Elektrikaar on tühjenemise tüüp, mida iseloomustab suur voolutihedus, kõrge temperatuur, suurenenud gaasirõhk ja väike pingelang kaarepilus. Sel juhul toimub elektroodide (kontaktide) intensiivne kuumutamine, millele moodustuvad nn katood- ja anoodikohad. Katoodi kuma on koondunud väikesesse heledasse kohta, vastaselektroodi kuum osa moodustab anoodikoha.

Kaarel võib märkida kolm piirkonda, mis on neis toimuvate protsesside olemuselt väga erinevad. Otse kaare negatiivse elektroodi (katoodiga) külgneb katoodi pingelanguse piirkond. Järgmisena tuleb plasmakaare tünn. Otse positiivse elektroodiga (anoodiga) külgneb anoodi pingelanguse piirkond. Need piirkonnad on skemaatiliselt näidatud joonisel fig. üks.

Riis. 1. Elektrikaare struktuur

Katoodi ja anoodi pingelanguse mõõtmed joonisel on tugevalt liialdatud. Tegelikult on nende pikkus väga väike.Näiteks katoodi pingelangu pikkus omab elektroni vaba liikumise tee suurusjärku (alla 1 mikroni). Anoodi pingelanguse piirkonna pikkus on tavaliselt sellest väärtusest mõnevõrra suurem.

Tavatingimustes on õhk hea isolaator. Seega on 1 cm õhuvahe purunemiseks vajalik pinge 30 kV. Selleks, et õhupilu saaks juhiks, on vaja selles tekitada teatud kontsentratsioon laetud osakesi (elektronid ja ioonid).

Kuidas tekib elektrikaar

Elektrikaar, mis on laetud osakeste voog, tekib kontakti lahknemise alghetkel vabade elektronide esinemise tõttu kaarepilu gaasis ja katoodi pinnalt emiteeritud elektronide tõttu. Kontaktide vahes asuvad vabad elektronid liiguvad elektrivälja jõudude toimel suurel kiirusel katoodilt anoodile.

Väljatugevus kontaktide lahknemise alguses võib ulatuda mitme tuhande kilovoldini sentimeetri kohta. Selle välja jõudude toimel väljuvad elektronid katoodi pinnalt ja liiguvad anoodile, lüües sealt välja elektronid, mis moodustavad elektronipilve. Sel viisil loodud esialgne elektronide voog moodustab järgnevalt kaarepilu intensiivse ionisatsiooni.

Koos ionisatsiooniprotsessidega kulgevad deionisatsiooniprotsessid paralleelselt ja pidevalt kaares. Deionisatsiooniprotsessid seisnevad selles, et kui kaks erineva märgiga iooni või positiivne ioon ja elektron lähenevad teineteisele, tõmbuvad nad endasse ja põrkudes neutraliseeritakse, lisaks liiguvad laetud osakesed hingede põlemisalast koos hingedega. kõrgem laengukontsentratsioon keskkonda madalama laengukontsentratsiooniga. Kõik need tegurid põhjustavad kaare temperatuuri langust, selle jahtumist ja väljasuremist.

Riis. 2. Elektrikaar

Kaar pärast süütamist

Põlemise püsivas olekus on ionisatsiooni- ja deionisatsiooniprotsessid selles tasakaalus. Võrdse arvu vabade positiivsete ja negatiivsete laengutega kaarevõlli iseloomustab kõrge gaasiionisatsiooni aste.

Aine, mille ionisatsiooniaste on ühtsusele lähedane, s.o. milles puuduvad neutraalsed aatomid ja molekulid, nimetatakse plasmaks.

Elektrikaare iseloomustavad järgmised omadused:

1. Selgelt määratletud piir kaarevõlli ja keskkonna vahel.

2. Kõrge temperatuur kaare tünni sees, ulatudes 6000 - 25000K.

3. Suur voolutihedus ja kaarevõll (100 - 1000 A/mm2).

4. Anoodi ja katoodi pinge väikesed väärtused langevad ja praktiliselt ei sõltu voolust (10 - 20 V).

Volt-ampri karakteristik elektrikaarele

Alalisvoolukaare peamine omadus on kaare pinge sõltuvus voolust, mida nimetatakse voolu-pinge karakteristik (VAC).

Kaar tekib kontaktide vahel teatud pingel (joonis 3), mida nimetatakse süütepingeks Uz, ja see sõltub kontaktide vahelisest kaugusest, keskkonna temperatuurist ja rõhust ning kontaktide lahknemise kiirusest. Kaare kustutuspinge Ug on alati väiksem kui pinge U c.

Riis. 3. Alalisvoolukaare (a) ja sellega samaväärse vooluahela (b) volt-amprikarakteristik

Kõver 1 kujutab kaare staatilist karakteristikku, st. saadakse voolu aeglasel muutmisel. Tunnus on langeva iseloomuga. Kui vool suureneb, kaare pinge väheneb. See tähendab, et kaarevahe takistus väheneb kiiremini, mille vool suureneb.

Kui vähendada kaares voolu I1-lt nullini teatud kiirusega ja samal ajal fikseerida kaare pingelang, siis saadakse kõverad 2 ja 3. Neid kõveraid nimetatakse nn. dünaamilised omadused.

Mida kiiremini voolu vähendatakse, seda madalamad on dünaamilised I–V omadused. Seda seletatakse asjaoluga, et voolu vähenemisel ei ole sellistel kaare parameetritel nagu võlli ristlõige, temperatuur aega kiiresti muutuda ja omandada väärtusi, mis vastavad madalamale voolu väärtusele. püsiseisund.

Pingelangus üle kaarepilu:

Ud \u003d U s + EdId,

kus U c \u003d U k + U a - peaaegu elektroodi pingelang, Ed - pikisuunaline pingegradient kaares, Id - kaare pikkus.

Valemist järeldub, et kaare pikkuse suurenemisega suureneb kaare pingelang ja I–V karakteristik on suurem.

Nad võitlevad elektrikaarega elektriseadmete lülitamise projekteerimisel. Elektrikaare omadusi kasutatakse sisse ja sees.

17. jaanuar 2012 kell 10.00

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

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

Elektrikaare põhjused

Elektrikaare moodustumise protsessi saab lihtsustada järgmiselt. Kui kontaktid lahknevad, väheneb esmalt kontaktrõhk ja vastavalt kontaktpind, kontakttakistus suureneb (voolutihedus ja temperatuur - algab lokaalne (kontaktala teatud osades) ülekuumenemine, mis aitab veelgi kaasa termilisele emissioonile, kui kõrge temperatuuri mõjul elektronide kiirus suureneb ja need paiskuvad elektroodi pinnalt välja.

Kontaktide lahknemise, st vooluahela katkemise hetkel taastub pinge kontaktipilus kiiresti. Kuna sel juhul on kontaktide vaheline kaugus väike, siis tekib ülitugev elektriväli, mille mõjul elektronid elektroodi pinnalt välja pääsevad. Nad kiirendavad elektriväljas ja kui nad tabavad neutraalset aatomit, annavad sellele oma kineetilise energia. Kui sellest energiast piisab vähemalt ühe elektroni rebimiseks neutraalse aatomi kestast, siis toimub ionisatsiooniprotsess.

