При розмиканні контактів вимикача ток не переривається. Відповідно до закону Ленца в ланцюзі виникає ЕРС Е L \u003d -Ldi / dt, що перешкоджає зміні струму. Останній знаходить для себе шлях через газовий проміжок між розбіжними контактами вимикача, який перекривається електричною дугою. Щоб перервати струм, дуга повинна бути погашена. У ланцюгах змінного струму сприятливі умови для гасіння дуги виникають кожного разу, коли струм приходить до нуля, тобто 2 рази протягом кожного періоду. Діаметр дугового стовпа, температура і іонізація газу різко зменшуються. В деякий момент часу струм приходить до нуля і дугового розряд припиняється. Однак ланцюг ще не перервана.

Після нуля струму в газовому проміжку, ще в деякій мірі ионизованном, триває процес деионизации, тобто процес перетворення його з провідника в діелектрик, а в електричному ланцюзі починається процес відновлення напруги на контактах вимикача від відносно невеликого напруги на дузі до напруги мережі. Ці процеси взаємопов'язані. Результат взаємодії дугового проміжку з електричним колом залежить від співвідношення між енергією, що підводиться до проміжку, і втратами енергії в ньому, залежними від дугогасительного пристрою вимикача.

Якщо протягом усього перехідного процесу втрати енергії переважають, дуга не виникне знову і ланцюг буде перервана. В іншому випадку дуга виникне знову і струм буде проходити ще протягом половини періоду, після чого процес взаємодії повториться. Функція вимикача полягає не стільки в тому, щоб «погасити» дугу, а скоріше в тому, щоб виключити можливість її нового запалювання шляхом ефективної деионизации проміжку різними штучними засобами. При цьому використовується виняткове властивість газу - швидко, протягом декількох мікросекунд, перетворюватися з провідника в діелектрик, здатний протистояти відновлюється напрузі мережі.

Для розуміння пристрою і роботи вимикачів необхідно ознайомитися з фізичними процесами в дуговому проміжку в процесі відключення. У цій статті розглянуті методи гасіння дуги в повітряних і масляних вимикачах.

Фізичні процеси в дуговому проміжку вимикача при високому тиску

Електричною дугою, точніше дуговим розрядом, називають самостійний розряд в газі, тобто розряд, що протікає без зовнішнього іонізатора, що характеризується великою щільністю струму і відносно невеликим падінням напруги у катода. Нижче розглянута дуга високого тиску, тобто дугового розряд при атмосферному і більш високому тиску.

Розрізняють такі області дугового розряду:

• область катодного падіння напруги;
• область у анода;
• стовп дуги.

Область катодного падіння напруги являє собою найтонший шар газу у поверхні катода. Падіння напруги в цьому шарі становить 20-50 В, а напруженість електричного поля досягає 10 5 10 6 В / см. Енергія, що підводиться з мережі до цієї області, використовується на виділення електронів з поверхні катода.

Механізм звільнення електронів може бути двояким:

• термоелектронна емісія при тугоплавких і вогнетривких електродах (вольфрам, вугілля), температура яких може досягти 6000 К і вище
• автоелектронна емісія, тобто виривання електронів з катода дією сильного електричного поля при «холодному» катоді.

Щільність струму на катоді досягає 3000-10000 А / см 5. Струм зосереджений на невеликій яскраво освітленій майданчику, що отримала назву катодного плями. Звільнитися електрони рухаються через дугового стовп до анода.

У анода позитивні іони набувають прискорення в напрямку до катода. Електрони йдуть в анод і утворюють в тонкому шарі негативний заряд. Падіння напруги у анода становить 10-20 В.

Процеси в дуговому стовпі представляють найбільший інтерес при вивченні вимикачів, оскільки для гасіння дуги використовують різні види впливу саме на дугового стовп. Останній являє собою плазму, тобто іонізований газ з дуже високою температурою і однаковим змістом електронів і позитивних іонів в одиниці об'єму.

Високу температуру в дуговому стовпі створюють і підтримують електрони і іони, які беруть участь в тепловому хаотичному русі нейтральних молекул і атомів, але мають також спрямований рух в електричному полі уздовж осі дуги, яке визначається знаком заряду частинок. Цьому руху перешкоджає нейтральний газ. Відбуваються часті зіткнення електронів та іонів з нейтральними частинками. Оскільки довжина вільного пробігу електронів при високому тиску мала, втрата енергії при пружних зіткненнях з молекулами і атомами, яка припадає на кожне зіткнення, мала і недостатня для іонізації часток. Однак число зіткнень, що зазнають електронами, дуже велике. Таким чином енергія електронів передається нейтральному газу у вигляді тепла.

Середня енергія «електронного газу» не може скільки-небудь помітно перевищити середню енергію нейтрального газу, оскільки додаткова енергія, що купується електронами і іонами в своєму направленому русі вздовж осі лугового стовпа, мала в порівнянні з тепловою енергією газу. Отже, іони, електрони, а також нейтральні атоми і молекули перебувають у тепловій рівновазі. При цьому питома іонізація дугового стовпа повністю визначається температурою і при зміні однієї з цих величин неминуче змінюється і інша.

Оскільки при високому тиску газу атоми і молекули переважним чином переважають над електронами і мають майже ту ж високу температуру, велика частина порушених і іонізованих атомів і молекул виходить при зіткненнях між нейтральними частинками, а не при зіткненнях з електронами. Таким чином, електрони іонізують не безпосереднє при зіткненнях з нейтральними частинками (як це відбувається у вакуумі), а опосередковано, підвищуючи температуру газу в дуговому стовпі. Такий механізм іонізації називають термічної іонізацією. Джерелом енергії, необхідної для термічної іонізації, є електричне поле.

У дуговому стовпі є втрати енергії, які в сталому стані врівноважуються енергією, одержуваної з мережі. Основна частина енергії несеться з дугового стовпа збудженими і іонізованих атомів і молекулами. Внаслідок різниці концентрацій заряджених частинок в дуговому стовпі і навколишньому просторі, а також різниці температур іони дифундують до поверхні дугового стовпа, де відбувається їх нейтралізація. Ці втрати повинні компенсуватися утворенням нових іонів і електронів, пов'язаних з витратою енергії. У сталому стані градієнт напруги в стовпі дуги завжди такий, що має місце іонізація компенсує втрати електронів через рекомбінацію. Градієнт напруги залежить від властивостей газу, стану, в якому він знаходиться (спокійне, турбулентний), а також від тиску і струму. При підвищенні тиску газу градієнт напруги збільшується внаслідок зменшення вільного пробігу електронів. Зі збільшенням струму градієнт напруги зменшується, що пояснюється збільшенням площі перетину і температури дугового стовпа. Дугового стовп прагне прийняти таке перетин, щоб в розглянутих умовах втрати енергії були мінімальні.

Залежність градієнта напруги Е \u003d dU / dl в стовпі дуги від струму при дуже повільній зміні останнього являє собою статичну характеристику дуги (рис.1, а), що залежить від тиску і властивостей газу.

Рис.1. Вольт-амперні характеристики дуги:
а - статична характеристика;
б - динамічні характеристики

У сталому стані кожній точці характеристики відповідають деякий перетин і температура дугового стовпа. При зміні струму дугового стовп повинен змінити своє перетин і температуру відповідно до нових умов. Ці процеси вимагають часу, і тому нове сталий стан настає не відразу, а з деяким запізненням. Це явище називають гистерезисом.

