Материал: Пособие Теория электрических аппаратов

5. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА

5.1. Общие сведения

При размыкании электрических цепей с помощью коммутационных электрических аппаратов (выключатели, автоматы, контакторы, пускатели, реле и т.д.) на их контактах возникает либо тлеющий, либо дуговой разряд.

Тлеющий разряд возникает при отключении тока менее 0,1 А и при напряжении на контактах 250-300 В (так называемое безыскровое отключение). Данный вид разряда имеет место в маломощных реле, а в более мощных электрических аппаратах он является переходной фазой к разряду виде электрической дуги. Также такой разряд имеет место в мощных электрических аппаратах переменного тока при размыкании контактов и в момент прохождения тока через ноль.

Разряд тока с образованием электрической дуги называется дуговым и характеризуется следующими параметрами:

2.Высокая температура центральной части дуги, которая составляет

6000÷25000 К.

3.Незначительное падение напряжения у электродных областей: для

дуги постоянного тока э _ =10÷20 В, для дуги переменного тока

э~ =20÷40 В.

4. Дуговой разряд существует при относительно больших токах. Минимальный ток зависит от материала контакта и в среднем равен 0,5А.

Образование электрической дуги обуславливается явлением ионизации, происходящем в пространстве между контактами. Этот процесс заключается в отделении от нейтральных атомов воздуха одного или нескольких электронов и образовании свободных положительно заряженных частиц - ионов. Для процессов, происходящих в межконтактном промежутке характерно четыре вида ионизации:

1.Термоэлектронная эмиссия (эффект Ричардсона или Эдисона) — это явление испускания электронов нагретыми телами. Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высокая, поэтому даже при средних температурах вследствие распределения электронов по скоростям (по энергии) некоторые электроны обладают энергией. Этой энергии достаточно для преодоления потенциального барьера на границе металла. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода, растет, и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным.

2.Электронная эмиссия (туннельная или полевая эмиссия) – это испускание электронов поверхностью твердого тела или жидкости. Чтобы

60

электрон покинул конденсированную среду в вакууме или газе, должна быть затрачена энергия, которую называют работой выхода. Зависимость потенциальной энергии электрона от координаты на границе эмиттера и вакуума (или иной среды) называют потенциальным барьером. Его и должен преодолеть электрон, выходя из эмиттера.

Термоэлектронная и автоэлектронная эмиссия происходят вблизи контакта электрического аппарата.

3.Термическая ионизация — это ионизация, при которой необходимую энергию для отрыва электрона от атома дают столкновения между атомами вследствие повышения температуры.

4.Ударная ионизация — это физическая модель, описывающая ионизацию атома при ударе об него электрона (или другой заряженной частицы — например, позитрона, иона или «дырки»). Явление может наблюдаться как в газах, так и в твёрдых телах (вчастности, вполупроводниках).

Термическая и ударная ионизация - это процессы, протекающие в объеме столба электрической дуги.

Возникновения электрической дуги между контактами приводит к их износу. При отключении электрической цепи, имеющей небольшие ток и напряжение, между контактами образуется мостик расплавленного металла, который разбрызгивается и испаряется. При размыкании больших токов и напряжений, в результате теплового воздействия электрической дуги, это явление значительно усиливается. Чтобы уменьшить износ контактов в электрических аппаратах применяют специальные устройства способные осуществлять быстрое гашение дуги, так называемые дугогасительные устройства (ДГУ).

В дуговом разряде различают три характерные области: область столба дуги, околокатодная и околоанодная области, представленные на рис. 5.1.

61

Параметр “E” зависит от условия горения электрической дуги и от интенсивности процессов ионизации. Чем выше процесс протеканияионизации, темменьшеградиентнапряжения.

Для пояснения явления прохождения тока через газ, приведем электрическую схему простейший электрической цепи с дугой постоянного тока (рис.5.3) и построим вольтамперную характеристику (ВАХ) последовательных стадий газового разряда в воздухе при атмосферных условиях (рис.5.4).

Рис. 5.3. Электрическая схема простейшей электрической цепи с дугой постоянного тока

63