Способы гашения дуги постоянного тока в аппаратах низкого напряжения

Гашение электрической дуги в коммутационной аппаратуре

Отключение элементов электрической цепи должно производиться очень осторожно, без повреждений коммутационной аппаратуры. Одного лишь размыкания контактов будет недостаточно, требуется правильно погасить дугу, возникающую между ними

Процессы горения и гашения дуги существенно различаются между собой в зависимости от использования в сети постоянного или переменного тока. Если с постоянным током нет особых проблем, то при наличии переменного тока следует учитывать ряд факторов. Прежде всего, ток дуги проходит нулевую отметку на каждом полупериоде. В этот момент прекращается выделение энергии, в результате дуга самопроизвольно гаснет, и вновь загорается. На практике ток приближается к нулю еще до перехода через нулевую отметку. Это связано со снижением тока и уменьшением энергии, подводимой к дуге.

Соответственно понижается и ее температура, что вызывает прекращение термической ионизации. В самом промежутке дуги происходит интенсивная деионизация. Если в этот момент сделать быстрое размыкание и разводку контактов, то пробоя может и не случиться, цепь отключится без появления дуги.

На практике создать подобные идеальные условия очень сложно. В связи с этим были разработаны специальные мероприятия по ускоренному гашению дуги. Различные технические решения позволяют быстро охладить дуговой промежуток и снизить количество заряженных частиц. В результате, наступает постепенное увеличение электрической прочности данного промежутка и одновременный рост на нем восстанавливающего напряжения.

Обе величины находятся в зависимости между собой и влияют на зажигание дуги в очередном полупериоде. Если электрическая прочность превысит восстанавливающее напряжение, то дуга уже не загорится. В противном случае она будет устойчиво гореть.

Основные способы гашения дуги

Довольно часто используется метод удлинения дуги, когда в процессе расхождения контактов при отключении цепи происходит ее растяжение (рис.1). За счет увеличения поверхности условия охлаждения существенно улучшаются, а для поддержки горения требуется большее значение напряжения.

Гашение дуги в масле

Если контакты выключателя помещены в масло, то возникающая при их размыкании дуга приводит к интенсивному испарению масла. В результате вокруг дуги образуется газовый пузырь (оболочка), состоящий в основном из водорода (70…80 %), а также паров масла. Выделяемые газы с большой скоростью проникают непосредственно в зону ствола дуги, вызывают перемешивание холодного и горячего газа в пузыре, обеспечивают интенсивное охлаждение и соответственно деионизацию дугового промежутка. Кроме того, деионизирующую способность газов повышает создаваемое при быстром разложении масла давление внутри пузыря.

Интенсивность процесса гашения дуги в масле тем выше, чем ближе соприкасается дуга с маслом и быстрее движется масло по отношению к дуге. Учитывая это, дуговой разрыв ограничивают замкнутым изоляционным устройством — дугогасительной камерой. В этих камерах создается более тесное соприкосновение масла с дугой, а при помощи изоляционных пластин и выхлопных отверстий образуются рабочие каналы, по которым происходит движение масла и газов, обеспечивая интенсивное обдувание (дутье) дуги.

Дугогасительные камеры по принципу действия разделяют на три основные группы: с автодутьем, когда высокие давление и скорость движения газа в зоне дуги создаются за счет выделяющейся в дуге энергии, с принудительным масляным дутьем при помощи специальных нагнетающих гидравлических механизмов, с магнитным гашением в масле, когда дуга под действием магнитного поля перемещается в узкие щели.

Наиболее эффективны и просты дугогасительные камеры с автодутьем. В зависимости от расположения каналов и выхлопных отверстий различают камеры, в которых обеспечивается интенсивное обдувание потоками газопаровой смеси и масла вдоль дуги (продольное дутье) или поперек дуги (поперечное дутье). Рассмотренные способы гашения дуги широко используются в выключателях на напряжение выше 1 кВ.

Что же такое электрическая дуга?

