Arcul electric

Consideratii teoretice

Intreruperea unui circuit electric este intotdeauna insotita de un arc electric intre contactele aparatului de comutatie. Acest arc se numeste de deschidere . Daca acest proces de aparitie a arcului n-ar exista , ar aparea mari greutati in folosirea instalatiilor electrice , deoarece toata energia acumulata in campul magnetic al sistemului s-ar transforma , la intreruperea circuitului, in energie a campului electric , ceea ce ar aduce la supratensiuni periculoase pentru instalatiile electrice. Prezenta arcului electric permite sa se intrerupa un circuit de curent continuu, fie cu supratensiuni mici nepericuloase fie fara supratensiuni. Energia campului magnetic al sistemului se transforma in arcul electric in energie calorica.

De asemenea, si la inchiderea circuitelor electrice apare un arc intre contactele aparatului de comutatie, dar efectul termic al acestui arc este mic datorita vitezei mari de inchidere a contactelor.

Fenomenele tranzitorii care apar la deconectarea circuitelor electrice de inalta tensiune constituie unele dintre cele mai complexe fenomene din electrotehnica. Studiul lor este dificil datorita influentelor reciproce intre functionarea aparatelor de inalta tensiune , care produc aceste fenomene si insasi desfasurarea acestor fenomene. De asemenea, o serie de proprietati bine determinate se pot manifesta in mod diferit in functie de conditiile locale. Astfel, de exemplu, reamorsarea unui arc intre contactele unui intrerupator care se deschide, poate avea ca efect limitarea supratensiunii in cazul unui curent inductiv de slaba intensitate, pe cand aceeasi reamorsare poate sa produca din contra o supratensiune relativ mare in cazul unui curent capacitiv corespunzator unei linii de gol.

Arcul electric poate fi considerat ca un conductor extrem de mobil, care se deplaseaza sub actiunea curentilor de aer si a campului electromagnetic. In deplasarea sa, daca sare pe doua conductoare cu diferenta de potential intre ele produce un scurt circuit. Arcul electric are o temperatura inalta atat in coloana lui , cat si in punctele sale de sprijin, asa incat el produce o solicitare suplimentara fata de solicitarile termice la care este supus in mod normal aparatul si corodeaza contactele pe care le sprijina. Arcul electric deci fiind distrugator, trebuie limitat ca timp si spatiu.

Studiul arcului electric, cunoasterea proprietatilor sale, precum si a metodelor de stingere a lui au o mare importanta pentru proiectarea, construirea si exploatarea rationala a aparatelor de comutatie, intrucat intreruperea unui circuit electric consta de fapt in a stinge arcul electric intr-un timp scurt, inainte ca el sa

devina periculos atat pentru echipamentele alaturate cat si pentru stabilitatea functionarii sistemului.

Formarea arcului electric

Cercetarile au aratat ca procesul de formare a arcului electric la desfacerea a doua contacte ale unui circuit strabatut de curent se desfasoara in felul urmator. In momentul cand cele doua contacte se separa, stratul subtire de aer de rezistenta r care se interpune intre ele este strabatut de curentul electric si prin aceasta trecere a curentului se produce o temperatura foarte mare, care da nastere la o licarire albstra de mare stralucire – o scanteie. Aceasta strapungere a stratului subtire de aer ramane scanteie daca puterea intrerupta este mica. Daca insa puterea intrerupta are o valoare importanta strapungerea devine arc electric in 10-9 s. se constata corodarea contactelor in punctele de sprijin ael arcului electric si volatilizarea materialului contactului care este apoi antrenat in spatiul dintre contacte.

Volatilizarea metalului contactelor contribuie mult la formarea arcului electric . la desfacerea contactelor ,forta de strangere se micsoreaza repede in functie de timp, suprafata reala de atingere se micsoreaza si rezistenta de contact creste. Caldura corespunzatoare Rl2t se concentreaza intr-un volum foarte mic de metal, format din varfurile conurilor care se ating(v. cap. 3).

