Способы гашения дуги
Министерство Образования Российской
Федерации
Пермский Химико Технологический
Техникум
РЕФЕРАТ
по специальности "Ремонт и
техническая эксплуатация электротехнических, электромеханический
устройств"
на тему:
"Способы гашения дуги"
Выполнил: студент Быков В.Н
Руководитель: Деткин Д.В
Пермь 2012
Введение
Способы гашения электрической дуги… Тема актуальна и интересна. Итак
начнем. Задаемся вопросами: Что такое электрическая дуга? Как её
контролировать? Какие процессы происходят при её образовании? Из чего она
состоит? И как выглядит.
Что такое электрическая дуга?
Электрическая
дуга (Вольтова дуга, Дуговой разряд)
- физическое явление, один из видов электрического разряда в газе. Впервые была
описана в 1802 году
<#"554648.files/image001.gif">
Рис. 1. Направление движения электронов и положительных ионов в
электрической дуге (о), возникновение автоэлектронной эмиссии из катода (б) и
ударной ионизации атомов газа в пространстве между контактами (в): 1,2 -
первичные и вторичный электроны; 3- атом газа; 4 - положительный ион
При соприкосновении со стенками камеры, в которой находятся контакты,
дуга охлаждается, что. приводит к усилению деиони-зации. Деионизация происходит
также в результате движения заряженных частиц из центральных областей дуги с
более высокой концентрацией в периферийные области с низкой концентрацией. Этот
процесс называется диффузией электронов и положительных ионов.
Зону горения дуги условно делят на три участка: катодную зону, ствол дуги
и анодную зону. В катодной зоне происходит интенсивная эмиссия электронов из
отрицательного контакта, падение напряжения в этой зоне составляет около 10 В.
В стволе дуги образуется плазма с приблизительно одинаковой концентрацией
электронов и положительных ионов. Поэтому в каждый момент времени суммарный заряд
положительных ионов плазмы компенсирует суммарный отрицательный заряд ее
электронов. Большая концентрация заряженных частиц в плазме и отсутствие в ней
электрического заряда обусловливают высокую электропроводность ствола дуги,
которая близка к электропроводности металлов. Падение напряжения в стволе дуги
приблизительно пропорционально ее длине. Анодная зона заполнена, главным
образом, электронами, подходящими из ствола дуги к положительному контакту.
Падение напряжения в этой зоне зависит от тока в дуге и размеров положительного
контакта. Суммарное падение напряжения в дуге составляет 15-30 В.
Зависимость падения напряжения Uдг, действующего между контактами, от
тока I, проходящего через электрическую дугу, называется вольт-амперной
характеристикой дуги (рис. 2,а). Напряжение Uз, при котором возможно зажигание
дуги при токе I = 0, называется напряжением зажигания. Значение напряжения
зажигания определяется материалом контактов, расстоянием между ними,
температурой и окружающей средой.
Рис. 2. Вольт-амперные характеристики дуги постоянного тока (а) и кривые
изменения напряжения и тока (б) при горении дуги переменного тока
После возникновения электрической дуги ее ток увеличивается до значения,
близкого к току нагрузки, который протекал через контакты до отключения. При
этом сопротивление межконтактного промежутка падает быстрее, чем увеличивается
ток, что приводит к уменьшению падения напряжения Uдг. Режим горения дуги,
соответствующий кривой а, называется статическим.
Вольт-амперные характеристики b - d, полученные при быстром изменении
тока до нуля, называются динамическими. Для каждого межконтактного промежутка,
материала электродов и среды имеются одна статическая характеристика дуги и
множество динамических, заключенных между кривыми а и d.
При горении дуги переменного тока в течение каждого полупериода имеют
место такие же физические процессы, что и в дуге постоянного тока. В начале
полупериода напряжение на дуге возрастает по синусоидальному закону до значения
напряжения зажигания Uз - участок 0-а (рис. 2,б), а затем после возникновения
дуги падает по мере возрастания тока - участок а - b. Во вторую часть
полупериода, когда ток начинает снижаться, напряжение на дуге вновь возрастает
до значения напряжения гашения Uг при спаде тока до нуля - участок b - с.
