Физические особенности дугового разряда
Явление прохождения электрического тока через газ, может наблюдаться практически при любых значениях тока. На рис 1.4 изображена вольтамперная характеристика последовательных стадий газового разряда в воздухе при атмосферных условиях.
Рис. 1.4 ВАХ последовательных стадий
При несамостоятельном разряде (зона О - В) ток поддерживается за счет внешних ионизаторов (космические лучи, рентгеновские лучи и др.); при самостоятельном разряде (зона В – Е) носители электричества возникают в газоразрядном канале непосредственно за счет ионизирующих факторов, присущих газоразрядному каналу.
Между точками О - А зависимость следует закону степени трех вторых.
В стадии «насыщения» (А - В) все заряды, содержащиеся в промежутке, достигают электродов. Но так как никакой дополнительной ионизации здесь не возникает, то значительное увеличение напряжения не ведет к существенному изменению тока.
За точкой В напряжение становится достаточным для возникновения ударной ионизации (под действием сил электрического поля), начинается самостоятельная форма разряда.
Участок В - С соответствует стадии пробоя. Наиболее характерные признаки стадии пробоя: ударная ионизация, незначительные пространственные заряды, лавино-образный процесс образования электронов (и ионов).
Когда мощность источника становится достаточно большой, способной вызвать в цепи токи порядка мА, стадия пробоя переходит в стадию тлеющего разряда (С – О). Для тлеющего разряда характерна ударная ионизация, но уже в условиях резко неравномерного поля, когда основное падение напряжения приходится на слой у катода. Основной столб разряда в данном случае представляет собой как бы проводник тока, убыль электронов в котором восполняется за счет столкновения наиболее «быстрых» электронов с атомами газа.
Для тлеющего разряда также характерно постоянство произведения давления газа на длину околокатодного слоя. При достаточно большом токе тлеющий разряд переходит в дуговой (переходная стадия О – Е). Дуговой разряд в газовой среде относительно высокой плотности (при атмосферном и более высоком давлении) обладает следующими характерными чертами:
· ясно очерченной границей между дуговым столбом и окружающей средой;
· высокой плотностью тока в дуговом столбе (десятки — сотни А/мм2);
· высокой температурой газа внутри дугового столба, достигающей 5000…10 000
К и более высоких значений. В этих условиях преобладает термическая ионизация газа. При нормальных условиях дуговая стадия разряда и термическая ионизация в воздухе практически прекращаются при температурах около 3000 К;
· высокой плотностью тока на катоде и малым падением напряжения у катода.
На рис 1.5 приведено изображение дугового столба между металлическими контактами и показано распределение напряжения вдоль него.
Рис. 1.5 Распределение напряжения по длине электрической дуги
Как можно видеть, падение напряжения на дуге складывается из трех слагаемых: катодного падения напряжения ; падения напряжения в дуговом столбе и анодного падения напряжения .
Общее напряжение на дуге:
При условии однородности дугового столба последний член – напряжение на дуговом столбе – может быть представлен как произведение напряженности электрического поля на длину канала дуги , т. е.
Катодное падениенапряжения сосредоточено на очень небольшом участке дуги, непосредственно примыкающем к катоду (около 0,001 мм при нормальном атмосферном давлении). Оно составляет величину порядка, 10…20 В, а средняя напряженность электрического поля у катода достигает величины порядка 105 В/см и выше.
Каким бы ни был механизм освобождения электронов с катода, при всех условиях у катода должна совершаться работа, т. е. выделяться энергия,
что и обеспечивается благодаря катодному падению напряжения.