Saadud vabad elektronid ja ioonid moodustavad kaare võlli plasma ehk ioniseeritud kanali, milles kaar põleb ja osakeste pidev liikumine on tagatud. Sel juhul liiguvad negatiivselt laetud osakesed, peamiselt elektronid, ühes suunas (anoodi poole) ning aatomid ja gaasimolekulid, millel puudub üks või mitu elektroni, positiivselt laetud osakesed, liiguvad vastupidises suunas (katoodi poole). Plasma juhtivus on lähedane metallide juhtivusele.

Kaarvõllis voolab suur vool ja tekib kõrge temperatuur. Selline kaarevõlli temperatuur viib termilise ionisatsioonini - ioonide moodustumise protsessi, mis on tingitud molekulide ja aatomite kokkupõrkest, millel on suur kineetiline energia nende suurel liikumiskiirusel (keskkonna molekulid ja aatomid, kus kaar põleb, lagunevad elektronid ja positiivselt laetud ioonid). Intensiivne termiline ionisatsioon säilitab kõrge plasmajuhtivuse. Seetõttu on pingelang piki kaare pikkust väike.

Elektrikaares toimub pidevalt kaks protsessi: lisaks ioniseerimisele toimub ka aatomite ja molekulide deioniseerimine. Viimane toimub peamiselt difusiooni teel, st laetud osakeste keskkonda viimisel ning elektronide ja positiivselt laetud ioonide rekombinatsioonil, mis rekombineeritakse neutraalseteks osakesteks koos nende lagunemisele kulutatud energia tagastamisega. Sel juhul eemaldatakse soojus keskkonda.

Seega saab eristada vaadeldava protsessi kolme etappi: kaare süütamine, kui löökionisatsiooni ja elektronide emissiooni tõttu katoodist algab kaare tühjenemine ja ionisatsiooni intensiivsus on suurem kui deionisatsioon, stabiilne kaarepõlemine, mida toetab termiline ionisatsioon. kaarevõllis, kui ionisatsiooni ja deionisatsiooni intensiivsus on sama, kaare väljasuremine, kui deionisatsiooni intensiivsus on suurem kui ionisatsioon.

Meetodid kaare kustutamiseks elektrilistes lülitusseadmetes

Elektriahela elementide lahtiühendamiseks ja seega lülitusseadme kahjustamise välistamiseks on vaja mitte ainult avada selle kontaktid, vaid ka kustutada nende vahele ilmuv kaar. Kaare kustumise ja ka põlemise protsessid on vahelduv- ja alalisvoolu puhul erinevad. Selle määrab asjaolu, et esimesel juhul läbib kaare vool igal pooltsüklil nulli. Nendel hetkedel energia vabanemine kaares peatub ja kaar kustub iga kord spontaanselt ning süttib seejärel uuesti.

Praktikas muutub kaare vool nullilähedaseks veidi varem kui nulli ületamine, kuna voolu vähenemisel kaarele antav energia väheneb, kaare temperatuur langeb vastavalt ja termiline ionisatsioon peatub. Sel juhul toimub deioniseerimisprotsess intensiivselt kaarevahes. Kui hetkel kontaktid avatakse ja kiiresti eraldatakse, ei pruugi järgnevat elektrikatkestust tekkida ja vooluahel lülitub ilma kaareta välja. Praktikas on seda aga äärmiselt raske teha ning seetõttu võetakse kaare väljasuremise kiirendamiseks kasutusele erimeetmed, mis tagavad kaareruumi jahtumise ja laetud osakeste arvu vähenemise.

Deioniseerimise tulemusena suureneb järk-järgult pilu dielektriline tugevus ja samal ajal suureneb selle taastuv pinge. Nende väärtuste suhtest sõltub, kas kaar süttib järgmise poole perioodi jooksul või mitte. Kui pilu dielektriline tugevus suureneb kiiremini ja on suurem kui taastumispinge, siis kaar enam ei sütti, vastasel juhul on kaar stabiilne. Esimene tingimus määratleb kaare kustutamise probleemi.

Lülitusseadmetes kasutatakse erinevaid kaare kustutamise meetodeid.

Kaare pikendus

Kui kontaktid elektriahela väljalülitamise käigus lahknevad, venitatakse tekkinud kaar. Sel juhul paranevad kaare jahutamise tingimused, kuna selle pind suureneb ja põlemiseks on vaja rohkem pinget.

Pika kaare jagamine lühikeste kaaredeks

Kui kontaktide avamisel tekkiv kaar jagada K lühikeseks kaareks näiteks metallvõreks pingutades, siis see kustub. Kaar tõmmatakse tavaliselt metallvõresse võreplaatides pöörisvoolude poolt indutseeritud elektromagnetvälja mõjul. Seda kaare kustutamise meetodit kasutatakse laialdaselt alla 1 kV pingete lülitusseadmetes, eriti automaatsetes õhukaitselülitites.

Kaarjahutus kitsastes piludes

Hõlbustab kaare kustutamist väikeses mahus. Seetõttu on lülitusseadmetes laialdaselt kasutusel pikisuunaliste piludega kaarrennid (sellise pilu telg ühtib suunaliselt kaarevõlli teljega). Selline vahe tekib tavaliselt kaarekindlatest isoleerivatest materjalidest valmistatud kambrites. Kaare kokkupuutel külmade pindadega toimub selle intensiivne jahutamine, laetud osakeste difusioon keskkonda ja sellest tulenevalt kiire deioniseerumine.

Lisaks tasapinnaliste paralleelseintega piludele kasutatakse ka ribide, eendite ja pikendustega (taskutega) pilusid. Kõik see põhjustab kaare võlli deformatsiooni ja aitab kaasa selle kokkupuuteala suurenemisele kambri külmade seintega.

Kaare tõmbamine kitsastesse piludesse toimub tavaliselt kaarega interakteeruva magnetvälja mõjul, mida võib pidada voolu juhtivaks juhiks.

Välise magnetvälja kaare liigutamiseks tagab kõige sagedamini mähis, mis on jadamisi ühendatud kontaktidega, mille vahel kaar tekib. Kaarkustutamist kitsastes piludes kasutatakse kõigi pingete seadmetes.

Kõrgsurve kaarkustutus

Konstantsel temperatuuril väheneb gaasi ionisatsiooniaste rõhu tõustes, samal ajal kui gaasi soojusjuhtivus suureneb. Kui muud asjaolud on võrdsed, põhjustab see kaare suuremat jahtumist. Kaare kustutamist kaare enda tekitatud kõrge rõhu abil tihedalt suletud kambrites kasutatakse laialdaselt kaitsmetes ja paljudes muudes seadmetes.

Kaarkustutamine õlis

Kui kaitselüliti kontaktid asetatakse õli sisse, siis nende avanemisel tekkiv kaar põhjustab õli intensiivset aurustumist. Selle tulemusena moodustub kaare ümber gaasimull (kest), mis koosneb peamiselt vesinikust (70 ... 80%), aga ka õliaurust. Suurel kiirusel eralduvad gaasid tungivad otse kaarevõlli tsooni, põhjustavad külma ja kuuma gaasi segunemist mullides, tagavad intensiivse jahutuse ja vastavalt kaarepilu deioniseerimise. Lisaks suurendab gaaside deioniseerimisvõime rõhku, mis tekib õli kiirel lagunemisel mulli sees.