Припустимо, що струм раптово змінився від значення I 1 (точка 1) до значення I 2 (точка 2). У перший момент дуга збереже свої перетину і температуру, а градієнт зменшиться (точка 2 "). Подводимая потужність буде менше необхідної для проведення струму I 2. Тому перетин і температура почнуть зменшуватися, а градієнт збільшуватися, поки не настане нове сталий стан в точці 2 на статичній характеристиці. При раптовому збільшенні струму від значення I 1 до значення I 3 градієнт напруги збільшиться (точка 3 "). Підводиться до дузі потужність буде більше необхідної для проведення струму I 3. Тому перетин і температура стовпа почнуть збільшуватися, а градієнт напруги зменшуватися, поки не настане нове сталий стан в точці 3 на статичній характеристиці.

При плавній зміні струму з деякою швидкістю градієнт напруги не встигає слідувати за зміною струму на статичній характеристикою. При збільшенні струму градієнт напруги перевищує значення, що визначаються статичною характеристикою, а при зменшенні струму градієнт напруги менше цих значень. Криві E \u003d f (I) при зміні струму з деякою швидкістю представляють собою динамічні характеристики дуги (суцільні лінії на рис.1, б).

Положення цих характеристик по відношенню до статичній характеристиці (див. Пунктирну криву) залежить від швидкості зміни струму. Чим повільніше відбувається зміна струму, тим ближче розташована динамічна характеристика до статичної. У заданих умовах дугового розряду може бути тільки одна статична характеристика. Число динамічних характеристик не обмежена.

При аналізі електричних ланцюгів прийнято оперувати поняттям опору. Тому говорять і про опір дуги, розуміючи під цим відношення напруги у електродів до току. Опір дуги не постійно. Воно залежить від струму і багатьох інших факторів. У міру збільшення струму опір дуги зменшується.

Рис.2. Напруга на дузі при змінному струмі:
а - напруга дуги як функція струму;
6 - напруга дуги як функція часу

Вольт-амперна характеристика дуги змінного струму показана на рис.2, а. Протягом чверті періоду, коли струм збільшується, крива напруги лежить вище статичної характеристики. Наступну чверть періоду, коли струм зменшується, крива напруги лежить нижче статичної характеристики.

Дуга запалюється в точках 1 і 3 і згасає в точках 2 і 4. На рис.2, б показана характеристика дуги як функції часу. Інтервали 2-3 і 4-1 відповідають нестійкого стану, при якому відбувається інтенсивна взаємодія дуги з постійними ланцюга R, L і С. Ці короткі інтервали часу, тривалість яких становить кілька мікросекунд, використовуються для інтенсивної деионизации проміжку між контактами вимикача, щоб перешкодити новому запалювання дуги. Залежно від умов процес взаємодії може закінчитися двояко: або дуга згасне і ланцюг буде перервана, або дуга виникне знову і процес взаємодії повториться через половину періоду при більш сприятливих умовах.

Гасіння дуги в повітряних вимикачах

У повітряних вимикачах дуга гаситься в потоці повітря високого тиску. Гасітельних пристрій вимикача (рис.3, а) являє собою камеру, в якій можна побачити два сопла, службовці одночасно контактами. Вихлопні боку сопел з'єднані з областю низького тиску. При розведенні контактів внаслідок різниці тисків виникає потік повітря, спрямований в сопла симетрично в обидва боки.

Рис.3. Дугогасительноє пристрій повітряного вимикача з двостороннім дутьем:
а - схема;
б - розподіл тиску вздовж осі

На рис.3, б показано розподіл тиску вздовж осі. В середині проміжку між соплами є точка гальмування потоку, тиск в якій позначено через р o.

В обидві сторони від цієї точки тиск зменшується і досягає в горловинах сопел приблизно половини р o. За горловинами тиск продовжує падати до тиску вихлопу.

Процес гасіння дуги протікає в такий спосіб. Між розмикаються виникає дуга, яка під дією повітряного потоку швидко переноситься уздовж осі. При цьому опорні плями дуги переміщаються всередину сопел по потоку, як показано на рис.3. Дуга в проміжку між соплами має циліндричну форму.

Рис.4. Розподіл температури в поперечному напрямку на ділянці між соплами:
а - дуга;
в - теплової прикордонний шар

Розподіл температури в поперечному напрямку показано на рис.4. У зоні дуги а вона становить приблизно 20000 До і різко спадає до теплового прикордонного шару в, що утворюється близько дуги. Тут температура змінюється в межах від 2000 К до температури холодного повітря. У міру підходу струму до нуля діаметр циліндричної частини дуги швидко зменшується. При струмі, що дорівнює нулю, він менше 1 мм. Однак температура в цій частині дуги ще дуже висока (15000 К).

Найважливішим фактором, що сприяє гасінню дуги, є турбулентність в прикордонному шарі між дугою і оточуючим її відносно холодним повітрям. Внаслідок високої температури дуги щільність газу в стовпі приблизно в 20 разів менше, ніж у навколишньому середовищі. Тому швидкість газу всередині дугового стовпа значно вище швидкості в сусідніх шарах (швидкість обернено пропорційна кореню квадратному з щільності). Внаслідок дифузії частинок з області з великою швидкістю в область з малою швидкістю і назад в прикордонному шарі виникають значні зрізують сили, утворюються вихори і весь обсяг набуває високу турбулентність. У дугового стовп вноситься щодо холодний неіонізованний газ, внаслідок чого стовп втрачає свою однорідність. Він розщеплюється на тисячі найтонших проводять ниток, безперервно змінюють свою форму і положення (рис.5).

Рис.5. Вплив турбулентності на стовп дуги поблизу нуля струму (схема)

Вони мають високу температуру і високу питому іонізацію і оточені холодним слабо іонізованним газом. Відомо, що швидкість дифузії з циліндричного обсягу обернено пропорційна квадрату діаметра. Чим тонше іонізованниє нитки, тим швидше відбувається обмін часток з навколишнього холоднішою і менш іонізованої середовищем. Турбулентність збільшує дифузію у багато разів. Вона проявляється особливо різко в горловинах сопел, де швидкість плазми максимальна - 6000 м / с. Після нуля струму протягом короткого проміжку часу, що обчислюється мікросекундами, відбувається розпад провідного каналу і подальше зменшення температури визначається тепловим прикордонним шаром, охолодження якого відбувається значно повільніше.

Рис.6. Схема заміщення, яка пояснює вплив опору дуги і ємності

Рис.7. Взаємодія дуги з електричним колом

Істотний вплив на процес відключення чинить опір дуги і ємність, включена паралельно дугового проміжку (рис.6). Якщо знехтувати опором дуги, ток i 0 \u003d I m sinɷt підходить до нуля практично лінійно (рис.7). Однак опір дуги не дорівнює нулю. Тому струм i B в дуговому проміжку вимикача зменшується:

(1)

де t 0 - момент розмикання контактів.

Як видно з малюнка, напруга на дузі змінюється відповідно до вольт-амперної характеристикою. Швидкість зниження струму істотно зменшується протягом останніх 5 ... 10 мкс до приходу його до нуля. Це час мало, але воно в кілька разів більше постійної часу дуги і тому істотно впливає на стан дуги при нулі струму (точка 1). Дуга легко згасає. Опір дуги видозмінює і криву ПВН. Процес відновлення напруги починається в точці 1; напруга досягає максимуму в точці 2, коли i L \u003d i C \u003d 0.

Етап можливого теплового пробою

Якщо температура газу в проміжку не знизиться до деякого критичного значення, що визначається властивістю газу і тиском, проміжок збереже свою провідність після нуля струму (точка 1) і під дією ПВН виникне струм залишкової провідності (рис.8).

