Электрическая сварочная дуга – это длительный электрический разряд в плазме, которая представляет собой смесь ионизированных газов и паров компонентов защитной атмосферы, присадочного и основного металла.
Дуга получила свое название от характерной формы, которую она принимает при горении между двумя горизонтально расположенными электродами; нагретые газы стремятся подняться вверх и этот электрический разряд изгибается, принимая форму арки или дуги.
С практической точки зрения дугу можно рассматривать как газовый проводник, который преобразует электрическую энергию в тепловую. Она обеспечивает высокую интенсивность нагрева и легко управляема посредством электрических параметров.
Общей характеристикой газов является то, что они в нормальных условиях не являются проводниками электрического тока. Однако, при благоприятных условиях (высокая температура и наличие внешнего электрического поля высокой напряженности) газы могут ионизироваться, т.е. их атомы или молекулы могут освобождать или, для электроотрицательных элементов наоборот, захватывать электроны, превращаясь соответственно в положительные или отрицательные ионы. Благодаря этим изменениям газы переходят в четвертое состояние вещества называемого плазмой, которая является электропроводной.
Возбуждение сварочной дуги происходит в несколько этапов. Например, при сварке МИГ/МАГ, при соприкосновении конца электрода и свариваемой детали возникает контакт между микро выступами их поверхностей. Высокая плотность тока способствует быстрому расплавлению этих выступов и образованию прослойки жидкого металла, которая постоянно увеличивается в сторону электрода, и в конце концов разрывается.
В момент разрыва перемычки происходит быстрое испарение металла, и разрядный промежуток заполняется ионами и электронами возникающими при этом. Благодаря тому, что к электроду и изделию приложено напряжение электроны и ионы начинают двигаться: электроны и отрицательно заряженные ионы - к аноду, а положительно заряженные ионы – к катоду, и таким образом возбуждается сварочная дуга. После возбуждения дуги концентрация свободных электронов и положительных ионов в дуговом промежутке продолжает увеличиваться, так как электроны на своем пути сталкиваются с атомами и молекулами и "выбивают" из них еще больше электронов (при этом атомы, потерявшие один и более электронов, становятся положительно заряженными ионами). Происходит интенсивная ионизация газа дугового промежутка и дуга приобретает характер устойчивого дугового разряда.
Через несколько долей секунды после возбуждения дуги на основном металле начинает формироваться сварочная ванна, а на торце электрода – капля металла. И спустя еще примерно 50 – 100 миллисекунд устанавливается устойчивый перенос металла с торца электродной проволоки в сварочную ванну. Он может осуществляться либо каплями, свободно перелетающими дуговой промежуток, либо каплями, которые сначала образуют короткое замыкание, а затем перетекают в сварочную ванну.
Электрические свойства дуги определяются процессами, протекающими в ее трех характерных зонах – столбе, а также в приэлектродных областях дуги (катодной и анодной), которые находятся между столбом дуги с одной стороны и электродом и изделием с другой.
Для поддержания плазмы дуги при сварке плавящимся электродом достаточно обеспечить ток от 10 до 1000 ампер и приложить между электродом и изделием электрическое напряжение порядка 15 – 40 вольт. При этом падение напряжения на собственно столбе дуги не превысит нескольких вольт. Остальное напряжение падает на катодной и анодной областях дуги. Длина столба дуги в среднем достигает 10 мм, что соответствует примерно 99% длины дуги. Таким образом, напряженность электрического поля в столбе дуги лежит в пределах от0,1 до 1,0 В/мм. Катодная и анодная области, напротив, характеризуются очень короткой протяженностью (около 0.0001 мм для катодной области, что соответствует длине свободного пробега иона, и 0.001 мм для анодной, что соответствует длине свободного пробега электрона). Соответственно, эти области имеют очень высокую напряженность электрического поля (до 104 В/мм для катодной области и до 103 В/мм для анодной).
Экспериментально установлено, что для случая сварки плавящимся электродом падение напряжения в катодной области превышает падение напряжения в анодной области: 12 – 20 В и 2 – 8 В соответственно. Учитывая то, что выделение тепла на объектах электрической цепи зависит от тока и напряжения, то становится понятным, что при сварке плавящимся электродом больше тепла выделяется, в той области, на которой падает больше напряжения, т.е. в катодной. Поэтому при сварке плавящимся электродом используется, в основном, обратная полярность подключения тока сварки, когда катодом служит изделие для обеспечения глубокого проплавления основного металла (при этом положительный полюс источника питания подключают к электроду). Прямую полярность используют иногда при выполнении наплавок (когда проплавление основного металла, напротив, желательно чтобы было минимальным).
