Электрическая дуга

Лекция 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА В коммутационных электрических аппаратах, предназначенных для замыкания и размыкания цепи с током, при отключении возникает разряд в газе либо в виде тлеющего разряда, либо в виде дуги. Тлеющий разряд возникает тогда, когда отключаемый ток ниже 0,1 А, а напряжение на контактах достигает величины 250—300 В. Такой разряд встречается либо на контактах маломощных реле, либо как переходная фаза к разряду в виде электрической дуги. Если ток в цепи и напряжения выше значений, указанных в таблице 4.1, то имеет место дуговой разряд. Таблица 4.1 — Минимальные значения напряжения и тока для поддержания дугового разряда Материал контактов U0, В I0, А Платина 17,0 0,9 Золото 15,0 0,38 Серебро 12,0 0,4 Вольфрам 17,0 0,9 Медь 12,3 0,43 Уголь 18-22 0,03 Основные свойства дугового разряда. 1. Дуговой разряд имеет место только при токах большой величины. Минимальный ток дуги для различных материалов приведен в табл. 4.1 и для металлов составляет примерно 0,5 А. 2. Температура центральной части дуги очень велика и в аппаратах может достигать 6000—18 000 К. 3. Плотность тока на катоде чрезвычайно велика и достигает 102—103 А/мм2. 4. Падение напряжения у катода составляет всего 10—20 В и практически не зависит от тока. В дуговом разряде можно различить три характерные области: околокатодную, область столба дуги и околоанодную. В каждой из этих областей процессы ионизации и деионизации протекают по-разному в зависимости от условий, которые там существуют. Поскольку результирующий ток, проходящий через эти три области, одинаков, в каждой из них происходят процессы, обеспечивающие возникновение необходимого количества зарядов. Околокатодная область занимает весьма небольшое пространство. Длина ее обычно не более 10-6 м. На протяжении этой области создается катодное падение напряжения, равное 10—20 В. Средняя напряженность электрического поля у катода достигает 107 В/м. Основными носителями тока в катодной области являются электроны, получаемые с катода. Около катода расположен положительный объемный заряд, создаваемый положительными ионами. Между положительным объемным зарядом и катодом создается электрическое поле, в котором двигаются электроны, вышедшие из катода. Силы электрического поля воздействуют на электрон и увеличивают его скорость. При соударении такого электрона с нейтральной частицей может произойти ионизация. Для того чтобы ионизировать нейтральный атом, необходимо, чтобы электрон обладал определенной энергией. Напряжение (разгоняющее напряжение), которое должен пройти электрон для приобретения энергии, необходимой для ионизации, называется потенциалом ионизации. Для газов этот потенциал колеблется от 24,58 В (гелий) до 13,3 В (водород). Пары металлов имеют значительно меньший потенциал ионизации. Так, для паров меди он равен 7,7 В. Положительные ионы, так же как и электроны, разгоняются электрическим полем, но из-за большой массы скорость их незначительна. При ударе положительного иона о нейтральную частицу меньшая часть энергии передается на ионизацию, так что ионизация толчком происходит в основном за счет электронов. Ввиду малой протяженности околокатодной области электроны не набирают скорости, достаточной для ионизации ударом. Чаще всего после удара атом переходит в возбужденное состояние (электрон атома переходит на более удаленную от ядра орбиту). Для ионизации возбужденного атома требуется меньшая энергия. В результате необходимый потенциал ионизации уменьшается. Такая ионизация называется ступенчатой. При ступенчатой ионизации необходим многократный удар электронов по атому: на каждый образующийся положительный ион требуются десятки электронов. Поэтому ток около катода, несмотря на наличие положительных ионов, носит электронный характер. Образующиеся электроны не создают около катода отрицательного объемного заряда, так как их скорость значительно больше скорости тяжелых положительных ионов. Положительные ионы разгоняются в поле катодного падения напряжения и бомбардируют катод. Благодаря этому температура катода поднимается и достигает точки испарения материала электрода. При высоких температурах появляется термоэлектронная эмиссия катода, которая в сильной степени зависит от температуры электрода. Область дугового столба. Расчеты показывают, что энергия, приобретенная заряженными частицами в электрическом поле дугового столба, столь мала, что практически ионизация толчком не происходит. Основным источником ионов и электронов является термическая ионизация. Чем больше давление газа, тем ниже степень ионизации. В связи с этим во многих дугогасящих устройствах создается повышенное давление газа, что способствует гашению дуги. Очень сильное влияние на ионизацию оказывает температура. Для большого числа двухатомных газов из-за ступенчатой