Рис.8. Згасання дуги з затримкою,
викликаної появою струму залишкової провідності

При сприятливих умовах він невеликий і швидко згасає (точка 2). Однак якщо процес охолодження недостатньо інтенсивний, ток залишкової провідності збільшується; відбувається повторний розігрів плазми, поновлюється процес іонізації і дуга виникає знову. Це явище отримало назву теплового пробою, так як електричний пробій неможливий, оскільки проміжок іонізован і не придбав ще електричної міцності.

Відбудеться такий пробій чи ні, залежить від результату двох взаємопов'язаних процесів, що протікають в проміжку, з яких один визначається інтегралом в часі потужності, що підводиться (твори струму і напруги на проміжку), а другий - інтегралом в часі втрат, викликаних теплопровідністю і конвекцією. Це означає, що процес взаємодії продовжиться до тих пір, поки струм не зникне або дуга не виникне знову. Явище теплового пробою характерно для перших 20 мкс після нуля струму в умовах, коли швидкість відновлюється напруги велика, наприклад при невидалених КЗ.

Етап можливого електричного пробою

Якщо тепловий пробій не сталося, міжконтактного проміжок продовжує зазнавати впливу ПВН. Дугового канал має ще підвищену температуру і знижену щільність. Через кілька сотень мікросекунд після нуля струму, коли ПВН досягає максимального значення, настає етап можливого електричного пробою. В основі його лежить не баланс енергій, а процес утворення електронів в електричному полі. Якщо збільшення концентрації електронів перевищить деяке критичне значення, то відбудеться утворення іскри, яка перейде в дугового розряд.

Гасіння дуги в масляних вимикачах

У масляних вимикачах контакти розмикаються в олії, однак внаслідок високої температури дуги, що утворюється між контактами, масло розкладається і дугового розряд відбувається в газовому середовищі. Приблизно половину цього газу (за обсягом) складають пари масла. Інша частина складається з водню (70%) і вуглеводнів різного складу. Гази ці горючі, проте в маслі горіння неможливо через відсутність кисню. Кількість масла, що розкладається дугою, невелика, але обсяг утворюються газів великий. Один грам масла дає приблизно 1500 см3 газу, приведеного до кімнатної температури і атмосферного тиску.

Гасіння дуги в масляних вимикачах відбувається найбільш ефективно при застосуванні гасітельних камер, які обмежують зону дуги, сприяють підвищенню тиску в цій зоні і утворення газового дуття крізь дугового стовп. На рис.9 приведена схема найпростішої гасітельних камери.

Рис.9. Схема найпростішої гасітельних камери масляного вимикача

В процесі відключення контактний стрижень 1 переміщається вниз. Між контактами 1 і 2 виникає дуга. Відбувається інтенсивне газоутворення і тиск в камері швидко збільшується. Щодо холодний газ, що утворюється на поверхні масла, перемішується з плазмою дуги. Прикордонний шар приходить в турбулентний стан, що сприяє деионизации. Однак дуга не може згаснути до тих пір, поки відстань між контактами не досягне деякого мінімального значення, що визначається відновлюються напругою. Цей мінімальний проміжок утворюється, коли рухливий контакт ще знаходиться в камері. Коли стрижень залишає межі камери, гази з силою викидаються назовні. Виникає газове дуття, спрямоване по осі, що сприяє гасінню дуги.

Після згасання дуги контактний стрижень продовжує свій рух, щоб забезпечити необхідне ізоляційне відстань не ввімкнений.

Напруга на дузі масляного вимикача принаймні в 3 рази більше, ніж у повітряного вимикача. Електрична міцність проміжку відновлюється швидше (зі швидкістю близько 2 кВ / мкс). Тому при однаковому струмі КЗ дугогасительноє пристрій масляного вимикача може бути розраховане на вдвічі більшу напругу і вдвічі більше хвильовий опір, ніж пристрій повітряного дуття.

Характерні властивості повітряних і масляних вимикачів

У повітряних вимикачах дуття в дуговому проміжку створюється від зовнішнього джерела енергії і не залежить від що відключається струму. Після нуля струму відновлюється напруга виявляється прикладеним до короткого проміжку, заповненому гарячим іонізованним газом. Швидкість відновлення електричної міцності проміжку визначається охолодженням газу і видаленням його з проміжку потоком свіжого повітря. Це вимагає часу і тому процес відновлення електричної міцності проміжку запізнюється.

Рис.10. Характеристики відновлюється електричної міцності
дугового проміжку повітряного вимикача

На рис.10 наведено типові криві відновлюється електричної міцності дугового проміжку повітряного вимикача. Вони мають S-подібну форму. При цьому основна стадія процесу відновлення електричної міцності проміжку протікає зі швидкістю, що не перевищує 1-2 кВ / мкс, і починається через 10-15 мкс після нульового значення струму. Зі збільшенням який відключається струму запізнювання збільшується, а швидкість відновлення електричної міцності зменшується. Нижня пунктирна крива відповідає випадку незадовільної роботи вимикача, оскільки процес відновлення електричної міцності проміжку протікає дуже повільно. Номінальний струм відключення воздушною вимикача обмежений відновлюється електричної міцністю проміжку.

У масляних вимикачах для освіти газову дуття використовується енергія самої дуги. Тиск в гасітельних камері і сила дуття в першому наближенні пропорційні відключається струму. Чим більше останній, тим ефективніше деионизация проміжку і швидше відновлюється його електрична міцність. Однак у міру збільшення струму збільшуються механічні напруги в частинах гасітельних камери. Тому номінальний струм відключення обмежений механічною міцністю гасітельних камери.

Характерні властивості повітряних і масляних вимикачів проявляються при відключенні асиметричного струму КЗ. Як відомо, швидкодіючі вимикачі при наявності відповідної релейного захисту розмикають свої контакти, коли апериодическая складова, що відключається струму ще не встигає згаснути. Отже, ці вимикачі повинні бути здатні відключати як симетричний, так і асиметричний струм, тобто струм, не зміщений або зміщений відносно осі часу в залежності від умов. Асиметрія струму β (відносний вміст аперіодичної складової в струмі КЗ) визначається як відношення аперіодичної складової до амплітуди періодичної складової струму КЗ до моменту τ розмикання контактів вимикача

(2)

Асиметрія що відключається струму залежить від постійної часу ланцюга Т a \u003d Х / (ɷR), а також від τ - часу розмикання контактів вимикача з урахуванням часу спрацьовування релейного захисту. Чим більше постійна часу і чим швидше розмикаються контакти вимикача, тим більше асиметрія, що відключається струму. Найбільшу постійну часу мають генератори, трансформатори та реактори. Тому найбільшу асиметрію слід очікувати при КЗ поблизу генераторів і збірних шин станцій. Розрахунки показують, що асиметрія струму, що відключається швидкодіючими вимикачами, встановленими в головних РУ потужних станцій, може досягти 80%. Менш швидкодіючі вимикачі в цих же умовах можуть зустрітися з асиметрією близько 40-50%. Вимикачі, встановлені в розподільних мережах, зустрічаються з асиметрією, що не перевищує 20%.

При наявності аперіодичної складової в який відключається струмі:

• збільшується діюче значення струму;
• проміжки часу між моментами, коли струм досягає нуля, стають неоднаковими: вони по черзі більше або менше напівперіоду;
• зменшується швидкість зміни струму di / dt при підході його до нульового значення;
• зменшується повертається напруга на полюсі вимикача.

Збільшення діючого значення струму і зміна проміжків часу між нульовими значеннями струму можуть при несприятливих умовах привести до значного збільшення енергії, що виділяється в порівнянні з енергією, що виділяється при відсутності аперіодичної складової струму. Енергія, що виділяється в дузі, визначає іонізацію газу в проміжку, а в масляних вимикачах - також кількість газів, що утворюються і тиск в камері, отже, механічні напруги в елементах вимикача, ступінь оплавлення контактів і ін.

