Что называют дуговым промежутком и какие области выделяют в нем

Основные электромеханические процессы

1. Коммутация электрической цепи

Коммутация электрической цепи – процесс замыкания или размыкания цепи с током.
Коммутация может происходить под воздействием внешних или внутренних для данного устройства источников напряжения или тока.
При анализе и расчёте процессов коммутации необходимо учитывать общий закон коммутации:

Под глубиной коммутации понимают отношение сопротивления Rотк коммутирующего органа в отключенном состоянии к сопротивлению Rвкл во включенном состоянии

hk=Rотк/Rвкл

Контактные электрические аппараты, у которых сопротивление межконтактного промежутка в отключенном состоянии измеряется мегомами, а сопротивление замкнутых контактов – микроомами, обеспечивают глубину коммутации

Для бесконтактных аппаратов, которые по глубине коммутации уступают контактным аппаратам.

1.1. Отключение электрической цепи контактными аппаратами

Отключение цепи контактным аппаратом характеризуется воз­никновением плазмы, которая проходит разные стадии газового разряда в процессе преобразования межконтактного промежутка из проводника электрического тока в изолятор.

Рис. 1. Вольтамперная характеристика стадий электрического разряда в газах

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 1 см требуется приложить напряжение не менее 30 кВ. Для того чтобы воздушный промежуток стал 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 с обра­зованием свободных электронов и 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.

1.2. Электрическая дуга

Рис. 2. Распределение напряжения и напряжённости электрического поля
в стационарной дуге постоянного тока

В коммутационных электрических аппаратах, предна­значенных для замыкания и размыкания цепи с током, при отключении возникает разряд в газе либо в виде тлеющего разряда, либо в виде дуги. Тлеющий разряд возникает тогда, когда отключаемый ток ниже 0,1 А, а напряжение на контактах достигает величины 250 – 300 В. Такой разряд встречается либо на контактах маломощных реле, либо как переходная фаза к разряду в виде электрической дуги.

Основные свойства дугового разряда:

В дуговом разряде можно различить три характер­ные области: околокатодную, область столба дуги (ствол дуги) и околоанодную (рис. 2.).
В каждой из этих областей процессы ионизации и деионизации протекают по-разному в зависимо­сти от условий, которые там существуют. Поскольку ре­зультирующий ток, проходящий через эти три области, одинаков, в каждой из них происходят процессы, обес­печивающие возникновение необходимого количества зарядов.

Термоэлектронная эмиссия.

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 нагревается до температуры плавления 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.

Ионизация толчком.

Ионизация толчком. Если свободный электрон будет обладать достаточной скоростью, то при столкновении с нейтральной частицей (атом, а иногда и молекула) он может выбить из неё 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 указывается 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 – 16 В (азот, кислород, водород) и до 24,5 В (гелий), для паров металла он примерно в два раза ниже (7,7 В для паров меди).

Термическая ионизация.

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 столба дуги с среднем равна 6000 – 10000 К, но может достигать и более высоких значений – до 18000 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 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.
Деионизация происходит главным образом за счет рекомбинации и диф­фузии.

Рекомбинация.

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.

Диффузия.

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 столбе 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 столба дуги и окружающего пространства. В стабилизированной и свободно горящей дуге диффузия играет ничтожно малую роль.

Падение напряжения на стационарной дуге распределяется неравномерно вдоль дуги. Картина изменения падения напряжения UД и напряжённости электрического поля (продольного градиента напряжения) ЕД = dU/dx вдоль дуги приведена на рисунке (см. рис 2.2). Под градиентом напряжения ЕД понимается падение напряжения на единицу длины дуги. Как видно из рисунка, ход харак­теристик UД и ЕД в приэлектродных областях резко отличается от хода характе­ристик на остальной части дуги. У электродов, в прикатодной и прианодной об­ластях, на промежутке дли­ны порядка 10– 4 см имеет место резкое падение напря­жения, называемое катод­ным Uк и анодным Uа. Значение этого падения на­пряжения зависит от мате­риала электродов и окружающего газа. Суммарное зна­чение прианодного и прикатодного падений напряжений составляет 15 – 30 В, градиент напряжения достигает 105 – 106 В/см.

В остальной части дуги, называемой столбом дуги, падение напряжения UД практически прямо пропорционально длине дуги. Градиент здесь приблизительно постоянен вдоль ствола. Он зависит от многих факторов и может изменяться в широких пределах, достигая 100 – 200 В/см.
Околоэлектродное падение напряжения UЭ не зависит от длины дуги, падение напряжения в столбе дуги пропорционально длине дуги. Таким образом, падение напряжения на дуговом промежутке
UД = UЭ + ЕД lД,
где: ЕД – напряжённость электрического поля в столбе дуги;
lД – длина дуги; UЭ = Uк + Uа.
В заключение следует ещё раз отметить, что в стадии дугового разряда преобладает термическая ионизация – разбиение атомов на электроны и положительные ионы за счёт энергии теплового поля. При тлеющем – возникает ударная ионизация у катода за счет соударения с электронами, разгоняемыми электри­ческим полем, а при таунсендовском разряде ударная ионизация пре­обладает на всём промежутке газового разряда.