По сути, так в обиходе именуют хорошо известный в физике и электротехнике дуговой разряд – вид самостоятельного электроразряда в газе. Каковы же физические свойства электрической дуги? Она горит в широком диапазоне давления газа, при постоянном или переменном (до 1000 Гц) напряжении между электродами в диапазоне от нескольких вольт (сварочная дуга) до десятков киловольт. Максимальная плотность тока дуги наблюдается на катоде (102-108 А/см2), где она стягивается в катодное пятно, очень яркое и малое по размерам. Оно беспорядочно и непрерывно перемещается по всей площади электрода. Температура его такова, что материал катода в нем кипит. Поэтому возникают идеальные условия для термоэлектронной эмиссии электронов в прикатодное пространство. Над ним образуется небольшой слой, заряженный положительно и обеспечивающий ускорение эмитируемых электронов до скоростей, при которых они ударно ионизируют атомы и молекулы среды в межэлектродном промежутке.

Такое же пятно, но несколько большее и малоподвижное, формируется и на аноде. Температура в нем близкая к катодному пятну.

Если ток дуги порядка нескольких десятков ампер, то из обоих электродов вытекают с большой скоростью нормально к их поверхностям плазменные струи или факелы (см. на фото ниже).

При больших токах (100-300 А) возникают добавочные плазменные струи, и дуга становится похожей на пучок плазменных нитей (см. на фото ниже).

Почему возникает?

По теории в нормальных условиях газы являются диэлектриками. При возникновении подходящих условий они могут поддаваться ионизации, наделяя свои элементы положительными или отрицательными зарядами.

Внешнее электрическое поле, обладающее заданными параметрами, и высокая температура влияют на газ, преобразуя его в плазму, которая обладает всем свойствами проводника электричества.

Данное свойство получило широкое распространение в промышленности, используя дугу в качестве газового проводника.

Алгоритм образования электрической сварочной дуги следующий:

Контакт. Он соединяет электрод и металл.
Разрыв контакта. Под влиянием тока поверхность электрода и металла начинает плавиться, образуя прослойку жидкого металла. В течение некоторого времени, с увеличением слоя расплава происходит разрыв контакта.
Возбуждение дуги. Пространство между анодом и катодом заполняют ионы и электроны испарений расплавленного металла, которые под действием напряжения притягиваются противоположным полюсам, возбуждая дугу.
Стабилизация дуги. С ростом концентрации заряженных частиц дуговое соединение подвергается интенсивной ионизации, в этой точке достигается полная стабилизация горения.
Образование сварочной ванны. Под действием дуги металлы электрода и поверхности переходят в жидкое агрегатное состояние, образуя смесь.
Кристаллизация. После отключения источника питания для сварки поверхность остывает, образуя сварное соединение.

Явления ионизации и деионизации

Внутренними процессами, которые способствуют возникновению и гашению дуги, являются ионизация и деионизация. Изучение данных явлений позволяет разобраться с факторами, влияющими на внешние процессы. Преобладание процессов ионизации характерно для причин возникновения дуги. При ее стабилизации явления происходят с равной периодичностью. С превалированием явлений деионизации дуга потухнет.

Виды ионизации:

Термическая. Наиболее распространенный процесс, который способствует сохранению дуги после ее образования. Благодаря значительному температурному воздействию возрастает количество и скорость элементов, что благотворно сказывается на ионизации.
Ударная. При перемещении на высокой скорости электрон неизбежно сталкивается с нейтральной частицей. После взаимодействия образуется новая заряженная частица – ион.
Полевая электронная эмиссия. Под действием внешнего электрического поля с высокой напряженностью электроны покидают поверхность без предварительного возбуждения.
Эффект Эдисона или термоэлектронная эмиссия. Под воздействием высокой температуры уровень энергии электронов увеличивается. При достижении определенного показателя они способные преодолеть потенциальный барьер на границе с металлом.

К явлениям деионизации относятся:

Рекомбинация. Процесс взаимодействия частиц с противоположными зарядами сопровождается образованием нейтрально заряженных элементов.
Диффузия. Процесс переноса заряженных частиц в окружающую среду, сопровождающийся выводом тепловой энергии.