Зменшення швидкості зміни струму при підході його до нуля зменшує іонізацію проміжку до моменту згасання дуги, що полегшує процес відключення.

Зменшення повертається напруги також полегшує процес відключення.

Рис.11. Повертається напруга при асиметрії, що відключається струму

Як видно з рис.11, періодична складова струму КЗ i п зміщена по відношенню до напруги мережі на кут φ, близький до π / 2. Якщо фаза замикання α \u003d φ, то апериодическая складова струму відсутня, момент приходу струму до нульового значення і згасання дуги близький до моменту максимуму напруги. Повертається напруга визначається ординатою ab. При замиканні в будь-який інший момент часу в складі, що відключається струму з'являється апериодическая складова і момент приходу струму до нуля зміщується. В даному випадку при α \u003d 27 ° возвращающееся напруга після великої напівхвилі струму визначається ординатою а "b", а після малої напівхвилі - ординатою а "b" (при побудові кривих періодична і апериодическая складові струму прийняті умовно незатухающими).

З наведеного аналізу випливає, що при наявності аперіодичної складової в який відключається струмі з'являється ряд нових факторів, що впливають на процес відключення, частина яких ускладнює цей процес, інша частина полегшує його.

Підсумкове дію аперіодичної складової залежить від властивостей вимикача.

Масляні вимикачі, яка відключає здатність яких обмежена механічною міцністю гасітельних камери, мають при відключенні великого струму значний запас в відновлюється електричної міцності дугового проміжку. Збільшення діючого значення, що відключається струму, обумовлене наявністю аперіодичної складової, збільшує тяжкість відключення, оскільки збільшується енергія, що виділяється в дузі, а полегшують фактори, що вносяться аперіодичної складової струму КЗ (зменшення швидкості підходу струму до нуля і зменшення повертається напруги), олійними вимикачами не використовуються. Про таких вимикачах кажуть, що вони чутливі до току, оскільки енергія, що виділяється в дузі, визначається в основному струмом.

Повітряні вимикачі, яка відключає здатність яких обмежена електричної міцністю проміжку, використовують полегшують фактори, що вносяться аперіодичної складової струму (зменшення швидкості зниження струму і повертається напруги). Збільшення діючого значення, що відключається струму, що викликається аперіодичної складової, не збільшує тяжкості відключення, оскільки вносяться утяжеляющие і полегшують фактори компенсуються. Про таких вимикачах прийнято говорити, що вони чутливі до напруги.

При виборі вимикача по відключає здібності слід враховувати асиметрію, що відключається струму КЗ. Однак нормовані (номінальні) значення асиметрії β ном встановлені однаковими як для масляних, так і для повітряних вимикачів.

17 січня 2012 року о 10:00

При розмиканні електричного кола виникає електричний розряд у вигляді електричної дуги. Для появи електричної дуги досить, щоб напруга на контактах було вище 10 В при струмі в ланцюзі порядку 0,1А і більш. При значних напругах і токах температура всередині дуги може досягати 10 ... 15 тис. ° С, в результаті чого плавляться контакти і струмопровідні частини.

При напрузі 110 кВ і вище довжина дуги може досягати декількох метрів. Тому електрична дуга, особливо в потужних силових ланцюгах, на напругу вище 1 кВ є великою небезпекою, хоча серйозні наслідки можуть бути і в установках на напругу нижче 1 кВ. Внаслідок цього електричну дугу необхідно максимально обмежити і швидко погасити в ланцюгах на напругу як вище, так і нижче 1 кВ.

Причини виникнення електричний дуги

Процес утворення електричної дуги може бути спрощено представлений таким чином. При розбіжності контактів спочатку зменшується контактний тиск і відповідно контактна поверхня, збільшуються перехідний опір (щільність струму і температура - починаються місцеві (на окремих ділянках площі контактів) перегріви, які в подальшому сприяють термоелектронної емісії, коли під впливом високої температури збільшується швидкість руху електронів і вони вириваються з поверхні електрода.

У момент розбіжності контактів, тобто розриву ланцюга, на контактному проміжку швидко відновлюється напруга. Оскільки при цьому відстань між контактами мало, виникає електричне поле високої напруженості, під впливом якого з поверхні електрода вириваються електрони. Вони розганяють в електричному полі і при ударі в нейтральний атом віддають йому свою кінетичну енергію. Якщо цієї енергії досить, щоб відірвати хоча б один електрон з оболонки нейтрального атома, то відбувається процес іонізації.

Утворилися вільні електрони і іони складають плазму стовбура дуги, тобто іонізованого каналу, в якому горить дуга і забезпечується безперервний рух частинок. При цьому негативно заряджені частинки, в першу чергу електрони, рухаються в одному напрямку (до анода), а атоми і молекули газів, позбавлені одного або декількох електронів, - позитивно заряджені частинки - в протилежному напрямку (до катода). Провідність плазми близька до провідності металів.

У стовбурі дуги проходить великий струм і створюється висока температура. Така температура стовбура дуги призводить до термоіонізації - процесу утворення іонів внаслідок зіткнення молекул і атомів, що володіють велику кінетичну енергію при високих швидкостях їх руху (молекули й атоми середовища, де горить дуга, розпадаються на електрони і позитивно заряджені іони). Інтенсивна термоіонізація підтримує високу провідність плазми. Тому падіння напруги по довжині дуги невелика.

В електричній дузі безперервно протікають два процеси: крім іонізації, також деионизация атомів і молекул. Остання відбувається в основному шляхом дифузії, тобто перенесення заряджених частинок у навколишнє середовище, і рекомбінації електронів і позитивно заряджених іонів, які возз'єднуються в нейтральні частинки з віддачею енергії, витраченої на їх розпад. При цьому відбувається тепловідвід в навколишнє середовище.

Таким чином, можна розрізнити три стадії даного процесу: запалювання дуги, коли внаслідок ударної іонізації і емісії електронів з катода починається дугового розряд і інтенсивність іонізації вище, ніж деионизации, стійке горіння дуги, підтримуване термоіонізація в стовбурі дуги, коли інтенсивність іонізації і деионизации однакова, згасання дуги, коли інтенсивність деионизации вище, ніж іонізації.

Способи гасіння дуги в комутаційних електричних апаратах

Для того щоб відключити елементи електричного кола і виключити при цьому пошкодження комутаційного апарату, необхідно не тільки розімкнути його контакти, а й погасити з'являється між ними дугу. Процеси гасіння дуги, так само як і горіння, при змінному та постійному струмі різні. Це залежить від того, що в першому випадку струм в дузі кожен напівперіод проходить через нуль. У ці моменти виділення енергії в дузі припиняється і дуга кожен раз мимоволі гасне, а потім знову спалахує.

Практично ток в дузі стає близьким нулю дещо раніше переходу через нуль, так як при зниженні струму енергія, що підводиться до дуги, зменшується, відповідно знижується температура дуги і припиняється термоіонізація. При цьому в дуговому проміжку інтенсивно йде процес деионизации. Якщо в даний момент розімкнути і швидко розвести контакти, то наступний електричний пробій може не відбутися і ланцюг буде відключена без виникнення дуги. Однак практично це зробити вкрай складно, і тому приймають спеціальні заходи прискореного гасіння дуги, що забезпечують охолодження дугового простору і зменшення числа заряджених частинок.

