Условия возникновения и горения дуги

Прежде чем рассматривать конструкцию коммутационных аппаратов, необходимо ознакомиться с основными процессами, происходящими в электрической дуге. Подробно явление разряда в газах, в том числе дуговой разряд, изучается в курсе «Защита объектов энергетики от перенапряжений».

При размыкании контактов в цепи высокого напряжения воз­никает электрический разряд в виде дуги. В дуге различают около­катодное пространство, ствол дуги и околоанодное пространство (рис.). Все напряжение распределяется между этими областями U_K, U_сл, U_a. Катодное падение напряжения в дуге постоянного тока 10 — 20 В, а длина этого участка составляет 10^-4—10^{-5 см, таким образом, около катода наблюдается высокая напряженность}

б

Рис. Распределение напряжения U(a) и напряженности Е (б) в стационарной дуге постоянного тока

электрического поля (10⁵— 10⁶В/см). При таких высоких напряженностях происходит ударная ионизация. Суть ее заключается и том, что электроны, вырванные из катода силами электричес­кого поля (автоэлектронная эмиссия) или за счет нагрева катода (термоэлектронная эмиссия), разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать один элек­трон с оболочки нейтрального атома, то произойдет ионизация. Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги. Проводимость плазмы приближается к проводимости металлов [γ = 2500 1/(Ом•см)]. В стволе дуги проходит большой ток и создается высокая температура. Плотность тока может достигать 10000 А/см² и более, а температура — от 6000 К при атмосферном давлении до 18000 К и более при повышенных давлениях.

Высокие температуры в стволе дуги приводят к интенсивной термоионизации, которая поддерживает большую проводимость плазмы. Термоионизация — процесс образования ионов за счет соударения молекул и атомов, обладающих большой кинетичес­кой энергией при высоких скоростях их движения. Чем больше ток в дуге, тем меньше ее сопротивление, а поэтому требуется меньшее напряжение для горения дуги, т. е. дугу с большим током погасить труднее.

При переменном токе напряжение источника питания u_с меняется синусоидально, так же меняется ток в цепи i (рис. 10, а), причем ток отстает от напряжения примерно на 90°. Напряжение на дуге u_д, горящей между контактами выключателя, непостоянно. При малых токах напряжение возрастает до величины ы₃ (напряжения зажигания), затем по мере увеличения тока в дуге ироста термической ионизации напряжение уменьшается. В конце полупериода, когда ток приближается к нулю, дуга гаснет при напряжении гашения и_г. В следующий полупериод явление повторяется, если не приняты меры для деионизации промежутка.

Рис. 10. Изменение тока и напряжения при гашении дуги переменного

тока: а — момент горения дуги; б — после гашения дуги

Если дуга погашена теми или иными способами, то напряжение между контактами выключателя должно восстановиться до напряжения питающей сети. Однако поскольку в цепи имеются индуктивные, активные и емкостные сопротивления, возникает переходный процесс, появляются колебания напряжения (рис. 10, б), амплитуда которых u_Bmax может значительно превышать нормальное напряжение. Для отключающей аппаратуры важно, с какой скоростью восстанавливается напряжение на участке АВ.

Подводя итог, можно отметить, что дуговой разряд начинается за счет ударной ионизации и эмиссии электронов с катода, а после зажигания дуга поддерживается термоионизацией в стволе дуги.

Гашение дуги

В отключающих аппаратах необходимо не только разомкнуть контакты, но и погасить возникшую между ними дугу.

В цепях переменного тока ток в дуге каждый полупериод проходит через нуль (рис. 10), в эти моменты дуга гаснет самопроизвольно, но в следующий полупериод она может возникнуть вновь. Как показывают осциллограммы, ток в дуге становится близким к нулю несколько раньше естественного перехода через нуль (рис. 11, а). Это объясняется тем, что при снижении тока энергия, подводимая к дуге, уменьшается, следовательно, уменьшается температура дуги и прекращается термоионизация. Длительность бестоковой паузы t_n невелика (от десятков до нескольких сотен микросекунд), но играет важную роль в гашении дуги. Если разомкнуть контакты в бестоковую паузу и развести их с достаточной скоростью на такое расстояние, чтобы не произошел электрический пробой, то цепь будет отключена очень быстро.

Во время бестоковой паузы интенсивность ионизации сильно падает, так как не происходит термоионизации. В коммутационных аппаратах, кроме того, принимаются искусственные меры охлаждения дугового пространства и уменьшения числа заряженных частиц. Эти процессы деионизации приводят к постепенному увеличению электрической прочности промежутка u_пр (рис. 11, б).

Резкое увеличение электрической прочности промежутка после перехода тока через нуль происходит главным образом за счет увеличения прочности околокатодного пространства (в цепях переменного тока 150 — 250 В). Одновременно растет восстанавливающееся напряжение u_в. Если в любой момент u_пр> и_в промежуток не будет пробит, дуга е загорится вновь после перехода тока через нуль.

Рис. 11. Условия погасания дуги переменного тока:

а — погасание дуги при естественном переходе тока через нуль; б — рост электрической прочности дугового промежутка при переходе тока через нуль

Если в какой-то момент и'_пр = u_в, то происходит повторное зажигание дуги в промежутке.

Таким образом, задача гашения дуги сводится к созданию таких условий, чтобы электрическая прочность промежутка между контактами u_пр была больше напряжения между ними и_в.

Процесс нарастания напряжения между контактами отключаемого аппарата может носить различный характер в зависимости от параметров коммутируемой цепи. Если отключается цепь с преобладанием активного сопротивления, то напряжение восстанавливается по апериодическому закону; если в цепи преобладает индуктивное сопротивление, то возникают колебания, частоты которых зависят от соотношения емкости и индуктивности цепи. Колебательный процесс приводит к значительным скоростям вос­становления напряжения, а чем больше скорость du_B/dt, тем вероятнее пробой промежутка и повторное зажигание дуги. Для облегчения условий гашения дуги в цепь отключаемого тока вводятся активные сопротивления, тогда характер восстановления напряжения будет апериодическим (рис. 11, б).