De ce apare un arc când contactele sunt închise. Arc electric în întrerupătoarele de înaltă tensiune

Când un circuit electric este deschis, apare o descărcare electrică sub formă arc electric. Pentru apariția unui arc electric, este suficient ca tensiunea la contacte să fie peste 10 V la un curent în circuit de ordinul a 0,1 A sau mai mult. La tensiuni și curenți semnificativi, temperatura din interiorul arcului poate ajunge la 3 - 15 mii ° C, drept urmare contactele și piesele purtătoare de curent se topesc.

La tensiuni de 110 kV și peste, lungimea arcului poate ajunge la câțiva metri. Prin urmare, un arc electric, în special în circuitele de putere de mare putere, la tensiuni peste 1 kV reprezintă un mare pericol, deși consecințe grave pot fi în instalații la tensiuni sub 1 kV. Ca urmare, arcul electric trebuie limitat pe cât posibil și stins rapid în circuite pentru tensiuni atât peste cât și sub 1 kV.

Procesul de formare a unui arc electric poate fi simplificat după cum urmează. Când contactele diverge, presiunea de contact scade mai întâi și, în consecință, suprafața de contact crește (densitatea curentului și temperatura - începe supraîncălzirea locală (în anumite părți ale zonei de contact), care contribuie și mai mult la emisia termoionică atunci când se află sub influență. temperatura ridicata viteza de mișcare a electronilor crește și aceștia scapă de pe suprafața electrodului.

În momentul divergenței contactelor, adică a unei întreruperi de circuit, tensiunea este restabilită rapid la intervalul de contact. Deoarece distanța dintre contacte este mică în acest caz, apare o tensiune mare, sub influența căreia electronii scapă de pe suprafața electrodului. Acceleră într-un câmp electric și, atunci când lovesc un atom neutru, îi conferă energia lor cinetică. Dacă această energie este suficientă pentru a rupe cel puțin un electron din învelișul unui atom neutru, atunci are loc procesul de ionizare.

Electronii și ionii liberi rezultați alcătuiesc plasma arborelui arcului, adică canalul ionizat în care arde arcul și se asigură mișcarea continuă a particulelor. În acest caz, particulele încărcate negativ, în primul rând electronii, se deplasează într-o direcție (spre anod), iar atomii și moleculele de gaz, lipsite de unul sau mai mulți electroni - particule încărcate pozitiv - în direcția opusă (spre catod). Conductivitatea plasmei este apropiată de cea a metalelor.

Un curent mare curge în arborele arcului și se generează o temperatură ridicată. O astfel de temperatură a arborelui arcului duce la ionizare termică - procesul de formare a ionilor din cauza ciocnirii moleculelor și atomilor care au energie cinetică mare la viteze mari de mișcare a acestora (moleculele și atomii mediului în care arde arcul se descompun în electroni și ioni încărcați pozitiv). Ionizarea termică intensă menține o conductivitate ridicată a plasmei. Prin urmare, căderea de tensiune de-a lungul lungimii arcului este mică.

Într-un arc electric au loc în mod continuu două procese: pe lângă ionizare, există și deionizarea atomilor și a moleculelor. Acesta din urmă are loc în principal prin difuzie, adică prin transferul particulelor încărcate în mediu inconjurator, și recombinarea electronilor și ionilor încărcați pozitiv, care sunt recombinați în particule neutre cu revenirea energiei cheltuite pentru dezintegrarea lor. În acest caz, căldura este îndepărtată în mediu.

Astfel, se pot distinge trei etape ale procesului luat în considerare: aprinderea arcului, când, datorită ionizării prin impact și emisiei de electroni din catod, începe o descărcare de arc și intensitatea ionizării este mai mare decât deionizarea, arderea stabilă a arcului, susținută de ionizare termică. în arborele arcului, când intensitatea ionizării și deionizării este aceeași, stingerea arcului când intensitatea deionizării este mai mare decât ionizarea.

Metode de stingere a arcului în camerele de comutare aparate electrice

Pentru a deconecta elementele circuitului electric și a exclude astfel deteriorarea dispozitivului de comutare, este necesar nu numai deschiderea contactelor acestuia, ci și stingerea arcului care apare între ele. Procesele de stingere a arcului, precum și arderea, sunt diferite pentru curent alternativ și continuu. Acest lucru este determinat de faptul că, în primul caz, curentul din arc trece prin zero la fiecare jumătate de ciclu. În aceste momente, eliberarea energiei în arc se oprește și arcul se stinge spontan de fiecare dată, apoi se aprinde din nou.

În practică, curentul din arc devine aproape de zero puțin mai devreme decât trecerea cu zero, deoarece atunci când curentul scade, energia furnizată arcului scade, temperatura arcului scade în mod corespunzător și ionizarea termică se oprește. În acest caz, procesul de deionizare se desfășoară intens în spațiul arcului. Dacă în acest moment se deschid și se separă rapid contactele, atunci defecțiunea electrică ulterioară poate să nu aibă loc și circuitul va fi oprit fără arc. Cu toate acestea, este extrem de dificil să se facă acest lucru în practică și, prin urmare, se iau măsuri speciale pentru a accelera stingerea arcului, care asigură răcirea spațiului arcului și o scădere a numărului de particule încărcate.

Ca urmare a deionizării, rezistența dielectrică a golului crește treptat și, în același timp, crește tensiunea de recuperare pe el. Depinde de raportul dintre aceste valori dacă arcul se va aprinde în următoarea jumătate a perioadei sau nu. Dacă rezistența dielectrică a golului crește mai repede și este mai mare decât tensiunea de recuperare, arcul nu se va mai aprinde, altfel arcul va fi stabil. Prima condiție definește problema stingerii arcului.

Utilizarea dispozitivelor de comutare diferite căi stingerea arcului.

Prelungirea arcului

Când contactele diverge în procesul de oprire a circuitului electric, arcul care a apărut este întins. În acest caz, condițiile de răcire a arcului sunt îmbunătățite, deoarece suprafața acestuia crește și este necesară mai multă tensiune pentru ardere.

