Elektrikaare moodustamise protsess ja selle kustutamise meetodid

Elektriahela avamisel tekib elektrilahendus elektrikaare kujul. Elektrikaare ilmnemiseks piisab, kui kontaktide pinge on voolutugevusel 0,1 A või rohkem kui 10 V. Oluliste pingete ja voolude korral võib kaare sees temperatuur ulatuda 3-15 tuhande ° C-ni, mille tagajärjel kontaktid ja pingestatud osad sulavad.

110 kV ja kõrgemal pingel võib kaare pikkus ulatuda mitme meetrini. Seetõttu on elektrikaar, eriti suure võimsusega ahelates, üle 1 kV pinge korral suur oht, kuigi tõsised tagajärjed võivad olla ka alla 1 kV pinge korral. Sellest tulenevalt tuleb nii üle kui ka alla 1 kV pingete puhul piirata nii palju kui võimalik kaare teket ja kiiresti kustutada.

Elektrikaare tekkimise põhjused

Elektrikaare moodustamise protsessi saab lihtsustada järgmiselt.Kui kontaktid lahknevad, väheneb esmalt kontaktrõhk ja vastavalt suureneb kontaktpind, üleminekutakistus (voolutihedus ja temperatuur — algab lokaalne (kontaktala teatud piirkondades) ülekuumenemine, mis soodustab veelgi termokiirgust, kui kõrge temperatuuri mõjul elektronide kiirus suureneb ja need purskuvad elektroodi pinnalt.

Kontaktide eraldamise hetkel, see tähendab, et vooluahel on katki, pinge taastub kiiresti kontaktivahes. Kuna sel juhul on kontaktide vaheline kaugus väike, on olemas elektriväli kõrgepinge, mille mõjul eemaldatakse elektronid elektroodi pinnalt. Nad kiirendavad elektriväljas ja kui nad tabavad neutraalset aatomit, annavad nad sellele oma kineetilise energia. Kui sellest energiast piisab vähemalt ühe elektroni rebimiseks neutraalse aatomi kestast, siis toimub ionisatsiooniprotsess.

Moodustunud vabad elektronid ja ioonid moodustavad kaaretüve plasma ehk ioniseeritud kanali, milles kaar põleb ja on tagatud osakeste pidev liikumine. Sel juhul liiguvad negatiivselt laetud osakesed, peamiselt elektronid, ühes suunas (anoodi poole) ning ühest või mitmest elektronist ilma jäänud gaaside aatomid ja molekulid – positiivselt laetud osakesed – vastupidises suunas (katoodi poole).

Plasma juhtivus on lähedane metallide juhtivusele.

Kaarvõllis liigub suur vool ja tekib kõrge temperatuur.Kaarsilindri selline temperatuur viib termilise ionisatsioonini - ioonide moodustumise protsessi, mis on tingitud suure kineetilise energiaga molekulide ja aatomite kokkupõrkest nende suurel liikumiskiirusel (keskkonna molekulid ja aatomid, kus kaar põleb, lagunevad elektronideks ja positiivselt laetud ioonid). Intensiivne termiline ionisatsioon säilitab kõrge plasmajuhtivuse. Seetõttu on pingelang piki kaaret väike.

Elektrikaares toimub pidevalt kaks protsessi: lisaks ionisatsioonile ka aatomite ja molekulide deionisatsioon. Viimane toimub peamiselt difusiooni teel, see tähendab laetud osakeste keskkonda viimise ning elektronide ja positiivselt laetud ioonide rekombinatsiooni teel, mis koosnevad uuesti neutraalseteks osakesteks koos nende lagunemisele kulunud energia tagastamisega. Sel juhul eemaldatakse soojus keskkonda.