В течение следующего полупериода напряжение меняет знак и по
синусоидальному закону возрастает до значения напряжения зажигания,
соответствующего точке а’ вольт-амперной характеристики. По мере роста тока
напряжение снижается, а затем вновь повышается при снижении тока. Кривая
напряжения дуги, как видно из рис. 2, б, имеет форму срезанной синусоиды.
Процесс деионизации заряженных частиц в промежутке между контактами
продолжается лишь незначительную долю периода (участки 0 - а и с -а’) и, как
правило, за это время не заканчивается, в результате чего дуга возникает снова.
Окончательное гашение дуги будет иметь место только после ряда повторных
зажиганий во время одного из последующих переходов тока через нуль.
Возобновление дуги после перехода тока через нуль объясняется тем, что
после спада тока к нулевому значению ионизация, существующая в стволе дуги,
исчезнет не сразу, так как она зависит от температуры плазмы в остаточном
стволе дуги. По мере уменьшения температуры возрастает электрическая прочность
межконтактного промежутка. Однако если в какой-то момент времени мгновенное
значение приложенного напряжения будет больше пробивного напряжения промежутка,
то произойдет его пробой, возникнет дуга и потечет ток другой полярности.
Условия гашения дуги. Условия гашения дуги постоянного тока зависят не
только от ее вольт-амперной характеристики, но и от параметров электрической
цепи (напряжение, ток, сопротивление и индуктивность), которую включают и
отключают контакты аппарата. На рис. 305, а показана вольт-амперная
характеристика дуги
Рис. 3. Вольт-амперные характеристики дуги при устойчивом горении (а) и
гашении (б) (кривая 1) и зависимость падения напряжения на резисторе R,
включенном в данную цепь (прямая 2).
В установившемся режиме напряжение Uи источника тока равно сумме падений
напряжения в дуге Uдг и IR на резисторе R. При изменении тока в цепи к ним
добавляется э. д. с. самоиндукции ±eL (изображена заштрихованными ординатами).
Длительное горение дуги возможно только в режимах, соответствующих точкам А и
В, когда напряжение Uи - IR, приложенное к промежутку между контактами, равно
падению напряжения Uдг. При этом в режиме, соответствующем точке А, горение
дуги неустойчиво. Если при горении дуги в этой точке характеристики ток по
каким-то причинам увеличился, то напряжение Uдг станет меньше приложенного
напряжения Uи - IR. Избыток приложенного напряжения вызовет увеличение тока,
который будет расти до тех пор, пока не достигнет значения Iв.
Если в режиме, соответствующем точке А, ток уменьшится, приложенное
напряжение Uи - IR станет меньше Uдг и ток будет продолжать уменьшаться, пока
дуга не погаснет. В режиме, соответствующем точке В, дуга горит устойчиво. При
увеличении тока свыше Iв падение напряжения в дуге Uдг станет больше
приложенного напряжения Uи - IR и ток начнет уменьшаться. Когда ток в цепи
станет меньше Iв, приложенное напряжение Uи - IR станет больше Uдг и ток начнет
увеличиваться.
Очевидно, чтобы обеспечить гашение дуги во всем заданном диапазоне изменения
тока I от наибольшего значения до нуля при отключении цепи, нужно, чтобы
вольт-амперная характеристика 1 располагалась выше прямой 2 для отключаемой
цепи (рис. 305,б). При этом условии падение напряжения в дуге Uдг будет всегда
больше приложенного к ней напряжения Uи - IR и ток в цепи будет уменьшаться.
Основным средством повышения падения напряжения в дуге является
увеличение длины дуги. При размыкании цепей низкого напряжения со сравнительно
небольшими токами гашение обеспечивается соответствующим выбором раствора
контактов, между которыми возникает дуга. В этом случае дуга гаснет без
каких-либо дополнительных устройств.
Для контактов, разрывающих силовые цепи, необходимая для гашения длина
дуги настолько велика, что практически осуществить такой раствор контактов уже
не представляется возможным. В таких электрических аппаратах устанавливают
специальные дугогасительные устройства.