Împărțirea unui arc lung într-o serie de arce scurte

Dacă arcul format la deschiderea contactelor este împărțit în K arce scurte, de exemplu, prin strângerea lui într-o grilă metalică, atunci se va stinge. Arcul este de obicei tras în grila metalică sub influența câmp electromagnetic induse în plăcile de rețea de curenții turbionari. Această metodă de stingere a arcului este utilizată pe scară largă în dispozitivele de comutare pentru tensiuni sub 1 kV, în special în întreruptoarele automate cu aer.

Răcire cu arc în fante înguste

Este facilitată stingerea arcului într-un volum mic. Prin urmare, jgheaburile cu arc cu fante longitudinale sunt utilizate pe scară largă (axa unei astfel de fante coincide în direcția cu axa arborelui arcului). Un astfel de gol se formează de obicei în camerele realizate din materiale izolante rezistente la arc. Datorită contactului arcului cu suprafețele reci, are loc răcirea intensă a acestuia, difuzarea particulelor încărcate în mediu și, în consecință, deionizarea rapidă.

Pe lângă fante cu pereți plani-paraleli, se mai folosesc fante cu nervuri, proeminențe și prelungiri (buzunare). Toate acestea conduc la deformarea arborelui arcului și contribuie la creșterea zonei de contact a acestuia cu pereții reci ai camerei.

Trasarea arcului în fante înguste are loc de obicei sub influența unui câmp magnetic care interacționează cu arcul, care poate fi considerat ca un conductor purtător de curent.

Extern pentru deplasarea arcului este asigurată cel mai adesea de o bobină conectată în serie cu contactele între care are loc arcul. Stingerea arcului în fante înguste este utilizată în dispozitivele pentru toate tensiunile.

Stingerea arcului de înaltă presiune

La o temperatură constantă, gradul de ionizare a gazului scade odată cu creșterea presiunii, în timp ce conductivitatea termică a gazului crește. Cu alte lucruri egale, acest lucru duce la o răcire crescută a arcului. Stingerea arcului prin presiunea ridicată creată de arcul în sine în camere închise etanș este utilizată pe scară largă în siguranțe și o serie de alte dispozitive.

Stingerea arcului în ulei

Dacă sunt introduse în ulei, arcul care apare atunci când se deschid duce la evaporarea intensă a uleiului. Ca urmare, în jurul arcului se formează o bulă de gaz (cochilie), constând în principal din hidrogen (70 ... 80%), precum și vapori de ulei. Gazele emise la viteză mare pătrund direct în zona arborelui arcului, provoacă amestecarea gazului rece și fierbinte în bule, asigură o răcire intensă și, în consecință, deionizarea spațiului arcului. În plus, capacitatea de deionizare a gazelor crește presiunea creată în timpul descompunerii rapide a uleiului în interiorul bulei.

Intensitatea procesului de stingere a arcului în ulei este cu atât mai mare, cu cât arcul contactează mai aproape de ulei și cu atât uleiul se mișcă mai repede în raport cu arcul. Având în vedere acest lucru, spațiul arcului este limitat de un dispozitiv de izolare închis - jgheab arc. În aceste camere se creează un contact mai strâns al uleiului cu arcul, iar cu ajutorul plăcilor izolatoare și a găurilor de evacuare se formează canale de lucru prin care se deplasează uleiul și gazele, asigurând suflarea (suflarea) intensă a arcului.

Tobogane cu arc conform principiului de funcționare, ele sunt împărțite în trei grupe principale: cu suflare automată, când se creează presiune mare și viteza de mișcare a gazului în zona arcului datorită energiei eliberate în arc, cu suflare forțată a uleiului folosind pompare specială mecanismele hidraulice, cu stingere magnetică în ulei, când arcul este sub acțiunea câmpului magnetic se deplasează în fante înguste.

Cel mai eficient și simplu jgheaburi cu arc cu autoblast. În funcție de locația canalelor și a orificiilor de evacuare, se disting camere în care este prevăzută o suflare intensivă a amestecului gaz-vapori și a uleiului care curge de-a lungul arcului (suflare longitudinală) sau peste arc (explozie transversală). Metodele luate în considerare de stingere a arcului sunt utilizate pe scară largă în întrerupătoarele pentru tensiuni de peste 1 kV.

Alte modalități de stingere a arcului în dispozitive pentru tensiuni peste 1 kV

În plus față de metodele de mai sus de stingere a arcului, se folosesc și: aer comprimat, al cărui flux sufla arcul de-a lungul sau peste, asigurând răcirea intensivă a acestuia (în locul aerului se folosesc alte gaze, obținute adesea din materiale generatoare de gaze solide - fibre, plastic vinil etc. - datorită descompunerii lor de către arcul de ardere). însuși), care are o rezistență electrică mai mare decât aerul și hidrogenul, drept urmare arcul care arde în acest gaz, chiar și atunci când presiune atmosferică gaz destul de rapid stins, foarte rarefiat (vid), când se deschid contactele în care arcul nu se mai aprinde (se stinge) după prima trecere a curentului prin zero.

) cu curent mare, tensiune joasă, temperatură ridicată. Acest fenomen este atât electric, cât și termic.

Poate apărea între două contacte atunci când se deschid.

Să trecem la diagrama VAC:

În acest grafic, avem dependența curentului de tensiune, puțin depășită, dar este mai clar. Deci sunt trei domenii:

în prima regiune, avem o cădere mare de tensiune la catod și curenți scăzuti - aceasta este regiunea de descărcare luminoasă
în a doua regiune, căderea de tensiune scade brusc, iar curentul continuă să crească - aceasta este regiunea de tranziție între strălucire și descărcarea arcului
a treia zonă caracterizează descărcarea arcului - cădere de tensiune scăzută și densitate mare de curent și, prin urmare, temperatură ridicată.

Mecanismul pentru apariția unui arc poate fi următorul: contactele se deschid și între ele are loc o descărcare. În procesul de deschidere, aerul dintre contacte este ionizat, dobândind proprietățile unui conductor, apoi apare un arc. Aprinderea arcului este procesul de ionizare a golului de aer, stingerea arcului este fenomenul de deionizare a golului de aer.

