Der Prozess der Bildung eines Lichtbogens und Methoden zu seiner Löschung

Beim Öffnen des Stromkreises kommt es zu einer elektrischen Entladung in Form eines Lichtbogens. Für das Auftreten eines Lichtbogens reicht es aus, dass die Spannung der Kontakte bei einem Strom im Stromkreis in der Größenordnung von 0,1 A oder mehr über 10 V liegt. Bei erheblichen Spannungen und Strömen kann die Temperatur im Lichtbogen 3-15.000 °C erreichen, wodurch Kontakte und spannungsführende Teile schmelzen.

Bei Spannungen von 110 kV und mehr kann die Lichtbogenlänge mehrere Meter erreichen. Daher stellt ein Lichtbogen, insbesondere in Hochleistungsstromkreisen, bei Spannungen über 1 kV eine große Gefahr dar, obwohl auch in Anlagen mit Spannungen unter 1 kV schwerwiegende Folgen auftreten können. Daher müssen Lichtbögen in Stromkreisen für Spannungen über und unter 1 kV so weit wie möglich eingedämmt und schnell gelöscht werden.

Ursachen für Lichtbögen

Der Prozess der Bildung eines Lichtbogens kann wie folgt vereinfacht werden.Beim Auseinanderlaufen der Kontakte nimmt zunächst der Anpressdruck ab und die Kontaktfläche vergrößert sich entsprechend, Übergangswiderstand (Stromdichte und Temperatur – lokale (in bestimmten Bereichen des Kontaktbereichs) Überhitzung beginnt, was zusätzlich zur thermionischen Strahlung beiträgt, wenn unter dem Einfluss hoher Temperatur die Geschwindigkeit der Elektronen zunimmt und sie von der Oberfläche der Elektrode platzen.

Im Moment der Kontakttrennung, also der Unterbrechung des Stromkreises, stellt sich die Spannung in der Kontaktlücke schnell wieder her. Da in diesem Fall der Abstand zwischen den Kontakten gering ist, gibt es einen elektrisches Feld Hochspannung, unter deren Einfluss Elektronen von der Oberfläche der Elektrode abgezogen werden. Sie beschleunigen in einem elektrischen Feld und geben beim Auftreffen auf ein neutrales Atom ihre kinetische Energie ab. Reicht diese Energie aus, um mindestens ein Elektron aus der Hülle eines neutralen Atoms abzureißen, dann findet der Prozess der Ionisation statt.

Die gebildeten freien Elektronen und Ionen bilden das Plasma des Lichtbogenstamms, also den ionisierten Kanal, in dem der Lichtbogen brennt und eine kontinuierliche Bewegung der Partikel gewährleistet. In diesem Fall bewegen sich negativ geladene Teilchen, hauptsächlich Elektronen, in eine Richtung (zur Anode) und Atome und Moleküle von Gasen, denen ein oder mehrere Elektronen entzogen sind – positiv geladene Teilchen – in die entgegengesetzte Richtung (zur Kathode).

Die Plasmaleitfähigkeit kommt der von Metallen nahe.

Im Lichtbogenschacht fließt ein großer Strom und es entsteht eine hohe Temperatur.Diese Temperatur des Lichtbogenzylinders führt zur thermischen Ionisation – dem Prozess der Ionenbildung aufgrund der Kollision von Molekülen und Atomen mit hoher kinetischer Energie bei hohen Geschwindigkeiten ihrer Bewegung (Moleküle und Atome des Mediums, in dem der Lichtbogen brennt, zerfallen in Elektronen und positiv). geladene Ionen). Intensive thermische Ionisierung sorgt für eine hohe Plasmaleitfähigkeit. Daher ist der Spannungsabfall entlang des Lichtbogens gering.

In einem Lichtbogen laufen ständig zwei Prozesse ab: neben der Ionisierung auch die Entionisierung von Atomen und Molekülen. Letzteres geschieht hauptsächlich durch Diffusion, also die Übertragung geladener Teilchen in die Umgebung und die Rekombination von Elektronen und positiv geladenen Ionen, die sich unter Rückgabe der für ihren Zerfall aufgewendeten Energie wieder zu neutralen Teilchen zusammensetzen. Dabei wird die Wärme an die Umgebung abgegeben.

Somit lassen sich drei Phasen des betrachteten Prozesses unterscheiden: Lichtbogenzündung, wenn aufgrund der Stoßionisation und der Emission von Elektronen aus der Kathode eine Bogenentladung beginnt und die Ionisationsintensität höher ist als die Deionisation, stabiles Brennen des Lichtbogens unterstützt durch thermische Ionisation im Lichtbogenzylinder, wenn die Intensitäten der Ionisation und Deionisation gleich sind, Verschwinden des Lichtbogens, wenn die Intensität der Deionisation höher ist als die der Ionisation.

