Het proces van het vormen van een elektrische boog en methoden om deze te doven

Wanneer het elektrische circuit wordt geopend, vindt er een elektrische ontlading plaats in de vorm van een elektrische boog. Voor het verschijnen van een elektrische boog is het voldoende dat de spanning van de contacten hoger is dan 10 V bij een stroom in het circuit in de orde van grootte van 0,1 A of meer. Met aanzienlijke spanningen en stromen kan de temperatuur in de boog oplopen tot 3-15 duizend ° C, waardoor contacten en onder spanning staande delen smelten.

Bij spanningen van 110 kV en hoger kan de lengte van de boog enkele meters bedragen. Daarom is een elektrische vlamboog, vooral in hoogvermogencircuits, voor spanningen boven 1 kV een groot gevaar, hoewel ook in installaties ernstige gevolgen kunnen zijn voor spanningen onder 1 kV. Daarom moeten vonken zoveel mogelijk worden beperkt en snel worden gedoofd in circuits voor spanningen zowel boven als onder 1 kV.

Oorzaken van elektrische vonken

Het proces van het vormen van een elektrische boog kan als volgt worden vereenvoudigd.Wanneer de contacten divergeren, neemt eerst de contactdruk af en neemt het contactoppervlak dienovereenkomstig toe, overgang weerstand (stroomdichtheid en temperatuur - lokaal (in bepaalde delen van het contactgebied) begint oververhitting, wat verder bijdraagt ​​​​aan thermionische straling, wanneer onder invloed van hoge temperatuur de snelheid van elektronen toeneemt en ze barsten van het oppervlak van de elektrode.

Op het moment van contactscheiding, dat wil zeggen, het circuit is verbroken, wordt de spanning snel hersteld in de contactopening. Omdat in dit geval de afstand tussen de contacten klein is, is er elektrisch veld hoogspanning onder invloed waarvan elektronen aan het oppervlak van de elektrode worden onttrokken. Ze versnellen in een elektrisch veld en wanneer ze een neutraal atoom raken, geven ze het hun kinetische energie. Als deze energie voldoende is om ten minste één elektron uit de schil van een neutraal atoom te scheuren, vindt het ionisatieproces plaats.

De gevormde vrije elektronen en ionen vormen het plasma van de boogstam, dat wil zeggen het geïoniseerde kanaal waarin de boog brandt en een continue beweging van deeltjes is verzekerd. In dit geval bewegen negatief geladen deeltjes, voornamelijk elektronen, in de ene richting (naar de anode), en atomen en gasmoleculen zonder een of meer elektronen - positief geladen deeltjes - in de tegenovergestelde richting (naar de kathode).

De geleidbaarheid van plasma ligt dicht bij die van metalen.

Er vloeit een grote stroom in de boogschacht en er ontstaat een hoge temperatuur.Deze temperatuur van de boogcilinder leidt tot thermische ionisatie - het proces van ionvorming als gevolg van de botsing van moleculen en atomen met hoge kinetische energie bij hoge snelheden van hun beweging (moleculen en atomen van het medium waar de boog brandt vallen uiteen in elektronen en positief geladen ionen). Intense thermische ionisatie handhaaft een hoge plasmageleidbaarheid. Daarom is de spanningsval langs de boog klein.

In een elektrische boog vinden continu twee processen plaats: naast ionisatie ook deïonisatie van atomen en moleculen. Dit laatste gebeurt voornamelijk door diffusie, dat wil zeggen de overdracht van geladen deeltjes in de omgeving en de recombinatie van elektronen en positief geladen ionen, die zich weer samenvoegen tot neutrale deeltjes met de terugkeer van de energie die aan hun desintegratie wordt besteed. In dit geval wordt de warmte afgevoerd naar de omgeving.

