Давайте рассмотрим природу электрической дуги и причины ее возникновения.
Возникновение дуги
Мы все замечали, что если провести рукой рядом с телевизионным экраном, то чувствуется сила притяжения. Действительно, в этом устройстве присутствует нечто, именуемое электрическим полем. Оно является источником электрического тока, поскольку именно поле перемещает электроны в проводниках.
Электрическое поле возникает при расцеплении контактов, находящихся под напряжением. Это поле с высокой интенсивностью направляет электроны к горячим точкам контактов.
Возникает электрическая дуга. Если собственной энергии дуги недостаточно, дуга быстро погаснет сама собой. Если, наоборот, она встречается с сильным током, он приносит с собой энергию, сохраняющую дугу.
Электрическая дуга
Мы говорили о том, что электрическое поле вызывает движение электронов. При расцеплении контактов электрическое поле направляет электроны к горячим точкам. Эти электроны должны циркулировать в непроводящей среде, которая называется диэлектриком. В достаточном количестве они вызывают повышение температуры среды.
Любое тело под воздействием температуры достигает порога ионного распада. В этот момент оно испускает электроны и становится проводящим. Начинается ускоренное испускание электронов.
Электрическая дуга будет повторять изменения переменного тока, таким образом, через одинаковые промежутки времени дуга будет исчезать и появляться вновь, если не удалить электроны, поскольку в этом случае среда будет оставаться проводящей.
Температура может достигать 15.000°C. Тепловая мощность может составлять 10МВт.
Чтобы удалить электроны можно:
· использовать диэлектрик с очень высокой скоростью рекуперации (такой как SF6)
· использовать процесс для снижения температуры среды (декомпрессия, дутье и т.п...)
Прерывание дуги в SF6
Возникновение и эволюция дуги уже были описаны выше. Особенностью SF6 являются два уровня проводимости его элементов.
При температуре около 3.000°C молекулы SF6 распадаются: возникают ионы S+ и F–. Это дает нам проводящий элемент, где под воздействием электрического поля S+ движется в одном направлении, а F– в другом. Обратите внимание. Что сера в 1,7 раз тяжелее фтора. Соответственно, последний будет перемещаться быстрее, и поэтому более полезен для переноса нагрузки, чем сера.
При температуре около 6,000°C газ переходит в другое состояние проводимости, фактически, при этой температуре ионы F– и S+ начинают терять электроныs:
F– → F– + e–
S+ → S– + 2e–
Соответственно, появляются свободные электроны, которые намного легче фтора, и вполне возможно, что ток будет переноситься электронами.
Иначе говоря, во время ионного распада под воздействием тепла SF6 проходит две стадии с разной проводимостью:
- одна с сопротивлением при 3,000°C
- другая без сопротивления при 6,000° C. Другими словами, снижая температуру дуги с 6,000° до 3,000°C, мы создаем в дуге сильное сопротивление.
Размыкание тока
При использовании системы охлаждения дуги (поворот дуги, магнитное дутье, механическое или термодинамическое дутье и т.п.), хорошо понятно, что у дуги, температура которой повысилась до 15,000°C под воздействием проходящего через нее тока, температура понизится, как только переменный ток начнет снижаться к нулю. Температура будет снижать все быстрее, так как:
· у SF6 две фазы проводимости, и возникновение дуги с сопротивлением приведет к потере мощности, а следовательно и температуры
· SF6, как мы уже говорили при описании его физических свойств, - это газ, поглощающий большое количество энергии во время распада.
Таким образом, при разрыве дуги поглощается большое количество энергии.
Это снижение температуры будет способствовать восстановлению ионов, и диэлектрик восстановит свои изоляционные свойства, обеспечивая прерывание тока.