В условиях сварки ТИГ (сварка неплавящимся электродом) катодное падение напряжения, напротив, значительно ниже анодного падения напряжения и, соответственно, в этих условиях больше тепла выделяется уже на аноде. Поэтому при сварке неплавящимся электродом для обеспечения глубокого проплавления основного металла изделие подключают к положительной клемме источника питания (и оно становится анодом), а электрод подключают к отрицательной клемме (таким образом, обеспечивая еще и защиту электрода от перегрева).
При этом, независимо от типа электрода (плавящийся или неплавящийся) тепло выделяется, в основном, в активных областях дуги (катодной и анодной), а не в столбе дуги. Это свойство дуги используется для того, чтобы плавить только те участки основного металла, на которые направляется дуга.
Те части электродов, через которые проходит ток дуги, называют активными пятнами (на положительном электроде – анодным, а на отрицательном – катодным пятном). Катодное пятно является источником свободных электронов, которые способствуют ионизации дугового промежутка. В то же время к катоду устремляются потоки положительных ионов, которые его бомбардируют и передают ему свою кинетическую энергию. Температура на поверхности катода в области активного пятна при сварке плавящимся электродом достигает 2500 … 3000 °С.
К анодному пятну устремляются потоки электронов и отрицательно заряженных ионов, которые передают ему свою кинетическую энергию. Температура на поверхности анода в области активного пятна при сварке плавящимся электродом достигает 2500 … 4000°С. Температура столба дуги при сварке плавящимся электродом составляет от 7 000 до 18 000°С (для сравнения: температура плавления стали равна примерно 1500°С).
При выполнении сварки на постоянном токе часто наблюдается такое явление как магнитное. Оно характеризуется следующими признаками:
Столб сварочной дуги резко откланяется от нормального положения;
- дуга горит неустойчиво, часто обрывается;
- изменяется звук горения дуги - появляются хлопки.
Магнитное дутье нарушает формирование шва и может способствовать появлению в шве таких дефектов как непровары и несплавления. Причиной возникновения магнитного дутья является взаимодействие магнитного поля сварочной дуги с другими расположенными близко магнитными полями или ферромагнитными массами.
Столб сварочной дуги можно рассматривать как часть сварочной цепи в виде гибкого проводника, вокруг которого существует магнитное поле.
В результате взаимодействия магнитного поля дуги и магнитного поля, возникающего в свариваемой детали при прохождении тока, сварочная дуга отклоняется в сторону противоположную месту подключению токопровода.
Влияние ферромагнитных масс на отклонение дуги обусловлено тем, что вследствие большой разницы в сопротивлении прохождению магнитных силовых линий поля дуги через воздух и через ферромагнитные материалы (железо и его сплавы) магнитное поле оказывается более сгущенным со стороны противоположной расположению массы, поэтому столб дуги смещается в сторону ферромагнитного тела.
Магнитное поле сварочной дуги увеличивается с увеличением сварочного тока. Поэтому действие магнитного дутья чаще проявляется при сварке на повышенных режимах.
Уменьшить влияние магнитного дутья на сварочный процесс можно:
Выполнением сварки короткой дугой;
- наклоном электрода таким образом, чтобы его торец был направлен в сторону действия магнитного дутья;
- подведением токоподвода ближе к дуге.
Уменьшить эффект магнитного дутья можно также заменой постоянного сварочного тока на переменный, при котором магнитное дутье проявляется значительно меньше. Однако необходимо помнить, что дуга переменного тока менее стабильна, так как из-за смены полярности она погасает и зажигается вновь 100 раз в секунду. Для того, чтобы дуга переменного тока горела стабильно необходимо использовать стабилизаторы дуги (легкоионизируемые элементы), которые вводят, например, в покрытие электродов или во флюс.
При размыкании контактов выключателя ток не прерывается. Согласно закону Ленца в цепи возникает ЭДС Е L =-Ldi/dt, препятствующая изменению тока. Последний находит для себя путь через газовый промежуток между расходящимися контактами выключателя, который перекрывается электрической дугой. Чтобы прервать ток, дуга должна быть погашена. В цепях переменного тока благоприятные условия для гашения дуги возникают каждый раз, когда ток приходит к нулю, т.е. 2 раза в течение каждого периода. Диаметр дугового столба, температура и ионизация газа резко уменьшаются. В некоторый момент времени ток приходит к нулю и дуговой разряд прекращается. Однако цепь еще не прервана.
