Struja električnog luka elektromagnetnog polja. Električni luk i njegove karakteristike

Gašenje luka olakšavaju visoko ispražnjeni gasovi ili gasovi pod visokim pritiskom koji se koriste kao unutrašnja izolacija uređaja za napone iznad 1000V.

Gašenje luka u vakuumu. Visoko ispražnjeni plin ima električnu snagu desetine puta veću od plina pri atmosferskom pritisku; koristi se u vakuumskim kontaktorima i prekidačima.

Gašenje luka u gasovima visokog pritiska. Zrak pod pritiskom od 2 MPa ili više ima visoku električnu čvrstoću, što omogućava stvaranje kompaktnih prigušnih uređaja u zračnim prekidačima. Efikasna upotreba sumpor heksafluorida SF 6 (gas SF6) za gašenje luka.

Uslovi gašenja AC luka.

Neka se kontakti raziđu u tački a. Između njih svijetli luk. Do kraja poluperioda, zbog smanjenja struje, otpor stabla luka raste i, shodno tome, raste napon na luku. Kada se struja približi nuli, mala snaga se dovodi u luk, temperatura luka se smanjuje, odnosno usporava se termička ionizacija i ubrzavaju se procesi deionizacije - luk se gasi (tačka 0 ). Struja u kolu se prekida prije svog prirodnog prolaska kroz nulu. Napon koji odgovara strujnom prekidu - vrhunac gašenja U g.

Rice. 22. Gašenje AC luka sa aktivnim opterećenjem

Nakon što se luk ugasi, dolazi do procesa obnavljanja električne čvrstoće lučnog zazora (kriva a 1 - b 1). Električna snaga lučnog razmaka označava napon pri kojem dolazi do električnog sloma lučnog razmaka. Početna dielektrična čvrstoća (tačka a 1) i brzina njenog povećanja ovise o svojstvima uređaja za gašenje luka. U momentu t 1 krivulja napona zazora luka se siječe sa krivom oporavka dielektrične čvrstoće zazora luka - luk se zapali. Napon paljenja luka - vrh paljenja U s... Kriva napona luka je sedlastog oblika.

U tački 0 1 luk se ponovo gasi i dešavaju se procesi slični onima opisanim ranije. Do trenutka 0 1 zbog divergencije kontakata povećava se dužina luka, povećava se odvođenje topline iz luka, a početna dielektrična čvrstoća (tačka a 2) i brzina njenog povećanja (kriva a 2 –b 2), respektivno, takođe povećati. Shodno tome, pauza bez struje se takođe povećava. 0 1 - t 2 > 0 -t 1 .

U momentu t 2 luk ponovo udari. U tački 0 11 luk je ugašen. Početna dielektrična čvrstoća (tačka a 3) i brzina njenog povećanja (kriva a 3 –b 3) ponovo se povećavaju. Kriva napona se ne siječe sa krivom povećanja dielektrične čvrstoće. Luk se ne pali u ovom poluciklusu.

U otvorenom luku na visokom naponu(odvodnik trube), odlučujući faktor je aktivni otpor jako rastegnutog lučnog vratila, uslovi za gašenje AC luka približavaju se uslovima gašenja istosmjernog luka i procesi nakon prolaska struje kroz nulu imaju mali uticaj na gašenje luk.

Kod induktivnog opterećenja, pauza bez struje je vrlo mala (oko 0,1 μs), odnosno, luk gori gotovo neprekidno. Isključivanje induktivnog opterećenja je teže od isključivanja aktivnog opterećenja. Ovdje nema trenutnog prekida.

Općenito, proces gašenja luka naizmjeničnom strujom je lakši nego s jednosmjernom strujom. Racionalni uvjet za gašenje luka naizmjenične struje treba uzeti u obzir kao kada se gašenje provodi u prvom prelasku struje u nulu nakon otvaranja kontakata.

Pitanja za samotestiranje:

· Područja lučnog pražnjenja.

· Statička volt-amperska karakteristika.

· Dinamička volt-amperska karakteristika.

· Uslovi za stabilno gorenje i gašenje jednosmernog luka.

· Koje pojave se koriste za gašenje luka?

· Uslovi za gašenje luka naizmenične struje.

Isključivanje kruga kontaktnim uređajem karakterizira pojava plazme, koja prolazi kroz različite faze plinskog pražnjenja u procesu pretvaranja kontaktnog razmaka iz vodiča električne struje u izolator.

Pri strujama iznad 0,5-1 A dolazi do stupnja lučnog pražnjenja (područje 1 ) (sl. 1.); sa smanjenjem struje, na katodi se javlja faza užarenog pražnjenja (reg 2 ); sljedeća faza (područje 3 ) Je townsend ispust, i konačno, područje 4 - faza izolacije, u kojoj se nosioci elektriciteta - elektroni i joni - ne formiraju jonizacijom, već mogu doći samo iz okoline.

Rice. 1. Volt-amperska karakteristika faza električnog pražnjenja u plinovima

Prvi dio krivulje je lučno pražnjenje (područje 1) - karakterizira nizak pad napona na elektrodama i velika gustina struje. S povećanjem struje, napon na lučnom razmaku prvo naglo pada, a zatim se neznatno mijenja.

Drugi dio (područje 2 ) krivulja, koja je područje užarenog pražnjenja, karakteriše se visokim padom napona na katodi (250 - 300 V) i malim strujama. Sa povećanjem struje, pad napona na praznini će se povećati.

Townsend pražnjenje (područje 3 ) karakteriziraju izuzetno niske struje pri visokim naponima.

Električni luk praćeno visokom temperaturom i povezano je sa ovom temperaturom. Dakle, luk nije samo električni fenomen, već i termički fenomen.

Vazduh je dobar izolator u normalnim uslovima. Dakle, za probijanje zračnog raspora od 1 cm mora se primijeniti napon od najmanje 30 kV. Da bi zračni jaz postao provodnik, potrebno je u njemu stvoriti određenu koncentraciju nabijenih čestica: negativnih - uglavnom slobodnih elektrona, i pozitivnih - iona. Proces odvajanja jednog ili više elektrona od neutralne čestice sa stvaranjem slobodnih elektrona i jona naziva se jonizacija.

Jonizacija gasa može nastati pod uticajem svetlosti, rendgenskih zraka, visokih temperatura, pod uticajem električnog polja i niza drugih faktora. Za lučne procese u električnim uređajima najvažniji su: od procesa koji se odvijaju na elektrodama - termoionska i poljska emisija, i od procesa koji se odvijaju u lučnom zazoru - termička jonizacija i impulsna jonizacija.

U električnim sklopnim uređajima dizajniranim da zatvaraju i otvaraju strujni krug, kada se isključi, dolazi do pražnjenja u plinu ili u obliku svjetlećeg pražnjenja ili u obliku luka. Usijano pražnjenje nastaje kada je struja isključenja ispod 0,1 A, a napon na kontaktima dostigne 250-300 V. Takvo pražnjenje se javlja ili na kontaktima releja male snage, ili kao prelazna faza u pražnjenje u obliku električnog luka.

Glavna svojstva lučnog pražnjenja.

1) lučno pražnjenje se odvija samo pri velikim strujama; minimalna struja luka za metale je približno 0,5 A;

2) Temperatura centralnog dela luka je veoma visoka i u uređajima može dostići 6000 - 18000 K;

3) Gustina struje na katodi je izuzetno velika i dostiže 10 2 - 10 3 A / mm 2;

4) Pad napona na katodi je samo 10 - 20 V i praktično je nezavisan od struje.

U lučnom pražnjenju mogu se razlikovati tri karakteristična područja: područje blizu katode, područje stuba luka (lučnog stuba) i područje blizu anode (slika 2.).

U svakom od ovih područja, procesi ionizacije i deionizacije se odvijaju različito, u zavisnosti od uslova koji tamo postoje. Budući da je rezultujuća struja koja prolazi kroz ova tri područja ista, u svakom od njih se dešavaju procesi koji osiguravaju pojavu potrebne količine naelektrisanja.

Rice. 2. Raspodjela napona i jakosti električnog polja u stacionarnom istosmjernom luku

Termionska emisija. Termionska emisija je fenomen emisije elektrona sa zagrijane površine.

