гасіння електричних дуг зупинимося на загальновідомих, елементарних положеннях теорії розряду в газах.

На рис. 1.1 показана характеристика розряду в наповненій газом трубці з припаяними електродами.

Ця характеристика має три явно виражені основні ділянки. Перша ділянка характеристики АВ відповідає явищу корони в газах, при якому зростання струму зв'язане з відповідним зростанням напруги. Густина струму при цьому розряді дуже мала. Так, наприк­лад, для мідних електродів при заповненні трубки повітрям на відстані 4 мм густина струму в точці В досягає 10-15 А/см². Ділянка ВС відповідає тихому розряду, вправо від точки С – дуговому розряду. Явище тихого розряду відрізняється від явища дугового розряду величиною спадання напруги і густиною струму біля катода. При тихому розряді густина струму біля катода досягає 3-10 А/см² і спад напруги - біля 200-400 В. При дуговому розряді густина струму досягає 10000 А/см² і вище, падіння напруги біля катода 10-20В.

Для того, щоб виник дуговий розряд, необхідно іонізувати газовий промі­жок, тобто перетворити його в провідник. Ступінь іонізації газового проміжку може бути різною і характеризується кількістю вільних зарядів, що знаходяться в газі. Ці заряди, пересуваючись від одного електрода до іншого, створюють струмовий ланцюг між ними. Існування електричної дуги стає можливим при напрузі 10-20 В і струмі не менше 80 мА. Го­рін­ня електричної дуги супроводжується високою температурою (3000-4000°К на поверхні і до 10000°К в центральній частині дуги).

Напруга електричної дуги (рис. 1.2) складається з спаду напруги на катоді (U_К), падіння напруги на стовпі дуги (U_cm), яке тим більше, чим більша довжина дуги, і анодного спадання напруги (U_а). Розрізняють короткі дуги (l_д=1- 2 мм), напруга яких визначається в основному сумою катодної й анодної напруги U_cm = 0; U_к+U_а=25-40 В і "довгі" дуги, напруга яких визначається спадом напруги на стовпі дуги, a U_к + U_а мале в порівнянні з U_cm.

Іонізація газо­во­го про­між­ку при дуго­вому розряді може бути здійснена: під ді­єю елект­ричного поля - "іо­ні­за­ція пош­то­вхом"; під дією ви­сокої темпе­ратури га­зу - "термо­іонізація"; ви­­хо­­дом елект­ронів з розжаре­но­го катода - "тер­мо­емісія" і ін.

Сутність іоні­за­ції під дією електричного поля по­ля­гає в то­му, що вільні елект­­рони, що зна­хо­дяться в газі під дією елект­ричного поля починають перемі­щу­ватися в напрямку анода, розви­ваючи велику швидкість і нагромаджуючи відповідний запас кінетичної енергії. Такий електрон при зіткненні з нейтральним атомом може вибити з нього електрон, викликавши розпадання атома на вільний електрон і позитивний іон. Чим сильніше електричне поле, тим інтенсивніше відбувається процес іонізації.

Термоіонізація газу відбувається під дією відповідної температури. Температура газу характеризує швидкість руху часток. Чим вище температура, тим більше швидкість руху частинок. Рухаючись, частинки зіштовхуються між собою, і у залежності від сили удару розпадаються на складові частини. Спочатку молекули розпадаються на атоми, а потім атоми на іони й електрони. Розпад атомів на іони й електрони під впливом високої температури і є термоіонізація.

Термоемісія полягає в тому, що розжарений катод викидає в область горіння дуги значні порції електронів, які, рухаючись з означеною швид­кістю, як уже говорилося, іонізують газовий проміжок. Іонізація дугового розряду залежить не тільки від вище зазначених причин, що її викли­кають, але і від середовища, у якому відбувається процес іонізації, від хіміч­ного складу газу, його густини, температури, від матеріалу електро­дів, поверхні катодів і т.д.

Термічна іонізація є основним чинником, що підтримує провідність дугового проміжку при горінні дуги. З ростом струму дуги росте її температура, що викликає посилення процесу іонізації, і отже, зменшення опору дугового проміжку.

Поряд з іонізацією, при всякому газовому розряді проходить і зворотне явище, що викликається деіонізацією. Сутність деіонізації полягає в тому, що заряджені часткинки втрачають свої заряди або покидають область горіння дуги. Тому вони не можуть брати участь у переносі струму від одного електрода до іншого. Основними шляхами деіонізації області дугового розряду є рекомбінація заряджених часток і дифузія.

Рекомбінація полягає в тому, що частинки з протилежними зарядами при зіткненні одна з другою утворюють нейтральні частинки.

