Тока электрической дуги электромагнитного поля. Электрическая дуга и ее характеристики

Гашению дуги способствуют, используемые в качестве внутренней изоляции аппаратов на напряжение выше 1000В, высокоразряженные газы или газы высокого давления.

Гашение дуги в вакууме. Высокоразряженный газ обладает электрической прочностью в десятки раз большей, чем газ при атмосферном давлении; это используется в вакуумных контакторах и выключателях.

Гашение дуги в газах высокого давления. Воздух при давлении 2 МПа и более обладает высокой электрической прочностью, что позволяет создать компактные гасительные устройства в воздушных выключателях. Эффективно использование шестифтористой серы SF 6 (элегаза) для гашения дуги.

Условия гашения дуги переменного тока .

Пусть контакты разошлись в точке а. Между ними загорается дуга. К концу полупериода из-за уменьшения тока увеличивается сопротивление ствола дуги и соответственно увеличивается напряжение на дуге. При подходе тока к нулю к дуге подводится малая мощность, температура дуги уменьшается, соответственно замедляется термическая ионизация и ускоряются процессы деионизации - дуга гаснет (точка 0 ). Ток в цепи обрывается до своего естественного прохождения через нуль. Напряжение соответствующие обрыву тока – пик гашения U г .

Рис. 22. Гашения дуги переменного тока при активной нагрузке

После гашения дуги происходит процесс восстановления электрической прочности дугового промежутка (кривая а 1 – б 1). Под электрической прочности дугового промежутка подразумевается напряжение, при котором происходит электрический пробой дугового промежутка. Начальная электрическая прочность (точка а 1) и скорость ее возрастания зависят от свойств дугогасительного устройства. В момент t 1 кривая напряжения на дуговом промежутке пересекается с кривой восстановления электрической прочности дугового промежутка – происходит зажигание дуги. Напряжение зажигания дуги – пик зажигания U з . Кривая напряжения на дуге имеет седлообразную форму.

В точке 0 1 дуга вновь гаснет и происходят процессы, аналогичные описанным ранее. К моменту 0 1 вследствие расхождения контактов длина дуги возрастает, отвод тепла от дуги увеличивается, Увеличивается соответственно и начальная электрическая прочность (точка а 2) и скорость ее возрастания (кривая а 2 –в 2). Соответственно этому увеличивается и бестоковая пауза 0 1 - t 2 > 0 - t 1 .

В момент t 2 снова происходит зажигание дуги. В точке 0 11 дуга гаснет. Вновь увеличивается начальная электрическая прочность (точка а 3) и скорость ее возрастания (кривая а 3 –б 3). Кривая напряжения не пересекается с кривой возрастания электрической прочности. Дуга в этом полупериоде не зажигается.

В открытой дуге при высоком напряжении (роговой разрядник), определяющим фактором является активное сопротивление сильно растянутого ствола дуги условия гашения дуги переменного тока приближаются к условиям гашения дуги постоянного тока и процессы после перехода тока через нуль мало влияют на гашение дуги.

При индуктивной нагрузке бестоковая пауза очень мала (примерно 0,1мкс), то есть дуга горит практически непрерывно. Отключение индуктивной нагрузки сложнее, чем активной. Здесь нет обрыва тока.

В целом процесс дугогашения на переменном токе легче, чем на постоянном. Рациональным условием гашения дуги переменного тока следует считать такое, когда гашение осуществляется в первый после размыкания контактов переход тока через нуль.

Вопросы для самопроверки:

· Области дугового разряда.

· Статическая вольт-амперная характеристика.

· Динамическая вольт-амперная характеристика.

· Условия стабильного горения и гашения дуги постоянного тока.

· Какие явления используются для гашения дуги?

· Условия гашения дуги переменного тока.

Отключение цепи контактным аппаратом характеризуется возникновением плазмы, которая проходит разные стадии газового разряда в процессе преобразования межконтактного промежутка из проводника электрического тока в изолятор.

При токах выше 0,5-1 А возникает стадия дугового разряда (область 1 )(рис. 1.); при снижении тока возникает стадия тлеющего разряда у катода (область 2 ); следующая стадия (область 3 ) – таунсендовский разряд, и наконец, область 4 – стадия изоляции, в которой носители электричества – электроны и ионы – не образуются за счет ионизации, а могут поступать только из окружающей среды.

Рис. 1. Вольтамперная характеристика стадий электрического разряда в газах

Первый участок кривой – дуговой разряд (область 1) – характе­ризуется малым падением напряжения у электродов и большой плотностью тока. С ростом тока напряжение на дуговом промежутке сначала резко падает, а затем изменяется незначительно.

Второй участок (область 2 ) кривой, представляющий собой область тлеющего разряда, характеризуется высоким падением напряжения у катода (250 – 300 В) и малыми токами. С ростом тока возрастет падение напряжения на разрядном промежутке.

Таунсендовский разряд (область 3 ) характеризуется чрезвычайно малыми значениями тока при высоких напряжениях.

Электрическая дуга сопровождается высокой температурой и связана с этой температурой. Поэтому дуга – явление не только электрическое, но и тепловое.

В обычных условиях воздух является хорошим изолятором. Так, для пробоя воздушного промежутка в 1 см требуется приложить напряжение не менее 30 кВ. Для того чтобы воздушный промежуток стал проводником, необходимо создать в нем определенную концентрацию заряженных частиц: отрицатель­ных – в основном свободных электронов, и положительных – ионов. Процесс отделения от нейтральной частицы одного или нескольких электронов с обра­зованием свободных электронов и ионов называется ионизацией.

Ионизация газа может происходить под действием света, рентгеновских лучей, высокой температуры, под влиянием электрического поля и ряда дру­гих факторов. Для дуговых процессов в электрических аппаратах наибольшее значение имеют: из процессов, происходящих у электродов, – термоэлектрон­ная и автоэлектронная эмиссии, а из процессов, происходящих в дуговом промежутке, – термическая ионизация и ионизация толчком.

В коммутационных электрических аппаратах, предна­значенных для замыкания и размыкания цепи с током, при отключении возникает разряд в газе либо в виде тлеющего разряда, либо в виде дуги. Тлеющий разряд возникает тогда, когда отключаемый ток ниже 0,1 А, а напряжение на контактах достигает величины 250 – 300 В. Такой разряд встречается либо на контактах ма­ломощных реле, либо как переходная фаза к разряду в виде электрической дуги.

Основные свойства дугового разряда.

1) Дуговой разряд имеет место только при токах большой величины; минимальный ток дуги для металлов со­ставляет примерно 0,5 А;

2) Температура центральной части дуги очень вели­ка и в аппаратах может достигать 6000 – 18000 К;

3) Плотность тока на катоде чрезвычайно велика и достигает 10 2 – 10 3 А/мм 2 ;

4) Падение напряжения у катода составляет всего 10 – 20 В и практически не зависит от тока.

В дуговом разряде можно различить три характер­ные области: околокатодную, область столба дуги (ствол дуги) и околоанодную (рис. 2.).

В каждой из этих областей процессы ионизации и деионизации протекают по-разному в зависимо­сти от условий, которые там существуют. Поскольку ре­зультирующий ток, проходящий через эти три области, одинаков, в каждой из них происходят процессы, обес­печивающие возникновение необходимого количества за­рядов.

Рис. 2. Распределение напряжения и напряжённости электрического поля в стационарной дуге постоянного тока

Термоэлектронная эмиссия. Термоэлектронной эмиссией называется явление испускания электронов из накаленной поверхности.