Kada se kontakti raziđu, otpor kontakta i gustina struje u zadnjem kontaktnom području naglo se povećavaju. Ovo područje se zagrijava do tačke topljenja i formira se kontaktna prevlaka od rastopljenog metala, koja se lomi daljim odvajanjem kontakata. Ovdje metal kontakata isparava. Na negativnoj elektrodi se formira takozvana katodna tačka (vruća oblast), koja služi kao osnova luka i izvor elektronskog zračenja u prvom trenutku kontaktne divergencije. Gustoća struje termoionske emisije ovisi o temperaturi i materijalu elektrode. On je mali i može biti dovoljan za nastanak električnog luka, ali je nedovoljan za njegovo sagorevanje.

Autoelektronska emisija. Ovo je fenomen emisije elektrona sa katode pod uticajem jakog električnog polja.

Prekid u električnom kolu može se predstaviti kao promjenljivi kondenzator. Kapacitet u početnom trenutku jednak je beskonačnosti, a zatim opada kako se kontakti razilaze. Kroz otpor kola, ovaj kondenzator se puni, a napon na njemu postepeno raste od nule do napona mreže. Istovremeno se povećava udaljenost između kontakata. Jačina polja između kontakata tokom porasta napona prolazi kroz vrijednosti veće od 100 MV/cm. Takve vrijednosti jakosti električnog polja dovoljne su da izvuku elektrone iz hladne katode.

Emisiona struja polja je također vrlo mala i može poslužiti samo kao početak razvoja lučnog pražnjenja.

Dakle, pojava lučnog pražnjenja na divergentnim kontaktima objašnjava se prisustvom termionske i poljske emisije. Prevalencija jednog ili drugog faktora zavisi od vrednosti struje isključenja, materijala i čistoće kontaktne površine, brzine njihovog odstupanja i od niza drugih faktora.

Ionizacija pritiskom. Ako slobodni elektron ima dovoljnu brzinu, onda kada se sudari s neutralnom česticom (atomom, a ponekad i molekulom), može iz nje izbaciti elektron. Rezultat je novi slobodni elektron i pozitivan ion. Novodobljeni elektron može, zauzvrat, jonizirati sljedeću česticu. Ova jonizacija se naziva potisnom jonizacijom.

Da bi elektron ionizirao česticu plina, mora se kretati određenom određenom brzinom. Brzina elektrona zavisi od razlike potencijala na dužini njegovog slobodnog puta. Stoga obično nije naznačena brzina elektrona, već minimalna vrijednost razlike potencijala koju mora imati na dužini slobodnog puta da bi elektron postigao potrebnu brzinu do kraja puta. Ova potencijalna razlika se zove jonizacioni potencijal.

Potencijal jonizacije za gasove je 13-16 V (azot, kiseonik, vodonik) i do 24,5 V (helijum), za pare metala je otprilike dva puta manji (7,7 V za pare bakra).

Termička ionizacija. Ovo je proces jonizacije izlaganjem visokoj temperaturi. Održavanje luka nakon njegovog pokretanja, tj. osiguranje nastalog lučnog pražnjenja s dovoljnim brojem slobodnih naboja objašnjava se glavnom i praktično jedinom vrstom ionizacije - termičkom ionizacijom.

Temperatura stuba luka je u prosjeku 6000 - 10000 K, ali može dostići i veće vrijednosti - do 18 000 K. Na ovoj temperaturi se i broj brzo pokretnih čestica plina i njihova brzina kretanja jako povećavaju. Prilikom sudaranja atoma ili molekula koji se brzo kreću, većina ih se uništava, formirajući nabijene čestice, tj. dolazi do jonizacije gasa. Glavna karakteristika termičke jonizacije je stepen jonizacije, što je omjer broja joniziranih atoma u lučnom procjepu i ukupnog broja atoma u ovom procjepu. Istovremeno sa procesima jonizacije u luku, dešavaju se i obrnuti procesi, odnosno ponovno ujedinjenje naelektrisanih čestica i formiranje neutralnih čestica. Ovi procesi se nazivaju deionizacija.

Deionizacija nastaje uglavnom zbog rekombinacije i difuziju.

Rekombinacija. Proces kojim različito nabijene čestice, dolazeći u međusobni kontakt, formiraju neutralne čestice naziva se rekombinacija.

U električnom luku negativne čestice su uglavnom elektroni. Direktna veza elektrona s pozitivnim jonom je malo vjerojatna zbog velike razlike u brzinama. Obično se rekombinacija događa s neutralnom česticom, koja je nabijena elektronom. Kada se ova negativno nabijena čestica sudari s pozitivnim jonom, formiraju se jedna ili dvije neutralne čestice.

Difuzija. Difuzija naelektrisanih čestica je proces uklanjanja naelektrisanih čestica iz lučnog procepa u okolni prostor, čime se smanjuje provodljivost luka.

Difuziju uzrokuju i električni i termalni faktori. Gustoća naelektrisanja u stubu luka raste od periferije prema centru. S obzirom na to, stvara se električno polje koje tjera ione da se kreću od centra prema periferiji i napuste područje luka. Temperaturna razlika između stuba luka i okolnog prostora također djeluje u istom smjeru. U stabiliziranom luku koji slobodno gori, difuzija igra zanemarljivu ulogu.

Pad napona na stacionarnom luku je neravnomjerno raspoređen duž luka. Obrazac pada napona U D i jačina električnog polja (uzdužni gradijent napona) E D = dU / dx duž luka je prikazano na slici (slika 2). Pod gradijentom naprezanja E D je pad napona po jedinici dužine luka. Kao što se može vidjeti sa slike, tok karakteristika U D i E D u oblastima blizu elektrode oštro se razlikuje od toka karakteristika na ostatku luka. Blizu elektroda, u prikatodnom i blizu anodnom području, u intervalu dužine reda veličine 10 - 4 cm, dolazi do oštrog pada napona tzv. katodni U do i anoda U a. Vrijednost ovog pada napona ovisi o materijalu elektroda i okolnom plinu. Ukupna vrijednost pada napona blizu anode i blizu katode je 15 - 30 V, gradijent napona dostiže 10 5 - 10 6 V / cm.

U ostatku luka, koji se zove stub luka, pad napona je U D je skoro direktno proporcionalan dužini luka. Gradijent je ovdje približno konstantan duž trupa. Zavisi od mnogih faktora i može se uvelike razlikovati, dostižući 100 - 200 V / cm.

Pad napona blizu elektrode U E ne zavisi od dužine luka, pad napona u stubu luka je proporcionalan dužini luka. Dakle, pad napona u lučnom razmaku

U D = U E + E D l D,

gdje: E D je jačina električnog polja u stubu luka;

l D je dužina luka; U E = U do + U a.

U zaključku, treba još jednom napomenuti da u fazi lučnog pražnjenja prevladava termička ionizacija - cijepanje atoma na elektrone i pozitivne ione zbog energije toplinskog polja. Pri užarenju dolazi do udarne ionizacije na katodi zbog sudara s elektronima ubrzanim električnim poljem, a kod Townsendovog pražnjenja udarna ionizacija prevladava u cijelom razmaku plinskog pražnjenja.

Statička strujno-naponska karakteristika električne

DC arc.

Najvažnija karakteristika luka je zavisnost napona na njemu od veličine struje. Ova karakteristika se naziva volt-amper. Sa povećanjem struje i temperatura luka raste, termička ionizacija raste, broj ioniziranih čestica u pražnjenju raste, a električni otpor luka se smanjuje r itd.

Napon luka je ir Kako se struja povećava, otpor luka opada tako naglo da napon na luku opada, uprkos činjenici da se struja u krugu povećava. Svaka vrijednost struje u stacionarnom stanju odgovara vlastitoj dinamičkoj ravnoteži broja nabijenih čestica.

Prilikom prijelaza s jedne trenutne vrijednosti na drugu, termičko stanje luka se ne mijenja trenutno. Lukni razmak ima termička inercija... Ako se struja polako mijenja tokom vremena, tada toplinska inercija pražnjenja ne utječe. Svaka vrijednost struje odgovara jedinstvenoj vrijednosti otpora luka ili napona na njoj.

Ovisnost napona na luku o struji sa sporom promjenom naziva se statička strujno-naponska karakteristika lukovi.

Statička karakteristika luka ovisi o udaljenosti između elektroda (dužini luka), materijalu elektroda i parametrima medija u kojem gori luk.

Statičke volt-amper karakteristike luka imaju oblik krivulja prikazanih na sl. 3.

