Как повысить степень ионизации дугового промежутка

ПРОЦЕССЫ В ДУГОВОМ ПРОМЕЖУТКЕ

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 нем 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.

При особых условиях – очень малых токах и напряжениях, разрыве цепи переменного тока в момент перехода тока через нуль и некоторых других – расхождение контактов может произойти без электрического разряда. Такое отключение называется безыскровым разрывом.

Рис. 5-1. Вольт амперная характеристика электрического разряда в газах

Второй участок кривой (область II) представляет собой переход из тлеющего разряда в дуговой.

Третий участок кривой – дуговой разряд (область III) – характеризуется малым падением напряжения у электродов (10 – 20 В) и большой плотностью тока (до 100 кА/см 2 ). С ростом тока напряжение на дуговом промежутке сперва падает, а затем практически мало меняется.

Электрическая дуга сопровождается высокой температурой и связана с этой температурой. Поэтому дуга – явление не только электрическое, но и тепловое.

В обычных условиях воздух является хорошим изолятором. Так, для пробоя воздушного промежутка в 1см требуется приложить напряжение не менее 30 кВ. Для того чтобы воздушный промежуток стад проводником, необходимо создать в нем определенную 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.

Ионизация газа может происходить под действием света, рентгеновских лучей, высокой температуры, под влиянием электрического поля и ряда других факторов. Для дуговых процессов в электрических аппаратах наибольшее значение имеют: из процессов, происходящих 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 накаленной 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 рвется. Здесь происходит испарение металла контактов. На отрицательном электроде образуется так называемое катодное пятно (раскаленная площадка), которое служит основанием дуги и очагом излучения электронов в первый момент расхождения контактов. Плотность тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры и материала электрода. Она невелика и может быть достаточной для возникновения электрической дуги, но она недостаточна для ее горения.

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

Место разрыва электрической цепи может быть представлено как конденсатор переменной емкости [24]. 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 100 МВ/см. Такие значения напряженности электрического поля 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 я молекула) он может выбить из нее 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 определенной скоростью. Скорость электрона зависит от разности потенциалов на длине его свободного пробега. Поэтому обычно сказывается не скорость движения электрона, а то минимальное значение разности потенциалов, какое необходимо иметь на длине свободного пути, чтобы электрон к концу пути приобрел необходимую скорость. Эта разность потенциалов носит название потенциала ионизации.

Потенциал ионизации для газов составляет 13—16В (азот, кислород, водород) и до 24,5В (гелий), для паров металла он примерно в два раза ниже (7,7 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_и, ионизирует нейтральную частицу, так как только часть таких электронов приходит в должное соприкосновение с нейтральными частицами. При скоростях, меньших скорости, соответствующей U_и, вероятность ионизации толчком равна нулю, при больших скоростях эта вероятность возрастает.

Термическая ионизация. Это – процесс ионизации под воздействием высокой температуры. Поддержание дуги после ее 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 счет 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 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.

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 10 2 – 10 6 раз.

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 направлений 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 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 вытекает, что в зависимости от своих физических постоянных различные газы будут обладать различными дугогасящими свойствами. Газы с большей теплопроводностью и теплоемкостью 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.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Теоретические основы дуговой и электрошлаковой сварки

Для сварки весьма важным условием является устойчивое, без перерывов, горение электрической дуги.

Чем устойчивее (стабильнее) горит дуга, тем легче сварщику выполнять сварку и тем лучше качество сварного шва. Устойчивость горения дуги обеспечивается достаточно высокой степенью ионизации газа в дуговом промежутке.

Степень ионизации газа характеризуется отношением количества заряженных (ионизированных) частиц к нейтральным в данном объеме дугового промежутка.

Степень ионизации в дуге зависит от температуры газа и паров металла в зоне сварки, рода сварочного тока, питающего дугу, и потенциала ионизации веществ, находящихся в дуговом промежутке и на поверхности электрода и изделия.

Чем выше температура и чем ниже потенциал ионизации материала электрода и газа в дуге, тем выше степень ионизации и тем устойчивее (стабильнее) горит дуга.

Температура дуги в свою очередь находится в прямой зависимости от величины сварочного тока и потенциала ионизации веществ, находящихся в дуге.