Aceste varfuri se incalzesc pana la temperaturi foarte inalte si pana la urma se volatilizeaza sub forma de explozie, formand astfel o plasma de mare conductibilitate. Arcul electric se considera ca se formeaza imediat dupa explozia puntilor de contact, intre ramasitele lor. La disparitia atingerii ultimelor suprafete elementare ale contactelor, varfurile conurilor sunt deja incalzite la temperatura la care incep emisiunile termoelectronice.

Particularizarea caracteristica a arcului de deschidere este ca el se formeaza la o tensiune de aprindere mica.

Formarea arcului electric la inchiderea contactelor se datoreste in principal curentului capacitiv, cele doua contacte formand armaturile unui condesator. Arcul electric apare cand gradientul tensiunii intre contacte ajunge la 107 V/cm, valoare la care incepe autoemisia de electroni.

Arcul electric este un flux de electroni si de ioni, care are in zona sa centrala o temperatura foarte ridicata. Fluxul de electroni si ioni constituie miezul arcului, zona sa axiala , a carui sectiune are o valoare anumita pentru o presiune a mediului inconjurator data si este proportionala cu intensitatea curentului din arc. Aceasta parte a arcului electric, de o luminozitate intensa, este de fapt coloana lui, care are conductibilitatea electrica cea mai mare , prin care trece aproape 100% din curent.

Acest miez este inconjurat cu un strat mai gros , dar mai putin luminos, denumit aureola , a carui natura difera, datorita temperaturii mari , de mediul initial in care s-a produs arcul. Aureola prezinta un gaz destul de incalzit si luminos, dar temperatura lui fiind relativ mica, conductibilitatea lui este mica. Variatia temperaturii din coloana arcului care arde intr-un mediu de vapori de apa este data in figura 2.25..

Zona centrala I este inconjurata de zonele II si III cu caderi de temperatura foarte mari. In zona III se descompun moleculele de apa in molecule de O2 si H2. In zona II se produce disocierea moleculelor de O2 si H2 in atomi de O si H. Zona centrala I este caracterizata de o intensa ionizare termica a atomilor de O si H. Mediul in care arde arcul influenteaza caderea de tensiune pe coloana lui. In tabelul 2.4 sunt date conductibilitatea termica a diferitelor gaze si caderea de tensiune, ca marimi relative fata de datele obtinute pentru arcul care arde in aer .

De aici rezulta eficienta folosirii ca materiale de stingere, a acelor materiale care prin descompunerea lor dau cantitati mari de hidrogen.

Proprietatile arcului electric

Arcul electric este o descarcare electrica autonoma in gaze care se caracterizeaza prin : densitate mare de curent, temperatura inalta, presiune mare a gazului(atmosferica sau mai mare) si cadere mica de tensiune (un gradient mic al tensiunii in coloana arcului 10 …20 V/cm).

Caracteristica principala a descarcarii in gaze este proprietatea spatiului de gaz, in general izolant , de a deveni conductor electric. Conductibilitatea gazului este determinata de densitatea purtatorilo de sarcina liberi si de viteza lor de deplasare spre cei doi electrozi si variaza cu densitatea , temperatura, natura mediului si intensitatea campului electric.

Descarcarea autonoma este caracterizata prin existenta unui inonizari suficient de intense care sa permita formarea avalansei de electroni si de ioni.

Trecerea din descarcarea neautonoma in cea autonoma are loc atunci cand numai este nevoie de un agent exterior de ionizare. Procesul de ionizare este dependent de campul electric si de presiunea gazului respectiv. Daca intr cele doua contacte aflate la distanta d se considera o repartitie uniforma a campului electric E rezulta tensiunea U aplicata pe electrozi :

U = E •d.