Methoden zum Löschen des Lichtbogens in elektrischen Schaltgeräten

Um die Elemente des Stromkreises zu trennen und eine Beschädigung des Schaltgeräts auszuschließen, ist es nicht nur erforderlich, seine Kontakte zu öffnen, sondern auch den zwischen ihnen entstehenden Lichtbogen zu löschen. Lichtbogenlöschverfahren sowie das Brennen mit Wechselstrom und Gleichstrom sind unterschiedlich.Dies wird dadurch bestimmt, dass im ersten Fall der Strom im Lichtbogen in jeder Halbwelle einen Nulldurchgang durchläuft. Zu diesen Zeiten stoppt die Energiefreisetzung im Lichtbogen und der Lichtbogen erlischt spontan und zündet sich dann jedes Mal neu.

In der Praxis nähert sich der Strom im Lichtbogen etwas früher als dem Nulldurchgang dem Wert Null, da mit abnehmendem Strom die dem Lichtbogen zugeführte Energie abnimmt und die Temperatur des Lichtbogens entsprechend sinkt und die thermische Ionisierung aufhört. In diesem Fall läuft der Entionisierungsprozess in der Lichtbogenstrecke intensiv weiter. Wenn Sie die Kontakte zu diesem Zeitpunkt schnell öffnen, kann es sein, dass die anschließende elektrische Unterbrechung nicht auftritt und der Stromkreis ohne Lichtbogenbildung getrennt wird. In der Praxis ist dies jedoch äußerst schwierig zu bewerkstelligen, weshalb besondere Maßnahmen ergriffen werden, um das Erlöschen des Lichtbogens zu beschleunigen, eine Kühlung des Lichtbogenraums sicherzustellen und die Anzahl der geladenen Teilchen zu reduzieren.

Durch die Entionisierung nimmt die Spannungsfestigkeit des Spalts allmählich zu und gleichzeitig steigt die Erholungsspannung darin. Das Verhältnis dieser Werte hängt davon ab, ob der Regenbogen in der nächsten Hälfte des Zeitraums aufleuchtet oder nicht. Steigt die Spannungsfestigkeit des Spalts schneller an und ist größer als die Wiederkehrspannung, zündet der Lichtbogen nicht mehr, andernfalls entsteht ein stabiler Lichtbogen. Die erste Bedingung definiert das Problem der Lichtbogenlöschung.

In Schaltanlagen kommen unterschiedliche Lichtbogenlöschverfahren zum Einsatz.

Den Bogen erweitern

Wenn die Kontakte beim Trennen des Stromkreises auseinanderlaufen, wird der entstehende Lichtbogen gedehnt.Gleichzeitig werden die Kühlbedingungen des Lichtbogens verbessert, da seine Oberfläche größer wird und mehr Spannung zum Brennen benötigt wird.

Aufteilen eines langen Bogens in eine Reihe kurzer Bögen

Wird der beim Öffnen der Kontakte entstehende Lichtbogen in K kurze Lichtbögen aufgeteilt, beispielsweise durch Einziehen in ein Metallgitter, erlischt er. Typischerweise wird der Lichtbogen unter dem Einfluss eines elektromagnetischen Feldes, das in den Gitterplatten durch Wirbelströme induziert wird, in ein Metallgitter eingeleitet. Dieses Verfahren der Lichtbogenlöschung wird häufig in Schaltanlagen für Spannungen unter 1 kV, insbesondere in automatischen Luftschaltern, eingesetzt.

Lichtbogenkühlung in schmalen Schlitzen

Das Löschen kleiner Lichtbögen wird erleichtert. Daher in Schaltgeräte Weit verbreitet sind Lichtbogenrutschen mit Längsschlitzen (die Achse eines solchen Schlitzes fällt in Richtung mit der Achse des Bogenzylinders zusammen). Ein solcher Spalt entsteht üblicherweise in Kammern aus isolierenden lichtbogenbeständigen Materialien. Durch den Kontakt des Lichtbogens mit kalten Oberflächen kommt es zu seiner intensiven Abkühlung, der Diffusion geladener Teilchen in die Umgebung und dementsprechend zu einer schnellen Entionisierung.

Neben Schlitzen mit planparallelen Wänden werden auch Schlitze mit Rippen, Vorsprüngen, Erweiterungen (Taschen) verwendet. All dies führt zu einer Verformung des Bogenzylinders und vergrößert die Kontaktfläche mit den kalten Wänden der Kammer.

