Электрические аппараты (стр. 27 из 57)
Рис.7.15. Ртутные герконы
Лекция №8
Тема лекции:
Электрическая дуга, физические явления, основы горения и гашения дуги постоянного тока
Общие сведения
Большая группа электрических аппаратов представлена коммутационными устройствами, с помощью которых замыкается и размыкается электрическая цепь. Электрический разряд, возникающий при размыкании контактов, приводит к их износу и в значительной степени определяет надежность и долговечность аппарата. Этот разряд в окружающем контакт газе является либо тлеющим разрядом, либо электрической дугой. Тлеющий разряд возникает при отключении тока менее 0,1 А при напряжении на контактах 250—300 В. Такой разряд происходит на контактах маломощных реле, а в более мощных аппаратах является переходной фазой к разряду в виде электрической дуги. Если ток и напряжение в цепи выше определенных значений, то имеет место дуговой разряд, обладающий следующими особенностями;
1.Дуговой разряд имеет место только при относительно больших токах. Минимальный ток дуги для различных материалов для металлов составляет примерно 0,5 А.
2.Температура центральной части дуги очень велика и может достигать 6000—25 000 К.
3.При дуговом разряде плотность тока на катоде чрезвычайно велика и достигает 102—103 А/мм2.
4.Падение напряжение 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, околоанодную. В каждой из этих областей процессы ионизации и деионизации протекают по-разному.
а) Околокатодная область.
Занимает весьма небольшое пространство длиной не более 10-6 м. Около катода возникает положительный объемный заряд, создаваемый положительными ионами. Между этим положительным объемным зарядом и катодом создается электрическое поле с напряженностью до 107 В/м, в котором движутся электроны, вышедшие из катода и создающие электрический ток. Электрическое поле воздействует на электроны, увеличивая их скорость. При соударении такого электрона с нейтральной частицей может произойти ионизация, для чего электрон должен обладать 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 много меньше. 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. Проведенные исследования также показали, что дуга может существовать только за счет автоэлектронной эмиссии, создаваемой у катода электрическим полем.
б) Область дугового столба. Энергия, приобретенная заряженными частицами в электрическом поле дугового столба, столь мала, что практически ионизация толчком не происходит.
При большой температуре, которая имеет место в области дугового столба, скорость частицы возрастает до значения, при котором удар в нейтральный атом приводит к его ионизации. Такая ионизация называется термической. Основным источником ионов и электронов в столбе дуги является термическая ионизация. Чем меньше масса частицы, тем больше ее скорость движения.
Таким образом, с ростом давления степень ионизации уменьшается. В связи с этим во многих дугогасящих устройствах (ДУ) электрических аппаратов 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. Поэтому в ДУ необходимы меры против попадания металлических паров электродов.
в) Энергетический баланс дуги. Процесс ионизации и процесс деионизации в значительной степени определяются температурой дугового промежутка. Последняя зависит от количества тепла, выделяемого в дуге и отводимого от дуги.
Охлаждение дуги происходит за счет излучения, теплопроводности и конвекции.
Для открытой дуги, горящей в воздухе, излучением отдается 15—30 % выделяемой в дуге энергии. Для дуги, горящей в закрытом ДУ, доля тепла, отдаваемого лучеиспусканием, меньше.
Отвод тепла за счет теплопроводности газа в значительной степени зависит от его температуры. Так, при температуре 4000 К молекулы водорода диссоциируют на атомы. При этом от дуги отводится большое количество тепла. Внешне этот процесс представляется как резкое увеличение теплопроводности. Теплопроводность газа сильно зависит от его природы. Так, средняя теплопроводность водорода в 17 раз больше, чем воздуха. Благодаря своей высокой теплопроводности при прочих равных условиях водород способствует более быстрому охлаждению столба дуги. Ток, отключаемый в атмосфере водорода, в 7,5 раза больше, чем в воздухе при том же давлении.
При горении дуги в трансформаторном масле последнее разлагается с выделением водорода, что способствует эффективному гашению дуги. В некоторых аппаратах под действием магнитного поля дуга перемещается с большой скоростью относительно воздуха, что приводит к ее охлаждению за счет конвекции. Этот вид теплоотдачи наряду с теплопроводностью является определяющим для процесса гашения.
г) 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. Околоанодное падение напряжения зависит от температуры анода, его материала и значения тока.
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.
Высокая температура анода и околоанодная область не оказывают существенного влияния на возникновение и условия существования дугового разряда. Роль анода сводится к приему электронного потока из дугового столба.
Для дуги большого тока околоанодное падение напряжения столь мало, что им можно пренебречь.
Распределение напряжения, напряженности электрического поля (градиента) и производной, пропорциональной объемному заряду а в дуге, представлено на рис.8.1.
Падение напряжения у катода составляет 10—20 В и зависит от материала катода и свойств газа, в котором горит дуга. Околокатодное падение напряжения несколько меньше потенциала ионизации газа из-за наличия около катода его паров, у которых потенциал ионизации значительно ниже.
Околоанодное падение напряжения составляет 5—10 В. При больших токах околоанодное напряжение уменьшается, в то время как околокатодное напряжение остается постоянным.
Рис. 8.1. Распределение напряжения, напряженности электрического поля и объемных зарядов в электрической дуге
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. Условия гашения короткой дуги в значительной степени определяются процессами, происходящими у электродов, и условиями их охлаждения.
В аппаратах высокого напряжения падение напряжения на столбе дуги значительно больше околоэлектродных, и последними можно пренебречь. Условия существования таких дуг, называемых длинными, определяются процессами в столбе дуги.
Физические особенности дугового разряда при высокой плотности газовой среды