После нуля тока в газовом промежутке, еще в некоторой мере ионизованном, продолжается процесс деионизации, т.е. процесс превращения его из проводника в диэлектрик, а в электрической цепи начинается процесс восстановления напряжения на контактах выключателя от относительно небольшого напряжения на дуге до напряжения сети. Эти процессы взаимосвязаны. Исход взаимодействия дугового промежутка с электрической цепью зависит от соотношения между энергией, подводимой к промежутку, и потерями энергии в нем, зависящими от дугогасительного устройства выключателя.
Если в течение всего переходного процесса потери энергии преобладают, дуга не возникнет вновь и цепь будет прервана. В противном случае дуга возникнет вновь и ток будет проходить еще в течение половины периода, после чего процесс взаимодействия повторится. Функция выключателя заключается не столько в том, чтобы «погасить» дугу, а скорее в том, чтобы исключить возможность ее нового зажигания путем эффективной деионизации промежутка различными искусственными средствами. При этом используется исключительное свойство газа - быстро, в течение нескольких микросекунд, превращаться из проводника в диэлектрик, способный противостоять восстанавливающемуся напряжению сети.
Для понимания устройства и работы выключателей необходимо ознакомиться с физическими процессами в дуговом промежутке в процессе отключения. В этой статье рассмотрены методы гашения дуги в воздушных и масляных выключателях.
Электрической дугой, точнее дуговым разрядом, называют самостоятельный разряд в газе, т.е. разряд, протекающий без внешнего ионизатора, характеризующийся большой плотностью тока и относительно небольшим падением напряжения у катода. Ниже рассмотрена дуга высокого давления, т.е. дуговой разряд при атмосферном и более высоком давлении.
Различают следующие области дугового разряда:
Область катодного падения напряжения представляет собой тончайший слой газа у поверхности катода. Падение напряжения в этом слое составляет 20-50 В, а напряженность электрического поля достигает 10 5 10 6 В/см. Энергия, подводимая из сети к этой области, используется на выделение электронов с поверхности катода.
Механизм освобождения электронов может быть двояким:
Плотность тока на катоде достигает 3000-10000 А/см 5 . Ток сосредоточен на небольшой ярко освещенной площадке, получившей название катодного пятна. Освобождающиеся электроны движутся через дуговой столб к аноду.
У анода положительные ионы приобретают ускорение в направлении к катоду. Электроны уходят в анод и образуют в тонком слое отрицательный заряд. Падение напряжения у анода составляет 10-20 В.
Процессы в дуговом столбе представляют наибольший интерес при изучении выключателей, поскольку для гашения дуги используют различные виды воздействия именно на дуговой столб. Последний представляет собой плазму, т.е. ионизованный газ с очень высокой температурой и одинаковым содержанием электронов и положительных ионов в единице объема.
Высокую температуру в дуговом столбе создают и поддерживают электроны и ионы, участвующие в тепловом хаотическом движении нейтральных молекул и атомов, но имеющие также направленное движение в электрическом поле вдоль оси дуги, определяемое знаком заряда частиц. Этому движению препятствует нейтральный газ. Происходят частые соударения электронов и ионов с нейтральными частицами. Поскольку длина свободного пробега электронов при высоком давлении мала, потеря энергии при упругих столкновениях с молекулами и атомами, приходящаяся на каждое столкновение, мала и недостаточна для ионизации частиц. Однако число столкновений, претерпеваемых электронами, весьма велико. В результате энергия электронов передается нейтральному газу в виде тепла.
Средняя энергия «электронного газа» не может сколько-нибудь заметно превысить среднюю энергию нейтрального газа, поскольку дополнительная энергия, приобретаемая электронами и ионами в своем направленном движении вдоль оси лугового столба, мала по сравнению с тепловой энергией газа. Следовательно, ионы, электроны, а также нейтральные атомы и молекулы находятся в тепловом равновесии. При этом удельная ионизация дугового столба полностью определяется температурой и при изменении одной из этих величин неизбежно изменяется и другая.
Поскольку при высоком давлении газа атомы и молекулы подавляющим образом преобладают над электронами и имеют почти ту же высокую температуру, большая часть возбужденных и ионизованных атомов и молекул получается при соударениях между нейтральными частицами, а не при столкновениях с электронами. Таким образом, электроны ионизуют не непосредственно при соударениях с нейтральными частицами (как это происходит в вакууме), а косвенно, повышая температуру газа в дуговом столбе. Такой механизм ионизации называют термической ионизацией. Источником энергии, необходимой для термической ионизации, является электрическое поле.
