Le processus de formation d'un arc électrique et les méthodes d'extinction
Lorsque le circuit électrique est ouvert, une décharge électrique se produit sous la forme d'un arc électrique. Pour l'apparition d'un arc électrique, il suffit que la tension des contacts soit supérieure à 10 V à un courant dans le circuit de l'ordre de 0,1 A ou plus. Avec des tensions et des courants importants, la température à l'intérieur de l'arc peut atteindre 3 à 15 000 ° C, à la suite de quoi les contacts et les pièces sous tension fondent.
À des tensions de 110 kV et plus, la longueur de l'arc peut atteindre plusieurs mètres. Par conséquent, un arc électrique, en particulier dans les circuits de forte puissance, pour des tensions supérieures à 1 kV est un grand danger, bien que des conséquences graves puissent également être présentes dans les installations pour des tensions inférieures à 1 kV. Par conséquent, l'arc doit être contenu autant que possible et rapidement éteint dans les circuits pour des tensions supérieures et inférieures à 1 kV.
Causes des arcs électriques
Le processus de formation d'un arc électrique peut être simplifié comme suit.Lorsque les contacts divergent, la pression de contact diminue d'abord et la surface de contact augmente en conséquence, résistance de transition (densité de courant et température - une surchauffe locale (dans certaines zones de la zone de contact) commence, ce qui contribue davantage au rayonnement thermionique, lorsque sous l'influence d'une température élevée, la vitesse des électrons augmente et ils éclatent de la surface de l'électrode.
Au moment de la séparation des contacts, c'est-à-dire que le circuit est interrompu, la tension est rapidement rétablie dans l'espace de contact. Comme dans ce cas la distance entre les contacts est petite, il y a champ électrique haute tension sous l'influence de laquelle des électrons sont retirés de la surface de l'électrode. Ils accélèrent dans un champ électrique et lorsqu'ils heurtent un atome neutre, ils lui donnent leur énergie cinétique. Si cette énergie est suffisante pour arracher au moins un électron de la coquille d'un atome neutre, alors le processus d'ionisation a lieu.
Les électrons et ions libres formés constituent le plasma du tronc d'arc, c'est-à-dire le canal ionisé dans lequel l'arc brûle et un mouvement continu des particules est assuré. Dans ce cas, les particules chargées négativement, principalement les électrons, se déplacent dans une direction (vers l'anode), et les atomes et molécules de gaz dépourvus d'un ou plusieurs électrons - particules chargées positivement - dans la direction opposée (vers la cathode).
La conductivité du plasma est proche de celle des métaux.
Un grand courant circule dans l'arbre de l'arc et une température élevée est créée.Cette température du cylindre à arc conduit à l'ionisation thermique - le processus de formation d'ions dû à la collision de molécules et d'atomes à haute énergie cinétique à des vitesses élevées de leur mouvement (les molécules et les atomes du milieu où l'arc brûle se désintègrent en électrons et positivement ions chargés). L'ionisation thermique intense maintient une conductivité plasma élevée. Par conséquent, la chute de tension le long de l'arc est faible.
Dans un arc électrique, deux processus se produisent constamment : en plus de l'ionisation, également la déionisation des atomes et des molécules. Ce dernier se produit principalement par diffusion, c'est-à-dire le transfert de particules chargées dans l'environnement et la recombinaison d'électrons et d'ions chargés positivement, qui se réassemblent en particules neutres avec le retour de l'énergie dépensée pour leur désintégration. Dans ce cas, la chaleur est évacuée vers l'environnement.
Ainsi, trois étapes du processus considéré peuvent être distinguées: l'amorçage de l'arc, lorsqu'en raison de l'ionisation par choc et de l'émission d'électrons de la cathode, une décharge d'arc commence et que l'intensité de l'ionisation est supérieure à la déionisation, combustion stable de l'arc soutenue par ionisation thermique dans le cylindre d'arc lorsque les intensités d'ionisation et de désionisation sont égales, disparition de l'arc lorsque l'intensité de désionisation est supérieure à celle de l'ionisation.