Электрооборудование трамваев и троллейбусов

Общие сведения и технические характеристики электрических машин постоянного тока
Характеристики тяговых двигателей
Конструкция электродвигателей
Вспомогательные электрические машины на напряжение 550 В
Вспомогательные электрические машины на напряжение 24 и 12 В
Генераторы собственных нужд
Обслуживание электрических машин
Характеристики токоприемников
Конструкция токоприемников и их обслуживание
Пускотормозные реостаты
Регулировочные реостаты и индуктивные шунты
Контактные соединения, контактные материалы
Способы гашения электрической дуги
Расчет обмоток электромагнита
Электромагнитные контакторы
Устройство и компоновка контакторных панелей
Групповые аппараты
Контроллеры косвенного управления подвижным составом
Групповые реостатные контроллеры
Ускоритель вагона Т-3
Реверсивные переключатели
Отключатели тяговых двигателей
Реле автоматического пуска и торможения
Реле управления
Аппараты токовой защиты
Аппараты защиты по напряжению
Аппараты защиты от атмосферных перенапряжений
Защита радиоприема от помех, вызываемых электрическим оборудованием подвижного состава
Характеристика систем управления
Регулирование напряжения на тяговых двигателях при реостатном пуске
Регулирование возбуждения тяговых двигателей при пуске
Электрическое торможение
Тормозные характеристики и схемы реостатного торможения
Электрическая схема троллейбуса 9Тр
Электрическая схема троллейбуса ЗиУ-9
Электрическая схема вагона РВЗ-6М-2
Электрическая схема вагона КТМ-5М-3
Электрическая схема вагона Т-3
Импульсное управление на электрическом подвижном составе
Импульсное регулирование напряжения на тяговых двигателях при пуске
Импульсное регулирование напряжения на тяговых двигателях при торможении
Тиристорно-импульсное регулирование возбуждения тяговых двигателей
Сглаживающие устройства в системах с тиристорно-импульсным управлением
Схемы тиристорных прерывателей
Защита силовых полупроводниковых приборов в тиристорных регуляторах
Принципы построения схем управления тиристорных регуляторов
Конструкция электрооборудования
Электрические схемы вагона РВЗ-7 с тиристорно-импульсным управлением
Электрическая схема электронного блока управления вагона РВЗ-7
Электрические цепи напряжением 550 В
Аккумуляторные батареи
Реле-регуляторы
Схемы вспомогательных цепей напряжением 24 и 12 В троллейбусов и трамваев
Список литературы

Как защитится от электродугового разряда

Ношение специализированной одежды является основным способом защиты от электродуги. Материалы, из которых изготавливаются комплекты должны отвечать следующим требованиям:

защищать от высоких температур;
не проводить электрический ток;
снижать воздействие ультрафиолетового излучения;
исключить возгорание и тление одежды;
уменьшить воздействие механических повреждений.

Спецодеждой обязательно обеспечиваются работники, взаимодействующие с электричеством, обслуживающие высоковольтные сети электроснабжения и промышленное оборудование. К защитной одежде относятся:

сварочные маски и шлемы со щитками;
диэлектрические перчатки, калоши и боты;
костюмы, комбинезоны и плащи;
ботинки, подшлемники, фуфайки.

Костюм выбирается с учётом времени года и погодных условий, должен максимально закрывать открытые участки тела, защищать от возгораний и ударов тока. Кроме этого, существуют вспомогательные приспособления, которые помогут защитить от пробоя. К ним относятся: изолирующие коврики, накладки, штанги, подставки и колпаки.

Физические явления[править | править код]

Электрическая дуга между двумя электродами в воздухе при атмосферном давлении образуется следующим образом:

При увеличении напряжения между двумя электродами до определённого уровня в воздухе между электродами возникает электрический пробой. Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния между электродами и других факторов. Потенциал ионизации первого электрона атомов металлов составляет приблизительно 4,5 — 5 В, а напряжение дугообразования — в два раза больше (9 — 10 В). Требуется затратить энергию на выход электрона из атома металла одного электрода и на ионизацию атома второго электрода. Процесс приводит к образованию плазмы между электродами и горению дуги (для сравнения: минимальное напряжение для образования искрового разряда немногим превышает потенциал выхода электрона — до 6 В).

