Общие сведения

Большая группа электрических аппаратов представлена коммутационными устройствами, с помощью которых замыкается и размыкается электрическая цепь. Электрический разряд, возникающий при размыкании контактов, приводит к их износу и в значительной степени определяет надежность и долговечность аппарата. Этот разряд в окружающем контакт газе является либо тлеющим разрядом, либо электрической дугой. Тлеющий разряд возникает при отключении тока менее 0,1 А при напряжении на контактах 250—300 В. Такой разряд происходит на контактах маломощных реле, а в более мощных аппаратах является переходной фазой к разряду в виде электрической дуги. Если ток и напряжение в цепи выше определенных значений, то имеет место дуговой разряд, обладающий следующими особенностями:

– Дуговой разряд имеет место только при относительно больших токах. Минимальный ток дуги для различных материалов для металлов составляет примерно 0,5 А;

– Температура центральной части дуги очень велика и может достигать 6000—25 000 К;

– При дуговом разряде плотность тока на катоде чрезвычайно велика и достигает 102—103 А/мм²;

– Падение напряжение 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, околоанодную. В каждой из этих областей процессы ионизации и деионизации протекают по-разному.

а) Околокатодная область.

Занимает весьма небольшое пространство длиной не более 10-6 м. Около катода возникает положительный объемный заряд, создаваемый положительными ионами. Между этим положительным объемным зарядом и катодом создается электрическое поле с напряженностью до 107 В/м, в котором движутся электроны, вышедшие из катода и создающие электрический ток. Электрическое поле воздействует на электроны, увеличивая их скорость. При соударении такого электрона с нейтральной частицей может произойти ионизация, для чего электрон должен обладать определенной энергией.

Напряжение (разгоняющее напряжение), которое должен пройти электрон для приобретения энергии, необходимой для ионизации, называется потенциалом ионизации. Для газов этот потенциал колеблется от 24,58 В (гелий) до 13,3 В (водород). Пары металлов имеют значительно меньший потенциал ионизации. Так, для паров меди он равен 7,7 В.

Положительные ионы, так же как и электроны, разгоняются электрическим полем, но из-за большой массы скорость их много меньше. При ударе положительного иона о нейтральную частицу меньшая часть энергии передается на ионизацию, так что ионизация толчком происходит в основном за счет электронов.

Ввиду малой протяженности околокатодной области электроны не набирают скорости, достаточной для ионизации ударом. Чаще всего после удара атом переходит в возбужденное состояние (электрон атома переходит на более удаленную от ядра орбиту). Для ионизации возбужденного атома требуется меньшая энергия. В результате необходимый потенциал ионизации уменьшается. Такая ионизация называется ступенчатой. При ступенчатой ионизации необходим многократный удар электронов по атому: на каждый образующийся положительный ион требуются десятки электронов. Поэтому ток около катода, несмотря на наличие положительных ионов, носит электронный характер.

Образующиеся электроны не создают около катода отрицательного объемного 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. При высоких температурах появляется термоэлектронная эмиссия катода, которая в сильной степени зависит от температуры электрода. Проведенные исследования также показали, что дуга может существовать только за счет автоэлектронной эмиссии, создаваемой у катода электрическим полем.

б) Область дугового столба

Энергия, приобретенная заряженными частицами в электрическом поле дугового столба, столь 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. Основным источником ионов и электронов в столбе дуги является термическая ионизация. Чем меньше масса частицы, тем больше ее скорость движения. Таким образом, с ростом давления степень ионизации уменьшается. В связи с этим во многих дугогасящих устройствах (ДУ) электрических аппаратов создается повышенное давление газа, что способствует гашению дуги. Очень сильное влияние на ионизацию оказывает температура. Для большого числа двухатомных газов из-за ступенчатой ионизации процесс образования ионов начинается при температурах 6-103 К. Пары металла ионизируются значительно легче. Заметная ионизация начинается уже при температурах 3000—4000 К. Поэтому в ДУ необходимы меры против попадания металлических паров электродов.

в) Энергетический баланс дуги.

