Дуга переменного тока: физика процесса, условия возникновения, особенности гашения при различных видах нагрузки.. template1 готовый. Вид работы Курсовая работа Название дисциплины Электрические и электронные аппараты Тема Дуга переменного тока физика процесса, условия возникновения, особенности гашения при различных видах нагрузки
 Скачать 2.2 Mb.
|
Основная частьГлава 1. Теория горения электрической дугиПроцессы в дуговом промежутке Между контактами коммутационного аппарата, включенного в электрическую цепь, по которой протекает некоторый ток, при их размыкании, как правило возникает электрический разряд. Воздушный промежуток между размыкающимися контактами в следствие ионизации становится проводящим электрический ток и в нём возникает дуга, которая горит некоторое время, а затем каким-либо способом гасится. Ток в цепи после гашения дуги падает до нуля. Размыкание контактов коммутационного аппарата – это процесс увеличения сопротивления между этими контактами от нескольких микроом при изначально максимальном контактном нажатии до сотен мегаом в конце процесса размыкания, т.е. при максимальном расстоянии между разомкнутыми контактами. Схематично процесс размыкания контактов и образования между ними диэлектрического промежутка можно представить следующим образом. При размыкании контактов сила контактного нажатия между ними начинает постепенно снижаться и наряду с этим уменьшается площадь их соприкосновения, т.е. площадь электрического контакта. При этом на уменьшающейся площадке контактирования растёт плотность тока, и температура контакта. По мере расхождения контактов температура пятна контакта продолжает расти и к моменту их фактического рассоединения достигает температуры плавления металла самих контактов. Когда контакты разойдутся на расстояние в несколько микрометров, между ними образуется мостик из расплавленного металла, форма которого может варьироваться от формы гиперболоида до бочкообразной. По мере дальнейшего расхождения контактов мостик растягивается, усреднённая площадь его сечения уменьшается. Участок мостика с наименьшим сечением разогревается наиболее интенсивно вплоть до достижения температуры кипения металла. Мостик рвётся, происходит испарение металла контактов, после чего между контактами возникает электрическая дуга, горящая в парах металла и удлиняющаяся по мере дальнейшего расхождения контактов. Разберём более подробно процессы, протекающие в разрядном промежутке. Изобразим зависимость падения напряжения на разрядном промежутке от тока разряда в газах, рис. 1:  Рис. 1. Вольт-амперная характеристика электрического разряда в газах [1]. Участок I характеристики – это область тлеющего разряда, для которого характерно высокое падение напряжения у катода (200-250В) и малые токи [2]. Плотность тока в разрядном промежутке при тлеющем разряде достигает всего нескольких µа/см². С ростом тока растёт и падение напряжения на разрядном промежутке до 300 – 400В. Участок II характеристики – это переход тлеющего разряда в дуговой. Участок III характеристики – область дугового разряда с малым падением напряжения у электродов (контактов), но большой плотностью тока (до 100 кА/см²) [2]. С ростом тока напряжение на дуговом промежутке падает до 10-20В и в дальнейшем почти не изменяется [2]. Горение электрической дуги сопровождается высокой температурой. Дуга – явление не только электрическое, но и тепловое. В обычных условиях воздух – это хороший изолятор, и для того, чтобы он стал проводником для электрического тока, необходимо создать в нём некоторую концентрацию отрицательных (в основном свободных) электронов и положительных ионов. Т.е. воздух должен быть ионизирован. Ионизация воздуха (газа) может происходить под действием различных физических факторов (рентгеновские лучи, свет, электрическое поле, высокая температура и др.). Для дуговых процессов, происходящих у электродов, наибольшее значение имеют термоэлектронная и автоэлектронная эмиссии, а для процессов в дуговом промежутке – ионизация толчком и термическая ионизация. Опишем эти явления. Термоэлектронная эмиссия – это явление испускания электронов из поверхности, нагретой до высокой температуры. В данном случае раскалённая поверхность – это так называемое катодное пятно на поверхности контакта, которое является основанием дуги и источником излучения электронов в первый момент расхождения контактов. Плотность тока термоэлектронной эмиссии зависит от материала электрода и его температуры. Она достаточна для возникновения электрической дуги, но не может поддерживать её горение. Автоэлектронная эмиссия – это процесс испускания электронов из катода под воздействием сильного электромагнитного поля. Место разрыва контактов можно представить, как конденсатор переменной ёмкости. Его ёмкость в начале расхождения контактов равна бесконечности, а затем, по мере расхождения контактов, убывает. Этот конденсатор заряжается через сопротивление цепи, напряжение постепенно растет на нем от нуля до напряжения сети одновременно с увеличением расстояния между контактами. Во