Warum entsteht ein Lichtbogen, wenn die Kontakte geschlossen sind? Lichtbogen in Hochspannungs-Leistungsschaltern

Wenn ein Stromkreis geöffnet wird, tritt in der Form eine elektrische Entladung auf Lichtbogen. Für das Auftreten eines Lichtbogens reicht es aus, dass die Spannung an den Kontakten bei einem Strom im Stromkreis in der Größenordnung von 0,1 A oder mehr über 10 V liegt. Bei erheblichen Spannungen und Strömen kann die Temperatur im Lichtbogen 3 - 15.000 ° C erreichen, wodurch die Kontakte und stromführenden Teile schmelzen.

Bei Spannungen von 110 kV und darüber kann die Lichtbogenlänge mehrere Meter erreichen. Daher ist ein Lichtbogen, insbesondere in Hochleistungsstromkreisen, bei Spannungen über 1 kV eine große Gefahr, obwohl ernsthafte Folgen in Installationen bei Spannungen unter 1 kV auftreten können. Daher muss der Lichtbogen in Stromkreisen für Spannungen sowohl über als auch unter 1 kV so weit wie möglich begrenzt und schnell gelöscht werden.

Der Prozess der Bildung eines Lichtbogens kann wie folgt vereinfacht werden. Wenn die Kontakte divergieren, nimmt zunächst der Kontaktdruck ab und entsprechend nimmt die Kontaktfläche zu (Stromdichte und Temperatur - lokale (in bestimmten Teilen der Kontaktfläche) Überhitzung beginnen, die weiter zur thermionischen Emission beitragen, wenn sie unter dem Einfluss von hoch stehen Temperatur erhöht sich die Geschwindigkeit der Elektronen und sie entweichen von der Elektrodenoberfläche.

Im Moment der Divergenz der Kontakte, dh einer Unterbrechung des Stromkreises, wird die Spannung an der Kontaktlücke schnell wiederhergestellt. Da in diesem Fall der Abstand zwischen den Kontakten klein ist, entsteht eine hohe Spannung, unter deren Einfluss Elektronen aus der Oberfläche der Elektrode austreten. Sie beschleunigen in einem elektrischen Feld und geben beim Auftreffen auf ein neutrales Atom diesem ihre kinetische Energie. Reicht diese Energie aus, um mindestens ein Elektron aus der Hülle eines neutralen Atoms herauszureißen, kommt es zum Ionisationsprozess.

Die dabei entstehenden freien Elektronen und Ionen bilden das Plasma des Lichtbogenschachtes, also den ionisierten Kanal, in dem der Lichtbogen brennt und für eine kontinuierliche Partikelbewegung gesorgt ist. In diesem Fall bewegen sich negativ geladene Teilchen, hauptsächlich Elektronen, in eine Richtung (zur Anode) und Atome und Gasmoleküle ohne ein oder mehrere Elektronen – positiv geladene Teilchen – in die entgegengesetzte Richtung (zur Kathode). Die Plasmaleitfähigkeit kommt der von Metallen nahe.

In der Lichtbogenwelle fließt ein großer Strom, und es wird eine hohe Temperatur erzeugt. Eine solche Temperatur des Lichtbogenschafts führt zu einer thermischen Ionisierung - dem Prozess der Bildung von Ionen aufgrund der Kollision von Molekülen und Atomen mit hoher kinetischer Energie bei hohen Bewegungsgeschwindigkeiten (Moleküle und Atome des Mediums, in das der Lichtbogen brennt, zerfallen Elektronen und positiv geladene Ionen). Intensive thermische Ionisierung hält eine hohe Plasmaleitfähigkeit aufrecht. Daher ist der Spannungsabfall entlang der Lichtbogenlänge gering.

In einem Lichtbogen laufen ständig zwei Prozesse ab: Neben der Ionisierung findet auch eine Deionisierung von Atomen und Molekülen statt. Letzteres geschieht hauptsächlich durch Diffusion, dh die Übertragung geladener Teilchen in die Umgebung, und die Rekombination von Elektronen und positiv geladenen Ionen, die unter Rückgabe der für ihren Zerfall aufgewendeten Energie zu neutralen Teilchen rekombiniert werden. Dabei wird Wärme an die Umgebung abgeführt.

Somit können drei Stufen des betrachteten Prozesses unterschieden werden: Lichtbogenzündung, wenn durch Stoßionisation und Elektronenemission aus der Kathode eine Lichtbogenentladung beginnt und die Ionisationsintensität höher ist als die Deionisation, stabiles Brennen des Lichtbogens, unterstützt durch thermische Ionisation im Lichtbogenschacht, wenn die Intensität der Ionisation und Deionisation gleich ist, Lichtbogenlöschung, wenn die Intensität der Deionisation höher ist als die Ionisation.

Verfahren zum Löschen des Lichtbogens in elektrischen Schaltgeräten

Um die Elemente des Stromkreises zu trennen und somit eine Beschädigung des Schaltgeräts auszuschließen, ist es erforderlich, nicht nur seine Kontakte zu öffnen, sondern auch den zwischen ihnen auftretenden Lichtbogen zu löschen. Die Prozesse der Lichtbogenlöschung sowie der Verbrennung sind für AC und DC unterschiedlich. Dies wird dadurch bestimmt, dass im ersten Fall der Strom im Lichtbogen jede Halbwelle durch Null geht. In diesen Momenten stoppt die Energiefreisetzung im Lichtbogen und der Lichtbogen erlischt jedes Mal spontan und leuchtet dann wieder auf.

In der Praxis wird der Strom im Lichtbogen etwas früher als der Nulldurchgang nahe Null, da, wenn der Strom abnimmt, die dem Lichtbogen zugeführte Energie abnimmt, die Temperatur des Lichtbogens entsprechend abnimmt und die thermische Ionisation aufhört. In diesem Fall läuft der Entionisierungsprozess intensiv in der Lichtbogenstrecke ab. Wenn die Kontakte im Moment geöffnet und schnell getrennt werden, tritt möglicherweise kein nachfolgender elektrischer Ausfall auf und der Stromkreis wird ohne Lichtbogen ausgeschaltet. Dies ist jedoch in der Praxis äußerst schwierig, und daher werden spezielle Maßnahmen ergriffen, um das Erlöschen des Lichtbogens zu beschleunigen, die eine Kühlung des Lichtbogenraums und eine Verringerung der Anzahl geladener Teilchen gewährleisten.

Als Ergebnis der Entionisierung nimmt die dielektrische Festigkeit des Spalts allmählich zu und gleichzeitig steigt die Wiederkehrspannung darüber an. Vom Verhältnis dieser Werte hängt es ab, ob der Lichtbogen für die nächste Hälfte der Periode leuchten wird oder nicht. Wenn die Spannungsfestigkeit der Lücke schneller ansteigt und größer als die Wiederkehrspannung ist, zündet der Lichtbogen nicht mehr, ansonsten ist der Lichtbogen stabil. Die erste Bedingung definiert das Problem der Lichtbogenlöschung.

In Schaltgeräten werden verschiedene Verfahren der Lichtbogenlöschung eingesetzt.

Bogenverlängerung

Wenn die Kontakte beim Abschalten des Stromkreises auseinanderlaufen, wird der entstandene Lichtbogen gedehnt. In diesem Fall werden die Bedingungen zum Abkühlen des Lichtbogens verbessert, da seine Oberfläche zunimmt und mehr Spannung zur Verbrennung benötigt wird.