Fenomene de ionizare și deionizare

La începutul arderii arcului predomină procesele de ionizare, când arcul este stabil, apoi procesele de ionizare și deionizare au loc la fel de des, de îndată ce procesele de deionizare încep să predomine asupra proceselor de ionizare, arcul se stinge.

ionizare:

emisie termoionică- se desprind electronii de pe suprafata fierbinte a spotului catodic;
emisie de câmp- electronii scapă de la suprafață datorită intensității ridicate a câmpului electric.
împingere ionizare- un electron zboară cu o viteză suficientă și se ciocnește cu o particulă neutră pe drum, ca urmare, se formează un electron și un ion.
ionizare termică- principalul tip de ionizare, susține arcul după aprinderea acestuia. Temperatura arcului poate ajunge la mii de kelvin, iar într-un astfel de mediu numărul de particule și viteza lor cresc, ceea ce contribuie la procese active ionizare.

deionizare:

recombinare- formarea de particule neutre din particule cu încărcare opusă în timpul interacțiunii
difuziune- particulele încărcate pozitiv sunt trimise „peste bord”, datorită acțiunii câmpului electric al arcului de la mijloc la graniță

Sunt situații în care arcul nu se aprinde la deschiderea contactelor, atunci se vorbește despre o întrerupere fără scânteie. Acest lucru este posibil la valori scăzute ale curentului și tensiunii sau atunci când este deconectat în momentul în care valoarea curentului trece prin zero.

Proprietățile arcului DC

Arcul poate apărea atât cu curent continuu-tensiune, cât și cu curent alternativ. Să începem cu constanta:

Regiunile anodice și catodice- dimensiune=10 -4 cm; cădere totală de tensiune=15-30V; tensiune=10 5 -10 6 V/cm; în regiunea catodului, procesul de ionizare prin impact are loc din cauza tensiunii ridicate, electronii și ionii formați ca urmare a ionizării formează o plasmă cu arc, care are o conductivitate ridicată, această regiune este responsabilă pentru aprinderea arcului.

Arc de butoi- căderea de tensiune este proporțională cu lungimea arcului; densitatea de curent este de aproximativ 10 kA pe cm 2, din cauza căreia temperatura este de aproximativ 6000 K și mai mare. În această regiune a arcului au loc procese de ionizare termică, această regiune fiind responsabilă de menținerea arderii.

Caracteristicile I-V ale descărcării cu arc de curent continuu

Această curbă corespunde curbei 3 din figura de sus. Există:

Uz - tensiunea de aprindere
Ug - tensiune de stingere

Dacă curentul este redus de la Io la 0 instantaneu, atunci obțineți o linie dreaptă care se află mai jos. Aceste curbe caracterizează intervalul de arc ca un conductor, arată ce tensiune trebuie aplicată pentru a crea un arc în decalaj.

Pentru a stinge un arc de curent continuu, este necesar ca procesele de deionizare să prevaleze asupra proceselor de ionizare.

Rezistenta la arc:

poate fi determinată din caracteristicile curent-tensiune ale arcului
activ, indiferent de tipul de curent
variabil
scade odată cu creșterea curentului

Dacă întrerupeți circuitul ampermetrului sub sarcină, puteți vedea și arcul.

Proprietățile arcului AC

O caracteristică a arcului AC este comportamentul său în timp. Dacă te uiți la graficul de mai jos, poți vedea că arcul trece prin zero la fiecare jumătate de ciclu.

Se poate observa că curentul întârzie tensiunea cu aproximativ 90 de grade. Mai întâi, apare un curent și tensiunea crește brusc până la valoarea de aprindere (Uz). În plus, curentul continuă să crească, iar căderea de tensiune scade. În punctul cu valoarea curentului de amplitudine maximă, valoarea tensiunii arcului este minimă. În plus, curentul tinde spre zero, iar căderea de tensiune crește din nou până la valoarea de amortizare (Ug), care corespunde momentului în care curentul trece prin zero. Apoi totul se repetă din nou. În stânga caracteristicii timp este caracteristica curent-tensiune.

O caracteristică a unui arc variabil, în afară de aprinderea și stingerea sa pe o jumătate de ciclu, este modul în care curentul trece la zero. Acest lucru nu se întâmplă sub formă de sinusoid, ci mai brusc. Se formează o pauză fără curent, în timpul căreia au loc procesele familiare de deionizare. Adică, rezistența spațiului arcului crește. Și cu cât rezistența crește, cu atât va fi mai dificil ca arcul să se aprindă înapoi.

Dacă arcul este lăsat să ardă suficient de mult, atunci nu numai contactele, ci și echipamentele electrice în sine sunt supuse distrugerii. Condițiile de stingere a arcului sunt stabilite în faza de proiectare, se introduc constant noi metode de combatere a acestui fenomen dăunător în dispozitivele de comutare.

Fenomenul arc în sine nu este util pentru echipamentele electrice, deoarece duce la o deteriorare a proprietăților operaționale ale contactelor: ardere, coroziune, deteriorare mecanică.

Dar nu totul este atât de trist, pentru că minți strălucitoare au găsit aplicație utilă descărcare cu arc - utilizare în sudarea cu arc, metalurgie, tehnologia iluminatului, redresoare cu mercur.