Процесс ионизации и процесс деионизации в значительной степени определяются температурой дугового промежутка. Последняя зависит от количества тепла, выделяемого в дуге и отводимого от дуги. Охлаждение дуги происходит за счет излучения, теплопроводности и конвекции. Для открытой дуги, горящей в воздухе, излучением отдается 15—30 % выделяемой в дуге энергии. Для дуги, горящей в закрытом ДУ, доля тепла, отдаваемого лучеиспусканием, меньше. Отвод тепла за счет теплопроводности газа в значительной степени зависит от его температуры. Так, при температуре 4000 К молекулы водорода диссоциируют на атомы. При этом от дуги отводится большое количество тепла. Внешне этот процесс представляется как резкое увеличение теплопроводности. Теплопроводность газа сильно зависит от его природы. Так, средняя теплопроводность водорода в 17 раз больше, чем воздуха. Благодаря своей высокой теплопроводности при прочих равных условиях водород способствует более быстрому охлаждению столба дуги. Ток, отключаемый в атмосфере водорода, в 7,5 раза больше, чем в воздухе при том же давлении. При горении дуги в трансформаторном масле последнее разлагается с выделением водорода, что способствует эффективному гашению дуги. В некоторых аппаратах под действием магнитного поля дуга перемещается с большой скоростью относительно воздуха, что приводит к ее охлаждению за счет конвекции. Этот вид теплоотдачи наряду с теплопроводностью является определяющим для процесса гашения.

г) Околоанодная

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 создается отрицательный объемный заряд, что и вызывает появление околоанодного падения напряжения и повышение напряженности электрического поля. Околоанодное падение напряжения зависит от температуры анода, его материала и значения тока. Электроны разгоняются в поле, образованном отрицательным объемным зарядом и анодом. Энергия, приобретенная электронами, отдается аноду. Благодаря большой энергии электронов анод нагревается до очень высокой температуры, которая, как правило, выше температуры катода. Мощный поток электронов выбивает из анода электроны, которые также участвуют в создании отрицательного объемного заряда. Высокая температура анода и околоанодная область не оказывают существенного влияния на возникновение и условия существования дугового разряда. Роль анода сводится к приему электронного потока из дугового столба. Для дуги большого тока околоанодное падение напряжения столь мало, что им можно пренебречь. Распределение напряжения, напряженности электрического поля (градиента) и производной, пропорциональной объемному заряду а в дуге, представлено на рис.4.1.

Падение напряжения у катода составляет 10—20 В и зависит от материала катода и свойств газа, в котором горит дуга. Околокатодное падение напряжения несколько меньше потенциала ионизации газа из-за наличия около катода его паров, у которых потенциал ионизации значительно ниже. Околоанодное падение напряжения составляет 5—10 В. При больших токах околоанодное напряжение уменьшается, в то время как околокатодное напряжение остается постоянным.

Рис. 4.1. Распределение напряжения, напряженности электрического поля и объемных зарядов в электрической дуге

В некоторых аппаратах низкого напряжения длина дуги невелика. Падение напряжения на столбе дуги мало по сравнению с суммой падения напряжения у катода и анода. Такие дуги называются короткими. Условия гашения короткой дуги в значительной степени определяются процессами, происходящими у электродов, и условиями их охлаждения. В аппаратах высокого напряжения падение напряжения на столбе дуги значительно больше околоэлектродных, и последними можно пренебречь. Условия существования таких дуг, называемых длинными, определяются процессами в столбе дуги.

Дуга постоянного тока.

1)ВАХ дуги постоянного тока. Электрическая дуга между контактами загорается при некотором напряжении зажигания . Оно зависит от расстояния между контактами, от температуры и давления среды, окружающей дугу, от температуры и материала контактов и др. По мере увеличения тока дуги, напряжение на ней уменьшается (рис.4.2).

Рис.4.2. ВАХ дуги постоянного тока.

Это обусловлено интенсивностью процессов ионизации. Напряжение на дуге при уменьшении тока до нуля называется напряжением гашения . Это напряжение всегда меньше напряжения зажигания . Это объясняется большим нагревом и инерционностью тепловых процессов. Чем большей теплопроводностью и теплоемкостью обладает материал контактов и сама дуга, тем меньше будет разница между  и  . Напряжение на дуге  является функцией тока дуги, расстояния между контактами и физических свойств контактов

 Рассмотрим процесс гашения электрической дуги при отключении цепи постоянного тока, состоящей из источника с напряжением U, сопротивления R, индуктивности L и коммутационного аппарата с напряжением на дуге  (рис. 4.3. а).

При замкнутых контактах коммутационного аппарата =0. Уравнение отключаемой цепи имеет вид

При устойчивом горении дуги, когда ток не изменяется, уравнение будет иметь вид

(15)

Если это равенство не будет удовлетворяться, то при условии появляется положительная ЭДС самоиндукции

( )и ток будет увеличиваться.