где Т_ст — температура столба дуги, °К, a Ut — потенциал ионизации газа в столбе дуги, электрон-вольт. По расчетам эта зависимость несколько иная:

Установлено также, что с уменьшением диаметра электрода при той же величине сварочного тока сечение дуги уменьшается, а температура ее и, следовательно, степень ионизации газа возрастают.

Так, при сварке под флюсом переменным током 450 А при диаметре электрода 5 мм температура столба дуги составляет 6000°К, а при диаметре электрода 2 мм — 7800°К.

Дуга, питающаяся постоянным током, горит более устойчиво, чем питающаяся переменным током. Это обусловлено тем, что в каждом полупериоде (100 раз в секунду) переменный ток падает до нуля (рис. 8), вследствие чего резко уменьшаются температура катода и эмиссия электронов с него, а также скорость перемещения заряженных частиц, температура и степень ионизации газа в межэлектродном промежутке.

Дуга при этом гаснет и мгновенно падает электропроводимость межэлектродного промежутка. Повторно дуга может возбуждаться (при возрастании тока обратного направления в каждом полупериоде) только при повышенном напряжении, называемом напряжением зажигания дуги, или пиком зажигания (см. рис. 8).

Это вызывает необходимость повышения напряжения холостого хода источника питания дуги до 80—100 В, что связано с ухудшением условий техники безопасности. Поэтому в сварочной практике прибегают к другим способам повышения устойчивости горения дуги переменного тока при напряжении холостого хода источника 60—70 В.

Наиболее эффективные результаты дает введение в дугу веществ, обладающих более низким потенциалом ионизации по сравнению с железом. Такими веществами являются химические соединения калия, натрия, кальция, окислы железа и др.

При наличии в дуге паров легкоионизирующихся элементов снижается эффективный потенциал ионизации газа в межэлектродном промежутке.

В результате этого в каждом полупериоде тока после угасания дуги электропроводимость межэлектродного промежутка сохраняется более продолжительное время (до более низких температур), пик зажигания становится меньше, дуга возбуждается легче и горит устойчивее.

Введение в зону сварки (через покрытие электрода или флюс) плавикового шпата (СаF₂), обладающего высоким потенциалом ионизации, ухудшает стабильность горения дуги, особенно при питании дуги переменным током.

Рис. 8. Кривые изменения тока и напряжение дуги во времени при сварке переменным током: I_д —ток в дуге, U_д —напряжение на дуге, U₃ — напряжение повторных зажиганий дуги

Устойчивость горения дуги переменного тока значительно ухудшается, если столб дуги, конец электрода и сварочная ванна дополнительно охлаждаются внешней средой (например, при сварке холодного металла на морозе, сварке в углекислом газе).

В этом случае благодаря более быстрому охлаждению катода и газа в межэлектродном промежутке при снижении тока до нуля значительно быстрее прекращается эмиссия электронов с катода и падает проводимость межэлектродного промежутка после угасания дуги (быстрее наступает деионизация газа), вследствие чего повторное возбуждение дуги в каждом полупериоде переменного тока затрудняется.

Особенно сильно охлаждается дуга струей углекислого газа. При этом тепло расходуется как на нагрев, так и на диссоциацию газа. В подобных условиях для устойчивого горения дуги переменного тока необходимо в ее зону вводить повышенное количество ионизирующих веществ.

Это успешно применяется при ручной сварке покрытыми электродами, автоматической и полуавтоматической сварке под флюсом, но практически пока не находит применения при сварке в углекислом газе. Вследствие этого сварка в углекислом газе выполняется исключительно на постоянном токе.

Следует отметить также, что между эффективным потенциалом ионизации газа в дуговом промежутке (устойчивостью горения дуги) и энергией, выделяемой на катоде, а следовательно, и скоростью плавления катода существует определенная связь.

С понижением эффективного потенциала ионизации уменьшается падение напряжения в прикатодной области дуги, вследствие чего снижаются скорость плавления катода и производительность сварки.

Из практики, например, хорошо известно, что при введении в дугу переменного тока легко ионизирующихся веществ скорость плавления электрода при неизменном токе уменьшается. Поэтому введение этих веществ в дугу для повышения ее стабильности ограничивают минимально необходимым количеством.

Сказанное о дуге, горящей в углекислом газе, в некоторой мере относится и к дуге, горящей в инертных газах. Но благодаря использованию дополнительных генераторов импульсов высокого напряжения (стабилизаторов) при сварке неплавящимся электродом на переменном токе в инертных газах повторное возбуждение дуги не вызывает трудностей.

