Физические процессы в дуге

Основные требования к коммутационным аппаратам

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА, ЕЕ СВОЙСТВА, УСЛОВИЯ ГАШЕНИЯ

Выключатель является наиболее важным аппаратом, от которого зависит надежность работы всей энергосистемы. Наиболее ответственной операцией, выполняемой выключателем, является отключение токов КЗ, которое должно производится быстро, в течение нескольких полупериодов. Выключатель также должен: выдерживать без повреждений автоматическое повторное включение (АПВ), которое может происходить в противофазу; надежно отключать малые индуктивные и емкостные токи без появления опасных коммутационных напряжений; иметь простую конструкцию и быть простым в эксплуатации; быть термически и динамически стойким при сквозных токах КЗ; иметь высокую надежность.

При размыкании контактов выключателя возникает момент, когда площадь соприкосновения контактов исчезающе мала. Протекающий ток вызывает расплавление металла контактов и возникает жидкий мостик, который сразу же испаряется, создавая область воздуха, нагретого до высокой температуры, который к тому же насыщен парами металла. Если напряжение и ток невелики, то выделяющаяся в дуге мощность мала и все ограничивается искрой, не оставляющей на контактах практически никаких следов.

В противном случае область воздуха приобретает температуру выше 4000°К при которой начинается термическая ионизация газа вследствие большой энергии соударения молекул при их тепловом хаотическом движении. Степень ионизации газа и его проводимость быстро растут с температурой (рис. 5.1). Газ при этом становится плазмой.

Рисунок 5.1 – Зависимость удельной электрической проводимости азота от температуры при давлении 1 ат

Наличие паров металлов в полтора раза снижает температуру, необходимую для достижения той же удельной ионизации газа.

Ударная ионизация. Под действием внешнего напряжения электроны будут двигаться к аноду, а положительные ионы – к катоду. На протяжении длины свободного пробега потенциальная энергия электрического поля будет превращаться в кинетическую энергию движения заряженной частицы, что будет выражаться в линейном возрастании скорости частицы до соударения. Скорость электрона будет в тысячи раз выше скорости иона, обратно пропорционально их массам. Если длина свободного пробега и напряженность электрического поля (ускорение при движении) достаточно велики, то накопленной энергии будет достаточно для ионизации молекулы газа при соударении. Происходит лавинообразное увеличение количества движущихся заряженных частиц.

Сильно нагреваясь в канале дуги, воздух значительно расширяется, что увеличивает длину свободного пробега.

Увеличение давления уменьшает длину свободного пробега и для устойчивого горения дуги необходим больший градиент напряжения. Повышение давления газа способствует гашению дуги.

Упругое столкновение при соударении, даже если оно не приводит к ионизации, вызывает передачу кинетической энергии молекулам газа и рост температуры среды. Таков механизм разогрева канала дуги при протекании тока. Температура в центре канала дуги может доходить до 15 000 – 20 000 °K, а при переходе тока через ноль сохраняется на уровне 4 000 – 8 000 °K из-за тепловой инерции [3, с.236].

Пока катод не нагрет, большое значение имеет эффект автоэлектронной эмиссии – вырывания электронов с поверхности металла за счет очень большой напряженности электрического поля. В области соприкосновения дуги с холодной поверхностью металла образуется тончайший слой холодного газа, в котором термическая ионизация отсутствует. Здесь нет также ударной ионизации, так как электроны летят к аноду и в области катода их будет недостаток. Так как остальной ствол дуги обладает высокой проводимостью (градиент напряжения 15–20 В/см), то к холодному слою, толщиной 10^-4 – 10^-5 см оказывается приложено значительное напряжение. При напряжениях 10–20 вольт, приложенных к этой области, уже создается достаточный градиент напряжения 10⁵ – 10⁶ В/см для вырывания электронов с поверхности метала, что и обеспечивает необходимую проводимость в этом слое.

При нагреве поверхности металла свыше 700°С вследствие теплового движения молекул над поверхностью металла создается облако электронов и энергия выхода электронов резко снижается. Катод начинает сам испускать электроны. Такое явление носит название термоэлектронной эмиссии и широко используется в радиолампах и электронно-лучевых трубках телевизоров и мониторов. Область автоэлектронной эмиссии с появлением термоэлектронной эмиссии исчезает. Термоэлектроннаяэмиссия играет значительную роль при повторном зажигании дуги, так как для возникновения потока электронов из нагретой области катода достаточно небольшого градиента напряжения.

В области анода образуется недостаток положительных ионов, так как они устремляются к катоду, что приводит к падению напряжения 3 – 5 В.

Указанные области дуги и их параметры отображены на рисунке 5.2:

Рисунок 5.2 – Параметры дуги, достаточные для ее горения

Наряду с процессами ионизации идут процессы деионизации области горения дуги: рекомбинация и диффузия электронов и ионов.

Рекомбинация заключается в нейтрализации положительно и отрицательно заряженных ионов или положительных ионов или электронов, которые взаимно притягиваются, что заканчивается их столкновением и образованием нейтральных молекул. Рекомбинация идет значительно интенсивнее в области холодных электродов и при соприкосновении с холодными изолирующими стенками щелевой дугогасительной камеры.

Канал дуги представляет собой сравнительно узкую область диаметром 5-10 мм. Стягивание канала происходит за счет взаимного притяжения однонаправлено двигающихся заряженных частиц аналогично притяжению параллельных проводников с током (см. раздел 3.1). Высокая температура означает наличие большой кинетической энергии хаотического движения молекул и ионов, что приводит к их рассеянию – диффузии в окружающее пространство, быстрому охлаждению и мгновенной рекомбинации. В окружающем дугу слое толщиной 1мм с температурой 4000°К протекает всего 0.05% тока дуги. Диффузия резко увеличивается с ростом температуры, что останавливает рост температуры в канале дуги и достигается равновесие энергии, выделяющейся в дуге и теряемой в окружающее пространство.

Для самостоятельного изучения рекомендуется [1, c.234-237], [3, с.234-240] и [2, с.109-114].

Дата добавления: 2014-01-07