Teilen eines langen Bogens in eine Reihe von kurzen Bögen

Wenn der beim Öffnen der Kontakte entstehende Lichtbogen beispielsweise durch Einspannen in ein Metallgitter in K Kurzlichtbögen aufgeteilt wird, erlischt er. Der Lichtbogen wird üblicherweise unter dem Einfluss eines in den Gitterplatten durch Wirbelströme induzierten elektromagnetischen Feldes in ein Metallgitter gezogen. Dieses Verfahren zum Löschen des Lichtbogens ist in Schaltgeräten für Spannungen unter 1 kV, insbesondere in automatischen Leistungsschaltern, weit verbreitet.

Lichtbogenkühlung in schmalen Schlitzen

Das Löschen des Lichtbogens in einem kleinen Volumen wird erleichtert. Daher sind Lichtbogenschächte mit Längsschlitzen weit verbreitet (die Achse eines solchen Schlitzes fällt in Richtung mit der Achse der Lichtbogenwelle zusammen). Ein solcher Spalt wird normalerweise in Kammern gebildet, die aus isolierenden, lichtbogenbeständigen Materialien bestehen. Aufgrund des Kontakts des Lichtbogens mit kalten Oberflächen kommt es zu seiner intensiven Kühlung, der Diffusion geladener Teilchen in die Umgebung und dementsprechend zu einer schnellen Entionisierung.

Neben Schlitzen mit planparallelen Wänden werden auch Schlitze mit Rippen, Vorsprüngen und Erweiterungen (Taschen) verwendet. All dies führt zu einer Verformung des Lichtbogenschafts und trägt zu einer Vergrößerung der Kontaktfläche mit den kalten Wänden der Kammer bei.

Das Ziehen des Lichtbogens in schmale Schlitze erfolgt normalerweise unter dem Einfluss eines Magnetfelds, das mit dem Lichtbogen wechselwirkt, der als stromdurchflossener Leiter betrachtet werden kann.

Äußerlich, um den Lichtbogen zu bewegen, wird am häufigsten durch eine Spule bereitgestellt, die in Reihe mit den Kontakten geschaltet ist, zwischen denen der Lichtbogen auftritt. Die Lichtbogenlöschung in schmalen Schlitzen wird in Geräten für alle Spannungen verwendet.

Hochdruck-Lichtbogenlöschung

Bei konstanter Temperatur nimmt der Ionisationsgrad des Gases mit steigendem Druck ab, während die Wärmeleitfähigkeit des Gases zunimmt. Dies führt unter sonst gleichen Bedingungen zu einer erhöhten Abkühlung des Lichtbogens. Das Löschen des Lichtbogens durch hohen Druck, der durch den Lichtbogen selbst in dicht geschlossenen Kammern erzeugt wird, wird häufig in Sicherungen und einer Reihe anderer Geräte verwendet.

Lichtbogenlöschung in Öl

Beim Einlegen in Öl führt der beim Öffnen entstehende Lichtbogen zu einer starken Verdampfung des Öls. Dadurch bildet sich um den Lichtbogen eine Gasblase (Hülle), die hauptsächlich aus Wasserstoff (70 ... 80%) sowie Öldampf besteht. Die mit hoher Geschwindigkeit austretenden Gase dringen direkt in den Bereich des Lichtbogenschachtes ein, bewirken eine Vermischung von kaltem und heißem Gas in der Blase, sorgen für eine intensive Kühlung und damit für eine Entionisierung der Lichtbogenstrecke. Darüber hinaus erhöht die deionisierende Fähigkeit von Gasen den Druck, der während der schnellen Zersetzung des Öls in der Blase entsteht.

Die Intensität des Löschvorgangs des Lichtbogens in Öl ist umso höher, je dichter der Lichtbogen das Öl berührt und je schneller sich das Öl relativ zum Lichtbogen bewegt. Dabei wird die Lichtbogenstrecke durch eine geschlossene Isoliereinrichtung begrenzt - Lichtbogenschacht. In diesen Kammern wird ein engerer Kontakt des Öls mit dem Lichtbogen hergestellt, und mit Hilfe von Isolierplatten und Auslasslöchern werden Arbeitskanäle gebildet, durch die sich Öl und Gase bewegen und für ein intensives Blasen (Blasen) des Lichtbogens sorgen.

Lichtbogenschächte nach dem Funktionsprinzip werden sie in drei Hauptgruppen eingeteilt: mit automatischem Blasen, wenn aufgrund der im Lichtbogen freigesetzten Energie ein hoher Druck und eine hohe Geschwindigkeit der Gasbewegung in der Lichtbogenzone erzeugt werden, mit erzwungenem Ölblasen durch spezielles Pumpen Hydraulische Mechanismen mit magnetischer Löschung in Öl bewegen sich, wenn der Lichtbogen unter der Wirkung des Magnetfelds steht, in enge Schlitze.

Die effizienteste und einfachste Lichtbogenschächte mit Autoblast. Je nach Lage der Kanäle und Abgaslöcher werden Kammern unterschieden, in denen eine intensive Beblasung des Gas-Dampf-Gemisches und der Ölströme entlang des Lichtbogens (Längsstoß) oder quer zum Lichtbogen (Querstoß) vorgesehen ist. Die betrachteten Methoden zum Löschen des Lichtbogens werden häufig in Leistungsschaltern für Spannungen über 1 kV verwendet.

Andere Möglichkeiten zum Löschen des Lichtbogens in Geräten für Spannungen über 1 kV

Zusätzlich zu den oben genannten Methoden zum Löschen des Lichtbogens verwenden sie auch: Druckluft, deren Strömung den Lichtbogen entlang oder quer bläst und für seine intensive Kühlung sorgt (anstelle von Luft werden auch andere Gase verwendet, die häufig aus festen Gasen gewonnen werden) erzeugende Materialien - Faser, Vinylkunststoff usw. - für aufgrund ihrer Zersetzung durch den brennenden Lichtbogen selbst), der eine höhere elektrische Festigkeit als Luft und Wasserstoff hat, wodurch der in diesem Gas brennende Lichtbogen auch bei schnell gelöscht wird Atmosphärendruck, ein stark verdünntes Gas (Vakuum), beim Öffnen der Kontakte, bei dem der Lichtbogen nach dem ersten Stromnulldurchgang nicht wieder aufleuchtet (erlischt).

) mit großem Strom, niedriger Spannung, hoher Temperatur. Dieses Phänomen ist sowohl elektrisch als auch thermisch.

Kann beim Öffnen zwischen zwei Kontakten auftreten.

Kommen wir zum VAC-Diagramm:

In diesem Diagramm haben wir die Abhängigkeit des Stroms von der Spannung, etwas außerhalb des Maßstabs, aber klarer. Es gibt also drei Bereiche:

Im ersten Bereich haben wir einen hohen Spannungsabfall an der Kathode und niedrige Ströme - dies ist der Glimmentladungsbereich
im zweiten Bereich nimmt der Spannungsabfall stark ab und der Strom steigt weiter an - dies ist der Übergangsbereich zwischen Glimmentladung und Bogenentladung
der dritte Bereich charakterisiert die Bogenentladung - geringer Spannungsabfall und hohe Stromdichte und damit hohe Temperatur.

Der Mechanismus für das Auftreten eines Lichtbogens kann wie folgt sein: Die Kontakte öffnen sich und zwischen ihnen tritt eine Entladung auf. Beim Öffnen wird die Luft zwischen den Kontakten ionisiert und erhält die Eigenschaften eines Leiters, dann entsteht ein Lichtbogen. Das Zünden des Lichtbogens ist der Prozess der Ionisierung des Luftspalts, das Erlöschen des Lichtbogens ist das Phänomen der Entionisierung des Luftspalts.

