Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
51
Тема 5
Основы теории горения и гашения электрической дуги
Коммутация контактных силовых аппаратов может сопровождаться возникновением электрической дуги.
Промежуток при этом между контактами становится проводящим и прохождение тока в цепи не прекращается несмотря на разрыв контактов.
Электрический разряд приводит к износу контактов аппарата и может быть либо тлеющим разрядом, либо электрической дугой (дуговым разрядом).
Тлеющий разряд возникает при токах менее 0,1 А при напряжении на контактах 250-300 В. Такой разряд происходит на контактах маломощных реле. В более мощных аппаратах тлеющий разряд является переходной фазой к дуговому разряду.
Дуговой разряд может начинаться при следующих вполне определенных условиях:
- напряжения между контактами должно быть не менее 10-20 В. Это наименьшее около электродное напряжение, вызывающее появление электрической дуги называется катодным падением напряжения и зависит от материала контакта (U0).
- Ток цепи должен быть не менее 80-100 мА.
Таким образом, электрическая дуга характеризуется потоком заряженных частиц (электронов), излучаемых с поверхности того из контактов, который является катодом, и устремляющихся по направлению ко второму контакту, являющемуся анодом.
Процесс появления в дуговых промежутках электрических зарядов, положительных ионов и отрицательных электронов называется ионизацией.
Известны четыре основных пути появления электрических зарядов:
- ударная ионизация – возникает при весьма значительных напряжениях;
- термическая ионизация – процесс появления зарядов при температурах выше 50000С;
- термоэлектронная ионизация – процесс испускания электронов катодом до температуры, при которой начинается термоионное излучение. Катод при этом разогревается.
- автоэлектронная эмиссия – процесс вырывания электронов с поверхности катода силами электрического поля.
Обратный процесс ионизации, т.е. процесс уменьшения количества заряженных частиц в дуговом промежутке называется деонизацией.
Деонизация дуги происходит двумя путями:
- путем воссоединения (рекомбинации) положительных ионов с электронами;
- путем перемещения (диффузии) заряженных частиц из области горения дуги в окружающее пространство.
Рекомбинация зарядов происходит в основном при непосредственном столкновении электронов с положительными ионами. Процесс рекомбинации значительно усиливается, если в области горения дуги находится твердый диэлектрик.
Диффузия происходит вследствие неравномерности распределения зарядов по сечению дуги, а также за счет разности температур дуги и окружающей среды. С повышением разности температур диффузия зарядов увеличивается.
Процессы ионизации и деионизации в электрической дуге протекают параллельно друг другу.
К числу мер, облегчающих гашения дуги относится диссоциация (разложение) нейтральных молекул газа на нейтральные атомы. Диссоциация молекул газов происходит под действием высокой температуры дуги и сопровождается поглощением тепловой энергии. Температура дуги понижается и процесс образования зараженных частиц затрудняется.
Температура, при которой наблюдается диссоциация газов, ниже температуры ионизации.
В конечном счете диссоциация газов ускоряет перенос тепловой энергии от дугового ствола в окружающее пространство.
В качестве дугогасящего газа могут применяться воздух, водород, азот, кислород, углекислый газ и водяной пар.
Лучшими дугогасящими свойствами обладает водород.
В дуговом разряде можно выделить три характерных области:
- околокатодную область;
- область столба дуги;
- околоанодную область.
В каждой из этих областей процессы ионизации идеионизации протекают по разному.
Околокатодную область. Занимает весьма небольшое пространство длиной не более 10-6м. Около катода возникает положительный объемный заряд, создаваемый положительными ионами. Между катодом и положительным объемным зарядом создается электрическое поле с напряжением до 107 В / м, в котором движутся электроны, вышедшие из катода и создающие электрический ток.
Электрическое поле воздействует на электроны, увеличивая их скорость.
При соударении такого электрона и нейтральной частицей может произойти ионизация, для чего электрон должен обладать определенной энергией.
Напряжение (разгоняющее), которое должен пройти электрон для приобретения энергии, необходимой для приобретения энергии, необходимой для ионизации, называется потенциалом ионизации. Для газов он колеблется от 24,5 В для (гелия), до 13,3 В (для водорода).
Положительные ионы, также как и электроны, разгоняются электрическим полем, но из-за большой массы скорость их во многом меньше.
При ударе положительного иона о нейтральную частицу меньшая часть энергии передается на ионизацию, так что ионизация толчком (ударная) происходит в основном за счет электронов.
В виду малой протяженности околокатодной области электроны не набирают скорости, достаточной для ионизации ударом. Чаще всего после удара атом переходит в возбужденное состояние (электроны атома переходят на более удаленную от ядра орбиту).
