El proceso de formación de un arco eléctrico y métodos para extinguirlo.

Cuando se abre el circuito eléctrico, se produce una descarga eléctrica en forma de arco eléctrico. Para la aparición de un arco eléctrico, basta que la tensión de los contactos sea superior a 10 V a una corriente en el circuito del orden de 0,1 A o más. Con voltajes y corrientes significativos, la temperatura dentro del arco puede alcanzar los 3-15 mil ° C, como resultado de lo cual los contactos y las partes activas se derriten.

A voltajes de 110 kV y superiores, la longitud del arco puede alcanzar varios metros. Por tanto, un arco eléctrico, especialmente en circuitos de alta potencia, para tensiones superiores a 1 kV es un gran peligro, aunque también puede tener graves consecuencias en instalaciones para tensiones inferiores a 1 kV. Como resultado, la formación de arcos debe contenerse tanto como sea posible y extinguirse rápidamente en los circuitos para voltajes tanto por encima como por debajo de 1 kV.

Causas del arco eléctrico

El proceso de formación de un arco eléctrico se puede simplificar de la siguiente manera.Cuando los contactos divergen, la presión de contacto primero disminuye y la superficie de contacto aumenta en consecuencia, resistencia de transición (Densidad de corriente y temperatura: comienza el sobrecalentamiento local (en ciertas áreas del área de contacto), lo que contribuye aún más a la radiación termoiónica, cuando bajo la influencia de la alta temperatura, la velocidad de los electrones aumenta y estallan en la superficie del electrodo.

En el momento de la separación de los contactos, es decir, el circuito se rompe, el voltaje se restablece rápidamente en el espacio de contacto. Como en este caso la distancia entre los contactos es pequeña, hay campo eléctrico alto voltaje bajo la influencia de los cuales los electrones se retiran de la superficie del electrodo. Se aceleran en un campo eléctrico y cuando golpean un átomo neutro, le dan su energía cinética. Si esta energía es suficiente para arrancar al menos un electrón de la capa de un átomo neutro, entonces tiene lugar el proceso de ionización.

Los electrones e iones libres formados constituyen el plasma del tronco del arco, es decir, el canal ionizado en el que arde el arco y se asegura un movimiento continuo de partículas. En este caso, las partículas cargadas negativamente, principalmente electrones, se mueven en una dirección (hacia el ánodo), y los átomos y moléculas de gases privados de uno o más electrones —partículas cargadas positivamente— en dirección opuesta (hacia el cátodo).

La conductividad del plasma es cercana a la de los metales.

Una gran corriente fluye en el eje del arco y se crea una alta temperatura.Esta temperatura del cilindro del arco conduce a la ionización térmica, el proceso de formación de iones debido a la colisión de moléculas y átomos con alta energía cinética a altas velocidades de su movimiento (las moléculas y los átomos del medio donde se quema el arco se desintegran en electrones y positivamente iones cargados). La ionización térmica intensa mantiene una alta conductividad del plasma. Por lo tanto, la caída de voltaje a lo largo del arco es pequeña.

En un arco eléctrico, constantemente tienen lugar dos procesos: además de la ionización, también la desionización de átomos y moléculas. Esta última ocurre principalmente por difusión, es decir, la transferencia de partículas cargadas al medio ambiente y la recombinación de electrones e iones cargados positivamente, que se reensamblan en partículas neutras con el retorno de la energía gastada en su desintegración. En este caso, el calor se elimina al medio ambiente.

Así, se pueden distinguir tres etapas del proceso considerado: encendido del arco, cuando debido a la ionización por choque y a la emisión de electrones del cátodo, se inicia una descarga del arco y la intensidad de la ionización es mayor que la de la desionización, combustión estable del arco sustentada por ionización térmica en el cilindro de arco cuando las intensidades de ionización y desionización son iguales, desaparición del arco cuando la intensidad de desionización es superior a la de ionización.

Métodos de extinción del arco en dispositivos de conmutación eléctrica.

Para desconectar los elementos del circuito eléctrico y excluir daños al dispositivo de conmutación, es necesario no solo abrir sus contactos, sino también extinguir el arco que aparece entre ellos. Los procesos de extinción de arco, así como la quema, con corriente alterna y corriente continua son diferentes.Esto viene determinado por el hecho de que en el primer caso la corriente en el arco pasa por cero cada medio ciclo. En esos momentos, la liberación de energía en el arco se detiene y el arco se apaga espontáneamente y luego se vuelve a encender cada vez.

En la práctica, la corriente en el arco se acerca a cero un poco antes del cruce por cero, porque a medida que la corriente disminuye, la energía suministrada al arco disminuye y la temperatura del arco disminuye en consecuencia y cesa la ionización térmica. En este caso, el proceso de desionización continúa intensamente en el espacio de arco. Si abre y abre rápidamente los contactos en este momento, es posible que no se produzca la interrupción eléctrica posterior y que el circuito se desconecte sin que se forme un arco. En la práctica, sin embargo, esto es extremadamente difícil de hacer y, por lo tanto, se toman medidas especiales para acelerar la extinción del arco, asegurar el enfriamiento del espacio del arco y reducir el número de partículas cargadas.

Como resultado de la desionización, la rigidez dieléctrica del espacio aumenta gradualmente y al mismo tiempo aumenta la tensión de recuperación en él. La proporción de estos valores depende de si el arco iris se iluminará en la próxima mitad del período o no. Si la rigidez dieléctrica del espacio aumenta más rápido y es mayor que el voltaje de recuperación, el arco ya no se encenderá; de lo contrario, se proporcionará un arco estable. La primera condición define el problema de extinción del arco.