Rice. 3. Statičke strujno-naponske karakteristike luka

Što je dužina luka duža, to je veća njegova statička strujno-naponska karakteristika. Sa povećanjem pritiska medija u kojem gori luk, raste i napetost E D i volt-amperska karakteristika raste slično kao na Sl. 3.

Lučno hlađenje značajno utiče na ovu karakteristiku. Što je hlađenje luka intenzivnije, to se više snage preusmjerava iz njega. U tom slučaju, snaga koju oslobađa luk bi trebala porasti. Pri datoj struji, to je moguće povećanjem napona luka. Dakle, sa povećanjem hlađenja, strujno-naponska karakteristika je veća. Ovo se široko koristi u uređajima za gašenje luka.

Dinamička strujno-naponska karakteristika elektro

DC arc.

Ako se struja u krugu sporo mijenja, onda struja i 1 odgovara otporu luka r D1, visoka struja i 2 odgovara manjem otporu r D2, koji je prikazan na sl. 4. (vidi statičku karakteristiku luka - krivulje A).

Rice. 4. Dinamička volt-amperska karakteristika luka.

U stvarnim instalacijama, struja se može vrlo brzo promijeniti. Zbog toplinske inercije stuba luka, promjena otpora luka zaostaje za promjenom struje.

Zavisnost napona na luku o struji sa brzom promjenom naziva se dinamička strujno-naponska karakteristika.

Sa naglim povećanjem struje, dinamička karakteristika ide iznad statičke (krivulja V), budući da s brzim porastom struje otpor luka opada sporije nego što raste struja. Sa smanjenjem je manji, jer je u ovom režimu otpor luka manji nego sa sporom promjenom struje (kriva WITH).

Dinamički odgovor je u velikoj mjeri određen brzinom promjene struje u luku. Ako se u strujno kolo unese vrlo veliki otpor za vrijeme beskonačno malo u usporedbi s termičkom vremenskom konstantom luka, tada će za vrijeme dok struja padne na nulu, otpor luka ostati konstantan. U ovom slučaju, dinamička karakteristika je prikazana kao prava linija koja prolazi od tačke 2 do ishodišta (prava D),T. Odnosno, luk se ponaša kao metalni provodnik, budući da je napon na luku proporcionalan struji.

Uslovi gašenja DC luka.

Za gašenje električnog luka jednosmjerne struje potrebno je stvoriti takve uvjete da bi se u lučnom razmaku pri svim vrijednostima struje procesi deionizacije odvijali intenzivnije od procesa ionizacije.

Rice. 5. Ravnoteža napona u kolu sa električnim lukom.

Zamislite električni krug koji sadrži otpor R, induktivnost L i lučni razmak sa padom napona U D na koji se primjenjuje napon U(sl. 5, a). Sa lukom koji ima konstantnu dužinu, za bilo koji trenutak vremena, jednadžba ravnoteže napona u ovom krugu će biti važeća:

gdje je pad napona na induktivitetu kada se struja promijeni.

Stacionarni način rada će biti onaj u kojem se struja u kolu ne mijenja, tj. a jednadžba ravnoteže naprezanja će imati oblik:

Za gašenje električnog luka potrebno je da se struja u njemu stalno smanjuje, tj. , a

Grafičko rješenje jednačine ravnoteže napona prikazano je na Sl. 5, b... Evo prave linije 1 je napon izvora U; kosa linija 2 - pad napona na otporu R(reostatska karakteristika kola) oduzeto od napona U, tj. U - iR; krivulja 3 - strujno-naponska karakteristika lučnog razmaka U D.

Karakteristike električnog luka naizmjenične struje.

Ako je za gašenje istosmjernog luka potrebno stvoriti uvjete pod kojima bi struja pala na nulu, onda kod naizmjenične struje struja u luku, bez obzira na stepen jonizacije lučnog jaza, prolazi kroz nulu svake poluperiode, tj svaki poluciklus, luk se gasi i ponovo pali. Zadatak gašenja luka uvelike je olakšan. Ovdje je potrebno stvoriti uvjete pod kojima se struja ne bi oporavila nakon prolaska kroz nulu.

Strujno-naponska karakteristika luka naizmjenične struje za jedan period prikazana je na Sl. 6. Budući da se, čak i na industrijskoj frekvenciji od 50 Hz, struja u luku mijenja prilično brzo, prikazana karakteristika je dinamička. Sa sinusoidnom strujom, napon luka prvo raste u presjeku 1, a zatim zbog rasta struje pada u presjeku 2 (parcele 1 i 2 odnosi se na prvu polovinu poluperioda). Nakon što struja prođe kroz maksimum, dinamička I - V karakteristika raste duž krivulje 3 zbog smanjenja struje, a zatim opada u presjeku 4 zbog približavanja napona nuli (sekcije 3 i 4 odnose se na drugu polovinu istog poluperioda).

Rice. 6. Naponsko-strujna karakteristika luka naizmjenične struje

Kod naizmjenične struje, temperatura luka je promjenjiva. Međutim, ispostavilo se da je toplinska inercija plina prilično značajna, a dok struja prođe kroz nulu, temperatura luka, iako se smanjuje, ostaje prilično visoka. Ipak, smanjenje temperature tokom strujnog prelaska nule doprinosi deionizaciji jaza i olakšava gašenje električnog luka naizmenične struje.

Električni luk u magnetskom polju.

Električni luk je plinoviti provodnik struje. Na ovaj provodnik, kao i na metalni vodič, djeluje magnetsko polje, stvarajući silu proporcionalnu indukciji polja i struji u luku. Magnetno polje, djelujući na luk, povećava njegovu dužinu i pomiče elemente luka u prostoru. Bočno pomicanje lučnih elemenata stvara intenzivno hlađenje, što dovodi do povećanja gradijenta napona na stubu luka. Kada se luk kreće u plinovitom mediju velikom brzinom, luk se dijeli na odvojena paralelna vlakna. Što je luk duži, dolazi do većeg raslojavanja luka.

Luk je izuzetno fleksibilan provodnik. Poznato je da na dio koji nosi struju djeluju takve sile koje teže povećanju elektromagnetne energije kola. Budući da je energija proporcionalna induktivnosti, luk pod djelovanjem vlastitog polja teži da formira zavoje, petlje, jer to povećava induktivnost kola. Ova sposobnost luka je jača što je njegova dužina duža.

Luk koji se kreće u vazduhu savladava aerodinamički otpor vazduha, koji zavisi od prečnika luka, udaljenosti između elektroda, gustine gasa i brzine kretanja. Iskustvo pokazuje da se u svim slučajevima, u jednoličnom magnetskom polju, luk kreće konstantnom brzinom. Posljedično, elektrodinamička sila je uravnotežena aerodinamičkom silom otpora.

Da bi se stvorilo efikasno hlađenje, luk se uvlači magnetnim poljem u uski (prečnik luka je veći od širine proreza) procep između zidova od materijala otpornog na luk visoke toplotne provodljivosti. Zbog povećanja prijenosa topline na zidove proreza, gradijent napona u stupcu luka u prisustvu uskog proreza mnogo je veći od luka koji se slobodno kreće između elektroda. Ovo omogućava smanjenje dužine i vremena slepljivanja potrebnog za blankiranje.

Metode utjecaja na električni luk u sklopnim uređajima.

Svrha udara na pol luka koji nastaje u aparatu je povećanje njegovog aktivnog električnog otpora do beskonačnosti, kada sklopni organ prelazi u izolacijsko stanje. To se gotovo uvijek postiže intenzivnim hlađenjem stuba luka, smanjenjem njegove temperature i toplotnog sadržaja, uslijed čega se smanjuje stupanj ionizacije i broj nosilaca električne energije i joniziranih čestica, a povećava električni otpor plazme.