Phänomene der Ionisation und Deionisation

Zu Beginn des Lichtbogenbrennens überwiegen Ionisationsvorgänge, wenn der Lichtbogen stabil ist, dann treten die Ionisations- und Deionisationsvorgänge gleich oft auf, sobald die Deionisationsvorgänge die Ionisationsvorgänge zu überwiegen beginnen, erlischt der Lichtbogen.

Ionisation:

Glühemission- Elektronen werden von der heißen Oberfläche des Kathodenflecks abgelöst;
Feldemission- Elektronen treten aufgrund der hohen elektrischen Feldstärke aus der Oberfläche aus.
Push-Ionisation- Ein Elektron fliegt mit ausreichender Geschwindigkeit heraus und kollidiert unterwegs mit einem neutralen Teilchen, wodurch ein Elektron und ein Ion entstehen.
thermische Ionisation- die Hauptart der Ionisierung, unterstützt den Lichtbogen nach seiner Zündung. Die Lichtbogentemperatur kann Tausende von Kelvin erreichen, und in einer solchen Umgebung nehmen die Anzahl der Partikel und ihre Geschwindigkeit zu, was zu aktiven Ionisationsprozessen beiträgt.

Deionisierung:

Rekombination- die Bildung neutraler Teilchen aus entgegengesetzt geladenen Teilchen während der Wechselwirkung
Diffusion- Positiv geladene Teilchen werden aufgrund der Wirkung des elektrischen Feldes des Lichtbogens von der Mitte bis zum Rand „über Bord“ geschickt

Es gibt Situationen, in denen der Lichtbogen beim Öffnen der Kontakte nicht zündet, dann spricht man von einer funkenfreien Unterbrechung. Dies ist möglich bei niedrigen Strom- und Spannungswerten oder beim Abschalten in dem Moment, in dem der Stromwert durch Null geht.

DC-Lichtbogeneigenschaften

Der Lichtbogen kann sowohl bei Gleichspannung als auch bei Wechselstrom auftreten. Beginnen wir mit der Konstante:

Anoden- und Kathodenbereiche- Größe = 10 -4 cm; Gesamtspannungsabfall = 15-30 V; Spannung = 10 5 –10 6 V/cm; im Kathodenbereich findet aufgrund der hohen Spannung der Stoßionisationsprozess statt, die durch Ionisation entstehenden Elektronen und Ionen bilden ein Lichtbogenplasma, das eine hohe Leitfähigkeit aufweist, dieser Bereich ist für die Lichtbogenzündung verantwortlich.

Tonnenbogen- Spannungsabfall ist proportional zur Lichtbogenlänge; Die Stromdichte beträgt etwa 10 kA pro cm 2, wodurch die Temperatur etwa 6000 K und höher beträgt. In diesem Bereich des Lichtbogens finden thermische Ionisationsprozesse statt, dieser Bereich ist für die Aufrechterhaltung der Verbrennung verantwortlich.

I-V-Eigenschaften der DC-Bogenentladung

Diese Kurve entspricht der Kurve 3 in der obersten Abbildung. Es gibt:

Uz - Zündspannung
Ug - Löschspannung

Wenn der Strom sofort von Io auf 0 reduziert wird, erhalten Sie eine gerade Linie, die darunter liegt. Diese Kurven charakterisieren die Lichtbogenstrecke als Leiter und zeigen, welche Spannung angelegt werden muss, um einen Lichtbogen in der Lücke zu erzeugen.

Um einen DC-Lichtbogen zu löschen, ist es notwendig, dass die Deionisationsprozesse die Ionisationsprozesse überwiegen.

Lichtbogenbeständigkeit:

kann aus den Strom-Spannungs-Kennlinien des Lichtbogens ermittelt werden
aktiv, unabhängig von der Stromart
Variable
fällt mit zunehmendem Strom ab

Wenn Sie den Stromkreis des Amperemeters unter Last unterbrechen, können Sie auch den Lichtbogen sehen.

Eigenschaften des Wechselstrombogens

Ein Merkmal des Wechselstromlichtbogens ist sein zeitliches Verhalten. Wenn Sie sich das folgende Diagramm ansehen, können Sie sehen, dass der Lichtbogen in jeder Halbwelle durch Null geht.

Es ist ersichtlich, dass der Strom der Spannung um etwa 90 Grad nacheilt. Zunächst tritt ein Strom auf und die Spannung steigt stark auf den Zündwert (Uz) an. Weiterhin steigt der Strom weiter an und der Spannungsabfall nimmt ab. Am Punkt des maximalen Amplitudenstromwerts ist der Lichtbogenspannungswert minimal. Ferner geht der Strom gegen Null und der Spannungsabfall steigt wieder auf den Dämpfungswert (Ug), der dem Moment entspricht, in dem der Strom durch Null geht. Dann wiederholt sich alles noch einmal. Links neben dem Zeitverlauf befindet sich der Strom-Spannungs-Verlauf.

Ein Merkmal eines variablen Lichtbogens, abgesehen von seiner Zündung und Löschung über einen Halbzyklus, ist, wie der Strom Null durchquert. Dies geschieht nicht in Form einer Sinuskurve, sondern schärfer. Es entsteht eine stromlose Pause, in der die bekannten Entionisierungsvorgänge ablaufen. Das heißt, der Widerstand der Lichtbogenstrecke nimmt zu. Und je mehr der Widerstand zunimmt, desto schwieriger wird es für den Lichtbogen, zurückzuzünden.

Lässt man den Lichtbogen lange genug brennen, werden nicht nur die Kontakte, sondern auch die elektrische Ausrüstung selbst zerstört. Die Bedingungen zum Löschen des Lichtbogens werden in der Konstruktionsphase festgelegt, und es werden ständig neue Methoden eingeführt, um dieses schädliche Phänomen in Schaltgeräten zu bekämpfen.

Das Lichtbogenphänomen selbst ist für elektrische Geräte nicht nützlich, da es zu einer Verschlechterung der Betriebseigenschaften der Kontakte führt: Durchbrennen, Korrosion, mechanische Beschädigung.

Aber nicht alles ist so traurig, denn helle Köpfe haben eine nützliche Anwendung für die Lichtbogenentladung gefunden - Einsatz beim Lichtbogenschweißen, Metallurgie, Lichttechnik, Quecksilbergleichrichter.

