Процессы в электрической дуге.

Размыкание электрической цепи при сколько-нибудь значительных токах и напряжениях, как правило, со­провождается электрическим разрядом между расходящимися контактами. Воздушный промежуток между контактами ионизируется и становится на некоторое время проводящим, в нём возникает дуга. Тем или иным спосо­бом дуга гасится, т.е. ток в цепи падает от начального значения до нуля. Физический процесс отключения состоит в деионизации воздушного про­межутка между контактами, т. е. в превращении его в диэлектрик и прекра­щении вследствие этого электрического разряда.

В обычных условиях воздух является хорошим изолятором. Так, для пробоя воздушного промежутка в 1 см требуется приложить напряжение не менее 30 кВ. Для того чтобы воздушный промежуток стал проводником, необходимо создать в нём определённую концентрацию заряженных частиц — отрицательных, в основном свободных электронов и положительных ионов. Процесс отделения от нейтральной частицы одного или нескольких элект­ронов и образования свободных электронов и положительно заряженных частиц – ионов –называется ионизацией

Для дуговых процессов в электрических аппаратах наиболь­шее значение имеют процессы, происходящие у электродов — термоэлект­ронная и автоэлектронная эмиссии, а из процессов, происходящих в дуговом промежутке, — термическая ионизация и ионизация толчком.

Термоэлектронная эмиссия. Термоэлектронной эмиссией называет­ся явление испускания электронов из накалённой поверхности.

При расхождении контактов резко возрастают переходное сопротивле­ние контакта и плотность тока в последней площадке контактирования. Эта площадка разогревается до расплавления и образования контактного перешейка из расплавленного металла, который при дальнейшем расхожде­нии контактов рвётся. Здесь происходит испарение металла контактов. На отрицательном электроде образуется так называемое катодное пятно (рас­калённая площадка), которое служит основанием дуги и очагом излучения электронов в первый момент расхождения контактов. Плотность токов тер­моэлектронной эмиссии зависит от температуры и материалов электрода. Она невелика и может быть достаточной для возникновения электрической дуги, но она недостаточна для её горения.

Автоэлектронная эмиссия. Это — явление испускания электронов из катода под воздействием сильного электрического поля.

Место разрыва электрической цепи может быть представлено как кон­денсатор переменной ёмкости. Емкость в начальный момент равна бесконеч­ности, затем убывает по мере расхождения контактов. Через сопротивление цепи этот конденсатор разряжается, и напряжение на нём растёт постепенно от нуля до напряжения сети. Одновременно увеличивается расстояние между контактами. Напряжённость поля между контактами во время нарастания напряжения проходит через значения, превышающие 100 МВ/см. Такие зна­чения напряжённости электрического доля достаточны для вырывания элек­тронов из холодного катода.

Ток автоэлектронной эмиссии также весьма мал и может служить толь­ко началом развития дугового разряда.

Таким образом, возникновение дугового разряда на расходящихся кон­тактах объясняется наличием термоэлектронной и автоэлектронной эмис­сий. Преобладание того или иного фактора зависит от значения отключае­мого тока, материала и чистоты поверхности контактов, скорости их рас­хождения и от ряда других факторов.

Ионизация толчком. Если свободный электрон будет обладать доста­точной скоростью, то при столкновении с нейтральной частицей (атом, а иногда и молекула) он может выбить из неё электрон. В результате полу­чатся новый свободный электрон и положительный ион. Вновь полученный электрон может, в свою очередь, ионизировать следующую частицу. Такая ионизация носит название ионизации толчком.

Для того чтобы электрон мог ионизировать частицу газа, он должен двигаться с некоторой определённой скоростью. Скорость электрона зави­сит от разности потенциалов на длине его свободного пробега. Поэтому обычно указывается не скорость движения электрона, а то минимальное значение потенциалов, которое носит название потенциала ионизации.

Потенциал ионизации для газов составляет 13... 16 В (азот, кислород, водород) и до 24,5 В (гелий), для паров металла он примерно в 2 раза ниже (7J В для паров меди).

Потенциал ионизации газовой смеси определяется самым низким из по­тенциалов ионизации входящих в газовую смесь компонентов и в очень малой степени зависит от концентрации этих компонентов. В короткой дуге всегда имеются пары металла электродов, и потенциал ионизации дуго­вого промежутка определяется потенциалом ионизации этих паров.

Следует отметить, что не всякий электрон, имеющий скорость выше ско­рости, соответствующей U_n ионизирует нейтральную частицу, так как только часть таких электронов приходит в должное соприкосновение с такими частицами. При скоростях, меньших скорости, соответствующей /У,, вероят­ность ионизации толчком равна нулю, при больших скоростях эта вероят­ность возрастает.