Der Lichtbogen wird normalerweise durch ein mit dem Lichtbogen wechselwirkendes Magnetfeld in schmale Schlitze gezogen, was man sich als stromführenden Leiter vorstellen kann.

Extern Magnetfeld Die Bewegung des Lichtbogens erfolgt meist durch eine Spule, die in Reihe mit den Kontakten geschaltet ist, zwischen denen der Lichtbogen entsteht.Die Schmalschlitzlichtbogenlöschung wird in Geräten für alle Spannungen eingesetzt.

Hochdruck-Lichtbogenlöschung

Bei konstanter Temperatur nimmt der Ionisationsgrad des Gases mit zunehmendem Druck ab, während die Wärmeleitfähigkeit des Gases zunimmt. Unter sonst gleichen Bedingungen führt dies zu einer verbesserten Lichtbogenkühlung. Die Lichtbogenlöschung durch hohen Druck, der durch den Lichtbogen selbst in dicht geschlossenen Kammern erzeugt wird, wird häufig in Sicherungen und einer Reihe anderer Geräte eingesetzt.

Lichtbogenlöschung in Öl

Wenn Schaltkontakte In Öl eingelegt, führt der beim Öffnen entstehende Lichtbogen zu einer starken Verdampfung des Öls. Dadurch bildet sich um den Lichtbogen eine Gasblase (Hülle), die hauptsächlich aus Wasserstoff (70 ... 80 %) sowie Öldampf besteht. Die emittierten Gase dringen mit hoher Geschwindigkeit direkt in den Bereich des Lichtbogenzylinders ein, bewirken eine Vermischung von kaltem und heißem Gas in der Blase, sorgen für eine intensive Kühlung und damit für eine Entionisierung der Lichtbogenstrecke. Darüber hinaus erhöht die Deionisierungsfähigkeit der Gase den Druck im Inneren der Blase, der bei der schnellen Zersetzung des Öls entsteht.

Die Intensität des Lichtbogenlöschvorgangs im Öl ist umso höher, je näher der Lichtbogen mit dem Öl in Kontakt kommt und je schneller sich das Öl relativ zum Lichtbogen bewegt. Vor diesem Hintergrund wird die Lichtbogenstrecke durch eine geschlossene Isoliervorrichtung begrenzt – Lichtbogenkammer... In diesen Kammern entsteht ein engerer Kontakt des Öls mit dem Lichtbogen und mit Hilfe von Isolierplatten und Austrittslöchern werden Arbeitskanäle gebildet Durch die Bewegung von Öl und Gasen wird eine intensive Ausblasung des Lichtbogens gewährleistet.

Lichtbogenkammern werden nach dem Funktionsprinzip in drei Hauptgruppen eingeteilt: mit Selbstblasen, wenn im Bereich des Lichtbogens aufgrund der im Lichtbogen freigesetzten Energie ein hoher Druck und eine hohe Geschwindigkeit der Gasbewegung erzeugt werden, mit Zwangsblasen von Öl mit Hilfe spezieller Pumphydraulikmechanismen mit magnetischer Abschreckung im Öl. Wenn der Lichtbogen unter der Wirkung des Magnetfelds steht, bewegt er sich in enge Lücken.

Die effektivsten und einfachsten selbstaufblasenden Lichtbogenkammern... Je nach Lage der Kanäle und Ausblasöffnungen werden Kammern unterschieden, in denen ein intensives Blasen des Gas-Dampf-Gemisches und Öls entlang der Lichtbogenströmung (Längsblasen) bzw durch den Lichtbogen (Querblasen) vorgesehen ist). Die betrachteten Lichtbogenlöschverfahren werden häufig in Leistungsschaltern für Spannungen über 1 kV eingesetzt.

Andere Methoden zum Löschen des Lichtbogens in Geräten für Spannungen über 1 kV

Zusätzlich zu den oben genannten Methoden zum Löschen des Lichtbogens verwenden sie auch: Druckluft, deren Strömung den Lichtbogen entlang oder quer bläst und so für eine intensive Kühlung sorgt (anstelle von Luft werden andere Gase verwendet, die häufig aus festen gaserzeugenden Gasen gewonnen werden). Materialien – Fasern, Vinylkunststoff usw. – auf Kosten ihrer Zersetzung durch den brennenden Lichtbogen selbst), SF6 (Schwefelhexafluorid), das eine höhere elektrische Festigkeit als Luft und Wasserstoff hat, wodurch der in diesem Gas brennende Lichtbogen auch bei Atmosphärendruck schnell erlischt, stark verdünntes Gas (Vakuum), wenn die Kontakte geöffnet werden, in dem der Lichtbogen erlischt nach dem ersten Nulldurchgang des Stroms nicht zündet (erlischt).