Za uspješno gašenje električnog luka u niskonaponskim sklopnim uređajima moraju biti ispunjeni sljedeći uvjeti:

1) povećati dužinu luka rastezanjem ili povećanjem broja prekida po polu prekidača;

2) pomeriti luk na metalne ploče rešetke za gašenje luka, koje su oboje radijatori koji apsorbuju toplotnu energiju stuba luka i razlažu ga u niz serijski povezanih lukova;

3) pomeriti stub luka sa magnetnim poljem u proreznu komoru od izolacionog materijala otpornog na luk visoke toplotne provodljivosti, gde se luk intenzivno hladi, u kontaktu sa zidovima;

4) formirati luk u zatvorenoj cevi od materijala koji stvara gas - vlakna; plinovi koji se oslobađaju pod utjecajem temperature stvaraju visok tlak, što doprinosi gašenju luka;

5) smanjenje koncentracije metalnih para u luku, za šta se u fazi projektovanja aparata koriste odgovarajući materijali;

6) ugasiti luk u vakuumu; pri vrlo niskim pritiscima plina, nema dovoljno atoma plina da ih jonizuju i održavaju struju u luku; električni otpor kanala lučnog stupa postaje vrlo visok i luk se gasi;

7) sinhrono otvoriti kontakte prije prelaska naizmjenične struje kroz nulu, čime se značajno smanjuje oslobađanje toplinske energije u formiranom luku, tj. pomaže u gašenju luka;

8) koristi čisto aktivne otpore koji šansiraju luk i omogućavaju uslove za njegovo gašenje;

9) koristiti poluvodičke elemente koji manifikuju kontaktni razmak, prebacujući struju luka na sebe, što praktički isključuje stvaranje luka na kontaktima.

Otvaranje električnog kruga pri značajnim strujama i naponima u pravilu je praćeno električnim pražnjenjem između divergentnih kontakata. Kada se kontakti raziđu, otpor kontakta i gustina struje u zadnjem kontaktnom području naglo se povećavaju. Kontakti se zagrijavaju do topljenja i formira se kontaktna prevlaka od rastopljenog metala, koja se lomi daljim odvajanjem kontakata, a metal kontakata isparava. Zračni jaz između kontakata se ionizira i postaje provodljiv, u njemu se pojavljuje električni luk pod utjecajem visokog napona koji proizlazi iz zakona komutacije.

Električni luk doprinosi uništavanju kontakata i smanjuje brzinu sklopnog uređaja, jer struja u krugu ne pada trenutno na nulu. Pojavu luka moguće je spriječiti povećanjem otpora kola u kojem se kontakti otvaraju, povećanjem udaljenosti između kontakata ili korištenjem posebnih mjera za suzbijanje luka.

Proizvod graničnih vrijednosti napona i struje u krugu u kojem se električni luk ne javlja na minimalnoj udaljenosti između kontakata naziva se prekidna ili sklopna snaga kontakata. Kako napon u kolu raste, maksimalna uključena struja mora biti ograničena. Preklopna snaga također ovisi o vremenskoj konstanti kola: što više
manje snage kontakti mogu prebaciti. U krugovima naizmjenične struje električni luk se gasi u trenutku kada je trenutna vrijednost struje nula. Luk se može ponovo pojaviti u sljedećem poluciklusu ako se napon na kontaktima poveća brže nego što se obnovi dielektrična čvrstoća kontaktnog razmaka. Međutim, u svim slučajevima, luk u AC krugu je manje stabilan, a prekidna sposobnost kontakata je nekoliko puta veća nego u DC kolu. Na kontaktima električnih uređaja male snage rijetko se pojavljuje električni luk, ali se često opaža iskrenje - kvar izolacijskog jaza koji nastaje brzim otvaranjem kontakata u niskostrujnim krugovima. Ovo je posebno opasno kod osjetljivih i brzodjelujućih uređaja (releja), kod kojih je razmak između kontakata vrlo mali. Isključivanje luka će skratiti vijek trajanja kontakata i može dovesti do lažnih pozitivnih rezultata. Za smanjenje varničenja na kontaktima koriste se posebni uređaji za gašenje iskri.

Uređaj za gašenje luka i varnica.

Najefikasniji način gašenja električnog luka je njegovo hlađenje pomicanjem u zraku, dodirujući izolacijske zidove posebnih komora, koje oduzimaju toplinu luka.

U modernim uređajima široko se koriste komore za gašenje luka s uskim prorezom i magnetnim puhanjem. Luk se može smatrati provodnikom koji vodi struju; ako se stavi u magnetsko polje, pojavit će se sila koja će uzrokovati pomicanje luka. Kada se kreće, luk se puše zrakom; pada u uski razmak između dvije izolacijske ploče, deformiše se i zbog povećanja pritiska u zazoru komore izlazi van (Sl. 21).

Rice. 21. Raspored komore za gašenje luka sa uskim prorezom

Proreznu komoru čine dva zida 1 od izolacionog materijala. Razmak između zidova je vrlo mali. Zavojnica 4, povezana u seriju sa glavnim kontaktima 3, indukuje magnetni tok
koji je vođen feromagnetnim vrhovima 2 u prostor između kontakata. Kao rezultat interakcije luka i magnetskog polja, pojavljuje se sila
pomeranje luka na ploče 1. Ova sila se naziva Lorentzova sila, koja je definisana kao:

gdje - naboj čestica [privjesak],

- brzina nabijene čestice u polju [m/s],

- sila koja djeluje na nabijenu česticu [njutna],

- ugao između vektora brzine i vektora magnetske indukcije.

Možemo reći da je brzina čestice u provodniku:
gdje - dužina provodnika (luka), i - vrijeme prolaska nabijene čestice duž luka. Zauzvrat, struja Broj nabijenih čestica u sekundi kroz poprečni presjek provodnika
... Odnosno, možete napisati:

gdje - struja u provodniku (luk) [Amperi],

-Dužina provodnika (luka) [metri],

- magnetna indukcija polja [Tesla],

- sila koja djeluje na provodnik (luk) [njutna],

- ugao između vektora struje i vektora magnetske indukcije.

Smjer sile slijedi pravilo lijeve strane: magnetne linije sile naslonjeni na dlan, ispravljena četiri prsta nalaze se u smjeru struje savijeni palac pokazuje smjer elektromagnetne sile
... Opisano djelovanje magnetskog polja (indukcije ) naziva se elektromehanička ili snaga, a rezultirajući izraz naziva se zakon elektromagnetnih sila.

Ovaj dizajn lučnog otvora koristi se i na izmjeničnu struju, jer se promjenom smjera struje mijenja smjer toka.
i smjer sile
ostaje nepromijenjena.

Da biste smanjili varničenje na kontaktima istosmjerne struje male snage, koristite diodni priključak paralelan s uređajem za opterećenje (slika 22).

Rice. 22. Uključivanje diode za smanjenje varničenja

U tom slučaju se krug nakon uključivanja (nakon isključivanja izvora) zatvara kroz diodu, čime se smanjuje energija varničenja.

Kada su kontakti prekidača otvoreni, struja se ne prekida. Prema Lenzovom zakonu, u kolu nastaje EMF E L = -Ldi / dt, koji sprečava promjenu struje. Potonji pronalazi put kroz plinski razmak između divergentnih kontakata prekidača, koji je zatvoren električnim lukom. Da biste prekinuli struju, luk se mora ugasiti. U krugovima naizmenične struje, povoljni uslovi za gašenje luka nastaju svaki put kada struja dostigne nulu, tj. 2 puta tokom svakog perioda. Prečnik stuba luka, temperatura i jonizacija gasa su naglo smanjeni. U nekom trenutku, struja dolazi na nulu i lučno pražnjenje prestaje. Međutim, lanac još nije prekinut.

Nakon nulte struje u plinskom procjepu, koji je još u određenoj mjeri joniziran, nastavlja se proces deionizacije, tj. proces pretvaranja iz vodiča u dielektrik, a u električnom kolu počinje proces vraćanja napona na kontaktima sklopke sa relativno niskog napona na luku u mrežni napon. Ovi procesi su međusobno povezani. Ishod interakcije lučnog razmaka s električnim krugom ovisi o omjeru između energije dovedene u zazor i gubitaka energije u njemu, koji ovise o lučnom uređaju prekidača.

Ako tokom cijelog prijelaza prevladavaju gubici energije, luk se neće ponoviti i strujni krug će biti prekinut. U suprotnom, luk će se ponovo pojaviti i struja će teći još pola perioda, nakon čega će se proces interakcije ponoviti. Funkcija prekidača nije toliko da "ugasi" luk, već da isključi mogućnost njegovog ponovnog paljenja efektivnom dejonizacijom otvora raznim vještačkim sredstvima. U ovom slučaju koristi se isključivo svojstvo plina - on se brzo, u roku od nekoliko mikrosekundi, pretvara iz provodnika u dielektrik koji može izdržati povratni napon mreže.