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Der Lichtbogen (Lichtbogen, Bogenentladung) ist ein physikalisches Phänomen, eine der Arten der elektrischen Entladung in einem Gas.
Es wurde erstmals 1802 vom russischen Wissenschaftler V. Petrov in dem Buch „Neuigkeiten über galvanisch-voltaische Experimente mittels einer riesigen Batterie, manchmal bestehend aus 4200 Kupfer- und Zinkkreisen“ (St. Petersburg, 1803) beschrieben. Ein Lichtbogen ist ein Sonderfall der vierten Form des Aggregatzustandes – Plasma – und besteht aus einem ionisierten, elektrisch quasi neutralen Gas. Das Vorhandensein freier elektrischer Ladungen gewährleistet die Leitfähigkeit des Lichtbogens.
Ein Lichtbogen zwischen zwei Elektroden in Luft bei atmosphärischem Druck entsteht wie folgt:
Wenn die Spannung zwischen den beiden Elektroden in der Luft auf ein bestimmtes Niveau ansteigt, kommt es zu einem elektrischen Durchschlag zwischen den Elektroden. Die elektrische Durchschlagsspannung hängt vom Abstand zwischen den Elektroden und anderen Faktoren ab. Das Ionisationspotential des ersten Elektrons von Metallatomen beträgt etwa 4,5 - 5 V, die Lichtbogenspannung ist doppelt so hoch (9 - 10 V). Beim Austritt eines Elektrons aus dem Metallatom der einen Elektrode und bei der Ionisation des Atoms der zweiten Elektrode muss Energie aufgewendet werden. Der Prozess führt zur Bildung eines Plasmas zwischen den Elektroden und zum Brennen eines Lichtbogens (zum Vergleich: Die Mindestspannung für die Bildung einer Funkenentladung übersteigt das Elektronenausgangspotential geringfügig - bis zu 6 V).
Um einen Durchbruch bei der verfügbaren Spannung einzuleiten, werden die Elektroden näher zueinander gebracht. Während eines Durchschlags tritt normalerweise eine Funkenentladung zwischen den Elektroden auf, wodurch der Stromkreis impulsartig geschlossen wird.
Elektronen in Funkenentladungen ionisieren Moleküle im Luftspalt zwischen den Elektroden. Bei ausreichender Leistung der Spannungsquelle im Luftspalt bildet sich eine ausreichende Plasmamenge für einen signifikanten Abfall der Durchbruchspannung bzw. des Widerstands des Luftspalts. In diesem Fall verwandeln sich Funkenentladungen in eine Bogenentladung - eine Plasmaschnur zwischen den Elektroden, die ein Plasmatunnel ist. Der entstehende Lichtbogen ist tatsächlich ein Leiter und schließt den Stromkreis zwischen den Elektroden. Infolgedessen steigt der durchschnittliche Strom noch weiter an und erwärmt den Lichtbogen auf 5000-50000 K. In diesem Fall wird davon ausgegangen, dass die Zündung des Lichtbogens abgeschlossen ist. Nach dem Zünden wird ein stabiles Brennen des Lichtbogens durch thermionische Emission von der durch Strom und Ionenbeschuss erhitzten Kathode sichergestellt.
Die Wechselwirkung von Elektroden mit Lichtbogenplasma führt zu deren Erwärmung, teilweisem Schmelzen, Verdampfen, Oxidation und anderen Arten von Korrosion.
Nach dem Zünden kann der Lichtbogen stabil bleiben, wenn die elektrischen Kontakte bis zu einem bestimmten Abstand getrennt werden.
Während des Betriebs von elektrischen Hochspannungsanlagen, bei denen das Auftreten eines Lichtbogens unvermeidlich ist, wird der Kampf dagegen mit elektromagnetischen Spulen in Kombination mit Lichtbogenkammern durchgeführt. Bekannt sind unter anderem die Verwendung von Vakuum-, Luft-, SF6- und Öl-Trennschaltern sowie Verfahren zum Umleiten von Strom zu einer stromführenden Last, die den Stromkreis selbstständig unterbricht.

Ein elektrischer Lichtbogen ist eine Entladungsart, die durch eine hohe Stromdichte, hohe Temperatur, erhöhten Gasdruck und einen geringen Spannungsabfall über der Lichtbogenstrecke gekennzeichnet ist. Dabei findet eine starke Erwärmung der Elektroden (Kontakte) statt, an denen sich die sogenannten Kathoden- und Anodenspots bilden. Das Kathodenglühen konzentriert sich auf einen kleinen hellen Fleck, der heiße Teil der Gegenelektrode bildet einen Anodenfleck.

Im Bogen sind drei Bereiche zu erkennen, die sich in der Art der in ihnen ablaufenden Prozesse sehr unterscheiden. Unmittelbar an die negative Elektrode (Kathode) des Lichtbogens grenzt der Bereich des Kathodenspannungsabfalls an. Als nächstes kommt der Plasmabogenlauf. Unmittelbar an die positive Elektrode (Anode) schließt sich der Bereich des Anodenspannungsabfalls an. Diese Regionen sind schematisch in Abb. ein.

Reis. 1. Die Struktur des Lichtbogens

Die Abmessungen der Kathoden- und Anodenspannungsabfälle in der Figur sind stark übertrieben. Tatsächlich ist ihre Länge sehr klein.Beispielsweise hat die Länge des Kathodenspannungsabfalls einen Wert in der Größenordnungder freien Bewegungsbahn eines Elektrons (weniger als 1 Mikrometer). Die Länge des Bereichs des Anodenspannungsabfalls ist üblicherweise etwas größer als dieser Wert.

Unter normalen Bedingungen ist Luft ein guter Isolator. Somit beträgt die für den Durchbruch eines Luftspalts von 1 cm erforderliche Spannung 30 kV. Damit der Luftspalt zu einem Leiter wird, muss darin eine bestimmte Konzentration geladener Teilchen (Elektronen und Ionen) erzeugt werden.

Wie ein Lichtbogen entsteht

Ein elektrischer Lichtbogen, der ein Strom geladener Teilchen ist, tritt im Anfangsmoment der Kontaktdivergenz als Ergebnis des Vorhandenseins freier Elektronen im Gas der Lichtbogenstrecke und von der Kathodenoberfläche emittierter Elektronen auf. Freie Elektronen, die sich im Spalt zwischen den Kontakten befinden, bewegen sich unter Einwirkung elektrischer Feldkräfte mit hoher Geschwindigkeit in Richtung von der Kathode zur Anode.

Die Feldstärke zu Beginn der Kontaktdivergenz kann mehrere tausend Kilovolt pro Zentimeter erreichen. Unter der Wirkung der Kräfte dieses Feldes entweichen Elektronen von der Oberfläche der Kathode und bewegen sich zur Anode, wobei sie Elektronen herausschlagen, die eine Elektronenwolke bilden. Der auf diese Weise erzeugte anfängliche Elektronenfluss bildet anschließend eine intensive Ionisierung der Lichtbogenstrecke.

Neben Ionisationsprozessen laufen Deionisationsprozesse parallel und kontinuierlich im Lichtbogen ab. Deionisationsprozesse bestehen darin, dass, wenn sich zwei Ionen unterschiedlicher Vorzeichen oder ein positives Ion und ein Elektron annähern, sie angezogen und bei Kollision neutralisiert werden, zusätzlich bewegen sich geladene Teilchen aus dem brennenden Bereich von Seelen mit a höhere Ladungskonzentration an die Umgebung mit einer niedrigeren Ladungskonzentration. Alle diese Faktoren führen zu einer Abnahme der Temperatur des Lichtbogens, zu seiner Abkühlung und Löschung.

Reis. 2. Lichtbogen

Lichtbogen nach Zündung

Im stationären Zustand der Verbrennung stehen darin Ionisations- und Deionisationsvorgänge im Gleichgewicht. Der Lichtbogenschacht mit einer gleichen Anzahl freier positiver und negativer Ladungen zeichnet sich durch einen hohen Grad an Gasionisation aus.

Eine Substanz, deren Ionisationsgrad nahe bei Eins liegt, d.h. in dem es keine neutralen Atome und Moleküle gibt, nennt man Plasma.

Der Lichtbogen zeichnet sich durch folgende Merkmale aus:

1. Eine klar definierte Grenze zwischen dem Lichtbogenschacht und der Umgebung.

2. Hohe Temperatur im Lichtbogenrohr, die 6000 - 25000 K erreicht.

3. Hohe Stromdichte und Lichtbogenwelle (100 - 1000 A/mm2).

4. Kleine Werte der Anoden- und Kathodenspannung fallen ab und hängen praktisch nicht vom Strom ab (10 - 20 V).

Volt-Ampere-Kennlinie eines Lichtbogens

Das Hauptmerkmal eines Gleichstromlichtbogens ist die Abhängigkeit der Lichtbogenspannung vom Strom, die als bezeichnet wird Strom-Spannungs-Kennlinie (VAC).