Valoarea tensiuni Ua aplicata pe electrozi , la care are loc trecerea de la

descarcarea neautonoma la cea autonoma se numeste tensiune de aprindere .In figura 2.26. este data curba tensiunii de aprindere a arcului in aer in

functie de (p•d). Aceasta curba ne arata ca tensiunea de aprindere esta o functie de produsul presiunii gazului cu distanta dintre electrozi (p•d). Astfel variind si respectiv presiunea gazului se poate pastra constanta tensiunea de aprindere. Ua= f(p•d) este legea lui Paaschen, valabila in campuri uniforme. Valoarea minima a curbei lui Paaschen defineste tensiunea minima de strapungere a spatiului dintre electrozi intr-un mediu gazos. Pentru valori mai mari ale presiunii, deci pentru pd>(pd)min, drumul liber mediu al electronilor este micsorat si ciocnirile intre electronii si atomii de gaz vor fi elastice. Pentru a produce ionizarea prin soc este necesar ca intensitatea campului electric si deci si U sa creasca. Pentru valori mai mici ale presiunii, deci pentru pd>(pd)min drumul liber mediu creste si deci creste posibilitatea ionizarii la ciocnirile unui electron cu un atom neutru, insa probabilitatea ciocnirilor este redusa. Pentru a produce descarcarea autonoma este necesar sa se creasca cat mai mult probabilitatea ionizarii prin soc , iar singura cale , in acest caz , este cresterea , intensitatii, campului electric si deci a tensiunii aplicate electrozilor.

In figura 2.27 este aratata dependenta dintre tensiune si curent pentru diferite descarcari in gaze. Descarcarea luminiscenta are loc pentru o cadere de tensiune catodica intre 200-250 V si un curent de 10-5-10-1A.

O crestere a curentului pana al 1A produce o cadere brusca a tensiunii si reprezinta asa-numita regiune de trecere, in care descarcarile nu sunt stabile si au loc numai in regim tranzitoriu.

Dupa aceasta descarcare , la cresterea curentului apare descarcarea in arc , caracterizata de o cadere de tensiune catodica mica 10-20 V si o densitate de curent mare 10-105 A/cm2.

Variatia caderii de tensiune si a gradientului in arc este data in figura 2.28.

Din figura 2.28 se vede ca langa catod are loc o variatie brusca a tensiunii denumita cadere de tensiune catodica si un gradient mare al tensiunii. In lungul coloanei arcului tensiunea creste uniform, avand in aceasta portiune un gradient al tensiunii constant. Langa anod are loc , de asemenea , o variatie brusca de tensiune, denumita cadere de tansiune anodica .

Caderea de tensiune catodica Uc , pentru acelasi mediu si acelasi material al electrozilor, este o marime aproape constanta si este cuprinsa intre 10-20 V.

Caderea de tensiune catodica se gaseste ca valoare, intre potentialul de ionizare al vaporilor din materialul catodului si potentialul de ionizare al gazului. Aceasta se explica prin faptul ca langa catod, gazul care inconjoara arcul contine intotdeauna o cantitate anumita de vapori din metalul contactelor, iar potentialul de ionizare al vaporilor de metal este mai mic decat cel al gazelor.

Caderea de tensiune anodica Ua este in general variabila si depinde in primul rand de curent. De obicei ea este mai mica deact cea catodica, iar in cazul curentilor mari se apropie de zero.

Caderile de tensiune de langa electrozi sunt concentrate pe portiuni foarte mici din lungimea arcului (10-4cm).

In acest caz se poate exprima astfel tensiunea arcului(caderea de tensiune in arc) : U= Uc+Ul+Ua . (2.51).

Pentru contacte din acelasi material , pentru acelasi mediu , aceeasi presiune si temperatura , caderea de tensiune in coloana arcului Ul este impedanta de curentul din arc. Adica , arcul se poate considera ca un conductor a carui sectiune se ajusteaza automat la curentul care trece prin el, in asa fel ca o anumita diferenta de potential este suficienta pentru a asigura trecerea unui curent anumit.

Pentru a fi mai usor intelese procesele ce au loc in coloana arcului se reamintesc procesele de ionizare si de deionizare a spatiului de arc.

Procesele de ionizare a arcului electric

Ionizarea prin ciocniri

Electronii liberi care se gasesc intotdeauna in spatiul dintre electrozi se deplaseaza cu viteza mare spre anod sub actiunea campului electric existent. In drumul lor acesti electroni produc ionizarea prin ciocnire a particulelor neutre.

Ionizarea prin ciocnire depinde de presiunea gazului, de potentialul de ionizare a moleculelor gazului din spatiul de arc si de tensiune aplicata. Cresterea presiunii gazului in jurul arcului atenueaza procesul de ionizare.