Méthodes d'extinction de l'arc dans les appareils de commutation électriques
Pour déconnecter les éléments du circuit électrique et exclure les dommages au dispositif de commutation, il est nécessaire non seulement d'ouvrir ses contacts, mais également d'éteindre l'arc qui apparaît entre eux. Les processus d'extinction d'arc, ainsi que la combustion, avec courant alternatif et courant continu sont différents.Ceci est déterminé par le fait que dans le premier cas le courant dans l'arc passe par zéro à chaque demi-cycle. A ces moments, la libération d'énergie dans l'arc s'arrête et l'arc s'éteint spontanément puis se rallume à chaque fois.
En pratique, le courant dans l'arc devient proche de zéro un peu plus tôt que le passage par zéro, car lorsque le courant diminue, l'énergie fournie à l'arc diminue, la température de l'arc diminue en conséquence et l'ionisation thermique cesse. Dans ce cas, le processus de désionisation se poursuit intensément dans l'intervalle d'arc. Si vous ouvrez et ouvrez rapidement les contacts à ce moment, l'interruption électrique ultérieure peut ne pas se produire et le circuit sera déconnecté sans arc. En pratique, cependant, cela est extrêmement difficile à faire, et donc des mesures spéciales sont prises pour accélérer l'extinction de l'arc, pour assurer le refroidissement de l'espace d'arc et pour réduire le nombre de particules chargées.
À la suite de la désionisation, la rigidité diélectrique de l'entrefer augmente progressivement et en même temps la tension de récupération dans celui-ci augmente. Le rapport de ces valeurs dépend du fait que l'arc-en-ciel s'allumera ou non dans la prochaine moitié de la période. Si la rigidité diélectrique de l'entrefer augmente plus vite et est supérieure à la tension de rétablissement, l'arc ne s'amorcera plus, sinon un arc stable sera fourni. La première condition définit le problème d'extinction d'arc.
Différentes méthodes d'extinction d'arc sont utilisées dans les appareillages de commutation.
Extension de l'arc
Si les contacts divergent lors de la déconnexion du circuit électrique, l'arc résultant est étiré.Dans le même temps, les conditions de refroidissement de l'arc sont améliorées car sa surface augmente et il faut plus de tension pour brûler.
Fractionnement d'un arc long en une série d'arcs courts
Si l'arc formé à l'ouverture des contacts est divisé en K arcs courts, par exemple en tirant dans une grille métallique, il s'éteindra. Typiquement, l'arc est introduit dans une grille métallique sous l'influence d'un champ électromagnétique induit dans les plaques de grille par des courants de Foucault. Cette méthode d'extinction d'arc est largement utilisée dans les appareillages pour des tensions inférieures à 1 kV, en particulier dans les interrupteurs automatiques à air.
Refroidissement à l'arc dans des fentes étroites
L'extinction des petits arcs est facilitée. Par conséquent, dans dispositifs de commutation les goulottes à arc avec des fentes longitudinales sont largement utilisées (l'axe d'une telle fente coïncide en direction avec l'axe du cylindre à arc). Un tel espace est généralement formé dans des chambres constituées de matériaux isolants résistant aux arcs. En raison du contact de l'arc avec des surfaces froides, son refroidissement intense se produit, la diffusion de particules chargées dans l'environnement et, par conséquent, une désionisation rapide.
En plus des fentes avec des parois parallèles plates, des fentes avec des nervures, des saillies, des extensions (poches) sont également utilisées. Tout cela entraîne une déformation du cylindre à arc et augmente la surface de son contact avec les parois froides de la chambre.
L'arc est attiré dans des fentes étroites généralement par un champ magnétique interagissant avec l'arc, qui peut être considéré comme un conducteur porteur de courant.