Der Lichtbogen entsteht zwischen den Kontakten bei einer bestimmten Spannung (Bild 3), der sogenannten Zündspannung Uz, und hängt vom Kontaktabstand, von Temperatur und Druck des Mediums sowie von der Kontaktdivergenzgeschwindigkeit ab. Die Lichtbogenlöschspannung Ug ist immer kleiner als die Spannung Uc.

Reis. 3. Volt-Ampere-Kennlinie des Gleichstromlichtbogens (a) und seines Ersatzschaltbildes (b)

Kurve 1 stellt die statische Charakteristik des Lichtbogens dar, d.h. durch langsame Änderung des Stroms erhalten. Die Kennlinie hat fallenden Charakter. Wenn der Strom ansteigt, nimmt die Lichtbogenspannung ab. Das bedeutet, dass der Lichtbogenwiderstand schneller abnimmt, wenn der Strom ansteigt.

Wenn wir den Strom im Lichtbogen von I1 mit einer bestimmten Rate auf Null reduzieren und gleichzeitig den Spannungsabfall über dem Lichtbogen festlegen, erhalten wir die Kurven 2 und 3. Diese Kurven werden aufgerufen dynamische Eigenschaften.

Je schneller der Strom reduziert wird, desto niedriger liegen die dynamischen IV-Kennlinien. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass bei abnehmendem Strom Parameter des Lichtbogens wie Wellenquerschnitt und Temperatur keine Zeit haben, sich schnell zu ändern und Werte zu erhalten, die einem niedrigeren Stromwert im stationären Zustand entsprechen.

Spannungsabfall über der Lichtbogenstrecke:

Ud \u003d U s + EdId,

wo U c \u003d U k + U a - Spannungsabfall in der Nähe der Elektrode, Ed - Längsspannungsgradient im Lichtbogen, Id - Lichtbogenlänge.

Aus der Formel folgt, dass mit zunehmender Lichtbogenlänge der Spannungsabfall über dem Lichtbogen zunimmt und die IV-Kennlinie höher wird.

Sie kämpfen mit einem Lichtbogen bei der Konstruktion von Schaltgeräten. Die Eigenschaften eines Lichtbogens werden in und in genutzt.

Das Abschalten des Stromkreises durch eine Kontaktvorrichtung ist durch das Auftreten von Plasma gekennzeichnet, das verschiedene Stadien einer Gasentladung durchläuft, um die Kontaktlücke von einem elektrischen Stromleiter in einen Isolator umzuwandeln.

Bei Strömen über 0,5-1 A tritt eine Bogenentladungsstufe auf (Region 1 )(Abb. 1.); Wenn der Strom abnimmt, tritt an der Kathode eine Glimmentladungsstufe auf (Region 2 ); nächste Stufe (Gebiet 3 ) ist die Townsend-Entladung und schließlich die Region 4 - das Stadium der Isolierung, in dem die Stromträger - Elektronen und Ionen - nicht durch Ionisation gebildet werden, sondern nur aus der Umgebung stammen können.

Reis. 1. Strom-Spannungs-Kennlinie elektrischer Entladungsstufen in Gasen

Der erste Abschnitt der Kurve ist eine Bogenentladung (Bereich 1) - gekennzeichnet durch einen geringen Spannungsabfall an den Elektroden und eine hohe Stromdichte. Mit zunehmendem Strom fällt die Spannung über der Lichtbogenstrecke zunächst stark ab und ändert sich dann geringfügig.

Der zweite Abschnitt (region 2 )-Kurve, die ein Glimmentladungsbereich ist, ist durch einen hohen Spannungsabfall an der Kathode (250–300 V) und niedrige Ströme gekennzeichnet. Mit zunehmendem Strom nimmt der Spannungsabfall über der Entladungsstrecke zu.

Townsend-Entladung (Gebiet 3 ) zeichnet sich durch extrem niedrige Stromwerte bei hohen Spannungen aus.

Lichtbogen wird von einer hohen Temperatur begleitet und dieser Temperatur zugeordnet. Der Lichtbogen ist also nicht nur ein elektrisches Phänomen, sondern auch ein thermisches.

Unter normalen Bedingungen ist Luft ein guter Isolator. Für den Durchbruch eines Luftspalts von 1 cm muss also eine Spannung von mindestens 30 kV angelegt werden. Damit der Luftspalt zu einem Leiter wird, muss eine bestimmte Konzentration geladener Teilchen darin erzeugt werden: negative - meist freie Elektronen und positive - Ionen. Der Vorgang der Trennung eines oder mehrerer Elektronen von einem neutralen Teilchen zur Bildung freier Elektronen und Ionen wird genannt Ionisation.

Gasionisation kann unter dem Einfluss von Licht, Röntgenstrahlen, hohen Temperaturen, unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes und einer Reihe anderer Faktoren auftreten. Für Lichtbogenprozesse in elektrischen Geräten sind die wichtigsten: die an den Elektroden ablaufenden Prozesse, Thermion- und Feldemission, und die in der Lichtbogenstrecke ablaufenden Prozesse, thermische Ionisation und Stoßionisation.

Beim Schalten elektrischer Geräte, die zum Schließen und Öffnen eines Stromkreises ausgelegt sind, tritt beim Trennen eine Entladung im Gas entweder in Form einer Glimmentladung oder in Form eines Lichtbogens auf. Eine Glimmentladung tritt auf, wenn der abzuschaltende Strom unter 0,1 A liegt und die Spannung an den Kontakten 250–300 V erreicht. Eine solche Entladung tritt entweder an den Kontakten von Relais mit geringer Leistung oder als Übergangsphase zu einer Entladung auf in Form eines Lichtbogens.

Die wichtigsten Eigenschaften der Bogenentladung.

1) Die Bogenentladung findet nur bei hohen Strömen statt; der minimale Lichtbogenstrom für Metalle beträgt ca. 0,5 A;

2) Die Temperatur des zentralen Teils des Lichtbogens ist sehr hoch und kann in Apparaten 6000 - 18000 K erreichen;

3) Die Stromdichte an der Kathode ist extrem hoch und erreicht 10 2 - 10 3 A/mm 2;

4) Der Spannungsabfall an der Kathode beträgt nur 10 - 20 V und ist praktisch stromunabhängig.

Bei einer Bogenentladung können drei charakteristische Bereiche unterschieden werden: kathodennah, der Bereich der Bogensäule (Bogenschaft) und anodennah (Abb. 2.).

In jedem dieser Bereiche laufen die Prozesse der Ionisation und Deionisation je nach den dort herrschenden Bedingungen unterschiedlich ab. Da der resultierende Strom durch diese drei Bereiche gleich ist, finden in jedem von ihnen Prozesse statt, um das Auftreten der erforderlichen Anzahl von Ladungen sicherzustellen.

Reis. 2. Verteilung von Spannung und elektrischer Feldstärke in einem stationären Gleichstromlichtbogen

Glühemission. Thermionische Emission ist das Phänomen der Emission von Elektronen von einer erhitzten Oberfläche.

