lightanddesign.ru
You might also like
Дуговой процесс и как его отключить
При размыкании электрической цепи возникает электрический разряд в виде дуги. Для возникновения дугового разряда напряжение между контактами должно превышать 10 В, а ток в цепи должен быть порядка 0,1 А или более. При высоких напряжениях и токах температура в дуге может достигать 3-15 000°C, что приводит к расплавлению контактов и зарядной части.
При напряжении выше 110 кВ длина дуги может составлять несколько метров. Поэтому дуга представляет собой серьезную опасность, особенно в мощных цепях свыше 1 кВ, но серьезные последствия могут возникнуть и в системах с напряжением ниже 1 кВ. Поэтому в цепях с напряжением выше и ниже 1 кВ дуга должна быть максимально ограничена и быстро погашена.
Причины возникновения дуг
Процесс горения дуги можно кратко описать следующим образом Разделение контактов сначала уменьшает контактное давление и, следовательно, площадь контакта, увеличивает контактное сопротивление (плотность тока и температуру — локальный перегрев (часть площади контакта)) и способствует тепловой эмиссии электронов. Высокая температура увеличивает скорость электронов, когда они отлетают от поверхности электрода.
В момент разделения контактов, т.е. пробоя цепи, на обоих концах контактного промежутка быстро возникает напряжение. Из-за малого расстояния между контактами создается электрическое поле высокой напряженности, и электроны выбрасываются с поверхности электродов. Они ускоряются под действием электрического поля и высвобождают кинетическую энергию при столкновении с нейтральными атомами. Если этой энергии достаточно для удаления хотя бы одного электрона из оболочки нейтрального атома, происходит ионизация.
Образующиеся свободные электроны и ионы составляют плазму тела дуги. Другими словами, дуга горит и представляет собой ионизационный канал, в котором обеспечивается непрерывное движение частиц. Отрицательно заряженные частицы, в основном электроны, движутся в одном направлении (к аноду), а атомы и молекулы газа, не имеющие одного или нескольких электронов (положительно заряженные частицы), движутся в противоположном направлении (к катоду). Проводимость плазмы близка к проводимости металлов.
По оси дуги протекает большой ток и создается высокая температура. Такая температура в сердцевине дуги приводит к термической ионизации — процессу образования ионов в результате столкновения быстро движущихся молекул и атомов с высокой кинетической энергией (молекулы и атомы среды, в которой горит дуга, распадаются на электроны и положительно заряженные ионы). Сильная термизация обеспечивает сохранение высокой проводимости плазмы. Таким образом, падение напряжения по всей длине дуги невелико.
В электрической дуге постоянно происходят два процесса. Помимо ионизации, происходит также деионизация атомов и молекул. Последнее происходит в основном путем диффузии, т.е. переноса заряженных частиц в окружающую среду, и рекомбинации электронов и положительно заряженных ионов. Они рекомбинируют в нейтральные частицы с энергией, затраченной на их распад. Во время этого процесса тепло рассеивается в окружающую среду.
Поэтому можно выделить три стадии этого процесса. зажигание дуги, когда дуговой разряд инициируется ударной ионизацией и эмиссией электронов с катода, а интенсивность ионизации выше интенсивности деионизации; зажигание дуги, когда интенсивность ионизации и деионизации при непрерывном горении одинакова; и поддержание дуги за счет тепловой ионизации в стволе дуги, когда интенсивность деионизации выше интенсивности ионизации Закалка дуги.
Методы гашения дуги в электрических распределительных устройствах
Для отключения элементов электрической цепи и предотвращения повреждения коммутационных аппаратов необходимо не только разомкнуть контакты, но и погасить дугу между ними. Процессы гашения и горения дуги отличаются для переменного и постоянного токов. Это связано с тем, что в первом случае ток дуги проходит через ноль каждые полцикла. В этих точках выделение энергии в дуге прекращается, и дуга самопроизвольно гаснет, а затем каждый раз зажигается вновь.
На практике ток дуги несколько уменьшается до нуля, прежде чем пересечь нулевую отметку. Это объясняется тем, что при уменьшении тока уменьшается энергия, подводимая к дуге, соответственно снижается температура дуги и прекращается термическая ионизация. В то же время в дуговом промежутке происходит интенсивный процесс деионизации. Если в этот момент контакты размыкаются и быстро размыкаются, то последующего электрического повреждения не происходит, и цепь исчезает без образования дуги. Однако на практике этого очень трудно добиться, поэтому принимаются специальные меры для ускорения гашения дуги путем охлаждения пространства дуги и уменьшения количества заряженных частиц.
Деионизация приводит к постепенному увеличению электрического сопротивления зазора и, в то же время, к увеличению напряжения восстановления зазора. Корреляция между этими двумя величинами определяет, загорится ли дуга в следующем полуцикле. Если мощность промежутка увеличивается быстрее и превышает напряжение восстановления, дуга не зажигается вновь. В противном случае будет происходить устойчивое горение дуги. Первое условие определяет задачу гашения дуги.
