Postopek nastajanja električnega obloka in načini njegovega gašenja

Ko se električni krog odpre, nastane električna razelektritev v obliki električnega obloka. Za pojav električnega obloka je dovolj, da je napetost kontaktov nad 10 V pri toku v tokokrogu reda 0,1 A ali več. Pri znatnih napetostih in tokovih lahko temperatura znotraj obloka doseže 3-15 tisoč ° C, zaradi česar se kontakti in deli pod napetostjo stopijo.

Pri napetostih 110 kV in več lahko dolžina loka doseže nekaj metrov. Zato je električni oblok, zlasti v močnostnih tokokrogih, za napetosti nad 1 kV velika nevarnost, resne posledice pa so lahko tudi v napeljavah za napetosti pod 1 kV. Posledično je treba v tokokrogih za napetosti nad in pod 1 kV čim bolj omejiti oblok in ga hitro ugasniti.

Vzroki za električni oblok

Postopek tvorjenja električnega obloka je mogoče poenostaviti na naslednji način.Ko se kontakti razhajajo, se kontaktni tlak najprej zmanjša, kontaktna površina pa se ustrezno poveča, prehodna odpornost (gostota toka in temperatura — lokalno (na določenih območjih kontaktnega območja) se začne pregrevanje, kar še dodatno prispeva k termionskemu sevanju, ko se pod vplivom visoke temperature poveča hitrost elektronov in ti izbruhnejo s površine elektrode.

V trenutku ločitve kontakta, to je prekinitve tokokroga, se napetost hitro obnovi v kontaktni reži. Ker je v tem primeru razdalja med kontakti majhna, obstaja električno polje visoka napetost, pod vplivom katere se elektroni umaknejo s površine elektrode. Pospešijo se v električnem polju in ko zadenejo nevtralni atom, mu predajo svojo kinetično energijo. Če ta energija zadošča za odtrganje vsaj enega elektrona od lupine nevtralnega atoma, potem pride do procesa ionizacije.

Nastali prosti elektroni in ioni tvorijo plazmo debla obloka, to je ionizirani kanal, v katerem gori oblok in je zagotovljeno neprekinjeno gibanje delcev. V tem primeru se negativno nabiti delci, predvsem elektroni, gibljejo v eni smeri (proti anodi), atomi in molekule plinov, prikrajšani za enega ali več elektronov - pozitivno nabiti delci - pa v nasprotni smeri (proti katodi).

Prevodnost plazme je blizu prevodnosti kovin.

V gredi obloka teče velik tok in nastane visoka temperatura.Ta temperatura cilindra obloka vodi do toplotne ionizacije - procesa nastajanja ionov zaradi trka molekul in atomov z visoko kinetično energijo pri visokih hitrostih njihovega gibanja (molekule in atomi medija, kjer gori oblok, razpadejo na elektrone in pozitivno nabiti ioni). Intenzivna toplotna ionizacija ohranja visoko prevodnost plazme. Zato je padec napetosti vzdolž obloka majhen.

V električnem obloku nenehno potekata dva procesa: poleg ionizacije tudi deionizacija atomov in molekul. Slednje poteka predvsem z difuzijo, to je prenosom nabitih delcev v okolje ter rekombinacijo elektronov in pozitivno nabitih ionov, ki se ponovno sestavijo v nevtralne delce z vračanjem energije, porabljene za njihov razpad. V tem primeru se toplota odvaja v okolje.

Tako lahko ločimo tri stopnje obravnavanega procesa: vžig obloka, ko se zaradi udarne ionizacije in emisije elektronov iz katode začne praznjenje obloka in je intenzivnost ionizacije višja od deionizacije, stabilno gorenje obloka, ki ga podpira toplotna ionizacija v valju obloka, ko sta intenziteti ionizacije in deionizacije enaki, izginotje obloka, ko je intenziteta deionizacije večja od intenzivnosti ionizacije.

Metode gašenja obloka v električnih stikalnih napravah

Če želite odklopiti elemente električnega tokokroga in preprečiti poškodbe stikalne naprave, je potrebno ne samo odpreti njene kontakte, temveč tudi ugasniti oblok, ki se pojavi med njimi. Postopki gašenja obloka, pa tudi gorenja, z izmeničnim in enosmernim tokom se razlikujejo.To je določeno z dejstvom, da v prvem primeru tok v obloku prehaja skozi ničlo vsakih pol ciklov. V tem času se sproščanje energije v obloku ustavi in ​​oblok spontano ugasne ter se vsakič znova vžge.

V praksi se tok v obloku približa ničle nekoliko prej kot prehod skozi ničlo, ker se z zmanjševanjem toka energija, dovedena v oblok, zmanjša, zato se temperatura obloka ustrezno zmanjša in toplotna ionizacija preneha. V tem primeru se proces deionizacije intenzivno nadaljuje v obločni reži. Če v tem trenutku odprete in hitro odprete kontakte, potem morda ne bo prišlo do naknadne električne prekinitve in tokokrog bo odklopljen brez iskrenja. V praksi pa je to izjemno težko izvedljivo, zato se izvajajo posebni ukrepi za pospešitev gašenja obloka, zagotavljanje hlajenja obločnega prostora in zmanjšanje števila nabitih delcev.

Zaradi deionizacije se dielektrična trdnost reže postopoma povečuje, hkrati pa se v njej povečuje povratna napetost. Razmerje teh vrednosti je odvisno od tega, ali bo mavrica zasvetila v naslednji polovici obdobja ali ne. Če dielektrična trdnost reže narašča hitreje in je večja od obnovitvene napetosti, se oblok ne bo več vžgal, sicer bo zagotovljen stabilen oblok. Prvi pogoj definira problem gašenja obloka.