При расхождении контактов резко возрастают переходное сопротивление контакта и плотность тока в последней площадке контактирования. Эта площадка нагревается до температуры плавления и образования контактного перешейка из расплавленного металла, который при дальнейшем расхождении контактов рвется. Здесь происходит испарение металла контактов. На отрицательном электроде образуется так назы­ваемое катодное пятно (раскаленная площадка), которое служит основа­нием дуги и очагом излучения элект­ронов в первый момент расхождения контактов. Плотность тока термо­электронной эмиссии зависит от тем­пературы и материала электрода. Она невелика и может быть достаточной для возникновения электрической ду­ги, но она недостаточна для ее го­рения.

Автоэлектронная эмиссия. Это –явление испускания электронов из катода под воздействием сильного электрического поля.

Место разрыва электрической цепи может быть представлено как конденсатор переменной емкости. Емкость в начальный момент равна бесконеч­ности, затем убывает по мере расхождения контактов. Через сопротивление цепи этот конденсатор заряжается, и напряжение на нем растет постепенно от нуля до напряжения сети. Одновременно увеличивается расстояние между контактами. Напряженность поля между контактами во время нарастания напряжения проходит через значения, превышающие 100 МВ/см. Такие значения напряженности электрического поля достаточны для вырывания электронов из холодного катода.

Ток автоэлектронной эмиссии также весьма мал и может служить только началом развития дугового разряда.

Таким образом, возникновение дугового разряда на расходящихся контактах объясняется наличием термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий. Преобладание того или иного фактора зависит от значения отключаемого тока, материала и чистоты поверхности контактов, скорости их расхождения и от ряда других факторов.

Ионизация толчком. Если свободный электрон будет обладать достаточной скоростью, то при столкновении с нейтральной частицей (атом, а иногда и молекула) он может выбить из неё электрон. В результате получатся новый свободный электрон и положительный ион. Вновь полученный электрон может, в свою очередь, ионизировать следующую частицу. Такая ионизация носит название ионизации толчком.

Для того чтобы электрон мог ионизировать частицу газа, он должен двигаться с некоторой определенной скоростью. Скорость электрона зависит от разности потенциалов на длине его свободного пробега. Поэтому обычно указывается не скорость движения электрона, а то минимальное значение разности потенциалов, какое необходимо иметь на длине свободного пути, чтобы электрон к концу пути приобрел необходимую скорость. Эта разность потенциалов носит название потенциала ионизации .

Потенциал ионизации для газов составляет 13 – 16 В (азот, кислород, водород) и до 24,5 В (гелий), для паров металла он примерно в два раза ниже (7,7 В для паров меди).

Термическая ионизация. Это – процесс ионизации под воздействием высокой температуры. Поддержание дуги после ее возникновения, т.е. обеспечение возникшего дугового разряда достаточным числом свободных зарядов, объяс­няется основным и практически единственным видом ионизации – термической ионизацией.

Температура столба дуги с среднем равна 6000 – 10000 К, но может достигать и более высоких значений – до 18000 К. При такой температуре сильно возрастает как число быстро движущихся частиц газа, так и скорость их движения. При столкновении быстро движущихся атомов или молекул большая часть их разрушается, образуя заряженные частицы, т.е. происходит иони­зация газа. Основной характеристикой термической ионизации является сте­пень ионизации , представляющая собой отношение числа ионизированных атомов в дуговом промежутке к общему числу атомов в этом промежутке. Одновременно с процессами ионизации в дуге происходят обратные процессы, т. е. воссоединение заряженных частиц и образование нейтральных частиц. Эти процессы носят название деионизации .

Деионизация происходит главным образом за счет рекомбинации и диф­фузии .

Рекомбинация. Процесс, при котором различно заряженные частицы, при­ходя во взаимное соприкосновение, образуют нейтральные частицы, называется рекомбинацией.

В электрической дуге отрицательными частицами являются в основном электроны. Непосредственное соединение электронов с положительным ионом ввиду большой разности скоростей маловероятно. Обычно рекомбинация происходит при помощи нейтральной частицы, которую электрон заряжает. При соударении этой отрицательно заряженной частицы с положительным ионом образуется одна или две нейтральные частицы.

Диффузия. Диффузия заряженных частиц представляет собой процесс выноса заряженных частиц из дугового промежутка в окружающее пространство, что уменьшает проводимость дуги.

Диффузия обусловлена как электрическими, так и тепловыми факторами. Плотность зарядов в столбе дуги возрастает от периферии к центру. Ввиду этого создается электрическое поле, заставляющее ионы двигаться от центра к периферии и покидать область дуги. В этом же направлении действует и разность температур столба дуги и окружающего пространства. В стабилизированной и свободно горящей дуге диффузия играет ничтожно малую роль.

Падение напряжения на стационарной дуге распределяется неравномерно вдоль дуги. Картина изменения падения напряжения U Д и напряжённости электрического поля (продольного градиента напряжения) Е Д = dU/dx вдоль дуги приведена на рисунке (рис. 2). Под градиентом напряжения Е Д по­нимается падение напряжения на единицу длины дуги. Как видно из рисунка, ход харак­теристик U Д и Е Д в приэлектродных областях резко отличается от хода характе­ристик на остальной части дуги. У электродов, в прикатодной и прианодной об­ластях, на промежутке дли­ны порядка 10 – 4 см имеет место резкое падение напря­жения, называемое катод­ным U к и анодным U а. Значение этого падения на­пряжения зависит от мате­риала электродов и окружа­ющего газа. Суммарное зна­чение прианодного и прикатодного падений напряжений составляет 15 – 30 В, градиент напряжения достигает 10 5 – 10 6 В/см.

В остальной части дуги, называемой столбом дуги, падение напряжения U Д практически прямо пропорционально длине дуги. Градиент здесь приблизительно постоянен вдоль ствола. Он зависит от многих факторов и может изменяться в широких пределах, достигая 100 – 200 В/см.

Околоэлектродное падение напряжения U Э не зависит от длины дуги, падение напряжения в столбе дуги пропорционально длине дуги. Таким образом, падение напряжения на дуговом промежутке

U Д = U Э + Е Д l Д,

где: Е Д – напряжённость электрического поля в столбе дуги;

l Д – длина дуги; U Э = U к + U а.

В заключение следует ещё раз отметить, что в стадии дугового разряда преобладает термическая ионизация – разбиение атомов на электроны и положительные ионы за счёт энергии теплового поля. При тлеющем – возникает ударная ионизация у катода за счет соударения с электронами, разгоняемыми электри­ческим полем, а при таунсендовском разряде ударная ионизация пре­обладает на всём промежутке газового разряда.

Статическая вольтамперная характеристика электрической

дуги постоянного тока.

Важнейшей характеристикой дуги является зависимость напряжения на ней от величины тока. Эта характерис­тика называется вольтамперной. С ростом тока i уве­личивается температура дуги, усиливается термическая ионизация, возрастает число ионизированных частиц в разряде и падает электрическое сопротивление дуги r д.

Напряжение на дуге равно ir д.При увеличении тока сопротивление дуги уменьшается так резко, что напря­жение на дуге падает, несмотря на то, что ток в це­пи возрастает. Каждому значению тока в установившем­ся режиме соответствует свой динамический баланс числа заряженных частиц.

При переходе от одного значения тока к другому тепловое состояние дуги не изменяется мгновенно. Дуго­вой промежуток обладает тепловой инерцией . Если ток изменяется во времени медленно, то тепловая инерция разряда не сказывается. Каждому значению тока со­ответствует однозначное значение сопротивления дуги или напряжения на ней.

Зависимость напряжения на дуге от тока при мед­ленном его изменении называется статической вольтамперной характеристикой дуги.

Статическая характеристика дуги зависит от рас­стояния между электродами (длины дуги), материала электродов и параметров среды, в которой горит дуга.