Для ионизации возбужденного атома требуется меньшая энергия. В результате необходимый потенциал ионизации уменьшается. Такая ионизация называется ступенчатой. При ней необходим многократный удар электронов по атому: на каждый образующий положительный ион требуется десятки электронов. Поэтому ток около катода, несмотря на наличие положительных ионов, носит электронный характер.
Образующие электроны не создают около катода отрицательного объемного заряда, так как их скорость значительно больше тяжелых положительных ионов, которые разгоняются в поле катодного падения напряжения и бомбардируют катод.
Благодаря этому температура катода поднимается и достигает точки испарения материала электрода. При высоких температурах появляется термоэлектронная эмиссия, которая в сильной степени зависит от температуры электрода.
Исследования показывают, что дуга может существовать только за счет автоэлектронной эмиссии, создаваемой у катода электрическим полем.
Область дугового столба
Энергия, приобретенная заряженными частицами в электрическом поле дугового столба, столь мала, что практически ионизация толчком не происходит.
При больших температурах, которые имеют место в области дугового столба, скорость частиц возрастает до значений, при которых удар в нейтральный атом приводит к его ионизации (термической). Таким образом, основным источником ионов и электронов в столбе дуги является термическая ионизация. Чем меньше масса частиц, тем больше ее скорость движения.
Следует отметить в виду, что с ростом давления степень ионизации уменьшается. В связи с этим во многих дугогасительных устройствах создается повышенное давление газов, что способствует гашению дуги.
Очень сильное влияние на ионизацию оказывает температура, поэтому во всех дугогасительных устройствах стремятся отводить тепло от дуги за счет либо охлаждения движущемся воздухом или газом (воздушные, масляные выключатели), либо отдачи тепла стенкам дугогасительных камер.
В дуговом столбе наряду с ионизацией протекают процессы деионизации за счет рекомбинации и диффузии.
Анализ показывает, что скорость убывания числа заряженных частиц резко возрастает с уменьшением радиуса столба дуги. Поэтому в дугогасительных устройствах широко используют принцип узкой щели, образованной дугостойкими стенками с высокой теплопроводностью.
При этом столб дуги деформируется стенками дугогасительного устройства, а его сечение приобретает прямоугольную форму.
Охлаждение дуги происходит за счет излучения, теплопроводности и конвекции.
Для открытой дуги, горящей в воздухе, излучением отводится 15-30% выделяемой в дуге энергии. Для дуги, горящей в закрытом дугогасительном устройстве, доля тепла, отводимая лучеиспусканием, меньше.
Отвод тепла за счет теплопроводности газа в значительной степени зависит от его температуры. Теплопроводность газа сильно зависит от его природы.
Так средняя теплопроводность водорода в 17 раз больше, чем воздуха, что способствует эффективному гашению дуги.
В некоторых аппаратах под действием магнитного поля дуга перемещается с большой скоростью относительно воздуха, что приводит к ее охлаждению за счет конвекции. Этот вид теплоотдачи наряду с теплопроводностью является определяющим для процесса гашения.
Околоанодная область
Поток электронов из столба дуги устремляется к положительному электроду – аноду, который, в свою очередь, при дуговом разряде не излучает положительных ионов, которые могли бы нейтрализовать электроны. Поэтому вблизи анода создается отрицательный объемный заряд, что вызывает появление околоанодного падения напряжения и повышение напряженности электрического поля.
Околоанодное падение напряжения зависит от температуры анода, его материала и значения тока.
Электроны разгоняются в поле, образованном отрицательным объемным зарядом и анодом. Энергия, приобретенная электронами, отдается аноду, под действием которой анод нагревается до очень высокой температуры, которая, как правило, выше температуры катода. Мощный поток электронов выбивает из анода электроны, которые также участвуют в создании отрицательного объемного заряда.
Высокая температура анода и околоанодной области не оказывают существенного влияния на возникновение и условия существования дугового разряда.
Роль анода сводится к приему электрического потока из дугового столба.
Падение у катода составляет 10-20 В и зависит от материала катода и свойств газа, в котором горит дуга.
В области дугового столба положительные и отрицательные объемные заряды уравновешивают друг друга и результирующий заряд равен нулю.
Околоанодное падение напряжения составляет 5-10 В. При больших токах оно уменьшается, в то время как околокатодное напряжение остается постоянным.
Различают короткие (1,5-2 мм) и длинные (более 2 мм) дуги. Первые характерны при напряжениях меньше 1000 В, вторые – в высоковольтных аппаратах.
Условия гашения короткой дуги в значительной степени определяются процессами, происходящими у электродов, и условиями их охлаждения.
В аппаратах высокого напряжения падение напряжения в столбе дуги значительно больше околокатодных и последними можно пренебречь. Условия существования длинных дуг определяется процессами в столбе дуги.
