Hvorfor oppstår det en lysbue når kontaktene er lukket. Elektrisk lysbue i høyspenningsbrytere

Når en elektrisk krets åpnes, oppstår en elektrisk utladning i form elektrisk lysbue. For utseendet til en elektrisk lysbue er det nok at spenningen ved kontaktene er over 10 V ved en strøm i kretsen i størrelsesorden 0,1A eller mer. Ved betydelige spenninger og strømmer kan temperaturen inne i lysbuen nå 3 - 15 tusen ° C, som et resultat av at kontaktene og strømførende delene smelter.

Ved spenninger på 110 kV og over kan lysbuelengden nå flere meter. Derfor er en elektrisk lysbue, spesielt i kraftkretser med høy effekt, ved spenninger over 1 kV en stor fare, selv om alvorlige konsekvenser kan være i installasjoner ved spenninger under 1 kV. Som et resultat må den elektriske lysbuen begrenses så mye som mulig og raskt slukkes i kretser for spenninger både over og under 1 kV.

Prosessen med dannelse av en elektrisk lysbue kan forenkles som følger. Når kontaktene divergerer, synker først kontakttrykket, og følgelig øker kontaktflaten (strømtetthet og temperatur - lokal (i visse deler av kontaktområdet) begynner overoppheting, noe som ytterligere bidrar til termionisk utslipp, når den er under påvirkning av høy temperatur øker hastigheten til elektronene og de slipper ut fra elektrodeoverflaten.

I øyeblikket av divergens av kontakter, det vil si et kretsbrudd, gjenopprettes spenningen raskt ved kontaktgapet. Siden avstanden mellom kontaktene er liten i dette tilfellet, oppstår det en høy spenning, under påvirkning av hvilke elektroner slipper ut fra overflaten av elektroden. De akselererer i et elektrisk felt, og når de treffer et nøytralt atom, gir de det sin kinetiske energi. Hvis denne energien er tilstrekkelig til å rive av minst ett elektron fra skallet til et nøytralt atom, skjer ioniseringsprosessen.

De resulterende frie elektronene og ionene utgjør plasmaet til lysbueakselen, det vil si den ioniserte kanalen der lysbuen brenner og den kontinuerlige bevegelsen av partikler er sikret. I dette tilfellet beveger negativt ladede partikler, først og fremst elektroner, seg i én retning (mot anoden), og atomer og gassmolekyler, blottet for ett eller flere elektroner - positivt ladede partikler - i motsatt retning (mot katoden). Plasmaledningsevnen er nær den for metaller.

Det går en stor strøm i lysbueakselen og det genereres høy temperatur. En slik temperatur på lysbueakselen fører til termisk ionisering - prosessen med dannelse av ioner på grunn av kollisjonen av molekyler og atomer som har høy kinetisk energi ved høye bevegelseshastigheter (molekyler og atomer i mediet der lysbuen brenner forfaller til elektroner og positivt ladede ioner). Intens termisk ionisering opprettholder høy plasmaledningsevne. Derfor er spenningsfallet langs lysbuelengden lite.

I en elektrisk lysbue foregår to prosesser kontinuerlig: i tillegg til ionisering skjer det også avionisering av atomer og molekyler. Sistnevnte skjer hovedsakelig gjennom diffusjon, det vil si overføring av ladede partikler til miljøet, og rekombinasjon av elektroner og positivt ladede ioner, som rekombineres til nøytrale partikler med retur av energien som brukes på deres forfall. I dette tilfellet fjernes varme til miljøet.

Dermed kan tre stadier av prosessen under vurdering skilles: lysbueantennelse, når, på grunn av støtionisering og elektronemisjon fra katoden, begynner en lysbueutladning og ioniseringsintensiteten er høyere enn deionisering, stabil lysbuebrenning, støttet av termisk ionisering i lysbueakselen, når intensiteten av ionisering og avionisering er den samme, lysbueutryddelse når intensiteten av avionisering er høyere enn ionisering.

Metoder for å slukke lysbuen i elektriske koblingsenheter

For å koble fra elementene i den elektriske kretsen og dermed utelukke skade på bryterenheten, er det nødvendig ikke bare å åpne kontaktene, men også å slukke buen som vises mellom dem. Prosessene for lysbueslukking, så vel som forbrenning, er forskjellige for vekselstrøm og likestrøm. Dette bestemmes av det faktum at i det første tilfellet går strømmen i buen gjennom null hver halvsyklus. I disse øyeblikkene stopper frigjøringen av energi i lysbuen og lysbuen slukkes spontant hver gang, og lyser deretter opp igjen.

I praksis blir strømmen i buen nær null litt tidligere enn nullkryssingen, siden når strømmen avtar, avtar energien som tilføres buen, temperaturen på buen synker tilsvarende, og termisk ionisering stopper. I dette tilfellet foregår avioniseringsprosessen intensivt i buespalten. Hvis du for øyeblikket åpner og skiller kontaktene raskt, kan det hende at det påfølgende elektriske sammenbruddet ikke oppstår, og kretsen vil bli slått av uten en lysbue. Det er imidlertid ekstremt vanskelig å gjøre dette i praksis, og derfor iverksettes spesielle tiltak for å akselerere slukkingen av lysbuen, som sikrer avkjøling av buerommet og en reduksjon i antall ladede partikler.

Som et resultat av deionisering øker den dielektriske styrken til gapet gradvis, og samtidig øker gjenvinningsspenningen over det. Det avhenger av forholdet mellom disse verdiene om lysbuen vil lyse opp i neste halvdel av perioden eller ikke. Hvis den dielektriske styrken til gapet øker raskere og er større enn gjenvinningsspenningen, vil lysbuen ikke lenger antennes, ellers vil lysbuen være stabil. Den første betingelsen definerer problemet med lysbueslukking.

I koblingsenheter brukes forskjellige metoder for bueslukking.

Bueforlengelse

Når kontaktene divergerer i prosessen med å slå av den elektriske kretsen, strekkes lysbuen som har oppstått. I dette tilfellet forbedres forholdene for avkjøling av lysbuen, siden overflaten øker og mer spenning kreves for forbrenning.