Datorita cresterii rapide a distantei dintre contacte intensitatea campului electric E din coloana arcului scade si din aceasta cauza ionizarea prin ciocnire nu poate asigura conductibilitatea spatiului de descarcare in arc.

Ionizarea prin emisie

Emisia de electroni de la suprafata catodului se face in doua feluri : -emisia autoelectronica produsa de un camp electric intens in regiunea catodului ;-emisia termoelectronica.

Emisia autoelectronica are loc in primele momente dupa desfacerea contactelor sau in ultimele momente la inchiderea contactelor cand, distanta intre ele fiind foarte mica, apare un gradient de tensiune foarte mare, care produce smulgerea de electroni de la suprafata catodului. La deschiderea contactelor acest gradient de tensiune scade foarte repede, intrucat distanta dintre contacte creste repede.

Emisia de electroni de la suprafata catodului nu inceteaza cu incetarea emisiei autoelectronice, deoarece se continua emisia termoelectronica de la suprafata incalzita a petei catodice care a inceput de fapt din momentul desfacerii contactelor.

Prin miscarea electronilor catre anod se formeaza langa catod sarcini spatiale pozitive. Repartitia temperaturii si a densitatii de curent pe suprafata catodului are aceeasi forma ca si cea din sectiounea coloanei arcului (fig. 2.25). Particulele neutre care se formeaza prin recombinarea langa catod a ionilor si a electronilor isi continua, in virtutea inertiei miscarea catre catod si iau parte la bombardarea lui. Ca rezultat al acestei bombardari suprafata catodului devine incandescenta, producandu-se topirea si pulverizarea metalului. Partea ceam mai incandescenta se numeste pata cotodica si are o temperatura de circa 1500 K. La aceasta temperatura ridicata a metalului se produce emisia termoelectronica de pe suprafata catodului si in special de pe suprafata petei catodice, pe care se concentreaza aproape intregul curent al arcului.

Ionizare termica

Procesul de ionizare in coloana arcului se datoreste in cea mai mare parte temperaturii inaltre a gazului, ionizarea termica fiind in acest caz fundamentala si practic singura care contribuie la dezvoltarea si mentinerea arcului electric.

Partea centrala a arcului are o temperatura foarte inalta, de 5000-10000 K si in unele cazuri ajunge la 50000 K. Aceasta temperatura depinde de intensitatea curentului de natura mediului ambiant si de presiunea acestuia. Prin aceasta parte centrala trece cea mai mare parte a fluxului de electroni.La trecerea curentului prin zero (in cazul curentului alternativ) temperatura scade pana la 1000-2000 K.

La temperaturile foarte inalte din coloana arcului atomii si moleculele gazului capata viteze mari, respectiv energii cinetice mari. La ciocnire apar particule incarcate cu electricitate de semn contrar, electroni si ioni. Ionizarea termica a gazelor are loc la temperaturi 8∙103÷104 K , iar a vaporilor de metal la 4000 K. In arcul electric care se formeaza la intreruperea unui circuit exista intotdeauna vapori metalici , deci pentru ca sa se produca ionizarea termica este nevoie ca temperatura sa aiba valoarea de peste 4000-5000 K.

Deionizarea arcului electric

Din cele de mia sus rezulta ca dintre toate tipurile de ioniozari posibile, ionizarea termica este aceea care mentine arcul. De aici rezulta ca masura cea mai potrivita pentru stingerea arcului electric este indepartarea caldurii din spatiul de arc, deci scaderea temperaturii.

Scaderea temperaturii gazului din coloana arcului nu numai ca inlatura sursa de ioni si electroni, dar contribuie foarte mult la recombinarea particulelor pozitive si negative , obtinandu-se procesul care se cheama deionizare. Procesul de deionizare in spatiul de arc are loc simultan cu procesul de ionizare si , cat timp arcul arde stabil , ele se gasesc in echilibru. In stadiul de aprindere si de dezvoltare a arcului procesul de ionizare este preponderent, iar in stadiul de stingere – procesul de deionizare.

