Высокоскоростная фотография электрической дуги в магнитном поле

Электрическая дуга

Возникновение электрической дуги и её свойства, процессы вызывающие рождение и поддерживающие горение, а также конструктивные решения в коммутационных аппаратах для гашения дугового разряда.

Краткое содержание статьи:

Свойства электрической дуги или дугового разряда

В электротехнике (автоматические выключатели, рубильники, контакторы) при выключении нагруженной цепи рождается электрическая дуга.
 
Установим ограничения: далее описываются процессы характерные для аппаратов с номинальными токами от 1 до 2000 ампер и предназначенных для работы в сетях с напряжением до 1000 вольт (низковольтная аппаратура). Для высоковольтной аппаратуры существуют другие условия возникновения и горения дуги.
 

Важные параметры электрической дуги:

  • дуговой разряд способен развиться исключительно при высоких токах (для металла этот ток составляет 0,5 ампера);
  • температура в стволе дуги значительная и составляет порядка 6-18 тысяч кельвинов (зачастую 6-10 тысяч кельвинов);
  • снижение напряжения у катода незначительно и равно 10-20 вольтам.

Дуговой разряд условно разделяют на три зоны:

  • околокатодную;
  • ствол дуги (основная часть);
  • околоанодную.
В выделенных зонах ионизация и деионизация проходят различно:
  • ионизация – процесс распадения нейтрального атома на отрицательный электрон и положительный ион;
  • деионизация – процесс противоположный ионизации (антоним), при котором происходит слияние электрона и иона в нейтральную частицу.

В 2-минутном видеоролике представлена замедленная съёмка гашения электрической дуги в модульном автоматическом выключателе производства ABB:
 

 
 

Процессы сопутствующие рождению электрической дуги

На начальном этапе разведения главных контактов дуга зарождается при следующих процессах:
  • термоэлектронная эмиссия (освобождение отрицательных электронов из разогретой поверхности контакта);
  • автоэлектронная эмиссия (отрыв электронов из катода под влиянием значительного электрического поля).
Термоэлектронная эмиссия. При разрыве контактов в районе последней площадки контакта образуется зона с расплавленной медью с соответствующей температурой. Медь испаряется на отрицательном электроде из так называемого катодного пятна, которое является источником свободных электронов. На данный процесс оказывают влияние: температура и металл контактных поверхностей; он является достаточным для рождения электрической дуги, но не достаточным для поддержания её горения.
 
Автоэлектронная эмиссия. Воздушное пространство между контактами можно рассматривать как своеобразный конденсатор, ёмкость которого в первое мгновение неограниченна, а далее сокращается в зависимости от растущего разрыва между подвижным и неподвижным контактом. Описанный конденсатор постепенно подзаряжается и напряжение в нём сравнивается с напряжением главной цепи. Напряжённость электрического поля доходит до величин, при которых возникают условия для выхода электронов из поверхности не нагретого катода.
 
Соотношение влияния описанных процессов на зарождение дуги зависит от силы выключаемого тока, металла контактной группы, чистоты контактной поверхности, скорости разъединения контактов и иных факторов. Доминирование одного вида эмиссии над другим индивидуально.
 
 

Процессы поддерживающие горение дуги.

При помощи следующих механизмов взаимодействия частиц создаются условия для горения разряда:
  • ионизация толчком (разогнанный электрон врезается в нейтральную частицу и «выбивает» и неё электрон);
  • тепловая ионизация (разрушение нейтральных атомов значительными температурами).
Ионизация толчком. Свободный электрон с определённой скоростью способен разбить нейтральную частицу на электрон и ион. Вновь полученный электрон способен разорвать внутренние связи у следующей частицы, в результате получается цепная реакция. Скорость электрона является функцией от разности потенциалов на участке движения (достаточный потенциал для выбивания электрона: 13 - 16 вольт для кислорода, водорода, азота; 24 вольта для гелия; 7,7 вольта для медных паров).
 
Тепловая ионизация. При высоких температурах увеличиваются скорости движения частиц в плазме, что ведёт к разрушению нейтральных атомов по принципу ионизации толчком.
 
Единовременно с процессами ионизации проходят процессы деионизации за счёт рекомбинации (взаимный контакт «-» и «+» частиц ведёт к слиянию их в нейтральный атом) и диффузии (выход из ствола дуги электронов во внешнюю среду, где в нормальных условиях происходит их поглощение).
 
Существенным фактором для продолжения горения дуги в нашем случае является тепловая ионизация, поэтому для гашения разряда применяется охлаждение его ствола (контакт с материалом высокой теплопроводности), а также удлинение самой дуги в отведённом ей пространстве.
 
 

Методы гашения электрической дуги

Чтобы ограничить негативное воздействие электрической дуги на контакты коммутационного аппарата и его узлы, следует за кратчайшее время погасить дугу. К отрицательным воздействиям относят:
  • высокие температуры (оплавление, испарение контактного материала);
  • создание перешейков-проводников электрического тока (дуга легко проводит ток, поэтому может провести его на участки, которые не проводят ток при нормальной работе);
  • нарушение нормальной электрической схемы аппарата (разрушение изоляции).
Дуга – это частное проявление, одного из состояний вещества, называемого плазмой. Ствол дуги имеет высокие температуры и большое количество свободных ионов. Так как основным фактором, продлевающим горение, является тепловая ионизация, то нужно интенсивно охладить ствол электрической дуги. Для этих целей в коммутационных аппаратах применяются следующие конструктивные решения:
  • магнитное дутьё или нагнетание охлаждающёй жидкости или газа для того, чтобы удлинить дугу (большая поверхность, больше отдаёт тепла);
  • деионная решётка или набор профилированных стальных пластин, которые единовременно работают радиаторами и расчленяют дугу на отдельные составляющие;
  • дугогасительная камера щелевого типа, выполненная из материала с большой теплопроводностью и стойкостью к высоким температурам (электрическая дуга, контактируя с материалом камеры, отдаёт тепловую энергию);
  • создание закрытого пространства из материала, выделяющего газ под воздействием температуры (высокое давление газов препятствует горению дуги);
  • специальные контактные сплавы для снижения содержания металлов в плазме;
  • откачивать воздух из околоконтактного пространства для создания вакуума (нет вещества – нет ионизации);
  • в аппаратах на переменный ток производить размыкание в момент перехода тока через ноль (меньше энергии для рождения дуги);
  • вводить в промежуток, между расходящимися контактами, полупроводники, которые воспримут ток и не дадут дуге разгореться;
  • применять двойной разрыв в цепи (исключая из цепи часть проводника, мгновенно и значительно увеличивается расстояние между катодом и анодом).
 

Список литературы

Марков А. М. Электрические и электронные аппараты. Часть 1. Электромеханические аппараты. – Псков: Издательство Псков ГУ, 2013 год – 128 с (ссылка на книгу на странице «Прайс-лист»).