Å dele en lang bue i en serie med korte buer

Hvis buen som dannes når kontaktene åpnes deles inn i K korte buer, for eksempel ved å stramme den til et metallgitter, vil den gå ut. Buen trekkes vanligvis inn i et metallgitter under påvirkning av et elektromagnetisk felt indusert i gitterplatene av virvelstrømmer. Denne metoden for å slukke lysbuen er mye brukt i bryterenheter for spenninger under 1 kV, spesielt i automatiske luftstrømbrytere.

Buekjøling i trange spor

Slukkingen av lysbuen i et lite volum er lettet. Derfor er buesnner med langsgående slisser mye brukt (aksen til et slikt spor faller sammen i retning med aksen til bueakselen). Et slikt gap dannes vanligvis i kamre laget av isolerende lysbuebestandige materialer. På grunn av lysbuens kontakt med kalde overflater oppstår dens intensive avkjøling, diffusjon av ladede partikler inn i miljøet og følgelig rask avionisering.

I tillegg til spor med planparallelle vegger, brukes også spor med ribber, fremspring og forlengelser (lommer). Alt dette fører til deformasjon av bueakselen og bidrar til en økning i kontaktområdet med de kalde veggene i kammeret.

Trekningen av buen inn i trange slisser skjer vanligvis under påvirkning av et magnetfelt som samhandler med lysbuen, som kan betraktes som en strømførende leder.

Ekstern for å bevege lysbuen er oftest gitt av en spole koblet i serie med kontaktene mellom hvilke lysbuen oppstår. Bueslukking i trange slisser brukes i enheter for alle spenninger.

Høytrykks lysbueslukking

Ved konstant temperatur avtar ioniseringsgraden av gassen med økende trykk, mens den termiske ledningsevnen til gassen øker. Alt annet likt fører dette til økt avkjøling av lysbuen. Bueslukking ved hjelp av høyt trykk skapt av selve lysbuen i tett lukkede kammer er mye brukt i sikringer og en rekke andre enheter.

Bueslukking i olje

Hvis den plasseres i olje, vil buen som oppstår når de åpner føre til intens fordampning av oljen. Som et resultat dannes en gassboble (skall) rundt buen, hovedsakelig bestående av hydrogen (70 ... 80%), samt oljedamp. De avgitte gassene ved høy hastighet trenger direkte inn i sonen til lysbueakselen, forårsaker blanding av kald og varm gass i boblen, gir intensiv avkjøling og følgelig avionisering av lysbuespalten. I tillegg øker avioniseringsevnen til gasser trykket som skapes under den raske nedbrytningen av oljen inne i boblen.

Intensiteten til prosessen med å slukke lysbuen i olje er jo høyere, jo nærmere lysbuen kommer i kontakt med oljen og jo raskere beveger oljen seg i forhold til buen. Gitt dette er buegapet begrenset av en lukket isolasjonsanordning - buesjakt. I disse kamrene skapes en tettere kontakt av olje med lysbuen, og ved hjelp av isolasjonsplater og eksoshull dannes arbeidskanaler gjennom hvilke olje og gasser beveger seg, noe som gir intensiv blåsing (blåsing) av buen.

Bue renner i henhold til operasjonsprinsippet er de delt inn i tre hovedgrupper: med autoblåsing, når høyt trykk og hastighet på gassbevegelsen i lysbuesonen skapes på grunn av energien som frigjøres i lysbuen, med tvungen oljeblåsing ved bruk av spesiell pumping hydrauliske mekanismer, med magnetisk slukking i olje, når buen er under påvirkning av magnetfeltet beveger seg inn i trange spor.

Den mest effektive og enkle buesnner med autoblast. Avhengig av plasseringen av kanalene og eksosåpningene, skilles det ut kamre hvor intensiv blåsing av gass-dampblandingen og oljestrømmer langs buen (langsgående sprengning) eller på tvers av buen (tverrblåsing). De vurderte metodene for å slukke lysbuen er mye brukt i effektbrytere for spenninger over 1 kV.

Andre måter å slukke lysbuen i enheter for spenninger over 1 kV

I tillegg til de ovennevnte metodene for å slukke lysbuen, bruker de også: komprimert luft, hvis strøm blåser buen langs eller på tvers, og gir dens intensive kjøling (i stedet for luft brukes også andre gasser, ofte hentet fra fast gass- genererende materialer - fiber, vinylplast, etc. - for på grunn av deres nedbrytning av selve den brennende lysbuen), som har høyere elektrisk styrke enn luft og hydrogen, som et resultat av at lysbuen som brenner i denne gassen raskt slukkes selv kl. atmosfærisk trykk, en svært foreldet gass (vakuum), når kontaktene åpnes der lysbuen ikke lyser opp igjen (slukner) etter den første strømgjennomgangen gjennom null.

) med stor strøm, lav spenning, høy temperatur. Dette fenomenet er både elektrisk og termisk.

Kan oppstå mellom to kontakter når de åpner.

La oss gå til VAC-diagrammet:

I denne grafen har vi strømavhengigheten av spenning, litt utenfor skalaen, men den er tydeligere. Så det er tre områder:

i den første regionen har vi et høyt spenningsfall ved katoden og lave strømmer - dette er glødeutladningsområdet
i den andre regionen avtar spenningsfallet kraftig, og strømmen fortsetter å øke - dette er overgangsområdet mellom glød og lysbueutladning
det tredje området karakteriserer lysbueutladningen - lavt spenningsfall og høy strømtetthet og dermed høy temperatur.

Mekanismen for forekomsten av en bue kan være som følger: kontaktene åpnes og det oppstår en utladning mellom dem. I prosessen med å åpne ioniseres luften mellom kontaktene, og får egenskapene til en leder, så oppstår en lysbue. Tenningen av buen er prosessen med ionisering av luftgapet, slukking av buen er fenomenet avionisering av luftgapet.