Seega saab eristada vaadeldava protsessi kolme etappi: kaare süttimine, kui löökionisatsiooni ja elektronide emissiooni tõttu katoodist algab kaare tühjenemine ja ionisatsiooni intensiivsus on suurem kui deionisatsioon, kaare stabiilne põlemine, mida toetab termiline ionisatsioon kaare silindris, kui ionisatsiooni ja deionisatsiooni intensiivsused on samad, kaare kadumine, kui deionisatsiooni intensiivsus on suurem kui ionisatsiooni oma.

Kaare kustutamise meetodid elektrilistes lülitusseadmetes

Elektriahela elementide lahtiühendamiseks ja lülitusseadme kahjustamise välistamiseks on vaja mitte ainult avada selle kontaktid, vaid ka kustutada nende vahele ilmuv kaar. Kaare kustutusprotsessid, aga ka põlemine vahelduv- ja alalisvooluga on erinevad.Selle määrab asjaolu, et esimesel juhul läbib kaare vool igal pooltsüklil nulli. Nendel aegadel energia vabanemine kaares peatub ja kaar kustub spontaanselt ja süttib seejärel iga kord uuesti.

Praktikas muutub vool kaares nullilähedaseks veidi varem kui nulli ristumine, sest voolu vähenedes kaarele antav energia väheneb ning vastavalt väheneb kaare temperatuur ja termiline ionisatsioon lakkab. Sel juhul jätkub deioniseerimisprotsess intensiivselt kaarevahes. Kui avate ja avate kontaktid sel ajal kiiresti, ei pruugi järgnevat elektrikatkestust tekkida ja vooluahel katkeb ilma kaare tekkimiseta. Praktikas on seda aga äärmiselt raske teha ning seetõttu võetakse kasutusele erimeetmed kaare kustumise kiirendamiseks, kaareruumi jahutamise tagamiseks ja laetud osakeste arvu vähendamiseks.

Deioniseerimise tulemusena suureneb järk-järgult pilu dielektriline tugevus ja samal ajal suureneb selles olev taastumispinge. Nende väärtuste suhe sõltub sellest, kas vikerkaar süttib perioodi järgmisel poolel või mitte. Kui pilu dielektriline tugevus suureneb kiiremini ja on suurem kui taastumispinge, siis kaar enam ei sütti, vastasel juhul tekib stabiilne kaar. Esimene tingimus määratleb kaare kustutamise probleemi.

Jaotusseadmetes kasutatakse erinevaid kaare summutamise meetodeid.

Kaare pikendamine

Kui elektriahela lahtiühendamise ajal kontaktid lahknevad, venitatakse tekkinud kaar.Samal ajal paranevad kaare jahutustingimused, kuna selle pindala suureneb ja põletamiseks on vaja rohkem pinget.

Pika kaare jagamine lühikeste kaaredeks

Kui kontaktide avanemisel tekkinud kaar jagada K lühikeseks kaareks näiteks metallvõresse tõmmates, siis see kustub. Tavaliselt viiakse kaar metallvõresse elektromagnetvälja mõjul, mis on võreplaatides pöörisvoolude poolt esile kutsutud. Seda kaare kustutamise meetodit kasutatakse laialdaselt alla 1 kV pingega lülitusseadmetes, eriti automaatsetes õhulülitites.

Kaarjahutus kitsastes piludes

Väikeste kaare kustutamine on hõlbustatud. Seetõttu sisse lülitusseadmed laialdaselt on kasutusel pikisuunaliste piludega kaarrennid (sellise pilu telg ühtib suunaliselt kaaresilindri teljega). Selline vahe tekib tavaliselt kaarekindlatest isoleerivatest materjalidest valmistatud kambrites. Kaare kokkupuutel külmade pindadega toimub selle intensiivne jahutamine, laetud osakeste difusioon keskkonda ja vastavalt kiire deioniseerumine.

Lisaks lamedate paralleelsete seintega piludele kasutatakse ka ribidega pilusid, eendeid, pikendusi (taskuid). Kõik see põhjustab kaare silindri deformatsiooni ja suurendab selle kokkupuuteala kambri külmade seintega.