Статические вольтамперные характеристи­ки дуги имеют вид кривых, изображенных на рис. 3.

Рис. 3. Статические вольтамперные характеристики дуги

Чем больше длина дуги, тем выше лежит ее статическая вольтамперная характеристика. С ростом давления среды, в которой горит дуга, также увеличивается на­пряженность Е Д и поднимается вольтамперная характеристика аналогично рис. 3.

Охлаждение дуги существенно влияет на эту ха­рактеристику. Чем интенсивнее охлаждение дуги, тем больше от нее отводится мощность. При этом должна возрасти мощность, выделяемая дугой. При заданном токе это возможно за счет увеличения напряжения на дуге. Таким образом, с ростом охлаждения вольтампер­ная характеристика располагается выше. Этим широко поль­зуются в дугогасительных устройствах аппаратов.

Динамическая вольтамперная характеристика электрической

дуги постоянного тока.

Если ток в цепи изменяется медленно, то току i 1 со­ответствует сопротивление дуги r Д1 ,абольшему току i 2 соответствует меньшее сопротивление r Д2 , что отражено на рис. 4. (см. статичес­кую характеристику дуги – кривая А ).

Рис. 4. Динамическая вольтамперная характеристика дуги.

В реальных установках ток может меняться довольно быстро. Вследствие тепловой инерции дугового столба изменение сопротивления дуги отстает от изменения то­ка.

Зависимость напряжения на дуге от тока при быст­ром его изменении называется динамической вольтамперной характеристикой .

При резком возрастании тока динамическая характеристика идет выше статической (кривая В ), так как при быстром росте тока сопротивление дуги падает мед­леннее, чем растет ток. При уменьшении – ниже, по­скольку в этом режиме сопротивление дуги меньше, чем при медленном изменении тока (кривая С ).

Динамическая характеристика в значительной степе­ни определяется скоростью изменения тока в дуге. Если в цепь ввести очень большое сопротивление за время, бес­конечно малое по сравнению с тепловой постоянной вре­мени дуги, то в течение времени спада тока до нуля со­противление дуги останется постоянным. В этом случае динамическая характеристика изобразится прямой, про­ходящей из точки 2 в начало координат (прямая D ),т. е. дуга ведет себя как металлический проводник, так как напряжение на дуге пропорционально току.

Условия гашения дуги постоянного тока.

Чтобы погасить электрическую дугу постоянного тока, необходимо создать такие условия, чтобы в дуговом промежутке при всех значениях тока процессы деионизации протекали бы интенсивнее, чем процессы ионизации.

Рис. 5. Баланс напряжений в цепи с электрической дугой.

Рассмотрим электрическую цепь, содержащую сопротивление R , индуктивность L и дуговой промежуток с падением напряжения U Д, к которой приложено напряжение U (рис. 5, а ). При дуге, имеющей неизменную длину, для любого момента времени будет справедливо уравнение баланса напряжений в этой цепи:

где падение напряжения на индуктивности при изменении тока.

Стационарным режимом будет такой, при котором ток в цепи не меняется, т.е. а уравнение баланса напряжений примет вид:

Для погасания электрической дуги необходимо, чтобы ток в ней всё время уменьшался, т.е. , а

Графическое решение уравнения баланса напряжений представлено на рис. 5, б . Здесь прямая 1 представляет собой напряжение источника U ; наклонная прямая 2 – падение напряжения на сопротивлении R (реостатная характеристика цепи), вычитаемое из напряжения U , т.е. U – iR ; кривая 3 – вольтамперную характеристику дугового промежутка U Д.

Особенности электрической дуги переменного тока.

Если для гашения дуги постоянного тока необходимо создать такие усло­вия, при которых ток упал бы до нуля, то при переменном токе ток в дуге независимо от степени ионизации дугового промежутка переходит через нуль каждый полупериод, т.е. каждый полупериод дуга гаснет и зажигается вновь. Задача гашения дуги существенно облегчается. Здесь необходимо создать условия, при которых ток не восстановился бы после прохождения через нуль.

Вольтамперная характеристика дуги переменного тока за один период приведена на рис. 6. Поскольку, даже при промышленной частоте 50 Гц, ток в дуге меняется достаточно быстро, то представленная характеристика является динамической. При синусоидальном токе напряжение на дуге сначала увеличивается на участке 1, а затем, в связи с ростом тока, падает на участке 2 (участки 1 и 2 относятся к первой половине полупериода). После прохождения тока через максимум динамическая ВАХ возрастает по кривой 3 в связи с уменьшением тока, а затем уменьшается на участке 4 в связи с приближением напряжения к нулю (участки 3 и 4 относятся ко второй половине этого же полупериода).

Рис. 6. Вольтамперная характеристика дуги переменного тока

При переменном токе температура дуги является величиной переменной. Однако тепловая инерция газа оказывается довольно значительной, и к моменту перехода тока через нуль температура дуги хотя и уменьшается, но остаётся достаточно высокой. Всё же имеющее место снижение температуры при переходе тока через нуль способствует деионизации промежутка и облегчает гашение электрической дуги переменного тока.

Электрическая дуга в магнитном поле.

Электрическая дуга является газообразным про­водником тока. На этот проводник, так же как на метал­лический, действует магнитное поле, создавая силу, про­порциональную индукции поля и току в дуге. Магнитное поле, действуя на дугу, увеличивает ее длину и переме­щает элементы дуги в пространстве. Поперечное перемещение элементов дуги создает ин­тенсивное охлаждение, что приводит к повышению гради­ента напряжения на столбе дуги. При движении дуги в среде газа с большой скоро­стью возникает расслоение дуги на отдельные парал­лельные волокна. Чем длиннее дуга, тем сильнее проис­ходит расслоение дуги.

Дуга является чрезвычайно подвижным проводником. Известно, что на токоведущую часть действуют такие силы, которые стремятся увеличить электромагнит­ную энергию контура. Поскольку энергия пропорцио­нальна индуктивности, то дуга под действием своего собственного поля стремится образовывать витки, петли, так как при этом возрастает индуктивность цепи. Эта способность дуги тем сильнее, чем больше ее длина.

Движущаяся в воздухе дуга преодолевает аэродина­мическое сопротивление воздуха, которое зависит от ди­аметра дуги, расстояния между электродами, плотности газа и скорости движения. Опыт показывает, что во всех случаях в равномерном магнитном поле дуга движется с постоянной скоростью. Следовательно, электродинами­ческая сила уравновешивается силой аэродинамического сопротивления.

С целью создания эффективного охлаждения дуга с помощью магнитного поля втягивается в узкую (диаметр дуги больше ширины щели) щель между стен­ками из дугостойкого материала с высокой теплопровод­ностью. Из-за увеличения теплоотдачи стенкам щели гра­диент напряжения в столбе дуги при наличии узкой щели значительно выше, чем у дуги, свободно перемещающей­ся между электродами. Это дает возможность сократить необходимую для гашения длину и время гашения.

Способы воздействия на электрическую дугу в коммутационных аппаратах.

Цель воздействия на столб возникающей в аппарате дуги состоит в увеличении её активного электрического сопротивления вплоть до бесконечности, когда коммутационный орган переходит в изоляционное состояние. Практически всегда это достигается путем интенсивного охлаждения столба дуги, уменьшения её температуры и теплосодержания, в результате чего снижается степень ионизации и количество носителей электричества и ионизированных частиц и повышается электрическое сопротивление плазмы.