Fenomener med ionisering og avionisering

I begynnelsen av lysbuebrenningen dominerer ioniseringsprosesser, når lysbuen er stabil, så skjer ioniserings- og avioniseringsprosessene like ofte, så snart avioniseringsprosessene begynner å dominere over ioniseringsprosessene, slukner lysbuen.

ionisering:

termionisk utslipp- elektroner løsnes fra den varme overflaten av katodepunktet;
feltutslipp- elektroner slipper ut fra overflaten på grunn av den høye elektriske feltstyrken.
push ionisering- et elektron flyr ut i tilstrekkelig hastighet og kolliderer med en nøytral partikkel på veien, som et resultat av det dannes et elektron og et ion.
termisk ionisering- hovedtypen for ionisering, støtter lysbuen etter tenning. Buetemperaturen kan nå tusenvis av kelvin, og i et slikt miljø øker antallet partikler og hastigheten deres, noe som bidrar til aktive ioniseringsprosesser.

avionisering:

rekombinasjon- dannelsen av nøytrale partikler fra motsatt ladede partikler under interaksjonen
diffusjon- positivt ladede partikler sendes "over bord", på grunn av virkningen av det elektriske feltet til buen fra midten til grensen

Det er situasjoner når lysbuen ikke tenner når kontaktene åpnes, da snakker de om et gnistfritt brudd. Dette er mulig ved lave strøm- og spenningsverdier, eller når den er frakoblet i det øyeblikket strømverdien går gjennom null.

Egenskaper for likestrømsbue

Lysbuen kan oppstå både med likestrøm-spenning og med vekselstrøm. La oss starte med konstanten:

Anode- og katoderegioner- størrelse=10 -4 cm; totalt spenningsfall=15-30V; spenning = 105 -106 V/cm; i katoderegionen skjer støt-ioniseringsprosessen på grunn av den høye spenningen, elektronene og ionene som dannes som et resultat av ionisering danner et lysbueplasma, som har høy ledningsevne, denne regionen er ansvarlig for lysbueantenning.

Tønnebue- spenningsfallet er proporsjonalt med lengden på buen; strømtettheten er ca. 10 kA per cm 2, på grunn av dette er temperaturen ca. 6000 K og høyere. I denne regionen av buen oppstår termiske ioniseringsprosesser, denne regionen er ansvarlig for å opprettholde forbrenningen.

I-V-karakteristikk for DC-bueutladning

Denne kurven tilsvarer kurve 3 i den øverste figuren. Det er:

Uz - tenningsspenning
Ug - quenching spenning

Hvis strømmen reduseres fra Io til 0 øyeblikkelig, får du en rett linje som ligger under. Disse kurvene karakteriserer buespalten som en leder, viser hvilken spenning som må legges på for å skape en bue i gapet.

For å slukke en likestrømsbue er det nødvendig at avioniseringsprosessene råder over ioniseringsprosessene.

Buemotstand:

kan bestemmes ut fra lysbuens strømspenningsegenskaper
aktiv, uavhengig av strømtype
variabel
faller med økende strøm

Bryter du amperemeterkretsen under belastning, kan du også se lysbuen.

AC lysbue egenskaper

Et trekk ved AC-buen er dens oppførsel i tid. Hvis du ser på grafen nedenfor, kan du se at buen går gjennom null hver halvsyklus.

Det kan sees at strømmen ligger etter spenningen med omtrent 90 grader. Først dukker det opp en strøm og spenningen stiger kraftig til tenningsverdien (Uz). Videre fortsetter strømmen å øke, og spenningsfallet avtar. Ved punktet med maksimal amplitudestrømverdi er buespenningsverdien minimal. Videre har strømmen en tendens til null, og spenningsfallet øker igjen til dempingsverdien (Ug), som tilsvarer øyeblikket når strømmen går gjennom null. Så gjentar alt seg igjen. Til venstre for tidskarakteristikken er strøm-spenningskarakteristikken.

Et trekk ved en variabel bue, bortsett fra dens tenning og slukking over en halv syklus, er hvordan strømmen krysser null. Dette skjer ikke i form av en sinusoid, men mer skarpt. Det dannes en strømløs pause, hvor de kjente avioniseringsprosessene finner sted. Det vil si at motstanden til buegapet øker. Og jo mer motstanden øker, jo vanskeligere vil det være for lysbuen å tenne tilbake.

Hvis lysbuen får lov til å brenne lenge nok, er ikke bare kontaktene, men også det elektriske utstyret selv utsatt for ødeleggelse. Betingelsene for å slukke lysbuen er fastsatt på designstadiet, nye metoder blir stadig introdusert for å bekjempe dette skadelige fenomenet i bytteenheter.

Selve buefenomenet er ikke nyttig for elektrisk utstyr, da det fører til en forringelse av kontaktenes operasjonelle egenskaper: utbrenthet, korrosjon, mekanisk skade.

Men ikke alt er så trist, fordi lyse hoder har funnet en nyttig applikasjon for lysbueutladning - bruk i buesveising, metallurgi, lysteknologi, kvikksølvlikerettere.