В результаті деионизации поступово збільшується електрична міцність проміжку і одночасно зростає відновлюється напруга на ньому. Від співвідношення цих величин і залежить, загориться чи на чергову половину періоду дуга чи ні. Якщо електрична міцність проміжку зростає швидше і виявляється більше, що відновлює напруги, дуга більше не загориться, в іншому ж випадку буде забезпечено стійке горіння дуги. Перша умова і визначає завдання гасіння дуги.

У комутаційних апаратах використовують різні способи гасіння дуги.

подовження дуги

При розбіжності контактів в процесі відключення електричного кола виникла дуга розтягується. При цьому поліпшуються умови охолодження дуги, так як збільшується її поверхню і для горіння потрібна більша напруга.

Розподіл довгої дуги на ряд коротких дуг

Якщо дугу, що утворилася при розмиканні контактів, розділити на До коротких дуг, наприклад затягнувши її в металеву решітку, то вона згасне. Дуга зазвичай затягується в металеву решітку під впливом електромагнітного поля, що наводиться в пластинах решітки вихровими струмами. Цей спосіб гасіння дуги широко використовується в комутаційних апаратах на напругу нижче 1 кВ, зокрема в автоматичних повітряних вимикачах.

Охолодження дуги у вузьких щілинах

Гасіння дуги в малому обсязі полегшується. Тому в комутаційних апаратах широко використовують дугогасительниє камери з поздовжніми щілинами (вісь такий щілини збігається за напрямком з віссю стовбура дуги). Така щілина зазвичай утворюється в камерах з ізоляційних дугостійкості матеріалів. Завдяки зіткненню дуги з холодними поверхнями відбуваються її інтенсивне охолодження, дифузія заряджених частинок у навколишнє середовище і відповідно швидка деионизация.

Крім щілин з плоскопараллельнимі стінками, застосовують також щілини з ребрами, виступами, розширеннями (кишенями). Все це призводить до деформації стовбура дуги і сприяє збільшенню площі дотику її з холодними стінками камери.

Втягування дуги в вузькі щілини зазвичай відбувається під дією магнітного поля, що взаємодіє з дугою, яка може розглядатися як провідник зі струмом.

Зовнішнє магнітне поле для переміщення дуги найбільш часто забезпечують за рахунок котушки, що включається послідовно з контактами, між якими виникає дуга. Гасіння дуги у вузьких щілинах використовують в апаратах на все напруги.

Гасіння дуги високим тиском

При незмінній температурі ступінь іонізації газу падає з ростом тиску, при цьому зростає теплопровідність газу. За інших рівних умов це призводить до посиленого охолодження дуги. Гасіння дуги за допомогою високого тиску, створюваного самої ж дугою в щільно закритих камерах, широко використовується в плавких запобіжниках і ряді інших апаратів.

Гасіння дуги в маслі

Якщо контакти вимикача поміщені в масло, то виникає при їх розмиканні дуга призводить до інтенсивного випаровування масла. В результаті навколо дуги утвориться газовий міхур (оболонка), що складається в основному з водню (70 ... 80%), а також парів масла. Кошти, виділені гази з великою швидкістю проникають безпосередньо в зону стовбура дуги, викликають перемішування холодного і гарячого газу в міхурі, забезпечують інтенсивне охолодження і відповідно Деионизация дугового проміжку. Крім того, деіонізірующую здатність газів підвищує створюване при швидкому розкладанні масла тиск всередині міхура.

Інтенсивність процесу гасіння дуги в маслі тим вище, чим ближче стикається дуга з маслом і швидше рухається масло по відношенню до дуги. З огляду на це, дугового розрив обмежують замкнутим ізоляційним пристроєм - дугогасительной камерою. У цих камерах створюється більш тісне зіткнення масла з дугою, а за допомогою ізоляційних пластин і вихлопних отворів утворюються робочі канали, за якими відбувається рух масла і газів, забезпечуючи інтенсивне обдування (дуття) дуги.

Фізичні основи горіння дуги. При розмиканні контактів електричного апарату внаслідок іонізації простору між ними виникає електрична дуга. Проміжок між контактами при цьому залишається провідним і проходження струму по ланцюгу не припиняється.

Для іонізації і освіти дуги необхідно, щоб напруга між контактами було приблизно 15-30 В і струм ланцюга 80-100 мА.

При іонізації простору між контактами заповнюють його атоми газу (повітря) розпадаються на заряджені частинки - електрони і позитивні іони. Потік електронів, що випромінюються з поверхні контакту, що знаходиться під негативним потенціалом (катода), рухається у напрямку до позитивно зарядженого контакту (анода); потік же позитивних іонів рухається до катода (рис. 303, а).

Головними носіями струму в дузі є електрони, так як позитивні іони, маючи велику масу, рухаються значно повільніше електронів і переносять тому в одиницю часу набагато менше електричних зарядів. Однак позитивні іони відіграють велику роль в процесі горіння дуги. Підходячи до катода, вони створюють поблизу нього сильне електричне поле, яке впливає на електрони, наявні в металевому катоді, і виривають їх з його поверхні. Це явище називається автоелектронної емісією (рис. 303, б). Крім того, позитивні іони безперервно бомбардують катод і віддають йому свою енергію, яка переходить в тепло; при цьому температура катода досягає 3000-5000 ° С.

При збільшенні температури рух електронів в металі катода прискорюється, вони набувають велику енергію і починають залишати катод, вилітаючи в навколишнє середовище. Це явище носить назву термоелектронної емісії. Таким чином, під дією авто- і термоелектронної емісії в електричну дугу надходять з катода все нові і нові електрони.

При своєму переміщенні від катода до анода електрони, стикаючись на своєму шляху з нейтральними атомами газу, розщеплюють їх на електрони і позитивні іони (рис. 303, в). Цей процес називається ударної іонізацією. З'явилися в результаті ударної іонізації нові, так звані вторинні електрони починають рухатися до анода і при своєму русі розщеплюють все нові атоми газу. Розглянутий процес іонізації газу носить лавиноподібний характер подібно до того, як один камінь, кинутий з гори, захоплює на своєму шляху все нові і нові камені, породжуючи лавину. В результаті проміжок між двома контактами заповнюється великою кількістю електронів і позитивних іонів. Ця суміш електронів і позитивних іонів називається плазмою. В освіті плазми значну роль відіграє термічна іонізація, яка відбувається в результаті підвищення температури, що викликає збільшення швидкості руху заряджених частинок газу.

Електрони, іони і нейтральні атоми, що утворюють плазму, постійно стикаються один з одним і обмінюються енергією; при цьому деякі атоми під ударами електронів приходять у збуджений стан і випускають надлишок енергії у вигляді світлового випромінювання. Однак електричне поле, що діє між контактами, змушує основну масу позитивних іонів рухатися до катода, а основну масу електронів - до анода.

В електричній дузі постійного струму в усталеному режимі визначальною є термічна іонізація. У дузі змінного струму при переході струму через нуль істотну роль грає ударна іонізація, а протягом решти часу горіння дуги - термічна іонізація.

При горінні дуги одночасно з іонізацією проміжку між контактами відбувається зворотний процес. Позитивні іони і електрони, взаємодіючи один з одним в міжконтактного просторі або при попаданні на стінки камери, в якій горить дуга, утворюють нейтральні атоми. Цей процес називається рекомбінацією; при припиненні іонізації рекомбінація призводить до зникнення електроноз і іонів з міжелектродного простору - відбувається його деионизация. Якщо рекомбінація здійснюється на стінці камери, то вона супроводжується виділенням енергії у вигляді тепла; при рекомбінації в міжелектродному просторі енергія виділяється у вигляді випромінювання.