Õlis kaare kustutamise protsessi intensiivsus on seda suurem, mida tihedamalt kaar õliga kokku puutub ja seda kiiremini õli kaare suhtes liigub. Arvestades seda, piirab kaarevahe suletud isolatsiooniseadmega - kaaretoruga. Nendes kambrites luuakse õli tihedam kontakt kaarega ning isoleerplaatide ja väljalaskeavade abil moodustuvad töökanalid, mille kaudu liiguvad õli ja gaasid, tagades kaare intensiivse puhumise (puhumise).

Elektrikaar on kaarelahendus, mis tekib kahe elektroodi ehk elektroodi ja tooriku vahel ning mis võimaldab ühendada kaks või enam osa keevitamise teel.

Keevituskaar, olenevalt keskkonnast, kus see esineb, jaguneb mitmeks rühmaks. See võib olla avatud, suletud ja ka kaitsegaaside keskkonnas.

Avatud kaar voolab vabas õhus läbi põlemispiirkonnas olevate osakeste ionisatsiooni, samuti keevitatud detailide ja elektroodi materjali metalliaurude tõttu. Suletud kaar omakorda põleb räbustikihi all. See võimaldab teil muuta põlemispiirkonnas gaasilise keskkonna koostist ja kaitsta töödeldavate detailide metalli oksüdeerumise eest. Sel juhul voolab elektrikaar läbi voolisandi metalliaurude ja ioonide. Kaar, mis põleb kaitsvas gaasikeskkonnas, voolab läbi selle gaasi ioonide ja metalliauru. See aitab vältida ka osade oksüdeerumist ja sellest tulenevalt suurendada moodustatud ühenduse töökindlust.

Elektrikaar erineb tarnitava voolu tüübist - vahelduv või konstantne - ja põlemise kestus - impulss- või statsionaarne. Lisaks võib kaar olla otsese või vastupidise polaarsusega.

Kasutatava elektroodi tüübi järgi eristatakse mittetarbitavaid ja kuluvaid elektroode. Ühe või teise elektroodi kasutamine sõltub otseselt keevitusmasina omadustest. Mittetarbiva elektroodi kasutamisel tekkiv kaar, nagu nimigi ütleb, seda ei deformeeri. Kulutava elektroodiga keevitamisel sulatab kaarevool materjali ja see ladestub algsele toorikule.

Kaare vahe võib tinglikult jagada kolmeks iseloomulikuks osaks: katood, anood ja kaarevõll. Sel juhul on viimane lõik, s.o. kaare tüvi on suurima pikkusega, kuid kaare omadused ja ka selle esinemise võimaluse määravad täpselt elektroodilähedased piirkonnad.

Üldiselt saab elektrikaare omadused ühendada järgmisesse loendisse:

1. Kaare pikkus. See viitab katoodi ja anoodi piirkondade kogukaugusele, samuti kaare võllile.

2. Kaare pinge. See koosneb iga ala summast: pagasiruumi, peaaegu katood ja peaaegu anood. Sellisel juhul on pinge muutus elektroodilähedastes piirkondades palju suurem kui ülejäänud piirkonnas.

3. Temperatuur. Elektrikaar võib sõltuvalt gaasilise keskkonna koostisest, elektroodide materjalist arendada temperatuuri kuni 12 tuhat Kelvinit. Sellised piigid ei asu aga kogu elektroodi otsapinna tasapinnal. Kuna isegi parima töötlemise korral on juhtiva osa materjalil mitmesuguseid ebatasasusi ja ebatasasusi, mille tõttu tekib palju tühjendeid, mida tajutakse ühena. Muidugi oleneb kaare temperatuur suuresti keskkonnast, kus see põleb, aga ka tarnitava voolu parameetritest. Näiteks kui suurendate praegust väärtust, suureneb vastavalt ka temperatuuri väärtus.

Ja lõpuks voolu-pinge karakteristik või VAC. See näitab pinge sõltuvust voolu pikkusest ja suurusest.

Lüliti kontaktide avamisel vool ei katke. Lenzi seaduse kohaselt tekib vooluringis E L \u003d -Ldi / dt EMF, mis takistab voolu muutumist. Viimane leiab oma tee läbi lüliti lahknevate kontaktide vahelise gaasipilu, mis on blokeeritud elektrikaarega. Voolu katkestamiseks tuleb kaar kustutada. Vahelduvvooluahelates tekivad soodsad tingimused kaare kustutamiseks iga kord, kui vool jõuab nullini, s.t. 2 korda iga perioodi jooksul. Kaarkolonni läbimõõt, temperatuur ja gaasi ionisatsioon vähenevad järsult. Mingil ajahetkel jõuab vool nulli ja kaare tühjenemine peatub. Kett pole aga veel katki.

Peale nullvoolu gaasipilus, mis on veel mingil määral ioniseeritud, jätkub deionisatsiooniprotsess, st. selle muundumisprotsess juhist dielektrikuks ja elektriahelas algab pinge taastamine lüliti kontaktidel suhteliselt väikeselt kaarepingelt võrgupingele. Need protsessid on omavahel seotud. Kaarepilu ja elektriahela vastastikmõju tulemus sõltub pilusse antud energia ja selles esinevate energiakadude suhtest, mis sõltuvad kaitselüliti kaareseadmest.

Kui energiakaod domineerivad kogu siirdeprotsessi vältel, siis kaar uuesti ei sütti ja vooluring katkeb. Vastasel juhul ilmub kaar uuesti ja vool voolab veel poole perioodi jooksul, pärast mida interaktsiooni protsessi korratakse. Lüliti funktsioon ei ole mitte niivõrd kaare "kustutamine", vaid pigem selle taassüttimise võimaluse välistamine, deioniseerides lõhe erinevate kunstlike vahenditega. Sel juhul kasutatakse gaasi erakordset omadust - kiiresti, mõne mikrosekundi jooksul, muutub juhist dielektrik, mis suudab taluda taastavat võrgupinget.

Kaitselülitite konstruktsiooni ja töö mõistmiseks on vaja lahtiühendamise käigus tutvuda kaarevahes toimuvate füüsikaliste protsessidega. Selles artiklis käsitletakse õhu- ja õlikaitselülitites kaare kustutamise meetodeid.

Füüsikalised protsessid kaitselüliti kaarevahes kõrgel rõhul

Elektrikaare, täpsemalt kaarlahendus, nimetatakse iseseisvaks lahenduseks gaasis, s.t. ilma välise ionisaatorita tekkiv tühjenemine, mida iseloomustab suur voolutihedus ja suhteliselt väike pingelang katoodil. Kõrgsurvekaar vaadeldakse allpool, s.o. kaarlahendus atmosfääri- ja kõrgemal rõhul.

Kaarlahendusel on järgmised piirkonnad:

• katoodpinge languse ala;
• pindala anoodil;
• kaarepost.

Katoodi pingelanguse ala on kõige õhem gaasikiht katoodi pinna lähedal. Pingelang selles kihis on 20-50 V ja elektrivälja tugevus ulatub 10 5 10 6 V/cm. Võrgust sellesse piirkonda tarnitud energiat kasutatakse elektronide vabastamiseks katoodi pinnalt.

Elektronide vabastamise mehhanism võib olla kahekordne:

• termoemissioon tulekindlate ja tulekindlate elektroodidega (volfram, kivisüsi), mille temperatuur võib ulatuda 6000 K ja üle selle
• väljaheite, s.o. elektronide väljutamine katoodilt tugeva elektrivälja toimel "külma" katoodiga.