Siste artikler

Mest populær

Elektrisk lysbue (voltaisk lysbue, lysbueutladning) er et fysisk fenomen, en av typene elektrisk utladning i en gass.
Den ble først beskrevet i 1802 av den russiske vitenskapsmannen V. Petrov i boken "Nyheter om galvanisk-voltaiske eksperimenter ved hjelp av et enormt batteri, noen ganger bestående av 4200 kobber- og sinksirkler" (St. Petersburg, 1803). En elektrisk lysbue er et spesialtilfelle av den fjerde formen for materiens tilstand - plasma - og består av en ionisert, elektrisk kvasinutral gass. Tilstedeværelsen av gratis elektriske ladninger sikrer ledningsevnen til den elektriske lysbuen.
En elektrisk lysbue mellom to elektroder i luft ved atmosfærisk trykk dannes som følger:
Når spenningen mellom de to elektrodene øker til et visst nivå i luften, oppstår det et elektrisk sammenbrudd mellom elektrodene. Den elektriske sammenbruddsspenningen avhenger av avstanden mellom elektrodene og andre faktorer. Ioniseringspotensialet til det første elektronet av metallatomer er omtrent 4,5 - 5 V, og lysbuespenningen er dobbelt så stor (9 - 10 V). Det er nødvendig å bruke energi på utgangen av et elektron fra metallatomet til en elektrode og på ioniseringen av atomet til den andre elektroden. Prosessen fører til dannelse av et plasma mellom elektrodene og brenning av en bue (til sammenligning: minimumsspenningen for dannelse av en gnilutladning overstiger litt elektronutgangspotensialet - opptil 6 V).
For å sette i gang et sammenbrudd ved tilgjengelig spenning, bringes elektrodene nærmere hverandre. Under et sammenbrudd oppstår vanligvis en gnistutladning mellom elektrodene, som pulslukker den elektriske kretsen.
Elektroner i gnistutladninger ioniserer molekyler i luftgapet mellom elektrodene. Med tilstrekkelig kraft av spenningskilden i luftgapet, dannes det en tilstrekkelig mengde plasma for et betydelig fall i nedbrytningsspenningen eller motstanden til luftgapet. I dette tilfellet blir gnilutladninger til en bueutladning - en plasmaledning mellom elektrodene, som er en plasmatunnel. Den resulterende buen er faktisk en leder og lukker den elektriske kretsen mellom elektrodene. Som et resultat øker gjennomsnittsstrømmen enda mer, og varmer buen opp til 5000-50000 K. I dette tilfellet anses det at tenningen av buen er fullført. Etter tenning sikres stabil lysbuebrenning ved termionisk emisjon fra katoden oppvarmet av strøm og ionebombardement.
Samspillet mellom elektroder og lysbueplasma fører til oppvarming, delvis smelting, fordampning, oksidasjon og andre typer korrosjon.
Etter tenning kan lysbuen forbli stabil når de elektriske kontaktene er adskilt opp til en viss avstand.
Under driften av høyspente elektriske installasjoner, der utseendet til en elektrisk lysbue er uunngåelig, utføres kampen mot den ved hjelp av elektromagnetiske spoler kombinert med lysbue. Blant andre metoder er det kjent bruk av vakuum-, luft-, SF6- og oljebrytere, samt metoder for å lede strøm til en spenningsførende last som uavhengig bryter den elektriske kretsen.

En elektrisk lysbue er en type utladning karakterisert ved høy strømtetthet, høy temperatur, økt gasstrykk og et lite spenningsfall over lysbuegapet. I dette tilfellet skjer intens oppvarming av elektrodene (kontaktene), hvorpå de såkalte katode- og anodeflekkene dannes. Katodegløden er konsentrert i et lite lyst punkt, den varme delen av den motsatte elektroden danner en anodeflekk.

Tre områder kan noteres i buen, som er svært forskjellige i naturen til prosessene som skjer i dem. Direkte til den negative elektroden (katoden) til lysbuen, er området av katodespenningsfallet tilstøtende. Deretter kommer plasmabuen. Direkte til den positive elektroden (anode) grenser til området for anodespenningsfallet. Disse områdene er skjematisk vist i fig. en.

Ris. 1. Strukturen til den elektriske lysbuen

Dimensjonene til katoden og anodens spenningsfall i figuren er sterkt overdrevet. Faktisk er lengden deres veldig liten. For eksempel har lengden på katodespenningsfallet en verdi i størrelsesorden av banen for fri bevegelse til et elektron (mindre enn 1 mikron). Lengden på området for anodespenningsfallet er vanligvis noe større enn denne verdien.

Under normale forhold er luft en god isolator. Dermed er spenningen som kreves for å bryte et luftgap på 1 cm 30 kV. For at luftgapet skal bli en leder, er det nødvendig å skape en viss konsentrasjon av ladede partikler (elektroner og ioner) i den.

Hvordan en elektrisk lysbue oppstår

En elektrisk lysbue, som er en strøm av ladede partikler, i det første øyeblikket av kontaktdivergens oppstår som et resultat av tilstedeværelsen av frie elektroner i gassen i buegapet og elektroner som sendes ut fra katodeoverflaten. Frie elektroner plassert i gapet mellom kontaktene beveger seg med høy hastighet i retning fra katoden til anoden under påvirkning av elektriske feltkrefter.

Feltstyrken ved begynnelsen av divergensen av kontaktene kan nå flere tusen kilovolt per centimeter. Under påvirkning av kreftene i dette feltet slipper elektroner fra overflaten av katoden og beveger seg til anoden, og slår ut elektroner fra den, som danner en elektronsky. Den første strømmen av elektroner skapt på denne måten danner deretter en intens ionisering av buegapet.

Sammen med ioniseringsprosesser foregår avioniseringsprosesser parallelt og kontinuerlig i lysbuen. Avioniseringsprosesser består i det faktum at når to ioner med forskjellige tegn eller et positivt ion og et elektron nærmer seg hverandre, tiltrekkes de og kolliderer nøytraliseres, i tillegg beveger ladede partikler seg fra det brennende området til sjeler med en høyere ladningskonsentrasjon til miljøet med lavere ladningskonsentrasjon. Alle disse faktorene fører til en reduksjon i temperaturen på buen, til dens avkjøling og utryddelse.

Ris. 2. Elektrisk lysbue

Lysbue etter tenning

I den jevne forbrenningstilstanden er ioniserings- og avioniseringsprosesser i likevekt i den. Lysbueakselen med like mange frie positive og negative ladninger er preget av høy grad av gassionisering.

Et stoff hvis ioniseringsgrad er nær enhet, dvs. hvor det ikke er nøytrale atomer og molekyler kalles plasma.

Den elektriske lysbuen er preget av følgende funksjoner:

1. En klart definert grense mellom lysbueakselen og miljøet.

2. Høy temperatur inne i lysbuen, når 6000 - 25000K.

3. Høy strømtetthet og lysbueaksel (100 - 1000 A/mm2).

4. Små verdier av anode- og katodespenningen faller og er praktisk talt ikke avhengig av strømmen (10 - 20 V).

Volt-ampere karakteristikk for en elektrisk lysbue

Hovedkarakteristikken til en likestrømsbue er avhengigheten av lysbuespenning på strøm, som kalles strøm-spenningskarakteristikk (VAC).