Er kunnen dus drie fasen van het beschouwde proces worden onderscheiden: boogontsteking, wanneer als gevolg van schokionisatie en de emissie van elektronen uit de kathode een boogontlading begint en de intensiteit van ionisatie hoger is dan deïonisatie, stabiele verbranding van de boog ondersteund door thermische ionisatie in de boogcilinder wanneer de intensiteiten van ionisatie en deïonisatie hetzelfde zijn, verdwijning van de boog wanneer de intensiteit van deïonisatie hoger is dan die van ionisatie.

Methoden voor het doven van de boog in elektrische schakelapparaten

Om de elementen van het elektrische circuit los te koppelen en schade aan het schakelapparaat uit te sluiten, is het niet alleen nodig om de contacten te openen, maar ook om de boog die ertussen verschijnt te doven. Boogdovende processen, evenals branden, met wisselstroom en gelijkstroom zijn verschillend.Dit wordt bepaald door het feit dat in het eerste geval de stroom in de boog elke halve cyclus door nul gaat. Op deze momenten stopt het vrijkomen van energie in de boog en dooft de boog spontaan en ontsteekt dan elke keer opnieuw.

In de praktijk komt de stroom in de boog iets eerder dan de nuldoorgang dicht bij nul, omdat naarmate de stroom afneemt, de aan de boog toegevoerde energie afneemt en de temperatuur van de boog dienovereenkomstig afneemt en de thermische ionisatie stopt. In dit geval gaat het deïonisatieproces intensief door in de boogspleet. Als u op dit moment de contacten opent en snel opent, is het mogelijk dat de daaropvolgende elektrische onderbreking niet optreedt en wordt het circuit losgekoppeld zonder vonkvorming. In de praktijk is dit echter buitengewoon moeilijk om te doen en daarom worden speciale maatregelen genomen om het uitdoven van de boog te versnellen, om koeling van de boogruimte te verzekeren en om het aantal geladen deeltjes te verminderen.

Als gevolg van deïonisatie neemt de diëlektrische sterkte van de spleet geleidelijk toe en neemt tegelijkertijd de herstelspanning daarin toe. De verhouding van deze waarden hangt af van het feit of de regenboog in de volgende helft van de periode zal oplichten of niet. Als de diëlektrische sterkte van de spleet sneller toeneemt en groter is dan de herstelspanning, zal de boog niet meer ontsteken, anders wordt een stabiele boog verkregen. De eerste voorwaarde definieert het boogdovingsprobleem.

In schakelapparatuur worden verschillende boogdovingsmethoden gebruikt.

De boog verlengen

Als de contacten uiteenlopen tijdens het loskoppelen van het elektrische circuit, wordt de resulterende boog uitgerekt.Tegelijkertijd worden de koelcondities van de boog verbeterd omdat het oppervlak groter wordt en er meer spanning nodig is om te branden.

Een lange boog splitsen in een reeks korte bogen

Als de boog die ontstaat bij het openen van de contacten wordt opgedeeld in K korte bogen, bijvoorbeeld door in een metalen rooster te trekken, dooft deze. Typisch wordt de boog ingebracht in een metalen rooster onder invloed van een elektromagnetisch veld dat door wervelstromen in de roosterplaten wordt geïnduceerd. Deze methode van boogdoving wordt veel gebruikt in schakelapparatuur voor spanningen onder 1 kV, met name in automatische luchtschakelaars.

Boogkoeling in smalle sleuven

Het doven van kleine bogen wordt vergemakkelijkt. Daarom binnen schakelende apparaten boogkokers met longitudinale sleuven worden veel gebruikt (de as van een dergelijke sleuf valt samen met de as van de boogcilinder). Zo'n opening wordt meestal gevormd in kamers gemaakt van isolerende boogbestendige materialen. Door het contact van de boog met koude oppervlakken vindt de intense afkoeling plaats, de diffusie van geladen deeltjes in de omgeving en dienovereenkomstig snelle deïonisatie.

Naast sleuven met vlak-parallelle wanden worden ook sleuven met ribben, uitsteeksels, verlengingen (pockets) gebruikt. Dit alles leidt tot vervorming van de boogcilinder en vergroot het contactoppervlak met de koude wanden van de kamer.