Voolutihedus katoodil ulatub 3000-10000 A/cm 5 . Vool on koondunud väikesele eredalt valgustatud alale, mida nimetatakse katoodpunktiks. Vabanenud elektronid liiguvad läbi kaarekolonni anoodile.

Anoodil omandavad positiivsed ioonid kiirenduse katoodi suunas. Elektronid lähevad anoodile ja moodustavad õhukeses kihis negatiivse laengu. Pingelang anoodil on 10-20 V.

Kaarekolonnis toimuvad protsessid pakuvad suurimat huvi kaitselülitite uurimisel, kuna kaare kustutamiseks kasutatakse erinevat tüüpi mõju kaare kolonnile. Viimane on plasma, st. väga kõrge temperatuuriga ioniseeritud gaas, mille elektronide ja positiivsete ioonide sisaldus mahuühikus on sama.

Kõrget temperatuuri kaarekolonnis tekitavad ja säilitavad elektronid ja ioonid, mis osalevad neutraalsete molekulide ja aatomite termilises kaootilises liikumises, kuid millel on ka elektriväljas suunatud liikumine piki kaare telge, mille määrab osakeste laengu märk. . Seda liikumist takistab neutraalne gaas. Sagedased elektronide ja ioonide kokkupõrked neutraalsete osakestega. Kuna elektronide keskmine vaba tee kõrgel rõhul on väike, on energiakadu elastsete kokkupõrgete korral molekulide ja aatomitega kokkupõrke kohta väike ja osakeste ioniseerimiseks ebapiisav. Elektronide kokkupõrgete arv on aga väga suur. Selle tulemusena kandub elektroni energia soojuse kujul neutraalgaasile.

"Elektrongaasi" keskmine energia ei saa mingil juhul oluliselt ületada neutraalgaasi keskmist energiat, kuna elektronide ja ioonide poolt nende suunatud liikumisel piki heinamaa telge omandatav lisaenergia on soojusenergiaga võrreldes väike. gaasist. Seetõttu on ioonid, elektronid, aga ka neutraalsed aatomid ja molekulid termilises tasakaalus. Sellisel juhul määrab kaare samba spetsiifilise ionisatsiooni täielikult temperatuur ja kui üks neist suurustest muutub, muutub paratamatult ka teine.

Kuna kõrgel gaasirõhul on aatomid ja molekulid valdavalt ülekaalus elektronide üle ja neil on peaaegu sama kõrge temperatuur, saadakse suurem osa ergastatud ja ioniseeritud aatomitest ja molekulidest neutraalsete osakeste kokkupõrgetes, mitte elektronidega. Seega ei ioniseeru elektronid neutraalsete osakestega kokkupõrgetes otse (nagu juhtub vaakumis), vaid kaudselt, tõstes gaasi temperatuuri kaarekolonnis. Seda ionisatsioonimehhanismi nimetatakse termiliseks ionisatsiooniks. Termilise ionisatsiooni jaoks vajalik energiaallikas on elektriväli.

Kaare veerus on energiakaod, mida tasakaaluolekus tasakaalustab võrgust saadav energia. Põhiosa energiast kannavad kaarekollast eemale ergastatud ja ioniseeritud aatomid ja molekulid. Laetud osakeste kontsentratsioonide erinevuse tõttu kaarekolonnis ja ümbritsevas ruumis ning temperatuuride erinevuse tõttu hajuvad ioonid kaare samba pinnale, kus need neutraliseeritakse. Need kaod tuleb kompenseerida uute ioonide ja elektronide moodustumisega, mis on seotud energia kulutamisega. Püsiseisundis on kaarekolonnis pingegradient alati selline, et toimuv ionisatsioon kompenseerib elektronide kadu rekombinatsiooni teel. Pinge gradient sõltub gaasi omadustest, olekust, milles see asub (rahulik, turbulentne), samuti rõhust ja voolust. Gaasi rõhu suurenemisega suureneb pingegradient elektronide vaba tee vähenemise tõttu. Voolu suurenemisega pingegradient väheneb, mis on seletatav kaare kolonni ristlõikepindala ja temperatuuri suurenemisega. Kaarsammas kipub võtma sellise ristlõike, et vaadeldavatel tingimustel on energiakaod minimaalsed.

Kaare veerus oleva pingegradiendi E=dU/dl sõltuvus voolust viimase väga aeglase muutumisega on kaare staatiline karakteristik (joon. 1a), mis sõltub gaasi rõhust ja omadustest.

Joonis 1. Kaare volt-amprite omadused:
a - staatiline karakteristik;
b - dünaamilised omadused

Püsiseisundis vastab karakteristiku iga punkt kaare samba teatud lõigule ja temperatuurile. Kui vool muutub, peab kaare kolonn muutma oma ristlõiget ja temperatuuri seoses uute tingimustega. Need protsessid võtavad aega ja seetõttu ei teki uut püsiseisundit kohe, vaid teatud hilinemisega. Seda nähtust nimetatakse hüstereesiks.

Oletame, et vool muutus järsku väärtuselt I 1 (punkt 1) väärtuseks I 2 (punkt 2). Esimesel hetkel säilitab kaar oma ristlõiked ja temperatuuri ning gradient väheneb (punkt 2 "). Sisendvõimsus on väiksem kui vaja voolu I 2 juhtimiseks. Seetõttu algab ristlõige ja temperatuur vähenema ja gradient suureneb, kuni staatilise kõvera punktis 2 tekib uus püsiseisund, voolu järsul suurenemisel väärtuselt I 1 väärtuseni I 3 pingegradient suureneb (punkt 3" ). Kaarele antav võimsus on suurem kui voolu I 3 juhtimiseks vajalik. Seetõttu hakkavad kolonni läbilõige ja temperatuur tõusma ning pingegradient väheneb, kuni staatilise karakteristiku punktis 3 tekib uus püsiseisund.

Voolu sujuva muutumise korral teatud kiirusega ei ole pingegradiendil aega jälgida voolu muutust vastavalt staatilisele karakteristikule. Kui vool suureneb, ületab pingegradient staatilise karakteristikuga määratud väärtusi ja voolu vähenemisel on pingegradient nendest väärtustest väiksem. Kõverad E=f(I), kui vool muutub teatud kiirusega, esindavad kaare dünaamilisi omadusi (pidevad jooned joonisel 1b).

Nende karakteristikute asukoht staatilise karakteristiku suhtes (vt katkendlik kõver) sõltub voolu muutumise kiirusest. Mida aeglasem on voolu muutus, seda lähemal on dünaamiline karakteristik staatilisele. Antud kaarelahendustingimustes võib olla ainult üks staatiline karakteristik. Dünaamiliste omaduste arv ei ole piiratud.

Elektriahelate analüüsimisel on tavaks opereerida takistuse mõistega. Seetõttu räägivad nad ka kaare takistusest, mis tähendab elektroodidel oleva pinge ja voolu suhet. Kaare takistus ei ole konstantne. See sõltub voolust ja paljudest muudest teguritest. Kui vool suureneb, kaare takistus väheneb.

Joonis 2. Kaare pinge vahelduvvoolul:
a - kaare pinge voolu funktsioonina;
6 - kaare pinge aja funktsioonina

Vahelduvvoolu kaare volt-amprikarakteristik on näidatud joonisel 2a. Kvartaliperioodil, mil vool suureneb, on pingekõver staatilise karakteristiku kohal. Perioodi järgmisel veerandil, kui vool väheneb, jääb pingekõver alla staatilise karakteristiku.