время нарастания напряжения напряжённость электрического поля между контактами может превышать 100 МВ/см. Такого значения напряжённости достаточно для вырывания электронов из холодного катода. Так как ток автоэлектронной эмиссии тоже достаточно мал, то он может служить только началом развития электрической дуги. Из описанного выше следует, что возникновение электрической дуги на расходящихся контактах объясняется явлениями термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий, возникающих на контактах. Доля вклада того или иного фактора зависит от величины отключаемого тока, материала контактов, загрязнённости их поверхности, скорости расхождения и некоторых других факторов. Ионизация толчком. Свободный электрон, обладающий достаточной скоростью при столкновении с нейтральной частицей (атомом или молекулой) может выбить из неё электрон. Получается новый свободный электрон и положительный ион. Новый электрон, в свою очередь, может ионизировать следующую частицу. Такая ионизация называется ионизацией толчком. Для того, чтобы электрон смог ионизировать нейтральную частицу, он должен двигаться с достаточной для этого скоростью. Скорость движения электрона зависит от разности потенциалов на пути его свободного пробега. Такая разность потенциалов называется потенциалом ионизации (Uи). Это минимальное значение разности потенциалов, при котором электрон в конце своего пути свободного пробега приобретёт скорость достаточную для ионизации. Для газов потенциал ионизации составляет 13-25В, для паров металла – в два раза ниже [1]. Потенциал ионизации для газовой смеси определяется наиболее низким из потенциалов ионизации газов, входящих в состав этой смеси. Например, в короткой электрической дуге обязательно имеются частицы испарившегося металла электродов, поэтому потенциал ионизации дугового промежутка будет определяться потенциалом ионизации паров металла. При скоростях электронов, меньших, чем скорость, соответствующая потенциалу ионизации, вероятность ионизации толчком отсутствует, а при больших скоростях эта вероятность возрастает. Термическая ионизация – процесс ионизации под воздействием высокой температуры. Это практически единственный вид ионизации, которым объясняется поддержание горения электрической дуги после её возникновения. Температура ствола дуги достигает 3700 – 6700 °С [1]. При такой температуре резко возрастает число быстродвижущихся частиц газа и скорость их движения. При этом большая часть молекул и атомов газа разрушается при взаимных столкновениях, и, в результате образования заряженных частиц, происходит ионизация газа. Основным параметром термической ионизации является степень ионизации, характеризующая отношение числа ионизированных атомов к общему числу атомов в дуговом промежутке. Параллельно с процессом ионизации в газе происходит и обратный процесс воссоединения заряженных частиц (образование нейтральных частиц). Этот процесс называется деионизацией. При возникновении дуги процесс ионизации преобладает, в устойчиво горящей дуге процессы ионизации и деионизации одинаково интенсивны, а при преобладающем процессе деионизации дуга гаснет. Процесс деионизации осуществляется за счёт явлений рекомбинации и диффузии. Рекомбинация – это процесс образования нейтральных частиц в результате взаимного соприкосновения частиц различно заряженных. В электрической дуге отрицательно заряженные частицы – это в основном электроны. Но, ввиду большой разности скоростей, непосредственное соединение электронов с положительными ионами маловероятно. Обычно рекомбинация осуществляется за счёт нейтральной частицы, которую заряжает электрон. Эта отрицательно заряженная электроном частица соударяется с положительным ионом, в результате чего образуются одна или две нейтральные частицы. Существует два типа рекомбинаций: в объёме – когда третьим телом является нейтральная частица газа, и на поверхности – когда третьим телом является поверхность вблизи дуги (например, стенка дугогасительной камеры). В случае рекомбинации на поверхности электроны заряжают стенку камеры до потенциала, при котором положительные ионы притягиваются к этой поверхности и образуют нейтральные частицы, присоединив электрон. Скорость рекомбинации в объёме прямо пропорциональна объёмной плотности ионов и обратно пропорциональна кубу абсолютной температуры. При небольших концентрациях ионов и невысоких температурах рекомбинация на поверхности преобладает над рекомбинацией в объёме в 102 – 106 раз [1]. Диффузия заряженных частиц – это процесс выноса заряженных частиц из дугового промежутка в окружающее пространство, вследствие которого проводимость дуги уменьшается. Диффузия обусловлена электрическими и тепловыми факторами. Ввиду того, что плотность зарядов в стволе дуги возрастает от её периферии к центру, создаётся электрическое поле, которое заставляет ионы двигаться от центра к периферии и покидать область горения дуги. В этом же направлении действует и разность температур между стволом дуги и окружающим пространством. Вышедшие из области дуги