Procesul de deionizare se realizeaza prin : a) recombinarea particulelor incarcate ;b) difuzia ionilor in afara spatiului de arc.Fenomenul de recombinare consta in aceea ca doua particule incarcate cu

sarcini pozitive si negative care se ating isi neutralizeaza sarcinile electrice si formeaza o particula neutra. In coloana arcului se recombina ioni de sens contrar. Recombinarea directa a electronului cu un ion pozitiv esta putin probabila, deoarece viteza de deplasare a electronilor este de circa 1000 ori mai mare decat viteza de deplasare a ionilor. In aceste conditii recombinarea se face cu participarea unui al treilea agent : particulele neutre. Se presupune ca electronul avand o mobilitate mare, mai intai incarca cu sarcina negativa o particula neutra alaturandu-

se de ea, formand astfel un ion negativ. Dupa aceea ionii pozitivi si negativi, care au aproximativ aceeasi masa si aceeasi viteza de deplasare se atrag reciproc si atingandu-se se transforma in particule neutre.

Procesul de recombinare este intotdeauna insotit de emisie de caldura. Atingerea particulelor care se recombina se face fie datorita atractiei lor

reciproce electrostatice , fie datorita agitatiei lor termice. Cu cat energia particulei este mai mare, cu atat mai mare este viteza ei de miscare si cu atat mai mica este probabilitatea de recombinare.

Intensitatea de recombinare depinde de : - gradientul campului electric ; cu cat gradientul este mai mic cu atat viteza de

miscare a particulelor incarcate este mai mica si cu atat este mai mare posibilitatea de recombinare a lor ;

- natura gazului ; - temparetura gazului in spatiul de arc ; cu cat temperatura este mai mica

intensitatea recombinarii este mai mare ;- presiunea gazului in spatiul de arc, care favorizeaza recombinarea ;- sectiunea arcului; la sectiuni mici ale arcului recombinarea este mai intensa.

O recombinare intensa a particulelor incarcate se observa de asemenea si la suprafata unui dielectric solid cu care arcul electric vine in atingere, cum ar fi de exemplu cazurile de ardere a arcului in tuburi sau in spatii inguste.

Difuzia ionilor este al doilea proces de deionizare a arcului si consta in deplasarea particulelor incarcare din zona arcului, cu concentratie mare de sarcini electrice , in mediul inconjurator cu concentratie mai micade sarcini. Se stie ca in gaze nu poate persista mult timp o modificare locala a starii lui. Intr-un gaz ionizat orice acumulare de ioni sau electroni, determinata de o cauza oarecare, se va imprastia imediat dupa aparitie, datorita miscarii termice in intregul volum ocupat de gaz. Legile difuziei se deduc din teoria cinetica a gazelor. De aici rezulta ca in cazul repartitiei neuniforme a densitatii sarcinilor pe sectiunea transversala a arcului apare un camp electric, care forteaza ionii sa se miste perpendicular fata de axa arcului , parasind chiar zona acestuia datorita diferentei mari de temperatura care exista intre spatiul de arc si mediul ambiant. Ionii care difuzeaza in mediul ambiant pierda sarcinile lor prin recombinare cu ionii negativi care se gasesc in mediul inconjurator.

Difuzia produce deci o micsorare a numarului de ioni din arc, micsorand conductibilitatea arcului.

Pentru ca ionii care difuzeaza in mediul inconjurator sa nu formeze in jurul arcului zone cu sarcini pozitive , care ar impiedica mai departe difuzia ionilor pozitivi din arc, este necesar ca recombinarea ionilor in mediul inconjurator sa se faca intens. Intensificarea recombinarilor in mediul inconjurator se obtine prin suflarea arcului cu ajutorul unui gaz relativ rece si neionizat. Acest suflaj , marind

diferenta de temperatura dintre arc si mediul inconjurator , contribuie direct la intensificarea difuziei. Acelasi rezultat se obtine si prin deplasarea arcului in mediul ambiant.

