Отключение электрической цепи в электрических аппаратах — сложный процесс, в ходе которого коммутирующий орган переходит из состояния проводника в состояние диэлектрика. Разрыв цепи сопровождается появлением электрической дуги — яркого разряда, вызванного ионизацией среды в зоне размыкания.
Электрическая дуга может нанести значительный ущерб оборудованию, вызвать его перегрев и даже пожар, если её не погасить вовремя. Поэтому разработка эффективных методов гашения дуги имеет ключевое значение для безопасной эксплуатации электрических аппаратов. В данной статье мы подробно рассмотрим основные принципы и технологии, применяемые для управления этим процессом.
Принципы гашения электрической дуги
Основной целью гашения дуги является создание таких условий, при которых процессы деионизации среды (восстановления её непроводимости) будут происходить быстрее, чем процессы ионизации. Устойчивость дуги зависит от баланса между этими процессами.
Эффективное гашение требует, чтобы напряжение на дуге превосходило напряжение источника питания, что приводит к прекращению её существования. Это достигается разными способами, в зависимости от характеристик электрического аппарата, его назначения и условий работы.
Важным понятием в этом процессе является критический ток. Это значение тока, при котором условия для гашения дуги становятся минимально достаточными. В таких ситуациях выбор подходящего метода гашения играет решающую роль.
Методы гашения дуги
1. Принудительное движение воздуха
Использование струи сжатого воздуха — один из самых эффективных методов гашения дуги. Поток воздуха разрывает дуговой столб, охлаждает его и ускоряет деионизацию. В системах высокого напряжения, где требования к быстродействию особенно высоки, компрессоры создают мощные воздушные потоки, обеспечивающие мгновенное гашение дуги.
Однако для низковольтных аппаратов этот способ нецелесообразен. Более простые методы, такие как продувка воздухом, создаваемая при движении контактов, оказываются достаточно эффективными. Например, в низковольтных выключателях движение подвижных контактов во время отключения приводит к образованию воздушного потока, который способствует гашению дуги. Это решение отличается простотой и экономичностью.
2. Гашение в жидкостях
Гашение дуги в жидкой среде, например в трансформаторном масле, является одним из самых мощных способов борьбы с дугой. Когда контакты размыкаются в масле, высокая температура дуги вызывает интенсивное разложение жидкости. При этом образуются газообразные продукты (в основном водород), которые обволакивают дугу, охлаждают её и способствуют деионизации.
Ключевые преимущества этого метода:
- Повышение давления в зоне горения дуги за счёт газообразования. Это улучшает теплоотвод и ускоряет гашение.
- Интенсивное испарение масла создаёт дополнительную охлаждающую среду.
Несмотря на высокую эффективность, этот метод редко используется в низковольтных электрических аппаратах из-за сложности конструкции, необходимости обслуживания и повышенных требований к герметичности оборудования.
3. Гашение под повышенным давлением газа
Повышенное давление газа способствует увеличению теплоотдачи и ускоряет деионизацию дуги. Этот метод применяется, например, в плавких предохранителях с закрытым патроном без наполнителя (серии ПР). Давление газа создаёт условия, при которых тепло быстро отводится от дуги, что приводит к её угасанию.
4. Электродинамическое воздействие
При токах выше 1 А электродинамические силы начинают играть значительную роль в гашении дуги. Эти силы возникают из-за взаимодействия тока дуги с магнитным полем, создаваемым токоведущими частями аппарата. В результате дуга начинает двигаться в сторону увеличивающегося зазора между контактами, что облегчает её гашение.
Для усиления этого эффекта используется специальная конструкция контактов. Например, расположение электродов может быть таким, чтобы расстояние между ними плавно увеличивалось по мере движения дуги. Это предотвращает её «залипание» на отдельных участках контактов. Важно отметить, что даже небольшие неровности на поверхности (например, ступеньки высотой 1 мм) могут задерживать движение дуги и снижать эффективность гашения.
5. Магнитное гашение дуги
Магнитное гашение — один из самых распространённых методов, используемых в аппаратах, рассчитанных на нормальное атмосферное давление. Принцип метода заключается в создании магнитного поля в зоне горения дуги, которое направляет её движение в сторону увеличивающегося зазора. Это поле можно создавать:
- Постоянными магнитами, которые просты и компактны, но имеют ограничения по направлению тока.
- Электромагнитами с дугогасительными катушками, включёнными последовательно в главную цепь.
Особенности применения магнитного гашения:
- Постоянные магниты подходят для аппаратов, где ток имеет строго фиксированное направление. Это ограничение связано с тем, что дуга будет двигаться в разные стороны в зависимости от направления тока.
- Дугогасительные катушки обеспечивают универсальность, так как направление движения дуги не зависит от изменения полярности тока. Однако их использование оправдано преимущественно при больших токах.
Магнитное гашение особенно эффективно в автоматических выключателях на напряжение до 600 В, где часто применяется усиление магнитного поля с помощью стальных скоб, охватывающих токоведущие части. Это позволяет обеспечить надёжную работу электрических аппаратов при небольших размерах дугогасительных камер.
Андрей Повный