Причем необходимость подключения в сварочную цепь генераторов импульсов высокого напряжения при аргоно- и гелиедуговой сварке объясняется не только охлаждающим действием газа, но и тем, что потенциал ионизации аргона и гелия выше, чем кислорода и паров металла.

Поэтому для повторных возбуждений дуги в каждом полупериоде переменного тока нужно повышенное напряжение. Вместе с тем при наличии стабилизатора нормальный дуговой разряд и устойчивое горение дуги в струе аргона и гелия протекают при меньшем напряжении, чем в углекислом газе.

Это обусловлено тем, что при горении дуги в углекислом газе часть кинетической энергии электронов расходуется на диссоциацию многоатомных молекул углекислого газа, в то время как при сварке в одноатомных газах — аргоне и гелии — такие затраты энергии исключены.

В связи с этим напряжение дуги при аргонодуговой сварке вольфрамовым электродом меньше, чем при сварке в углекислом газе угольным электродом.

Род тока и полярность при аргонодуговой сварке выбирают в зависимости от химического состава свариваемого материала и типа электрода.

Для стабильного горения дуги (особенно при ручной сварке) необходимо поддерживать постоянство ее длины, так как чрезмерное укорочение дуги может вызвать замыкание электрода, а удлинение — обрывы, что ухудшает качество шва.

При автоматической и полуавтоматической сварке скорость подачи проволоки при заданном сварочном токе и напряжении дуги должна соответствовать скорости ее плавления. При этом ток и напряжение, определяемые по амперметру и вольтметру, должны быть неизменными (минимальное колебание стрелок амперметра и вольтметра).

Источник

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:

Объемная: ударная, термическая, фотоионизация.

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 — 10 5 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 10 5 —10 8 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.

Деионизация идет 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 выключателях, 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 10 2 — 10 6 раз.

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.

Размыкание контактов и появление дуги.

Отключение цепи ЭА представляет собой процесс изменения сопротивления между двумя контактами 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 точках 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:

Короткие дуги, гашение которых обуславливается процессами на электродах

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

По характеру внешних воздействий:

Стабилизированные, горящие в трубе

Открытые, свободно горящие в воздухе

Обдуваемые, подвергаемые воздействию продольного или поперечного потока газа

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

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.

Около электродное 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.

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%.

Принципы гашения дуги

Для погасания дуги необходимо, чтобы напряжение, необходимое для горения дуги всегда было выше подводимого. Или через энергетические зависимости энергия ионизации д. б. меньше отводимой энергии. При отключении дуги переменного тока в ней выделится в момент гашения энергия

Энергия, запасенная в магнитном поле, будет минимальной, если дуга погаснет при первом прохождении тока через ноль. Если дуга начнет гаснуть раньше естественного перехода тока через нуль, то часть энергии магнитного поля не успеет вернуться в генератор и д.б. рассеиваться в дуге. Гашение дуги переменного тока в момент естественного прохождения тока через 0 облегчается.

Кривые изменения тока и напряжения на дуговом промежутке приведены на рис. 5-8, а. Допустим, что после прохождения тока через нуль в цепи появился ток. В момент появления тока резко возрастает напряжение на стволе дуги — это напряжение зажигания дуги U_з. За полупериод горения дуги напряжение на промежутке изменяется незначительно. При подходе тока к нулю напряжение вновь растет до напряжения гашения UT и при повторном зажигании после перехода тока через нуль снова достигает какого-то значения (7„ но противоположного знака. Соответствующая этому процессу вольт-амперная характеристика дуги за период приведена на рис. 5-8, б.

Для гашения дуги постоянного тока необходимо создать такие условия, при которых падение напряжения на стволе дуги на всем протяжении ее динамической характеристики будет больше подводимого напряжения, в пределе — напряжения сети. 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. Тепловая инерция дугового ствола, однако, оказывается довольно значительной, и в момент перехода тока через нуль температура ствола (газов) не всегда падает до прекращения термической ионизации. Переход тока через нуль не обусловливает гашение дуги, однако процессы после перехода тока через нуль в ряде случаев создают условия для ее гашения.

В открытой дуге при высоком напряжении, когда определяющим фактором является активное сопротивление сильно растянутого ствола дуги, условия гашения дуги переменного тока приближаются к условиям гашения дуги постоянного тока, и процессы после перехода тока через нуль мало влияют на гашение дуги.