Da biste razumjeli strukturu i rad prekidača, potrebno je upoznati se s fizičkim procesima u lučnom razmaku tokom procesa gašenja. Ovaj članak govori o tehnikama gašenja luka u zračnim i uljnim prekidačima.

Fizički procesi u lučnom zazoru prekidača pri visokom pritisku

Električni luk, tačnije lučno pražnjenje, naziva se samoodrživo pražnjenje u gasu, tj. pražnjenje koje se odvija bez eksternog ionizatora, karakterizirano velikom gustinom struje i relativno malim padom napona na katodi. U nastavku se razmatra luk visokog pritiska, tj. lučno pražnjenje pri atmosferskom i višem pritisku.

Pravi se razlika između sljedećih područja lučnog pražnjenja:

• područje pada napona katode;
• područje na anodi;
• lučni stub.

Područje pada napona katode je najtanji sloj plina na površini katode. Pad napona u ovom sloju je 20-50 V, a jačina električnog polja dostiže 10 5 10 6 V/cm. Energija dovedena iz mreže u ovo područje koristi se za oslobađanje elektrona s površine katode.

Mehanizam oslobađanja elektrona može biti dvostruk:

• termoionska emisija iz vatrostalnih i vatrostalnih elektroda (volfram, ugalj), čija temperatura može doseći 6000 K i više
• autoelektronska emisija, tj. ekstrakcija elektrona sa katode djelovanjem jakog električnog polja na "hladnoj" katodi.

Gustoća struje na katodi dostiže 3000-10000 A / cm 5. Struja je koncentrisana na malom jako osvijetljenom području koje se zove katodna tačka. Oslobođeni elektroni kreću se kroz stub luka do anode.

Na anodi se pozitivni ioni ubrzavaju prema katodi. Elektroni idu do anode i formiraju negativan naboj u tankom sloju. Pad napona na anodi je 10-20 V.

Procesi u stubu luka su od najvećeg interesa za proučavanje prekidača, jer se koriste različite vrste delovanja za gašenje luka upravo na stubu luka. Ovo drugo je plazma, tj. jonizovani gas sa veoma visokom temperaturom i istim sadržajem elektrona i pozitivnih jona po jedinici zapremine.

Visoku temperaturu u stubu luka stvaraju i održavaju elektroni i joni koji učestvuju u termičkom haotičnom kretanju neutralnih molekula i atoma, ali i imaju usmereno kretanje u električnom polju duž ose luka, određeno predznakom naboja čestice. . Ovo kretanje ometa neutralni gas. Događaju se česti sudari elektrona i jona sa neutralnim česticama. Kako je srednja slobodna putanja elektrona pri visokom pritisku mala, gubitak energije u elastičnim sudarima sa molekulama i atomima, koji padne pri svakom sudaru, mali je i nedovoljan za jonizaciju čestica. Međutim, broj sudara koje doživljavaju elektroni je vrlo velik. Kao rezultat toga, energija elektrona se prenosi na neutralni plin u obliku topline.

Prosječna energija "elektronskog plina" ne može značajno premašiti prosječnu energiju neutralnog plina, jer je dodatna energija koju dobijaju elektroni i joni u njihovom usmjerenom kretanju duž ose livadskog stuba mala u odnosu na toplinsku energiju plina. . Posljedično, ioni, elektroni, kao i neutralni atomi i molekuli su u termalnoj ravnoteži. U ovom slučaju, specifična ionizacija stupa luka u potpunosti je određena temperaturom, a kada se jedna od ovih vrijednosti promijeni, druga se neizbježno mijenja.

Budući da pri visokim tlakovima plina atomi i molekuli pretežno dominiraju nad elektronima i imaju gotovo istu visoku temperaturu, većina pobuđenih i joniziranih atoma i molekula nastaje sudarima između neutralnih čestica, a ne sudarima s elektronima. Dakle, elektroni joniziraju ne direktno nakon sudara s neutralnim česticama (kao što se to događa u vakuumu), već indirektno, povećavajući temperaturu plina u stupu luka. Ovaj mehanizam jonizacije naziva se termička jonizacija. Izvor energije potrebne za termičku ionizaciju je električno polje.

Postoje gubici energije u stubu luka, koji se u stacionarnom stanju balansiraju energijom primljenom iz mreže. Najveći dio energije odnese se iz stuba luka pobuđenim i ioniziranim atomima i molekulama. Zbog razlike u koncentraciji nabijenih čestica u stubu luka i okolnom prostoru, kao i temperaturne razlike, joni difundiraju na površinu stuba luka, gdje se neutraliziraju. Ovi gubici moraju biti nadoknađeni formiranjem novih jona i elektrona koji su povezani sa utroškom energije. U stacionarnom stanju, gradijent napona u stubu luka je uvek takav da ionizacija koja se dešava kompenzuje gubitak elektrona rekombinacijom. Gradijent napona zavisi od svojstava gasa, stanja u kome se nalazi (mirno, turbulentno), kao i od pritiska i struje. Sa povećanjem pritiska gasa, gradijent napona se povećava zbog smanjenja slobodnog puta elektrona. Sa povećanjem struje, gradijent napona se smanjuje, što se objašnjava povećanjem površine poprečnog presjeka i temperature stuba luka. Stub luka ima tendenciju da zauzme takav presjek da su, pod razmatranim uvjetima, gubici energije minimalni.

Zavisnost gradijenta napona E = dU / dl u stubu luka od struje sa veoma sporom promenom potonje je statička karakteristika luka (slika 1, a), zavisno od pritiska i svojstava gasa. .

Slika 1. Strujno-naponske karakteristike luka:
a - statička karakteristika;
b - dinamičke karakteristike

U stacionarnom stanju, svaka tačka karakteristike odgovara određenom preseku i temperaturi stuba luka. Kada se struja promijeni, stub luka mora promijeniti svoj poprečni presjek i temperaturu u odnosu na nove uslove. Ovi procesi zahtevaju vreme, pa stoga novo stabilno stanje ne dolazi odmah, već sa izvesnim zakašnjenjem. Ova pojava se naziva histereza.

Pretpostavimo da se struja iznenada promijenila sa I 1 (tačka 1) u I 2 (tačka 2). U prvom trenutku, luk će zadržati svoje poprečne presjeke i temperaturu, a gradijent će se smanjiti (tačka 2"). Isporučena snaga će biti manja od one potrebne za provođenje struje I 2. Stoga će poprečni presjek i temperatura početi opadati, a gradijent će se povećavati sve dok se u tački 2 ne pojavi novo ustaljeno stanje. Naglim povećanjem struje od vrijednosti I 1 do vrijednosti I 3, gradijent napona će se povećati (tačka 3"). Snaga dovedena u luk bit će veća od one koja je potrebna za nošenje struje I 3. Stoga će poprečni presjek i temperatura stupa početi rasti, a gradijent naprezanja će se smanjivati, sve dok se u točki 3 na statičkoj karakteristici ne pojavi novo ustaljeno stanje.

Uz glatku promjenu struje pri određenoj brzini, gradijent napona nema vremena da prati promjenu struje u skladu sa statičkom karakteristikom. Sa povećanjem struje, gradijent napona prelazi vrijednosti određene statičkom karakteristikom, a sa smanjenjem struje gradijent napona je manji od ovih vrijednosti. Krive E = f (I) sa promjenom struje pri određenoj brzini predstavljaju dinamičke karakteristike luka (pune linije na sl. 1, b).

Položaj ovih karakteristika u odnosu na statičku karakteristiku (vidi tačkastu krivu) zavisi od brzine promjene struje. Što je struja sporija, to je dinamička karakteristika bliža statičkoj. Pod datim uslovima lučnog pražnjenja može postojati samo jedna statička karakteristika. Broj dinamičkih karakteristika nije ograničen.

Prilikom analize električnih kola, uobičajeno je raditi s konceptom otpora. Stoga govore i o otporu luka, razumijevajući pod tim omjer napona na elektrodama prema struji. Otpor luka nije konstantan. Zavisi od struje i mnogih drugih faktora. Kako se struja povećava, otpor luka se smanjuje.

sl. 2. Napon luka na izmjeničnu struju:
a - napon luka kao funkcija struje;
6 - napon luka u funkciji vremena

Strujna-naponska karakteristika luka naizmjenične struje prikazana je na slici 2, a. Tokom četvrtine perioda kada struja raste, kriva napona leži iznad statičke karakteristike. Sljedeću četvrtinu perioda, kada struja opada, kriva napona leži ispod statičke karakteristike.