Характерные виды влияния на условия гашения дуги:
Электрические дуги
Принципиальной разницы между дугой постоянного и переменного тока нет. Однако род тока накладывает свои особенности в отношении гашения дуги.
Когда переменный ток проходит через нуль, энергия дуги становится равной нулю, происходит деионизация дугового промежутка и если извне усилить этот процесс деионизации, что и делают дугогасительные устройства, то дуга переменного тока после прохождения через нуль вновь не загорается. Задача гашения дуги переменного тока облегчается. Здесь необходимо создать условия, при которых ток не восстанавливался бы после прохождения через нуль.
При переменном токе температура дуги является величиной переменной. Однако тепловая инерция газа оказывается довольно значительной, и в момент перехода тока через нуль температура дуги не падает до нуля и остается достаточно высокой.
В действительности при переходе переменного тока через нуль он меняется по закону отличном от синусоидального.
Немного раньше момента времени естественного перехода через нуль ток в дуге падает почти до нуля, а затем после перехода через нуль скачком снова достигает соответствующего значения.
|
Таким образом, при переходе переменного тока через нуль имеет место бестоковая пауза, во время которой происходит интен-сивная деионизация дуго-вого промежутка. При малых индуктив-ностях L нагрузки эта пауза |
большая, при больших L – пауза уменьшается или становится очень малой (0,1 мкс).
Условия гашения дуги переменного тока может быть сформулировано следующим образом: если нарастание сопротивления промежутка, выраженное его пробивным напряжением, будет опережать нарастание напряжения на промежутке, то дуга гаснет при переходе тока через нуль. Если медленнее, то в момент их сравнения произойдет повторное зажигание дуги.
Решающее значение для гашения дуги переменного тока при U < 1000В имеют явления, происходящие у катода при переходе тока через нуль. В момент этого перехода в околокатодной области дуги изоляция промежутка мгновенно восстанавливается до величины пробивного напряжения 150-250В (второе значение при меньших токах и холодном катоде, первая – при больших токах и горячем катоде).
Таким образом, изоляция всего дугового промежутка сразу приобретает указанную величину, а затем постепенно нарастает со скоростью, зависящей от способа воздействия на промежуток.
Такой ход процесса объясняется наличием положительного объемного заряда у катода. В соответствии с полярностью данной полуволны тока к аноду устремляются электроны, а к катоду – положительные ионы.
При переходе через нуль полярность электродов меняется. Электроны, находящиеся у анода, как более подвижные, мгновенно уходят в анод. Объемного отрицательного заряда у анода не будет. По сравнению с электронами положительные ионы можно считать неподвижными. Вследствие этого у катоды образуется положительный объемный заряд. Пространство у катода остается свободным от электронов.
Для возбуждения протекания тока по дуговому промежутку необходимо, чтобы у катода появились электроны.
Для этого в зависимости от состояния промежутка и электродов требуется напряжение порядка 150-250 В.
На рассмотренном выше принципе явления у катода при переходе тока через нуль построена большая часть дугогасительных устройств в аппаратах переменного тока.
Восстановление напряжения на дуговом промежутке может происходить апериодически или через колебательный процесс.
Частота и амплитуда колебаний переходного процесса определяется индуктивностью, емкостью и сопротивлением источника питания и цепи. Частота колебаний лежит в пределах 10-1000 Гц.
Дуга постоянного тока гасится труднее, всякий раз, если ее растянуть до критической длины.
Понятие критической длины дуги – понятие электрическое. Оно характеризуется тем, что при критической длине дуги количество энергии, поступающей из сети становится меньше того количества энергии, которое дуга отдает в окружающую среду, и дуга гаснет.
Важнейшей характеристикой дуги является вольт-амперная характеристика (ВАХ), представляющая зависимость напряжения на дуге Uд от тока дуги .
С ростом тока увеличивается температура дуги, усиливается термическая ионизация, возрастает число ионизированных частиц в разряде и падает электрическое сопротивление дуги – rдуги.
Падение напряжения на дуге равно – Iдrдуги.
При увеличении тока rдуги уменьшается так резко, что напряжение на ней падает, несмотря на рост тока.
При переходе от одного значения тока к другому тепловое состояние дуги не изменяется мгновенно. Электрическая дуга обладает тепловой инерцией.
Если ток в дуге изменяется во времени медленно, то тепловая инерция разряда не сказывается. Снятая при медленном изменении тока дуги ВАХ называется статической. Она зависит от расстояния между электродами (длины дуги), материала электродов, параметров среды и условий охлаждения.
Напряжение на дуге можно рассматривать как сумму около электродных падений напряжения Uэ и падения напряжения в столбе дуги
,
где Еn – напряженность электрического поля в столбе дуги; l – длина столба дуги.
Величина Еn зависит от тока и условий горения дуги.