ultimele articole

Cel mai popular

Arcul electric (arcul voltaic, descărcarea cu arc) este un fenomen fizic, unul dintre tipurile de descărcare electrică dintr-un gaz.
A fost descris pentru prima dată în 1802 de omul de știință rus V. Petrov în cartea „Știri despre experimentele galvano-voltaice prin intermediul unei baterii uriașe, uneori formată din 4200 de cercuri de cupru și zinc” (Sankt. Petersburg, 1803). Un arc electric este un caz special al celei de-a patra forme a stării materiei - plasmă - și constă dintr-un gaz ionizat, cvasi-neutru din punct de vedere electric. Prezența liberului sarcini electrice asigură conductivitatea arcului electric.
Un arc electric între doi electrozi în aer la presiunea atmosferică se formează după cum urmează:
Când tensiunea dintre cei doi electrozi crește până la un anumit nivel în aer, între electrozi are loc o defecțiune electrică. Tensiunea electrică de avarie depinde de distanța dintre electrozi și de alți factori. Potențialul de ionizare al primului electron al atomilor de metal este de aproximativ 4,5 - 5 V, iar tensiunea arcului este de două ori mai mare (9 - 10 V). Este necesar să se cheltuiască energie la ieșirea unui electron din atomul de metal al unui electrod și la ionizarea atomului celui de-al doilea electrod. Procesul duce la formarea unei plasme între electrozi și arderea unui arc (pentru comparație: tensiunea minimă pentru formarea unei descărcări de scânteie depășește ușor potențialul de ieșire a electronilor - până la 6 V).
Pentru a iniția o defecțiune la tensiunea disponibilă, electrozii sunt apropiați unul de celălalt. În timpul unei defecțiuni, între electrozi apare de obicei o descărcare de scânteie, închiderea impulsului circuit electric.
Electronii din descărcări de scânteie ionizează moleculele din spațiul de aer dintre electrozi. Cu o putere suficientă a sursei de tensiune în spațiul de aer, se formează o cantitate suficientă de plasmă pentru o scădere semnificativă a tensiunii de rupere sau a rezistenței spațiului de aer. În acest caz, descărcările de scânteie se transformă într-o descărcare cu arc - un cordon de plasmă între electrozi, care este un tunel de plasmă. Arcul rezultat este, de fapt, un conductor și închide circuitul electric dintre electrozi. Ca urmare, curentul mediu crește și mai mult, încălzind arcul până la 5000-50000 K. În acest caz, se consideră că aprinderea arcului este încheiată. După aprindere, arderea stabilă a arcului este asigurată de emisia termoionică din catodul încălzit prin bombardament de curent și ioni.
Interacțiunea electrozilor cu plasma arcului duce la încălzirea lor, topirea parțială, evaporarea, oxidarea și alte tipuri de coroziune.
După aprindere, arcul poate rămâne stabil atunci când contactele electrice sunt separate până la o anumită distanță.
În timpul funcționării instalațiilor electrice de înaltă tensiune, în care apariția unui arc electric este inevitabilă, lupta împotriva acestuia se realizează folosind bobine electromagnetice combinate cu jgheaburi cu arc. Printre alte metode, sunt cunoscute utilizarea întrerupătoarelor cu vid, aer, SF6 și ulei, precum și metode de deviare a curentului la o sarcină sub tensiune care întrerupe independent circuitul electric.

Un arc electric este un tip de descărcare caracterizat prin densitate mare curent, temperatură ridicată, tensiune arterială crescută gaz și o mică scădere de tensiune pe întreținerea arcului. În acest caz, are loc încălzirea intensă a electrozilor (contactelor), pe care se formează așa-numitele pete catodice și anodice. Strălucirea catodului este concentrată într-un mic punct luminos, partea fierbinte a electrodului opus formează un punct anodic.

În arc pot fi remarcate trei zone, care sunt foarte diferite în natura proceselor care au loc în ele. Direct electrodul negativ (catod) al arcului, regiunea căderii de tensiune a catodului este adiacentă. Urmează butoiul cu arc cu plasmă. Direct electrodul pozitiv (anodul) se învecinează regiunea căderii de tensiune anodului. Aceste regiuni sunt prezentate schematic în Fig. 1.

Orez. 1. Structura arcului electric

Dimensiunile căderilor de tensiune ale catodului și anodului din figură sunt foarte exagerate. De fapt, lungimea lor este foarte mică.De exemplu, lungimea căderii de tensiune a catodului are o valoare de ordinul căii mișcare liberă electron (mai puțin de 1 micron). Lungimea regiunii căderii de tensiune anodului este de obicei ceva mai mare decât această valoare.

ÎN conditii normale aerul este un bun izolator. Astfel, tensiunea necesară pentru defalcarea unui spațiu de aer de 1 cm este de 30 kV. Pentru ca spațiul de aer să devină un conductor, este necesar să se creeze o anumită concentrație de particule încărcate (electroni și ioni) în el.

Cum apare un arc electric

Un arc electric, care este un flux de particule încărcate, în momentul inițial al divergenței contactului are loc ca urmare a prezenței electronilor liberi în gazul golului arcului și a electronilor emiși de pe suprafața catodului. Electronii liberi aflați în golul dintre contacte se deplasează cu viteză mare în direcția de la catod la anod sub acțiunea forțelor câmpului electric.

Intensitatea câmpului la începutul divergenței contactelor poate ajunge la câteva mii de kilovolți pe centimetru. Sub acțiunea forțelor acestui câmp, electronii scapă de pe suprafața catodului și se deplasează către anod, eliminând electronii din acesta, care formează un nor de electroni. Fluxul inițial de electroni creat în acest fel formează ulterior o ionizare intensă a intervalului de arc.

Alături de procesele de ionizare, procesele de deionizare se desfășoară în paralel și continuu în arc. Procesele de deionizare constau în faptul că, atunci când doi ioni cu semne diferite sau un ion pozitiv și un electron se apropie unul de celălalt, ei sunt atrași și, ciocnind, sunt neutralizați, în plus, particulele încărcate se deplasează din zona de ardere a sufletelor cu un concentrație mai mare de sarcină în mediu cu o concentrație mai mică de sarcină. Toți acești factori duc la scăderea temperaturii arcului, la răcirea și stingerea acestuia.

Orez. 2. Arc electric

Arc după aprindere

În starea constantă de ardere, procesele de ionizare și deionizare sunt în echilibru în ea. Arborele arcului cu un număr egal de sarcini pozitive și negative libere se caracterizează printr-un grad ridicat de ionizare a gazului.

O substanță al cărei grad de ionizare este apropiat de unitate, adică. în care nu există atomi și molecule neutre se numește plasmă.

Arcul electric se caracterizează prin următoarele caracteristici:

1. O limită clar definită între arborele arcului și mediu.

2. Temperatura ridicată în interiorul cilindrului arcului, ajungând la 6000 - 25000K.

3. densitate mare arbore de curent și arc (100 - 1000 A / mm 2).

4. Valorile mici ale tensiunii anodului și catodului scad și practic nu depind de curent (10 - 20 V).

Caracteristica volt-amperi a unui arc electric

Principala caracteristică a unui arc de curent continuu este dependența tensiunii arcului de curent, care se numește caracteristica curent-tensiune (VAC).