заряженные частицы рекомбинируются вне этой области. В стабильной, свободно горящей дуге (на которую, например, не воздействует магнитное или воздушное дутьё) диффузия играет пренебрежимо малую роль. В дуге, которая обдувается сжатым воздухом, деионизация за счёт диффузии может быть сопоставима по интенсивности с деионизацией за счёт рекомбинации. В дуге же, которая горит в узкой щели или закрытой камере, деионизация происходит преимущественно за счёт рекомбинации. По результатам изучения процессов ионизации и деионизации можно сделать вывод о том, что в зависимости от своих физических свойств различные газы обладают различными дугогасящими свойствами. Газы с большей теплоёмкостью и теплопроводностью обладают лучшей охлаждающей способностью. А, например, гексафторид серы (элегаз) за счёт своей высокой деионизирующей способности может погасить дугу с током в 70-100 раз превышающим ток, который можно отключить на воздухе при прочих равных условиях [2]. Вольт-амперные характеристики электрической дуги Вольт-амперная характеристика электрической дуги показывает зависимость падения напряжения на стволе дуги от тока дуги. Она соответствует части кривой, изображённой на рис.1 в области III. Несколько таких характеристик для разных режимов дуги приведены на рис.2 [2]:  Рис.2 Вольт-амперные характеристики электрической дуги. Напряжение Uз соответствует началу горения дуги и называется напряжением зажигания дуги. С ростом тока напряжение на стволе дуги снижается, так как сопротивление дугового промежутка падает быстрее, чем увеличивается ток. Для каждого значения тока в некоторый момент времени установится равновесное состояние, при котором интенсивности процессов ионизации и деионизации равнозначны. При этом электрическое сопротивление и дугового промежутка и напряжение на нём станут постоянными величинами, не изменяющимися во времени. Такой режим горения дуги называется статическим, ему соответствует кривая 1, которая называется статической характеристикой дуги. Если с различными скоростями снижать ток в дуге до нуля, фиксируя при этом падение напряжения на дуге в зависимости от тока, то получим ряд кривых 2, которые будут лежать ниже кривой 1. При этом, чем быстрей будет снижаться ток, тем ниже будет лежать вольт-амперная характеристика дуги. Если же ток дуги снизить до нуля мгновенно, то получим прямую 3. Изменение же падения напряжения на дуге по статической характеристике 1 будет происходить только при медленном изменении тока дуги. Такой характер вольт-амперных характеристик объясняется тем, что при быстром изменении тока ионизационное состояние дугового промежутка не успевает за изменением тока. Деионизация промежутка занимает некоторое время, поэтому, не смотря на снизившееся значение тока дуги проводимость дугового промежутка остаётся прежней, соответствующей большему току. Вольт-амперные характеристики дуги, объединённые на рис.2 в группу 2 называются динамическими. Напряжение, при котором дуга гаснет при таких характеристиках, называется напряжением гашения дуги Uг. Для конкретного дугового промежутка, определённого материала электродов и среды горения дуги характерна одна определённая статическая характеристика дуги и множество динамических характеристик, расположенных между кривыми 1 и 3. Если падение напряжения на дуге характеризует проводимость дуги, то напряжения Uг и Uз характеризуют диэлектрические свойства дугового промежутка – это напряжения, которые необходимо приложить к промежутку при определённом его состоянии, чтобы зажечь в нем электрическую дугу. Вдоль стационарной (установившейся) дуги падение напряжения распределяется неравномерно. Падение напряжения на электрической дуге На рис. 3 приведена картина изменения напряжения Uд дуги и продольного градиента напряжения Eд вдоль дуги [1].  Рис. 3. Распределение напряжения и градиента напряжения в стационарной дуге постоянного тока. Градиент напряжения – это падение напряжения на единицу длины дуги. Из рисунка видно, что ход характеристик Uд и Eд в областях возле электродов (контактов коммутационного аппарата) резко отличается от хода характеристик на остальной части дуги. У электродов в прикатодной и прианодной областях на промежутке длиной около 10-4см имеется резкое падение напряжения, называемое катодным Uк и анодным Uа. Величина этих падений напряжений зависит от металла, из которого изготовлены электроды и окружающего их газа. Суммарно прикатодное и прианодное падение напряжений составляет 10-15В, а градиент напряжения составляет 105 – 106 В/см [1]. На остальной части дуги падение напряжения прямо пропорционально длине дуги. Эта часть дуги называется стволом дуги. Вдоль ствола дуги градиент напряжения практически постоянен. Приэлектродное падение напряжения Uэ не зависит от длины дуги, а падение напряжения в стволе дуги прямо пропорционально длине дуги. Отсюда, падение напряжения на дуговом промежутке: Uд=Uэ+Eдlд (1), где: Eд – продольный градиент напряжения на стволе дуги; lд – длина дуги; Uэ=Uк+Ua – суммарное приэлектродное падение напряжения. |