В дуговом столбе имеются потери энергии, которые в установившемся состоянии уравновешиваются энергией, получаемой из сети. Основная часть энергии уносится из дугового столба возбужденными и ионизованными атомами и молекулами. Вследствие разности концентраций заряженных частиц в дуговом столбе и окружающем пространстве, а также разности температур ионы диффундируют к поверхности дугового столба, где происходит их нейтрализация. Эти потери должны восполняться образованием новых ионов и электронов, связанным с затратой энергии. В установившемся состоянии градиент напряжения в столбе дуги всегда таков, что имеющая место ионизация компенсирует потери электронов через рекомбинацию. Градиент напряжения зависит от свойств газа, состояния, в котором он находится (спокойное, турбулентное), а также от давления и тока. При повышении давления газа градиент напряжения увеличивается вследствие уменьшения свободного пробега электронов. С увеличением тока градиент напряжения уменьшается, что объясняется увеличением площади сечения и температуры дугового столба. Дуговой столб стремится принять такое сечение, чтобы в рассматриваемых условиях потери энергии были минимальны.
Зависимость градиента напряжения Е=dU/dl в столбе дуги от тока при очень медленном изменении последнего представляет собой статическую характеристику дуги (рис.1,а), зависящую от давления и свойств газа.
Рис.1. Вольт-амперные характеристики дуги:
а - статическая характеристика;
б - динамические характеристики
В установившемся состоянии каждой точке характеристики соответствуют некоторое сечение и температура дугового столба. При изменении тока дуговой столб должен изменить свое сечение и температуру применительно к новым условиям. Эти процессы требуют времени, и поэтому новое установившееся состояние наступает не сразу, а с некоторым запозданием. Это явление называют гистерезисом.
Допустим, что ток внезапно изменился от значения I 1 (точка 1) до значения I 2 (точка 2). В первый момент дуга сохранит свои сечения и температуру, а градиент уменьшится (точка 2"). Подводимая мощность будет меньше необходимой для проведения тока I 2 . Поэтому сечение и температура начнут уменьшаться, а градиент увеличиваться, пока не наступит новое установившееся состояние в точке 2 на статической характеристике. При внезапном увеличении тока от значения I 1 до значения I 3 градиент напряжения увеличится (точка 3"). Подводимая к дуге мощность будет больше необходимой для проведения тока I 3 . Поэтому сечение и температура столба начнут увеличиваться, а градиент напряжения уменьшаться, пока не наступит новое установившееся состояние в точке 3 на статической характеристике.
При плавном изменении тока с некоторой скоростью градиент напряжения не успевает следовать за изменением тока в соответствии со статической характеристикой. При увеличении тока градиент напряжения превышает значения, определяемые статической характеристикой, а при уменьшении тока градиент напряжения меньше этих значений. Кривые E=f(I) при изменении тока с некоторой скоростью представляют собой динамические характеристики дуги (сплошные линии на рис.1,б).
Положение этих характеристик по отношению к статической характеристике (см. пунктирную кривую) зависит от скорости изменения тока. Чем медленнее происходит изменение тока, тем ближе расположена динамическая характеристика к статической. В заданных условиях дугового разряда может быть только одна статическая характеристика. Число динамических характеристик не ограничено.
При анализе электрических цепей принято оперировать понятием сопротивления. Поэтому говорят и о сопротивлении дуги, понимая под этим отношение напряжения у электродов к току. Сопротивление дуги непостоянно. Оно зависит от тока и многих других факторов. По мере увеличения тока сопротивление дуги уменьшается.
Рис.2. Напряжение на дуге при переменном токе:
а - напряжение дуги как функция тока;
6 - напряжение дуги как функция времени
Вольт-амперная характеристика дуги переменного тока показана на рис.2,а. В течение четверти периода, когда ток увеличивается, кривая напряжения лежит выше статической характеристики. Следующую четверть периода, когда ток уменьшается, кривая напряжения лежит ниже статической характеристики.