Дифузія - це вихід заряджених частинок з області горіння дуги в оточуючий простір, після чого вони, навіть не втрачаючи своїх зарядів,не відіграють ніякої ролі. Дифузія в значній мірі сприяє охолодженню дугового стовпа. Атоми, що утворені в результаті розпаду молекул, дифундують із дугового простору, за межами якого знову утворять молекули. При розпаді молекул на атоми відбувається поглинання енергії з дугового простору, а при утворенні молекул - виділення цієї енергії. Завдяки цьому при дифузії відбувається перенос енергії з області горіння дуги в оточуючий простір, тобто відбувається охолодження дуги. Згідно з дослідними даними, найбільш швидко деіонізуючим середовищем є водень, потім водяний пар, вугільна кислота, кисень, повітря, азот.

Температура центральної частини дуги дуже велика, вона залежить від складу газу (у повітрі при атмосферному тиску досягає 3¸5 тис. град., а у водні - не менше 8¸10 тис. град.).

Процес гасіння дуги йде тим швидше, чим крутіше падіння температури від центра до краю дуги, так як при цьому менша зона знаходиться під впливом високої температури, що дає зменшення термічної іонізації. Крім того, підсилюється дифузія заряджених частинок за рахунок різниці температур. Звідси випливає, що на гасіння дуги в розглянутому випадку діють два фактори: зменшення іонізації і збільшення деіонізації за рахунок охолодження стовбура дуги.

 

Дуга постійного струму

Нехтуючи струмами корони і тихого розряду, можна вважати, що точка початку дугового розряду знаходиться поблизу осі ординат, тому вольтамперну характеристику дуги можна зобразити так, як показано на рис. 1.3.

Вольтамперну характеристику електрич­ної дуги можна одержати дослідним шляхом при незмінному іскровому проміжку апарата. Для цього необхідно підвести до досліджуваного контуру таку напругу, при якій дуга горить стійко при незмінному струмі. Це свідчить про те, що опір стовбура дуги постійний, тобто кількість іонізованих і деіонізованих часток в одиницю часу одна­кова. Вимірив­ши струм і напругу дуги, одержимо одну з точок вольтамперної характеристики.

По­вільно змінюючи напругу контуру, мож­на одержати стійку дугу при іншому струмі і напрузі іскрового проміжку, що відповідає однаковій швидкості іонізації і деіонізації іскрового проміжку при нових значеннях струму і напруги дуги.

Знята таким способом вольтемперна характеристика називається статичною характеристикою дуги (рис. 1.3). Цілком очевидно, що для даного апарату статична характеристика дуги єдина.

Статичну характеристику дуги можна зняти як при поступовому збільшенні струму, так і при повільному його зменшенні.

При зменшенні струму настільки швидкому, що зміна іонізаційного стану проміжку не поспіває за зміною струму, вийде інша характеристика (рис. 4, крива b), яку називають динамічною. Динамічних характеристик можна одержати велику кількість. Ці характеристики залежать від швидкості зміни струму, швидкості збільшення іскрового проміжку, від наявності спеціальних засобів для гасіння дуги і т.п. Але усі вони при зменшенні струму лежать нижче статичної, і напруга гасіння дуги UL динамічних характеристик має менше значення, ніж напруга загоряння дуги Uz, узята по статичній характеристиці.

Раніше було зазначено, що різні гази мають різні дугогасні властивості. Статичні характеристики також мають різний характер у залежності від газу, для якого вони одержані. Для ілюстрації сказаного приведемо криві статичних характеристик дуги (рис.1.5).

 

Рис. 1.4 Рис. 1.5

Для того, щоб погасити дугу постійного струму, необхідно створити такі умови, при яких число іонізованих часток у дуговому проміжку безперервно зменшувалося б.

Якщо число зникаючих іонізованих часток більше числа знову виникаючих, то опір дуги росте. При незмінній напрузі джерела струму і постійних параметрах зовнішнього ланцюга, струм у дузі буде спадати з ростом її опору. Якщо співвідношення між іонізацією і деіонізацією буде залишатися таким же і далі, то струм зменшиться до нуля і дуга згасне.

Дослідимо характеристики дугового проміжку і зовнішнього контуру (рис.1.6) для визначення умов горіння і гасіння дуги постійного струму. Для цього ланцюга можна написати наступне рівняння:

 

,

де - напруга постійного струму, що прикладена до досліджуваного ланцюга;

 

- падіння напруги в активному опорі зовнішнього ланцюга при даному струмі;

- напруга стовбура дуги, що необхідна для горіння дуги при даному струмі;

- е.р.с. індуктивності контуру при нестаціонарному режимі.

Графічне відображення цього рівняння дане на рис.7.

При до дуги прикладена така напруга, яка необ­хідна, щоб вона горіла при даному струмі.

