Отключение электрических цепей

Большая группа электрических аппаратов представлена коммутационными устройствами, с помощью которых замыкается и размыкается электрическая цепь. Электрический разряд, возникающий при размыкании контактов, приводит к их износу и, в основном, определяет надежность и долговечность аппарата. Этот разряд является либо тлеющим, либо электрической дугой. Тлеющий разряд возникает при отключении тока менее 0,1 А при напряжении на контактах 250-300 В. Такой разряд происходит в маломощных реле, а в более мощных аппаратах является переходной фазой к разряду в виде электрической дуги.

Дуговой разряд имеет следующие особенности:

• Дуговой разряд имеет место только при относительно больших токах. Минимальный ток дуги для металлов составляет примерно 0,5 А.
• При дуговом разряде плотность тока на катоде чрезвычайно велика и достигает 10 - 10 А/мм².

· Падение напряжения у катода составляет всего 10 20 и практически не зависит от тока.

В дуговом разряде различают три характерные области: околокатодную, область столба дуги и околоанодную.

Околокатодная область занимает весьма небольшое пространство длиной не более 10 . Около катода возникает положительный объемный заряд, создаваемый положительными ионами. Между этим положительным объемным зарядом и катодом создается электрическое поле с напряженностью до 10⁷ В/м, в котором движутся электроны, вышедшие из катода и создающие электрический ток. Образующиеся электроны не создают около катода отрицательного объемного заряда, т.к. их скорость значительно больше скорости тяжелых положительных ионов. Положительные ионы разгоняются в поле катодного падения напряжения и бомбардируют катод. Благодаря этому температура катода поднимается и достигает точки испарения материала электрода.

Область дугового столба, в которой энергия, приобретенная заряженными частицами в электрическом поле дугового столба, столь мала, что практически ударная ионизация не происходит.

При большой температуре, которая имеет место в области дугового столба, скорость частицы возрастает до значения, при котором удар в нейтральный атом приводит к его ионизации. Такая ионизация называется термической. Основным источником ионов и электронов в столбе дуги является термическая ионизация.

Степень ионизации Х зависит от давления газа Р в столбе дуги:

. (4.1)

Из (4.1) следует, что с ростом давления степень ионизации уменьшается.

В связи с этим во многих дугогасильных устройствах (ДУ) электрических аппаратов создается повышенное давление газа, что способствует гашению дуги. Кроме этого в ДУ принимаются меры против попадания металлических паров электродов в столб дуги (уменьшение сечения плавких вставок предохранителей, перемещение дуги по электродам, уменьшение температуры электродов и др.).

Поскольку степень ионизации определяется температурой, во всех ДУ стремятся отводить тепло от дуги за счет охлаждения движущимся воздухом или газом (воздушные, масляные выключатели) либо отдачи тепла стенкам дугогасительной камеры.

В околоанодной области поток электронов из столба дуги устремляется к положительному электроду – аноду. Анод при дуговом разряде не излучает положительных ионов, которые могли бы нейтрализовать электроны. Поэтому вблизи анода создается отрицательный объемный заряд, что и вызывает появление околоанодного падения напряжения и повышения напряженности электрического поля.

Электроны разгоняются в поле, образованном отрицательным объемным зарядом и анодом. Энергия, приобретенная электронами, отдается аноду. Благодаря большой энергии электронов анод нагревается до очень высокой температуры, которая выше температуры катода.

Высокая температура анода и околоанодная область не оказывают существенного влияния на возникновение и условия существования дугового разряда. Роль анода сводится к приему электронного потока из дугового столба.