Arcul are loc între contacte la o anumită tensiune (Fig. 3), numită tensiune de aprindere Uz, și depinde de distanța dintre contacte, de temperatura și presiunea mediului și de rata divergenței contactului. Tensiunea de stingere a arcului Ug este întotdeauna mai mică decât tensiunea U c.

Orez. 3. Caracteristica volt-amperi a arcului de curent continuu (a) și a circuitului său echivalent (b)

Curba 1 reprezintă caracteristica statică a arcului, adică. obtinut prin schimbarea lenta a curentului. Caracteristica are un caracter descendent. Pe măsură ce curentul crește, tensiunea arcului scade. Aceasta înseamnă că rezistența arcului scade mai repede al cărui curent crește.

Dacă reducem curentul din arc de la I1 la zero cu o anumită rată și fixăm în același timp căderea de tensiune pe arc, atunci se vor obține curbele 2 și 3. Aceste curbe se numesc caracteristici dinamice.

Cu cât curentul este redus mai repede, cu atât vor fi mai mici caracteristicile dinamice I-V. Acest lucru se explică prin faptul că, atunci când curentul scade, astfel de parametri ai arcului, cum ar fi secțiunea transversală a arborelui, temperatura, nu au timp să se schimbe rapid și să dobândească valori corespunzătoare unei valori mai mici a curentului în stare echilibrată.

Căderea de tensiune în intervalul arcului:

Ud \u003d U s + EdId,

Unde U c \u003d U k + U a - căderea de tensiune aproape de electrod, Ed - gradientul de tensiune longitudinal în arc, Id - lungimea arcului.

Din formula rezultă că, odată cu creșterea lungimii arcului, căderea de tensiune pe arc va crește, iar caracteristica I–V va fi mai mare.

Ei luptă cu un arc electric în proiectarea dispozitivelor electrice de comutare. Proprietățile unui arc electric sunt utilizate în și în.

Ruperea circuitului dispozitiv de contact caracterizată prin apariția plasmei, care trece prin diferite etape ale unei descărcări de gaz în procesul de transformare a golului de intercontact dintr-un conductor curent electricîntr-un izolator.

La curenți peste 0,5-1 A, are loc o etapă de descărcare a arcului (regiune 1 )(Fig. 1.); când curentul scade, are loc o etapă de descărcare luminoasă la catod (regiunea 2 ); următoarea etapă (zona 3 ) este deversarea Townsend și, în sfârșit, regiunea 4 - stadiul de izolare, în care purtătorii de electricitate - electroni și ioni - nu se formează din cauza ionizării, ci pot proveni doar din mediu.

Orez. 1. Caracteristica curent-tensiune a treptelor de descărcare electrică în gaze

Prima secțiune a curbei este o descărcare de arc (regiune 1) - caracterizat printr-o scădere mică de tensiune la electrozi și o densitate mare de curent. Pe măsură ce curentul crește, tensiunea pe întreținerea arcului scade mai întâi brusc, apoi se modifică ușor.

A doua secțiune (regiunea 2 ), care este o regiune de descărcare luminoasă, este caracterizată prin toamna mare tensiune la catod (250 - 300 V) și curenți mici. Odată cu creșterea curentului, scăderea tensiunii pe intervalul de descărcare va crește.

Descărcare Townsend (zona 3 ) se caracterizează prin valori extrem de scăzute ale curentului la tensiuni înalte.

Arc electric este însoțită de o temperatură ridicată și este asociată cu această temperatură. Prin urmare, arcul nu este doar un fenomen electric, ci și unul termic.

În condiții normale, aerul este un bun izolator. Deci, pentru defalcarea unui spațiu de aer de 1 cm, este necesară aplicarea unei tensiuni de cel puțin 30 kV. Pentru ca spațiul de aer să devină un conductor, este necesar să se creeze o anumită concentrație de particule încărcate în el: negativ - în mare parte electroni liberi și pozitivi - ioni. Procesul de separare a unuia sau mai multor electroni dintr-o particulă neutră cu formarea de electroni și ioni liberi se numește ionizare.

Ionizarea gazelor poate apărea sub influența luminii, razelor X, temperaturii ridicate, sub influența unui câmp electric și a unui număr de alți factori. Pentru procesele cu arc în aparatele electrice cea mai mare valoare au: din procesele care au loc la electrozi - emisie termoionică și de câmp, iar din procesele care au loc în intervalul de arc - ionizare termică și ionizare prin împingere.

La comutarea dispozitivelor electrice concepute să închidă și să deschidă un circuit cu curent, atunci când sunt deconectate, se produce o descărcare în gaz fie sub formă de descărcare strălucitoare, fie sub formă de arc. O descărcare luminoasă are loc atunci când curentul care trebuie oprit este sub 0,1 A, iar tensiunea la contacte ajunge la 250–300 V. O astfel de descărcare are loc fie la contactele releelor de putere mică, fie ca o fază de tranziție la o descărcare. sub forma unui arc electric.

Principalele proprietăți ale descărcării arcului.

1) Descărcarea arcului are loc numai la curenți mari; curentul minim de arc pentru metale este de aproximativ 0,5 A;

2) Temperatura părții centrale a arcului este foarte ridicată și poate ajunge la 6000 - 18000 K în aparate;

3) Densitatea de curent la catod este extrem de mare și ajunge la 10 2 - 10 3 A / mm 2;

4) Căderea de tensiune la catod este de numai 10 - 20 V și practic nu depinde de curent.

Într-o descărcare cu arc, se pot distinge trei regiuni caracteristice: aproape catodul, regiunea coloanei arcului (arxul arcului) și aproape anodul (Fig. 2.).

În fiecare dintre aceste zone, procesele de ionizare și deionizare decurg diferit în funcție de condițiile care există acolo. Deoarece curentul rezultat care trece prin aceste trei regiuni este același, în fiecare dintre ele au loc procese care asigură apariția suma necesară taxe.

Orez. 2. Distribuția tensiunii și a intensității câmpului electric într-un arc staționar de curent continuu

Emisia termoionică. Emisia termoionică este fenomenul de emisie de electroni de pe o suprafață încălzită.