Kaar süttib punktides 1 ja 3 ning kustub punktides 2 ja 4. Joonisel 2b on kujutatud kaare karakteristikku aja funktsioonina. Intervallid 2-3 ja 4-1 vastavad ebastabiilsele olekule, kus kaar on intensiivne interaktsioon ahela konstantidega R, L ja C. Neid lühikesi ajavahemikke, mis kestavad paar mikrosekundit, kasutatakse vahe intensiivseks deioniseerimiseks. lüliti kontaktid, et vältida uue kaare süttimist. Olenevalt tingimustest võib interaktsiooniprotsess lõppeda kahel viisil: kas kaar kustub ja vooluring katkeb või tekib kaar uuesti ja interaktsiooniprotsess kordub poole perioodi pärast soodsamates tingimustes.

Kaare kustutamine õhukaitselülitites

Õhkkaitselülitites kaar kustub kõrgsurveõhuvoolus. Lüliti karastusseade (joonis 3, a) on kamber, kuhu on paigutatud kaks düüsi, mis toimivad samaaegselt kontaktidena. Düüside väljalaskeküljed on ühendatud madalrõhualaga. Kui kontaktid on eraldatud, tekib rõhuerinevuse tõttu õhuvool, mis suunatakse düüsidesse sümmeetriliselt mõlemas suunas.

Joonis 3. Kahepoolse puhumisega õhukaitselüliti kaareseade:
a - skeem;
b - rõhu jaotus piki telge

Joonisel 3b on näidatud rõhu jaotus piki telge. Düüside vahelise pilu keskel on voolu stagnatsioonipunkt, mille rõhku tähistatakse p o-ga.

Selle punkti mõlemal küljel rõhk langeb ja ulatub düüsi kurgudes umbes poole p o-ni. Kurgude taga jätkab rõhk langemist heitgaasi rõhuni.

Kaare kustutamise protsess toimub järgmiselt. Avanevate kontaktide vahele ilmub kaar, mis õhuvoolu mõjul liigub kiiresti mööda telge. Sel juhul liiguvad kaare võrdluspunktid düüside sees piki voolu, nagu on näidatud joonisel 3. Düüside vahes olev kaar on silindrilise kujuga.

Joonis 4. Temperatuuri jaotus ristisuunas düüside vahelises piirkonnas:
a - kaar;
c - termiline piirkiht

Temperatuuri jaotus põikisuunas on näidatud joonisel 4. Kaare a tsoonis on see ligikaudu 20 000 K ja langeb järsult termilise piirkihini b, mis tekib kaare lähedal. Siin varieerub temperatuur 2000 K kuni külma õhu temperatuurini. Kui vool läheneb nullile, väheneb kaare silindrilise osa läbimõõt kiiresti. Nulliga võrdse voolu korral on see väiksem kui 1 mm. Temperatuur selles kaare osas on aga endiselt väga kõrge (15 000 K).

Kõige olulisem kaare väljasuremist soodustav tegur on kaare ja seda ümbritseva suhteliselt külma õhu vahelises piirkihis tekkiv turbulents. Kaare kõrge temperatuuri tõttu on gaasi tihedus kolonnis umbes 20 korda väiksem kui keskkonnas. Seetõttu on gaasi kiirus kaarekolonnis palju suurem kui kiirus naaberkihtides (kiirus on pöördvõrdeline tiheduse ruutjuurega). Seoses osakeste difusiooniga suure kiirusega piirkonnast väikese kiirusega piirkonda ja tagasi, tekivad piirkihis olulised nihkejõud, tekivad keerised ja kogu ruumala omandab suure turbulentsi. Kaarkolonni juhitakse suhteliselt külm ioniseerimata gaas, mille tulemusena kolonn kaotab oma ühtluse. See jaguneb tuhandeteks kõige õhemateks juhtivateks niitideks, muutes pidevalt nende kuju ja asukohta (joonis 5).

Joonis 5. Turbulentsi mõju kaare kolonnile nullvoolu lähedal (skeem)

Neil on kõrge temperatuur ja kõrge eriionisatsioon ning neid ümbritseb külm, nõrgalt ioniseeritud gaas. On teada, et difusioonikiirus silindrilisest mahust on pöördvõrdeline läbimõõdu ruuduga. Mida õhemad on ioniseeritud filamendid, seda kiirem on osakeste vahetus ümbritseva külmema ja vähem ioniseeritud keskkonnaga. Turbulents suurendab difusiooni kordades. Eriti teravalt avaldub see düüside kurgus, kus plasma kiirus on maksimaalne - 6000 m/s. Lühiajalise nullvoolu järel, mis on arvutatud mikrosekundites, juhtiv kanal laguneb ja temperatuuri edasise languse määrab termiline piirkiht, mille jahtumine toimub palju aeglasemalt.

Joonis 6. Samaväärne diagramm, mis selgitab kaare takistuse ja mahtuvuse mõju

Joonis 7. Kaare koostoime elektriahelaga

Kaaretakistus ja kaarevahega paralleelselt ühendatud mahtuvus mõjutavad oluliselt lahtiühendamisprotsessi (joonis 6). Kui jätame tähelepanuta kaaretakistuse, läheneb vool i 0 \u003d I m sinɷt peaaegu lineaarselt nullile (joonis 7). Kaare takistus ei ole aga null. Seetõttu väheneb voolutugevus i B kaitselüliti kaarevahes:

(1)

kus t 0 on kontaktide avamise hetk.

Nagu jooniselt näha, muutub kaare pinge vastavalt voolu-pinge karakteristikule. Voolu vähenemise kiirus väheneb oluliselt viimase 5...10 µs jooksul, kuni jõuab nullini. See aeg on väike, kuid on mitu korda suurem kaare ajakonstandist ja mõjutab seetõttu oluliselt kaare olekut nullvoolu korral (punkt 1). Kaar tuhmub kergesti. Kaare takistus muudab ka PVN kõverat. Pinge taastamise protsess algab punktist 1; pinge saavutab maksimumi punktis 2, kui i L =i C =0.

Võimaliku termilise rikke staadium

Kui gaasi temperatuur pilus ei lange teatud kriitilise väärtuseni, mis on määratud gaasi omadustest ja rõhust, säilitab vahe oma juhtivuse pärast nullvoolu (punkt 1) ja PVN mõjul tekib jääk tekib juhtivusvool (joonis 8).

Joonis 8. Hilinenud kaare väljasuremine,
mis on põhjustatud juhtivuse jääkvoolu ilmnemisest

Soodsates tingimustes on see väike ja laguneb kiiresti (punkt 2). Kui aga jahutusprotsess ei ole piisavalt intensiivne, suureneb juhtivuse jääkvool; plasma soojendatakse uuesti, ionisatsiooniprotsess jätkub ja kaar ilmub uuesti. Seda nähtust nimetatakse termiliseks purunemiseks, kuna elektriline purunemine on võimatu, kuna vahe on ioniseeritud ega ole veel omandanud elektrilist tugevust.