Для успешного гашения электрической дуги в коммутационных низковольтных аппаратах необходимо выполнить следующие условия:

1) увеличить длину дуги путем её растяжения или увели­чения числа разрывов на полюс выключателя;

2) переместить дугу на металлические пластины дугогасительной решётки, которые являются как радиаторами, поглощающими тепловую энергию столба дуги, так и разбивают её на ряд последовательно соединённых дуг;

3) переместить столб дуги магнитным полем в щелевую камеру из дугостойкого изоляционного материала с большой теплопроводностью, где дуга интенсивно охлаж­дается, соприкасаясь со стенками;

4) образовывать дугу в закрытой трубке из газогенерирующего материала – фибры; выделяемые под воздействием температуры газы создают высокое давление, что способствует гашению дуги;

5) уменьшить концентрацию паров металлов в дуге, для чего на этапе проектирования аппаратов использовать соответствующие материалы;

6) гасить дугу в вакууме; при очень низком давлении газа недо­статочно атомов газа, чтобы ионизировать их и поддержать проведение тока в дуге; электрическое сопротивление канала столба дуги стано­вится очень высоким и дуга гаснет;

7) размыкать контакты синхронно перед переходом переменно­го тока через нуль, что существенно снижает выделение тепловой энергии в образовавшейся дуге, т.е. способствует гашению дуги;

8) применять чисто активные сопротивления, шунтирующие дугу и облегчающие условия её гашения;

9) применять шунтирующие межконтактный промежуток полу­проводниковые элементы, переключающие на себя ток дуги, что практиче­ски исключает образование дуги на контактах.

Размыкание электрической цепи при значительных токах и напряжениях, как правило, сопровождается электрическим разрядом между расходящимися контактами. При расхождении контактов резко возрастает переходное сопротивление контакта и плотность тока в последней площадке контактирования. Контакты разогреваются до расплавления, и образуется контактный перешеек из расплавленного металла, который при дальнейшем расхождении контактов рвется, и происходит испарение металла контактов. Воздушный промежуток между контактами ионизируется и становится проводящим, в нем под действием высокого напряжения, возникающего вследствие законов коммутации, появляется электрическая дуга.

Электрическая дуга способствует разрушению контактов и снижает быстродействие коммутационного аппарата, так как ток в цепи спадает до нуля не мгновенно. Воспрепятствовать появлению дуги можно увеличением сопротивления цепи, в которой происходит размыкание контактов, увеличением расстояния между контактами либо применением специальных мер дугогашения.

Произведение предельных значений напряжения и тока в цепи, при которых электрическая дуга не возникает при минимальном расстоянии между контактами, называется разрывной или коммутируемой мощностью контактов. По мере повышения напряжения в цепи предельный коммутируемый ток приходится ограничивать. Коммутируемая мощность зависит также от постоянной времени цепи: чем больше
тем меньшую мощность могут коммутировать контакты. В цепях переменного тока электрическая дуга гаснет в момент, когда мгновенное значение тока равно нулю. Дуга может вновь появиться в следующий полупериод, если напряжение на контактах возрастает быстрее, чем восстанавливается электрическая прочность промежутка между контактами. Однако во всех случаях дуга в цепи переменного тока менее устойчива, а разрывная мощность контактов в несколько раз выше, чем в цепи постоянного тока. На контактах маломощных электрических аппаратов электрическая дуга появляется редко, но часто наблюдается искрение ‑ пробой изоляционного промежутка, образованного при быстром размыкании контактов в слаботочных цепях. Это особенно опасно в чувствительных и быстродействующих аппаратах (реле), в которых расстояние между контактами очень мало. Искрение сокращает срок службы контактов, может привести к ложным срабатываниям. Для уменьшения искрения на контактах применяют специальные устройства искрогашения.

Устройство дуго- и искрогашения.

Наиболее эффективным способом гашения электрической дуги является ее охлаждение за счет перемещения в воздухе, соприкосновения с изоляционными стенками специальных камер, которые отбирают теплоту дуги.

В современных аппаратах широкое распространение получили дугогасительные камеры с узкой щелью и магнитным дутьем. Дугу можно рассматривать как проводник с током; если его поместить в магнитное поле, то возникнет сила, которая вызовет перемещение дуги. При своем движении дуга обдувается воздухом; попадая в узкую щель между двумя изоляционными пластинами, она деформируется и вследствие повышения давления в щели камеры гаснет (рис. 21).

Рис. 21. Устройство камеры дугогашения с узкой щелью

Щелевая камера образована двумя стенками 1, выполненными из изоляционного материала. Зазор между стенками очень мал. Катушка 4, включенная последовательно с главными контактами 3, возбуждает магнитный поток
который направляется ферромагнитными наконечниками 2 в пространство между контактами. В результате взаимодействия дуги и магнитного поля появляется сила
вытесняющая дугу к пластинам 1. Данная сила называется сила Лоренца, которая определяется как:

где ‑ заряд частицы [Кулон],

‑скорость заряженной частицы в поле[м/с],

‑сила, действующая на заряженную частицу [Ньютоны],

‑угол между вектором скорости и вектором магнитной индукции.

Можно сказать что скорость частицы в проводнике равна:
где ‑ длина проводника (дуги), а ‑ время прохождения заряженной частицы по дуге. В свою очередь ток ‑ это количество заряженных частиц в секунду через поперечное сечение проводника
. То есть можно записать:

где ‑ ток в проводнике (дуге) [Амперы],

‑длина проводника (дуги) [метры],

‑магнитная индукция поля [Теслы],

‑сила, действующая на проводник (дугу)[Ньютоны],

‑угол между вектором тока и вектором магнитной индукции.

Направление силы соответствует правилу левой руки: магнитные силовые линии упираются в ладонь, выпрямленные четыре пальца располагаются по направлению тока отогнутый большой палец показывает направление электромагнитной силы
. Описанное действие магнитного поля (индукции ) называют электромеханическим или силовым, а полученное выражение ‑ законом электромагнитных сил.

Эта конструкция дугогасительной камеры применяется и на переменном токе, так как с изменением направления тока изменяется направление потока
а направление силы
остается неизменным.

Для уменьшения искрения на маломощных контактах постоянного тока применяют включение диода параллельно нагрузочному устройству (рис. 22).

Рис. 22. Включение диода для уменьшения искрения

При этом цепь после коммутации (после отключения источника) замыкается через диод, таким образом уменьшается энергия искрообразовния.

При размыкании контактов выключателя ток не прерывается. Согласно закону Ленца в цепи возникает ЭДС Е L =-Ldi/dt, препятствующая изменению тока. Последний находит для себя путь через газовый промежуток между расходящимися контактами выключателя, который перекрывается электрической дугой. Чтобы прервать ток, дуга должна быть погашена. В цепях переменного тока благоприятные условия для гашения дуги возникают каждый раз, когда ток приходит к нулю, т.е. 2 раза в течение каждого периода. Диаметр дугового столба, температура и ионизация газа резко уменьшаются. В некоторый момент времени ток приходит к нулю и дуговой разряд прекращается. Однако цепь еще не прервана.

После нуля тока в газовом промежутке, еще в некоторой мере ионизованном, продолжается процесс деионизации, т.е. процесс превращения его из проводника в диэлектрик, а в электрической цепи начинается процесс восстановления напряжения на контактах выключателя от относительно небольшого напряжения на дуге до напряжения сети. Эти процессы взаимосвязаны. Исход взаимодействия дугового промежутка с электрической цепью зависит от соотношения между энергией, подводимой к промежутку, и потерями энергии в нем, зависящими от дугогасительного устройства выключателя.