Când contactele diverge, rezistența de contact a contactului și densitatea curentului în ultima zonă de contact cresc brusc. Această zonă este încălzită la temperatura de topire și formarea unui istm de contact de metal topit, care se rupe odată cu divergența suplimentară a contactelor. Aici metalul de contact se evaporă. Pe electrodul negativ se formează un așa-numit punct catod (caldă fierbinte), care servește drept bază a arcului și sursă de radiație electronică în primul moment al divergenței contactului. Densitatea curentului de emisie termoionică depinde de temperatură și de materialul electrodului. Este mic și poate fi suficient pentru apariția unui arc electric, dar este insuficient pentru arderea acestuia.

Emisia autoelectronica. Acesta este fenomenul de emisie de electroni din catod sub influența unui câmp electric puternic.

Locul în care circuitul electric este întrerupt poate fi reprezentat ca un condensator variabil. Capacitatea la momentul inițial este egală cu infinit, apoi scade pe măsură ce contactele diverg. Prin rezistența circuitului, acest condensator este încărcat, iar tensiunea pe el crește treptat de la zero la tensiunea rețelei. În același timp, distanța dintre contacte crește. Intensitatea câmpului dintre contacte în timpul creșterii tensiunii trece prin valori care depășesc 100 MV/cm. Astfel de valori ale intensității câmpului electric sunt suficiente pentru a ejecta electronii din catodul rece.

Curentul de emisie de câmp este, de asemenea, foarte mic și poate servi doar ca început al dezvoltării unei descărcări cu arc.

Astfel, apariția unei descărcări de arc pe contacte divergente se explică prin prezența emisiilor termoionice și autoelectronice. Predominanța unuia sau altuia depinde de valoarea curentului oprit, de materialul și curățenia suprafeței de contact, de viteza de divergență a acestora și de o serie de alți factori.

Ionizare push. Dacă un electron liber are o viteză suficientă, atunci când se ciocnește cu o particulă neutră (atom și, uneori, o moleculă), poate elimina un electron din ea. Rezultatul este un nou electron liber și un ion pozitiv. Electronul nou dobândit poate, la rândul său, ioniza următoarea particulă. Această ionizare se numește ionizare push.

Pentru ca un electron să poată ioniza o particulă de gaz, acesta trebuie să se miște cu o anumită viteză definită. Viteza unui electron depinde de diferența de potențial pe calea liberă medie. Prin urmare, de obicei nu este indicată viteza electronului, ci valoarea minima diferența de potențial, pe care trebuie să o avem pe lungimea drumului liber, astfel încât electronul să dobândească viteza necesară până la sfârșitul căii. Această diferență de potențial se numește potenţial de ionizare.

Potențialul de ionizare pentru gaze este de 13 - 16 V (azot, oxigen, hidrogen) și până la 24,5 V (heliu), pentru vaporii de metal este de aproximativ două ori mai mic (7,7 V pentru vaporii de cupru).

Ionizare termică. Acesta este procesul de ionizare sub influența temperaturii ridicate. Mentinerea arcului dupa aparitia lui, i.e. asigurarea descărcării arcului apărut cu un număr suficient de încărcări gratuite se explică prin principalul și practic singurul tip de ionizare - ionizarea termică.

Temperatura coloanei arcului este în medie 6000 - 10000 K, dar poate ajunge la mai mult valori mari- până la 18000 K. La această temperatură, atât numărul de particule de gaz care se mișcă rapid, cât și viteza de mișcare a acestora cresc foarte mult. Atunci când atomii sau moleculele în mișcare rapidă se ciocnesc, cei mai mulți dintre ei sunt distruși, formând particule încărcate, de exemplu. gazul este ionizat. Caracteristica principală a ionizării termice este gradul de ionizare, care este raportul dintre numărul de atomi ionizați din intervalul de arc și numărul total atomi din acest gol. Simultan cu procesele de ionizare în arc, au loc procese inverse, adică reunificarea particulelor încărcate și formarea particulelor neutre. Aceste procese sunt numite deionizare.

Deionizarea se produce în principal din cauza recombinareȘi difuziune.

Recombinare. Procesul în care particulele încărcate diferit, care intră în contact reciproc, formează particule neutre, se numește recombinare.

Într-un arc electric, particulele negative sunt în mare parte electroni. Legătura directă a electronilor cu un ion pozitiv este puțin probabilă din cauza diferenței mari de viteze. De obicei, recombinarea are loc cu ajutorul unei particule neutre, pe care electronul o încarcă. Când această particulă încărcată negativ se ciocnește cu un ion pozitiv, se formează una sau două particule neutre.

Difuzie. Difuzia particulelor încărcate este procesul de efectuare a particulelor încărcate din golul arcului în spațiul înconjurător, ceea ce reduce conductivitatea arcului.

Difuzia se datorează atât factorilor electrici, cât și termici. Densitatea de sarcină în coloana arcului crește de la periferie la centru. Având în vedere acest lucru, se creează câmp electric, ceea ce face ca ionii să se deplaseze din centru spre periferie și să părăsească regiunea arcului. Diferența de temperatură dintre coloana arcului și spațiul înconjurător acționează, de asemenea, în aceeași direcție. Într-un arc stabilizat și care arde liber, difuzia joacă un rol neglijabil.

Căderea de tensiune pe un arc staționar este distribuită neuniform de-a lungul arcului. Model de cădere de tensiune U D și intensitatea câmpului electric (gradient de tensiune longitudinală) E D = dU/dx de-a lungul arcului este prezentată în figură (Fig. 2). Sub gradient de stres E D se referă la căderea de tensiune pe unitatea de lungime a arcului. După cum se poate vedea din figură, cursul caracteristicilor U D și E D în regiunile apropiate de electrod diferă brusc de comportamentul caracteristicilor din restul arcului. La electrozi, în regiunile aproape catodic și aproape anod, într-un interval de lungime de ordinul a 10 - 4 cm, are loc o scădere bruscă a tensiunii, numită catodic U la și anodul U A. Valoarea acestei căderi de tensiune depinde de materialul electrozilor și de gazul din jur. Valoarea totală a căderilor de tensiune anodului și catodului este de 15–30 V, gradientul de tensiune atinge 105–106 V/cm.