Luk se pali u tačkama 1 i 3 i gasi se u tačkama 2 i 4. Slika 2, b prikazuje karakteristiku luka kao funkciju vremena. Intervali 2-3 i 4-1 odgovaraju nestabilnom stanju, u kojem postoji intenzivna interakcija luka sa konstantama kola R, L i C. luk udara. U zavisnosti od uslova, proces interakcije se može završiti na dva načina: ili će se luk ugasiti i strujni krug će biti prekinut, ili će se luk ponovo pojaviti i proces interakcije će se ponoviti nakon pola perioda pod povoljnijim uslovima.

Gašenje luka u vazdušnim prekidačima

U vazdušnim prekidačima, luk se gasi u struji vazduha pod visokim pritiskom. Prigušni uređaj prekidača (slika 3, a) je komora u kojoj su postavljene dvije mlaznice koje istovremeno služe kao kontakti. Ispušne strane mlaznica su povezane sa područjem niskog pritiska. Kada su kontakti razdvojeni, zbog razlike pritisaka nastaje protok vazduha, usmeren u mlaznice simetrično u oba smera.

Slika 3. Uređaj za lučni prekidač sa dvostrukim puhanjem zraka:
a - dijagram;
b - raspodjela pritiska duž ose

Slika 3b prikazuje raspodjelu pritiska duž ose. U sredini razmaka između mlaznica nalazi se tačka stagnacije protoka, pritisak u kojoj je označen sa p o.

Sa obe strane ove tačke, pritisak se smanjuje i dostiže približno polovinu p o u grlima mlaznica. Iza vrata, pritisak nastavlja da pada na pritisak izduvnih gasova.

Proces gašenja luka se odvija na sljedeći način. Između otvorenih kontakata nastaje luk koji se brzo transportuje duž ose pod dejstvom strujanja vazduha. U ovom slučaju, potporne tačke luka se kreću unutar mlaznica duž protoka, kao što je prikazano na slici 3. Luk između mlaznica ima cilindrični oblik.

Slika 4. Raspodjela temperature u poprečnom smjeru u području između mlaznica:
a - luk;
c - termički granični sloj

Raspodjela temperature u poprečnom smjeru prikazana je na slici 4. U zoni luka a, ona je približno 20.000 K i naglo pada do termičkog graničnog sloja c, koji se formira u blizini luka. Ovde temperatura varira od 2000 K do temperature hladnog vazduha. Kako se struja približava nuli, promjer cilindričnog dijela luka brzo se smanjuje. Kod nulte struje, manji je od 1 mm. Međutim, temperatura u ovom dijelu luka je i dalje vrlo visoka (15000 K).

Najvažniji faktor koji doprinosi gašenju luka je turbulencija u graničnom sloju između luka i relativno hladnog zraka koji ga okružuje. Zbog visoke temperature luka, gustina gasa u koloni je približno 20 puta manja nego u okruženju. Stoga je brzina plina unutar stuba luka mnogo veća od brzine u susjednim slojevima (brzina je obrnuto proporcionalna kvadratnom korijenu gustine). Zbog difuzije čestica iz područja velike brzine u područje s malom brzinom i nazad, u graničnom sloju nastaju značajne posmične sile, formiraju se vrtlozi i cijeli volumen postaje vrlo turbulentan. Relativno hladan, nejonizovani gas se uvodi u stub luka, usled čega kolona gubi svoju uniformnost. Cepa se na hiljade najtanjih provodljivih filamenata, neprestano menjajući svoj oblik i položaj (slika 5).

Slika 5. Utjecaj turbulencije na stub luka blizu nule struje (dijagram)

Imaju visoku temperaturu i visoku specifičnu jonizaciju i okruženi su hladnim, slabo jonizovanim gasom. Poznato je da je brzina difuzije iz cilindričnog volumena obrnuto proporcionalna kvadratu prečnika. Što su jonizovani filamenti tanji, to je brža razmena čestica sa okolnim hladnijim i manje jonizovanim okruženjem. Turbulencija višestruko povećava difuziju. Posebno se oštro manifestira u grlima mlaznica, gdje je brzina plazme maksimalna - 6000 m / s. Nakon nulte struje tokom kratkog vremenskog perioda, izračunatog u mikrosekundama, provodni kanal se raspada i dalje smanjenje temperature određuje termički granični sloj čije je hlađenje mnogo sporije.

Slika 6. Ekvivalentno kolo koje objašnjava učinak otpora luka i kapacitivnosti

Slika 7. Interakcija luka sa električnim krugom

Otpor luka i kapacitivnost spojeni paralelno sa lučnim razmakom imaju značajan uticaj na proces gašenja (slika 6). Ako zanemarimo otpor luka, struja i 0 = I m sinɷt se približava nuli skoro linearno (slika 7). Međutim, otpor luka nije nula. Stoga se struja i B u lučnom razmaku prekidača smanjuje:

(1)

gdje je t 0 trenutak otvaranja kontakata.

Kao što se može vidjeti sa slike, napon na luku se mijenja u skladu sa strujno-naponskom karakteristikom. Brzina smanjenja struje značajno se smanjuje tokom posljednjih 5 ... 10 μs dok ne dostigne nulu. Ovo vrijeme je kratko, ali je nekoliko puta veće od vremenske konstante luka i stoga značajno utiče na stanje luka pri nultoj struji (tačka 1). Luk lako nestaje. Otpor luka takođe modifikuje PVR krivu. Proces obnavljanja napona počinje u tački 1; napon dostiže svoj maksimum u tački 2 kada je i L = i C = 0.

Faza mogućeg termičkog sloma

Ako temperatura plina u procjepu ne padne na određenu kritičnu vrijednost određenu svojstvom i tlakom plina, jaz će zadržati svoju vodljivost nakon nulte struje (tačka 1) i pojavit će se struja zaostale provodljivosti pod djelovanjem PVI (slika 8).

Slika 8. Odloženo gašenje luka,
uzrokovano pojavom rezidualne struje

U povoljnim uslovima je mala i brzo propada (tačka 2). Međutim, ako proces hlađenja nije dovoljno intenzivan, zaostala struja provodljivosti se povećava; plazma se ponovo zagreva, proces jonizacije se nastavlja i luk se ponovo pojavljuje. Ova pojava se naziva termičkim slomom, jer je električni slom nemoguć, jer je jaz ioniziran i još nije stekao električnu snagu.

Hoće li doći do takvog kvara ili ne ovisi o ishodu dva međusobno povezana procesa koji se odvijaju u procjepu, od kojih je jedan određen vremenskim integralom dovedene snage (proizvod struje i napona na procjepu), a drugi - pomoću vremenski integral gubitaka uzrokovanih provođenjem topline i konvekcijom. To znači da će se proces interakcije nastaviti sve dok struja ne nestane ili se luk ponovo ne pojavi. Fenomen termičkog sloma tipičan je za prvih 20 μs nakon nulte struje u uslovima kada je brzina povratnog napona visoka, na primjer, kada se kratki spojevi ne uklanjaju.

Faza mogućeg električnog kvara

Ako nije došlo do termičkog kvara, PVD i dalje utiče na kontaktni razmak. Lučni kanal ima još višu temperaturu i manju gustinu. Nekoliko stotina mikrosekundi nakon trenutne nule, kada PID dostigne svoju maksimalnu vrijednost, počinje faza mogućeg električnog kvara. On se ne zasniva na ravnoteži energija, već na procesu formiranja elektrona u električnom polju. Ako povećanje koncentracije elektrona prijeđe određenu kritičnu vrijednost, tada će se stvoriti iskra, koja će se pretvoriti u lučno pražnjenje.

Gašenje luka u uljnim prekidačima

U uljnim prekidačima kontakti se otvaraju u ulju, međutim, zbog visoke temperature luka koji nastaje između kontakata, ulje se razgrađuje i lučno pražnjenje dolazi u plinovitom okruženju. Otprilike polovina ovog gasa (po zapremini) je naftna para. Ostatak čine vodonik (70%) i ugljovodonici različitog sastava. Ovi gasovi su zapaljivi, ali je sagorevanje u ulju nemoguće zbog nedostatka kiseonika. Količina nafte koju razgrađuje luk je mala, ali je količina proizvedenog plina velika. Jedan gram ulja daje približno 1500 cm 3 gasa, normalizovanog na sobnu temperaturu i atmosferski pritisak.