Рис. 4.3. К определению условия гашения дуги постоянного тока

Графически уравнение равновесия напряжений представлено на рис. 4.3. Прямая параллельная оси абсцисс, соответствует напряжению источника U, а прямая, проведенная под углом к оси абсцисс, соответствует падению напряжения на сопротивлении R. Кривая 1 представляет статическую ВАХ дуги. Отрезки, заключенные между кривой   и прямой (U - iR), соответствуют . ВАХ дуги и прямая (U - iR) пересекаются в точках А и В. Уравнение выполняется лишь в этих двух точках. Действительно, если по каким либо причинам произойдет увеличение тока IB, то в цепи возникает положительная ЭДС самоиндукции ( ), уменьшающая ток до значения IB. Наоборот, при уменьшении тока IB в цепи возникает отрицательная ЭДС самоиндукции (- ), которая будет увеличивать ток до значения IB. Таким образом, точка B является точкой устойчивого горения дуги. Анализируя аналогичным образом изменение тока в точке А, можно сделать вывод, что точка А является точкой неустойчивого горения дуги, так как при уменьшении тока IA отрицательная ЭДС самоиндукции (- ) будет уменьшать ток до нуля и дуга погаснет. Таким образом, электрическая дуга постоянного тока погаснет, если будет ликвидирована точка устойчивого горения (точка В), т. е., если ВАХ дуги будет лежать выше прямой (U - iR) и не будет с ней пересекаться. Отсюда следует, что выражение характеризует условие гашения дуги постоянного тока. Достигнуть этого можно либо увеличением сопротивления R, либо повышением падения напряжения на дуге. В первом случае увеличивается угол наклона прямой . Во втором случае ВАХ поднимается выше. В дугогасительных устройствах применяются следующие способы, позволяющие повысить падение напряжения на дуге:

1)растягивание дуги, при этом ВАХ перемещается параллельно самой себе в сторону больших падений напряжений;

 2) деление дуги на ряд коротких дуг, при этом используются околоэлектродные падения напряжения;

3) повышение давления газов в дуговом промежутке;

4) движение дуги в газовой среде, или наоборот, обдувание дуги газами;

 5) соприкосновение дуги с поверхностью твердого изоляционного материала. Последние три метода повышают падение напряжения на дуговом промежутке за счет увеличения градиента напряжения в стволе дуги.

Перенапряжения при отключении дуги постоянного тока. В момент погасания дуги, когда ток равен нулю, напряжение на дуговом промежутке равно напряжению гашения Uг . В этом случае уравнение принимает вид

Отсюда

Но так как <0, то можно записать

Таким образом, в момент гашения дуги напряжение на контактах равно напряжению источника плюс модуль напряжения на индуктивности. Увеличение напряжения на контактах относительно напряжения источника питания называется перенапряжением. Чем больше индуктивность коммутируемой цепи, чем больше скорость спада тока в момент гашения, тем больше перенапряжение на контактах коммутирующего аппарата. Скорость спада тока (di/dt) зависит от скорости роста сопротивления дугового промежутка, от скорости его деионизации. Поэтому, быстродействующие аппараты при отключении цепи постоянного тока могут давать большие перенапряжения. Эти перенапряжения могут в десятки раз превышать напряжение источника.

4.3. Дуга переменного тока при отключении активной нагрузки

ВАХ переменного тока. Переменный ток изменяется настолько быстро, что на процессы в дуге сказывается инерционность тепловых и ионных процессов. По мере нарастания тока напряжение на межконтактном промежутке возрастает и при Uз дуга загорается.

Рис. 4.4. Диаграмма напряжений на дуге переменного тока

После этого, несмотря на увеличение тока дуги, напряжение уменьшается и на протяжении большей части полупериода остается практически постоянным. В области близкой к переходу тока через нулевое значение напряжение на дуге вновь увеличивается и к моменту гашения дуги оно достигает напряжения гашения Uг (рис. 4.5). Вольтамперная характеристика дуги переменного тока имеет вид, показанный на рис. 4.5.

