Лекция: Основи теорії горіння і гасіння електричної дуги

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1

Дослідження електричної дуги

Вимикальні апарати, /вимикачі/ призначені для вимкнення нормальних і аварійних струмів електричного ланцюга. При вимкненні електричного ланцюга, як правило, між рухливими і нерухомими контактами вимикача утвориться електрична дуга, що повинна бути погашена якомога швидше. Вивчення конструкцій різних типів вимикальних апаратів, оцінка їхніх експлуатаційних якостей вимагає знань фізичних процесів, що відбуваються при горінні і гасінні електричної дуги.

Основи теорії горіння і гасіння електричної дуги

Однією з вимог до вимикальної апаратури, як при нормальній роботі, так і в аварійних умовах є надійність вимкнення електричного ланцюга.

Існують дві форми вимкнення електричного ланцюга. Одна з них — це безіскровий розрив, який можливий при дуже малих величинах струму і напруги. Друга форма вимкнення – коли при розриві ланцюга виникає електрична дуга.

Для з'ясування умов горіння і гасіння електричних дуг зупинимося на загальновідомих, елементарних положеннях теорії розряду в газах.

На рис. 1.1 показана характеристика розряду в наповненій газом трубці з припаяними електродами.

Ця характеристика має три явно виражені основні ділянки. Перша ділянка характеристики АВ відповідає явищу корони в газах, при якому зростання струму зв'язане з відповідним зростанням напруги. Густина струму при цьому розряді дуже мала. Так, наприк­лад, для мідних електродів при заповненні трубки повітрям на відстані 4 мм густина струму в точці В досягає 10-15 А/см2. Ділянка ВС відповідає тихому розряду, вправо від точки С – дуговому розряду. Явище тихого розряду відрізняється від явища дугового розряду величиною спадання напруги і густиною струму біля катода. При тихому розряді густина струму біля катода досягає 3-10 А/см2 і спад напруги — біля 200-400 В. При дуговому розряді густина струму досягає 10000 А/см2 і вище, падіння напруги біля катода 10-20В.

Для того, щоб виник дуговий розряд, необхідно іонізувати газовий промі­жок, тобто перетворити його в провідник. Ступінь іонізації газового проміжку може бути різною і характеризується кількістю вільних зарядів, що знаходяться в газі. Ці заряди, пересуваючись від одного електрода до іншого, створюють струмовий ланцюг між ними. Існування електричної дуги стає можливим при напрузі 10-20 В і струмі не менше 80 мА. Го­рін­ня електричної дуги супроводжується високою температурою (3000-4000°К на поверхні і до 10000°К в центральній частині дуги).

Напруга електричної дуги (рис. 1.2) складається з спаду напруги на катоді (UК ), падіння напруги на стовпі дуги ( Ucm ), яке тим більше, чим більша довжина дуги, і анодного спадання напруги ( Uа ). Розрізняють короткі дуги ( lд=1- 2 мм ), напруга яких визначається в основному сумою катодної й анодної напруги Ucm = 0; Uк+Uа=25-40 В і «довгі» дуги, напруга яких визначається спадом напруги на стовпі дуги, a Uк + Uа мале в порівнянні з Ucm .

Іонізація газо­во­го про­між­ку при дуго­вому розряді може бути здійснена: під ді­єю елект­ричного поля — "іо­ні­за­ція пош­то­вхом"; під дією ви­сокої темпе­ратури га­зу — «термо­іонізація»; ви­­хо­­дом елект­ронів з розжаре­но­го катода — «тер­мо­емісія» і ін.

Сутність іоні­за­ції під дією електричного поля по­ля­гає в то­му, що вільні елект­­рони, що зна­хо­дяться в газі під дією елект­ричного поля починають перемі­щу­ватися в напрямку анода, розви­ваючи велику швидкість і нагромаджуючи відповідний запас кінетичної енергії. Такий електрон при зіткненні з нейтральним атомом може вибити з нього електрон, викликавши розпадання атома на вільний електрон і позитивний іон. Чим сильніше електричне поле, тим інтенсивніше відбувається процес іонізації.

Термоіонізація газу відбувається під дією відповідної температури. Температура газу характеризує швидкість руху часток. Чим вище температура, тим більше швидкість руху частинок. Рухаючись, частинки зіштовхуються між собою, і у залежності від сили удару розпадаються на складові частини. Спочатку молекули розпадаються на атоми, а потім атоми на іони й електрони. Розпад атомів на іони й електрони під впливом високої температури і є термоіонізація .

Термоемісія полягає в тому, що розжарений катод викидає в область горіння дуги значні порції електронів, які, рухаючись з означеною швид­кістю, як уже говорилося, іонізують газовий проміжок. Іонізація дугового розряду залежить не тільки від вище зазначених причин, що її викли­кають, але і від середовища, у якому відбувається процес іонізації, від хіміч­ного складу газу, його густини, температури, від матеріалу електро­дів, поверхні катодів і т.д.

Термічна іонізація є основним чинником, що підтримує провідність дугового проміжку при горінні дуги. З ростом струму дуги росте її температура, що викликає посилення процесу іонізації, і отже, зменшення опору дугового проміжку.

Поряд з іонізацією, при всякому газовому розряді проходить і зворотне явище, що викликається деіонізацією. Сутність деіонізації полягає в тому, що заряджені часткинки втрачають свої заряди або покидають область горіння дуги. Тому вони не можуть брати участь у переносі струму від одного електрода до іншого. Основними шляхами деіонізації області дугового розряду є рекомбінація заряджених часток і дифузія.

Рекомбінація полягає в тому, що частинки з протилежними зарядами при зіткненні одна з другою утворюють нейтральні частинки.

Дифузія — це вихід заряджених частинок з області горіння дуги в оточуючий простір, після чого вони, навіть не втрачаючи своїх зарядів, не відіграють ніякої ролі. Дифузія в значній мірі сприяє охолодженню дугового стовпа. Атоми, що утворені в результаті розпаду молекул, дифундують із дугового простору, за межами якого знову утворять молекули. При розпаді молекул на атоми відбувається поглинання енергії з дугового простору, а при утворенні молекул — виділення цієї енергії. Завдяки цьому при дифузії відбувається перенос енергії з області горіння дуги в оточуючий простір, тобто відбувається охолодження дуги. Згідно з дослідними даними, найбільш швидко деіонізуючим середовищем є водень, потім водяний пар, вугільна кислота, кисень, повітря, азот .

Температура центральної частини дуги дуже велика, вона залежить від складу газу ( у повітрі при атмосферному тиску досягає 3¸5 тис. град., а у водні — не менше 8¸10 тис. град. ).

Процес гасіння дуги йде тим швидше, чим крутіше падіння температури від центра до краю дуги, так як при цьому менша зона знаходиться під впливом високої температури, що дає зменшення термічної іонізації. Крім того, підсилюється дифузія заряджених частинок за рахунок різниці температур. Звідси випливає, що на гасіння дуги в розглянутому випадку діють два фактори: зменшення іонізації і збільшення деіонізації за рахунок охолодження стовбура дуги.