Электрическая дуга

Дуга появляется при условии:

U > U₀ и I > I₀

где U₀ и I₀ – минимальные значения напряжения и тока, необходимые для поддержания дугового разряда.

Для разных материалов они следующие:

Если I < I₀, то при U = 270 – 330 В возникает тлеющий разряд или искра.

Рисунок 8 – Электрическая дуга

Основные свойства дугового разряда:

1. Дуга сопровождается большими токами при малых напряжениях.
2. Температура центральной части дуги в ЭА достигает величины 6000 – 18000 К.
3. Плотность тока на катоде достигает 10² – 10³ А/мм^2.
4. Падение напряжения у катода составляет всего 10-20 В и практически не зависит от тока.

Поскольку для ЭА дуга опасна, если не используется для технологии, то нас в первую очередь, интересуют процессы возникновения, устойчивого горения дуги и условия ее быстрого погашения.

Дуга имеет три области: околокатодную, столб дуги, околоанодную (рисунок 8). Здесь: Х – длина дуги; Е – напряженность электрического поля; U – напряжение дуги.

Ток дуги Iq ≈ const через все три области, однако процессы ионизации и деионизации в областях разные. Рассмотрим последовательно все области.

Околокатодная область: α ≤ 10^-6м, Uкатода = 10 ÷ 20 В, Е_ср = 10⁷ В/м (средняя напряженность электрического поля). Основные носители тока – электроны с катода, движущиеся в электрическом поле, создаваемым объемным положительным зарядом (положительные ионы около катода) и катодом. Электроны, ускоряясь, соударяются с нейтральными частицами и ионизируют их. Положительные ионы разгоняются в поле катода и бомбардируют его, вызывая повышение температуры катода и испарение его материала. При высоких температурах катода возникает термоэлектронная эмиссия, хотя для дуги достаточно и автоэлектронной эмиссии (эмиссия за счет электрического поля).

Дуговой столб:

Основной источник ионов и электронов – термическая ионизация: большая температура увеличивает скорость частицы настолько, что, ударяясь о нейтральный атом, она его ионизирует. Здесь характерны зависимости:

1) увеличение Е → ионизация ↑;

2) рост температуры → ионизация ↑;

3) масса ↓ → скорость ↑ → ионизация ↑;

4) давление газа ↑ → степень ионизации ↓;

5) присутствие металлических паров → степень ионизации ↑.

Зависимости используются как для поддержания устойчивости горения дуги в технологических процессах, так и для гашения дуги. Гашение дуги происходит за счет деионизации дугового столба, которая в большей степени зависит от теплового (энергетического) баланса дуги.

Охлаждение дуги происходит за счет излучения, теплопроводности и конвекции. Решающими факторами здесь являются теплопроводность и конвекция (до 85% потери энергии дуги). Например, горение в трансформаторном масле приводит к образованию водорода, у которого теплопроводность очень велика. Дуга в атмосфере водорода быстро охлаждается и гаснет. Для сравнения: ток, отключаемый в атмосфере «Н», в 7, 5 раза выше, чем в воздухе при одинаковом давлении. Аналогичным эффектом, но за счет конвекции, обладает принудительное дутье сжатым воздухом с высокой скоростью или магнитное дутье за счет действия магнитного поля – это приводит к перемещению дуги в пространстве и ее интенсивному охлаждению.

Околоанодная область:

Вблизи анода за счет движения электронов к аноду создается отрицательный объемный заряд, что вызывает околоанодное падение напряжения и повышение Е.

U_анода= 5 ÷ 10 В.

Энергия электронов отдается аноду, что резко увеличивает температуру анода (выше температуры катода!), что приводит к вторичной эмиссии электронов.

Однако t↑ анода и околоанодной области существенно не влияют на возникновение и условие горения дуг.

Для сильноточной дуги U_а↓ и очень мало.

В ЭА до 1 кВ «α» дуги не велика и

U_столба < < U_катода + U_анода.

Такие дуги называют короткими. Основная часть тепла отводится электродами.

В ЭА с U > 1 кВ:

U_столба > > U_катода + U_анода.

Такие дуги называют длинными. Процессы горения дуги, в основном, определяются состоянием столба дуги.

Способы гашения дуги

Здесь следует выделить:

- применение для контактов тугоплавких металлов, сплавов, включая металлокерамику, (происходит уменьшение количества паров металла в дуге);

- увеличение «раствора» контактов (увеличивается величина пробивного напряжения между контакт-деталями);

- расположение контактов в среде с большой теплоемкостью или конвекцией (охлаждение дуги);

- применение дугогасительных устройств;

- расположение контактов в вакууме (минимизация количества заряженных частиц в дуге).

Почти все способы мы рассмотрели ранее, кроме специальных дугогасительных устройств, к которым относится магнитное и воздушное дутье с большой скоростью, воздействующие на столб дуги, а также дугогасительные камеры или решетки.

Магнитное и воздушное дутье вызывает перемещение столба дуги в пространстве и интенсивное охлаждение дуги. Если воздушное дутье приводит к увеличению давления в дуге и выдуванию дуги из под контактов, то магнитное дутье способствует перемещению дуги за счет действия выталкивающей силы «F» в магнитном поле на проводник, которым является сама дуга.

Рисунок 9 – Магнитное дутье

Для организации магнитного дутья используется либо постоянный магнит, либо электромагнит из нескольких витков, расположенный около размыкающих контактов.

Рисунок 10 – Дугогасительная проводящая решетка

На рисунке 10: 1 – неподвижный контакт; 2 – подвижный контакт; 3 – стальные пластины, образующие решетку; 4 – провода.

Дуга под действием электродинамических сил и нагретого воздуха затягивается в пространство между стальными пластинами и делится на ряд коротких дуг, интенсивно охлаждаемых. Одновременно уменьшается напряженность электрического поля между отдельными дугами.

Вместо стальных пластин решетка может быть набрана изоляционными пластинами, расположенными чуть выше контактов, где возможно возникновение дуги. Здесь дуга за счет нагретого воздуха затягивается в пространство между изоляционными пластинами и удлиняется, что тоже способствует охлаждению дуги. Одновременно происходит изолирование одной дуги от другой.