V stikalnih napravah se uporabljajo različne metode gašenja obloka.

Podaljšanje loka

Če se kontakti med odklopom električnega tokokroga razhajajo, se nastali lok raztegne.Hkrati se izboljšajo pogoji hlajenja obloka, ker se njegova površina poveča in je za gorenje potrebna večja napetost.

Razdelitev dolgega loka na niz kratkih lokov

Če oblok, ki nastane ob odpiranju kontaktov, razdelimo na K kratkih lokov, na primer s potegom v kovinsko mrežo, bo ugasnil. Običajno se oblok vnese v kovinsko mrežo pod vplivom elektromagnetnega polja, ki ga v mrežnih ploščah inducirajo vrtinčni tokovi. Ta metoda gašenja obloka se pogosto uporablja v stikalnih napravah za napetosti pod 1 kV, zlasti v avtomatskih zračnih stikalih.

Hlajenje obloka v ozkih režah

Olajšano je gašenje majhnih oblokov. Zato v stikalne naprave široko se uporabljajo žlebovi z vzdolžnimi režami (os takšne reže sovpada v smeri z osjo cilindra loka). Takšna reža se običajno oblikuje v komorah iz izolacijskih materialov, odpornih na oblok. Zaradi stika obloka s hladnimi površinami pride do njegovega intenzivnega hlajenja, difuzije nabitih delcev v okolju in s tem do hitre deionizacije.

Poleg utorov z ravno vzporednimi stenami se uporabljajo tudi utori z rebri, izboklinami, podaljški (žepi). Vse to vodi do deformacije cilindra obloka in poveča površino njegovega stika s hladnimi stenami komore.

Oblok vleče v ozke reže običajno magnetno polje, ki medsebojno deluje z oblokom, ki si ga lahko predstavljamo kot prevodnik, po katerem teče tok.

Zunanji magnetno polje za premikanje obloka najpogosteje zagotavlja tuljava, ki je zaporedno povezana s kontakti, med katerimi se pojavi oblok.Gašenje obloka z ozko režo se uporablja v napravah za vse napetosti.

Gašenje visokotlačnega obloka

Pri konstantni temperaturi stopnja ionizacije plina pada z naraščanjem tlaka, medtem ko se toplotna prevodnost plina povečuje. Če so vsi drugi pogoji enaki, to povzroči izboljšano hlajenje obloka. Gašenje obloka z visokim pritiskom, ki ga ustvarja oblok sam v tesno zaprtih komorah, se pogosto uporablja v varovalkah in številnih drugih napravah.

Gašenje obloka v olju

če preklapljanje kontaktov v olju, oblok, ki nastane, ko se odprejo, vodi do intenzivnega izhlapevanja olja. Posledično se okoli obloka oblikuje plinski mehurček (ovojnica), ki je sestavljen predvsem iz vodika (70 ... 80%), pa tudi oljnih hlapov. Izpuščeni plini z veliko hitrostjo prodrejo neposredno v območje obločnega cilindra, povzročijo mešanje hladnega in vročega plina v mehurčku, zagotovijo intenzivno hlajenje in s tem deionizacijo obločne reže. Poleg tega deionizirajoča sposobnost plinov poveča tlak v mehurčku, ki nastane med hitrim razkrojem olja.

Intenzivnost procesa gašenja obloka v olju je tem višja, čim bližje je oblok v stiku z oljem in čim hitreje se olje giblje glede na oblok. Glede na to je obločna reža omejena z zaprto izolacijsko napravo - obločnim žlebom ... V teh komorah se ustvari tesnejši stik olja z oblokom, s pomočjo izolacijskih plošč in izpustnih lukenj pa se oblikujejo delovni kanali. skozi katerega poteka gibanje olja in plinov, kar zagotavlja intenzivno izpihovanje (izpihovanje) loka.

Obločne žlebove po principu delovanja delimo v tri glavne skupine: s samopihanjem, ko se v območju obloka zaradi energije, ki se sprošča v obloku, ustvari visok tlak in hitrost gibanja plina, z prisilno pihanje olja s pomočjo posebnih črpalnih hidravličnih mehanizmov, z magnetnim gašenjem v olju, ko je oblok pod vplivom magnetnega polja, se premakne v ozke reže.

Najbolj učinkoviti in enostavni samonapihljivi obločni kanali... Glede na lokacijo kanalov in izpušnih odprtin ločimo komore, v katerih poteka intenzivno vpihovanje plinsko-parne mešanice in olja vzdolž toka obloka (vzdolžno vpihovanje) oz. skozi lok (zagotovljeno je prečno pihanje). Obravnavani načini gašenja obloka se pogosto uporabljajo v odklopnikih za napetosti nad 1 kV.

Drugi načini gašenja obloka v napravah za napetost nad 1 kV

Poleg zgornjih načinov gašenja obloka uporabljajo tudi: stisnjen zrak, katerega tok razpihuje oblok vzdolž ali počez, kar zagotavlja njegovo intenzivno hlajenje (namesto zraka se uporabljajo drugi plini, pogosto pridobljeni iz trdnih plinov). materiali — vlakna, vinilna plastika itd. — na račun njihove razgradnje s samim gorečim oblokom), SF6 (žveplov heksafluorid), ki ima večjo električno trdnost kot zrak in vodik, zaradi česar oblok, ki gori v tem plinu, tudi pri atmosferskem tlaku hitro ugasne, zelo redek plin (vakuum) ob odpiranju kontaktov, v katerem oblok ne ne vžge (ugasne) po prvem prehodu toka skozi ničlo.