Для инициирования пробоя при имеющемся напряжении электроды приближают друг к другу. Во время пробоя между электродами обычно возникает искровой разряд, импульсно замыкая электрическую цепь. Электроны в искровых разрядах ионизируют молекулы в воздушном промежутке между электродами. При достаточной мощности источника напряжения в воздушном промежутке образуется достаточное количество плазмы для значительного падения напряжения пробоя или сопротивления воздушного промежутка. При этом искровые разряды превращаются в дуговой разряд — плазменный шнур между электродами, являющийся плазменным тоннелем. Возникающая дуга является, по сути, проводником и замыкает электрическую цепь между электродами. В результате средний ток увеличивается ещё больше, нагревая дугу до 5000-50000 K. При этом считается, что поджиг дуги завершён. После поджига устойчивое горение дуги обеспечивается термоэлектронной эмиссией с катода, разогреваемого током и ионной бомбардировкой.

После поджига дуга может оставаться устойчивой при разведении электрических контактов до некоторого расстояния.

Взаимодействие электродов с плазмой дуги приводит к их нагреву, частичному расплавлению, испарению, окислению и другим видам коррозии.

Строение дуги

Строение электрической дуги при дуговой сварке. 1-анодная область, 2-область дуги и защитного газа, 3-дуга, 4-катодные пятна, 5-катодная область

Электрическая дуга состоит из катодной и анодной областей, столба дуги, переходных областей. Толщина анодной области составляет 0,001 мм, катодной области — около 0,0001 мм.

Температура в анодной области при сварке плавящимся электродом составляет около 2500 … 4000°С, температура в столбе дуги — от 7 000 до 18 000°С, в области катода — 9000 — 12000°С.

Столб дуги электрически нейтрален. В любом его сечении находятся одинаковое количество заряженных частиц противоположных знаков. Падение напряжения в столбе дуги пропорционально его длине.

Сварочные дуги классифицируют по:

Материалам электрода — с плавящимся и неплавящимся электродом;
Степени сжатия столба — свободную и сжатую дугу;
По используемому току — дуга постоянного и дуга переменного тока;
По полярности постоянного электрического тока — прямой полярности («-» на электроде, «+» — на изделии) и обратной полярности;
При использовании переменного тока — дуги однофазная и трехфазная.

Саморегулирование дуги

При возникновении внешнего возмущения — изменения напряжения на дуге, скорости подачи электрода и др. — возникает нарушение в установившемся равновесии между скоростью подачи и скоростью плавления. При увеличении длины дуги увеличивается её сопротивление и уменьшается сварочный ток. Это приводит к уменьшению выделяемого тепла и уменьшению скорости плавления электрода. При этом, скорость подачи, оставаясь постоянной, становится больше скорости плавления, что приводит к восстановлению длины дуги. При уменьшении длины дуги скорость плавления проволоки становится больше скорости подачи, это приводит к восстановлению нормальной длины дуги.

На эффективность процесса саморегулирования дуги значительно влияет форма вольт-амперной характеристики источника питания. Большое быстродействие колебания длины дуги отрабатывается автоматически при жестких ВАХ цепи.

Разновидности

Виды сварочной дуги отличаются схемой подвода сварочного тока и средой, в которой они возникают, наиболее распространенными вариантами являются:

Прямое действие. При таком способе сварочный располагается параллельно свариваемой металлической конструкции и дуга возникает под углом девяносто градусов по отношению к электроду и металлу;
Сварочная дуга косвенного действия. Возникает, когда используется два электрода, которые располагаются под углом 40-60 градусов к поверхности свариваемой детали, дуга возникает между электродами и сваривает металл;

Также существует классификация в зависимости от атмосферы, в которой они возникают:

Открытый тип. Дуга данного типа горит на воздухе и вокруг нее образовывается газовая фаза, содержащая пары свариваемого материала, электродов и их покрытий;
Закрытый тип. Горение такой дуги происходит под слоем флюса, в газовую фазу, образовавшуюся вокруг дуги входят пары металла, электрода и флюса;
Дуга с подачей газов. В горящую дугу подаются сжатые газы – гелий, аргон, углекислый газ, водород и другие различные смеси газов, подаются они для того, чтобы не окислялся свариваемый металл, их подача способствует восстановительной или нейтральной среде. В газовую фазу вокруг дуги входят – подающийся газ, пары металла и электрода;

Также различают по длительности действия – стационарная (для долгого применения) и импульсная (для однократного), по материалу используемого электрода – угольные, вольфрамовые – неплавящиеся электроды и металлические – плавящиеся. Самый распространенный плавящийся электрод – стальной. На сегодняшний день наиболее часто применяется сварка с неплавящимся электродом. Таким образом, виды сварочных дуг разнообразны.