See, kas selline rike toimub või mitte, sõltub kahe lünkas toimuva omavahel seotud protsessi tulemusest, millest ühe määrab sisendvõimsuse ajaintegraal (voolu ja pinge korrutis lünka ulatuses) ja teine. soojusjuhtivusest ja konvektsioonist põhjustatud kadude ajaintegraali järgi. See tähendab, et interaktsiooniprotsess jätkub, kuni vool kaob või kaar uuesti ilmub. Termilise purunemise nähtus on tüüpiline esimese 20 µs jooksul pärast nullvoolu tingimustes, kus pinge taastumise kiirus on kõrge, näiteks mitte-kaugühenduste korral.

Võimaliku elektririkke staadium

Kui termilist purunemist pole toimunud, jääb kontaktide vahe endiselt käibemaksuga kokku puutuma. Kaarkanalil on endiselt kõrge temperatuur ja vähenenud tihedus. Mõnisada mikrosekundit pärast nullvoolu, kui PVN saavutab maksimumväärtuse, algab võimaliku elektrikatkestuse staadium. See ei põhine mitte energiate tasakaalul, vaid elektronide moodustumise protsessil elektriväljas. Kui elektronide kontsentratsiooni tõus ületab teatud kriitilist väärtust, tekib säde, mis muutub kaarlahenduseks.

Kaare kustutamine õlikaitselülitites

Õlikaitselülitites avanevad kontaktid õlis, kuid kontaktide vahele tekkiva kaare kõrge temperatuuri tõttu õli laguneb ja kaarlahendus toimub gaasilises keskkonnas. Ligikaudu pool sellest gaasist (mahu järgi) on õliaur. Ülejäänud osa koosneb vesinikust (70%) ja erineva koostisega süsivesinikest. Need gaasid on põlevad, kuid põlemine õlis on hapnikupuuduse tõttu võimatu. Kaare poolt lagunenud õli kogus on väike, kuid tekkivate gaaside maht on suur. Üks gramm õli annab toatemperatuuril ja atmosfäärirõhul ligikaudu 1500 cc gaasi.

Õlikaitselülitite kaare kustutamine on kõige tõhusam, kui kasutatakse karastuskambreid, mis piiravad kaaretsooni, suurendavad rõhku selles tsoonis ja moodustavad läbi kaarekolonni gaasivoolu. Joonisel 9 on kujutatud kõige lihtsama karastuskambri skeem.

Joonis 9. Õlikaitselüliti lihtsaima karastuskambri skeem

Lahtiühendamise ajal liigub kontaktvarras 1 allapoole. Kontaktide 1 ja 2 vahel tekib kaar. Toimub intensiivne gaasi moodustumine ja rõhk kambris tõuseb kiiresti. Õli pinnale tekkinud suhteliselt külm gaas seguneb kaareplasmaga. Piirkiht läheb turbulentsesse olekusse, mis soodustab deioniseerumist. Kaart ei saa aga kustutada enne, kui kontaktide vaheline kaugus saavutab teatud taastumispingega määratud miinimumväärtuse. See minimaalne vahe tekib siis, kui liikuv kontakt on endiselt kambris. Kui varras kambrist väljub, visatakse gaasid jõuga välja. Mööda telge on suunatud gaasilöök, mis aitab kaasa kaare kustutamisele.

Pärast kaare kustutamist jätkab kontaktvarras liikumist, et tagada väljalülitatud asendis vajalik isolatsioonikaugus.

Õlikaitselüliti kaarepinge on vähemalt 3 korda suurem kui õhukaitselüliti. Pilu elektriline tugevus taastub kiiremini (kiirusega umbes 2 kV/μs). Seetõttu saab õlikaitselüliti kaareseadme sama lühisvooluga konstrueerida kaks korda suurema pinge ja kaks korda suurema lainetakistusega kui õhupuhastusseade.

Õhu- ja õlikaitselülitite iseloomulikud omadused

Õhkkaitselülitites tekib lööklaine kaarepilus välisest energiaallikast ega sõltu väljalülitatavast voolust. Pärast nullvoolu rakendatakse taastamispinge lühikesele tühimikule, mis on täidetud kuuma ioniseeritud gaasiga. Vahe elektrilise tugevuse taastamise kiiruse määrab gaasi jahutamine ja selle eemaldamine vahest värske õhuvooluga. See võtab aega ja seetõttu viibib pilu elektrilise tugevuse taastamise protsess.

Joonis 10. Taastava dielektrilise tugevuse omadused
kaarepilu õhukaitselüliti

Joonisel 10 on kujutatud õhukaitselüliti kaarepilu taastuva dielektrilise tugevuse tüüpilised kõverad. Need on S-kujulised. Sel juhul kulgeb tühimiku elektrilise tugevuse taastamise protsessi põhietapp kiirusega, mis ei ületa 1–2 kV / μs, ja algab 10–15 μs pärast voolu nullväärtust. Katkestatud voolu suurenemisega viivitus suureneb ja elektrilise tugevuse taastumise kiirus väheneb. Alumine punktiirkõver vastab kaitselüliti ebarahuldava töö korral, kuna pilu dielektrilise tugevuse taastamise protsess on liiga aeglane. Õhkkaitselüliti nimikatkestusvool on piiratud pilu taastava dielektrilise tugevusega.

Õlikaitselülitites kasutatakse gaasiplahvatuse moodustamiseks kaare enda energiat. Rõhk karastuskambris ja puhumisjõud on esimeses lähenduses võrdelised väljalülitatava vooluga. Mida suurem on viimane, seda tõhusam on pilu deioniseerimine ja seda kiiremini taastub selle elektriline tugevus. Kuid voolu suurenedes suurenevad mehaanilised pinged karastuskambri osades. Seetõttu on nimikatkestusvool piiratud karastuskambri mehaanilise tugevusega.

Õhu- ja õlikaitselülitite iseloomulikud omadused avalduvad asümmeetrilise lühisevoolu väljalülitamisel. Teatavasti avavad kiirlülitid vastava releekaitse olemasolul oma kontaktid siis, kui väljalülitatava voolu perioodiline komponent pole jõudnud veel tuhmuda. Seetõttu peavad need kaitselülitid suutma katkestada nii sümmeetrilisi kui ka asümmeetrilisi voolusid, s.t. vool ei ole nihutatud või nihutatud ajatelje suhtes, olenevalt tingimustest. Voolu asümmeetria β (aperioodilise komponendi suhteline sisaldus lühisvoolus) on defineeritud kui aperioodilise komponendi ja lühisevoolu perioodilise komponendi amplituudi suhe kaitselüliti kontaktide avamise hetkeks τ.

(2)

Lahtiühendatud voolu asümmeetria sõltub vooluahela ajakonstandist Т a =Х/(ɷR), samuti τ-st - kaitselüliti kontaktide avamise ajast, võttes arvesse releekaitse reaktsiooniaega. Mida suurem on ajakonstant ja mida kiiremini avanevad kaitselüliti kontaktid, seda suurem on katkestusvoolu asümmeetria. Suurima ajakonstantiga on generaatorid, trafod ja reaktorid. Seetõttu tuleks generaatorite ja jaamade siinide läheduses esinevate lühiste korral oodata suurimat asümmeetriat. Arvutused näitavad, et võimsate jaamade peajaotusseadmetesse paigaldatud kiirete kaitselülitite poolt katkestatud voolu asümmeetria võib ulatuda 80% -ni. Samadel tingimustel võivad vähem kiired kaitselülitid kohata asümmeetriat suurusjärgus 40–50%. Jaotusvõrkudesse paigaldatud lülitid puutuvad kokku asümmeetriaga, mis ei ületa 20%.

