Procés de formació d'un arc elèctric i mètodes d'extinció

Quan s'obre el circuit elèctric, es produeix una descàrrega elèctrica en forma d'arc elèctric. Per a l'aparició d'un arc elèctric, n'hi ha prou que la tensió dels contactes sigui superior a 10 V amb un corrent en el circuit de l'ordre de 0,1 A o més. Amb tensions i corrents importants, la temperatura dins de l'arc pot arribar als 3-15 mil º C, com a resultat de la qual cosa es fonen els contactes i les parts actives.

A tensions de 110 kV i superiors, la longitud de l'arc pot arribar a diversos metres. Per tant, un arc elèctric, sobretot en circuits d'alta potència, per a tensions superiors a 1 kV és un gran perill, tot i que també es poden produir greus conseqüències en instal·lacions per a tensions inferiors a 1 kV. Com a resultat, l'arc s'ha de contenir tant com sigui possible i s'ha d'apagar ràpidament en circuits per a tensions superiors i inferiors a 1 kV.

Causes de l'arc elèctric

El procés de formació d'un arc elèctric es pot simplificar de la següent manera.Quan els contactes divergeixen, la pressió de contacte primer disminueix i la superfície de contacte augmenta en conseqüència, resistència a la transició (densitat i temperatura de corrent: comença el sobreescalfament local (en determinades zones de l'àrea de contacte), que contribueix encara més a la radiació termoiònica, quan, sota la influència de l'alta temperatura, la velocitat dels electrons augmenta i esclaten de la superfície de l'elèctrode.

En el moment de la separació del contacte, és a dir, el circuit es trenca, la tensió es restableix ràpidament a la bretxa de contacte. Com que en aquest cas la distància entre els contactes és petita, n'hi ha camp elèctric alta tensió sota la influència de la qual es retiren electrons de la superfície de l'elèctrode. S'acceleren en un camp elèctric i quan toquen un àtom neutre li donen la seva energia cinètica. Si aquesta energia és suficient per arrencar almenys un electró de la capa d'un àtom neutre, llavors té lloc el procés d'ionització.

Els electrons i ions lliures formats conformen el plasma del tronc de l'arc, és a dir, el canal ionitzat en el qual es crema l'arc i s'assegura un moviment continu de partícules. En aquest cas, les partícules carregades negativament, principalment electrons, es mouen en una direcció (cap a l'ànode), i els àtoms i molècules de gasos privats d'un o més electrons (partícules carregades positivament) en la direcció oposada (cap al càtode).

La conductivitat del plasma és propera a la dels metalls.

Un gran corrent flueix a l'eix de l'arc i es crea una temperatura elevada.Aquesta temperatura del cilindre d'arc condueix a la ionització tèrmica: el procés de formació d'ions a causa de la col·lisió de molècules i àtoms amb alta energia cinètica a altes velocitats del seu moviment (les molècules i els àtoms del medi on es crema l'arc es desintegren en electrons i positivament). ions carregats). La ionització tèrmica intensa manté una alta conductivitat del plasma. Per tant, la caiguda de tensió al llarg de l'arc és petita.

En un arc elèctric s'estan produint constantment dos processos: a més de la ionització, també la desionització d'àtoms i molècules. Aquest últim es produeix principalment per difusió, és a dir, la transferència de partícules carregades a l'entorn i la recombinació d'electrons i ions carregats positivament, que es tornen a reunir en partícules neutres amb el retorn de l'energia gastada en la seva desintegració. En aquest cas, la calor s'elimina a l'ambient.

Així, es poden distingir tres etapes del procés considerat: l'encesa de l'arc, quan a causa de la ionització per xoc i l'emissió d'electrons del càtode, s'inicia una descàrrega d'arc i la intensitat de la ionització és superior a la desionització, la combustió estable de l'arc suportada per ionització tèrmica al cilindre d'arc quan les intensitats d'ionització i desionització són les mateixes, desaparició de l'arc quan la intensitat de desionització és superior a la de la ionització.

Mètodes d'extinció de l'arc en dispositius elèctrics de commutació

Per desconnectar els elements del circuit elèctric i excloure danys al dispositiu de commutació, cal no només obrir els seus contactes, sinó també apagar l'arc que apareix entre ells. Els processos d'extinció d'arc, així com la crema, amb corrent altern i corrent continu són diferents.Això ve determinat pel fet que en el primer cas el corrent de l'arc passa per zero cada mig cicle. En aquests moments, l'alliberament d'energia a l'arc s'atura i l'arc s'apaga espontàniament i després es torna a encendre cada cop.

A la pràctica, el corrent a l'arc s'acosta a zero una mica abans que el pas del zero, perquè a mesura que el corrent disminueix, l'energia subministrada a l'arc disminueix i la temperatura de l'arc disminueix en conseqüència i la ionització tèrmica s'atura. En aquest cas, el procés de desionització continua intensament al buit de l'arc. Si obriu i obriu ràpidament els contactes en aquest moment, és possible que la interrupció elèctrica posterior no es produeixi i el circuit es desconnecti sense arc. A la pràctica, però, això és extremadament difícil de fer i, per tant, es prenen mesures especials per accelerar l'extinció de l'arc, assegurar el refredament de l'espai de l'arc i reduir el nombre de partícules carregades.

Com a resultat de la desionització, la rigidesa dielèctrica de la bretxa augmenta gradualment i, al mateix temps, augmenta la tensió de recuperació. La proporció d'aquests valors depèn de si l'arc de Sant Martí s'il·luminarà a la següent meitat del període o no. Si la rigidesa dielèctrica de la bretxa augmenta més ràpidament i és més gran que la tensió de recuperació, l'arc ja no s'encén, en cas contrari es proporcionarà un arc estable. La primera condició defineix el problema d'extinció de l'arc.