Gašenje luka u uljnim prekidačima najefikasnije se javlja kada se koriste komore za gašenje koje ograničavaju zonu luka, povećavaju pritisak u ovoj zoni i stvaraju eksploziju gasa kroz stub luka. Na slici 9 prikazan je dijagram najjednostavnije komore za gašenje.

Slika 9. Dijagram najjednostavnije komore za gašenje uljnog prekidača

U procesu odvajanja, kontaktna šipka 1 pomiče se prema dolje. Između iglica 1 i 2 nastaje luk. Dolazi do intenzivnog stvaranja gasa i pritisak u komori brzo raste. Relativno hladan plin koji se stvara na površini ulja miješa se sa plazmom luka. Granični sloj postaje turbulentan, što pogoduje deionizaciji. Međutim, luk se ne može ugasiti sve dok razmak između kontakata ne dostigne određenu minimalnu vrijednost određenu povratnim naponom. Ovaj minimalni razmak nastaje kada je pokretni kontakt još uvijek u komori. Kada štap napusti komoru, gasovi se potiskuju van. Stvara se aksijalno usmjerena eksplozija plina, koja pomaže u gašenju luka.

Nakon što se luk ugasi, kontaktna šipka nastavlja da se kreće kako bi se osigurala potrebna izolacijska udaljenost u isključenom položaju.

Napon luka uljnog prekidača je najmanje 3 puta veći od zračnog prekidača. Električna snaga jaza se obnavlja brže (brzinom od oko 2 kV / μs). Stoga, sa istom strujom kratkog spoja, lučni uređaj uljnog prekidača može biti dizajniran za dvostruko veći napon i dvostruko veći valni otpor od uređaja za mlaz zraka.

Karakteristična svojstva prekidača za zrak i ulje

Kod zračnih prekidača, eksplozija u lučnom razmaku nastaje iz vanjskog izvora energije i ne ovisi o struji koju treba isključiti. Nakon nulte struje, povratni napon se primjenjuje na kratku prazninu ispunjenu vrućim joniziranim plinom. Brzina oporavka dielektrične čvrstoće zazora određuje se hlađenjem plina i uklanjanjem iz otvora strujom svježeg zraka. Za to je potrebno vrijeme i, stoga, proces obnavljanja dielektrične čvrstoće zazora je odgođen.

Slika 10. Karakteristike povrata dielektrične čvrstoće
lučni razmak vazdušnog prekidača

Slika 10 prikazuje tipične krivulje povratne dielektrične čvrstoće lučnog razmaka zračnog prekidača. U obliku su slova S. U ovom slučaju, glavna faza procesa obnavljanja električne snage jaza nastavlja se brzinom koja ne prelazi 1-2 kV / μs, a počinje 10-15 μs nakon nulte vrijednosti struje. S povećanjem struje koju treba isključiti, kašnjenje se povećava, a brzina oporavka dielektrične čvrstoće se smanjuje. Donja isprekidana kriva odgovara slučaju nezadovoljavajućeg rada prekidača, budući da se proces obnavljanja dielektrične čvrstoće zazora odvija presporo. Nazivna struja prekidanja zračnog prekidača ograničena je povratnom dielektričnom čvrstoćom zazora.

U uljnim prekidačima, energija samog luka koristi se za formiranje eksplozije plina. Pritisak u komori za gašenje i sila puhanja su u prvoj aproksimaciji proporcionalni struji isključenja. Što je potonji veći, efikasnija je deionizacija jaza i brže se obnavlja njegova električna snaga. Međutim, kako se struja povećava, mehanička naprezanja u dijelovima komore za gašenje se povećavaju. Stoga je nazivna struja prekidanja ograničena mehaničkom čvrstoćom komore za gašenje.

Karakteristična svojstva zračnih i uljnih prekidača pojavljuju se kada se isključi asimetrična struja kratkog spoja. Kao što znate, brzi prekidači, uz prisustvo odgovarajuće relejne zaštite, otvaraju svoje kontakte kada aperiodična komponenta struje koja se treba isključiti još nije imala vremena da se raspadne. Zbog toga ovi prekidači moraju biti sposobni da prekinu i simetrične i asimetrične struje, tj. struja, nije pomaknuta ili pomaknuta u odnosu na vremensku osu, ovisno o uvjetima. Asimetrija struje β (relativni sadržaj aperiodične komponente u struji kratkog spoja) definira se kao omjer aperiodične komponente prema amplitudi periodične komponente struje kratkog spoja do trenutka τ otvaranja struje kratkog spoja. prekidači kontakti

(2)

Asimetrija struje koju treba isključiti zavisi od vremenske konstante kola T a = X / (ɷR), kao i od τ - vremena otvaranja kontakata prekidača, uzimajući u obzir vreme rada relejne zaštite. . Što je vremenska konstanta duža i što se kontakti prekidača brže otvaraju, to je veća asimetrija struje prekida. Generatori, transformatori i reaktori imaju najdužu vremensku konstantu. Stoga najveću asimetriju treba očekivati ​​kada postoje kratki spojevi u blizini generatora i sabirnica stanice. Proračuni pokazuju da asimetrija struje isključene brzim prekidačima ugrađenim u glavnom rasklopnom uređaju moćnih stanica može doseći 80%. Manje brzi prekidači pod istim uslovima mogu imati asimetriju od 40-50%. Prekidači koji su instalirani u distributivnim mrežama nailaze na asimetrije koje ne prelaze 20%.

U prisustvu aperiodične komponente u struji prekida:

• efektivna vrijednost struje raste;
• vremenski intervali između trenutaka kada struja dostigne nulu postaju nejednaki: oni su naizmjenično više ili manje od poluperioda;
• brzina promjene struje di / dt se smanjuje kada se približi nuli;
• povratni napon na polu prekidača se smanjuje.

Povećanje efektivne vrijednosti struje i promjena vremenskih intervala između nulte vrijednosti struje mogu, pod nepovoljnim uvjetima, dovesti do značajnog povećanja oslobođene energije u odnosu na energiju oslobođenu u odsustvu aperiodične trenutna komponenta. Energija koja se oslobađa u luku određuje jonizaciju gasa u zazoru, au uljnim prekidačima - takođe količinu nastalih gasova i pritisak u komori, dakle, mehanička naprezanja u elementima prekidača, stepen topljenja kontakta itd. .

Smanjenje brzine promjene struje kada se približi nuli smanjuje ionizaciju jaza do trenutka kada se luk ugasi, što olakšava proces gašenja.

Smanjenje povratnog napona također olakšava proces gašenja.

Slika 11. Povratni napon sa asimetrijom prekidne struje

Kao što se može vidjeti sa slike 11, periodična komponenta struje kratkog spoja i p je pomjerena u odnosu na mrežni napon za ugao φ blizu π / 2. Ako je faza zatvaranja α = φ, tada je aperiodična komponenta struje odsutna, a trenutak kada struja dostigne nultu vrijednost i luk se ugasi je blizak momentu maksimalnog napona. Povratni napon je određen ordinatom ab. Prilikom zatvaranja u bilo kojem drugom trenutku u graničnoj struji pojavljuje se aperiodična komponenta, a trenutak kada struja dostigne nulu se pomjera. U slučaju koji se razmatra, pri α = 27 °, povratni napon nakon velikog polutala struje određen je ordinatom a "b", a nakon malog polutala - ordinatom a "b" ( pri crtanju krivulja pretpostavlja se da su periodične i aperiodične komponente struje uslovno kontinuirane).

Iz navedene analize proizilazi da se u prisustvu aperiodične komponente u struji koju treba isključiti javlja niz novih faktora koji utiču na proces isključenja, od kojih neki otežavaju ovaj proces, a drugi ga olakšavaju.

Konačno djelovanje DC komponente ovisi o svojstvima prekidača.

Uljni prekidači, čiji je prekidni kapacitet ograničen mehaničkom čvrstoćom komore za gašenje, imaju značajnu marginu u povratnoj električnoj čvrstoći lučnog jaza kada je velika struja isključena. Povećanje efektivne vrijednosti struje prekida, zbog prisustva aperiodične komponente, povećava ozbiljnost okidanja, jer se energija oslobođena u luku povećava, a olakšavajući faktori koje uvodi aperiodična komponenta kratkog struja kola (smanjenje brzine struje koja se približava nuli i smanjenje povratnog napona) ne koriste uljni prekidači. Za takve prekidače se kaže da su osjetljivi na struju, jer je energija oslobođena u luku uglavnom određena strujom.