При цьому має місце умова , струм у контурі не змінюється. На рис. 6 зображені дві точки перетину: 1 і 2, що відповідають рівності . Для кожної з цих точок виконується умова , але їх характеристики щодо стійкості горіння дуги відмінні.

При у контурі існує напруга більша, ніж необ­хід­но для горіння дуги при даному струмі. При цьому , струм у контурі росте, поки не наступить рівновага U – ir = Uд при но­вому зна­ченні струму. Цьому положенню рівноваги відповідає точка 2 (рис. 1.7).

При у контурі існує напруга менша, ніж необхідно для підтримки дуги. При цьому , струм у контурі зменшується до значення I₂, якщо зміна струму відбувається в області точки 2, або струм зовсім зникає, якщо зменшення струму відбувається в області точки 1 (рис.1.7). Таким чином, точку 2 можна вважати точкою стійкого горіння електричної дуги, а точку 1 – точкою нестійкого горіння.

 

Зі сказаного випливає, що для гасіння електричної дуги постійного струму необхідно, щоб на всьому діапазоні струмів мала місце умова . Ця умова зводиться до того, щоб крива характеристики дуги ніде не перетиналася з прямою (рис. 1.8). Якщо пряма дотикається до статичної характеристики дуги А, то умови гасіння дуги не дійсні. При цьому існує одна точка рівноваги, в якій виконується умова , і в залежності від додаткових умов дуга може існувати тривалий час.

Підняти криву ста­тичної характеристики можна двома способами: збільшенням опору дуги за рахунок підсилення деіонізації дугового проміжку і збільшенням опору дуги за рахунок її подовження.

В момент гасіння дуги струм дорівнює нулю, внаслідок чого рівняння приймає вигляд:

В цьому випадку виникає перенапруга:

Звідси випливає, що ве­­личина перенапруги обумов-люється швидкість падіння струму в дузі й індуктивністю лан­цю­га. Чим більше індук­тив­­ність ланцюга, тим біль­ша за інших рівних умов перена­пруга, що виникає в кінці гасіння дуги.

Перенапруги залежать також від середовища, у якому гаситься дуга. Ця обставина не дозволяє застосувати для гасіння дуги постійного струму сильно деіонізуючі засоби.

 

Дуга змінного струму.

 

Дуга змінного струму відрізняється від дуги постійного струму тим, що струм у дузі за кожний півперіод проходить через нульове значення, не залеж­но від ступені іонізації дугового проміжку. Вольтамперна харак­тери­стика дуги змінного струму, знята за один період, показана на рис.1.9.

Точки А і С вольтамперної характеристики (рис. 1.9) лежать дуже близько до ординати, і з деяким допущенням цю характеристику можна зобразити так, як показано на рис. 1.10.

Заштрихована площа на рис.9 і 10 пропорційна втратам у дузі за півперіод. U_Z відповідає напрузі запалювання дуги, а U_L - напрузі гасіння. Природно,що напруга дуги не змінюється миттєво з деякого позитивного значення до негативного, як це показано на рис. 10, тому рис. 9 дає більш правильну картину зміни цієї напруги.

Рис. 19 Рис. 1.10

Покажемо, як змінюється струм і напруга дуги за один період у залежності від часу (рис. 1.11).

Відповідно до викладеного вище, напруга дуги падає при збільшенні струму, і навпаки, при зменшенні струму напруга дуги росте. При цих умовах напруга дуги від чверті періоду трохи падає, а потім до проходження струму через нульове значення збільшується. Після цього знак напруги дуги змінюється і процес повторюється. При цьому спостерігається збільшення значення напруги загоряння, ніж значення напруги гасіння дуги.

Умови гасіння електричної дуги змінного струму ті ж, що і для постійного струму. При цьому також необхідно, щоб умови деіонізації іскрового проміжку домінували над умовами іонізації.

Принципово дугу змінного струму можна погасити в різні моменти часу: при переході струму через нульове значення й у другий момент напівперіоду. В другому випадку, щоб погасити дугу необхідно створити сильно деіонізуюче середовище, яке здатне знизити струм до нуля ще до кінця напівперіоду. Це зв'язано з великими перенапругами в момент гасіння дуги, так як у цьому випадку процес гасіння дуги змінного струму нічим не відрізняється від гасіння дуги постійного струму.

Практично гасіння дуги протягом часу меншого напівперіоду спостерігається дуже рідко. Зазвичай дуга гасне при проходженні струму через нульове значення, коли підвід енергії до дуги припиняється, температура її при цьому різко падає. Тому даний момент є найбільш сприятливим щодо гасіння дуги. Внаслідок спадання температури і посилення процесів деіонізації з моменту проходження струму через нульове значення сильно спадає ступінь іонізації дугового проміжку й опір між контактами росте. Одночасно в дуговому проміжку починає рости напруга, що прагне знову відновити дугу. Ріст напруги іскрового проміжку після проходження струму через нульове значення називається процесом відновлення напруги.