Buen oppstår mellom kontaktene ved en viss spenning (fig. 3), kalt tennspenningen Uz, og avhenger av avstanden mellom kontaktene, av mediets temperatur og trykk og av kontaktdivergenshastigheten. Bueslukkingsspenningen Ug er alltid mindre enn spenningen Uc.

Ris. 3. Volt-ampere karakteristikk for likestrømsbuen (a) og dens ekvivalente krets (b)

Kurve 1 representerer den statiske karakteristikken til buen, dvs. oppnås ved sakte å endre strømmen. Karakteristikken har en fallende karakter. Når strømmen øker, synker lysbuespenningen. Dette betyr at motstanden i buegapet avtar raskere hvis strømmen øker.

Hvis vi reduserer strømmen i lysbuen fra I1 til null med en viss hastighet og samtidig fikserer spenningsfallet over buen, vil man få kurve 2 og 3. Disse kurvene kalles dynamiske egenskaper.

Jo raskere strømmen reduseres, jo lavere vil de dynamiske I–V-karakteristikkene ligge. Dette forklares av det faktum at når strømmen avtar, har slike parametere av buen som tverrsnittet av akselen, temperaturen, ikke tid til å raskt endre seg og skaffe verdier som tilsvarer en lavere verdi av strømmen i stabil.

Spenningsfall over buegapet:

Ud \u003d U s + EdId,

hvor U c \u003d U k + U a - nær-elektrode spenningsfall, Ed - langsgående spenningsgradient i buen, Id - buelengde.

Det følger av formelen at med en økning i lysbuens lengde vil spenningsfallet over buen øke, og I–V-karakteristikken blir høyere.

De kjemper med en elektrisk lysbue i utformingen av å bytte elektriske enheter. Egenskapene til en elektrisk lysbue brukes i og i.

Å slå av kretsen med en kontaktenhet er preget av utseendet til plasma, som går gjennom forskjellige stadier av en gassutladning i prosessen med å konvertere interkontaktgapet fra en elektrisk strømleder til en isolator.

Ved strømmer over 0,5-1 A oppstår et lysbueutladningstrinn (region 1 )(Figur 1.); når strømmen avtar, oppstår et glødeutladningstrinn ved katoden (region 2 ); neste trinn (område 3 ) er Townsend-utslippet, og til slutt regionen 4 - isolasjonsstadiet, der elektrisitetsbærerne - elektroner og ioner - ikke dannes på grunn av ionisering, men bare kan komme fra miljøet.

Ris. 1. Strømspenningskarakteristikk for elektriske utladningstrinn i gasser

Den første delen av kurven er en bueutladning (region 1) - karakterisert ved et lite spenningsfall ved elektrodene og høy strømtetthet. Når strømmen øker, synker spenningen over buegapet først kraftig, og endres deretter litt.

Den andre delen (region 2 ) kurve, som er et glødeutladningsområde, er preget av et høyt spenningsfall ved katoden (250–300 V) og lave strømmer. Med økende strøm vil spenningsfallet over utladningsgapet øke.

Townsend utslipp (område 3 ) er preget av ekstremt lave strømverdier ved høye spenninger.

Elektrisk lysbue er ledsaget av høy temperatur og er assosiert med denne temperaturen. Derfor er lysbuen ikke bare et elektrisk fenomen, men også et termisk fenomen.

Under normale forhold er luft en god isolator. Så for å bryte et luftgap på 1 cm, er det nødvendig å bruke en spenning på minst 30 kV. For at luftgapet skal bli en leder, er det nødvendig å skape en viss konsentrasjon av ladede partikler i den: negative - for det meste frie elektroner og positive - ioner. Prosessen med separasjon av ett eller flere elektroner fra en nøytral partikkel med dannelse av frie elektroner og ioner kalles ionisering.

Gass ionisering kan oppstå under påvirkning av lys, røntgenstråler, høy temperatur, under påvirkning av et elektrisk felt og en rekke andre faktorer. For lysbueprosesser i elektriske enheter er de viktigste: av prosessene som skjer ved elektrodene, termioniske og autoelektroniske utslipp, og av prosessene som skjer i lysbuespalten, termisk ionisering og ionisering ved et trykk.

Ved å bytte elektriske enheter designet for å lukke og åpne en krets med strøm, når den er frakoblet, oppstår en utladning i gassen enten i form av en glødeutladning eller i form av en lysbue. En glødeutladning oppstår når strømmen som skal slås av er under 0,1 A, og spenningen ved kontaktene når 250–300 V. En slik utladning skjer enten ved kontaktene til laveffektreléer, eller som en overgangsfase til en utladning i form av en elektrisk lysbue.

Hovedegenskapene til lysbueutladningen.

1) Lysbueutladningen skjer kun ved høye strømmer; minimum lysbuestrøm for metaller er omtrent 0,5 A;

2) Temperaturen på den sentrale delen av buen er veldig høy og kan nå 6000 - 18000 K i apparater;

3) Strømtettheten ved katoden er ekstremt høy og når 10 2 - 10 3 A / mm 2;

4) Spenningsfallet ved katoden er kun 10 - 20 V og er praktisk talt ikke avhengig av strømmen.

I en lysbueutladning kan tre karakteristiske områder skilles: nær-katode, området av buesøylen (bueakselen) og nær-anode (fig. 2.).

I hvert av disse områdene forløper prosessene med ionisering og avionisering forskjellig avhengig av forholdene som eksisterer der. Siden den resulterende strømmen gjennom disse tre områdene er den samme, foregår det prosesser i hver av dem for å sikre forekomsten av det nødvendige antallet ladninger.

Ris. 2. Fordeling av spenning og elektrisk feltstyrke i en stasjonær likestrømsbue

Termionisk utslipp. Termionisk emisjon er fenomenet med utslipp av elektroner fra en oppvarmet overflate.

