Processen att bilda en ljusbåge och metoder för att släcka den

När den elektriska kretsen öppnas uppstår en elektrisk urladdning i form av en ljusbåge. För utseendet av en elektrisk båge räcker det att kontakternas spänning är över 10 V vid en ström i kretsen i storleksordningen 0,1 A eller mer. Med betydande spänningar och strömmar kan temperaturen inuti bågen nå 3-15 tusen ° C, vilket leder till att kontakter och strömförande delar smälter.

Vid spänningar på 110 kV och däröver kan längden på bågen nå flera meter. Därför är en elektrisk ljusbåge, speciellt i högeffektskretsar, för spänningar över 1 kV en stor fara, även om allvarliga konsekvenser även kan få i installationer för spänningar under 1 kV. Som ett resultat av detta måste ljusbågsbildning innehållas så mycket som möjligt och snabbt släckas i kretsar för spänningar både över och under 1 kV.

Orsaker till elektriska ljusbågar

Processen att bilda en ljusbåge kan förenklas enligt följande.När kontakterna divergerar minskar först kontakttrycket och kontaktytan ökar därefter, övergångsmotstånd (strömdensitet och temperatur - lokal (i vissa områden av kontaktområdet) överhettning börjar, vilket ytterligare bidrar till termionisk strålning, när under påverkan av hög temperatur ökar elektronernas hastighet och de brister från elektrodens yta.

I ögonblicket för kontaktseparation, det vill säga kretsen är bruten, återställs spänningen snabbt i kontaktgapet. Eftersom i detta fall avståndet mellan kontakterna är litet, finns det elektriskt fält hög spänning under påverkan av vilken elektroner dras tillbaka från elektrodens yta. De accelererar i ett elektriskt fält och när de träffar en neutral atom ger de den sin kinetiska energi. Om denna energi är tillräcklig för att slita av åtminstone en elektron från skalet på en neutral atom, sker joniseringsprocessen.

De bildade fria elektronerna och jonerna utgör bågstammens plasma, det vill säga den joniserade kanalen i vilken bågen brinner och en kontinuerlig rörelse av partiklar säkerställs. I det här fallet rör sig negativt laddade partiklar, främst elektroner, i en riktning (mot anoden), och atomer och molekyler av gaser som berövas en eller flera elektroner - positivt laddade partiklar - i motsatt riktning (mot katoden).

Plasmaledningsförmågan är nära den för metaller.

En stor ström flyter i ljusbågsaxeln och en hög temperatur skapas.Denna temperatur på bågcylindern leder till termisk jonisering - processen för jonbildning på grund av kollision mellan molekyler och atomer med hög kinetisk energi vid höga hastigheter för deras rörelse (molekyler och atomer i mediet där ljusbågen brinner sönderdelas till elektroner och positivt laddade joner). Intensiv termisk jonisering upprätthåller hög plasmaledningsförmåga. Därför är spänningsfallet längs bågen liten.

I en ljusbåge pågår hela tiden två processer: förutom jonisering även avjonisering av atomer och molekyler. Det senare sker huvudsakligen genom diffusion, det vill säga överföring av laddade partiklar till miljön och rekombination av elektroner och positivt laddade joner, som återförenas till neutrala partiklar med återgång av energin som spenderas på deras sönderdelning. I detta fall förs värmen bort till omgivningen.

Således kan tre stadier av den övervägda processen särskiljas: ljusbågtändning, när på grund av chockjonisering och emission av elektroner från katoden, börjar en ljusbågsurladdning och joniseringsintensiteten är högre än avjonisering, stabil förbränning av bågen som stöds av termisk jonisering i bågcylindern när intensiteten av jonisering och avjonisering är densamma, försvinnande av ljusbågen när intensiteten av avjonisering är högre än joniseringen.

Metoder för att släcka ljusbågen i elektriska omkopplingsanordningar

För att koppla bort elementen i den elektriska kretsen och utesluta skador på omkopplingsanordningen är det nödvändigt att inte bara öppna dess kontakter utan också att släcka bågen som uppträder mellan dem. Bågsläckningsprocesser, såväl som förbränning, med växelström och likström är olika.Detta bestäms av det faktum att i det första fallet går strömmen i bågen genom noll varje halvcykel. Vid dessa tillfällen upphör frigörandet av energi i ljusbågen och ljusbågen släcks spontant och tänds sedan igen varje gång.

I praktiken blir strömmen i bågen nära noll något tidigare än nollgenomgången, eftersom när strömmen minskar, minskar energin som tillförs bågen, och temperaturen på bågen minskar i enlighet med detta och termisk jonisering upphör. I detta fall fortsätter avjoniseringsprocessen intensivt i båggapet. Om du öppnar och snabbt öppnar kontakterna vid denna tidpunkt, kan det efterföljande elektriska avbrottet inte inträffa och kretsen kommer att kopplas bort utan ljusbåge. I praktiken är detta dock extremt svårt att göra, och därför vidtas speciella åtgärder för att påskynda utsläckningen av ljusbågen, för att säkerställa kylning av bågutrymmet och för att minska antalet laddade partiklar.

