O processo de formação de um arco elétrico e métodos de extinção

Quando o circuito elétrico é aberto, ocorre uma descarga elétrica na forma de um arco elétrico. Para o aparecimento de um arco elétrico, basta que a tensão dos contatos esteja acima de 10 V em uma corrente no circuito da ordem de 0,1 A ou mais. Com tensões e correntes significativas, a temperatura dentro do arco pode chegar a 3-15 mil ° C, resultando no derretimento dos contatos e partes energizadas.

Em tensões de 110 kV e acima, o comprimento do arco pode atingir vários metros. Portanto, um arco elétrico, especialmente em circuitos de alta potência, para tensões acima de 1 kV é um grande perigo, embora também possam ocorrer sérias conseqüências em instalações para tensões abaixo de 1 kV. Como resultado, o arco deve ser contido tanto quanto possível e rapidamente extinto em circuitos para tensões acima e abaixo de 1 kV.

Causas do arco elétrico

O processo de formação de um arco elétrico pode ser simplificado da seguinte forma.Quando os contatos divergem, a pressão de contato primeiro diminui e a superfície de contato aumenta de acordo, resistência de transição (densidade de corrente e temperatura - local (em certas áreas da área de contato) começa o superaquecimento, o que contribui ainda mais para a radiação termiônica, quando sob a influência de alta temperatura a velocidade dos elétrons aumenta e eles explodem da superfície do eletrodo.

No momento da separação do contato, ou seja, o circuito é interrompido, a tensão é rapidamente restaurada na lacuna do contato. Como neste caso a distância entre os contatos é pequena, há campo elétrico alta tensão sob a influência da qual os elétrons são retirados da superfície do eletrodo. Eles aceleram em um campo elétrico e quando atingem um átomo neutro, eles fornecem sua energia cinética. Se essa energia for suficiente para arrancar pelo menos um elétron da camada de um átomo neutro, ocorre o processo de ionização.

Os elétrons e íons livres formados constituem o plasma do tronco do arco, ou seja, o canal ionizado no qual o arco queima e é assegurado um movimento contínuo das partículas. Nesse caso, partículas carregadas negativamente, principalmente elétrons, movem-se em uma direção (em direção ao ânodo), e átomos e moléculas de gases privados de um ou mais elétrons – partículas carregadas positivamente – na direção oposta (em direção ao cátodo).

A condutividade do plasma é próxima à dos metais.

Uma grande corrente flui no eixo do arco e uma alta temperatura é criada.Essa temperatura do cilindro do arco leva à ionização térmica - o processo de formação de íons devido à colisão de moléculas e átomos com alta energia cinética em altas velocidades de movimento (moléculas e átomos do meio onde o arco queima se desintegram em elétrons e positivamente íons carregados). A ionização térmica intensa mantém a alta condutividade do plasma. Portanto, a queda de tensão ao longo do arco é pequena.

Em um arco elétrico, dois processos ocorrem constantemente: além da ionização, também ocorre a deionização de átomos e moléculas. Esta última ocorre principalmente por difusão, ou seja, a transferência de partículas carregadas para o ambiente e a recombinação de elétrons e íons carregados positivamente, que se reagrupam em partículas neutras com o retorno da energia gasta em sua desintegração. Nesse caso, o calor é removido para o ambiente.

Assim, podem ser distinguidas três etapas do processo considerado: ignição do arco, quando devido à ionização por choque e à emissão de elétrons do cátodo, inicia-se uma descarga de arco e a intensidade da ionização é maior que a deionização, queima estável do arco suportada por ionização térmica no cilindro do arco quando as intensidades de ionização e deionização são iguais, desaparecimento do arco quando a intensidade de deionização é maior que a de ionização.

Métodos de extinção do arco em dispositivos de comutação elétrica

Para desconectar os elementos do circuito elétrico e excluir danos ao dispositivo de comutação, é necessário não apenas abrir seus contatos, mas também extinguir o arco que surge entre eles. Os processos de extinção de arco, assim como a queima, com corrente alternada e corrente contínua são diferentes.Isso é determinado pelo fato de que, no primeiro caso, a corrente no arco passa por zero a cada meio ciclo. Nesses momentos, a liberação de energia no arco cessa e o arco extingue-se espontaneamente e, em seguida, reacende-se a cada vez.

Na prática, a corrente no arco torna-se próxima de zero um pouco antes da passagem pelo zero, porque à medida que a corrente diminui, a energia fornecida ao arco diminui e a temperatura do arco diminui proporcionalmente e a ionização térmica cessa. Neste caso, o processo de deionização continua intensamente no gap do arco. Se você abrir e abrir rapidamente os contatos neste momento, a interrupção elétrica subsequente pode não ocorrer e o circuito será desconectado sem arco. Na prática, no entanto, isso é extremamente difícil de fazer e, portanto, medidas especiais são tomadas para acelerar a extinção do arco, garantir o resfriamento do espaço do arco e reduzir o número de partículas carregadas.

Como resultado da deionização, a rigidez dielétrica da lacuna aumenta gradualmente e, ao mesmo tempo, a tensão de recuperação aumenta. A proporção desses valores depende se o arco-íris acenderá na próxima metade do período ou não. Se a rigidez dielétrica da lacuna aumentar mais rapidamente e for maior que a tensão de recuperação, o arco não será mais inflamado, caso contrário, um arco estável será fornecido. A primeira condição define o problema de extinção de arco.