1.3. Статическая вольтамперная характеристика электрической дуги постоянного тока

Важнейшей характеристикой дуги является зависимость напряжения на ней от величины тока. Эта характерис­тика называется вольтамперной. С ростом тока iуве­личивается температура дуги, усиливается термическая ионизация, возрастает число ионизированных частиц в разряде и падает электрическое сопротивление дуги rд.

Рис. 3. Статические вольтамперные характеристики дуги

Напряжение на дуге равно irд.При увеличении тока сопротивление дуги уменьшается так резко, что напря­жение на дуге падает, несмотря на то, что ток в це­пи возрастает. Каждому значению тока в установившем­ся режиме соответствует свой динамический баланс числа заряженных частиц.
При переходе от одного значения тока к другому тепловое состояние дуги не изменяется мгновенно. Дуго­вой промежуток обладает тепловой инерцией. Если ток изменяется во времени медленно, то тепловая инерция разряда не сказывается. Каждому значению тока со­ответствует однозначное значение сопротивления дуги или напряжения на ней.

Зависимость напряжения на дуге от тока при мед­ленном его изменении называется статической вольтамперной характеристикой дуги.
Статическая характеристика дуги зависит от рас­стояния между электродами (длины дуги), материала электродов и параметров среды, в которой горит дуга.
Статические вольтамперные характеристи­ки дуги имеют вид кривых, изображенных на рис. 3.

Чем больше длина дуги, тем выше лежит ее статическая вольтамперная характеристика. С ростом давления среды, в которой горит дуга, также увеличивается на­пряженность ЕДи поднимается вольтамперная характе­ристика аналогично рис. 3.
Охлаждение дуги существенно влияет на эту ха­рактеристику. Чем интенсивнее охлаждение дуги, тем больше от нее отводится мощность. При этом должна возрасти мощность, выделяемая дугой. При заданном токе это возможно за счет увеличения напряжения на дуге. Таким образом, с ростом охлаждения вольтампер­ная характеристика располагается выше. Этим широко поль­зуются в дугогасительных устройствах аппаратов.

Источник

Процессы в дуговом промежутке.

Размыкание электрической цепи при значительных токах сопровождается электрическим разрядом между расходящимися контактами. Воздушный промежуток ионизируется и становится проводником, в нем возникают дуга. Дуга гасится различными способами, и ток в цепи падает от номинального значения I_ном до нуля.

Дуговые процессы в ЭА:

1. Термоэлектронная эмиссия – явление испускания электронов с накаленной поверхности. При расхождении контактов резко возрастает переходное сопротивление контакта и плотность тока в последней площадке контактирования. Площадка разогревается и происходит испарение металла контактов. Плотность тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры и материала контактов. Термоэлектронная эмиссия невелика и может быть достаточна для возникновения дуги, но недостаточна для ее горения.

2. Автоэлектронная эмиссия – это явление испускания электронов из катода под воздействием сильного электрического поля. На контактах подобно конденсатору происходит увеличение напряженности электрического поля, под действием которого происходит вырывание электронов из катода. Ток автоэлектронной эмиссии также весьма мал и может служить только началом дугового разряда.

Процессы 1 и 2 происходят у электродов и способствуют только возникновению дуги.

Ионизация – процесс отделения от нейтральной частицы одного или нескольких электронов и образование свободных электронов и положительно заряженных ионов

3. Ионизация толчком. Если свободный электрон будет обладать достаточной скоростью, то при столкновении с нейтральной частицей (атомом или молекулой) он может выбить из нее электрон. В результате получается новый свободный электрон и положительный ион. Вновь полученный электрон может ионизировать следующую частицу. Такая ионизация называется ионизацией толчком. Для приобретения скорости необходима разность потенциалов (потенциальное ионизирование), которое составляет для газов 13-16 В (азот, кислород, водород).

4. Термическая ионизация – процесс ионизации под воздействием высоких температур. Термическая ионизация – основной источник поддержания дуги. Температура ствола дуги достигает 4000 ºС.

Процессы 3 и 4 происходят в дуговом промежутке, являются основными процессами для подержания дуги.

5. Рекомбинация – процесс, при котором различно заряженные частицы, приходя во взаимное соприкосновение образуют нейтральные частицы.

6. Диффузия – процесс выноса заряженных частиц из дугового промежутка в окружающее пространство, что уменьшает проводимость дуги.

За счет рекомбинации и диффузии происходит деионизация промежутка. Различные газы обладают разными дугогасящими свойствами.

Источник

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