Дуга зажигается в точках 1 и 3 и угасает в точках 2 и 4. На рис.2,б показана характеристика дуги как функции времени. Интервалы 2-3 и 4-1 соответствуют неустойчивому состоянию, при котором происходит интенсивное взаимодействие дуги с постоянными цепи R, L и С. Эти короткие интервалы времени, продолжительность которых составляет несколько микросекунд, используются для интенсивной деионизации промежутка между контактами выключателя, чтобы воспрепятствовать новому зажиганию дуги. В зависимости от условий процесс взаимодействия может закончиться двояко: или дуга погаснет и цепь будет прервана, или дуга возникнет вновь и процесс взаимодействия повторится через половину периода при более благоприятных условиях.
В воздушных выключателях дуга гасится в потоке воздуха высокого давления. Гасительное устройство выключателя (рис.3,а) представляет собой камеру, в которой помещены два сопла, служащие одновременно контактами. Выхлопные стороны сопел соединены с областью низкого давления. При разведении контактов вследствие разности давлений возникает поток воздуха, направленный в сопла симметрично в обе стороны.
Рис.3. Дугогасительное устройство воздушного выключателя с двухсторонним дутьем:
а - схема;
б - распределение давления вдоль оси
На рис.3,б показано распределение давления вдоль оси. В середине промежутка между соплами имеется точка торможения потока, давление в которой обозначено через р o .
В обе стороны от этой точки давление уменьшается и достигает в горловинах сопел приблизительно половины р o . За горловинами давление продолжает падать до давления выхлопа.
Процесс гашения дуги протекает следующим образом. Между размыкающимися контактами возникает дуга, которая под действием воздушного потока быстро переносится вдоль оси. При этом опорные пятна дуги перемещаются внутрь сопел по потоку, как показано на рис.3. Дуга в промежутке между соплами имеет цилиндрическую форму.
Рис.4. Распределение температуры в поперечном направлении на участке между соплами:
а - дуга;
в - тепловой пограничный слой
Распределение температуры в поперечном направлении показано на рис.4. В зоне дуги а она составляет приблизительно 20000 К и резко спадает к тепловому пограничному слою в, образующемуся около дуги. Здесь температура изменяется в пределах от 2000 К до температуры холодного воздуха. По мере подхода тока к нулю диаметр цилиндрической части дуги быстро уменьшается. При токе, равном нулю, он меньше 1 мм. Однако температура в этой части дуги еще очень высока (15000 К).
Важнейшим фактором, способствующим гашению дуги, является турбулентность в пограничном слое между дугой и окружающим ее относительно холодным воздухом. Вследствие высокой температуры дуги плотность газа в столбе приблизительно в 20 раз меньше, чем в окружающей среде. Поэтому скорость газа внутри дугового столба значительно выше скорости в соседних слоях (скорость обратно пропорциональна корню квадратному из плотности). Вследствие диффузии частиц из области с большой скоростью в область с малой скоростью и обратно в пограничном слое возникают значительные срезывающие силы, образуются вихри и весь объем приобретает высокую турбулентность. В дуговой столб вносится относительно холодный неионизованный газ, вследствие чего столб теряет свою однородность. Он расщепляется на тысячи тончайших проводящих нитей, непрерывно изменяющих свою форму и положение (рис.5).
Рис.5. Влияние турбулентности на столб дуги вблизи нуля тока (схема)
Они имеют высокую температуру и высокую удельную ионизацию и окружены холодным слабо ионизованным газом. Известно, что скорость диффузии из цилиндрического объема обратно пропорциональна квадрату диаметра. Чем тоньше ионизованные нити, тем быстрее происходит обмен частиц с окружающей более холодной и менее ионизованной средой. Турбулентность увеличивает диффузию во много раз. Она проявляется особенно резко в горловинах сопел, где скорость плазмы максимальна - 6000 м/с. После нуля тока в течение короткого промежутка времени, исчисляемого микросекундами, происходит распад проводящего канала и дальнейшее уменьшение температуры определяется тепловым пограничным слоем, остывание которого происходит значительно медленнее.
Рис.6. Схема замещения, поясняющая влияние сопротивления дуги и емкости
Рис.7. Взаимодействие дуги с электрической цепью
Существенное влияние на процесс отключения оказывает сопротивление дуги и емкость, включенная параллельно дуговому промежутку (рис.6). Если пренебречь сопротивлением дуги, ток i 0 =I m sinɷt подходит к нулю практически линейно (рис.7). Однако сопротивление дуги не равно нулю. Поэтому ток i B в дуговом промежутке выключателя уменьшается:
(1)
где t 0 - момент размыкания контактов.