En los equipos de conmutación se utilizan diferentes métodos de extinción de arco.

Extendiendo el arco

Si los contactos divergen durante la desconexión del circuito eléctrico, el arco resultante se estira.Al mismo tiempo, se mejoran las condiciones de enfriamiento del arco porque su área superficial aumenta y se requiere más voltaje para quemar.

Dividir un arco largo en una serie de arcos cortos

Si el arco formado cuando los contactos se abren se divide en K arcos cortos, por ejemplo tirando de una rejilla metálica, se extinguirá. Normalmente, el arco se introduce en una rejilla metálica bajo la influencia de un campo electromagnético inducido en las placas de la rejilla por corrientes de Foucault. Este método de extinción de arco es ampliamente utilizado en aparamenta para voltajes por debajo de 1 kV, en particular en interruptores neumáticos automáticos.

Refrigeración por arco en ranuras estrechas

Se facilita la extinción de pequeños arcos. Por lo tanto, en dispositivos de conmutación Las rampas de arco con ranuras longitudinales se utilizan ampliamente (el eje de dicha ranura coincide en dirección con el eje del cilindro de arco). Dicho espacio generalmente se forma en cámaras hechas de materiales aislantes resistentes al arco. Debido al contacto del arco con superficies frías, se produce su intenso enfriamiento, la difusión de partículas cargadas en el medio ambiente y, en consecuencia, una rápida desionización.

Además de las ranuras con paredes planas y paralelas, también se utilizan ranuras con nervaduras, salientes, extensiones (bolsillos). Todo esto conduce a la deformación del cilindro de arco y aumenta el área de su contacto con las paredes frías de la cámara.

El arco es atraído hacia ranuras estrechas, generalmente por un campo magnético que interactúa con el arco, que puede considerarse como un conductor que transporta corriente.

Externo campo magnético para mover el arco lo proporciona con mayor frecuencia una bobina conectada en serie con los contactos entre los que se produce el arco.La extinción de arco de ranura estrecha se utiliza en dispositivos para todos los voltajes.

Extinción de arco de alta presión

A temperatura constante, el grado de ionización del gas disminuye al aumentar la presión, mientras que la conductividad térmica del gas aumenta. En igualdad de condiciones, esto da como resultado un enfriamiento del arco mejorado. La extinción de arco por alta presión, creada por el propio arco en cámaras herméticamente cerradas, se usa ampliamente en fusibles y otros dispositivos.

Apagado de arco en aceite

Si contactos de conmutación colocados en aceite, el arco que se produce al abrirlos provoca una intensa evaporación del aceite. Como resultado, se forma una burbuja de gas (envoltura) alrededor del arco, que consiste principalmente en hidrógeno (70 ... 80%), así como vapor de aceite. Los gases emitidos penetran directamente en el área del cilindro del arco a alta velocidad, provocan la mezcla de gas frío y caliente en la burbuja, proporcionan un enfriamiento intensivo y, en consecuencia, la desionización del espacio del arco. Además, la capacidad desionizante de los gases aumenta la presión dentro de la burbuja creada durante la rápida descomposición del petróleo.

La intensidad del proceso de extinción del arco en el aceite es mayor cuanto más cerca entra en contacto el arco con el aceite y más rápido se mueve el aceite en relación con el arco. Dado esto, el espacio del arco está limitado por un dispositivo aislante cerrado - cámara de arco... En estas cámaras, se crea un contacto más estrecho del aceite con el arco, y con la ayuda de placas aislantes y orificios de descarga, se forman canales de trabajo. a través del cual el el movimiento de petróleo y gases, proporcionando un reventón intensivo (reventón) del arco.

Cámaras de arco según el principio de funcionamiento, se dividen en tres grupos principales: con autosoplado, cuando se crean alta presión y velocidad de movimiento del gas en el área del arco debido a la energía liberada en el arco, con soplado forzado de aceite con la ayuda de mecanismos hidráulicos de bombeo especiales, con enfriamiento magnético en aceite, cuando el arco está bajo la acción del campo magnético, se mueve en espacios estrechos.

Los conductos de arco autoinflables más efectivos y simples... Dependiendo de la ubicación de los canales y las aberturas de escape, se distinguen cámaras en las que sopla intensamente la mezcla de gas y vapor y aceite a lo largo de la corriente del arco (soplado longitudinal) o a través del arco (soplado transversal) se proporciona). Los métodos de extinción de arco considerados son ampliamente utilizados en interruptores automáticos para tensiones superiores a 1 kV.

Otros métodos de extinción del arco en dispositivos para tensiones superiores a 1 kV

Además de los métodos anteriores para extinguir el arco, también utilizan: aire comprimido, cuyo flujo sopla el arco a lo largo o a lo ancho, asegurando su intenso enfriamiento (en lugar de aire, se utilizan otros gases, a menudo obtenidos a partir de sólidos generadores de gas). materiales (fibras, plástico vinílico, etc.) a expensas de su descomposición por el propio arco de combustión), SF6 (hexafluoruro de azufre), que tiene una fuerza eléctrica superior a la del aire y el hidrógeno, por lo que el arco que arde en este gas, incluso a presión atmosférica, se extingue rápidamente, gas muy enrarecido (vacío) cuando se abren los contactos, en el que el arco no no se enciende (se apaga) después del primer paso de la corriente por cero.