Если в течение всего переходного процесса потери энергии преобладают, дуга не возникнет вновь и цепь будет прервана. В противном случае дуга возникнет вновь и ток будет проходить еще в течение половины периода, после чего процесс взаимодействия повторится. Функция выключателя заключается не столько в том, чтобы «погасить» дугу, а скорее в том, чтобы исключить возможность ее нового зажигания путем эффективной деионизации промежутка различными искусственными средствами. При этом используется исключительное свойство газа - быстро, в течение нескольких микросекунд, превращаться из проводника в диэлектрик, способный противостоять восстанавливающемуся напряжению сети.

Для понимания устройства и работы выключателей необходимо ознакомиться с физическими процессами в дуговом промежутке в процессе отключения. В этой статье рассмотрены методы гашения дуги в воздушных и масляных выключателях.

Физические процессы в дуговом промежутке выключателя при высоком давлении

Электрической дугой, точнее дуговым разрядом, называют самостоятельный разряд в газе, т.е. разряд, протекающий без внешнего ионизатора, характеризующийся большой плотностью тока и относительно небольшим падением напряжения у катода. Ниже рассмотрена дуга высокого давления, т.е. дуговой разряд при атмосферном и более высоком давлении.

Различают следующие области дугового разряда:

• область катодного падения напряжения;
• область у анода;
• столб дуги.

Область катодного падения напряжения представляет собой тончайший слой газа у поверхности катода. Падение напряжения в этом слое составляет 20-50 В, а напряженность электрического поля достигает 10 5 10 6 В/см. Энергия, подводимая из сети к этой области, используется на выделение электронов с поверхности катода.

Механизм освобождения электронов может быть двояким:

• термоэлектронная эмиссия при тугоплавких и огнеупорных электродах (вольфрам, уголь), температура которых может достигнуть 6000 К и выше
• автоэлектронная эмиссия, т.е. вырывание электронов из катода действием сильного электрического поля при «холодном» катоде.

Плотность тока на катоде достигает 3000-10000 А/см 5 . Ток сосредоточен на небольшой ярко освещенной площадке, получившей название катодного пятна. Освобождающиеся электроны движутся через дуговой столб к аноду.

У анода положительные ионы приобретают ускорение в направлении к катоду. Электроны уходят в анод и образуют в тонком слое отрицательный заряд. Падение напряжения у анода составляет 10-20 В.

Процессы в дуговом столбе представляют наибольший интерес при изучении выключателей, поскольку для гашения дуги используют различные виды воздействия именно на дуговой столб. Последний представляет собой плазму, т.е. ионизованный газ с очень высокой температурой и одинаковым содержанием электронов и положительных ионов в единице объема.

Высокую температуру в дуговом столбе создают и поддерживают электроны и ионы, участвующие в тепловом хаотическом движении нейтральных молекул и атомов, но имеющие также направленное движение в электрическом поле вдоль оси дуги, определяемое знаком заряда частиц. Этому движению препятствует нейтральный газ. Происходят частые соударения электронов и ионов с нейтральными частицами. Поскольку длина свободного пробега электронов при высоком давлении мала, потеря энергии при упругих столкновениях с молекулами и атомами, приходящаяся на каждое столкновение, мала и недостаточна для ионизации частиц. Однако число столкновений, претерпеваемых электронами, весьма велико. В результате энергия электронов передается нейтральному газу в виде тепла.

Средняя энергия «электронного газа» не может сколько-нибудь заметно превысить среднюю энергию нейтрального газа, поскольку дополнительная энергия, приобретаемая электронами и ионами в своем направленном движении вдоль оси лугового столба, мала по сравнению с тепловой энергией газа. Следовательно, ионы, электроны, а также нейтральные атомы и молекулы находятся в тепловом равновесии. При этом удельная ионизация дугового столба полностью определяется температурой и при изменении одной из этих величин неизбежно изменяется и другая.

Поскольку при высоком давлении газа атомы и молекулы подавляющим образом преобладают над электронами и имеют почти ту же высокую температуру, большая часть возбужденных и ионизованных атомов и молекул получается при соударениях между нейтральными частицами, а не при столкновениях с электронами. Таким образом, электроны ионизуют не непосредственно при соударениях с нейтральными частицами (как это происходит в вакууме), а косвенно, повышая температуру газа в дуговом столбе. Такой механизм ионизации называют термической ионизацией. Источником энергии, необходимой для термической ионизации, является электрическое поле.

В дуговом столбе имеются потери энергии, которые в установившемся состоянии уравновешиваются энергией, получаемой из сети. Основная часть энергии уносится из дугового столба возбужденными и ионизованными атомами и молекулами. Вследствие разности концентраций заряженных частиц в дуговом столбе и окружающем пространстве, а также разности температур ионы диффундируют к поверхности дугового столба, где происходит их нейтрализация. Эти потери должны восполняться образованием новых ионов и электронов, связанным с затратой энергии. В установившемся состоянии градиент напряжения в столбе дуги всегда таков, что имеющая место ионизация компенсирует потери электронов через рекомбинацию. Градиент напряжения зависит от свойств газа, состояния, в котором он находится (спокойное, турбулентное), а также от давления и тока. При повышении давления газа градиент напряжения увеличивается вследствие уменьшения свободного пробега электронов. С увеличением тока градиент напряжения уменьшается, что объясняется увеличением площади сечения и температуры дугового столба. Дуговой столб стремится принять такое сечение, чтобы в рассматриваемых условиях потери энергии были минимальны.

Зависимость градиента напряжения Е=dU/dl в столбе дуги от тока при очень медленном изменении последнего представляет собой статическую характеристику дуги (рис.1,а), зависящую от давления и свойств газа.

Рис.1. Вольт-амперные характеристики дуги:
а - статическая характеристика;
б - динамические характеристики

В установившемся состоянии каждой точке характеристики соответствуют некоторое сечение и температура дугового столба. При изменении тока дуговой столб должен изменить свое сечение и температуру применительно к новым условиям. Эти процессы требуют времени, и поэтому новое установившееся состояние наступает не сразу, а с некоторым запозданием. Это явление называют гистерезисом.

Допустим, что ток внезапно изменился от значения I 1 (точка 1) до значения I 2 (точка 2). В первый момент дуга сохранит свои сечения и температуру, а градиент уменьшится (точка 2"). Подводимая мощность будет меньше необходимой для проведения тока I 2 . Поэтому сечение и температура начнут уменьшаться, а градиент увеличиваться, пока не наступит новое установившееся состояние в точке 2 на статической характеристике. При внезапном увеличении тока от значения I 1 до значения I 3 градиент напряжения увеличится (точка 3"). Подводимая к дуге мощность будет больше необходимой для проведения тока I 3 . Поэтому сечение и температура столба начнут увеличиваться, а градиент напряжения уменьшаться, пока не наступит новое установившееся состояние в точке 3 на статической характеристике.

При плавном изменении тока с некоторой скоростью градиент напряжения не успевает следовать за изменением тока в соответствии со статической характеристикой. При увеличении тока градиент напряжения превышает значения, определяемые статической характеристикой, а при уменьшении тока градиент напряжения меньше этих значений. Кривые E=f(I) при изменении тока с некоторой скоростью представляют собой динамические характеристики дуги (сплошные линии на рис.1,б).

Положение этих характеристик по отношению к статической характеристике (см. пунктирную кривую) зависит от скорости изменения тока. Чем медленнее происходит изменение тока, тем ближе расположена динамическая характеристика к статической. В заданных условиях дугового разряда может быть только одна статическая характеристика. Число динамических характеристик не ограничено.

При анализе электрических цепей принято оперировать понятием сопротивления. Поэтому говорят и о сопротивлении дуги, понимая под этим отношение напряжения у электродов к току. Сопротивление дуги непостоянно. Оно зависит от тока и многих других факторов. По мере увеличения тока сопротивление дуги уменьшается.