ионизации процесс образования ионов начинается при температурах 6·103 К. Пары металла ионизируются значительно легче. Заметная ионизация начинается уже при температурах 3000—4000 К. В связи с этим в дугогасительных устройствах необходимо принимать меры, препятствующие попаданию металлических паров электродов в столб дуги (уменьшение сечения плавких вставок предохранителей, перемещение дуги по электродам, уменьшающее температуру электродов, а следовательно, их испарение, и ряд других мер). Поскольку степень ионизации определяется температурой, во всех без исключения дугогасительных устройствах стремятся отводить тепло от дуги либо за счет охлаждения движущимся воздухом или газом (воздушные, масляные выключатели), либо за счет отдачи тепла стенкам дугогасительной камеры. В дуговом столбе наряду с ионизацией протекают процессы деионизации за счет рекомбинации и диффузии. Рекомбинация — это нейтрализация частиц за счет соединения ионов с зарядами различных знаков. Как показали исследования, в дуговом столбе рекомбинация электрона и положительно заряженного иона из-за большого различия в их массе маловероятна. Обычно рекомбинация происходит таким образом, что сначала электрон отрицательно заряжает нейтральную частичку, после чего происходит рекомбинация положительного и образовавшегося отрицательного иона. Очевидно, что чем больше зарядов в единице объема, тем сильнее будет рекомбинация. Деионизация в столбе идет также за счет диффузии. Вследствие теплового движения частиц происходит выравнивание плотности заряженных частиц, число частиц в столбе дуги уменьшается, сопротивление дугового столба увеличивается. Скорость убывания числа заряженных частиц резко возрастает с уменьшением радиуса дуги. Поэтому в дугогасительных устройствах широко используется принцип узкой щели (дуга горит в щели, образованной дугостойкими стенками с высокой теплопроводностью). Энергетический баланс дуги. Процесс ионизации и процесс деионизации в значительной степени определяются температурой дугового промежутка. Последняя зависит от количества тепла, выделяемого в дуге, и количества тепла, отводимого от дуги. Охлаждение дуги происходит за счет излучения, теплопроводности и конвекции. Для открытой дуги, горящей в воздухе, за счет лучеиспускания отдается 15—30% энергии, выделяемой в дуге. Для дуги, горящей в закрытом дугогасительном устройстве, доля тепла, отдаваемого лучеиспусканием, меньше. Отвод тепла за счет теплопроводности газа в значительной степени зависит от температуры газа. Так, при температуре 4000 К молекулы водорода диссоциируют на атомы. При этом от дуги отводится большое количество тепла. Внешне этот процесс рассматривается как резкое увеличение теплопроводности. Теплопроводность газа сильно зависит от его природы. Так, средняя теплопроводность водорода в 17 раз больше, чем воздуха. Благодаря своей высокрй теплопроводности при прочих равных условиях водород способствует более быстрому охлаждению столба дуги. Ток, отключаемый в атмосфере водорода, в 7,5 раз больше, чем в воздухе при том же давлении. При горении дуги в трансформаторном масле последнее разлагается, выделяя газы, основную часть которых составляет водород. В атмосфере этого газа и происходит эффективное гашение. В некоторых аппаратах под действием магнитного поля дуга перемещается с большой скоростью относительно воздуха. Все это приводит к охлаждению дуги за счет конвекции. Этот вид теплоотдачи наряду с теплопроводностью является для дуги решающим. Околоанодная область. Поток электронов из столба дуги устремляется к положительному электроду — аноду. Анод при дуговом разряде не излучает положительных ионов, которые могли бы нейтрализовать электроны. Поэтому вблизи анода создается отрицательный объемный заряд, что и вызывает появление околоанодного падения напряжения и повышение напряженности электрического поля. Величина анодного напряжения зависит от температуры анода, рода металла, тока и составляет от 5 до 10 В. Электроны разгоняются в поле, образованном отрицательным объемным зарядом и анодом. Энергия, приобретенная электронами, отдается аноду. Благодаря большой энергии электронов анод нагревается до очень высокой температуры, которая, как правило, выше температуры катода. Мощный поток электронов выбивает из анода электроны, которые также участвуют в создании отрицательного объемного заряда. Исследования показали, что высокая температура анода и околоанодная область не оказывают существенного влияния на возникновение и условия существования дугового разряда. Задача анода сводится к приему электронного потока из дугового столба. Для сильноточной дуги анодное напряжение столь мало, что им можно пренебречь. Падение напряжения у катода составляет 10—20 В. Эта величина зависит от материала катода и свойств газа, в котором горит дуга. Анодное падение напряжения равно 