Diferentes métodos de extinção de arco são usados ​​no painel.

Estendendo o arco

Se os contatos divergirem durante a desconexão do circuito elétrico, o arco resultante é esticado.Ao mesmo tempo, as condições de resfriamento do arco são melhoradas porque sua área de superfície aumenta e mais tensão é necessária para queimar.

Dividindo um arco longo em uma série de arcos curtos

Se o arco formado quando os contatos se abrem for dividido em K arcos curtos, por exemplo puxando para uma grade de metal, ele se extinguirá. Normalmente, o arco é introduzido em uma grade de metal sob a influência de um campo eletromagnético induzido nas placas da grade por correntes parasitas. Este método de extinção de arco é amplamente utilizado em aparelhagem para tensões abaixo de 1 kV, em particular em interruptores automáticos de ar.

Resfriamento de arco em slots estreitos

A extinção de pequenos arcos é facilitada. Portanto, em dispositivos de comutação chutes de arco com ranhuras longitudinais são amplamente utilizados (o eixo de tal ranhura coincide na direção com o eixo do cilindro de arco). Essa lacuna geralmente é formada em câmaras feitas de materiais isolantes resistentes a arco. Devido ao contato do arco com superfícies frias, ocorre seu intenso resfriamento, difusão de partículas carregadas no ambiente e, conseqüentemente, rápida deionização.

Além das ranhuras com paredes planas paralelas, também são utilizadas ranhuras com nervuras, saliências, extensões (bolsos). Tudo isso leva à deformação do cilindro do arco e aumenta a área de contato com as paredes frias da câmara.

O arco é desenhado em fendas estreitas geralmente por um campo magnético interagindo com o arco, que pode ser pensado como um condutor de corrente.

Externo campo magnético para mover o arco é geralmente fornecido por uma bobina conectada em série com os contatos entre os quais o arco ocorre.A extinção de arco de fenda estreita é usada em dispositivos para todas as tensões.

Extinção de arco de alta pressão

A temperatura constante, o grau de ionização do gás diminui com o aumento da pressão, enquanto a condutividade térmica do gás aumenta. Todas as outras coisas sendo iguais, isso resulta em melhor resfriamento do arco. A extinção de arco por alta pressão, criada pelo próprio arco em câmaras hermeticamente fechadas, é amplamente utilizada em fusíveis e em vários outros dispositivos.

Têmpera de arco em óleo

Se troca de contatos colocados no óleo, o arco que se forma ao serem abertos leva a uma intensa evaporação do óleo. Como resultado, uma bolha de gás (envelope) é formada ao redor do arco, consistindo principalmente de hidrogênio (70 ... 80%), além de vapor de óleo. Os gases emitidos penetram diretamente na área do cilindro do arco em alta velocidade, causam mistura de gás frio e quente na bolha, fornecem resfriamento intensivo e, consequentemente, deionização do intervalo do arco. Além disso, a capacidade de deionização dos gases aumenta a pressão dentro da bolha criada durante a rápida decomposição do óleo.

A intensidade do processo de extinção do arco no óleo é tanto maior quanto mais próximo o arco entra em contato com o óleo e mais rápido o óleo se move em relação ao arco. Diante disso, a folga do arco é limitada por um dispositivo isolante fechado - calha de arco... Nessas câmaras, é criado um contato mais próximo do óleo com o arco e, com a ajuda de placas isolantes e orifícios de descarga, são formados canais de trabalho por onde passa o movimento de óleo e gases, proporcionando blowout intensivo (blowout) do arco.

As calhas de arco de acordo com o princípio de operação, são divididas em três grupos principais: com sopro automático, quando alta pressão e velocidade de movimento do gás são criadas na área do arco devido à energia liberada no arco, com sopro forçado de óleo com a ajuda de mecanismos hidráulicos de bombeamento especiais, com têmpera magnética em óleo, quando o arco está sob a ação do campo magnético, ele se move em lacunas estreitas.

As calhas de arco auto-infláveis ​​​​mais eficazes e simples... Dependendo da localização dos canais e das aberturas de exaustão, distinguem-se as câmaras nas quais o sopro intensivo da mistura gás-vapor e óleo ao longo da corrente do arco (sopro longitudinal) ou através do arco (sopro transversal) é fornecido). Os métodos de extinção de arco considerados são amplamente utilizados em disjuntores para tensões acima de 1 kV.

Outros métodos de extinção de arco em dispositivos para tensões acima de 1 kV

Além dos métodos de extinção do arco acima, eles também usam: ar comprimido, cujo fluxo sopra o arco ao longo ou transversalmente, garantindo seu resfriamento intenso (em vez de ar, outros gases são usados, geralmente obtidos de geradores de gás sólido materiais — fibras, plástico vinílico, etc. — à custa da sua decomposição pelo próprio arco de combustão), SF6 (hexafluoreto de enxofre), que tem uma força elétrica maior que o ar e o hidrogênio, pelo que o arco que queima neste gás, mesmo à pressão atmosférica, se extingue rapidamente, gás altamente rarefeito (vácuo) quando os contatos são abertos, no qual o arco não não acende (extingue) após a primeira passagem da corrente pelo zero.