Når kontaktene divergerer, øker kontaktmotstanden til kontakten og strømtettheten i det siste kontaktområdet kraftig. Dette området varmes opp til smeltetemperaturen og dannelsen av en kontakttange av smeltet metall, som bryter med ytterligere divergens av kontaktene. Her fordamper kontaktmetallet. En såkalt katodeflekk (hot pad) er dannet på den negative elektroden, som fungerer som bunnen av buen og kilden til elektronstråling i det første øyeblikket av kontaktdivergens. Termionisk emisjonsstrømtetthet avhenger av temperaturen og elektrodematerialet. Den er liten og kan være tilstrekkelig for forekomsten av en elektrisk lysbue, men den er utilstrekkelig for forbrenningen.

Autoelektronisk utslipp. Dette er fenomenet med utslipp av elektroner fra katoden under påvirkning av et sterkt elektrisk felt.

Stedet der den elektriske kretsen er brutt kan representeres som en variabel kondensator. Kapasitansen i det første øyeblikket er lik uendelig, og avtar deretter når kontaktene divergerer. Gjennom motstanden til kretsen lades denne kondensatoren, og spenningen over den stiger gradvis fra null til nettspenningen. Samtidig øker avstanden mellom kontaktene. Feltstyrken mellom kontaktene under spenningsøkningen går gjennom verdier som overstiger 100 MV/cm. Slike verdier av den elektriske feltstyrken er tilstrekkelig til å kaste ut elektroner fra den kalde katoden.

Feltutslippsstrømmen er også veldig liten og kan bare tjene som begynnelsen på utviklingen av en lysbueutladning.

Således er forekomsten av en bueutladning på divergerende kontakter forklart av tilstedeværelsen av termioniske og autoelektroniske utslipp. Overvekten av en eller annen faktor avhenger av verdien av den avslåtte strømmen, materialet og renheten til kontaktflaten, hastigheten på deres divergens og en rekke andre faktorer.

Skyv ionisering. Hvis et fritt elektron har tilstrekkelig hastighet, så når det kolliderer med en nøytral partikkel (atom, og noen ganger et molekyl), kan det slå ut et elektron fra det. Resultatet er et nytt fritt elektron og et positivt ion. Det nyervervede elektronet kan på sin side ionisere neste partikkel. Denne ioniseringen kalles push-ionisering.

For at et elektron skal kunne ionisere en gasspartikkel, må det bevege seg med en viss bestemt hastighet. Hastigheten til et elektron avhenger av potensialforskjellen over dens gjennomsnittlige frie bane. Derfor er det vanligvis ikke hastigheten til elektronet som er angitt, men minimumsverdien av potensialforskjellen som må være på lengden av den frie banen slik at elektronet får den nødvendige hastigheten ved slutten av banen. Denne potensielle forskjellen kalles ioniseringspotensial.

Ioniseringspotensialet for gasser er 13 - 16 V (nitrogen, oksygen, hydrogen) og opptil 24,5 V (helium), for metalldamp er det omtrent to ganger lavere (7,7 V for kobberdamper).

Termisk ionisering. Dette er prosessen med ionisering under påvirkning av høy temperatur. Vedlikeholde lysbuen etter dens opptreden, dvs. å gi den oppståtte lysbueutladningen et tilstrekkelig antall gratis ladninger forklares av hoved- og praktisk talt den eneste typen ionisering - termisk ionisering.

Temperaturen på buesøylen er i gjennomsnitt 6000 - 10000 K, men kan nå høyere verdier - opptil 18000 K. Ved denne temperaturen øker både antallet raskt bevegelige gasspartikler og hastigheten på deres bevegelse kraftig. Når raskt bevegelige atomer eller molekyler kolliderer, blir de fleste av dem ødelagt, og danner ladede partikler, d.v.s. gass er ionisert. Hovedkarakteristikken ved termisk ionisering er grad av ionisering, som er forholdet mellom antall ioniserte atomer i buegapet og det totale antallet atomer i dette gapet. Samtidig med ioniseringsprosessene i lysbuen skjer omvendte prosesser, dvs. gjenforening av ladede partikler og dannelse av nøytrale partikler. Disse prosessene kalles avionisering.

Avionisering skjer hovedsakelig pga rekombinasjon og diffusjon.

Rekombinasjon. Prosessen der forskjellig ladede partikler, som kommer i gjensidig kontakt, danner nøytrale partikler, kalles rekombinasjon.

I en elektrisk lysbue er de negative partiklene stort sett elektroner. Den direkte forbindelsen mellom elektroner og et positivt ion er usannsynlig på grunn av den store forskjellen i hastigheter. Vanligvis skjer rekombinasjon ved hjelp av en nøytral partikkel, som elektronet lader. Når denne negativt ladede partikkelen kolliderer med et positivt ion, dannes en eller to nøytrale partikler.

Diffusjon. Diffusjon av ladede partikler er prosessen med å føre ladede partikler fra buegapet inn i det omkringliggende rommet, noe som reduserer ledningsevnen til lysbuen.

Diffusjon skyldes både elektriske og termiske faktorer. Ladningstettheten i buesøylen øker fra periferien til sentrum. I lys av dette dannes et elektrisk felt som tvinger ionene til å bevege seg fra sentrum til periferien og forlate bueområdet. Temperaturforskjellen mellom buesøylen og det omkringliggende rommet virker også i samme retning. I en stabilisert og fritt brennende lysbue spiller diffusjon en ubetydelig rolle.

Spenningsfallet over en stasjonær bue er ujevnt fordelt langs buen. Spenningsfallmønster U D og elektrisk feltstyrke (langsgående spenningsgradient) E D = dU/dx langs buen er vist på figuren (fig. 2). Under stressgradient E D refererer til spenningsfallet per lengdeenhet av lysbuen. Som det kan ses av figuren, karakteristikkens gang U D og E D i nærelektrodeområdene skiller seg kraftig fra oppførselen til egenskapene i resten av buen. Ved elektrodene, i nær-katode- og nær-anode-områdene, i et lengdeintervall i størrelsesorden 10 - 4 cm, er det et kraftig spenningsfall, kalt katodisk U til og anode U en. Verdien av dette spenningsfallet avhenger av materialet til elektrodene og den omkringliggende gassen. Den totale verdien av anode- og katodespenningsfallet er 15–30 V, spenningsgradienten når 105–106 V/cm.