Анодное падение напряжения имеет место в области, непосредственно примыкающей к аноду. Оно не является необходимым условием существования дугового разряда, так как задача анода относительно пассивная — принимать идущий к нему из зоны плазмы дуги электронный поток. Повышение же напряженности электрического поля у анода является следствием образования у анода пространственного отрицательного заряда из-за недостатка ионов у анода. Анод в дуговом разряде не излучает положительные ионы. Ионы же, возникающие в дуговом столбе, хотя и с небольшой скоростью, движутся к катоду. Таким образом, непосредственно у поверхности анода образуется преобладание отрицательных зарядов и создается условие для анодного скачка напряжения (анодного падения напряжения). Значение анодного падения напряжения зависит от температуры анода, рода металла и пр. Пришедшие из столба дуги электроны, нейтрализуясь на аноде, освобождают «работу выхода», затраченную ранее на выход электронов из катода. Часто температура анода бывает даже выше, чем температура катода.
Падение напряжения в дуговом столбе представляет собой произведение напряженности электрического поля на длину столба . Произведение напряженности электрического поля на ток в дуге определяет мощность, подводимую к дуговому столбу из сети на единицу его длины, .
При установившемся состоянии эта мощность равна мощности, рассеиваемой дугой в окружающее пространство, т.е. .
Рассеивание энергии дуговым столбом идет посредством излучения, теплопроводности и конвекции. При различных условиях гашения дуги в отключающих аппаратах может преобладать тот или иной вид теплоотдачи. Это зависит от значения тока, среды, в которой образуется дуга (различные газы или жидкости), давления, состояния среды (неподвижная или движущаяся) и пр.
Значение напряженности электрического поля в дуговом столбе также существенно зависит от условий, в которых горит дуга, и свойств дугогасящей среды. На практике наблюдается колебание напряженности электрического поля в пределах 10…200 В/см.
Меньшая цифра относится к открытым дугам в воздухе при относительно больших токах, а большая – к дугам, находящимся в потоке газов или паров жидкости, когда отбор тепла от дугового столба делается особо интенсивным.
Температура газа в дуговом столбе является главнейшим фактором, обусловливающим высокую степень ионизации газа, и имеет большое практическое значение. Для гашения электрических дуг необходимо стремиться к эффективному охлаждению дугового столба и быстрому отводу от него тепловой энергии. В дугах переменного тока интенсивный отвод тепловой энергии от дугового канала обеспечивает быстрый распад плазмы, интенсивный рост сопротивления межконтактного промежутка и восстановление его электрической прочности вскоре за переходом тока через нуль.
В условиях гашения дуги постоянного тока интенсивный отвод тепловой энергии от дугового столба приводит к росту сопротивления и напряжения на нем и обеспечению условий гашения.
Отвод тепловой энергии от дугового столба идет различными путями. Одна часть энергии рассеивается при помощи излучения, другая часть – за счет теплопроводности газа и третья – за счет конвекции.
При температурах, характерных для электрической дуги отключения (до 10…15 тыс. К), через излучение обычно отводится относительно небольшая доля общей рассеиваемой энергии (для дуги в воздухе – 15…20 %).
В большинстве практических случаев основная часть тепловой энергии отводится от дугового канала посредством конвекции (до 80…85%). Однако надо заметить, что роль конвекции является определяющей лишь в области наружной зоны дугового канала, на его границе с окружающей средой.
Передача тепловой энергии от внутренних областей дугового столба к его периферии в основном должна осуществляться за счет теплопроводности.
Механизм конвекции состоит в том, что газ, окружающий дугу и находящийся обычно в относительном движении к дуговому столбу, нагревается и уносит с собой тепловую энергию. Конвекционный вынос тепла усиливается еще за счет диссоциации газа. Например, известно, что такие газы, как водород, обладают высокой активностью в отношении гашения дуг. Эти газы не случайно обладают высокими дугогасящими свойствами, так как они имеют низкую энергию диссоциации, следовательно, способность активно охлаждать дуговой столб до более низких уровней температуры, чем азот. К тому же водород имеет еще и значительно более высокую теплопроводность. При снижении температуры до 3000…4000 К термическая ионизация таких газов, как азот или воздух, практически полностью прекращается, т. е. исчезает источник образования новых ионов. Но для полной деионизации и восстановления электрической прочности промежутка необходимо обеспечить условия для ликвидации оставшихся ионизированных частичек в дуговом столбе.