Il processo di formazione di un arco elettrico e metodi per estinguerlo

Quando il circuito elettrico viene aperto, si verifica una scarica elettrica sotto forma di arco elettrico. Per la comparsa di un arco elettrico, è sufficiente che la tensione dei contatti sia superiore a 10 V con una corrente nel circuito dell'ordine di 0,1 A o più. Con tensioni e correnti significative, la temperatura all'interno dell'arco può raggiungere i 3-15 mila ° C, a seguito della quale i contatti e le parti in tensione si sciolgono.

A tensioni di 110 kV e oltre, la lunghezza dell'arco può raggiungere diversi metri. Pertanto, un arco elettrico, specialmente nei circuiti di alta potenza, per tensioni superiori a 1 kV è un grande pericolo, anche se gravi conseguenze possono verificarsi anche in installazioni per tensioni inferiori a 1 kV. Di conseguenza, l'arco deve essere contenuto il più possibile ed estinto rapidamente nei circuiti per tensioni sia superiori che inferiori a 1 kV.

Cause di arco elettrico

Il processo di formazione di un arco elettrico può essere semplificato come segue.Quando i contatti divergono, la pressione di contatto prima diminuisce e la superficie di contatto aumenta di conseguenza, resistenza alla transizione (densità di corrente e temperatura - inizia il surriscaldamento locale (in alcune aree dell'area di contatto), che contribuisce ulteriormente alla radiazione termoionica, quando sotto l'influenza dell'alta temperatura la velocità degli elettroni aumenta e scoppiano dalla superficie dell'elettrodo.

Al momento della separazione dei contatti, ovvero il circuito si interrompe, la tensione viene rapidamente ripristinata nella fessura dei contatti. Poiché in questo caso la distanza tra i contatti è piccola, c'è campo elettrico alta tensione sotto l'influenza di cui gli elettroni vengono ritirati dalla superficie dell'elettrodo. Accelerano in un campo elettrico e quando colpiscono un atomo neutro gli danno la loro energia cinetica. Se questa energia è sufficiente per strappare almeno un elettrone dal guscio di un atomo neutro, allora ha luogo il processo di ionizzazione.

Gli elettroni e gli ioni liberi formatisi costituiscono il plasma del tronco d'arco, cioè il canale ionizzato in cui brucia l'arco ed è assicurato un movimento continuo di particelle. In questo caso, le particelle caricate negativamente, principalmente elettroni, si muovono in una direzione (verso l'anodo), e gli atomi e le molecole dei gas privati ​​di uno o più elettroni — particelle caricate positivamente — nella direzione opposta (verso il catodo).

La conduttività del plasma è vicina a quella dei metalli.

Una grande corrente scorre nell'albero dell'arco e si crea una temperatura elevata.Questa temperatura del cilindro ad arco porta alla ionizzazione termica - il processo di formazione di ioni dovuto alla collisione di molecole e atomi con elevata energia cinetica ad alte velocità del loro movimento (molecole e atomi del mezzo in cui l'arco brucia si disintegrano in elettroni e positivamente ioni carichi). L'intensa ionizzazione termica mantiene un'elevata conduttività del plasma. Pertanto, la caduta di tensione lungo l'arco è piccola.

In un arco elettrico avvengono costantemente due processi: oltre alla ionizzazione, anche la deionizzazione di atomi e molecole. Quest'ultima avviene principalmente attraverso la diffusione, cioè il trasferimento di particelle cariche nell'ambiente e la ricombinazione di elettroni e ioni carichi positivamente, che si ricompongono in particelle neutre con la restituzione dell'energia spesa per la loro disintegrazione. In questo caso, il calore viene rimosso nell'ambiente.