Рис.2. Напряжение на дуге при переменном токе:
а - напряжение дуги как функция тока;
6 - напряжение дуги как функция времени

Вольт-амперная характеристика дуги переменного тока показана на рис.2,а. В течение четверти периода, когда ток увеличивается, кривая напряжения лежит выше статической характеристики. Следующую четверть периода, когда ток уменьшается, кривая напряжения лежит ниже статической характеристики.

Дуга зажигается в точках 1 и 3 и угасает в точках 2 и 4. На рис.2,б показана характеристика дуги как функции времени. Интервалы 2-3 и 4-1 соответствуют неустойчивому состоянию, при котором происходит интенсивное взаимодействие дуги с постоянными цепи R, L и С. Эти короткие интервалы времени, продолжительность которых составляет несколько микросекунд, используются для интенсивной деионизации промежутка между контактами выключателя, чтобы воспрепятствовать новому зажиганию дуги. В зависимости от условий процесс взаимодействия может закончиться двояко: или дуга погаснет и цепь будет прервана, или дуга возникнет вновь и процесс взаимодействия повторится через половину периода при более благоприятных условиях.

Гашение дуги в воздушных выключателях

В воздушных выключателях дуга гасится в потоке воздуха высокого давления. Гасительное устройство выключателя (рис.3,а) представляет собой камеру, в которой помещены два сопла, служащие одновременно контактами. Выхлопные стороны сопел соединены с областью низкого давления. При разведении контактов вследствие разности давлений возникает поток воздуха, направленный в сопла симметрично в обе стороны.

Рис.3. Дугогасительное устройство воздушного выключателя с двухсторонним дутьем:
а - схема;
б - распределение давления вдоль оси

На рис.3,б показано распределение давления вдоль оси. В середине промежутка между соплами имеется точка торможения потока, давление в которой обозначено через р o .

В обе стороны от этой точки давление уменьшается и достигает в горловинах сопел приблизительно половины р o . За горловинами давление продолжает падать до давления выхлопа.

Процесс гашения дуги протекает следующим образом. Между размыкающимися контактами возникает дуга, которая под действием воздушного потока быстро переносится вдоль оси. При этом опорные пятна дуги перемещаются внутрь сопел по потоку, как показано на рис.3. Дуга в промежутке между соплами имеет цилиндрическую форму.

Рис.4. Распределение температуры в поперечном направлении на участке между соплами:
а - дуга;
в - тепловой пограничный слой

Распределение температуры в поперечном направлении показано на рис.4. В зоне дуги а она составляет приблизительно 20000 К и резко спадает к тепловому пограничному слою в, образующемуся около дуги. Здесь температура изменяется в пределах от 2000 К до температуры холодного воздуха. По мере подхода тока к нулю диаметр цилиндрической части дуги быстро уменьшается. При токе, равном нулю, он меньше 1 мм. Однако температура в этой части дуги еще очень высока (15000 К).

Важнейшим фактором, способствующим гашению дуги, является турбулентность в пограничном слое между дугой и окружающим ее относительно холодным воздухом. Вследствие высокой температуры дуги плотность газа в столбе приблизительно в 20 раз меньше, чем в окружающей среде. Поэтому скорость газа внутри дугового столба значительно выше скорости в соседних слоях (скорость обратно пропорциональна корню квадратному из плотности). Вследствие диффузии частиц из области с большой скоростью в область с малой скоростью и обратно в пограничном слое возникают значительные срезывающие силы, образуются вихри и весь объем приобретает высокую турбулентность. В дуговой столб вносится относительно холодный неионизованный газ, вследствие чего столб теряет свою однородность. Он расщепляется на тысячи тончайших проводящих нитей, непрерывно изменяющих свою форму и положение (рис.5).

Рис.5. Влияние турбулентности на столб дуги вблизи нуля тока (схема)

Они имеют высокую температуру и высокую удельную ионизацию и окружены холодным слабо ионизованным газом. Известно, что скорость диффузии из цилиндрического объема обратно пропорциональна квадрату диаметра. Чем тоньше ионизованные нити, тем быстрее происходит обмен частиц с окружающей более холодной и менее ионизованной средой. Турбулентность увеличивает диффузию во много раз. Она проявляется особенно резко в горловинах сопел, где скорость плазмы максимальна - 6000 м/с. После нуля тока в течение короткого промежутка времени, исчисляемого микросекундами, происходит распад проводящего канала и дальнейшее уменьшение температуры определяется тепловым пограничным слоем, остывание которого происходит значительно медленнее.

Рис.6. Схема замещения, поясняющая влияние сопротивления дуги и емкости

Рис.7. Взаимодействие дуги с электрической цепью

Существенное влияние на процесс отключения оказывает сопротивление дуги и емкость, включенная параллельно дуговому промежутку (рис.6). Если пренебречь сопротивлением дуги, ток i 0 =I m sinɷt подходит к нулю практически линейно (рис.7). Однако сопротивление дуги не равно нулю. Поэтому ток i B в дуговом промежутке выключателя уменьшается:

(1)

где t 0 - момент размыкания контактов.

Как видно из рисунка, напряжение на дуге изменяется в соответствии с вольт-амперной характеристикой. Скорость снижения тока существенно уменьшается в течение последних 5...10 мкс до прихода его к нулю. Это время мало, но оно в несколько раз больше постоянной времени дуги и поэтому существенно влияет на состояние дуги при нуле тока (точка 1). Дуга легко угасает. Сопротивление дуги видоизменяет и кривую ПВН. Процесс восстановления напряжения начинается в точке 1; напряжение достигает максимума в точке 2, когда i L =i C =0.

Этап возможного теплового пробоя

Если температура газа в промежутке не снизится до некоторого критического значения, определяемого свойством газа и давлением, промежуток сохранит свою проводимость после нуля тока (точка 1) и под действием ПВН возникнет ток остаточной проводимости (рис.8).

Рис.8. Погасание дуги с задержкой,
вызванной появлением тока остаточной проводимости

При благоприятных условиях он невелик и быстро затухает (точка 2). Однако если процесс охлаждения недостаточно интенсивен, ток остаточной проводимости увеличивается; происходит повторный разогрев плазмы, возобновляется процесс ионизации и дуга возникает вновь. Это явление получило название теплового пробоя, так как электрический пробой невозможен, поскольку промежуток ионизован и не приобрел еще электрической прочности.

Произойдет такой пробой или нет, зависит от исхода двух взаимосвязанных процессов, протекающих в промежутке, из которых один определяется интегралом во времени подводимой мощности (произведения тока и напряжения на промежутке), а второй - интегралом во времени потерь, вызванных теплопроводностью и конвекцией. Это означает, что процесс взаимодействия продолжится до тех пор, пока ток не исчезнет или дуга не возникнет вновь. Явление теплового пробоя характерно для первых 20 мкс после нуля тока в условиях, когда скорость восстанавливающеюся напряжения велика, например при неудаленных КЗ.

Этап возможного электрического пробоя

Если тепловой пробой не произошел, межконтактный промежуток продолжает подвергаться воздействию ПВН. Дуговой канал имеет еще повышенную температуру и пониженную плотность. Спустя несколько сотен микросекунд после нуля тока, когда ПВН достигает максимального значения, наступает этап возможного электрического пробоя. В основе его лежит не баланс энергий, а процесс образования электронов в электрическом поле. Если увеличение концентрации электронов превысит некоторое критическое значение, то произойдет образование искры, которая перейдет в дуговой разряд.

