Электрическая дуга (лекция 3)

1. Электрическая дуга

В коммутационных электрических аппаратах, предназначенных
для размыкания и замыкания цепи с током, имеют место
переходные процессы, приводящие к ряду нежелательных
явлений (ионизация газа, задержка тока и др.).
В результате этих явлений возникает разряд в газе, который
может существовать либо в виде тлеющего разряда, либо в виде
дуги.

2.

Дуговой разряд имеет следующие особенности:
• Дуговой разряд возникает только при больших токах.
Минимальный ток дуги для металлов составляет
примерно 0,5 А.
• Температура центральной части дуги в электрических
аппаратах может достигать 6 000 ... 18 000 К
(параметры низкотемпературной плазмы)
• Плотность тока на катоде чрезвычайно велика - 100 ...
1 000 А/мм
• 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 и
околоанодную.
В каждой из этих областей процессы ионизации и
деионизации протекают по-разному.

3. Околокатодная область

Околокатодная область занимает весьма небольшое
пространство, обычно не более 10-6 м.
Средняя напряженность электрического поля у катода достигает
107 В/м.
Основными носителями тока в катодной области являются
электроны, выходящие из катода. Около катода расположен
положительный объёмный заряд, создаваемый
положительными ионами.
Образующиеся электроны не создают около катода
отрицательного объёмного заряда, так как их скорость
значительно больше скорости тяжелых положительных ионов.
Положительные ионы разгоняются в поле катодного падения
напряжения и бомбардируют катод. Благодаря этому
температура катода поднимается и достигает точки испарения
материала электрода.

4. Область дугового столба

Энергия, приобретенная заряженными
частицами в электрическом поле дугового
столба, настолько мала, что практически
ионизация толчком не происходит.
При большой температуре, которая имеет место
в области дугового столба, скорость частицы
возрастает до значения, при котором удар в
нейтральный атом приводит к его ионизации.
Такая ионизация называется термической –
это основной источник ионов и электронов в
столбе дуги.

5.

Во многих дугогасительных устройствах
электрических аппаратов создаётся
повышенное давление газа, что способствует
гашению дуги.
Так как потенциал ионизации паров металла
значительно ниже потенциала ионизации
газов, то принимаются меры против попадания
металлических паров электродов в столб дуги.
Степень ионизации определяется температурой,
поэтому во всех дугогасительных устройствах
стремятся отводить тепло от дуги за счет
охлаждения движущимся воздухом или газом,
или отдачи тепла стенками дугогасительной
камеры.

6. Околоанодная область

Поток электронов из столба дуги устремляется к
положительному электроду – аноду. Анод при
дуговом разряде не излучает положительных ионов,
которые могли бы нейтрализовать электроны.
Поэтому вблизи анода создаётся отрицательный
объёмный заряд, что вызывает появление
околоанодного падения напряжения и повышения
напряженности напряженности электрического поля.
Электроны разгоняются в этом поле и приобретают
большую энергию. В результате анод нагревается до
очень высокой температуры, которая не оказывает
существенного влияния на возникновение и условие
существования дугового разряда.
Роль анода сводится к приёму электронного потока из
дугового разряда.

7. Способы гашения электрической дуги

• Воздействие на столб электрической дуги
• Перемещение дуги под воздействием
магнитного поля
• Гашение дуги с помощью дугогасительной
решетки
• Гашение дуги высоким давлением
• Гашение в потоке сжатого газа
• Гашение в трансформаторном масле
• Гашение с помощью полупроводниковых
приборов и др.

8. Воздействие на столб электрической дуги

Задача дугогасительного устройства состоит в том,
чтобы обеспечить гашение дуги за малое время с
допустимым уровнем перенапряжением, при малом
износе частей аппарата, при минимальном объёме
раскаленных газов, с минимальным звуковым и
световым эффектами.
В электрических аппаратах низкого напряжения
широко применяются дугогасительные устройства с
узкой щелью.
Для эффективности охлаждения ширина щели делается
меньше диаметра дуги. По мере втягивания дуги в
щель она приобретает форму зигзага. При этом
увеличивается не только длина дуги, но и улучшается
её охлаждение. Перемещение дуги в такой камере
осуществляется с помощью магнитного поля.

9. Магнитное дутьё

Электрическая дуга, являясь своеобразным
проводником с электрическим током, может
взаимодействовать с магнитным полем
специальной катушки. Сила взаимодействия
между током дуги и магнитным полем
перемещает дугу, создавая так называемое
магнитное дутьё.
Дугогасительные устройства могут быть с
последовательным или параллельным
включением катушки, создающей магнитное
поле.

10.

Дугогасительные устройства с последовательным включением
катушки
Достоинства:
• устройство хорошо работает в области больших токов при любом
направлении тока;
• падение напряжения на катушке составляет доли вольта.
Недостатки:
• мало эффективно в системах с малыми токами;
• большие затраты меди на катушку;
• нагрев контактов за счет выделения тепла в дугогасительной
катушке
Дугогасительные устройства с параллельным включением
катушки
Недостатки:
• направление электродинамической силы, действующей на дугу,
зависит от полярности тока;
• при коротком замыкании в сети возможно снижение напряжения на
катушке.
Применяется только при отключении небольших токов (5…10 А).

11. Дугогасительная решетка

После размыкания силовых контактов
1 и 2, возникшая между ними дуга 4
под воздействием магнитного поля
движется вверх на пластины 3 и
разбивается на ряд коротких дуг.
На каждой пластине образуются катод и анод. Падение
напряжения на каждой паре пластин составляет 20 … 25 В.

12. Гашение дуги высоким давлением

Степень ионизации уменьшается с увеличением
давления. На этом принципе работают
практически все корпусные предохранители.
В высоковольтных коммутационных аппаратах
для гашения дуги используют потоки сжатого
воздуха или других газов.
Сжатый воздух (или газ) обладает высокой
плотностью и теплопроводностью. Омывая
дугу с большой скоростью, он охлаждает её и
при прохождении тока через нуль обеспечивает
деионизацию дугового столба.