Таким чином, у момент проходження струму через нульове значення починається посилене відновлення електричної міцності іскрового про­між­ку внаслідок різкого зниження його іонізації. Одночасно з цим почи­нається процес відновлення напруги в іскровому проміжку, що є іоні­зуючим чинником.

Якщо швидкість відновлення електричної міцності більше швидкості відновлення напруги іскрового проміжку, то дуга, що погасла після про­ходження струму через нульове значення, більше не відновиться. Навпаки, якщо швидкість відновлення електричної міцності менша швидкості відновлення напруги іскрового проміжку, дуга відновлюється і горить до наступного проходження струму через нульове значення.

Співвідношення швидкості відновлення електричної міцності іскрового проміжку і швидкості відновлення напруги залежить від багатьох факторів. На це співвідношення впливають параметри елементів електричного ланцюга, особливості конструкції вимикального апарата, режим роботи системи і т.д. Але одним з головних факторів варто вважати конструкцію вимикального апарата, його швидкісні характеристики й особливості конструкції, що дозволяють швидко гасити утворену електричну дугу.

 

Процес вимкнення вимикача.

 

Розмикання контактів вимикача не приводить до негайного переривання струму, тому що розрив, що утворився, перекривається дугою, опір якої малий. В міру наближення сили струму до нуля температура іонізації і провідність дугового проміжку швидко зменшуються й у якийсь момент часу, що близький до моменту природного досягнення нуля струмом, дуга гаситься (рис. 12,а)

У цей момент проміжок між контактами, які розходяться до деякої міри ще іонізований, що визначається відставанням теплових процесів від зміни струму. Після гасіння дуги процес пере­творення дугового проміжку з провідника в діелектрик відбувається досить швидко, але не миттєво. У цей же період часу відновлюється напруга на контактах вимикача. Поки горить дуга, напруга на розриві U_д відносно малa. У момент гасіння дуги воно змінює знак і відновлюється до напруги мережі, що близька до амплітудної. Якщо відновлювальна електрична міцність проміжку (напруга, яка необхідна для пробою проміжку) Uпрб перевищує відновлювальну напругу, U_в, дуга не виникає (рис. 12,а). У протилежному випадку відбувається запа­лювання дуги (рис. 12,6). Через половину періоду процес повто­рюється, але за цей час контакти розійдуться на більшу відстань, що сприяє гасінню дуги. Зазвичай дуга у вимикачі горить 1-3 півперіоду.

Для успішного вимкнення ланцюга необхідно, щоб U_прб (ізоляційна властивість проміжку) збільшувалася швидше ніж напруга, що прикладена до контактів. Для цієї мети вимикачі постачають гасильними пристроями, які забезпечують ефективну деіонізацію дугового стовпа.

Способи гасіння дуги в апаратах напругою до 1000 В.

1. Подовження дуги швидким розведенням контактів до моменту, коли напруга джерела не в змозі підтримати дугу на такій відстані.

2. Поділ дуги на ділянки за допомогою струмопровідних пластин (рис. 1.13). У цьому випадку напруга дуги U_д буде складатися з n ділянок з анодним U_а і катодним U_k падіннями напруги і падінням напруги в стовпі дуги U_cт:

Коли падіння напруги в дузі буде менше напруги джерела, дуга гасне. Ефективність такого способу гасіння дуги полягає в тому, що сума катодного й анодного падінь напруги значно більша падіння напруги в стовпі нерозділеної дуги.

Для дуги постійного струму сума катодного і анодного падіння напруги складає:

Дугу змінного струму також можна розділити на ділянки. У момент проходження струму через нуль білякатодовий простір набуває електричної міцністі 150...250 В.

3. Дуга у вузьких щілинах з дугостійких ізоляційних матеріалів (рис. 14) гаситься інтенсивним охолодженням і деіонізацією стовпа дуги, що стикається з матеріалом щілини.

 

 

 

4. Рух дуги в магнітному полі. Якщо дугу помістити в магнітне поле, спрямоване перпендикулярно до її осі, дуга почне переміщатися, тому що вона являє собою провідник зі струмом. У радіальному магнітному полі (рис. 15) дуга буде обертатися і переміщуватися, що сприяє її інтенсивному охолодженню і деіонізації.

Магнітне поле може бути створено постійними магнітами, спеціальними котушками чи самим контуром протікання струму, що вимикається. Способи гасіння дуги у вузьких щілинах і рух у магнітному полі вико­ристовуються також в апаратах напругою вище 1000 В.