При зіткненні зі стінками камери, в якій знаходяться контакти, дуга охолоджується, що. призводить до посилення деіоні-зації. Деионизация відбувається також в результаті руху заряджених частинок з центральних областей дуги з більш високою концентрацією в периферійні області з низькою концентрацією. Цей процес називається дифузією електронів і позитивних іонів.

Зону горіння дуги умовно ділять на три ділянки: катодний зону, стовбур дуги і анодний зону. У катодного зоні відбувається інтенсивна емісія електронів з негативного контакту, падіння напруги в цій зоні становить близько 10 В.

У стовбурі дуги утворюється плазма з приблизно однаковою концентрацією електронів і позитивних іонів. Тому в кожен момент часу сумарний заряд позитивних іонів плазми компенсує сумарний негативний заряд її електронів. Велика концентрація заряджених частинок в плазмі і відсутність в ній електричного заряду зумовлюють високу електропровідність стовбура дуги, яка близька до електропровідності металів. Падіння напруги в стовбурі дуги приблизно пропорційно її довжині. Анодна зона заповнена, головним чином, електронами, придатними зі стовбура дуги до позитивного контакту. Падіння напруги в цій зоні залежить від струму в дузі і розмірів позитивного контакту. Сумарне падіння напруги в дузі становить 15-30 В.

Залежність падіння напруги U ДГ, чинного між контактами, від струму I, що проходить через електричну дугу, називається вольт-амперної характеристикою дуги (рис. 304, а). Напруга U з, при якому можливе запалювання дуги при струмі I \u003d 0, називається напругою запалювання. Значення напруги запалювання визначається матеріалом контактів, відстанню між ними, температурою і навколишнім середовищем. після виникнення

електричної дуги її струм збільшується до значення, близького до току навантаження, який протікав через контакти до відключення. При цьому опір межконтактного проміжку падає швидше, ніж збільшується струм, що призводить до зменшення падіння напруги U ДГ. Режим горіння дуги, відповідний кривої а, називається статичним.

При зниженні струму до нуля процес відповідає кривої b і дуга припиняється при меншому падінні напруги, ніж напруга запалювання. Напруга U г, при якому дуга гасне, називають напругою гасіння. Воно завжди менше напруги запалювання внаслідок підвищення температури контактів і збільшення провідності межконтактного проміжку. Чим більше швидкість зниження струму, тим менше напруга гасіння дуги в момент припинення струму. Вольт-амперні характеристики b і з відповідають зниження струму з різною швидкістю (для кривої з більше, ніж для кривої b), а пряма d відповідає практично миттєвого зниження струму. Такий характер вольтамперних характеристик пояснюється тим, що при швидкій зміні струму іонізаційну стан межконтактного проміжку не встигає слідувати за зміною струму. Для деионизации проміжку потрібен певний час, і тому, незважаючи на те, що ток в дузі впав, провідність проміжку залишилася колишньою, відповідної великим току.

Вольт-амперні характеристики b - d, отримані при швидкій зміні струму до нуля, називаються динамічними. Для кожного межконтактного проміжку, матеріалу електродів і середовища є одна статична характеристика дуги і безліч динамічних, укладених між кривими а й d.

При горінні дуги змінного струму протягом кожного напівперіоду мають місце такі ж фізичні процеси, що і в дузі постійного струму. На початку напівперіоду напруга на дузі зростає за синусоїдальним законом до значення напруги запалювання U з - ділянку 0-а (рис. 304, б), а потім після виникнення дуги падає в міру зростання струму - ділянку а - b. До другої частини полупериода, коли струм починає знижуватися, напруга на дузі знову зростає до значення напруги гасіння U г при спаді струму до нуля - ділянку b - с.

Протягом наступного напівперіоду напруга змінює знак і за синусоїдальним законом зростає до значення напруги запалювання, що відповідає точці а 'вольт-амперної характеристики. У міру зростання струму напруга знижується, а потім знову підвищується при зниженні струму. Крива напруги дуги, як видно з рис. 304, б, має форму зрізаної синусоїди. Процес деионизации заряджених частинок в проміжку між контактами триває лише незначну частку періоду (ділянки 0 - а і з -а ') і, як правило, за цей час не закінчується, в результаті чого дуга виникає знову. Остаточне гасіння дуги матиме місце тільки після ряду повторних запалень під час одного з наступних переходів струму через нуль.

Відновлення дуги після переходу струму через нуль пояснюється тим, що після спаду струму до нульового значення іонізація, існуюча в стовбурі дуги, зникне не відразу, так як вона залежить від температури плазми в залишковому стовбурі дуги. У міру зменшення температури зростає електрична міцність межконтактного проміжку. Однак якщо в якийсь момент часу миттєве значення прикладеної напруги буде більше пробивної напруги проміжку, то станеться його пробою, виникне дуга і потече струм іншої полярності.

Умови гасіння дуги. Умови гасіння дуги постійного струму залежать не тільки від її вольт-амперної характеристики, але і від параметрів електричного кола (напруга, струм, опір і індуктивність), яку включають і відключають контакти апарату. На рис. 305, а показана вольт-амперна характеристика дуги

(Крива 1) і залежність падіння напруги на резисторі R, включеному в даний ланцюг (пряма 2). У сталому режимі напруга U і джерела струму дорівнює сумі падінь напруги в дузі U ДГ і IR на резисторі R. При зміні струму в ланцюзі до них додається е. д. з. самоіндукції ± e L (зображена заштрихованими координатами). Тривале горіння дуги можливо тільки в режимах, відповідних точкам А і В, коли напруга U і - IR, прикладена до проміжку між контактами, рівне падінню напруги U ДГ. При цьому в режимі, відповідному точці А, горіння дуги нестійкий. Якщо при горінні дуги в цій точці характеристики ток з якихось причин збільшився, то напруга U ДГ стане менше прикладеної напруги U і - IR. Надлишок прикладеної напруги викличе збільшення струму, який буде рости до тих пір, поки не досягне значення I в.

Якщо в режимі, відповідному точці А, струм зменшиться, прикладена напруга U і - IR стане менше U ДГ і струм буде продовжувати зменшуватися, поки дуга згасне. У режимі, відповідному точці В, дуга горить стійко. При збільшенні струму понад I в падіння напруги в дузі U ДГ побільшає прикладеної напруги U і - IR і ток почне зменшуватися. Коли струм в ланцюзі стане менше I в, прикладена напруга U і - IR побільшає U ДГ і ток почне збільшуватися.

Очевидно, щоб забезпечити гасіння дуги у всьому заданому діапазоні зміни струму I від найбільшого значення до нуля при відключенні ланцюга, потрібно, щоб вольт-амперна характеристика 1 розташовувалася вище прямої 2 для відключається ланцюга (рис. 305, б). При цьому умови падіння напруги в дузі U ДГ буде завжди більше прикладеного до неї напруги U і - IR і струм в ланцюзі буде зменшуватися.

Основним засобом підвищення падіння напруги в дузі є збільшення довжини дуги. При розмиканні ланцюгів низької напруги з порівняно невеликими струмами гасіння забезпечується відповідним вибором розчину контактів, між якими виникає дуга. В цьому випадку дуга гасне без будь-яких додаткових пристроїв.

Для контактів, що розривають силові ланцюги, необхідна для гасіння довжина дуги настільки велика, що практично здійснити такий розчин контактів вже не представляється можливим. У таких електричних апаратах встановлюють спеціальні дугогасительниє пристрою.

Дугогасительниє пристрою. Способи гасіння дуги можуть бути різні, але всі вони ґрунтуються на наступних принципах: примусове подовження дуги; охолодження межконтактного проміжку за допомогою повітря, парів або газів; поділ дуги на ряд окремих коротких дуг.