Термическая ионизация. Это — процесс ионизации под воздействи­ем высокой температуры. Поддержание дуги после её возникновения, т.е. обеспечение возникшего дугового разряда достаточным числом свободных зарядов, объясняется основным и практически единственным видом иониза­ции — термической ионизацией.

Температура ствола дуги достигает 4000...7000 К, а по отдельным данным — 15000 К. При такой температуре сильно возрастает как число быстро движущихся частиц газа, так и скорость их движения. При столкновении быстро движущихся атомов или молекул большая часть их разрушается, образуя как нейтральные, так и заряженные частицы, т.е. происходит иони­зация газа. Основной характеристикой термической ионизации является степень ионизации, представляющая собой отношение числа ионизирован­ных атомов в дуговом промежутке к общему числу атомов в этом проме­жутке. Одновременно с процессами ионизации в дуге происходят обратные процессы, т.е. воссоединение заряженных частиц и образование нейтраль­ных частиц. Эти процессы носят название деионизации. При возникнове­нии дуги преобладают процессы ионизации, в устойчиво горящей дуге про­цессы ионизации и деионизации одинаково интенсивны, при преобладании процессов деионизации дуга гаснет.

Деионизация происходит главным образом за счёт рекомбинации и диф­фузии.

Рекомбинация. Процесс, при котором различно заряженные частицы, приходя во взаимное соприкосновение, образуют нейтральные частицы, на­зывается рекомбинацией.

В электрической дуге отрицательными частицами являются в основном электроны. Непосредственное соединение электронов с положительным ионом, ввиду большой разности скоростей, маловероятно. Обычно рекомби­нация происходит при помощи нейтральной частицы, которую электрон за­ряжает. При соударении этой отрицательно заряженной частицы с поло­жительным ионом образуется одна или две нейтральные частицы.

Различают рекомбинацию в объёме, когда третьим телом служит нейт­ральная частица газа, и рекомбинацию на поверхности, когда третьим телом служит поверхность вблизи дуги (стенка камеры). В последнем случае элек­троны заряжают поверхность стенки до потенциала, при котором положи­тельные ионы притягиваются к этой поверхности и, присоединив электрон, образуют нейтральные частицы.

Диффузия. Диффузия заряженных частиц представляет собой про­цесс выноса заряженных частиц из дугового промежутка в окружающее пространство, что уменьшает проводимость дуги.

Диффузия обусловлена как электрическими, так и тепловыми факторами. Плотность зарядов в стволе дуги возрастает от периферии к центру. Ввиду этого создаётся электрическое поле, заставляющее ионы двигаться от центра к периферии и покидать область дуги. В этом же направлении действует и разность температур ствола дуги и окружающего пространства. Заряженные частицы, вышедшие из области дуги, в конечном итоге рекомбинируются вне этой области.

В стабилизированной и свободно горящей дуге диффузия играет нич­тожно малую роль.

В дуге, обдуваемой сжатым воздухом, а также в быстро движущейся открытой дуге деионизация за счёт диффузии может по значению быть близкой к деионизации вследствие рекомбинации. В дуге, горящей в узкой щели или закрытой камере, деионизация происходит главным образом за счёт рекомбинации.

Из рассмотрения процессов ионизации и деионизации вытекает, что в зависимости от своих физических постоянных различные газы будут обла­дать различными дугогасящими свойствами. Газы с большой теплопровод­ностью и теплоёмкостью обладают лучшей охлаждающей способностью, а, следовательно, и лучшими дугогасящими свойствами. Так, кислород, угле­кислота, водяной пар и водород имеют по отношению к воздуху теплопро­водность (среднюю в пределах 0...6000 К) соответственно 1,8; 2,5; 5 и 17 и дугогасящие свойства соответственно 1,8; 2,6; 3,8 и 7.

5.4. Вольт-амперные характеристики электрической дуги Зависимость падения напряжения на стволе дуги от тока — вольт-амперная характерис­тика дуги — приведена на рис.. Напряжение U₃,соответствующее началу дугового разряда, носит название напряжения зажигания дуги.С ростом тока напряжение на дуге уменьшается. Это означает, что сопротивление дугового промежутка падает быстрее, чем увеличивается ток. Для каждого значения тока в какой-то момент времени установится равновесное состоя­ние, когда ионизация будет равна деионизации. Электрическое сопротивле­ние дугового промежутка и падение напряжения на нём станут величинами постоянными, не зависящими от времени. Такой режим носит название ста­тического,а кривая 1, характеризующая этот режим, — статической ха­рактеристики дуги.

Если с той или иной скоростью уменьшить ток в дуге от I₀ до нуля и при этом фиксировать падение напряжения на дуге в зависимости от тока, то получим ряд кривых 2, лежащих ниже кривой 1, чем быстрей будет происходить уменьшение тока, тем ниже будет лежать вольт-амперная ха­рактеристика дуги. В пределе, при мгновенном изменении тока до нуля, по­лучим прямую 3. Только при медленном изменении тока процесс будет про­исходить по статической характеристике.