Kaar tõmmatakse kitsastesse piludesse tavaliselt kaarega interakteeruva magnetvälja abil, mida võib pidada voolu juhtivaks juhiks.

Väline magnetväli kaare liigutamiseks on enamasti ette nähtud mähis, mis on järjestikku ühendatud kontaktidega, mille vahel kaar tekib.Kitsa pilu kaare kustutamist kasutatakse kõigi pingete jaoks mõeldud seadmetes.

Kõrgsurve kaarkustutus

Konstantsel temperatuuril väheneb gaasi ionisatsiooniaste rõhu tõustes, samal ajal kui gaasi soojusjuhtivus suureneb. Kui kõik muud tingimused on võrdsed, on tulemuseks parem kaare jahutus. Kaarkustutamist kõrge rõhuga, mille tekitab kaar ise tihedalt suletud kambrites, kasutatakse laialdaselt kaitsmetes ja paljudes muudes seadmetes.

Kaare kustutamine õlis

Kui kontaktide vahetamine õli sisse asetatuna põhjustab nende avamisel tekkiv kaar õli intensiivse aurustumiseni. Selle tulemusena moodustub kaare ümber gaasimull (ümbris), mis koosneb peamiselt vesinikust (70 ... 80%), aga ka õliaurust. Eraldatud gaasid tungivad suurel kiirusel otse kaare silindri piirkonda, põhjustavad külma ja kuuma gaasi segunemist mullides, tagavad intensiivse jahutuse ja vastavalt kaarepilu deioniseerimise. Lisaks suurendab gaaside deioniseerimisvõime rõhku õli kiirel lagunemisel tekkiva mulli sees.

Kaare kustutusprotsessi intensiivsus õlis on seda suurem, mida lähemal on kaar õliga kokku puutunud ja seda kiiremini õli kaare suhtes liigub. Arvestades seda, on kaarevahe piiratud suletud isolatsiooniseadmega - kaarrenniga... Nendes kambrites tekib õli tihedam kontakt kaarega ning isolatsiooniplaatide ja väljalaskeavade abil moodustuvad töökanalid mille kaudu toimub õli ja gaaside liikumine, pakkudes kaare intensiivset väljapuhumist (väljapuhumist).

Kaarrennid jagunevad tööpõhimõtte järgi kolme põhirühma: isepuhumisega, kui kaare piirkonnas tekib kaare piirkonnas eralduva energia tõttu kõrge rõhk ja gaasi liikumise kiirus, kusjuures õli sundpuhumine spetsiaalsete pumpavate hüdrauliliste mehhanismide abil, õlis magnetjahutusega, kui kaar on magnetvälja toimel, liigub see kitsastesse piludesse.

Kõige tõhusamad ja lihtsamad isetäituvad kaarrennid... Olenevalt kanalite ja väljatõmbeavade asukohast eristatakse kambreid, milles gaasi-auru segu ja õli intensiivne puhumine mööda kaare voolu (pikisuunaline puhumine) või läbi kaare (põiki puhumine) on ette nähtud). Vaatlusaluseid kaarekustutusmeetodeid kasutatakse laialdaselt üle 1 kV pingete kaitselülitites.

Muud kaare kustutamise meetodid seadmetes, mille pinge on üle 1 kV

Lisaks ülaltoodud kaare kustutamise meetoditele kasutatakse ka: suruõhku, mille vool puhub kaare mööda või risti, tagades selle intensiivse jahutamise (õhu asemel kasutatakse muid gaase, mis on sageli saadud tahke gaasi tekitamisel materjalid — kiud, vinüülplast jne — nende lagunemise arvelt põlemiskaare enda toimel), SF6 (väävelheksafluoriid), mille elektriline tugevus on suurem kui õhul ja vesinikul, mille tulemusena selles gaasis põlev kaar ka atmosfäärirõhul kiiresti kustub, kontaktide avamisel väga haruldane gaas (vaakum), milles kaar teeb ei sütti (kustu) pärast voolu esimest läbimist nullist.