Wenn die Kontakte divergieren, steigen der Übergangswiderstand des Kontakts und die Stromdichte im letzten Kontaktbereich stark an. Dieser Bereich wird auf Schmelztemperatur erhitzt und es bildet sich eine Kontaktinsel aus geschmolzenem Metall, die bei weiterem Auseinanderlaufen der Kontakte bricht. Hier verdampft das Kontaktmetall. Auf der negativen Elektrode bildet sich ein sogenannter Kathodenfleck (Hot Pad), der im ersten Moment der Kontaktdivergenz als Basis des Lichtbogens und als Quelle der Elektronenstrahlung dient. Die thermionische Emissionsstromdichte hängt von der Temperatur und dem Elektrodenmaterial ab. Sie ist klein und reicht vielleicht für das Entstehen eines Lichtbogens, aber nicht für deren Verbrennung.

Autoelektronische Emission. Dies ist das Phänomen der Emission von Elektronen aus der Kathode unter dem Einfluss eines starken elektrischen Feldes.

Die Stelle, an der der Stromkreis unterbrochen ist, kann als Drehkondensator dargestellt werden. Die Kapazität ist im Anfangsmoment gleich unendlich und nimmt dann ab, wenn die Kontakte divergieren. Über den Widerstand der Schaltung wird dieser Kondensator aufgeladen, und die Spannung an ihm steigt allmählich von Null auf die Netzspannung an. Gleichzeitig vergrößert sich der Abstand zwischen den Kontakten. Die Feldstärke zwischen den Kontakten während des Spannungsanstiegs durchläuft Werte von über 100 MV/cm. Solche Werte der elektrischen Feldstärke reichen aus, um Elektronen aus der Kaltkathode herauszuschlagen.

Auch der Feldemissionsstrom ist sehr klein und kann nur als Beginn der Entstehung einer Bogenentladung dienen.

Somit wird das Auftreten einer Bogenentladung an divergierenden Kontakten durch das Vorhandensein von thermionischen und autoelektronischen Emissionen erklärt. Das Überwiegen des einen oder anderen Faktors hängt vom Wert des abgeschalteten Stroms, dem Material und der Sauberkeit der Kontaktoberfläche, der Geschwindigkeit ihrer Divergenz und einer Reihe anderer Faktoren ab.

Push-Ionisation. Wenn ein freies Elektron eine ausreichende Geschwindigkeit hat, kann es, wenn es mit einem neutralen Teilchen (Atom und manchmal einem Molekül) kollidiert, ein Elektron daraus herausschlagen. Das Ergebnis ist ein neues freies Elektron und ein positives Ion. Das neu aufgenommene Elektron kann wiederum das nächste Teilchen ionisieren. Diese Ionisation wird Stoßionisation genannt.

Damit ein Elektron ein Gasteilchen ionisieren kann, muss es sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegen. Die Geschwindigkeit eines Elektrons hängt von der Potentialdifferenz über seiner mittleren freien Weglänge ab. Daher wird in der Regel nicht die Geschwindigkeit des Elektrons angegeben, sondern der Mindestwert der Potentialdifferenz, der auf der Länge der freien Wegstrecke liegen muss, damit das Elektron am Ende der Wegstrecke die notwendige Geschwindigkeit erreicht. Diese Potentialdifferenz heißt Ionisationspotential.

Das Ionisationspotential für Gase beträgt 13 - 16 V (Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff) und bis zu 24,5 V (Helium), für Metalldämpfe ist es etwa doppelt so niedrig (7,7 V für Kupferdämpfe).

Thermische Ionisierung. Dies ist der Prozess der Ionisierung unter dem Einfluss hoher Temperaturen. Aufrechterhaltung des Lichtbogens nach seinem Auftreten, d. h. Die Versorgung der entstandenen Bogenentladung mit einer ausreichenden Anzahl freier Ladungen erklärt sich aus der wichtigsten und praktisch einzigen Art der Ionisation - der thermischen Ionisation.

Die Temperatur der Lichtbogensäule beträgt im Durchschnitt 6000 - 10000 K, kann aber höhere Werte erreichen - bis zu 18000 K. Bei dieser Temperatur nehmen sowohl die Anzahl der sich schnell bewegenden Gaspartikel als auch die Geschwindigkeit ihrer Bewegung stark zu. Wenn sich schnell bewegende Atome oder Moleküle kollidieren, werden die meisten von ihnen zerstört und bilden geladene Teilchen, d.h. Gas wird ionisiert. Das Hauptmerkmal der thermischen Ionisation ist Grad der Ionisierung, die das Verhältnis der Anzahl ionisierter Atome in der Lichtbogenlücke zur Gesamtzahl der Atome in dieser Lücke ist. Gleichzeitig mit den Ionisationsprozessen im Lichtbogen laufen umgekehrte Prozesse ab, d. h. die Wiedervereinigung geladener Teilchen und die Bildung neutraler Teilchen. Diese Prozesse werden aufgerufen Entionisierung.

Die Deionisierung erfolgt hauptsächlich aufgrund von Rekombination Und Diffusion.

Rekombination. Den Vorgang, bei dem unterschiedlich geladene Teilchen, die miteinander in Kontakt kommen, neutrale Teilchen bilden, nennt man Rekombination.

In einem Lichtbogen sind die negativen Teilchen meistens Elektronen. Die direkte Verbindung von Elektronen mit einem positiven Ion ist aufgrund des großen Geschwindigkeitsunterschieds unwahrscheinlich. Normalerweise erfolgt die Rekombination mit Hilfe eines neutralen Teilchens, das das Elektron auflädt. Wenn dieses negativ geladene Teilchen mit einem positiven Ion kollidiert, werden ein oder zwei neutrale Teilchen gebildet.

Diffusion. Die Diffusion geladener Teilchen ist der Vorgang, bei dem geladene Teilchen aus der Lichtbogenstrecke in den umgebenden Raum getragen werden, wodurch die Leitfähigkeit des Lichtbogens verringert wird.

Die Diffusion ist sowohl auf elektrische als auch auf thermische Faktoren zurückzuführen. Die Ladungsdichte in der Lichtbogensäule nimmt von der Peripherie zum Zentrum hin zu. Angesichts dessen wird ein elektrisches Feld erzeugt, das die Ionen zwingt, sich vom Zentrum zur Peripherie zu bewegen und den Bogenbereich zu verlassen. In die gleiche Richtung wirkt auch die Temperaturdifferenz zwischen der Lichtbogensäule und dem umgebenden Raum. Bei einem stabilisierten und frei brennenden Lichtbogen spielt die Diffusion eine vernachlässigbare Rolle.

Der Spannungsabfall über einem stationären Lichtbogen verteilt sich ungleichmäßig entlang des Lichtbogens. Muster des Spannungsabfalls U D und elektrische Feldstärke (Längsspannungsgradient) E D= dU/dx entlang des Bogens ist in der Abbildung dargestellt (Abb. 2). Unter Stressgradient E D bezieht sich auf den Spannungsabfall pro Längeneinheit des Lichtbogens. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, der Verlauf der Kennlinie U D und E D in den elektrodennahen Bereichen weicht stark vom Verhalten der Kennlinien im restlichen Lichtbogen ab. An den Elektroden, in den kathodennahen und anodennahen Bereichen, in einem Längenintervall in der Größenordnung von 10–4 cm, gibt es einen scharfen Spannungsabfall, genannt kathodisch U zu und Anode u aber. Die Größe dieses Spannungsabfalls hängt vom Material der Elektroden und dem umgebenden Gas ab. Der Gesamtwert der Anoden- und Kathodenspannungsabfälle beträgt 15–30 V, der Spannungsgradient erreicht 105–106 V/cm.

Im Rest des Lichtbogens, der sogenannten Lichtbogensäule, fällt die Spannung ab U D ist fast direkt proportional zur Länge des Bogens. Die Steigung ist hier entlang des Stiels ungefähr konstant. Sie hängt von vielen Faktoren ab und kann stark variieren und 100–200 V/cm erreichen.

