Измерительные аппараты

ТТ —U_ном, I_н, i_д.с, i_т.с

ТН— U_ном, U_н.р.

2. Электрическая дуга и процессы в ней.

Вопросами изучения электрической дуги, процессами в ней и способами ее гашения вы занимались уже в курсах ЭТМ и ОТЭА.

Из этих курсов мы знаем, что электрическая дуга в межконтактном промежутке представляет собой высокоионизированный газ, который содержит множество свободных электронов и положительных ионов и поэтому обладает низким электрическим сопротивлением.

2.1. Ионизация и деионизация.

Основными видами ионизации дугового промежутка являются:

1. Объемная: ударная, термическая, фотоионизация.

2. Поверхностная: автоэлектронная, термоэлектронная, фотоэлектронная, вторичная ионная.

Для дуговых процессов в электрических аппаратах наибольшее значение имеют: из процессов, происходящих у электродов, автоэлектронная и термоэлектронная эмиссии, а из процессов, происходящих в дуговом стволе, термическая ионизация и ударная ионизация.

Автоэлектронная эмиссия. Это — явление выхода электронов из катода под воздействием сильного электрического поля — 10⁵ В/см и выше. Такие напряженности у катода могут создаваться пространственными зарядами, а также в процессе расхождения контактов. Место разрыва электрической цепи может быть представлено как конденсатор переменной емкости. Емкость в начальный момент равна бесконечности, затем убывает по мере расхождения контактов. Через сопротивление цепи этот конденсатор заряжается, и напряжение на нем растет постепенно от нуля до напряжения сети. Одновременно увеличивается расстояние между контактами. Напряженность поля между контактами во время нарастания напряжения проходит через значения, превышающие 10⁵ —10⁸ В/см. Ток автоэлектронной эмиссии весьма мал и может быть достаточным только для начала развития дугового разряда.

Термоэлектронная эмиссия. Термоэлектронной эмиссией называется явление испускания электронов из накаленной поверхности. Если материал катода таков, что температура его кипения может превысить 2500 К, то эмиссия электронов с поверхности катода может происходить за счет термических процессов. Такое явление имеет место в электрических аппаратах при расхождении контактов, где последняя площадка контактирования сильно разогревается, часто до расплавления и испарения. На отрицательном электроде образуется катодное пятно (раскаленная площадка), которое служит основанием дуги и очагом излучения электронов.

Плотность тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры и материала контактов. Ток термоэлектронной эмиссии также невелик и может быть достаточным для возникновения электрической дуги, но недостаточен для ее горения.

Возможно и совместное существование автоэлектронной и термоэлектронной эмиссии при нагретом катоде.

Дуга может существовать между металлическими электродами и при холодном катоде. В этом случае имеет место в основном автоэлектронная эмиссия.

Ударная ионизация. Если свободный электрон будет обладать достаточной скоростью, то при столкновении с нейтральной частицей (атом, а иногда и молекула) он может выбить из нее электрон. В результате получается новый свободный электрон и положительный ион. Вновь полученный электрон может, в свою очередь, ионизировать следующую частицу. Такая ионизация называется ударной ионизацией.

Для того чтобы электрон мог ионизировать частицу газа, он должен двигаться с некоторой определенной скоростью, зависящей от разности потенциалов на длине его свободного пробега. Поэтому обычно указывается не скорость движения электрона, а то минимальное значение разности потенциалов, какое необходимо иметь на длине свободного пробега, чтобы электрон к концу пути приобрел необходимую скорость. Эта разность потенциалов носит название потенциала ионизации.

Энергия ионизации Vи для газов составляет 13-16 эВ (азот, кислород, водород) и до 24,5 эВ (гелий), для паров металла она примерно в два раза ниже (7,7 эВ для паров меди). Энергия ионизации газовой смеси определяется самой низкой энергией ионизации одного из компонентов и в очень малой степени зависит от концентрации этих компонентов. В короткой дуге всегда имеются пары металла электродов, и энергия ионизации, а следовательно, и степень ионизации дугового промежутка определяются энергией ионизации этих паров.

Следует отметить, что не всякий электрон, имеющий энергию выше энергии, соответствующей Ки ионизирует нейтральную частицу, так как только часть таких электронов приходит в должное соприкосновение с нейтральными частицами. При энергиях, меньших энергии, соответствующей Vи, вероятность ударной ионизации равна нулю, при больших энергиях эта вероятность возрастает.

Термическая ионизация. Это процесс ионизации под воздействием высокой температуры. Если рассмотреть ионизацию газа с точки зрения термических процессов, то оказывается, что при тех температурах, которые имеют место в дугах, ионизация значительно более вероятна при соударениях частиц в тепловом хаотическом движении, чем от воздействия электрического поля. Основной характеристикой термической ионизации является степень ионизации, представляющая собой отношение числа ионизированных атомов в газе дуги к общему числу атомов в этом газе

.