Som ett resultat av avjonisering ökar den dielektriska styrkan hos gapet gradvis och samtidigt ökar återvinningsspänningen i den. Förhållandet mellan dessa värden beror på om regnbågen tänds under nästa halva av perioden eller inte. Om den dielektriska styrkan hos gapet ökar snabbare och är större än återvinningsspänningen kommer ljusbågen inte längre att antändas, annars kommer en stabil ljusbåge att tillhandahållas. Det första villkoret definierar bågsläckningsproblemet.

Olika bågsläckningsmetoder används i ställverk.

Förlängning av bågen

Om kontakterna divergerar under frånkopplingen av den elektriska kretsen sträcks den resulterande bågen.Samtidigt förbättras ljusbågens kylningsförhållanden eftersom dess yta ökar och mer spänning krävs för att bränna.

Dela en lång båge i en serie korta bågar

Om den båge som bildas när kontakterna öppnas delas upp i K korta bågar, till exempel genom att dras in i ett metallgaller, kommer den att slockna. Typiskt införs ljusbågen i ett metallgaller under påverkan av ett elektromagnetiskt fält som induceras i gallerplattorna av virvelströmmar. Denna metod för ljusbågssläckning används i stor utsträckning i ställverk för spänningar under 1 kV, särskilt i automatiska luftströmställare.

Bågkylning i smala slitsar

Släckning av små ljusbågar underlättas. Därför, i byta enheter bågrännor med längsgående slitsar används ofta (axeln för en sådan slits sammanfaller i riktning med bågcylinderns axel). Ett sådant gap bildas vanligtvis i kammare gjorda av isolerande bågbeständiga material. På grund av bågens kontakt med kalla ytor uppstår dess intensiva kylning, diffusion av laddade partiklar i miljön och följaktligen snabb avjonisering.

Förutom slitsar med platt-parallella väggar används också slitsar med ribbor, utsprång, förlängningar (fickor). Allt detta leder till deformation av bågcylindern och ökar området för dess kontakt med kammarens kalla väggar.

Bågen dras in i smala slitsar vanligtvis av ett magnetfält som samverkar med bågen, vilket kan ses som en strömförande ledare.

Extern magnetiskt fält för att flytta ljusbågen tillhandahålls oftast av en spole kopplad i serie med kontakterna mellan vilka ljusbågen uppstår.Bågsläckning med smal spår används i enheter för alla spänningar.

Högtrycksljussläckning

Vid konstant temperatur minskar graden av gasjonisering med ökande tryck, medan gasens värmeledningsförmåga ökar. Allt annat lika resulterar detta i förbättrad bågkylning. Bågsläckning genom högt tryck, skapad av själva ljusbågen i tätt slutna kammare, används ofta i säkringar och ett antal andra enheter.

Bågsläckning i olja

Om byta kontakter placeras i olja, bågen som uppstår när de öppnas leder till intensiv avdunstning av oljan. Som ett resultat bildas en gasbubbla (hölje) runt bågen, huvudsakligen bestående av väte (70 ... 80%), samt oljeånga. De emitterade gaserna tränger direkt in i bågcylinderns område med hög hastighet, orsakar blandning av kall och varm gas i bubblan, ger intensiv kylning och följaktligen avjonisering av båggapet. Dessutom ökar gasernas avjoniseringsförmåga trycket inuti bubblan som skapas under den snabba nedbrytningen av oljan.

Intensiteten på bågsläckningsprocessen i oljan är ju högre ju närmare ljusbågen kommer i kontakt med oljan och desto snabbare rör sig oljan i förhållande till ljusbågen. Med tanke på detta begränsas båggapet av en sluten isoleringsanordning - bågränna... I dessa kammare skapas en närmare kontakt av oljan med bågen, och med hjälp av isoleringsplattor och utloppshål bildas arbetskanaler genom vilken rörelsen av olja och gaser, vilket ger intensiv utblåsning (utblåsning) av bågen.

Bågrännor enligt funktionsprincipen är de indelade i tre huvudgrupper: med självblåsande, när högt tryck och hastighet av gasrörelse skapas i området för bågen på grund av den energi som frigörs i bågen, med tvångsblåsning av olja med hjälp av speciella pumpande hydrauliska mekanismer, med magnetisk släckning i olja, när bågen är under inverkan av magnetfältet, rör den sig in i smala luckor.

De mest effektiva och enkla självuppblåsande bågrännorna... Beroende på placeringen av kanalerna och utblåsningsöppningarna urskiljs kammare i vilka intensiv blåsning av gas-ångblandningen och oljan längs bågens ström (längsblåsning) resp. genom bågen (tvärblåsning) tillhandahålls ). De övervägda bågsläckningsmetoderna används i stor utsträckning i strömbrytare för spänningar över 1 kV.

Andra metoder för att släcka ljusbågen i enheter för spänningar över 1 kV

Förutom ovanstående metoder för att släcka ljusbågen använder de också: tryckluft, vars flöde blåser bågen längs eller tvärs över, vilket säkerställer dess intensiva kylning (istället för luft används andra gaser, ofta erhållna från fast gasgenererande material — fibrer, vinylplast, etc. — på bekostnad av deras nedbrytning av själva den brinnande ljusbågen). SF6 (svavelhexafluorid), som har en högre elektrisk hållfasthet än luft och väte, vilket gör att ljusbågen som brinner i denna gas, även vid atmosfärstryck, snabbt släcks, mycket förtärnad gas (vakuum) när kontakterna öppnas, där ljusbågen gör inte tänds (släcks) efter den första passagen av strömmen genom noll.