Чем больше длина дуги, тем выше лежит ее статические ВАХ. С ростом давления среды, в которой горит дуга величина Еn также увеличивается и ВАХ также поднимается вверх.
Охлаждение дуги существенно влияет на ВАХ. Чем интенсивнее охлаждается дуга, тем большая мощность от нее отводится. При этом должна возрасти мощность, выделяемая дугой. Поскольку при заданном токе это возможно за счет увеличения напряжения дуги, то ВАХ поднимается вверх, что широко используется в дугогасительных устройствах.
Вывод: ВАХ может быть поднят вверх в результате:
- увеличения длины дуги;
- повышение давления среды, в которой горит дуга;
- интенсивного охлаждения дуги.
Условия стабильного горения и гашения дуги
|
Рассмотрим баланс напряжений в цепи при дуге неизменной длины . В стационарном режиме ток в цепи не меняется и . |
|
|
В точках 1 и 2 возможен стационарный режим. Точка 2 является точкой устойчивого равновесия горения дуги. Точка 1 является точкой неустойчивого равновесия. При выходе из нее ток становится или равным i2 или нулю и дуга гаснет. В электрических аппаратах принимаются все меры к тому, чтобы дуга гасла в минимально короткое вре- |
мя, для этого необходимо условие .
Для выполнения этого условия необходимо, чтобы
- условие гашения.
Это возможно за счет либо подъема ВАХ, либо увеличения сопротивления цепи.
Если длина дуги и напряжения источника неизменны, то при увеличении сопротивления ток в цепи будет уменьшаться.
Токи и сопротивление, при которых наступают условия для гашения дуги называются критическими.
С ростом отключаемого тока и напряжения источника условия отключения дуги утяжеляются.
|
R3 > R2 > R1 |
Анализ рисунка показывает, чтобы снять ВАХ за счет изменения сопротивления R можно только при токе i Iкр. Чтобы снять эту ВАХ при меньших токах, необходимо увеличивать напряжение источника питания.
Длительность горения дуги , где .
Чем больше U, тем меньше длительность горения дуги, но больше напряжение на контактах в момент гашения.
В реальных условиях ток меняется довольно быстро. Вследствие тепловой инерции дугового столба изменение сопротивления дуги отстает от изменения тока.
ВАХ при быстром изменении тока называется динамической. При возрастании тока динамическая ВАХ идет выше статической (кривая В), так как при быстром изменении тока сопротивление дуги падает медленнее, чем растет ток.
При уменьшении тока – лежит ниже статической, поскольку в этом режиме сопротивление дуги меньше, чем при медленном изменении тока (кривая С).
|
Динамические ВАХ в значительной степени зависит от скорости изменения тока в дуге. При введении в цепь сопротивления бесконечно большое за бесконечно малое время, по сравнению с постоянной времени дуги, то во время спада тока до нуля сопротивление дуги остается неизменным. |
В этом случае динамическая ВАХ изображается прямой, проходящий через начала координат (кривая Д), т.е. дуга ведет себя как металлический проводник на напряжение на дуге пропорционально току.
В реальных условиях в аппаратах при размыкании контактов расстояние между ними меняется, и длина дуги имеет переменное значение.
Длина дуги, при которой статическая ВАХ касается прямой U-iR называется критической. При дальнейшем увеличении длины дуги наступают условия ее гашения.
|
Дуга постоянного тока при активной нагрузке гасится легче, чем при индуктивной. При этом возникают большие перенапряжения. Чем больше L и скорость спадения тока в момент гашения (), тем больше перенапряжение. |
|
Рис. Дуговой разряд между контактами аппарата |
Рис. Вольт-амперная характеристика электрической дуги постоянного тока |
|
|
Рис. Вольт-ампер-ная характеристика электрической дуги переменного тока |
Рис. Диаграмма изменения тока и напря-жения дуги во времени при переменном токе |
Рис. Схематическое устройство дугогаситель-ной системы с роговыми разрядниками |
|
Рис. Принцип дейст-вия электромагнитного дугогасительного устройства |
Рис. Гашение дуги при помощи поперечного воздушного дутья |
Рис. Гашение дуги в предохранителях высокого напряжения |
|
Рис. 9.37. Гашение дуги в масле |
Рис. 9.38. Гашение дуги при помощи продольного воздушного дутья |
|
|
Рис. Принцип действия устройства с деионным гашением дуги |
Рис. Схема дугогасительного устройства при помощи магнитного дутья и деионной решетки |
|
Дугогасящая среда |
Свойства к дугогашению |
|
Воздух |
1 |
|
Азот |
1 |
|
Кислород |
1,8 |
|
Углекислый газ |
2,6 |
|
Водяной пар |
3,8 |
|
Водород |
7,5 |