Рис. 5-2. Зависимость степени ионизации от температуры

На рис. 5-2 приведена зависимость степени ионизации паров металлов (кривая 1) и воздуха (кривая 2) от температуры, построенная для Vи = 7, 5 эВ и Va = = 15 эВ [21]. Из рисунка видно, что при энергии ионизации, лежащей в области 7-8 эВ, и при температурах газа дуги 3000-6000 К можно наблюдать ионизацию, достаточную для обеспечения проводимости газа в дуговом канале. Термическая ионизация в воздухе практически прекращается при температурах ниже 3000 К.

Процесс распада сопровождается расходованием энергии, и температура канала дуги понижается.

Степень ионизации зависит не только то температуры, но и от давления, и от потенциала ионизации.

При повышении давления степень ионизации значительно снижается: так при T=16000 К

р=0,1 МПа x_т = 0,61, а при р=10 МПа x_т = 0,082.

Смесь газов имеет потенциал ионизации значительно отличающийся от потенциалов ионизации входящих в нее газов. Поэтому принято говорить о эффективном потенциале ионизации. Присутствие в смеси паров металла, например, меди, резко уменьшает этот потенциал.

Деионизацияидет одновременно с ионизацией. При возникновении и развитии дугового разряда преобладают процессы ионизации, в устойчиво горящей дуге процессы ионизации и деионизации одинаково интенсивны, при преобладании процессов деионизации дуга гаснет, дуговой разряд прекращается. Основными физическими процессами здесь являются рекомбинация и диффузия.

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 электрона 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. При рекомбинации происходит выделение энергии в виде фотона.

Различают рекомбинацию в объеме, 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. Наличие в зоне дуги нейтральной поверхности усиливает рекомбинацию в 1000 и 10000 раз в зависимости от условий и свойств газа. Это явление используется в лабитинтно-щелевой камере ДУ электромагнитных выключателей, где рекомбинация на поверхности является определяющей.

Также решающую роль данный процесс имеет в вакуумных выкдючателях, где средняя длина пробега достигает нескольких см. В этих устройствах при коммутации возникают ионизированные пары металлов, деионизация которых осуществляется при осаждении их на поверхностях защитных экранов или электродов.

Для газовых выключателей основным является процесс рекомбинации в объеме газа.

Скорость рекомбинации в объеме прямо пропорциональна объемной плотности ионов и обратно пропорциональна кубу абсолютной температуры. При относительно небольших концентрациях ионов и невысоких температурах рекомбинация на поверхности превосходит рекомбинацию в объеме в 10² — 10⁶ раз.

Поскольку для рекомбинации необходимо, чтобы заряженные частицы находились некоторое время вблизи друг друга, то , чем ниже скорость движения частиц, тем процесс рекомбинации эффективнее. А скорость в свою очередь, связана с кинетической энергией частиц, т.е. с их температурой. Следовательно, при снижении Т рекомбинация идет более эффективно.

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 создается 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 рекомбинируют 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 счет диффузии может по значению быть близкой к деионизации вследствие рекомбинации. В дуге, горящей в узкой щели или закрытой камере, деионизация происходит главным образом за счет рекомбинации.

Из рассмотрения процессов ионизации и деионизации следует, что основным фактором, обеспечивающим горение дуги, является ее высокая температура — термическая ионизация. Отсюда следует, что всемерное интенсивное охлаждение ствола дуги является преобладающим способом ее гашения. Газы с большей теплопроводностью и теплоемкостью обладают лучшей охлаждающей способностью, а следовательно, и лучшими дугогасящими свойствами. Например, кислород, углекислый газ, 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.

2.2. Размыкание контактов и появление дуги.

Отключение цепи ЭА представляет собой процесс изменения сопротивления между двумя контактоми от нескольких мкОм до десятков и сотен МОм. Схематично процесс размыкания контактов и образования между ними изоляционного промежутка можно представить следующим образом:

при расхождении контактов контактное нажатие между ними постепенно снижается и, следовательно, уменьшается фактическая площадь их соприкосновения. В результате увеличивается плотность тока на ней и ее температура. По мере дальнейшего движения контактов температура в точек их соприкосновения возрастает и к моменту их расхождения достигает температуры плавления металла контактов. Когда контакты расходятся на сотые доли мм, то между ними образуется мостик из жидкого металла, который вытягивается и сечение его уменьшается. По мере уменьшения сечения мостик интенсивно разогревается до температуры кипения металла. Мостик взрывается и между контактами загорается электрическая дуга, горящая в парах металла. По мере расхождения контактов дуга увеличивается.

В коммутационных АВН дуга должна быть погашена как можно быстрее. Однако условия горения дуги и внешние воздействия могут быть очень разными. В соответствии с условиями принята следующая классификация дуг:

По условиям гашения:

1. Короткие дуги, гашение которых обуславливается процессами на электродах

2. Длинные (плазменные), гашение которых обуславливается процессами в канале дуги.