De boog wordt in smalle sleuven getrokken, meestal door een magnetisch veld dat in wisselwerking staat met de boog, wat kan worden gezien als een stroomvoerende geleider.

Extern magnetisch veld om de boog te verplaatsen wordt meestal geleverd door een spoel die in serie is geschakeld met de contacten waartussen de boog optreedt.Arc quenching met smalle sleuf wordt gebruikt in apparaten voor alle spanningen.

Brandblusser onder hoge druk

Bij constante temperatuur neemt de mate van gasionisatie af met toenemende druk, terwijl de thermische geleidbaarheid van het gas toeneemt. Als alle andere dingen gelijk blijven, resulteert dit in verbeterde boogkoeling. Boogdoven door hoge druk, gecreëerd door de boog zelf in goed gesloten kamers, wordt veel gebruikt in zekeringen en een aantal andere apparaten.

Boogdoving in olie

Als schakelende contacten geplaatst in olie, de boog die optreedt wanneer ze worden geopend, leidt tot intense verdamping van de olie. Als gevolg hiervan wordt een gasbel (omhulling) rond de boog gevormd, die voornamelijk bestaat uit waterstof (70 ... 80%), evenals oliedamp. De uitgestoten gassen dringen met hoge snelheid direct in het gebied van de boogcilinder, veroorzaken vermenging van koud en heet gas in de luchtbel, zorgen voor intensieve koeling en dienovereenkomstig voor deïonisatie van de boogspleet. Bovendien verhoogt het deïoniserende vermogen van de gassen de druk in de bel die ontstaat tijdens de snelle ontleding van de olie.

De intensiteit van het boogdovingsproces in de olie is hoe hoger hoe dichter de boog in contact komt met de olie en hoe sneller de olie beweegt ten opzichte van de boog. Gegeven dit wordt de boogopening beperkt door een gesloten isolatie-apparaat - booggoot... In deze kamers wordt een nauwer contact van de olie met de boog gecreëerd en met behulp van isolatieplaten en ontladingsgaten worden werkkanalen gevormd waardoor de beweging van olie en gassen zorgt voor een intensieve uitbarsting (uitbarsting) van de boog.

Boogkokers volgens het werkingsprincipe, ze zijn onderverdeeld in drie hoofdgroepen: met zelfblazen, wanneer hoge druk en snelheid van gasbeweging worden gecreëerd in het gebied van de boog vanwege de energie die vrijkomt in de boog, met geforceerd blazen van olie met behulp van speciale hydraulische pompmechanismen, met magnetische uitdoving in olie, wanneer de boog onder invloed van het magnetische veld staat, beweegt deze zich in nauwe openingen.

De meest effectieve en eenvoudige zelfopblazende boogschachten... Afhankelijk van de locatie van de kanalen en uitlaatopeningen worden kamers onderscheiden waarin intensief blazen van het gas-stoommengsel en olie langs de stroom van de boog (longitudinaal blazen) of door de boog (dwars blazen) wordt voorzien). De overwogen boogdovende methoden worden veel gebruikt in stroomonderbrekers voor spanningen boven 1 kV.

Andere methoden om de boog te doven in apparaten voor spanningen boven 1 kV

Naast de bovenstaande methoden om de boog te doven, gebruiken ze ook: perslucht, waarvan de stroom de boog langs of over de boog blaast, waardoor deze intens wordt gekoeld (in plaats van lucht worden andere gassen gebruikt, vaak verkregen uit vaste gasgenererende materialen - vezels, vinylplastic, enz. - ten koste van hun ontbinding door de brandende boog zelf), SF6 (zwavelhexafluoride), dat een hogere elektrische sterkte heeft dan lucht en waterstof, waardoor de in dit gas brandende boog, ook bij atmosferische druk, snel dooft, sterk ijl gas (vacuüm) wanneer de contacten worden geopend, waarin de boog niet niet ontsteekt (dooft uit) na de eerste doorgang van de stroom door nul.