Kui väljalülitatud voolus on perioodiline komponent:

• voolu efektiivne väärtus suureneb;
• ajaintervallid hetkede vahel, mil vool jõuab nulli, muutuvad ebavõrdseks: need on vaheldumisi rohkem või vähem kui poolperiood;
• voolu di/dt muutumise kiirus väheneb, kui see läheneb nullile;
• tagasivoolu pinge lüliti poolusel väheneb.

Voolu efektiivse väärtuse suurenemine ja voolu nullväärtuste vaheliste ajavahemike muutumine võib ebasoodsates tingimustes põhjustada vabaneva energia märkimisväärset suurenemist võrreldes energiaga, mis vabaneb perioodilise voolukomponendi puudumisel . Kaarel eralduv energia määrab gaasi ionisatsiooni pilus ning õlikaitselülitites ka tekkivate gaaside koguse ja rõhu kambris, sellest ka mehaanilised pinged kaitselüliti elementides, kokkupuute astme. sulamine jne.

Voolu muutumise kiiruse vähendamine nullile lähenedes vähendab pilu ionisatsiooni kaare kustumise ajaks, mis hõlbustab väljalülitamise protsessi.

Tagasivoolu pinge vähendamine muudab ka väljalülitamise lihtsamaks.

Joonis 11. Tagasivoolu pinge asümmeetrilise katkestusvooluga

Nagu on näha jooniselt 11, nihutatakse lühisevoolu perioodilist komponenti i p võrgupinge suhtes nurga φ võrra, mis on π/2 lähedal. Kui sulgemisfaas α=φ, siis voolu aperioodilist komponenti ei ole, hetk, mil vool jõuab nullini ja kaar kustub, on lähedane maksimaalse pinge momendile. Tagasivoolu pinge määratakse ab ordinaadi järgi. Mistahes muul ajal sulgemisel ilmub väljalülitatava voolu koostisesse aperioodiline komponent ja hetkel, mil vool jõuab nullini, nihutatakse. Vaadeldaval juhul määrab α = 27 ° tagasivoolu pinge pärast suurt voolu poollainet ordinaat a "b" ja pärast väikest poollainet - ordinaat a "b" (kui kõverate joonistamisel eeldatakse, et voolu perioodilised ja aperioodilised komponendid on tinglikult summutamata).

Eeltoodud analüüsist järeldub, et aperioodilise komponendi olemasolul väljalülitatud voolus ilmneb rida uusi väljalülitumisprotsessi mõjutavaid tegureid, millest osa raskendab seda protsessi, teine ​​osa aga soodustab.

Aperioodilise komponendi lõpptoime sõltub kaitselüliti omadustest.

Õlikaitselülititel, mille katkestusvõimet piirab jahutuskambri mehaaniline tugevus, on suure voolu väljalülitamisel märkimisväärne varu kaarevahe elektrilise tugevuse taastamisel. Väljalülitatava voolu efektiivse väärtuse suurenemine aperioodilise komponendi olemasolu tõttu suurendab väljalülituse tõsidust, kuna kaares vabanev energia suureneb ja aperioodilise komponendi poolt tekitatavad soodustavad tegurid. lühisvoolu (voolu nulli lähenemise kiiruse vähenemine ja tagasivoolu pinge vähenemine) õlikaitselülitid ei kasuta. Sellised lülitid on väidetavalt voolutundlikud, kuna kaares vabaneva energia määrab peamiselt vool.

Õhkkaitselülitid, mille katkestusvõimet piirab pilu dielektriline tugevus, kasutavad aperioodilise voolukomponendi poolt sisse viidud soodustavaid tegureid (voolu vajumise ja tagasivoolu pinge vähendamine). Aperioodilisest komponendist tingitud väljalülitatava voolu efektiivväärtuse suurenemine ei suurenda väljalülituse tõsidust, kuna sisseviidud kaaluvad ja soodustavad tegurid kompenseeritakse. Selliste lülitite kohta on kombeks öelda, et need on pingetundlikud.

Katkestusvõimsuse kaitselüliti valimisel tuleks arvestada katkenud lühisvoolu asümmeetriat. Kuid asümmeetria β nom normaliseeritud (nominaalsed) väärtused on nii õli- kui ka õhukaitselülitite jaoks samad.

Raamatus "Uudised galvaanilis-voltailiste katsete kohta tohutu, mõnikord 4200 vase- ja tsinkringist koosneva patarei abil" (Peterburi, 1803). Elektrikaar on aine oleku neljanda vormi – plasma – erijuhtum ja koosneb ioniseeritud, elektriliselt kvaasineutraalsest gaasist. Vabade elektrilaengute olemasolu tagab elektrikaare juhtivuse.

füüsikalised nähtused

Elektrikaar kahe elektroodi vahel õhus atmosfäärirõhul moodustub järgmiselt:

Kui kahe elektroodi vaheline pinge tõuseb õhus teatud tasemeni, tekib elektroodide vahel elektriline rike. Elektriline läbilöögipinge sõltub elektroodide vahelisest kaugusest ja muudest teguritest. Metalliaatomite esimese elektroni ionisatsioonipotentsiaal on ligikaudu 4,5–5 V ja kaarepinge on sellest kaks korda suurem (9–10 V). On vaja kulutada energiat elektroni väljumiseks ühe elektroodi metalliaatomist ja teise elektroodi aatomi ioniseerimiseks. Protsess viib plasma moodustumiseni elektroodide vahel ja kaare põlemiseni (võrdluseks: sädelahenduse tekke minimaalne pinge ületab veidi elektronide väljundpotentsiaali - kuni 6 V).

Rikke käivitamiseks olemasoleval pingel viiakse elektroodid üksteisele lähemale. Rikke ajal tekib tavaliselt elektroodide vahel sädelahendus, mis sulgeb elektriahela impulsslikult. Sädelahendustes olevad elektronid ioniseerivad elektroodide vahelises õhupilus olevaid molekule. Pingeallika piisava võimsuse korral õhupilus tekib piisav kogus plasmat läbilöögipinge või õhuvahe takistuse oluliseks languseks. Sel juhul muutuvad sädelahendused kaarlahenduseks - elektroodide vahele jäävaks plasmajuheks, mis on plasmatunnel. Tekkiv kaar on tegelikult juht ja sulgeb elektroodide vahelise elektriahela. Selle tulemusena suureneb keskmine vool veelgi, soojendades kaare kuni 5000-50000. Sel juhul loetakse, et kaare süütamine on lõppenud. Pärast süütamist tagab stabiilse kaarepõlemise voolu- ja ioonpommitusega kuumutatud katoodi termiline emissioon.

Pärast süütamist võib kaar jääda stabiilseks, kui elektrikontaktid on teatud kaugusele eraldatud.

Elektroodide koosmõju kaareplasmaga põhjustab nende kuumenemist, osalist sulamist, aurustumist, oksüdeerumist ja muud tüüpi korrosiooni.

Kõrgepinge elektripaigaldiste töötamise ajal, kus elektrikaare tekkimine on elektriahela ümberlülitamisel vältimatu, toimub võitlus selle vastu elektromagnetmähiste abil, mis on kombineeritud kaarekanalitega. Muude meetodite hulgas on tuntud vaakum-, õhu-, SF6- ja õlikaitselülitite kasutamine, samuti meetodid voolu suunamiseks pingestatud koormusele, mis katkestab iseseisvalt elektriahela.