Такое сочетание характеристик объясняется тем, что при быстром изме­нении тока ионизационное состояние дугового промежутка не успевает за изменением тока. Для деионизации промежутка требуется некоторое время, и поэтому, несмотря на то, что ток в дуге упал, проводимость промежутка осталась прежней, соответствующей большему току.

Рис. 22 Вольт-амперные

характеристики дуги:

U₃ - напряжение зажигания дуги;

U_г – напряжение гашения дуги

1 – кривая, характеризующая статическую характе характеристику дуги;

2 – кривая переходного режима дуги

(от ее зажигания до гашения);

3 – статический режим горения дуги

перед ее гашением

Вольт-амперные характеристики дуги, полученные при быстром измене­нии тока до нуля, носят название динамических.Соответствующее этим характеристикам напряжение, при котором дуга гаснет, называется напряже­нием гашения U_r.

Для данного дугового промежутка, материала электродов и среды име­ются одна вполне определенная статическая характеристика дуги и множе­ство динамических, заключенных между кривыми 1 и 3.

Если падение напряжения на дуге U_д характеризует дуговой промежу­ток как проводник, то напряжения U₃и U_rхарактеризуют изоляционные свойства промежутка — они означают напряжения, которые необходимо приложить при данном состоянии промежутка, чтобы возбудить в нём элек­трическую дугу.

5.5. Особенности горения электрической дуги переменного тока. Если для гашения дуги переменного тока необходимо создать такие условия, при которых ток упал бы до нуля, то при переменном токе ток в дуге независи­мо от степени ионизации дугового промежутка переходит через нуль каж­дый полупериод, т.е. каждый полупериод дуга гаснет и зажигается вновь. Задача гашения дуги несколько облегчается. Здесь необходимо создать ус­ловия, при которых ток не восстановился бы после прохождения через нуль.

На рис 23, а приведены кривые изменения тока и напряжения на дуговом промежутке при переменном токе. В момент появления тока имеет место резкое нарастание напряжения U₃(напряжение зажигания). С рос­том тока падение напряжения на дуге падает и достигает минимума при максимальном токе (при амплитудном значении). Затем напряжение на дуге снова возрастает и достигает значения напряжения погасания U_r при исчез­новении тока.

Вольт-амперная характеристика дуги переменного тока за период при­ведена на рис. 23, б. Напряжение зажигания дуги зависит от амплитуды тока, при больших токах оно меньше.

При переменном токе температура дуги является величиной перемен­ной. Однако тепловая инерция газа оказывается довольно значительной, и в момент перехода тока через нуль температура дуги не падает до нуля и остаётся достаточно высокой. Всё же имеющее место снижение температу­ры дуги при переходе тока через нуль способствует деионизации проме­жутка и облегчает гашение (рис. 24).

Интенсивная деионизация дугового промежутка при переходе тока че­рез нуль приводит к уменьшению его проводимости. Чем больше промежу­ток будет деионизирован, тем большее напряжение потребуется для его пробоя и повторного зажигания дуги. Условия гашения дуги переменного тока может быть сформулировано следующим образом: если нарастание сопротивления промежутка, выраженное его пробивным напряжением U_пр

Рис. 23. Характеристика дуги переменного тока

U_{3 –} напряжение зажигания дуги; U_{г –} напряжение гашения дуги;

U_д – минимальное напряжение на дуге

Рис. 24 Переход тока через нуль

будет опережать нарастание напряжения U на про­межутке (кривая 2), то дуга погаснет при переходе тока через нуль. Если же нарастание сопротивления промежутка пойдёт медленнее (кривая 3), то в момент времени, соответствующий точке 0, произойдёт повторное зажига­ние дуги, в цепи появятся ток и соответствующее ему падение напряжения на дуге (кривая 4).

Весьма важное значение для гашения дуги переменного тока при напря­жениях до 1000 В имеют явления, происходящие у катода при переходе тока через нуль. Существовало представление, что в момент перехода тока через нуль в прикатодной области практически мгновенно (за время t < 1 мкс) изоляционная прочность промежутка восстанавливается до значения про­бивного напряжения U_пр0 = 150...250 В. Большую цифру относили к меньшим токам и холодному като­ду, меньшую — к большим токам и горячему катоду.

Рис. 25. Условия гашения электрической дуги переменного

тока (второй вариант демонстрации процесса)

На принципе использования указанного явления у катода выполнена большая часть дугогасительных устройств низковольтных коммутационных аппаратов. Практика, однако, не всегда подтверждала значение мгновенно восстанавливающейся прочности дугового промежутка 150...250 В, особен­но при больших токах и частых отключениях.