По характеру внешних воздействий:

1. Стабилизированные, горящие в трубе

2. Открытые, свободно горящие в воздухе

3. Обдуваемые, подвергаемые воздействию продольного или поперечного потока газа

4. Щелевые, горящие в щели, образованной стенками из теплостойкого изоляционного материала

По форме:

1. диффузная дуга (рассеянная)- обычно дуга с небольшим током <1000А горит в рассеянном виде

2. канальная (сжатая) при больших токах. Переход зависит от электродов и скорости изменения тока.

2.3 ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ Зависимости падения напряжения на стволе дуги от тока — вольтамперные характеристики дуги — приведены на рис 5-3. Кривая 1 представляет собой статическую характеристику дуги, т. е. падение напряжения на дуге при данном токе в установившемся равновесном состоянии, когда ионизация равна деионизации — подводимая к дуге мощность равна отводимой. Напряжение U3, соответствующее началу дугового разряда на промежутке, носит название напряжения зажигания дуги. Характеристика имеет падающий характер — с ростом тока напряжение на дуге падает. Это означает, что сопротивление дугового промежутка уменьшается быстрее, чем увеличивается ток.

Если с той или иной скоростью уменьшить ток в дуге от /0 до нуля и при этом фиксировать падение напряжения на дуге, то получим ряд кривых 2, лежащих ниже кривой 1. Эти кривые носят название динамических характеристик. Чем быстрее будет уменьшаться ток, тем ниже будет лежать динамическая вольт-амперная характеристика дуги. Это объясняется тем, что при снижении тока такие параметры дуги, как сечение ее ствола, температура газа и степень ионизации, не успевают быстро измениться и приобрести значения, соответствующие меньшему значению тока при установившемся режиме. В пределе, при мгновенном изменении тока до нуля, получим прямую 3 — проводимость промежутка останется соответствующей току

Рис 5-4 Распределение напряжения и градиента

напряжения в стационарной дуге постоянного тока

/0, а ток упадет до нуля. Кривая 3 — предел, практически недостижимый. Обычно при спаде тока динамические характеристики имеют возрастающий характер. Соответствующее этим характеристикам напряжение, при котором дуга гаснет, называется напряжением гашения Uг.

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 U₃ и U_Г характеризуют изоляционные свойства промежутка - они означают напряжения, которые необходимо приложить при данном состоянии промежутка, чтобы возбудить в нем электрическую дугу.

Падение напряжения на стационарной дуге распределяется неравномерно вдоль дуги. Картина изменения падения напряжения ил и продольного градиента напряжения Ед вдоль дуги приведена на рис. 5-4. Под градиентом напряжения понимают падение напряжения на единицу длины дуги. Как видно из рисунка, ход характеристик Uд и Eд в приэлектродных областях резко отличается от хода характеристик на остальной части дуги. У электродов, в прикатодной и прианодной областях, на промежутке длины порядка 10^-4 см имеет место резкое падение напряжения, называемое катодным U_K и анодным Uа. Значение этого падения напряжения зависит от материала электродов и окружающего газа. Суммарное значение прианодного и прикатодного падений напряжения составляет 15-30 В, градиент напряжения ( напряженность) достигает 10⁵-10⁶ В/см.

На катоде в зоне горения дуги образуется катодное пятно, которое несколько меньше поперечного сечения дуги. Катодное пятно склонно к быстрым перемещениям, плотность тока 10⁴-10⁷ А/см². Температура нагрева= температуре плавления катода.

Роль анода в дуговом разряде пассивна, и даже если бы не было анодного напряжения , горение дуги было бы возможно.

В остальной части дуги, называемой стволом дуги, падение напряжения Uд практически прямо пропорционально длине дуги, т. к. ионы и электроны распределены в стволе равномерно. Градиент здесь приблизительно постоянен вдоль ствола. Он зависит от многих факторов и может изменяться в широких пределах, достигая 100-200 В/см.

Околоэлектродное падение напряжения U₃ не зависит от длины дуги, падение напряжения на стволе дуги пропорционально длине дуги. Таким образом, падение напряжения на дуговом промежутке

Отвод энергии от ствола дуги при ее гашении должен превышать энергию, выделяемую в дуге. Отвод осуществляется тепловым излучением, теплопроводностью и турбулентной конвекцией.

2.4. Распределение температуры и плотности тока по сечению ствола дуги.

Максимум температуры наблюдается на оси ствола дуги. Поэтому наиболее высокая степень ионизации в центре, т.е. и наибольшая электропроводность там же. К переферии температура падает и сопротивление канала возрастает при Т=4000 к через него проходит всего 0,05% всего тока, а при 3000 К всего 0,001%.

Таким образом, весь ток проходит по сечению, на границе которого Т=4000К. Это сечение и ограничивает диаметр ствола дуги, который зависит от теплопроводности газа, а также эффективности охлаждения дуги, уменьшаясь с ее повышением. С уменьшением диаметра дуги плотность тока в ней растет. В современных коммутационных аппаратах плотности колеблются от 10² до 10⁴ А/см².