Потенциальные причины вспышки электрической дуги

Вспышки дуги могут возникать по разным причинам. В большинстве случаев основной причиной будет поврежденный элемент оборудования, такой как провод. Это также может быть результатом того, что кто-то работает над оборудованием, что позволяет электричеству выходить с пути, к которому он обычно привязан.

Даже когда есть потенциальный путь за пределами проводки, электричество будет идти по пути наименьшего сопротивления. Вот почему вспышка дуги не обязательно произойдет, как только что-то будет повреждено или появится альтернативный путь. Вместо этого электричество будет продолжать идти по намеченному пути, пока не станет доступен другой вариант с меньшим сопротивлением.

Вот некоторые вещи, которые могут создать путь с меньшим сопротивлением и, следовательно, вызвать вспышку дуги:

Пыль — в пыльных местах электричество может начать проходить через проводку или другое оборудование через пыль.
Уроненные инструменты — например, если инструмент упал на провод, он может повредить его и пропустить электричество в инструмент. Оттуда он должен найти другой путь, чтобы продолжить свое движение.
Случайное прикосновение — если человек касается поврежденной области, электричество может распространяться через его тело.
Конденсация — когда образуется конденсат, электричество может выходить из проводки через воду, и тогда возникнет дуга.
Отказ материала — Если провод поврежден до точки, в которой возникли проблемы с прохождением электричества, путь может быть более устойчивым, чем выход за пределы провода.
Коррозия — Коррозия может создать путь за пределами проволоки, после чего возникает вспышка дуги.
Неправильная установка — Если оборудование установлено неправильно, это может затруднить или сделать невозможным для электричества следовать по намеченному пути, что может вызвать вспышку дуги.

Образование дуги, её строение и свойства

Представим, что мы в лаборатории проводим эксперимент. У нас есть два проводника, например, металлических гвоздя. Расположим их острием друг к другу на небольшом расстоянии и подключим к гвоздям выводы регулируемого источника напряжения. Если постепенно увеличивать напряжение источника питания, то при определенном его значении мы увидим искры, после чего образуется устойчивое свечение подобное молнии.

Таким образом можно наблюдать процесс её образования. Свечение, которое образуется между электродами — это плазма. Фактически это и есть электрическая дуга или протекание электрического тока через газовую среду между электродами. На рисунке ниже вы видите её строение и вольт-амперную характеристику:

А здесь – приблизительные величины температур:

Опасность электрической дуги

Электрические дуги также могут быть чрезвычайно опасными, если они не преднамеренны в использовании. Ситуации, когда электрическая дуга создается в неконтролируемой среде, как в случае вспышки дуги, могут привести к травмам, смерти, пожару, повреждению оборудования и потере имущества.

Чтобы защитить работников от электрических дуг, компании должны использовать следующие продукты дуговой вспышки, чтобы уменьшить вероятность возникновения электрических дуг и уменьшить ущерб в случае их возникновения лучше использовать

Перчатки с защитным дуговым разрядом — эти перчатки предназначены для защиты рук от поражения электрическим током и сведения к минимуму травм в случае электрического проишествия.

Появление «микро молнии» на наглядном примере и схема строения

Для наглядности и лучшего понимания мы приведем простой пример. Представьте, что мы находимся в условиях лаборатории и проводим физическое исследование.

Для этого мы располагаем металлические шурупы наконечниками напротив друг друга на небольшой дистанции.

С помощью жилы мы подключим шурупы к источнику электропитания. По ходу увеличения силы тока, мы сможем проследить за возникновением небольших искр между шурупами, которое напоминание «микромолнию».

Рекомендуем ознакомиться с детальными изображениями приведенными выше. На них вы сможете увидеть строение.

Защита от электрической дуги

Какие бывают меры защиты от электрической дуги, что могло меня защитить? Проанализировав интернет, увидел, что самым популярным средством защиты людей в электроустановках от электрической дуги является термостойкий костюм. В северной Америке большой популярностью пользуются специальные автоматы фирмы Siemens, которые защищают как от электрической дуги, так и от максимального тока. В России, на данный момент, подобные автоматы используются только на высоковольтных подстанциях. В моем случае мне бы хватило диэлектрической перчатки, но сами подумайте, как в них подключать светильники? Это очень неудобно. Также рекомендую использовать защитные очки, чтобы защитить глаза.

