Что такое дуга? | Дуга в выключателе

Прежде чем рассматривать подробности технологий гашения дуги или потушенной дуги, используемых в выключателе, нам следует сначала узнать, что такое дуга.

Что такое дуга?

При открытии контактов, проводящих ток, в выключателе среда между открывающимися контактами становится сильно ионизированной, через которую прерываемый ток получает путь с низким сопротивлением и продолжает протекать по этому пути, даже если контакты физически разделены. Во время протекания тока от одного контакта к другому путь становится настолько нагретым, что начинает светиться. Это называется дугой.

Дуга в выключателе

Когда под нагрузкой контакты выключателя открываются, между разъединенными контактами устанавливается дуга в выключателе.

Пока эта дуга сохраняется между контактами, ток через выключатель не будет прерван окончательно, поскольку сама дуга является проводящим путем для электричества. Для полного прерывания тока необходимо как можно быстрее погасить дугу. Основным критерием проектирования выключателя является предоставление соответствующей технологии гашения дуги в выключателе, чтобы обеспечить быстрое и безопасное прерывание тока. Поэтому, прежде чем рассматривать различные технологии гашения дуги, применяемые в выключателе, следует попытаться понять, что такое дуга и основная теория дуги в выключателе, давайте обсудим.

Тепловая ионизация газа

В газе при комнатной температуре всегда присутствует некоторое количество свободных электронов и ионов из-за ультрафиолетовых лучей, космических лучей и радиоактивности Земли. Эти свободные электроны и ионы настолько малочисленны, что их недостаточно для поддержания проводимости электричества. Молекулы газа движутся случайным образом при комнатной температуре. Установлено, что молекула воздуха при температуре 300oK (комнатная температура) движется случайным образом со средней скоростью около 500 метров/секунду и сталкивается с другими молекулами со скоростью 1010 раз/секунду.

Эти случайно движущиеся молекулы сталкиваются друг с другом очень часто, но кинетическая энергия молекул недостаточна, чтобы извлечь электрон из атомов молекул. Если температура повышается, воздух нагревается, и, следовательно, скорость молекул увеличивается. Более высокая скорость означает более сильное воздействие при межмолекулярных столкновениях. В этом случае некоторые молекулы распадаются на атомы. Если температура воздуха еще больше повышается, многие атомы теряют валентные электроны, и газ становится ионизированным. Тогда этот ионизированный газ может проводить электричество благодаря достаточному количеству свободных электронов. Это состояние любого газа или воздуха называется плазмой. Этот феномен называется тепловой ионизацией газа.

Ионизация вследствие столкновения электронов

Как мы уже обсуждали, в воздухе или газе всегда присутствуют некоторые свободные электроны и ионы, но их недостаточно для проводимости электричества. Когда эти свободные электроны встречаются с сильным электрическим полем, они направляются к точкам с более высоким потенциалом в поле и приобретают достаточно высокую скорость. Другими словами, электроны ускоряются в направлении электрического поля из-за высокого градиента потенциала. Во время своего движения эти электроны сталкиваются с другими атомами и молекулами воздуха или газа и извлекают валентные электроны из их орбит.

После извлечения из родительских атомов, электроны также будут двигаться в направлении того же электрического поля из-за градиента потенциала. Эти электроны аналогично столкнутся с другими атомами и создадут еще больше свободных электронов, которые также будут направлены вдоль электрического поля. Из-за этого конъюнктивного действия количество свободных электронов в газе станет таким большим, что газ начнет проводить электричество. Этот феномен известен как ионизация газа вследствие столкновения электронов.

Дезионизация газа

Если все причины ионизации газа устранены из ионизированного газа, он быстро возвращается в свое нейтральное состояние за счет рекомбинации положительных и отрицательных зарядов. Процесс рекомбинации положительных и отрицательных зарядов известен как процесс дезионизации. При дезионизации за счет диффузии, отрицательные ионы или электроны и положительные ионы перемещаются к стенкам под влиянием градиентов концентрации, тем самым завершая процесс рекомбинации.

Роль дуги в выключателе

Когда два контакта, проводящие ток, только что открываются, дуга перекрывает зазор между контактами, через который ток получает путь с низким сопротивлением, поэтому не происходит внезапного прерывания тока. Поскольку нет резкого изменения тока при открытии контактов, в системе не возникает никаких аномальных переходных напряжений. Если i — это ток, текущий через контакты перед их открытием, L — индуктивность системы, переходное напряжение при открытии контактов может быть выражено как V = L.(di/dt), где di/dt — скорость изменения тока по времени при открытии контактов. В случае переменного тока дуга временно гаснет при каждом нуле тока. После каждого нуля тока среда между разделенными контактами снова ионизируется в следующем цикле тока, и дуга в выключателе восстанавливается. Для полного и успешного прерывания необходимо предотвратить повторную ионизацию между разделенными контактами после нуля тока.