Vazdušni prekidači, čiji je prekidni kapacitet ograničen dielektričkom čvrstoćom zazora, koriste faktore rasterećenja koje uvodi aperiodična komponenta struje (smanjenje brzine pada struje i povratnog napona). Povećanje efektivne vrijednosti struje prekida uzrokovano aperiodičnom komponentom ne povećava ozbiljnost okidanja, jer se uvedeni faktori težine i rasterećenja kompenzuju. Uobičajeno je reći za takve prekidače da su osjetljivi na napon.

Prilikom odabira prekidača za prekidnu sposobnost, treba uzeti u obzir asimetriju struje kratkog spoja prekida. Međutim, normalizirane (nominalne) vrijednosti asimetrije β nom su iste postavljene i za prekidače za ulje i za zrak.

Električni luk- fenomen električnog pražnjenja u gasu (gasovitom mediju). Električna struja koja teče kroz jonizovani kanal u gasu (vazduhu).

Kada se napon između dvije elektrode poveća do nivoa električnog sloma u zraku, između njih nastaje električni luk. Električni probojni napon zavisi od udaljenosti između elektroda, pritiska okolnog gasa, temperature okoline, vlažnosti i drugih faktora koji potencijalno utiču na početak razvoja procesa.Jonizacioni potencijal prvog elektrona atoma metala je približno 4,5 - 5 V, a napon luka je dvostruko veći (9 - 10 V). Potrebno je potrošiti energiju na izlazak elektrona iz atoma metala jedne elektrode i na ionizaciju atoma druge elektrode. Proces dovodi do formiranja plazme između elektroda i sagorevanja luka (za poređenje: minimalni napon za stvaranje varničnog pražnjenja je nešto veći od potencijala izlaznog elektrona - do 6 V).

Da bi se pokrenuo proboj na dostupnom naponu, elektrode se približavaju jedna drugoj. Za vrijeme kvara, između elektroda obično dolazi do iskre, koja impulzivno zatvara električni krug.

Elektroni u varničkom pražnjenju jonizuju molekule u vazdušnom procepu između elektroda. Uz dovoljnu snagu izvora napona u zračnom rasporu, formira se dovoljna količina plazme za značajan pad probojnog napona ili otpora zračnog raspora. U tom slučaju, iskri se pretvaraju u lučno pražnjenje - plazma kabel između elektroda, koji je plazma tunel. Nastali luk je, u stvari, provodnik i zatvara električni krug između elektroda. Kao rezultat toga, prosječna struja se još više povećava, zagrijavajući luk na 4700-49700 C. U ovom slučaju se smatra da je luk zapaljen. Nakon paljenja, stabilno sagorevanje luka obezbeđuje se termoionskom emisijom sa katode zagrejane strujom i jonskim bombardovanjem.

Interakcija elektroda sa lučnom plazmom dovodi do njihovog zagrijavanja, djelomičnog topljenja, isparavanja, oksidacije i drugih vrsta korozije.
Jednom zapaljen, luk može ostati stabilan pomicanjem električnih kontakata na određenu udaljenost.

Prilikom rada visokonaponskih električnih instalacija, u kojima je pojava električnog luka neizbježna, borba protiv njega vodi se pomoću elektromagnetnih zavojnica u kombinaciji s lučnim žlebovima. Između ostalih metoda, poznata je upotreba vakuumskih, zračnih, SF6 i uljnih prekidača, kao i metode preusmjeravanja struje na privremeno opterećenje koje samostalno prekida električni krug.

Struktura električnog luka

Električni luk se sastoji od katodnog i anodnog područja, stuba luka i prelaznih područja. Debljina anodnog područja je 0,001 mm, a katodnog oko 0,0001 mm.

Temperatura u području anode tokom zavarivanja potrošne elektrode je oko 2500 ... 4000 ° C, temperatura u stupu luka je od 7000 do 18000 ° C, u području katode - 9000 - 12000 ° C.

Stub luka je električno neutralan. U bilo kojem njegovom dijelu nalazi se isti broj nabijenih čestica suprotnih predznaka. Pad napona na stubu luka proporcionalan je njegovoj dužini.

Utjecaj električnog luka na električnu opremu

Kod brojnih uređaja fenomen električnog luka je štetan. To su prvenstveno kontaktni sklopni uređaji koji se koriste u napajanju i elektropogonu: visokonaponski prekidači, prekidači, kontaktori, sekcijski izolatori na kontaktnoj mreži elektrificiranih željeznica i gradskog elektroprevoza. Kada se gore navedeni uređaji otkače opterećenja, između prekidačkih kontakata nastaje luk.

Lučni mehanizam

• Smanjenje kontaktnog pritiska - smanjuje se broj kontaktnih točaka, povećava se otpor u kontaktnom sklopu;
• Početak divergencije kontakata - formiranje "mostova" od rastopljenog metala kontakata (na mjestima posljednjih kontaktnih tačaka);
• Puknuće i isparavanje mostova od rastopljenog metala;
• Formiranje električnog luka u metalnim parama (što doprinosi većoj ionizaciji kontaktnog razmaka i poteškoćama u gašenju luka);
• Stabilno sagorevanje luka sa brzim kontaktom.

Za minimalno oštećenje kontakata potrebno je u najkraćem mogućem roku ugasiti luk, trudeći se da luk ne bude na jednom mjestu (kada se luk pomjeri, toplina koja se u njemu oslobađa ravnomjerno će se rasporediti po kontaktu tijelo).

Metode kontrole električnog luka

• lučno hlađenje sa protokom rashladne tečnosti (prekidač ulja);
• hlađenje luka strujom rashladnog gasa - (vazdušni prekidač, autogasni prekidač, uljni prekidač, SF6 prekidač), a protok rashladne tečnosti može proći i duž osovine luka (uzdužno gašenje) i poprečno (poprečno gašenje); ponekad se koristi uzdužno-poprečno prigušivanje;
• upotreba sposobnosti vakuuma za suzbijanje luka - poznato je da kada se pritisak gasova koji okružuju uključene kontakte smanji na određenu vrednost, to dovodi do efikasnog gašenja luka (zbog odsustva nosača za formiranje luk), vakuumski prekidač.
• upotreba kontaktnog materijala otpornijeg na luk;
• upotreba kontaktnog materijala sa većim potencijalom jonizacije;
• upotreba lučnih mreža (prekidač, elektromagnetski prekidač).
• Princip primjene supresije luka na rešetkama temelji se na korištenju efekta pada u luku blizu katode (veći dio pada napona u luku je pad napona na katodi; lučna rešetka je zapravo serija uzastopnih kontakata za luk koji je tamo stigao).
• upotreba komora za gašenje luka - ulazak u komoru napravljenu od materijala otpornog na luk, na primjer, plastike liskuna, s uskim, ponekad cik-cak kanalima, luk se rasteže, skuplja i intenzivno hladi od kontakta sa zidovima komora.
• upotreba "magnetne eksplozije" - budući da je luk visoko ioniziran, onda se u prvoj aproksimaciji može smatrati fleksibilnim vodičem sa strujom; Stvaranjem magnetnog polja sa specijalnim elektromagnetima (povezanim u seriju sa lukom), luk se može pomerati da ravnomerno raspoređuje toplotu preko kontakta, i da ga utera u lučni otvor ili rešetku. Neki dizajni prekidača stvaraju radijalno magnetno polje koje luku daje obrtni moment.
• premošćivanje kontakata u trenutku otvaranja energetskim poluprovodničkim prekidačem sa tiristorom ili triakom koji je paralelno priključen na kontakte; nakon otvaranja kontakata poluprovodnički prekidač se isključuje u trenutku prelaska napona nule (hibridni kontaktor, tirikon) .

Bilješke (uredi)

• Električni luk - članak iz Velike sovjetske enciklopedije.
• Varničko pražnjenje - članak iz Velike sovjetske enciklopedije.
• Raizer Yu. P. Fizika gasnog pražnjenja. - 2. izd. - M.: Nauka, 1992.-- 536 str. - ISBN 5-02014615-3.
• Rodshtein L.A. Električni uređaji, L 1981