Difuzia depinde de :- diferenta dintre temperatura arcului si temperatura mediului ambiant ;- raportul dintre perimetrul arcului si sectiunea sa ;- lungimea arcului,

si variaza invers proportional cu patratul razei coloanei arcului.Temperatura arcului variaza brusc de la axa lui spre periferie. Cu cat este mia

brusca caderea de temperatura cu atat se micsoreaza mai repede zona de ionizare termica din sectiunea arcului si creste difuzia.

In cazul arcului liber recombinarea este importanta , iar difuzia este neglijabila. In cazul insa cand arcul este deionizat puternic printr-un suflaj , iar raza arcului este mult mai mica decat in cazul arcului liber, difuzia incepe sa devina mai intensa. In cazul arcului care arde in spatii inguste sau in canale cu pereti izolanti cu toate ca diametrul arcului este mic , recombinarea are un rol hotarator , crescand foarte mult daca arcul atinge peretii.

Caracteristicile arcului electric

Caracteristica volt ampetica pentru o anumita lungime constanta a arcului este una din caracteristicile cele mia importante ale descarcarii in arc.

Daca curentul din arc variaza atat de incet , incat pentru fiecare valoare a curentului corespunde o stare stabila atat a parametrilor fizici, cat si a parametrilor geometrici ai arcului , atunci dependenta tensiunii arcului de curent reprezinta asa-numita caracteristica tensiune-curent statica a arcului, a carei forma este aratata in figura 2.29.

Forma curbei se explica prin faptul ca la cresterea curentului creste si temperatura si se intensifica procesele de ionizare termica. Aceasta duce la o crestere brusca a densitatii de electroni din canal si a conductibilitatii gazului si deci la o reducere a tensiunii arcului.

Dependenta dintre gradientul din canalul arcului si curent se poate exprima analitic prin relatia :

E= CI-n. (2.52)Exponentul n are valori intre 0,5- 0,25 , valoarea o,5 corespunzand la curenti

foarte mici (pana la 10 A). In zona curentilor mari n are valori intre 0,35-0,25.Cand curentul din arc variaza in timp repede, nu exista o stare stabila a

arcului si tensiunea arcului difera fata de valorile date de caracteristica tensiune-curent statica. Datorita inertiei termice si inertiei la modificarea diametrului coloanei arcului, conductibilitatea si tensiunea arcului se vor determina din valorile precedente ael curentului. De aceea in cazul mariri curentului tensiunea va fi superioara celei de la starea stabila, iar in cazul descresterii- mai mica. In general ,intereseaza variatia tensiunii in cazul micsorarii curentului in arc , intru-cat acesta corespunde stingerii lui.

In figura 2.30 este aratata o familie de caracteristici tensiune-curent pentru aceeasi distanta intre electrozi si pentru diferite viteze de variatie a curentului din arc. Aceasta dependenta a tensiunii arcului de curent se numeste caracteristica tensiune-curent dinamica. Caracteristica dinamica se schimba in functie de viteza de variatie a curentului. Curba OA corespunde unei viteze infinit de mari de micsorare a curentului, cand rezistenta coloanei arcului ramane constanta. Aceasta

curba OA este o limita care in practica nu se poate atinge. Caracteristica aceasta liniara corespunde unui regim ideal de micsorare a curentului.

Arcul electric de curent continuu si stingerea sa

Caracteristica tensiune-curent a arcului de curent continuu este data in figura 2.31. forma acestei curbe este determinata de procesele de ionizare si de deionizare a spatiului de arc.

Arcul electric ia nastere intre contactele aparatului la o tensiune Ua care se numeste tensiune de aprindere si care depinde de distanta intre contactele arcului, de temperatura si presiunea mediului ambiant, de temperatura si materialul contactelor etc. Daca viteza de variatie a curentului nu este mare , tensiunea arcului se micsoreaza cand curentul creste. In figura 2.31 curba a-b este caracteristica tensiune-curent statica a arcului. Daca inca de la punctul b curentul arcului se va micsora cu viteza mare (figura 2.31) se obtine curba b-c , adica caracteristica dinamica a arcului. Ea este situata sub caracteristica statica.

Tensiunea arcului U8 , corespunzatoare curentului care tinde cartre zero , se numeste tensiunea de strangere U8.