Kaare struktuur

Elektrikaar koosneb katood- ja anoodipiirkondadest, kaare kolonnist, üleminekupiirkondadest. Anoodipiirkonna paksus on 0,001 mm, katoodi piirkonna paksus on umbes 0,0001 mm.

Tarbeelektroodide keevitamise ajal on anoodipiirkonna temperatuur umbes 2500 ... 4000 ° C, kaarekolonni temperatuur on 7000 kuni 18 000 ° C, katoodi piirkonnas - 9000 - 12000 ° C.

Kaarsammas on elektriliselt neutraalne. Igas selle sektsioonis on sama palju vastupidise märgiga laetud osakesi. Pingelangus kaare veerus on võrdeline selle pikkusega.

Keevituskaared klassifitseeritakse järgmiselt:

• Elektroodide materjalid - kuluva ja mittetarbitava elektroodiga;
• Kolonni kokkusurumise astmed - vaba ja kokkusurutud kaar;
• Vastavalt kasutatavale voolule - alalisvoolu kaar ja vahelduvvoolu kaar;
• Vastavalt alalisvoolu polaarsusele - otsene polaarsus ("-" elektroodil, "+" - tootel) ja vastupidine polaarsus;
• Vahelduvvoolu kasutamisel - ühefaasilised ja kolmefaasilised kaared.

Isereguleeruv kaar

Välise häire ilmnemisel - võrgupinge muutus, traadi etteande kiirus jne - tekib etteandekiiruse ja sulamiskiiruse vahelises tasakaalus rikkumine. Kaare pikkuse suurenemisega vooluringis väheneb keevitusvool ja elektrooditraadi sulamiskiirus ning konstantseks jääv etteandekiirus muutub sulamiskiirusest suuremaks, mis viib kaare pikkuse taastamiseni. Kaare pikkuse vähenemisega muutub traadi sulamiskiirus etteandest suuremaks, mis viib kaare normaalse pikkuse taastamiseni.

Kaare isereguleerimisprotsessi efektiivsust mõjutab oluliselt toiteallika voolu-pinge karakteristiku kuju. Kaare pikkuse võnke suur kiirus arvutatakse automaatselt välja ahela jäiga voolu-pinge karakteristikuga.

Kasulik rakendus

Elektriline keevitamine

Elektrikaare kasutatakse metallide elektrikeevitamisel, terase sulatamisel (Arc steel ahjus) ja valgustuses (kaarlampides). Mõnikord kasutatakse kaare mittelineaarse volt-ampri omadust (vt välikustutusmasin).

Valguse allikad

Elektrikaarega võitlemine

Paljudes seadmetes on elektrikaare nähtus kahjulik. Need on ennekõike toiteallikas ja elektriajamis kasutatavad kontaktlülitusseadmed: kõrgepingelülitid, automaatlülitid, kontaktorid, elektrifitseeritud raudtee ja linna elektritranspordi kontaktvõrgu sektsioonilised isolaatorid. Kui koormused on ülaltoodud seadmetega lahti ühendatud, tekib purunevate kontaktide vahel kaar.

Kaare tekkimise mehhanism on sel juhul järgmine:

• Kontaktrõhu vähendamine - kontaktpunktide arv väheneb, takistus kontaktsõlmes suureneb;
• Kontaktide lahknemise algus - "sildade" moodustumine kontaktide sulametallist (viimaste kontaktpunktide kohtades);
• "Sillade" purunemine ja aurustumine sulametallist;
• Elektrikaare moodustumine metalliaurudes (mis aitab kaasa kontaktpilu suuremale ionisatsioonile ja raskustele kaare kustutamisel);
• Stabiilne kaar koos kontaktide kiire läbipõlemisega.

Kontaktide minimaalseks kahjustamiseks on vaja kaar kustutada minimaalse ajaga, tehes kõik endast oleneva, et kaar ei oleks ühes kohas (kaar liigub, jaotub selles eralduv soojus ühtlaselt üle kontakti korpuse ).

Ülaltoodud nõuete täitmiseks kasutatakse järgmisi kaare summutamise meetodeid:

• kaare jahutamine jahutuskeskkonna - vedeliku vooluga (õlilüliti); gaas - (õhkkaitse, automaatne gaasikaitse, õlikaitse, SF6 kaitselüliti) ja jahutusaine vool võib läbida nii piki kaarevõlli (pikisuunaline summutus) kui ka risti (põiki summutus); mõnikord kasutatakse pikisuunalist-risti summutamist;
• vaakumkaare kustutusvõime kasutamine - on teada, et kui lülitatud kontakte ümbritsevate gaaside rõhk langeb teatud väärtuseni, viib vaakumkaitselüliti kaare tõhusa väljasuremiseni (kaarde moodustamise kandjate puudumise tõttu).
• kaarekindlama kontaktmaterjali kasutamine;
• suurema ionisatsioonipotentsiaaliga kontaktmaterjali kasutamine;
• kaarvõrkude kasutamine (automaatlüliti, elektromagnetiline lüliti). Võretele kaare summutamise põhimõte põhineb katoodilähedase katoodi mõju rakendamisel kaares (enamik pingelangust kaares on pingelang katoodil; kaare renn on tegelikult rida kontakte kaar, mis sinna sattus).
• kaarrennide kasutamine - sattumine kaarekindlast materjalist, näiteks vilguplastist valmistatud kambrisse, kus on kitsad, kohati siksakilised kanalid, kaar venib, tõmbub kokku ja jahtub intensiivselt kokkupuutel kambri seintega.
• "magnetplahvatuse" kasutamine - kuna kaar on tugevalt ioniseeritud, siis esimeses lähenduses võib seda pidada painduvaks voolujuhiks; Spetsiaalsete (kaarega järjestikku ühendatud) elektromagnetite loomisel võib magnetväli tekitada kaare liikumise, et jaotada soojus ühtlaselt üle kontakti ja juhtida selle kaarerenni või resti. Mõned kaitselülitite konstruktsioonid loovad radiaalse magnetvälja, mis annab kaarele pöördemomendi.
• kontaktide šunteerimine toitepooljuhtvõtme avamise hetkel koos kontaktidega paralleelselt ühendatud türistori või triaciga, peale kontaktide avamist lülitatakse pooljuhtvõti välja hetkel, mil pinge läbib nulli (hübriidkontaktor, türikoon).
.
• sädelahendus- artikkel Suurest Nõukogude Entsüklopeediast.
• Reiser Yu.P. Gaaslahenduse füüsika. - 2. väljaanne - M. : Nauka, 1992. - 536 lk. - ISBN 5-02014615-3.
• Rodshtein L. A. Elektriseadmed, L 1981
• Clerici, Matteo; Hu, Yi; Lassonde, Philippe; Milian, Carles; Couairon, Arnaud; Christodoulides, Demetrios N.; Chen, Zhigang; Razzari, Luca; Vidal, Francois (2015-06-01). "Elektrilahenduste laseri abil juhtimine objektide ümber". Teaduse edusammud 1(5): e1400111. Bibkood: 2015SciA….1E0111C. doi:10.1126/sciadv.1400111. ISSN 2375-2548.