Дуга в выключателе и ее характеристики

При отключении цепи тока выключателем высокого напряжения его контакты расходятся, однако цепь тока не разрывается, так как между контактами возникает электрическая дуга, т. е. сильно ионизированный столб газа, ставший проводящим под влиянием высокой температуры. Если отключаемая мощность невелика, между контактами возникает лишь искра, практически не оставляющая на них никаких следов. В этом случае размыкание цепи завершается без осложнений после расхождения контактов на полную длину межконтактного промежутка.
При больших мощностях отключения возникает дуга, под действием которой контакты обгорают; требуются специальные устройства для ее гашения и размыкания цепи.
Различное действие искры и дуги объясняется тем, что при малых токах межконтактный промежуток мало насыщен парами металла и является слабопроводящим, хотя к концу процесса отключения поверхность соприкосновения контактов мала и плотности тока велики. Однако при малых токах отключения температура контактов недостаточна для их плавления и испарения металла, и поэтому возникающий искровой разряд неустойчив и быстро затухает.
При больших токах температура контактов достаточна для расплавления их металла и насыщения парами металла межконтактного промежутка, что делает его проводящим и поддерживает дугу даже при низких напряжениях.
Высокая проводимость ствола дуги объясняется главным образом так называемой термической ионизацией, т. е. диссоциацией молекул газа на электроны и ионы из-за усилившегося вследствие высокой температуры их теплового движения. Г аз, заполняющий межконтактный промежуток, становится при этом плазмой.

Рис. 4-1. Удельная электрическая проводимость азота при давлении 0,1 МПа в зависимости от температуры
Его проводимость 7 и степень ионизации чрезвычайно быстро возрастают с температурой (рис. 4-1).
Если к плазме приложить напряжение, свободные электроны устремятся к аноду, а ионы — с меньшей скоростью к катоду, т. е. в ней возникнет электрический ток. При этом в дуговом промежутке начнут появляться новые заряженные частицы при соударении движущихся электронов с нейтральными молекулами (ударная ионизация), а также вследствие вырывания электронов из катода под действием электрического поля в околокатодном пространстве (автоэлектронная эмиссия) и выброса электронов с поверхности горячего катода при достижении скорости их теплового движения, соответствующей критическому значению работы выхода (термоэлектронная эмиссия).
Однако следует заметить, что основой для возникновения состояния плазмы и поддержания газа в этом состоянии остается термическая ионизация, т. е. распад молекул газа на электроны и ионы в результате усиленного теплового движения.
Одновременно с этим в плазме идут процессы деионизации: рекомбинация и диффузия ионов и электронов.
Процесс рекомбинации заключается в нейтрализации ионов разных знаков или положительных ионов и электронов, которые взаимно притягиваются и, объединяясь при столкновении, образуют нейтральные молекулы. С увеличением температуры плазмы вероятность рекомбинации уменьшается, так как при этом скорости теплового движения положительных и отрицательных частиц растут и электрические силы притяжения между ними становятся недостаточными для успешного завершения рекомбинации. По данным 1291 охлаждение ствола дуги, например, от 104 до 103 К повышает вероятность рекомбинации в десять-одиннадцать раз.
Расчеты и опыт показывают далее, что рекомбинация на поверхности диэлектрика значительно интенсивнее, чем в стволе дуги, что объясняется, с одной стороны, адсорбцией ионов и электронов этой поверхностью, вызываемой поляризацией диэлектрика, а с другой — сильным охлаждением дуги при ее соприкосновении с твердыми изолирующими стенками дугогасительной камеры.
Другим деионизационным процессом является диффузия электронов и ионов из ствола дуги в окружающее пространство. Известно, что при неодинаковой концентрации заряженных частиц в объеме газа возникает движение их в область с меньшей концентрацией. Плотность тока (плотность заряженных частиц) распределена по сечению ствола дуги крайне неравномерно. Многие исследователи указывают, что температура в центральных слоях дуги при максимуме тока составляет (15—20)-103 К, а при переходе тока через нуль сохраняется на уровне (8—10) -103 К из-за тепловой инерции. Уже в небольшом удалении от оси ствола дуги температура падает очень сильно, что служит подтверждением предположения о значительном уменьшении концентрации заряженных частиц к периферии. Расчеты показывают 128], что при температуре на периферии дуги 3 103Кв слое толщиной 1 мм проходит ток примерно 0,001 % суммарного тока дуги, а при температуре 4-I03 К — примерно 0,05 %. Учитывая, что ток при этом практически близок к нулю, можно считать границей ствола дуги его слой с температурой 4-103 К. Соответственно и концентрация ионов на периферии в тысячи раз меньше, чем в центре ствола дуги (рис. 4-2). Диаметр ствола дуги (в миллиметрах) определяется эмпирической формулой