Таким образом, в зависимости от теплового режима в межконтактном промежутке отключающих аппаратов могут наблюдаться практически лю­бые значения восстанавливающейся прочности, в том числе и околокатод­ная прочность 150...250 В. Последнее значение соответствует условиям, когда в межконтактном промежутке создается режим, близкий к стадии нормального тлеющего разряда. Эти условия могут встречаться в рацио­нально сконструированных дугогасительных устройствах.

При погасании дуги напряжение на дуговом промежутке нарастает от напряжения погасания дуги до соответствующего мгновенного напряжения сети или ЭДС U_{в max} источника тока. Этот процесс носит название процесса восстановления напряжения на дуговом промежутке, который схемати­чески представлен на рис. 26. и 27.

На рис. 26, а и б ток взят отстающим от ЭДС на 90°, что обычно имеет место при коротких замыканиях в промышленных сетях переменного тока. Процесс восстановления напряжения совершается за короткий промежу­ток времени — порядка десятков или сотен микросекунд. ЭДС источника тока, меняющуюся с частотой 50 Гц, можно считать за это время постоян­ной. Мгновенная ЭДС источника U_вmax соответствующая переходному про­цессу напряжения на дуговом промежутке, носит название восстанавлива­ющегося напряжения промышленной частоты/

Рис. 26. Процесс происходящий при восстановлении напряжения на дуговом промежутке.

Рис.27 Условия гашения электрической дуги

переменного тока

(второй вариант демонстрации процесса)

Процесс гашения электрической дуги

Для гашения электрической дуги необходимо создать условия, при которых падение напряжения на дуге превосходило бы напряжение сети. Гасить дугу можно: а) увеличивая ее длину (растяги­вая), б) воздействуя на ее ствол и добиваясь повышения продольного гради­ента напряжения и в) используя околоэлектродные падения напряжения.

Отключающие аппараты имеют обычно два электрода, и для использо­вания околоэлектродных падений напряжения необходимо создать дугога-сительные устройства со многими электродами. Такие устройства получили название дугогаситвльных решетоки будут рассмотрены ниже.

Главным ионизирующим фактором, поддерживающим горение электри­ческой дуги, является термическая ионизация. Отсюда вытекает, что гаше­ние дуги должно в основном осуществляться за счет ее охлаждения. Дугу можно обдувать газом, жидкостью. Такие способы применяются в высоко­вольтных выключателях, но они требуют относительно сложных и дорогих устройств.

Следует отметить еще одно обстоятельство. В открытой неподвижной и искусственно не охлаждаемой дуге плотность тока мала. Диаметр такой дуги велик. Как только дуга приходит в движение или начинает искусст­венно охлаждаться, ее диаметр уменьшается, плотность тока и температура в ней возрастают, увеличивается и давление внутри дуги. В итоге усилива­ется деионизация и возрастает продольный градиент напряжения. Таким образом, возрастание продольного градиента напряжения в движущейся дуге происходит не только за счет лучшего ее охлаждения и диффузии, но и за счёт повышения давления в её стволе.

Если в неподвижной дуге плотность тока составляет 18...20 А/см², то в движущейся дуге плотность тока достигает десятков тысяч ампер на квадратный сантиметр. Например, при токе 40 кА и скорости движения дуги, равной 250 м/с, максимальное давление в стволе дуги достигает 2,5 МПа.

Вопросы для самопроверки.

1. Какое состояние промежутка между контактами называют электрической дугой?

2. Назовите основные части электрической дуги?

3. Подтвердить графически наличие анодного и катодного пространства.

4. Какие процессы ионизации дугового промежутка вы знаете?

5. Какие меры способствуют деонизации дугового промежутка?

6. Какую роль играет рекомбинация при гашении электрической дуги?

7. В чем разница в горении дуги постоянного и переменного тока?

8. Поясните графически условия горения и гашения электрической дуги?

9. Какие процессы протекают в электрической дуге при ее интенсивном охлаждении.

10. Как влияет вид нагрузки на процесс гашения дуги переменного тока?

ЛИТЕРАТУРА

1. Рожкова, Л. Д. Электрооборудование станций и подстанций [Текст]: учеб. для техникумов / Л. Д. Рожкова, В.С. Козулин. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 648 с.

2. ГОСТ 30323 – 95 (ГОСТ Р 50254-92) короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета электродинамического и термического действия тока короткого замыкания (содержит полный аутентичный текст ГОСТ Р 50254-92). – М.: Издательство стандартов, 1996.

3. Макаров Е.Ф. Справочник по электрическим сетям 0,4 – 35 кВ и 110 – 1150 кВ. Том V – М.: Папирус Про, 2005. – 624 с.

Дата добавления: 2015-07-11