Если дуга в выключателе отсутствует при открытии контактов, проводящих ток, произойдет внезапное и резкое прерывание тока, которое вызовет огромное переходное напряжение, достаточное, чтобы сильно нагружать изоляцию системы. С другой стороны, дуга обеспечивает постепенный, но быстрый, переход от состояния проводимости тока к состоянию прерывания тока.

Теория прерывания, гашения или потушения дуги

Характеристики дугового столба

При высокой температуре заряженные частицы в газе быстро и случайно движутся, но в отсутствие электрического поля нет нетто-движения. Когда в газе применяется электрическое поле, заряженные частицы приобретают дрейфовую скорость, которая добавляется к их случайным тепловым движениям. Дрейфовая скорость пропорциональна градиенту напряжения поля и подвижности частиц. Подвижность зависит от массы частицы, более тяжелые частицы имеют меньшую подвижность. Подвижность также зависит от средних свободных путей, доступных в газе для случайного движения частиц. Каждый раз, когда частица сталкивается, она теряет свою направленную скорость и должна быть снова ускорена в направлении электрического поля. Таким образом, общая подвижность частиц снижается. Если газ находится под высоким давлением, он становится плотнее, и, следовательно, молекулы газа приближаются друг к другу, что приводит к более частым столкновениям, снижая подвижность частиц. Общий ток, создаваемый заряженными частицами, прямо пропорционален их подвижности. Следовательно, подвижность заряженных частиц зависит от температуры, давления газа и его природы. Снова, подвижность частиц газа определяет степень ионизации газа.

Таким образом, из вышеизложенного можно сказать, что процесс ионизации газа зависит от природы газа (более тяжелых или легких частиц), давления газа и его температуры. Как мы уже говорили, интенсивность дугового столба зависит от наличия ионизированной среды между разделенными электрическими контактами, поэтому особое внимание должно уделяться уменьшению ионизации или увеличению дезионизации среды между контактами. Именно поэтому основной элемент проектирования выключателя заключается в обеспечении различных методов контроля давления, охлаждения для различных дуговых сред между контактами выключателя.

Теплопотери от дуги

Теплопотери от дуги в выключателе происходят через теплопроводность, конвекцию, а также излучение. В выключателе с простым разрывом дуги в масле, дуге в желобах или узких слотах практически все теплопотери происходят за счет теплопроводности. В выключателе с воздушным потоком или в выключателе, где между электрическими контактами есть поток газа, теплопотери плазмы дуги происходят за счет конвективного процесса. При нормальном давлении излучение не является значительным фактором, но при высоком давлении излучение может стать важным фактором рассеяния тепла от плазмы дуги. При открытии электрических контактов, дуга в выключателе возникает и гаснет при каждом переходе тока через ноль, а затем снова восстанавливается в следующем цикле. Окончательное гашение или потушение дуги в выключателе достигается за счет быстрого увеличения диэлектрической прочности в среде между контактами, так что восстановление дуги после перехода через ноль невозможно. Это быстрое увеличение диэлектрической прочности между контактами выключателя достигается либо путем дезионизации газа в дуговой среде, либо заменой ионизированного газа холодным и свежим газом.
Существуют различные процессы дезионизации, применяемые для потушения дуги в выключателе, давайте кратко рассмотрим их.

Дезионизация газа вследствие увеличения давления

Если давление в дуговом канале увеличивается, плотность ионизированного газа возрастает, что означает, что частицы в газе приближаются друг к другу, и, следовательно, средний свободный путь частиц уменьшается. Это увеличивает частоту столкновений, и, как мы уже обсуждали, при каждом столкновении заряженные частицы теряют свою направленную скорость вдоль электрического поля и снова ускоряются в направлении поля. Можно сказать, что общая подвижность заряженных частиц снижается, поэтому напряжение, необходимое для поддержания дуги, увеличивается. Другой эффект увеличенной плотности частиц — это более высокая скорость дезионизации газа вследствие рекомбинации противоположно заряженных частиц.

Дезионизация газа вследствие снижения температуры