Коммутационные устройства используют различные методы для гашения дуги.
Если в процессе резки контакты смещаются, то возникающая дуга растягивается. Это увеличивает площадь поверхности дуги и напряжение, необходимое для зажигания, тем самым улучшая охлаждение дуги.
Разделение большой дуги на ряд меньших дуг
Если дуга, образующаяся при размыкании контакта, разделится, например, на несколько более мелких дуг, она исчезнет, если потянуть за металлическую сетку. Дуга обычно втягивается в металлическую решетку под действием электромагнитного поля, индуцированного в пластине решетки вихревыми токами. Этот метод гашения дуги широко используется в распределительных устройствах с напряжением ниже 1 кВ, особенно в воздушных выключателях.
Дуги гаснут в узких щелях.
Небольшое подавление дуги достигается легко. По этой причине в автоматических выключателях широко используются дугогасительные камеры с продольными прорезями (ось этих прорезей совпадает с осью дугогасительной камеры). Этот зазор обычно формируется в камере, изготовленной из изоляционного, дугостойкого материала. При контакте дуги с холодной поверхностью происходит интенсивное охлаждение, заряженные частицы диффундируют в окружающую среду и, соответственно, быстро деионизируются.
Помимо пазов с плоскими параллельными стенками, используются также пазы с ребрами, выступами и расширениями (карманами). Все это приводит к деформации ствола дуги и увеличивает поверхность контакта между дугой и холодными стенками камеры.
Дуга обычно втягивается в узкую щель под действием магнитного поля, взаимодействующего с дугой. Это можно представить как проводник, по которому течет ток.
Внешнее магнитное поле для перемещения дуги чаще всего обеспечивается катушкой, подключенной последовательно с контактами, между которыми возникает дуга. Узкощелевое гашение дуги используется во всех устройствах напряжения.
Подавление дуги высокого давления
При постоянной температуре степень ионизации газа уменьшается по мере повышения давления и увеличения теплопроводности газа. При прочих равных условиях это увеличивает охлаждение дуги. Гашение дуги за счет высокого давления, создаваемого самой дугой в закрытой камере, широко используется в предохранителях и многих других устройствах.
Гашение дуги в масле.
Если контакты выключателя погружены в масло, то дуга, возникающая при размыкании контактов, вызывает сильное испарение масла. В результате вокруг дуги образуются пузырьки воздуха (наплавка). Он состоит в основном из водорода (70-80%) и паров нефти. Выпущенный газ с высокой скоростью проникает непосредственно в область дуги, вызывая смешение холодных и горячих газов внутри пузыря, обеспечивая интенсивное охлаждение и приводя к деионизации дугового промежутка. Кроме того, деионизирующая способность газов увеличивается за счет давления внутри пузырьков, возникающего в результате быстрого разложения масла.
Чем выше интенсивность процесса сбрасывания масла, тем легче дуге войти в контакт с маслом и тем быстрее масло движется против дуги. По этой причине дуговой промежуток ограничивается закрытыми, изолированными устройствами (дугогасительными камерами). В этих камерах создается более тесный контакт между маслом и дугой, создается рабочий канал, по которому масло и газ движутся, через изоляционную пластину и выпускные отверстия, обеспечивая интенсивный обдув (дутье) дуги.
Существуют три основные группы дугогасительных камер, в зависимости от принципа работы. При автоматической продувке высокое давление и скорость газа в зоне дуги создается за счет энергии, выделяемой дугой. Специальные гидравлические дутьевые механизмы — с магнитным гашением масла, где дуга перемещается в узкую щель под действием магнитного поля.
Наиболее эффективной и простой является саморасширяющаяся камера пожаротушения. В зависимости от положения выпускного канала и диафрагмы камеры можно разделить на камеры с интенсивным продуванием газопаровыми и масляными потоками вдоль дуги (продольное продувание) или поперек дуги (поперечное продувание). Эти методы гашения дуги широко используются в автоматических выключателях с напряжением выше 1 кВ.
Другие методы гашения дуги устройств, рассчитанных на напряжение выше 1 кВ
В дополнение к вышеуказанным способам гашения дуги, сжатый воздух используется для продувки поперек или через дугу, значительно охлаждая дугу (вместо воздуха используются другие газы, часто из твердых материалов, выделяющих газы, таких как текстиль, винипласт и т.д.) — более высокая диэлектрическая прочность, чем у воздуха или водорода Поэтому дуги, горящие этим газом, довольно быстро гаснут даже при атмосферном давлении, а высокоразрядные газы (пробоины) не зажигаются вновь. Он загорается (гаснет) после первого перехода тока через ноль при размыкании контактов.
Если вам понравилась эта статья, не стесняйтесь поделиться ею в социальных сетях. Это очень поможет нам в развитии нашего сайта!