În restul arcului, numit coloana arcului, căderea de tensiune U D este aproape direct proporțional cu lungimea arcului. Gradientul aici este aproximativ constant de-a lungul tulpinii. Depinde de mulți factori și poate varia foarte mult, ajungând la 100–200 V/cm.

Căderea de tensiune aproape de electrod U E nu depinde de lungimea arcului, căderea de tensiune în coloana arcului este proporțională cu lungimea arcului. Astfel, scăderea de tensiune pe întreținerea arcului

U D = U E + E D l D,

Unde: E D este intensitatea câmpului electric în coloana arcului;

l D este lungimea arcului; U E = U la + U A.

În concluzie, trebuie remarcat încă o dată că ionizarea termică predomină în stadiul descărcării arcului - scindarea atomilor în electroni și ioni pozitivi datorită energiei câmpului termic. Cu strălucire - ionizarea de impact are loc la catod din cauza coliziunii cu electronii accelerați de un câmp electric, iar cu o descărcare Townsend, ionizarea de impact prevalează asupra întregului interval al descărcării de gaz.

Caracteristica curent-tensiune statică a electricității

arcuri de curent continuu.

Cea mai importantă caracteristică arcul este dependența tensiunii față de acesta de mărimea curentului. Această caracteristică se numește curent-tensiune. Cu curent crescând i temperatura arcului crește, ionizarea termică crește, numărul de particule ionizate din descărcare crește, iar rezistența electrică a arcului scade r d.

Tensiunea arcului este ir e. Pe măsură ce curentul crește, rezistența arcului scade atât de rapid încât tensiunea pe arc scade chiar dacă curentul din circuit crește. Fiecare valoare curentă în starea de echilibru corespunde propriului echilibru dinamic al numărului de particule încărcate.

La trecerea de la o valoare curentă la alta, starea termică a arcului nu se schimbă instantaneu. Decalajul arcului are inertie termica. Dacă curentul se modifică lent în timp, atunci inerția termică a descărcării nu afectează. Fiecare valoare de curent corespunde unei singure valori a rezistenței arcului sau tensiunii pe ea.

Se numește dependența tensiunii arcului de curent cu schimbarea lui lentă caracteristica curentului static arcuri.

Caracteristica statică a arcului depinde de distanța dintre electrozi (lungimea arcului), de materialul electrozilor și de parametrii mediului în care arde arcul.

Caracteristicile statice curent-tensiune ale arcului au forma curbelor prezentate în fig. 3.

Orez. 3. Caracteristicile statice curent-tensiune ale arcului

Cu cât arcul este mai lung, cu atât este mai mare caracteristica curent-tensiune statică. Odată cu creșterea presiunii mediului în care arde arcul, crește și intensitatea E D iar caracteristica curent-tensiune crește similar cu fig. 3.

Răcirea cu arc afectează semnificativ această caracteristică. Cu cât este mai intensă răcirea arcului, cu atât mai multă putere este eliminată din acesta. Acest lucru ar trebui să crească puterea generată de arc. Pentru un curent dat, acest lucru este posibil prin creșterea tensiunii arcului. Astfel, odată cu creșterea răcirii, caracteristica curent-tensiune este situată mai sus. Acesta este utilizat pe scară largă în dispozitivele de stingere a arcului electric ale aparatelor.

Caracteristica curent-tensiune dinamică a electricității

arcuri de curent continuu.

Dacă curentul din circuit se schimbă lent, atunci curentul i 1 corespunde rezistenței arcului r D1, un curent mai mare i 2 corespunde unei rezistențe mai mici r D2, care este prezentat în Fig. 4. (vezi caracteristica statică a arcului - curbă A).

Orez. 4. Caracteristica curent-tensiune dinamică a arcului.

În instalațiile reale, curentul se poate schimba destul de repede. Datorită inerției termice a coloanei arcului, modificarea rezistenței arcului este în urmă față de modificarea curentului.

Se numește dependența tensiunii arcului de curent cu schimbarea sa rapidă caracteristica dinamică curent-tensiune.

Cu o creștere bruscă a curentului răspuns dinamic trece deasupra staticului (curba ÎN), deoarece la crestere rapida curent, rezistența arcului scade mai lent decât crește curentul. Când scade, este mai mică, deoarece în acest mod rezistența arcului este mai mică decât la o schimbare lentă a curentului (curba CU).

Răspunsul dinamic este determinat în mare măsură de rata de schimbare a curentului în arc. Dacă în circuit este introdusă o rezistență foarte mare pentru un timp infinit mic în comparație cu constanta de timp termică a arcului, atunci în timpul în care curentul scade la zero, rezistența arcului va rămâne constantă. În acest caz, caracteristica dinamică va fi reprezentată ca o linie dreaptă care trece din punct 2 la origine (linie dreaptă D),T. e. Arcul se comportă ca un conductor metalic, deoarece tensiunea pe arc este proporțională cu curentul.

Condiții de stingere a arcului de curent continuu.

Pentru a stinge un arc electric de curent continuu, este necesar să se creeze astfel de condiții încât în intervalul de arc la toate valorile curente, procesele de deionizare să decurgă mai intens decât procesele de ionizare.

Orez. 5. Echilibrul de tensiune într-un circuit cu arc electric.

Luați în considerare un circuit electric care conține rezistență R, inductanță Lși decalajul arcului cu căderea de tensiune U D căruia i se aplică tensiunea U(Fig. 5, A). Cu un arc de lungime constantă, pentru orice moment de timp, ecuația de echilibrare a tensiunii din acest circuit va fi valabilă:

unde este căderea de tensiune pe inductanță pe măsură ce curentul se modifică.

Modul staționar va fi unul în care curentul din circuit nu se schimbă, adică. iar ecuația de echilibru a tensiunilor va lua forma:

Pentru a stinge un arc electric, este necesar ca curentul din el să scadă tot timpul, adică. , A

Soluția grafică a ecuației de echilibrare a tensiunilor este prezentată în fig. 5, b. Aici este o linie dreaptă 1 este tensiunea sursei U; linie oblică 2 - căderea de tensiune pe rezistență R(caracteristica reostatică a circuitului) scăzută din tensiune U, adică U-iR; curba 3 – caracteristica curent-tensiune a decalajului arcului U D.