I resten av buen, kalt buesøylen, er spenningsfallet U D er nesten direkte proporsjonal med lengden på buen. Gradienten her er omtrent konstant langs stilken. Det avhenger av mange faktorer og kan variere mye, og når 100–200 V/cm.

Spenningsfall nær elektrode U E er ikke avhengig av lengden på buen, spenningsfallet i buesøylen er proporsjonalt med lengden på buen. Dermed blir spenningsfallet over buegapet

U D = U E + E D l D,

hvor: E D er den elektriske feltstyrken i buesøylen;

l D er lengden på buen; U E = U til + U en.

Avslutningsvis bør det bemerkes nok en gang at termisk ionisering dominerer i stadiet av bueutladningen - spaltningen av atomer i elektroner og positive ioner på grunn av energien til det termiske feltet. Med glødende - slagionisering skjer ved katoden på grunn av kollisjon med elektroner akselerert av et elektrisk felt, og med en Townsend-utladning råder slagionisering over hele gapet til gassutladningen.

Statisk strøm-spenning karakteristikk av elektrisk

DC-buer.

Den viktigste egenskapen til buen er avhengigheten av spenningen over den av størrelsen på strømmen. Denne egenskapen kalles strømspenning. Med økende strøm Jeg temperaturen på lysbuen øker, termisk ionisering øker, antall ioniserte partikler i utladningen øker, og den elektriske motstanden til lysbuen avtar r d.

Buespenningen er ir e. Når strømmen øker, avtar motstanden i lysbuen så raskt at spenningen over lysbuen synker selv om strømmen i kretsen øker. Hver gjeldende verdi i stabil tilstand tilsvarer sin egen dynamiske balanse av antall ladede partikler.

Når du går fra en strømverdi til en annen, endres ikke lysbuens termiske tilstand umiddelbart. Buespalten har termisk treghet. Hvis strømmen endres sakte over tid, påvirker ikke utladningens termiske treghet. Hver strømverdi tilsvarer en enkelt verdi av lysbuemotstanden eller spenningen over den.

Avhengigheten av buespenningen av strømmen med dens langsomme endring kalles statisk strømkarakteristikk buer.

Den statiske karakteristikken til lysbuen avhenger av avstanden mellom elektrodene (buelengden), materialet til elektrodene og parametrene til miljøet der lysbuen brenner.

De statiske strøm-spenningskarakteristikkene til buen har form av kurvene vist i fig. 3.

Ris. 3. Statisk strøm-spenning karakteristikk av lysbuen

Jo lengre lysbuen er, desto høyere er dens statiske strøm-spenningskarakteristikk. Med en økning i trykket til mediet der lysbuen brenner, øker også intensiteten E D og strøm-spenningskarakteristikken stiger på samme måte som fig. 3.

Buekjøling påvirker denne egenskapen betydelig. Jo mer intens avkjølingen av lysbuen er, jo mer kraft fjernes fra den. Dette bør øke kraften som genereres av lysbuen. For en gitt strøm er dette mulig ved å øke lysbuespenningen. Dermed, med økende kjøling, er strøm-spenningskarakteristikken plassert høyere. Dette er mye brukt i lysbueslukkingsanordninger til apparater.

Dynamisk strøm-spenning karakteristikk av elektrisk

DC-buer.

Hvis strømmen i kretsen endres sakte, så strømmen Jeg 1 tilsvarer lysbuemotstand r D1, en høyere strøm Jeg 2 tilsvarer mindre motstand r D2, som er vist i fig. 4. (se den statiske karakteristikken til buen - kurven MEN).

Ris. 4. Dynamisk strøm-spenning karakteristikk av lysbuen.

I virkelige installasjoner kan strømmen endres ganske raskt. På grunn av den termiske tregheten til buesøylen, henger endringen i buemotstanden etter endringen i strøm.

Avhengigheten av buespenningen av strømmen med dens raske endring kalles dynamisk strøm-spenningskarakteristikk.

Med en kraftig økning i strømmen går den dynamiske karakteristikken høyere enn den statiske (kurve PÅ), siden med en rask økning i strøm, synker lysbuemotstanden langsommere enn strømmen øker. Når den reduseres, er den lavere, siden i denne modusen er lysbuemotstanden mindre enn med en langsom endring i strøm (kurve FRA).

Den dynamiske responsen bestemmes i stor grad av endringshastigheten til strømmen i lysbuen. Hvis en veldig stor motstand introduseres i kretsen i en tid som er uendelig liten sammenlignet med den termiske tidskonstanten til lysbuen, vil lysbuemotstanden forbli konstant i løpet av tiden strømmen faller til null. I dette tilfellet vil den dynamiske karakteristikken bli avbildet som en rett linje som går fra punktet 2 til origo (rett linje D),t. e. Buen oppfører seg som en metallisk leder, siden spenningen over lysbuen er proporsjonal med strømmen.

DC lysbueslukkingsforhold.

For å slukke en likestrøms elektrisk lysbue, er det nødvendig å skape slike forhold at i buegapet ved alle strømverdier vil avioniseringsprosesser forløpe mer intensivt enn ioniseringsprosesser.

Ris. 5. Spenningsbalanse i en krets med elektrisk lysbue.

Tenk på en elektrisk krets som inneholder motstand R, induktans L og lysbuegap med spenningsfall U D som spenningen påføres U(fig. 5, en). Med en bue med konstant lengde, for ethvert tidspunkt, vil spenningsbalanseligningen i denne kretsen være gyldig:

hvor er spenningsfallet over induktansen når strømmen endres.

Den stasjonære modusen vil være en der strømmen i kretsen ikke endres, dvs. og stressbalanseligningen vil ha formen:

For å slukke en elektrisk lysbue er det nødvendig at strømmen i den minker hele tiden, dvs. , a

Den grafiske løsningen av spenningsbalanseligningen er vist i fig. 5, b. Her er en rett linje 1 er kildespenningen U; skrå linje 2 - spenningsfall over motstanden R(reostatisk karakteristikk av kretsen) trukket fra spenningen U, dvs. U-iR; kurve 3 – strøm-spenningskarakteristikk for lysbuegapet U D.