Pertanto, si possono distinguere tre fasi del processo considerato: accensione dell'arco, quando a causa della ionizzazione d'urto e dell'emissione di elettroni dal catodo, inizia una scarica dell'arco e l'intensità della ionizzazione è superiore alla deionizzazione, combustione stabile dell'arco supportata da ionizzazione termica nel cilindro ad arco quando le intensità di ionizzazione e deionizzazione sono uguali, scomparsa dell'arco quando l'intensità di deionizzazione è superiore a quella di ionizzazione.

Metodi di estinzione dell'arco nei dispositivi elettrici di commutazione

Per scollegare gli elementi del circuito elettrico ed escludere danni al dispositivo di commutazione, è necessario non solo aprire i suoi contatti, ma anche spegnere l'arco che appare tra di loro. I processi di estinzione dell'arco, così come la combustione, con corrente alternata e corrente continua sono diversi.Ciò è determinato dal fatto che nel primo caso la corrente nell'arco passa per lo zero ogni semiperiodo. In questi momenti, il rilascio di energia nell'arco si interrompe e l'arco si spegne spontaneamente per poi riaccendersi ogni volta.

In pratica, la corrente nell'arco si avvicina allo zero poco prima del passaggio per lo zero, perché al diminuire della corrente diminuisce l'energia fornita all'arco, e di conseguenza la temperatura dell'arco diminuisce e cessa la ionizzazione termica. In questo caso, il processo di deionizzazione continua intensamente nell'arco traferro. Se apri e apri rapidamente i contatti in questo momento, la successiva interruzione elettrica potrebbe non verificarsi e il circuito verrà disconnesso senza arco. In pratica, tuttavia, ciò è estremamente difficile da realizzare e pertanto vengono prese misure speciali per accelerare l'estinzione dell'arco, per garantire il raffreddamento dello spazio dell'arco e per ridurre il numero di particelle cariche.

Come risultato della deionizzazione, la rigidità dielettrica del gap aumenta gradualmente e allo stesso tempo aumenta la tensione di recupero in esso. Il rapporto tra questi valori dipende dal fatto che l'arcobaleno si illumini o meno nella prossima metà del periodo. Se la rigidità dielettrica del gap aumenta più velocemente ed è maggiore della tensione di recupero, l'arco non si accenderà più, altrimenti verrà fornito un arco stabile. La prima condizione definisce il problema dell'estinzione dell'arco.

Nei quadri vengono utilizzati diversi metodi di estinzione dell'arco.

Estendere l'arco

Se i contatti divergono durante la disconnessione del circuito elettrico, l'arco risultante viene allungato.Allo stesso tempo, le condizioni di raffreddamento dell'arco sono migliorate perché la sua superficie aumenta e per la combustione è necessaria più tensione.

Dividere un arco lungo in una serie di archi corti

Se l'arco formatosi all'apertura dei contatti viene suddiviso in K archi corti, ad esempio tirando in una griglia metallica, si estinguerà. Tipicamente, l'arco viene introdotto in una griglia metallica sotto l'influenza di un campo elettromagnetico indotto nelle piastre della griglia da correnti parassite. Questo metodo di estinzione dell'arco è ampiamente utilizzato nei quadri per tensioni inferiori a 1 kV, in particolare negli interruttori automatici in aria.

Raffreddamento dell'arco in fessure strette

Lo spegnimento di piccoli archi è facilitato. Pertanto, dentro dispositivi di commutazione sono largamente utilizzati scivoli d'arco con feritoie longitudinali (l'asse di tale feritoia coincide in direzione con l'asse del cilindro dell'arco). Tale spazio è solitamente formato in camere realizzate con materiali isolanti resistenti all'arco. A causa del contatto dell'arco con superfici fredde, si verifica il suo intenso raffreddamento, la diffusione di particelle cariche nell'ambiente e, di conseguenza, la rapida deionizzazione.

Oltre alle fessure con pareti piatte parallele, vengono utilizzate anche fessure con nervature, sporgenze, estensioni (tasche). Tutto ciò porta alla deformazione del cilindro ad arco e aumenta l'area del suo contatto con le pareti fredde della camera.