S'utilitzen diferents mètodes d'extinció de l'arc en els aparells de commutació.

Estenent l'arc

Si els contactes divergeixen durant la desconnexió del circuit elèctric, l'arc resultant s'estira.Al mateix temps, es milloren les condicions de refredament de l'arc perquè la seva superfície augmenta i es necessita més tensió per a la combustió.

Dividir un arc llarg en una sèrie d'arcs curts

Si l'arc que es forma quan els contactes s'obren es divideix en K arcs curts, per exemple tirant dins d'una reixeta metàl·lica, s'extingeix. Normalment, l'arc s'introdueix en una xarxa metàl·lica sota la influència d'un camp electromagnètic induït a les plaques de la xarxa per corrents de Foucault. Aquest mètode d'extinció d'arc s'utilitza àmpliament en aparells de commutació per a tensions inferiors a 1 kV, en particular en interruptors d'aire automàtics.

Refrigeració d'arc en ranures estretes

Es facilita l'extinció de petits arcs. Per tant, en dispositius de commutació Els canals d'arc amb ranures longitudinals s'utilitzen àmpliament (l'eix d'aquesta ranura coincideix en direcció amb l'eix del cilindre d'arc). Aquest buit es forma normalment en cambres fetes de materials aïllants resistents a l'arc. A causa del contacte de l'arc amb superfícies fredes, es produeix el seu refredament intens, la difusió de partícules carregades a l'entorn i, en conseqüència, una ràpida desionització.

A més de les ranures amb parets planes-paral·leles, també s'utilitzen ranures amb costelles, sortints, extensions (butxaques). Tot això condueix a la deformació del cilindre d'arc i augmenta l'àrea de contacte amb les parets fredes de la cambra.

L'arc es dibuixa en ranures estretes, normalment per un camp magnètic que interacciona amb l'arc, que es pot considerar com un conductor de corrent.

Extern camp magnètic per moure l'arc és proporcionat més sovint per una bobina connectada en sèrie amb els contactes entre els quals es produeix l'arc.L'extinció de l'arc de ranura estreta s'utilitza en dispositius per a totes les tensions.

Extinció d'arc d'alta pressió

A temperatura constant, el grau d'ionització del gas disminueix amb l'augment de la pressió, mentre que la conductivitat tèrmica del gas augmenta. En igualtat de coses, això es tradueix en una millor refrigeració de l'arc. L'extinció de l'arc per alta pressió, creada pel propi arc en cambres tancades hermèticament, s'utilitza àmpliament en fusibles i una sèrie d'altres dispositius.

Extinció de l'arc en oli

Si commutació de contactes col·locats en oli, l'arc que es produeix quan s'obren provoca una intensa evaporació de l'oli. Com a resultat, es forma una bombolla de gas (embolcall) al voltant de l'arc, que consisteix principalment en hidrogen (70 ... 80%), així com vapor d'oli. Els gasos emesos penetren directament a la zona del cilindre d'arc a gran velocitat, provoquen la barreja de gas fred i calent a la bombolla, proporcionen un refredament intensiu i, en conseqüència, la desionització de l'espai de l'arc. A més, la capacitat desionitzant dels gasos augmenta la pressió dins de la bombolla creada durant la ràpida descomposició del petroli.

La intensitat del procés d'extinció de l'arc a l'oli és més gran com més a prop entra en contacte l'arc amb l'oli i més ràpid es mou l'oli en relació a l'arc. Tenint en compte això, la bretxa d'arc està limitada per un dispositiu aïllant tancat - canal d'arc... En aquestes cambres, es crea un contacte més estret de l'oli amb l'arc i, amb l'ajuda de plaques aïllants i forats de descàrrega, es formen canals de treball. a través del qual el moviment de petroli i gasos, proporcionant una explosió intensiva (explosió) de l'arc.

Canals d'arc segons el principi de funcionament, es divideixen en tres grups principals: amb autobufat, quan es creen una pressió alta i velocitat de moviment de gas a la zona de l'arc a causa de l'energia alliberada a l'arc, amb bufat forçat d'oli amb l'ajuda de mecanismes hidràulics de bombeig especials, amb extinció magnètica en oli, quan l'arc està sota l'acció del camp magnètic, es mou a espais estrets.

Els canals d'arc autoinflables més eficaços i senzills... Segons la ubicació dels canals i les obertures d'escapament, es distingeixen cambres en les quals es bufa intensament la barreja de gas-vapor i oli al llarg del corrent de l'arc (buf longitudinal) o a través de l'arc (bufat transversal) es proporciona). Els mètodes d'extinció d'arc considerats s'utilitzen àmpliament en interruptors automàtics per a tensions superiors a 1 kV.

Altres mètodes d'extinció de l'arc en dispositius per a tensions superiors a 1 kV

A més dels mètodes anteriors d'extinció de l'arc, també utilitzen: aire comprimit, el flux del qual bufa l'arc al llarg o a través, assegurant el seu refredament intens (en lloc d'aire, s'utilitzen altres gasos, sovint obtinguts a partir de la generació de gas sòlid). materials (fibres, plàstic vinílic, etc.) a costa de la seva descomposició pel propi arc de combustió), SF6 (hexafluorur de sofre), que té una força elèctrica superior a l'aire i l'hidrogen, com a conseqüència de la qual cosa l'arc que crema en aquest gas, fins i tot a pressió atmosfèrica, s'extingeix ràpidament, gas molt enrarit (buit) quan s'obren els contactes, en el qual l'arc fa no s'encén (s'apaga) després del primer pas del corrent per zero.