5—10 В. При больших токах анодное напряжение уменьшается, в то время как околокатодное напряжение остается постоянным. В некоторых аппаратах низкого напряжения длина дуги невелика. Падение напряжения на столбе дуги мало по сравнению с суммой падения напряжения у катода и анода. Такие дуги называются короткими. В короткой дуге условия гашения в значительной степени определяются процессами, происходящими у электродов. Здесь большую роль играет отвод тепла от дуги электродами. В аппаратах высокого напряжения падение напряжения на столбе дуги значительно больше, чем околоэлектродные падения напряжения. Условия существования такой дуги определяются процессами в столбе дуги. Такие дуги называются длинными. При рассмотрении длинных дуг падением напряжения у электродов можно пренебречь. Электрическая дуга в магнитном поле Электрическая дуга является газообразным проводником тока. На этот проводник, так же как на металлический, действует магнитное поле, создавая силу, пропорциональную индукции поля и току в дуге. Магнитное поле, действуя на дугу, увеличивает ее длину и перемещает элементы дуги в пространстве. Поперечное перемещение элементов дуги создает интенсивное охлаждение, что приводит к повышению градиента напряжения на столбе дуги. При движении дуги в среде газа с большой скоростью возникает расслоение дуги на отдельные параллельные волокна. Чем длиннее дуга, тем сильнее происходит расслоение дуги. Дуга является чрезвычайно подвижным проводником. Известно, что на токоведущую часть действуют такие силы, которые стремятся увеличить электромагнитную энергию контура. Поскольку энергия пропорциональна индуктивности, то дуга под действием своего собственного поля стремится образовывать витки, петли, так как при этом возрастает индуктивность цепи. Эта способность дуги тем сильнее, чем больше ее длина. Движущаяся в воздухе дуга преодолевает аэродинамическое сопротивление воздуха, которое зависит от диаметра дуги, расстояния между электродами, плотности газа и скорости движения. Опыт показывает, что во всех случаях в равномерном магнитном поле дуга движется с постоянной скоростью. Следовательно, электродинамическая сила уравновешивается силой аэродинамического сопротивления. С целью создания эффективного охлаждения дуга с помощью магнитного поля втягивается в узкую (диаметр дуги больше ширины щели) щель между стенками из дугостойкого материала с высокой теплопроводностью. Из-за увеличения теплоотдачи стенкам щели градиент напряжения в столбе дуги при наличии узкой щели значительно выше, чем у дуги, свободно перемещающейся между электродами. Это дает возможность сократить необходимую для гашения длину и время гашения. Гашение дуги на переменном токе Пусть контакты аппарата разошлись в точке а (рис. 4-8). Между ними загорается дуга. К концу полупериода из-за уменьшения тока и воздействия дугогасительного устройства наблюдается увеличение сопротивления дугового промежутка и подъем напряжения на дуге. При подходе тока к нулю к дуге подводится малая мощность, температура ее уменьшается, что, с одной стороны, ведет к замедлению термической ионизации, с другой — способствует деионизации. Все это приводит к погасанию дуги. Рисунок 1 - Процесс отключения активной цепи переменного тока Напряжение, при котором дуга гаснет, называется напряжением или пиком гашения UГ. Резкий подъем напряжения к концу полупериода ведет к тому, что ток в цепи обрывается до своего естественного прохождения через нуль. После погасания дуги дуговой промежуток не превращается мгновенно в изоляционный, поскольку температура не снижается до нуля. В процессе гашения дуги число заряженных частиц в области дугового промежутка уменьшается; после гашения дуги сопротивление промежутка резко возрастает. При этом возрастает и электрическая прочность промежутка, т.е. такое напряжение, при котором происходит его электрический пробой. После прохождения напряжения через нуль напряжение источника изменяет знак и начинает расти по закону синусоиды. Электрическая прочность промежутка начинает нарастать не с нуля, а со значения, соответствующего точке (начальная прочность промежутка). Начальная прочность и дальнейший рост прочности зависят от свойств дугогасящего устройства: чем эффективней оно действует, тем больше начальная прочность, тем круче идет нарастание этой прочности. Контрольные вопросы 1. Чем отличается тлеющий разряд от дугового? 2. При каких напряжениях возможно поддержание дугового разряда? 3. Из чего состоит дуговой разряд? Какие области в нём выделяют? 3. Перечислите основные свойства дугового разряда. 4. Какой электрод имеет большую температуру и почему? 5. Какие факторы способствуют быстрому гашению дуги? 6. Как взаимодействует дуга с магнитным полем? 7. Как происходит гашение дуги на переменном токе? 8. На каком токе быстрее и легче происходит гашение дуги?