Caracteristicile unui arc electric de curent alternativ.

Dacă pentru a stinge arcul de curent continuu, este necesar să se creeze condiții în care curentul ar scădea la zero, atunci cu curent alternativ, curentul din arc, indiferent de gradul de ionizare al intervalului de arc, trece prin zero la fiecare jumătate - ciclu, adică la fiecare jumătate de ciclu, arcul este stins și reaprins. Sarcina de stingere a arcului este mult facilitată. Aici este necesar să se creeze condiții în care curentul să nu-și revină după trecerea prin zero.

Caracteristica curent-tensiune a unui arc de curent alternativ pentru o perioadă este prezentată în fig. 6. Întrucât, chiar și la o frecvență industrială de 50 Hz, curentul din arc se modifică destul de repede, caracteristica prezentată este dinamică. Cu un curent sinusoidal, tensiunea arcului crește mai întâi în secțiune 1, iar apoi, din cauza cresterii curentului, cade in zona 2 (secțiuni 1 Și 2 se referă la prima jumătate a semiciclului). După trecerea curentului prin maxim, caracteristica dinamică I–V crește de-a lungul curbei 3 datorită scăderii curentului, iar apoi scade în zonă 4 datorită apropierii tensiunii de zero (secțiuni 3 Și 4 aparțin celei de-a doua jumătăți a aceleiași semiperioade).

Orez. 6. Caracteristica curent-tensiune a unui arc de curent alternativ

Cu curent alternativ, temperatura arcului este o variabilă. Cu toate acestea, inerția termică a gazului se dovedește a fi destul de semnificativă, iar în momentul în care curentul trece prin zero, temperatura arcului, deși scade, rămâne destul de ridicată. Cu toate acestea, scăderea temperaturii care apare atunci când curentul trece prin zero contribuie la deionizarea golului și facilitează stingerea arcului electric de curent alternativ.

Arc electric într-un câmp magnetic.

Arcul electric este un conductor de curent gazos. Un câmp magnetic acționează asupra acestui conductor, precum și asupra unuia metalic, creând o forță proporțională cu inducția câmpului și curentul din arc. Câmpul magnetic, care acționează asupra arcului, își mărește lungimea și mișcă elementele arcului în spațiu. Mișcarea transversală a elementelor arcului creează o răcire intensă, ceea ce duce la creșterea gradientului de tensiune pe coloana arcului. Când arcul se mișcă într-un mediu gazos la viteză mare, arcul se împarte în fibre paralele separate. Cu cât arcul este mai lung, cu atât delaminarea arcului este mai puternică.

Arcul este un conductor extrem de mobil. Se știe că astfel de forțe acționează asupra părții purtătoare de curent, care tind să crească energia electromagnetică a circuitului. Deoarece energia este proporțională cu inductanța, arcul, sub influența propriului câmp, tinde să formeze spire, bucle, deoarece aceasta crește inductanța circuitului. Această capacitate a arcului este cu atât mai puternică, cu atât lungimea sa este mai mare.

Arcul care se deplasează în aer învinge rezistența aerodinamică a aerului, care depinde de diametrul arcului, de distanța dintre electrozi, de densitatea gazului și de viteza de mișcare. Experiența arată că în toate cazurile într-un câmp magnetic uniform arcul se mișcă cu viteza constanta. Prin urmare, forța electrodinamică este echilibrată de forța de rezistență aerodinamică.

Pentru a crea o răcire eficientă, arcul este tras într-un spațiu îngust (diametrul arcului mai mare decât lățimea fantei) între pereții din material rezistent la arc cu conductivitate termică ridicată folosind un câmp magnetic. Datorită creșterii transferului de căldură către pereții fantei, gradientul de tensiune în coloana arcului în prezența unei fante înguste este mult mai mare decât cel al unui arc care se mișcă liber între electrozi. Acest lucru face posibilă reducerea lungimii și a timpului de stingere necesar pentru stingere.

Metode de influențare a arcului electric în dispozitivele de comutare.

Scopul impactului asupra coloanei arcului care apare în aparat este de a crește rezistența electrică activă a acestuia până la infinit, atunci când elementul de comutare trece în stare izolatoare. Aproape întotdeauna, acest lucru se realizează prin răcirea intensivă a coloanei cu arc, reducând temperatura și conținutul de căldură, în urma căreia gradul de ionizare și numărul de purtători de energie electrică și particule ionizate scade, iar rezistența electrică a plasmei crește.

Pentru a stinge cu succes un arc electric în dispozitivele de comutare de joasă tensiune, este necesar să se efectueze urmatoarele conditii:

1) măriți lungimea arcului prin întinderea acestuia sau mărind numărul de întreruperi pe stâlp de comutator;

2) mutați arcul la plăci metalice jgheab cu arc, care sunt ca radiatoarele care absorb energie termală coloană cu arc și despărțiți-o într-o serie de arce conectate în serie;

3) mutați stâlpul arcului camp magneticîn camera cu fantă din rezistent la arc material izolator cu conductivitate termică ridicată, unde arcul este răcit intens, în contact cu pereții;

4) formează un arc într-un tub închis de material generator de gaz - fibră; gazele degajate sub influența temperaturii creează presiune ridicata, care contribuie la stingerea arcului;

5) să reducă concentrația de vapori de metal în arc, în care scop la etapa de proiectare a dispozitivelor să se utilizeze materiale adecvate;

6) stinge arcul în vid; la presiunea gazului foarte scăzută, nu există suficienți atomi de gaz pentru a-i ioniza și a susține conducerea curentului în arc; rezistența electrică a canalului coloanei arcului devine foarte mare și arcul se stinge;

7) deschideți contactele sincron înainte ca curentul alternativ să treacă prin zero, ceea ce reduce semnificativ eliberarea de energie termică în arcul rezultat, adică. contribuie la stingerea arcului;

8) utilizați rezistențe pur active, manevrând arcul și facilitând condițiile de stingere a acestuia;

9) utilizați elemente semiconductoare care deduc spațiul de intercontact, comutând curentul de arc către ele însele, ceea ce elimină practic formarea unui arc pe contacte.