При подовженні дуги і видаленні її від контактів відбувається збільшення падіння напруги в стовпі дуги і напруга, прикладена до контактів, стає недостатнім для підтримки дуги.

Охолодження межконтактного проміжку викликає підвищену тепловіддачу стовпа дуги в навколишній простір, внаслідок чого заряджені частинки, переміщаючись з внутрішньої частини дуги на її поверхню, прискорюють процес деионизации.

Поділ дуги на ряд окремих коротких дуг призводить до підвищення сумарного падіння напруги в них і прикладена до контактів напруга стає недостатнім для стійкого підтримування дуги, тому відбувається її гасіння.

Принцип гасіння шляхом подовження дуги використовується в апаратах із захисними рогами і в рубильниках. Електрична дуга, що виникає між контактами 1 і 2 (рис. 306, а) при їх розмиканні, піднімається вгору під дією сили F B, створюваної потоком нагрітого нею повітря, розтягується і подовжується на розбіжних нерухомих, рогах, що призводить до її гасіння. Подовженню і гасіння дуги сприяє також електродинамічне зусилля створюване в результаті взаємодії струму дуги з виникаючим навколо неї магнітним полем. При цьому дуга поводиться як провідник зі струмом, що знаходиться в магнітному полі (рис. 307, а), яке, як було показано в главі III, прагне виштовхнути його за межі поля.

Для збільшення електродинамічного зусилля F е, чинного на дугу, в ланцюг одного з контактів 1 в ряді випадків включають спеціальну дугогасительную котушку 2 (рис. 307, б), що створює в зоні дугообразованія сильне магнітне поле, маг-

нітних потік якого Ф, взаємодіючи з струмом I дуги, забезпечує інтенсивне видування і гасіння дуги. Швидке переміщення дуги по рогам 3, 4 викликає її інтенсивне охолодження, що також сприяє її деионизации в камері 5 і гасіння.

У деяких апаратах застосовують методи примусового охолодження і розтягування дуги стисненим повітрям або іншим газом.

При розмиканні контактів 1 і 2 (див. Рис. 306, б) виникла дуга охолоджується і видувається із зони контактів струменем стисненого повітря або газу з силою FB.

Ефективним засобом охолодження електричної дуги з подальшим її гасінням є дугогасительниє камери різної конструкції (рис. 308). Електрична дуга під дією магнітного поля, потоку повітря або іншими засобами заганяється у вузькі щілини або лабіринт камери (рис. 308, а і б), де вона тісно стикається з її стінками 1, перегородками 2, віддає їм тепло і гасне. Широке застосування в електричних апаратах е. п. с. знаходять лабіринтно-щілинні камери, де дуга подовжується не тільки шляхом розтягування між контактами, а й шляхом її зиґзаґоподібного викривлення між перегородками камери (рис. 308, в). Вузька щілина 3 між стінками камери сприяє охолодженню і деионизации дуги.

До дугогасительного пристрою, дія яких заснована на поділі дуги на ряд коротких дуг, відносять деіонную грати (рис. 309, а), вбудовану всередину дугогасильні камери.

Деіонная решітка являє собою набір ряду окремих сталевих пластин 3, ізольованих один щодо одного. Електрична дуга, що виникла між контактами, що розмикаються 1 і 2, розділяється гратами на ряд більш коротких дуг, з'єднаних послідовно. Для підтримки горіння дуги без її поділу потрібна напруга U, яка дорівнює загальній кількості околоелектродного (анодного і катодного) падіння напруги U е і падіння напруги в стовпі дуги U ст.

При поділі однієї дуги на п коротких дуг сумарне падіння напруги в стовпі всіх коротких дуг і раніше дорівнюватиме nU е як і у однієї загальної дуги, але сумарне околоелектродное падіння напруги у всіх дугах дорівнюватиме nU е. Тому для підтримки горіння дуги в цьому випадку буде потрібно напруга

U \u003d nU е + U ст.

Число дуг n дорівнює числу пластин решітки і може бути вибрано таким, щоб можливість стійкого горіння дуги при даному напрузі U була повністю виключена. Дія такого принципу гасіння ефективно як при постійному, так і при змінному струмі. При переході змінного струму через нульове значення для підтримки дуги потрібно напруга 150-250 В. У зв'язку з цим число пластин може бути вибрано значно меншим, ніж при постійному струмі.

В плавких запобіжниках з заповнювачем при плавленні вставки і виникненні електричної дуги внаслідок підвищеного тиску газів в патроні іонізовані частки переміщаються в поперечному напрямку. При цьому вони потрапляють між зернами заповнювача, остигають і деіонізіруются. Зерна заповнювача, пересуваючись під дією надлишкового тиску, розбивають дугу на велике число мікродуг, чим і забезпечується їх гасіння.

У запобіжниках без заповнювача нерідко корпус роблять з матеріалу, рясно виділяє газ при нагріванні. До таких матеріалів відноситься, наприклад, фібра. При зіткненні з дугою корпус нагрівається і виділяє газ, що сприяє гасінню дуги. Аналогічно гаситься дуга в масляних вимикачах змінного струму (рис. 309, б) з тією лише різницею, що замість сухого заповнювач тут використовується негорючий масло. При виникненні дуги в момент розмикання рухливих 1, 3 і нерухомого 2 контактів її гасіння відбувається під дією двох факторів: виділення великої кількості водню, що не підтримує горіння (право застосовується для цієї мети олії вміст водню 70-75%), і інтенсивного охолодження дуги маслом внаслідок його високої теплоємності. Дуга гасне в момент, коли струм дорівнює нулю. Масло не тільки сприяє прискореному гасіння дуги, а й служить ізоляцією струмоведучих і заземлених частин конструкції. Для гасіння дуги в ланцюзі постійного струму масло не застосовують, так як під дією дуги воно швидко розкладається і втрачає свої ізоляційні якості.

У сучасних електричних апаратах гасіння дуги часто здійснюється шляхом поєднання двох або кількох розглянутого

них вище способів (наприклад, за допомогою дугогасительной котушки, захисних рогів і деіонной решітки).

Умови гасіння електричної дуги визначають здатність, що відключає захисних апаратів. Вона характеризується найбільшим струмом, який може відключити апарат з певним часом гасіння дуги.

При короткому замиканні електричного кола, підключеної до джерела електричної енергії, струм в ланцюзі зростає по кривій 1 (рис. 310). У момент t 1, коли він досягає значення, на який відрегульований захисний апарат (струму уставки I у), апарат спрацьовує і відключає захищається ланцюг, внаслідок чого струм зменшується по кривій 2.

Час, що відраховується від моменту подачі сигналу на відключення (або включення) апарату до моменту початку розмикання (або замикання) контактів, називають власним часом спрацьовування апарату t с. При відключенні момент початку розмикання контактів відповідає виникненню дуги між розбіжними контактами. В автоматичних вимикачах цей час вимірюється від моменту досягнення струмом значення уставки t 1 до моменту появи дуги між контактами t 2. Часом горіння дуги t ДГ називається час від моменту появи дуги t 2 до моменту припинення проходження струму t 3. Повний час відключення t п є сумою власного часу та часу горіння дуги.

Електрична дуга являє собою вид розряду, який характеризується великою щільністю струму, високою температурою, підвищеним тиском газу і малим падінням напруги на дуговому проміжку. При цьому має місце інтенсивне нагрівання електродів (контактів), на яких утворюються так звані катодні і анодні плями. Катодне світіння концентрується в невеликій яскравому плямі, розпечена частина протилежної електрода утворює анодное пляма.