Рис. 4.5. ВАХ дуги переменного тока

В большинстве случаев, в конце и в начале каждого полупериода величина тока в дуге изменяется не по синусоидальному закону, а по закону Ома. В этот момент сопротивление дугового промежутка резко увеличивается, что приводит к ступенчатому уменьшению тока, практически до нуля. В результате, величина этого тока в течение некоторого промежутка времени до его естественного прохождения через нуль и после становится очень малой (рис. 4.6.). Этот промежуток называется бестоковой паузой t_п. Она зависит: от величины тока, напряжения, постоянных цепи (RLC) и от процессов внутри дугового промежутка. 6

Рис. 4.6. Бестоковая пауза

При частоте 50 Гц ток в дуге меняется достаточно быстро, и происходящие в ней процессы необходимо рассматривать с помощью динамической ВАХ. При синусоидальном токе напряжение на дуге (рисунок 4.7.,а) сначала поднимается до точки 1, затем в связи с ростом тока падает до точки 2. После прохождения тока через максимум динамическая ВАХ поднимается и проходит через точку 3 в связи с уменьшением тока. В отрицательный полупериод процесс повторяется. При высокой частоте тока динамическая ВАХ описывается кривыми 4 и 5. Зависимости изменения тока в дуге и напряжения на ней во времени представлены на рис 4.7.,б. При высокой частоте форма напряжения на дуге (кривая 2) приближается к форме тока. Рассмотрим отключение цепи с чисто активной нагрузкой при cosφ=1. Пусть контакты аппарата разошлись в точке а (рисунок 4.7) и между ними загорелась дуга. К концу полупериода из-за уменьшения тока и воздействия дугогасительного устройства (ДУ) сопротивление дугового промежутка и напряжение на дуге увеличиваются. При подходе тока к нулю к дуге подводится малая мощность, температура ее уменьшается, что, с одной стороны, ведет к замедлению термической ионизации, с другой - способствует деионизации. Все это приводит к погасанию дуги. Напряжение, при котором дуга гаснет, называется напряжением или пиком гашения U₂. Резкий рост напряжения к концу полупериода ведет к тому, что ток в цепи обрывается до своего естественного прохождения через нуль.

               Рис 4.7. Динамическая характеристика дуги переменного тока

           Рис 4.8. Процесс отключения активной нагрузки переменного тока.

             В процессе гашения дуги число заряженных частиц в области дугового промежутка уменьшается, и его сопротивление после гашения дуги резко возрастает. При этом возрастает и электрическая прочность промежутка, т.е. напряжение, при котором происходит его электрический пробой. После прохождения напряжения через нуль электрическая прочность промежутка начинает нарастать не с нуля, а со значения, соответствующего точке  (начальная прочность промежутка). Начальная прочность и дальнейший рост прочности зависят от свойств ДУ. Чем эффективнее ДУ, тем больше прочность и круче идет ее нарастание. Пусть прочность промежутка восстанавливается по кривой . Тогда в момент времени   эта кривая пересечется с кривой напряжения на промежутке и дуга загорится вновь. Напряжение называется напряжением зажигания. Напряжение, появляющееся на контактах после прохождения тока через нуль, называется восстанавливающимся. Оно зависит от напряжения источника и параметров отключаемой цепи. В данном случае при чисто активной цепи (cosφ=1) после прохождения тока через нуль к контактам приложено синусоидальное напряжение источника. В точке дуга вновь гаснет, и происходят процессы, аналогичные описанным ранее. В этой точке при подходе тока к нулю дуга имеет более высокую температуру по сравнению с температурой к концу бестоковой паузы . Поэтому всегда пик гашения дуги меньше пика зажигания. К моменту вследствие расхождения контактов длина дуги возрастает и увеличивается интенсивность воздействия ДУ. В результате и начальная прочность промежутка и крутизна ее нарастания в точке больше, чем в точке O (кривая ). Поэтому пауза тока  увеличивается по сравнению с . Однако и в этом нуле тока гашение дуги не произошло, и она загорелась вновь. Из-за возросшей длины дуги вследствие расхождения контактов. напряжение на дуге в этом полупериоде больше, чем в предыдущем. Окончательное гашение дуги происходит в точке . Для случая, когда электрическая прочность промежутка растет по кривой , гашение дуги происходит при первом же прохождении тока через нуль. В некоторых ДУ после возникновения дуги ее сопротивление так быстро возрастает, что ток в цепи начинает уменьшаться за счет этого сопротивления и не достигает установившегося значения (на постоянном токе) и амплитуды (на переменном токе). Такой процесс отключения называется процессом с токоограничением.