В электроустановках борьба с электрической дугой осуществляется с помощью вакуумных и масляных выключателей, а также при помощи электромагнитных катушек совместно с дугогасительными камерами.

Это все? Нет! Самым надежным способом обезопасить себя от электрической дуги, на мой взгляд, являются работы со снятием напряжения. Не знаю как вы, а я под напряжением работать больше не буду…

Полезные записи:

Группы допуска по электробезопасности, присвоение
Допуск по электробезопасности
Требования безопасности перед началом работы
Должностная инструкция по охране труда для электрика

На этом моя статья электрическая дуга и защита от электрической дуги заканчивается. Есть что дополнить? Оставь комментарий.

Полезное применение

Как это ни странно, но физики нашли применение этому электрическому явлению ещё на этапе развития науки об электричестве. Пример тому – лампочка Яблочкова. Она состояла из двух угольных электродов, между которыми зажигалась электрическая дуга.

У этой лампы были два недостатка. Электроды быстро изнашивались (выгорали), а спектр света смещался в ультрафиолетовую зону, что негативно влияло на зрение. По этим причинам дуговые лампы не нашли широкого применения и их быстро вытеснили лампы накаливания, существующие до сегодняшнего дня.

Исключение составляют дугоразрядные лампы, а также мощные прожектора, используемые преимущественно в военных целях. Дуговой разряд стал массово применяться на практике с момента изобретения сварочного аппарата. Дуговую сварку применяют для сварки металлов. (см. рис. 5)

Рис. 5. Дуговая сварка

Используя проводимость плазмы, включая в сварочную цепь специальные сварочные электроды, достигают высокой температуры в сосредоточенном пятне. Регулируя сварочный ток, сварщик имеет возможность настроить аппарат на нужную температуру дугового разряда. Для защиты ствола от тепловых потерь, металлические электроды покрыты специальной смесью, обеспечивающей стабильность горения.

Электрическую дугу применяют в доменных печах для плавки металлов. Дуговая плавка удобна тем, что можно регулировать её температуру путём изменения параметров тока.

Наряду с полезным применением, в электротехнике часто приходится бороться с дуговыми разрядами. Не контролированный дуговой разряд может нанести существенный вред на линиях электропередач, в промышленных и бытовых сетях.

Рис. 6. Дуговой разряд на ЛЭП

Что такое сварочная дуга

Генерируемая сварочным аппаратом электрическая дуга представляет собой ни что иное, как состоящий из ионизированных частиц проводник. Он существует в определенном временном промежутке благодаря тому, что поддерживается электрическим полем. Такой разряд образуется в способной к ионизации газовой среде, характеризуется непрерывной формой и высокой температурой.

В учебных пособиях по сварочному делу данное явление определяется как электрический разряд в плазме длительного характера. Плазма является смесью защитных, ионизированных атмосферных газов в сочетании с испарениями от металлов, которые образуются под воздействием высокой температуры.

Гашение дуги увеличением ее сопротивления

В этом методе сопротивление на пути дуги растет с течением времени так, что ток уменьшается до значения, недостаточного для ее поддержания. Следовательно, он прерывается, и электрическая дуга гаснет. Основной недостаток этого метода состоит в том, что время гашения достаточно велико, и в дуге успевает рассеиваться огромная энергия.

Сопротивление дуги может быть увеличена путем:

Удлинения дуги – сопротивление дуги прямо пропорциональна ее длине. Длина дуги может быть увеличена за счет изменения зазора между контактами.
Охлаждением дуги, точнее среды между контактами. Эффективное охлаждение обдувом должно быть направлено вдоль дуги.
Помещением контактов в трудноионизируемую газовую среду (газовые выключатели) или в вакуумную камеру (вакуумные выключатели).
Снижением поперечного сечения дуги путем ее пропускания через узкое отверстие, или снижением площади контактов.
Разделением дуги — ее сопротивление может быть увеличено путем разделения на ряд небольших дуг, соединенных последовательно. Каждая из них испытывает действие удлинения и охлаждения. Дуга может быть разделена путем введения некоторых проводящих пластин между контактами.

Способы гашения дуги в электрических аппаратах низкого и высокого напряжения