Spannungsabfall nahe der Elektrode U E hängt nicht von der Lichtbogenlänge ab, der Spannungsabfall in der Lichtbogensäule ist proportional zur Lichtbogenlänge. Also der Spannungsabfall über der Lichtbogenstrecke

U D= U E+ E D l D,

wo: E D die elektrische Feldstärke in der Lichtbogensäule ist;

l D ist die Länge des Bogens; U E = U bis + U aber.

Abschließend sei noch einmal darauf hingewiesen, dass im Stadium der Bogenentladung die thermische Ionisation überwiegt - die Aufspaltung von Atomen in Elektronen und positive Ionen aufgrund der Energie des thermischen Feldes. Beim Glühen tritt an der Kathode Stoßionisation durch Kollision mit durch ein elektrisches Feld beschleunigten Elektronen auf, und bei einer Townsend-Entladung herrscht Stoßionisation über den gesamten Spalt der Gasentladung.

Statische Strom-Spannungs-Charakteristik der elektrischen

Gleichstromlichtbögen.

Die wichtigste Eigenschaft des Lichtbogens ist die Abhängigkeit der an ihm anliegenden Spannung von der Stromstärke. Diese Eigenschaft wird als Strom-Spannung bezeichnet. Mit zunehmendem Strom ich Die Temperatur des Lichtbogens steigt, die thermische Ionisation nimmt zu, die Anzahl ionisierter Teilchen in der Entladung steigt und der elektrische Widerstand des Lichtbogens nimmt ab R D.

Die Lichtbogenspannung ist ir e) Wenn der Strom ansteigt, nimmt der Widerstand des Lichtbogens so schnell ab, dass die Spannung über dem Lichtbogen abfällt, obwohl der Strom in der Schaltung ansteigt. Jeder Stromwert im stationären Zustand entspricht seinem eigenen dynamischen Gleichgewicht der Anzahl geladener Teilchen.

Beim Übergang von einem Stromwert zum anderen ändert sich der thermische Zustand des Lichtbogens nicht sofort. Die Bogenlücke hat thermische Trägheit. Wenn sich der Strom zeitlich langsam ändert, wirkt sich die thermische Trägheit der Entladung nicht aus. Jeder Stromwert entspricht einem einzelnen Wert des Lichtbogenwiderstands oder der Spannung darüber.

Die Abhängigkeit der Lichtbogenspannung vom Strom mit ihrer langsamen Änderung wird genannt statische Stromkennlinie Bögen.

Die statische Eigenschaft des Lichtbogens hängt vom Abstand zwischen den Elektroden (Lichtbogenlänge), dem Material der Elektroden und den Parametern der Umgebung ab, in der der Lichtbogen brennt.

Die statischen Strom-Spannungs-Kennlinien des Lichtbogens haben die Form der in Abb. 1 gezeigten Kurven. 3.

Reis. 3. Statische Strom-Spannungs-Charakteristik des Lichtbogens

Je länger der Lichtbogen ist, desto höher ist seine statische Strom-Spannungs-Kennlinie. Mit zunehmendem Druck des Mediums, in dem der Lichtbogen brennt, nimmt auch die Intensität zu E D und die Strom-Spannungs-Kennlinie steigt ähnlich wie in Abb. 3.

Die Lichtbogenkühlung beeinflusst diese Eigenschaft erheblich. Je intensiver die Kühlung des Lichtbogens ist, desto mehr Leistung wird ihm entzogen. Dies sollte die durch den Lichtbogen erzeugte Leistung erhöhen. Bei gegebenem Strom ist dies durch Erhöhen der Lichtbogenspannung möglich. Mit zunehmender Abkühlung liegt also die Strom-Spannungs-Kennlinie höher. Dies wird häufig in Lichtbogenlöschvorrichtungen von Apparaten verwendet.

Dynamische Strom-Spannungs-Kennlinie von elektr

Gleichstromlichtbögen.

Wenn sich der Strom im Stromkreis langsam ändert, dann der Strom ich 1 entspricht der Lichtbogenfestigkeit R D1, ein höherer Strom ich 2 entspricht weniger Widerstand R D2, die in Abb. 4. (siehe die statische Kennlinie des Bogens - Kurve ABER).

Reis. 4. Dynamische Strom-Spannungs-Kennlinie des Lichtbogens.

In realen Installationen kann sich der Strom recht schnell ändern. Aufgrund der thermischen Trägheit der Lichtbogensäule hinkt die Änderung des Lichtbogenwiderstandes der Stromänderung hinterher.

Die Abhängigkeit der Lichtbogenspannung vom Strom mit ihrer schnellen Änderung wird genannt dynamische Strom-Spannungs-Kennlinie.

Bei einem starken Anstieg des Stroms wird die dynamische Kennlinie höher als die statische (Kurve IN), da bei schnellem Stromanstieg der Lichtbogenwiderstand langsamer abfällt als der Strom ansteigt. Beim Absenken ist er geringer, da in diesem Modus der Lichtbogenwiderstand geringer ist als bei einer langsamen Stromänderung (Kurve VON).

Die Dynamik wird maßgeblich durch die Stromänderungsgeschwindigkeit im Lichtbogen bestimmt. Wenn ein sehr großer Widerstand für eine im Vergleich zur thermischen Zeitkonstante des Lichtbogens unendlich kleine Zeit in den Stromkreis eingeführt wird, bleibt der Lichtbogenwiderstand während der Zeit, in der der Strom auf Null abfällt, konstant. In diesem Fall wird die dynamische Charakteristik als gerade Linie dargestellt, die von dem Punkt ausgeht 2 zum Ursprung (gerade Linie D),T. e) Der Lichtbogen verhält sich wie ein metallischer Leiter, da die Spannung über dem Lichtbogen proportional zum Strom ist.

DC-Lichtbogenlöschbedingungen.

Um einen Gleichstrom-Lichtbogen zu löschen, müssen solche Bedingungen geschaffen werden, dass in der Lichtbogenstrecke bei allen Stromwerten Deionisationsprozesse intensiver ablaufen als Ionisationsprozesse.

Reis. 5. Spannungsgleichgewicht in einem Stromkreis mit Lichtbogen.

Stellen Sie sich einen Stromkreis vor, der einen Widerstand enthält R, Induktivität L und Lichtbogenstrecke mit Spannungsabfall U D an die Spannung angelegt wird U(Abb. 5, aber). Bei einem Lichtbogen mit konstanter Länge gilt für jeden Zeitpunkt die Spannungsausgleichsgleichung in dieser Schaltung:

wo ist der Spannungsabfall über der Induktivität, wenn sich der Strom ändert.

Der stationäre Modus ist einer, in dem sich der Strom in der Schaltung nicht ändert, d.h. und die Spannungsbilanzgleichung nimmt die Form an:

Um einen Lichtbogen zu löschen, ist es notwendig, dass der Strom darin ständig abnimmt, d.h. , aber

Die grafische Lösung der Spannungsbilanzgleichung ist in Abb. 1 dargestellt. fünf, B. Hier ist eine gerade Linie 1 ist die Quellenspannung U; schräge Linie 2 - Spannungsabfall über dem Widerstand R(rheostatische Charakteristik der Schaltung) von der Spannung subtrahiert U, d.h. U-iR; Kurve 3 – Strom-Spannungskennlinie der Lichtbogenstrecke U D.

Merkmale eines Lichtbogens aus Wechselstrom.