У дузі можна відзначити три області, дуже різні за характером протікають в них процесів. Безпосередньо до негативного електроду (катоду) дуги прилягає область катодного падіння напруги. Далі йде плазмовий стовбур дуги. Безпосередньо до позитивного електрода (анода) прилягає область анодного падіння напруги. Ці області схематично показані на рис. 1.

Мал. 1. Будова електричної дуги

Розміри областей катодного і анодного падіння напрузі на малюнку сильно перебільшені. Насправді їх протяжність дуже мала Наприклад, протяжність катодного падіння напруги має величину порядку шляху вільного руху електрона (менше 1 мк). Протяжність області анодного падіння напруги звичайно трохи більше цієї величини.

У звичайних умовах повітря є хорошим ізолятором. Так, необхідне для пробою повітряного проміжку в 1 см напруга становить 30 кВ. Щоб повітряний проміжок став провідником, необхідно створити в ньому певну концентрацію заряджених частинок (електронів та іонів).

Як виникає електрична дуга

Електрична дуга, що представляє собою потік заряджених частинок, в початковий момент розбіжності контактів виникає в результаті наявності вільних електронів газу дугового проміжку і електронів, що випромінюються з поверхні катода. Вільні електрони, що знаходяться в проміжку між контактами переміщаються з великою швидкістю у напрямку від катода до анода під дією сил електричного поля.

Напруженість поля на початку розбіжності контактів може досягати декількох тисяч кіловольт на сантиметр. Під дією сил цього поля вириваються електрони з поверхні катода і переміщаються до анода вибиваючи з нього електрони, які утворюють електронне хмара. Створений таким шляхом початковий потік електронів утворює в подальшому інтенсивну іонізацію дугового проміжку.

Поряд з іонізаційними процесами, в дузі паралельно і безперервно йдуть процеси деионизации. Процеси деионизации складаються а тому, що при зближенні двох іонів різних знаків або позитивного іона і електрона вони притягуються і, стикаючись, нейтралізуються, крім того, вбрані частки переміщаються з області горіння душ з більшою концентрацією зарядів в навколишнє середовище з меншою концентрацією зарядів. Все ця чинники призводять до зниження температури дуги, до її охолодження і згасання.

Мал. 2. Електрична дуга

Дуга після запалювання

У сталому режимі горіння дуть іонізаційні і деіонізаціонние процеси в ній знаходяться в рівновазі. Стовбур дуги з рівною кількістю вільних позитивних і негативних зарядів характеризується високим ступенем іонізації газу.

Речовина, ступінь іонізації якого близька до одиниці, тобто в якому немає нейтральних атомів і молекул, називають плазмою.

Електрична дуга характеризується наступними особливостями:

1. Ясно окресленої кордоном між стовбуром дуги і навколишнім середовищем.

2. Високою температурою всередині стовбура дуга, що досягає 6000 - 25000K.

3. Високої щільністю струму і стовбурі дуги (100 - 1000 А / мм 2).

4. Малими значеннями анодного і катодного падіння напруги і практично не залежить від струму (10 - 20 В).

Вольт-амперна характеристика електричної дуги

Основною характеристикою дуги постійного струму є залежність напруги дуги від струму, яка називається вольт-амперної характеристикою (ВАХ).

Дуга виникає між контактами при певній напрузі (рис. 3), званому напругою запалювання Uз і залежних від відстані між контактами, від температури і тиску середовища і від швидкості розбіжності контактів. Напруга гасіння дуги Uг завжди менше напруги U з.

Мал. 3. Вольт-амперна характеристика дуги постійного струму (а) і її схема заміщення (б)

Крива 1 являє собою статичну характеристику дуги, тобто одержувану при повільному зміні струму. Характеристика має падаючий характер. З ростом струму напруга на дузі зменшується. Це означає, що опір дугового проміжку зменшується швидше, чий збільшується струм.

Якщо з тією чи іншою швидкістю зменшувати струм в дузі від I1 до нуля і при цьому фіксувати падіння напруги на дузі, то вийдуть криві 2 і 3. Ці криві звуться динамічних характеристик.

Чим швидше зменшувати струм, тим нижче будуть лежати динамічні ВАХ. Це пояснюється тим, що при зниженні струму такі параметри дуги, як перетин стовбура, температура, не встигають швидко змінитися і придбати значення, відповідні меншому значенню струму при сталому режимі.

Падіння напруги на дуговому проміжку:

Ud \u003d U з + EdId,

де U з \u003d U до + U а - околоелектродное падіння напруги, Ed - поздовжній градієнт напруги в дузі, Id - Діна дуги.

З формули випливає, що зі збільшенням довжини дуги падіння напруги на дузі буде збільшуватися, і ВАХ буде розташовуватися вище.

З електричною дугою борються при конструюванні комутаційних електричних апаратів. Властивості електричної дуги використовуються в і в.

• Електрична дуга (вольтова дуга, дугового розряд) - фізичне явище, один з видів електричного розряду в газі.

  Вперше була описана в 1802 році російським вченим В. Петровим у книзі «Звістка про гальвані-вольтовскіх дослідах за допомогою величезної батареї, що складалася іноді з 4200 мідних і цинкових гуртків» (Санкт-Петербург, 1803). Електрична дуга є окремим випадком четвертої форми стану речовини - плазми - і складається з іонізованого, електрично квазінейтральності газу. Присутність вільних електричних зарядів забезпечує провідність електричної дуги.

  Електрична дуга між двома електродами в повітрі при атмосферному тиску утворюється в такий спосіб:

  При збільшенні напруги між двома електродами до певного рівня в повітрі між електродами виникає електричний пробій. Напруга електричного пробою залежить від відстані між електродами і інших чинників. Потенціал іонізації першого електрона атомів металів становить приблизно 4,5 - 5 В, а напруга дугообразованія - в два рази більше (9 - 10 В). Потрібно затратити енергію на вихід електрона з атома металу одного електрода і на іонізацію атома другого електрода. Процес призводить до утворення плазми між електродами і горінню дуги (для порівняння: мінімальна напруга для освіти іскрового розряду трохи перевищує потенціал виходу електрона - до 6 В).

  Для ініціювання пробою при наявному напрузі електроди наближають один до одного. Під час пробою між електродами зазвичай виникає іскровий розряд, імпульсно замикаючи електричний ланцюг.

  Електрони в іскрових розрядах іонізують молекули в повітряному проміжку між електродами. При достатній потужності джерела напруги в повітряному проміжку утвориться достатня кількість плазми для значного падіння напруги пробою або опору повітряного проміжку. При цьому іскрові розряди перетворюються в дугового розряд - плазмовий шнур між електродами, що є плазмовим тунелем. Виникає дуга є, по суті, провідником і замикає електричний ланцюг між електродами. В результаті середній струм збільшується ще більше, нагріваючи дугу до 5000-50000 K. При цьому вважається, що підпал дуги завершений. Після підпалу стійке горіння дуги забезпечується термоелектронної емісією з катода, розігрівається струмом і іонним бомбардуванням.

  Взаємодія електродів з плазмою дуги призводить до їх нагрівання, часткового розплавлення, випаровуванню, окислення і інших видів корозії.

  Після підпалу дуга може залишатися стійкою при розведенні електричних контактів до деякої відстані.

  При експлуатації високовольтних електроустановок, в яких неминуче поява електричної дуги, боротьба з нею здійснюється за допомогою електромагнітних котушок, суміщених з дугогасильними камерами. Серед інших способів відомі використання вакуумних, повітряних, елегазових і масляних вимикачів, а також методи відведення струму на тимчасове навантаження, самостійно розриває електричний ланцюг.