Externe champ magnétique le déplacement de l'arc est le plus souvent assuré par une bobine connectée en série avec les contacts entre lesquels se produit l'arc.L'extinction d'arc à fente étroite est utilisée dans les appareils pour toutes les tensions.
Extinction d'arc à haute pression
À température constante, le degré d'ionisation du gaz diminue avec l'augmentation de la pression, tandis que la conductivité thermique du gaz augmente. Toutes choses étant égales par ailleurs, cela se traduit par un meilleur refroidissement de l'arc. L'extinction d'arc par haute pression, créée par l'arc lui-même dans des chambres hermétiquement fermées, est largement utilisée dans les fusibles et un certain nombre d'autres dispositifs.
Trempe à l'arc dans l'huile
Si contacts de commutation placés dans l'huile, l'arc qui se produit à leur ouverture entraîne une intense évaporation de l'huile. En conséquence, une bulle de gaz (enveloppe) se forme autour de l'arc, composée principalement d'hydrogène (70 ... 80%), ainsi que de vapeur d'huile. Les gaz émis pénètrent directement dans la zone du cylindre à arc à grande vitesse, provoquent un mélange de gaz froid et chaud dans la bulle, assurent un refroidissement intensif et, par conséquent, une déionisation de l'espace d'arc. De plus, la capacité déionisante des gaz augmente la pression à l'intérieur de la bulle créée lors de la décomposition rapide de l'huile.
L'intensité du processus d'extinction de l'arc dans l'huile est d'autant plus élevée que l'arc entre en contact avec l'huile et plus l'huile se déplace rapidement par rapport à l'arc. Compte tenu de cela, l'espace d'arc est limité par un dispositif isolant fermé - chambre d'arc... Dans ces chambres, un contact plus étroit de l'huile avec l'arc est créé, et à l'aide de plaques isolantes et de trous de décharge, des canaux de travail sont formés à travers lequel le mouvement du pétrole et des gaz, fournissant une éruption intensive (éruption) de l'arc.
Goulottes d'arc selon le principe de fonctionnement, elles sont divisées en trois groupes principaux: avec auto-soufflage, lorsqu'une pression élevée et une vitesse de déplacement du gaz sont créées dans la zone de l'arc en raison de l'énergie libérée dans l'arc, avec soufflage forcé d'huile à l'aide de mécanismes hydrauliques de pompage spéciaux, avec trempe magnétique dans l'huile, lorsque l'arc est sous l'action du champ magnétique, il se déplace dans des espaces étroits.
Les chutes d'arc auto-gonflantes les plus efficaces et les plus simples... Selon l'emplacement des canaux et des ouvertures d'échappement, on distingue les chambres dans lesquelles le soufflage intensif du mélange gaz-vapeur et de l'huile le long du courant de l'arc (soufflage longitudinal) ou à travers l'arc (soufflage transversal) est fourni). Les méthodes d'extinction d'arc considérées sont largement utilisées dans les disjoncteurs pour des tensions supérieures à 1 kV.
Autres méthodes d'extinction de l'arc dans les appareils pour des tensions supérieures à 1 kV
En plus des méthodes d'extinction de l'arc ci-dessus, ils utilisent également: de l'air comprimé, dont le flux souffle l'arc le long ou à travers, assurant son refroidissement intense (à la place de l'air, d'autres gaz sont utilisés, souvent obtenus à partir de solides générateurs de gaz matériaux - fibres, plastique vinylique, etc. - au détriment de leur décomposition par l'arc de combustion lui-même), SF6 (hexafluorure de soufre), qui a une résistance électrique plus élevée que l'air et l'hydrogène, à la suite de quoi l'arc brûlant dans ce gaz, même à pression atmosphérique, s'éteint rapidement, gaz hautement raréfié (vide) lors de l'ouverture des contacts, dans lequel l'arc ne ne s'enflamme (s'éteint) qu'après le premier passage du courant par zéro.