Рис 5-8 Характеристики дуги переменного тока

В дугогаситетьных устройствах, где длина дуги незначительна и сопротивление ствола дуги практически не влияет на процесс гашения, условия гашения определяются из взаимосвязи процессов после перехода тока через нуль. Возможен также случай, когда надо считаться как с влиянием активного сопротивления, так и с условиями гашения при переходе тока через нуль

Открытая дуга переменного тока при высоком напряжении источника тока. Осциллограмма тока и напряжения на дуге приведена на рис 5-9 Гашение дуги здесь происходит главным образом вследствие растяжения дугового ствола и образования на нем высокого напряжения горения на всем протяжении полупериода Ток в цепи начинает заметно падать за несколько периодов до полного обрыва дуги. При определенной (критической) длине дуги напряжение сети оказывается недостаточным для поддержания ее горения. Наступает нарушение баланса мощностей (подводимой и отводимой), и ток в цепи быстро уменьшается и, наконец, совсем прекращается.

Следует отметить, что при малоиндуктивной нагрузке бестоковая пауза больше, при большей индуктивности эта пауза меньше или очень мала (примерно 0, 1 мкс)

Таким образом, при каждом переходе тока через нуль возникает «соревнование» двух процессов, а именно процесса восстановления электрической прочности Um промежутка и процесса восстановления напряжения Uv на промежутке. Если нарастание эл. прочности будет опережать нарастание напряжения U_в на нем, то дуга погаснет при переходе тока через 0. Если же нарастание эл.прочности промежутка пройдет медленнее, то в момент времени, соответствующий т. О произойдет повторное зажигание дуги. В цепи появится ток i_д и напряжение на дуге. U_з – напряжение зажигания. Рационально, если гашение осуществляется в первый после размыкания контактов переход тока через 0.

Рис 5-10 Переход тока через нуль

Рис.5.11. Процессы после перехода тока через нуль; а – при гашении дуги, б – при повторном зажигании.

Рис. 5-14. восстановление электрической прочности коротких промежутков

Рис. 5-13. К анализу процессов в коротком дуговом промежутке: а — картина распределения заряженных частиц, б — изменение градиента напряжения по длине промежутка; в — распределение восстанавливающегося напряжения по промежутку

Восстановление электрической прочности междуконтактного промежутка

Под восстанавливающейся эл. прочностью дугового промежутка понимается пробивное напряжение, которое способно вызвать повторное зажигание дуги в этом промежутке.

В момент перехода тока через 0 промежутку уже присуща некоторая эл. прочность (нач. восстан. прочность.). Эта прочность меняется в зависимости от условий, создаваемых в промежутке.

Восстановление прочности коротких промежутков.

Короткими наз. промежутки, у которых эл.прочность определяется явлениями у электродов.

Эти явления зависят от состояния и свойств электродов и газовой среды, находящейся между ними. Рассмотрим явления у электродов при переходе тока через нуль. При этом сделаем допущение, что катод «холодный» и что температура газа в околокатодном слое недостаточна для возникновения термической ионизации, т. е. термоэлектронная эмиссия и термическая ионизация отсутствуют. Допустим, что последуговая плазма имеет равномерную плотность во всем пространстве и что плотности положительных и отрицательных частиц равны между собой. Тогда при появлении между электродами (рис. 5-13) разности потенциалов (начало процесса восстановления напряжения) отрицательные частицы начнут двигаться к аноду, а положительные — к катоду. Учитывая, что подвижность электронов во много раз выше (до 1000 раз) подвижности ионов, то в очень короткое время от начала восстановления прочности промежутка электроны уйдут из околокатодного пространства, а ионы останутся на месте. При этом у катода возникнет зона пространственного положительного заряда, и эту зону можно считать диэлектриком. Разность потенциалов оказывается приложенной к этой зоне пространственного заряда, однако распределение напряженности электрического поля и восстанавливающегося напряжения вдоль этой зоны будет неравномерным, как это показано на рис. 5-13, 6 и в. Максимальной напряженности электрическое поле достигает у поверхности катода и зависит (как и толщина слоя пространственного заряда) от плотности заряженных частиц и приложенного к промежутку напряжения.