Дугогасительные устройства. Способы гашения дуги могут быть различные, но
все они основываются на следующих принципах: принудительное удлинение дуги;
охлаждение межконтактного промежутка посредством воздуха, паров или газов;
разделение дуги на ряд отдельных коротких дуг.
При удлинении дуги и удалении ее от контактов происходит увеличение
падения напряжения в столбе дуги и напряжение, приложенное к контактам,
становится недостаточным для поддержания дуги.
Рис. 4. Дугогасительное устройство с защитными рогами (а) и гашение дуги
(б)
Охлаждение межконтактного промежутка вызывает повышенную теплоотдачу
столба дуги в окружающее пространство, вследствие чего заряженные частицы,
перемещаясь из внутренней части дуги на ее поверхность, ускоряют процесс
деионизации.
Разделение дуги на ряд отдельных коротких дуг приводит к повышению
суммарного падения напряжения в них и приложенное к контактам напряжение
становится недостаточным для устойчивого поддерживания дуги, поэтому происходит
ее гашение.
Принцип гашения путем удлинения дуги используется в аппаратах с защитными
рогами и в рубильниках. Электрическая дуга, возникающая между контактами 1 и 2
(рис. 4, а) при их размыкании, поднимается вверх под действием силы FB,
создаваемой потоком нагретого ею воздуха, растягивается и удлиняется на
расходящихся неподвижных, рогах, что приводит к ее гашению. Удлинению и гашению
дуги способствует также электродинамическое усилие создаваемое в результате
взаимодействия тока дуги с возникающим вокруг нее магнитным полем. При этом
дуга ведет себя как проводник с током, находящийся в магнитном поле (рис. 5,
а), которое, как было показано в главе III, стремится вытолкнуть его из
пределов поля.
Для увеличения электродинамического усилия Fэ, действующего на дугу, в
цепь одного из контактов 1 в ряде случаев включают специальную дугогасительную
катушку 2 (рис. 5,б), создающую в зоне дугообразования сильное магнитное поле,
магнитный поток которого Ф, взаимодействуя с током I дуги, обеспечивает
интенсивное выдувание и гашение дуги. Быстрое перемещение дуги по рогам 3, 4
вызывает ее интенсивное охлаждение, что также способствует ее деионизации в
камере 5 и гашению.
Рис. 5. Принцип магнитного дутья (а) и дугогасительное устройство с
дугогасительной катушкой (б)
Рис. 6. Дугогасительные камеры
В некоторых аппаратах применяют методы принудительного охлаждения и
растягивания дуги сжатым воздухом или другим газом.
При размыкании контактов 1 и 2 (см. рис. 4, б) возникшая дуга охлаждается
и выдувается из зоны контактов струей сжатого воздуха или газа с силой FB.
Эффективным средством охлаждения электрической дуги с последующим ее
гашением являются дугогасительные камеры различной конструкции (рис. 6).
Электрическая дуга под действием магнитного поля, потока воздуха или иными
средствами загоняется в узкие щели или лабиринт камеры (рис. 6, а и б), где она
тесно соприкасается с ее стенками 1, перегородками 2, отдает им тепло и гаснет.
Широкое применение в электрических аппаратах э. п. с. находят
лабиринтно-щелевые камеры, где дуга удлиняется не только путем растягивания
между контактами, но и путем ее зигзагообразного искривления между
перегородками камеры (рис. 6, в). Узкая щель 3 между стенками камеры
способствует охлаждению и деионизации дуги.
Заключение
Мы разобрали интересную тему. И сделали соответствующие выводы, в том
дуга это физическое явление. Явление полезное, в тоже время может быть и
опасной. При использовании или столкновением с этим явлением нужно быть
осторожым, соблюдать правила эксплуатации и соблюдать меры безопастности.
Литература
electrono.ru, forca.ru, Wikipedia.ru, electron.ru,
учебник «Электрические машины» Кацман М.М,
Электрический привод Москаленко.