Egenskaper til en elektrisk lysbue med vekselstrøm.

Hvis for å slukke likestrømsbuen, er det nødvendig å skape forhold der strømmen vil falle til null, så med vekselstrøm går strømmen i buen, uavhengig av ioniseringsgraden av buegapet, gjennom null hver halv- syklus, dvs. hver halve syklus slukkes lysbuen og tennes på nytt. Oppgaven med å slukke lysbuen er betydelig forenklet. Her er det nødvendig å skape forhold der strømmen ikke vil komme seg etter å ha passert gjennom null.

Strøm-spenningskarakteristikken til en vekselstrømbue i en periode er vist i fig. 6. Siden, selv ved en industriell frekvens på 50 Hz, endres strømmen i buen ganske raskt, er den presenterte karakteristikken dynamisk. Med en sinusformet strøm øker lysbuespenningen først i seksjonen 1, og deretter, på grunn av økningen i strømmen, faller i området 2 (seksjoner 1 og 2 se første halvdel av halvsyklusen). Etter at strømmen har gått gjennom maksimum, øker den dynamiske I–V-karakteristikken langs kurven 3 på grunn av en nedgang i strømmen, og deretter avtar i området 4 på grunn av at spenningen nærmer seg null (seksjoner 3 og 4 tilhører andre halvdel av samme halvperiode).

Ris. 6. Strøm-spenningskarakteristikk for en vekselstrømbue

Med vekselstrøm er temperaturen på lysbuen en variabel. Imidlertid viser den termiske tregheten til gassen seg å være ganske betydelig, og når strømmen går gjennom null, forblir buetemperaturen, selv om den synker, ganske høy. Likevel bidrar nedgangen i temperatur som oppstår når strømmen går gjennom null til avionisering av gapet og letter slukking av vekselstrømbuen.

Elektrisk lysbue i et magnetfelt.

Den elektriske lysbuen er en gassformet strømleder. Et magnetfelt virker på denne lederen, så vel som på en metall, og skaper en kraft proporsjonal med feltinduksjonen og strømmen i buen. Magnetfeltet, som virker på buen, øker lengden og beveger elementene i buen i rommet. Den tverrgående bevegelsen til bueelementene skaper intens avkjøling, noe som fører til en økning i spenningsgradienten på buesøylen. Når lysbuen beveger seg i et gassmedium med høy hastighet, deler lysbuen seg i separate parallelle fibre. Jo lengre buen er, desto sterkere delaminering av buen.

Lysbuen er en ekstremt mobil leder. Det er kjent at slike krefter virker på den strømførende delen, som har en tendens til å øke den elektromagnetiske energien til kretsen. Siden energien er proporsjonal med induktansen, har lysbuen, under påvirkning av sitt eget felt, en tendens til å danne svinger, løkker, siden dette øker induktansen til kretsen. Denne evnen til buen er jo sterkere, jo større er dens lengde.

Buen som beveger seg i luften overvinner luftens aerodynamiske motstand, som avhenger av diameteren på buen, avstanden mellom elektrodene, tettheten til gassen og bevegelseshastigheten. Erfaring viser at i alle tilfeller i et jevnt magnetfelt beveger buen seg med konstant hastighet. Derfor balanseres den elektrodynamiske kraften av den aerodynamiske motstandskraften.

For å skape effektiv kjøling trekkes lysbuen inn i et smalt (buediameter større enn spaltebredden) mellom veggene av lysbuebestandig materiale med høy varmeledningsevne ved hjelp av et magnetfelt. På grunn av økningen i varmeoverføring til veggene i spalten, er spenningsgradienten i buesøylen i nærvær av en smal spalte mye høyere enn for en bue som beveger seg fritt mellom elektrodene. Dette gjør det mulig å redusere lengden og slukketiden som kreves for slukking.

Metoder for å påvirke den elektriske lysbuen i koblingsenheter.

Hensikten med støtet på søylen av buen som oppstår i apparatet er å øke dens aktive elektriske motstand opp til uendelig, når bryterelementet går over i en isolerende tilstand. Nesten alltid oppnås dette ved intensiv avkjøling av buesøylen, redusere dens temperatur og varmeinnhold, som et resultat av at graden av ionisering og antall strømbærere og ioniserte partikler reduseres, og plasmaets elektriske motstand øker.

For å lykkes med å slukke en elektrisk lysbue i lavspenningsbryterenheter, må følgende betingelser være oppfylt:

1) øke lengden på buen ved å strekke den eller øke antall brudd per bryterpol;

2) flytt buen over på metallplatene til lysbuen, som begge er radiatorer som absorberer den termiske energien til buesøylen og bryter den i en serie med seriekoblede buer;

3) flytt buesøylen med et magnetfelt inn i et spaltekammer laget av lysbuebestandig isolasjonsmateriale med høy termisk ledningsevne, hvor lysbuen blir intensivt avkjølt i kontakt med veggene;

4) danner en bue i et lukket rør av gassgenererende materiale - fiber; gasser som frigjøres under påvirkning av temperatur skaper høyt trykk, noe som bidrar til å slukke lysbuen;

5) for å redusere konsentrasjonen av metalldamp i buen, for hvilket formål på stadiet med å designe enheter for å bruke passende materialer;

6) slukke lysbuen i vakuum; ved svært lavt gasstrykk er det ikke nok gassatomer til å ionisere dem og støtte ledning av strøm i lysbuen; den elektriske motstanden til buesøylekanalen blir veldig høy og lysbuen går ut;

7) åpne kontaktene synkront før vekselstrømmen går gjennom null, noe som betydelig reduserer frigjøringen av termisk energi i den resulterende buen, dvs. bidrar til utryddelse av buen;

8) bruk rene aktive motstander, shunting av lysbuen og lette forholdene for dens utryddelse;

9) bruk halvlederelementer som shunter mellomkontaktgapet, og bytter lysbuestrømmen til seg selv, noe som praktisk talt eliminerer dannelsen av en lysbue på kontaktene.