Когда электроды (контакты) остаются «холодными», то основной причиной пробоя промежутка может быть автоэлектронная эмиссия (если максимальная напряженность электрического поля у катода достигает 10 5 — 10 7 В/см). При отсутствии автоэлектронной эмиссии восстанавливающаяся прочность промежутка может быть весьма высокой и процесс может протекать, как это показано на рис. 5-14. При нарастании прочности промежутка по кривой 1 повторного зажигания дуги не произойдет, а при нарастании прочности по кривой 3 повторное зажигание произойдет в точке О — точке пересечения кривой 3 с кривой 2 — кривой восстанавливающегося напряжения. Кривая 4 представляет собой U_д,. Восстанавливающаяся прочность в момент перехода тока через нуль скачком достигает некоторого значения U_np0, а затем постепенно возрастает во времени. При этом начальная восстанавливающаяся прочность U_np0 (t 0; (\ Здесь ток совпадает по фазе с ЭДС (рис. 5-15, в). Ток и ЭДС переходят через нуль одновременно, восстанавливающееся напряжение на контактах нарастает нуля с частотой сети. Тем самым отключение активной нагрузки происходит существенно легче, чем индуктивной.

2.5.4.Принципы гашения дуги.

Повышение Напряжения дуги путем ее растягивания.

Уменьшение температуры дуги.

Диффузия охлаждающей среды в зону горения дуги (как следствие – повышение сопротивления канала).

ВОЗДУШНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

Широкое применение воздушных выключателей обусловлено их способностью удовлетворять любому предъявляемому к ним требованию, в отношении как технических параметров, так и эксплуатационных характеристик. В немалой мере этому способствует то обстоятельство, что конструктивно воздушные выключатели оказались хорошо приспособлены для различных условий работы современных распредустройств высокого напряжения, от сравнительно небольших выключателей для КРУ до мощных воздушных выключателей с металлическими гасительными камерами под высоким потенциалом. Их довольно легко приспособить как для внутренней, так и для наружной установки.

Однако, несмотря на свои высокие технические характеристики, удовлетворявшие самым жестким требованиям энергосистем, эти выключатели оставляют желать лучшего в экономическом отношении, так как одновременно с совершенствованием воздушных выключателей все больше выдвигаемых технических требований удовлетворяется другими типами выключателей. Поэтому ничего удивительного нет в том, что когда иные типы выключателей оказывались экономически более эффективными, чем существовавшие в то время воздушные выключатели, последние постепенно начали терять ту лидирующую роль, которую они до того играли.

В настоящее время наибольшее развитие получил другой тип газового выключателя — элегазовый, способный по техническим данным догнать воздушные выключатели на самые высокие параметры.

Главная задача при разработке новых, более совершенных воздушных выключателей заключается не столько в использовании их относительно хорошо изученных технических возможностей, а в создании таких выключателей, которые, с одной стороны, удовлетворяли бы постоянно растущим техническим требованиям, а с другой — были бы экономически целесообразны, с тем, чтобы суммарные расходы на их приобретение и обслуживание были равны или даже ниже, чем таковые у конкурирующих типов выключателей. Поэтому при оценке достоинств той или иной конструкции воздушного выключателя следует учитывать не только их электрические или механические характеристики, обусловленные свойствами сжатого воздуха, но и в комплексе все характерные их показатели, связанные с разработкой, изготовлением, монтажом, а также текущими эксплуатационными расходами на их обслуживание в энергосистемах.

Согласно вышеизложенному можно сформулировать следующие основные преимущества, получаемые при использовании сжатого воздуха в выключателях:

Исключается загрязнение окружающей среды и опасность для здоровья обслуживающего персонала; снижаются эксплуатационные расходы, связанные с заполнением выключателя дугогасящей средой и заменой ее. Это в какой-то мере оправдывает применение в конструкции выключателя технических решений, несколько более дорогих в производстве и в эксплуатации.

При работе выключателя не возникает столь сильных динамических нагрузок на элементы конструкции, как у выключателей с жидкой дугогасящей средой.

Высокая скорость движения воздушного потока и распространения волн позволяет запасать дугогасящую среду вдали от зоны гашения дуги, а в момент коммутации довольно легко подводить ее в эту зону. Воздушные выключатели легко могут быть выполнены быстродействующими. Низкая вязкость сжатого воздуха обеспечивает активное его взаимодействие с дугой отключения, при котором он непрерывно следует за расширением и сжатием ее столба, что обеспечивает малое время горения дуги и уменьшает эрозию контактов.

Источник