L'arco viene attirato in strette fessure solitamente da un campo magnetico che interagisce con l'arco, che può essere considerato come un conduttore di corrente.

Esterno campo magnetico per spostare l'arco è più spesso fornito da una bobina collegata in serie con i contatti tra i quali si verifica l'arco.L'estinzione dell'arco a fessura stretta viene utilizzata nei dispositivi per tutte le tensioni.

Spegnimento dell'arco ad alta pressione

A temperatura costante, il grado di ionizzazione del gas diminuisce all'aumentare della pressione, mentre aumenta la conducibilità termica del gas. A parità di condizioni, ciò si traduce in un migliore raffreddamento dell'arco. L'estinzione dell'arco ad alta pressione, creata dall'arco stesso in camere ermeticamente chiuse, è ampiamente utilizzata nei fusibili e in numerosi altri dispositivi.

Spegnimento dell'arco in olio

Se contatti di commutazione posti in olio, l'arco che si verifica quando vengono aperti porta ad un'intensa evaporazione dell'olio. Di conseguenza, attorno all'arco si forma una bolla di gas (involucro), costituita principalmente da idrogeno (70 ... 80%), oltre che da vapore d'olio. I gas emessi penetrano direttamente nell'area del cilindro ad arco ad alta velocità, provocano la miscelazione di gas freddo e caldo nella bolla, forniscono un raffreddamento intenso e, di conseguenza, la deionizzazione dell'intercapedine dell'arco. Inoltre, la capacità deionizzante dei gas aumenta la pressione all'interno della bolla creatasi durante la rapida decomposizione dell'olio.

L'intensità del processo di estinzione dell'arco nell'olio è tanto maggiore quanto più vicino l'arco entra in contatto con l'olio e quanto più velocemente l'olio si muove rispetto all'arco. Detto questo, l'intercapedine dell'arco è limitata da un dispositivo isolante chiuso - scivolo dell'arco... In queste camere si crea un contatto più stretto dell'olio con l'arco e, con l'aiuto di piastre isolanti e fori di scarico, si formano canali di lavoro attraverso il quale il movimento di petrolio e gas, fornendo un'esplosione intensiva (scoppio) dell'arco.

Scivoli d'arco secondo il principio di funzionamento, sono divisi in tre gruppi principali: con autosoffio, quando si creano alta pressione e velocità di movimento del gas nell'area dell'arco a causa dell'energia rilasciata nell'arco, con soffio forzato di olio con l'ausilio di speciali meccanismi idraulici di pompaggio, con tempra magnetica in olio, quando l'arco è sotto l'azione del campo magnetico, si sposta in spazi ristretti.

Gli spegniarco autogonfianti più efficaci e semplici... A seconda della posizione dei canali e delle aperture di scarico, si distinguono le camere in cui soffiaggio intensivo della miscela gas-vapore e olio lungo la corrente dell'arco (soffio longitudinale) o attraverso l'arco (soffio trasversale). I metodi di estinzione dell'arco considerati sono ampiamente utilizzati negli interruttori automatici per tensioni superiori a 1 kV.

Altri metodi di estinzione dell'arco in dispositivi per tensioni superiori a 1 kV

Oltre ai suddetti metodi di estinzione dell'arco, utilizzano anche: aria compressa, il cui flusso soffia l'arco lungo o trasversalmente, assicurandone un intenso raffreddamento (al posto dell'aria vengono utilizzati altri gas, spesso ottenuti da gas solidi che generano materiali - fibre, plastica vinilica, ecc. - a scapito della loro decomposizione da parte dell'arco ardente stesso), SF6 (esafluoruro di zolfo), che ha una resistenza elettrica maggiore dell'aria e dell'idrogeno, per cui l'arco che brucia in questo gas, anche a pressione atmosferica, si spegne rapidamente, gas altamente rarefatto (vuoto) quando i contatti vengono aperti, in cui l'arco non non si accende (si spegne) dopo il primo passaggio della corrente attraverso lo zero.