Рис. 4-2. Распределение температуры по радиусу ствола дуги
(4-1)
откуда следует, что при заданном давлении сечение ствола дуги пропорционально току в дуге. Таким образом, из вышеизложенного ясна неизбежность диффузии ионов и электронов к наружным слоям дуги п за ее пределы.
Влияние охлаждения дуги на диффузию противоположно действию его на рекомбинацию, так как при ослаблении теплового движения уменьшается энергия частиц, а с ней вероятность выхода их за пределы ствола дуги. Таким образом, при высоких температурах в общем процессе деионизации преобладает диффузия, а при охлаждении дуги более значительную роль начинает играть рекомбинация. На рис. 4-3 приведены зависимости коэффициентов рекомбинации Р и диффузии D, являющихся важнейшими характеристиками этих процессов, от температуры.
Итак, при горении дуги в выключателе в ней одновременно протекают два противоположных процесса: ионизации и деионизации. Если скорость образования ионов вследствие термической
Рис. 4-3. Коэффициенты рекомбинации и диффузии в зависимости от температуры

Рис. 4-4. Вольт-амперная характеристика дуги постоянного тока

и ударной ионизации равна скорости исчезновения ионов вследствие рекомбинации и диффузии, в дуге будет существовать баланс ионов, она будет устойчивой.
Так как дуга характеризуется не только электрическими процессами, но и тепловыми, очень важно рассмотреть ее энергетические характеристики и тепловой баланс.
Поддержание устойчивой температуры плазмы, а следовательно, и ее проводимости зависит от теплового равновесия в стволе дуги, при котором в каждый момент времени теплота, эквивалентная электрической мощности дуги uдiд = Ря, равна теплоте, отводимой от ствола дуги теплопроводностью и излучением. Если это равновесие нарушается, дуга становится неустойчивой.
Зависимость тока дуги от напряжения на ней ил носит название вольт-амперной характеристики дуги. Для дуги постоянного тока эта характеристика имеет падающий характер (рис. 4-4), что объясняется весьма быстрым ростом проводимости дугового промежутка при увеличении тока. Для стационарной дуги постоянного тока справедливо равенство

(4-2)
При неизменном токе (поддерживаемом на определенном уровне какими-либо внешними средствами) дуга постоянного тока устойчива. Всякие температурные отклонения в стволе дуги немедленно компенсируются изменением потребляемой мощности, и температура дуги возвращается к первоначальной.
По-другому ведет себя дуга постоянного тока при неизменном напряжении. При повышении температуры в стволе дуги увеличивается его проводимость, возрастает ток и соответственно мощность. Это приводит к дальнейшему повышению проводимости и температуры. Обратный процесс охлаждения дуги приводит
в конечном счете к ее погасанию. Таким образом, дуга постоянного тока при неизменном напряжении неустойчива.
В дуге переменного тока, возникающей в выключателях переменного тока, ток изменяется периодически с частотой 50 Гц. Дуга поэтому не является стационарной, а находится в состоянии динамического равновесия. При определении энергетического баланса такой дуги, кроме подведенной и отведенной мощности, необходимо учитывать также аккумулированную в стволе дуги энергию Q. Баланс энергии примет при этом вид
(4-3)
где Р0 — мощность, отводимая от дуги теплопроводностью и излучением.
Сопротивление ствола дуги приближенно выражается следующей эмпирической формулой [74]:
(4-4)
где К и Q0 — некоторые константы; Q — выраженное в ватт- секундах количество аккумулированной в дуге теплоты, изменяющее ее сопротивление в е раз.
Из (4-3) и (4-4) следует:
(4-5)

Заменяя R через ыд/гд, получим уравнение динамической дуги при произвольном изменении тока и напряжения во времени

Отсюда выражение для напряжения дуги, обтекаемой синусоидальным переменным током, будет
(4-6)

(4-7)
Здесь ф = arctg (2(0#), где # — тепловая постоянная времени дуги, т. е. время, за которое при внезапном прекращении подвода энергии к дуге (мдгд = 0) и при постоянном отводе энергии (Р0 — — const) сопротивление дуги увеличится в е раз. На рис. 4-5 показаны вычисленные по формуле (4-7) значения напряжения на дуге ид за полупериод при различных значениях ©#.
Максимальное напряжение на дуге, соответствующее моменту появления тока в дуге, называют напряжением зажигания uJt а моменту перехода тока через нуль — напряжением гашения иг. Чем меньше const, т. е. постоянная времени дуги, тем больше отношение ujuv.

