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.