Wenn der Gleichstromlichtbogen gelöscht werden soll, müssen Bedingungen geschaffen werden, unter denen der Strom auf Null abfällt. Bei Wechselstrom geht der Strom im Lichtbogen unabhängig vom Ionisierungsgrad der Lichtbogenstrecke alle Hälfte durch Null. Zyklus, dh Bei jeder Halbwelle wird der Lichtbogen gelöscht und neu gezündet. Die Aufgabe des Löschens des Lichtbogens wird erheblich erleichtert. Hier müssen Bedingungen geschaffen werden, unter denen sich der Strom nach Nulldurchgang nicht erholen würde.

Die Strom-Spannungs-Kennlinie eines Wechselstromlichtbogens für eine Periode ist in Abb. 1 dargestellt. 6. Da sich der Strom im Lichtbogen selbst bei einer industriellen Frequenz von 50 Hz ziemlich schnell ändert, ist die dargestellte Kennlinie dynamisch. Bei einem sinusförmigen Strom steigt die Lichtbogenspannung zunächst im Schnitt an 1, und fällt dann aufgrund des Anstiegs des Stroms in den Bereich 2 (Abschnitte 1 Und 2 beziehen sich auf die erste Hälfte des Halbzyklus). Nach Durchlaufen des Strommaximums steigt die dynamische IV-Kennlinie entlang der Kurve an 3 aufgrund einer Abnahme des Stroms und nimmt dann in der Fläche ab 4 aufgrund der Annäherung der Spannung an Null (Abschnitte 3 Und 4 gehören zur zweiten Hälfte derselben Halbperiode).

Reis. 6. Strom-Spannungs-Kennlinie eines Wechselstromlichtbogens

Bei Wechselstrom ist die Temperatur des Lichtbogens eine Variable. Die thermische Trägheit des Gases erweist sich jedoch als ziemlich signifikant, und wenn der Strom durch Null geht, bleibt die Lichtbogentemperatur, obwohl sie abnimmt, ziemlich hoch. Dennoch trägt die beim Nulldurchgang des Stroms auftretende Temperaturabnahme zur Entionisierung des Spalts bei und erleichtert das Erlöschen des Wechselstrom-Lichtbogens.

Lichtbogen in einem Magnetfeld.

Der Lichtbogen ist ein gasförmiger Stromleiter. Auf diesen Leiter sowie auf einen Metallleiter wirkt ein Magnetfeld, das eine Kraft erzeugt, die proportional zur Feldinduktion und zum Strom im Lichtbogen ist. Das auf den Lichtbogen wirkende Magnetfeld vergrößert seine Länge und bewegt die Elemente des Lichtbogens im Raum. Durch die Querbewegung der Lichtbogenelemente entsteht eine starke Abkühlung, die zu einer Erhöhung des Spannungsgradienten an der Lichtbogensäule führt. Wenn sich der Lichtbogen mit hoher Geschwindigkeit in einem gasförmigen Medium bewegt, spaltet sich der Lichtbogen in separate parallele Fasern auf. Je länger der Lichtbogen, desto stärker die Delaminierung des Lichtbogens.

Der Lichtbogen ist ein äußerst beweglicher Leiter. Es ist bekannt, dass solche Kräfte auf den stromführenden Teil wirken, die dazu neigen, die elektromagnetische Energie des Stromkreises zu erhöhen. Da die Energie proportional zur Induktivität ist, neigt der Lichtbogen unter dem Einfluss seines eigenen Feldes dazu, Windungen und Schleifen zu bilden, da dies die Induktivität des Stromkreises erhöht. Diese Fähigkeit des Lichtbogens ist umso stärker, je größer seine Länge ist.

Der sich in Luft bewegende Lichtbogen überwindet den aerodynamischen Widerstand der Luft, der vom Durchmesser des Lichtbogens, dem Abstand zwischen den Elektroden, der Dichte des Gases und der Bewegungsgeschwindigkeit abhängt. Die Erfahrung zeigt, dass sich der Lichtbogen in allen Fällen in einem gleichmäßigen Magnetfeld mit konstanter Geschwindigkeit bewegt. Daher wird die elektrodynamische Kraft durch die Luftwiderstandskraft ausgeglichen.

Um eine effektive Kühlung zu erzeugen, wird der Lichtbogen durch ein Magnetfeld in einen engen (Lichtbogendurchmesser größer als die Schlitzbreite) Spalt zwischen den Wänden aus lichtbogenbeständigem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gezogen. Aufgrund der Erhöhung der Wärmeübertragung auf die Wände des Schlitzes ist der Spannungsgradient in der Lichtbogensäule bei Vorhandensein eines schmalen Schlitzes viel höher als der eines Lichtbogens, der sich frei zwischen den Elektroden bewegt. Dadurch ist es möglich, die zum Löschen benötigte Länge und Löschzeit zu reduzieren.

Methoden zur Beeinflussung des Lichtbogens in Schaltgeräten.

Der Zweck der Beeinflussung der Säule des in der Vorrichtung entstehenden Lichtbogens besteht darin, deren aktiven elektrischen Widerstand bis ins Unendliche zu erhöhen, wenn das Schaltelement in einen isolierenden Zustand übergeht. Dies wird fast immer durch eine intensive Kühlung der Lichtbogensäule erreicht, wodurch deren Temperatur und Wärmeinhalt reduziert werden, wodurch der Ionisationsgrad und die Anzahl der Stromträger und ionisierten Teilchen sinken und der elektrische Widerstand des Plasmas zunimmt.

Für eine erfolgreiche Löschung eines Lichtbogens in Niederspannungsschaltgeräten müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:

1) Erhöhen Sie die Länge des Lichtbogens, indem Sie ihn strecken oder die Anzahl der Unterbrechungen pro Schalterpol erhöhen.

2) Bewegen des Lichtbogens auf die Metallplatten des Lichtbogenschachts, die beide Strahler sind, die die Wärmeenergie der Lichtbogensäule absorbieren und sie in eine Reihe von in Reihe geschalteten Lichtbögen aufteilen;

3) Bewegen Sie die Lichtbogensäule durch ein Magnetfeld in eine Schlitzkammer aus lichtbogenbeständigem Isoliermaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wo der Lichtbogen in Kontakt mit den Wänden intensiv gekühlt wird;

4) bilden einen Lichtbogen in einem geschlossenen Rohr aus gaserzeugendem Material - Faser; unter Temperatureinfluss freigesetzte Gase erzeugen einen hohen Druck, der zum Löschen des Lichtbogens beiträgt;

5) um die Konzentration von Metalldämpfen im Lichtbogen zu reduzieren, wozu in der Phase der Konstruktion von Geräten geeignete Materialien verwendet werden;

6) Löschen des Lichtbogens im Vakuum; bei sehr niedrigem Gasdruck sind nicht genügend Gasatome vorhanden, um sie zu ionisieren und die Stromleitung im Lichtbogen zu unterstützen; der elektrische Widerstand des Lichtbogensäulenkanals wird sehr hoch und der Lichtbogen erlischt;

7) die Kontakte synchron öffnen, bevor der Wechselstrom durch Null geht, was die Freisetzung von thermischer Energie im resultierenden Lichtbogen erheblich reduziert, d.h. trägt zur Löschung des Lichtbogens bei;

8) Verwenden Sie rein aktive Widerstände, die den Lichtbogen überbrücken und die Bedingungen für seine Löschung erleichtern.

9) Verwenden Sie Halbleiterelemente, die die Kontaktlücke überbrücken und den Lichtbogenstrom auf sich selbst schalten, wodurch die Bildung eines Lichtbogens an den Kontakten praktisch ausgeschlossen wird.