Рис. 4-5. Напряжения на дуге при различном значении wv

Рис. 4-6. Распределение падений напряжения на дуге
Падение напряжения на дуге ил при длине ее /д может быть выражено формулой (рис. 4-6)
(4-8)
где а — падение напряжения на электродах (катоде и аноде); b — падение напряжения на единице длины ствола дуги.
Значения а и b для контактов из одного материала при одинаковых конструкции, температуре и давлении не зависят от тока дуги.
При уменьшении температуры ствола дуги уменьшаются ток и сечение дуги. Для поддержания устойчивого потока заряженных частиц должна увеличиться напряженность электрического поля, при этом возрастает коэффициент b и напряжение на дуге. Другими словами, охлаждение ствола дуги вызывает повышение нд. Таким же образом охлаждение электродов приводит к увеличению коэффициента а.
Повышение давления в стволе дуги тоже приводит к повышению напряжения на дуге, так как число молекул газа в единице объема увеличивается, усиливается конвекция и улучшаются условия охлаждения ствола дуги. Градиент напряжения в стволе дуги растет при этом пропорционально угр, где р — давление плазмы.
Среда, в которой горит дуга, также оказывает влияние на напряжение дуги, так как градиент дуги зависит от теплопроводности этой среды. В масляных выключателях это масляные пары и водород, в воздушных — воздух, в водяных выключателях — водяные пары, диссоциирующие под действием высокой температуры на водород и кислород.
В табл. 4-1 приведены числа, показывающие, как меняется градиент напряжения на дуге в зависимости от среды, в которой горит дуга; при этом параметры воздуха приняты за единицу.

Параметр дуги	Воз дух	Азот	Кисло род	Угле кислый газ	Водяной пар	Водо род
теплопроводность	1,0	0,8	1,8	2,5	5,0	17,0
Относительный градиент напряжения	1,0	1,0	2,3	1,7	4,4	13,5

Влияние металлических паров на градиент несущественно, и им можно пренебречь.
Следующими важными характеристиками дуги являются ее мощность и энергия, непосредственно показывающие, какую работу выполняет выключатель в процессе отключения короткого замыкания. Преобразуемая в дуге мощность равна произведению напряжения дуги ил и тока дуги /д. Энергия дуги за весь период отключения, т. е. за время тд, в течение которого она существует, определяется выражением
(4-9)
Эта энергия должна быть отведена от ствола дуги путем его охлаждения, и поэтому хорошо характеризует работу выключателя. Удовлетворительно организованный отвод теплоты дуги, как правило, означает успешное отключение короткого замыкания. Неудовлетворительный отвод теплоты дуги почти всегда ведет к неприятным последствиям: выбросу масла в масляных выключателях, повреждению дугогасителей воздушных выключателей и даже взрывам выключателей.
Процесс отключения проходит тем успешней, чем меньше энергия дуги Для выключателей переменного тока это означает, что напряжение зажигания должно быть по возможности высоким, а время действия выключателя — минимальным, чтобы продолжительность горения дуги была наименьшей. Строго говоря, наименьшей энергии дуги соответствует совершенно определенная минимальная скорость отключения, так как раствор контактов, при котором дута гаснет, должен быть достигнут точно в момент перехода тока через нуль (синхронное отключение). Таким образом, наиблагоприятной продолжительностью дуги в выключателях переменного тока является продолжительность полуволны, так как еще более быстрое отключение будет иметь следствием разрыв тока до перехода через нуль и перенапряжения в отключаемой цепи.
Сокращение времени горения дуги существенно также для контактов выключателя, которые не должны перегреваться, чтобы пр возможности ослабить термоэлектронную эмиссию. Для того чтобы контакты успешно выполняли тяжелую работу отключения, они должны быть изготовлены из материала высокой удельной теплоемкости и теплопроводности.

Дата добавления: 2015-05-08