Гашение дуги в масляных выключателях

В масляных выключателях контакты размыкаются в масле, однако вследствие высокой температуры дуги, образующейся между контактами, масло разлагается и дуговой разряд происходит в газовой среде. Приблизительно половину этого газа (по объему) составляют пары масла. Остальная часть состоит из водорода (70%) и углеводородов различного состава. Газы эти горючи, однако в масле горение невозможно из-за отсутствия кислорода. Количество масла, разлагаемого дугой, невелико, но объем образующихся газов велик. Один грамм масла дает приблизительно 1500 см 3 газа, приведенного к комнатной температуре и атмосферному давлению.

Гашение дуги в масляных выключателях происходит наиболее эффективно при применении гасительных камер, которые ограничивают зону дуги, способствуют повышению давления в этой зоне и образованию газового дутья сквозь дуговой столб. На рис.9 приведена схема простейшей гасительной камеры.

Рис.9. Схема простейшей гасительной камеры масляного выключателя

В процессе отключения контактный стержень 1 перемещается вниз. Между контактами 1 и 2 возникает дуга. Происходит интенсивное газообразование и давление в камере быстро увеличивается. Относительно холодный газ, образующийся на поверхности масла, перемешивается с плазмой дуги. Пограничный слой приходит в турбулентное состояние, способствующее деионизации. Однако дуга не может погаснуть до тех пор, пока расстояние между контактами не достигнет некоторого минимального значения, определяемого восстанавливающимся напряжением. Этот минимальный промежуток образуется, когда подвижный контакт еще находится в камере. Когда стержень покидает пределы камеры, газы с силой выбрасываются наружу. Возникает газовое дутье, направленное по оси, способствующее гашению дуги.

После погасания дуги контактный стержень продолжает свое движение, чтобы обеспечить необходимое изоляционное расстояние в отключенном положении.

Напряжение на дуге масляного выключателя по крайней мере в 3 раза больше, чем у воздушного выключателя. Электрическая прочность промежутка восстанавливается быстрее (со скоростью около 2 кВ/мкс). Поэтому при одинаковом токе КЗ дугогасительное устройство масляного выключателя может быть рассчитано на вдвое большее напряжение и вдвое большее волновое сопротивление, чем устройство воздушного дутья.

Характерные свойства воздушных и масляных выключателей

В воздушных выключателях дутье в дуговом промежутке создается от внешнего источника энергии и не зависит от отключаемого тока. После нуля тока восстанавливающееся напряжение оказывается приложенным к короткому промежутку, заполненному горячим ионизованным газом. Скорость восстановления электрической прочности промежутка определяется охлаждением газа и удалением его из промежутка потоком свежего воздуха. Это требует времени и поэтому процесс восстановления электрической прочности промежутка запаздывает.

Рис.10. Характеристики восстанавливающейся электрической прочности
дугового промежутка воздушного выключателя

На рис.10 приведены типичные кривые восстанавливающейся электрической прочности дугового промежутка воздушного выключателя. Они имеют S-образную форму. При этом основная стадия процесса восстановления электрической прочности промежутка протекает со скоростью, не превышающей 1-2 кВ/мкс, и начинается спустя 10-15 мкс после нулевого значения тока. С увеличением отключаемого тока запаздывание увеличивается, а скорость восстановления электрической прочности уменьшается. Нижняя пунктирная кривая соответствует случаю неудовлетворительной работы выключателя, поскольку процесс восстановления электрической прочности промежутка протекает слишком медленно. Номинальный ток отключения воздушною выключателя ограничен восстанавливающейся электрической прочностью промежутка.

В масляных выключателях для образования газовою дутья используется энергия самой дуги. Давление в гасительной камере и сила дутья в первом приближении пропорциональны отключаемому току. Чем больше последний, тем эффективнее деионизация промежутка и быстрее восстанавливается его электрическая прочность. Однако по мере увеличения тока увеличиваются механические напряжения в частях гасительной камеры. Поэтому номинальный ток отключения ограничен механической прочностью гасительной камеры.

Характерные свойства воздушных и масляных выключателей проявляются при отключении асимметричного тока КЗ. Как известно, быстродействующие выключатели при наличии соответствующей релейной защиты размыкают свои контакты, когда апериодическая составляющая отключаемого тока еще не успевает затухнуть. Следовательно, эти выключатели должны быть способны отключать как симметричный, так и асимметричный ток, т.е. ток, не смещенный или смещенный относительно оси времени в зависимости от условий. Асимметрия тока β (относительное содержание апериодической составляющей в токе КЗ) определяется как отношение апериодической составляющей к амплитуде периодической составляющей тока КЗ к моменту τ размыкания контактов выключателя

(2)

Асимметрия отключаемого тока зависит от постоянной времени цепи Т a =Х/(ɷR), а также от τ - времени размыкания контактов выключателя с учетом времени срабатывания релейной защиты. Чем больше постоянная времени и чем быстрее размыкаются контакты выключателя, тем больше асимметрия отключаемого тока. Наибольшую постоянную времени имеют генераторы, трансформаторы и реакторы. Поэтому наибольшую асимметрию следует ожидать при КЗ вблизи генераторов и сборных шин станций. Расчеты показывают, что асимметрия тока, отключаемого быстродействующими выключателями, установленными в главных РУ мощных станций, может достигнуть 80%. Менее быстродействующие выключатели в этих же условиях могут встретиться с асимметрией порядка 40-50%. Выключатели, установленные в распределительных сетях, встречаются с асимметрией, не превосходящей 20%.

При наличии апериодической составляющей в отключаемом токе:

• увеличивается действующее значение тока;
• промежутки времени между моментами, когда ток достигает нуля, становятся неодинаковыми: они попеременно больше или меньше полупериода;
• уменьшается скорость изменения тока di/dt при подходе его к нулевому значению;
• уменьшается возвращающееся напряжение на полюсе выключателя.

Увеличение действующего значения тока и изменение промежутков времени между нулевыми значениями тока могут при неблагоприятных условиях привести к значительному увеличению выделяемой энергии по сравнению с энергией, выделяемой при отсутствии апериодической составляющей тока. Энергия, выделяемая в дуге, определяет ионизацию газа в промежутке, а в масляных выключателях - также количество образующихся газов и давление в камере, следовательно, механические напряжения в элементах выключателя, степень оплавления контактов и др.

Уменьшение скорости изменения тока при подходе его к нулю уменьшает ионизацию промежутка к моменту погасания дуги, что облегчает процесс отключения.

Уменьшение возвращающегося напряжения также облегчает процесс отключения.

Рис.11. Возвращающееся напряжение при асимметрии отключаемого тока

Как видно из рис.11, периодическая составляющая тока КЗ i п смещена по отношению к напряжению сети на угол φ, близкий к π/2. Если фаза замыкания α=φ, то апериодическая составляющая тока отсутствует, момент прихода тока к нулевому значению и погасания дуги близок к моменту максимума напряжения. Возвращающееся напряжение определяется ординатой ab. При замыкании в любой другой момент времени в составе отключаемого тока появляется апериодическая составляющая и момент прихода тока к нулю смещается. В рассматриваемом случае при α=27° возвращающееся напряжение после большой полуволны тока определяется ординатой а"b", а после малой полуволны - ординатой а"b" (при построении кривых периодическая и апериодическая составляющие тока приняты условно незатухающими).

Из приведенного анализа следует, что при наличии апериодической составляющей в отключаемом токе появляется ряд новых факторов, влияющих на процесс отключения, часть которых утяжеляет этот процесс, другая часть облегчает его.

Итоговое действие апериодической составляющей зависит от свойств выключателя.

Масляные выключатели, отключающая способность которых ограничена механической прочностью гасительной камеры, имеют при отключении большого тока значительный запас в восстанавливающейся электрической прочности дугового промежутка. Увеличение действующего значения отключаемого тока, обусловленное наличием апериодической составляющей, увеличивает тяжесть отключения, поскольку увеличивается энергия, выделяющаяся в дуге, а облегчающие факторы, вносимые апериодической составляющей тока КЗ (уменьшение скорости подхода тока к нулю и уменьшение возвращающегося напряжения), масляными выключателями не используются. О таких выключателях говорят, что они чувствительны к току, поскольку энергия, выделяющаяся в дуге, определяется в основном током.

Воздушные выключатели, отключающая способность которых ограничена электрической прочностью промежутка, используют облегчающие факторы, вносимые апериодической составляющей тока (уменьшение скорости снижения тока и возвращающегося напряжения). Увеличение действующего значения отключаемого тока, вызываемое апериодической составляющей, не увеличивает тяжести отключения, поскольку вносимые утяжеляющие и облегчающие факторы компенсируются. О таких выключателях принято говорить, что они чувствительны к напряжению.

При выборе выключателя по отключающей способности следует учитывать асимметрию отключаемого тока КЗ. Однако нормированные (номинальные) значения асимметрии β ном установлены одинаковыми как для масляных, так и для воздушных выключателей.

Электрическая дуга - явление электрического разряда в газе (газовой среде). Электрический ток, протекающий по ионизированному каналу в газе (воздухе).

При увеличении напряжения между двумя электродами до уровня электрического пробоя в воздухе между ними возникает электрическая дуга. Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния между электродами, давления окружающего газа, температуры окружающей среды, влажности и других факторов, потенциально сказывающихся на начало развития процесса.. Потенциал ионизации первого электрона атомов металлов составляет приблизительно 4,5 - 5 В, а напряжение дугообразования - в два раза больше (9 - 10 В). Требуется затратить энергию на выход электрона из атома металла одного электрода и на ионизацию атома второго электрода. Процесс приводит к образованию плазмы между электродами и горению дуги (для сравнения: минимальное напряжение для образования искрового разряда немногим превышает потенциал выхода электрона - до 6 В).

Для инициирования пробоя при имеющемся напряжении электроды приближают друг к другу. Во время пробоя между электродами обычно возникает искровой разряд, импульсно замыкая электрическую цепь.

Электроны в искровых разрядах ионизируют молекулы в воздушном промежутке между электродами. При достаточной мощности источника напряжения в воздушном промежутке образуется достаточное количество плазмы для значительного падения напряжения пробоя или сопротивления воздушного промежутка. При этом искровые разряды превращаются в дуговой разряд - плазменный шнур между электродами, являющийся плазменным тоннелем. Возникающая дуга является, по сути, проводником и замыкает электрическую цепь между электродами. В результате средний ток увеличивается ещё больше, нагревая дугу до 4700-49700 С. При этом считается, что поджиг дуги завершён. После поджига устойчивое горение дуги обеспечивается термоэлектронной эмиссией с катода, разогреваемого током и ионной бомбардировкой.

Взаимодействие электродов с плазмой дуги приводит к их нагреву, частичному расплавлению, испарению, окислению и другим видам коррозии.
После поджига дуга может оставаться устойчивой при разведении электрических контактов до некоторого расстояния.

При эксплуатации высоковольтных электроустановок, в которых неизбежно появление электрической дуги, борьба с ней осуществляется при помощи электромагнитных катушек, совмещённых с дугогасительными камерами. Среди других способов известны использование вакуумных, воздушных, элегазовых и масляных выключателей, а также методы отвода тока на временную нагрузку, самостоятельно разрывающую электрическую цепь.

Строение электрической дуги

Электрическая дуга состоит из катодной и анодной областей, столба дуги, переходных областей. Толщина анодной области составляет 0,001 мм, катодной области - около 0,0001 мм.

Температура в анодной области при сварке плавящимся электродом составляет около 2500 … 4000°С, температура в столбе дуги - от 7 000 до 18 000°С, в области катода - 9000 - 12000°С.

Столб дуги электрически нейтрален. В любом его сечении находятся одинаковое количество заряженных частиц противоположных знаков. Падение напряжения в столбе дуги пропорционально его длине.

Влияние электрической дуги на электрооборудование

В ряде устройств явление электрической дуги является вредным. Это в первую очередь контактные коммутационные устройства, используемые в электроснабжении и электроприводе: высоковольтные выключатели, автоматические выключатели, контакторы, секционные изоляторы на контактной сети электрифицированных железных дорог и городского электротранспорта. При отключении нагрузок вышеуказанными аппаратами между размыкающимися контактами возникает дуга.

Механизм возникновения дуги

• Уменьшение контактного давления - количество контактных точек уменьшается, растёт сопротивление в контактном узле;
• Начало расхождения контактов - образование «мостиков» из расплавленного металла контактов (в местах последних контактных точек);
• Разрыв и испарение «мостиков» из расплавленного металла;
• Образование электрической дуги в парах металла (что способствует большей ионизации контактного промежутка и трудности при гашении дуги);
• Устойчивое горение дуги с быстрым выгоранием контактов.

Для минимального повреждения контактов необходимо погасить дугу в минимальное время, прилагая все усилия по недопущению нахождения дуги на одном месте (при движении дуги теплота, выделяющаяся в ней будет равномерно распределяться по телу контакта).

Методы борьбы с электрической дугой

• охлаждение дуги потоком охлаждающей жидкости (масляный выключатель);
• охлаждение дуги потоком охлаждающего газа - (воздушный выключатель, автогазовый выключатель, масляный выключатель, элегазовый выключатель), причём поток охлаждающей среды может проходить как вдоль ствола дуги (продольное гашение), так и поперёк (поперечное гашение); иногда применяется продольно-поперечное гашение;
• использование дугогасящей способности вакуума - известно, что при уменьшении давления газов, окружающих коммутируемые контакты до определённого значения, приводит к эффективному гашению дуги (в связи с отсутствием носителей для образования дуги) вакуумный выключатель.
• использование более дугостойкого материала контактов;
• применение материала контактов с более высоким потенциалом ионизации;
• применение дугогасительных решёток (автоматический выключатель, электромагнитный выключатель).
• Принцип применения дугогашения на решётках основан на применении эффекта околокатодного падения в дуге (большая часть падения напряжения в дуге - это падение напряжения на катоде; дугогасительная решётка - фактически ряд последовательных контактов для попавшей туда дуги).
• использование дугогасительных камер - попадая в камеру из дугостойкого материала, например слюдопласта, с узкими, иногда зигзагообразными каналами, дуга растягивается, сжимается и интенсивно охлаждается от соприкосновения со стенками камеры.
• использование «магнитного дутья» - поскольку дуга сильно ионизирована, то её в первом приближении можно полагать как гибкий проводник с током; создавая специальными электромагнитами (включённых последовательно с дугой) магнитное поле можно создавать движение дуги для равномерного распределения тепла по контакту, так и для загона её в дугогасительную камеру или решётку. В некоторых конструкциях выключателей создаётся радиальное магнитное поле, придающее дуге вращательный момент.
• шунтирование контактов в момент размыкания силовым полупроводниковым ключом тиристором или симистором, включеным параллельно контактам, после размыкания контактов полупроводниковый ключ отключается в момент перехода напряжения через ноль (гибридный контактор, тирикон).

Примечания

• Дуга электрическая - статья из Большой советской энциклопедии.
• Искровой разряд - статья из Большой советской энциклопедии.
• Райзер Ю. П. Физика газового разряда. - 2-е изд. - М.: Наука, 1992. - 536 с. - ISBN 5-02014615-3.
• Родштейн Л. А. Электрические аппараты, Л 1981 г.