Как видно из рисунка, напряжение на дуге изменяется в соответствии с вольт-амперной характеристикой. Скорость снижения тока существенно уменьшается в течение последних 5...10 мкс до прихода его к нулю. Это время мало, но оно в несколько раз больше постоянной времени дуги и поэтому существенно влияет на состояние дуги при нуле тока (точка 1). Дуга легко угасает. Сопротивление дуги видоизменяет и кривую ПВН. Процесс восстановления напряжения начинается в точке 1; напряжение достигает максимума в точке 2, когда i L =i C =0.
Если температура газа в промежутке не снизится до некоторого критического значения, определяемого свойством газа и давлением, промежуток сохранит свою проводимость после нуля тока (точка 1) и под действием ПВН возникнет ток остаточной проводимости (рис.8).
Рис.8. Погасание дуги с задержкой,
вызванной появлением тока остаточной проводимости
При благоприятных условиях он невелик и быстро затухает (точка 2). Однако если процесс охлаждения недостаточно интенсивен, ток остаточной проводимости увеличивается; происходит повторный разогрев плазмы, возобновляется процесс ионизации и дуга возникает вновь. Это явление получило название теплового пробоя, так как электрический пробой невозможен, поскольку промежуток ионизован и не приобрел еще электрической прочности.
Произойдет такой пробой или нет, зависит от исхода двух взаимосвязанных процессов, протекающих в промежутке, из которых один определяется интегралом во времени подводимой мощности (произведения тока и напряжения на промежутке), а второй - интегралом во времени потерь, вызванных теплопроводностью и конвекцией. Это означает, что процесс взаимодействия продолжится до тех пор, пока ток не исчезнет или дуга не возникнет вновь. Явление теплового пробоя характерно для первых 20 мкс после нуля тока в условиях, когда скорость восстанавливающеюся напряжения велика, например при неудаленных КЗ.
Если тепловой пробой не произошел, межконтактный промежуток продолжает подвергаться воздействию ПВН. Дуговой канал имеет еще повышенную температуру и пониженную плотность. Спустя несколько сотен микросекунд после нуля тока, когда ПВН достигает максимального значения, наступает этап возможного электрического пробоя. В основе его лежит не баланс энергий, а процесс образования электронов в электрическом поле. Если увеличение концентрации электронов превысит некоторое критическое значение, то произойдет образование искры, которая перейдет в дуговой разряд.
В масляных выключателях контакты размыкаются в масле, однако вследствие высокой температуры дуги, образующейся между контактами, масло разлагается и дуговой разряд происходит в газовой среде. Приблизительно половину этого газа (по объему) составляют пары масла. Остальная часть состоит из водорода (70%) и углеводородов различного состава. Газы эти горючи, однако в масле горение невозможно из-за отсутствия кислорода. Количество масла, разлагаемого дугой, невелико, но объем образующихся газов велик. Один грамм масла дает приблизительно 1500 см 3 газа, приведенного к комнатной температуре и атмосферному давлению.
Гашение дуги в масляных выключателях происходит наиболее эффективно при применении гасительных камер, которые ограничивают зону дуги, способствуют повышению давления в этой зоне и образованию газового дутья сквозь дуговой столб. На рис.9 приведена схема простейшей гасительной камеры.
Рис.9. Схема простейшей гасительной камеры масляного выключателя
В процессе отключения контактный стержень 1 перемещается вниз. Между контактами 1 и 2 возникает дуга. Происходит интенсивное газообразование и давление в камере быстро увеличивается. Относительно холодный газ, образующийся на поверхности масла, перемешивается с плазмой дуги. Пограничный слой приходит в турбулентное состояние, способствующее деионизации. Однако дуга не может погаснуть до тех пор, пока расстояние между контактами не достигнет некоторого минимального значения, определяемого восстанавливающимся напряжением. Этот минимальный промежуток образуется, когда подвижный контакт еще находится в камере. Когда стержень покидает пределы камеры, газы с силой выбрасываются наружу. Возникает газовое дутье, направленное по оси, способствующее гашению дуги.
После погасания дуги контактный стержень продолжает свое движение, чтобы обеспечить необходимое изоляционное расстояние в отключенном положении.
Напряжение на дуге масляного выключателя по крайней мере в 3 раза больше, чем у воздушного выключателя. Электрическая прочность промежутка восстанавливается быстрее (со скоростью около 2 кВ/мкс). Поэтому при одинаковом токе КЗ дугогасительное устройство масляного выключателя может быть рассчитано на вдвое большее напряжение и вдвое большее волновое сопротивление, чем устройство воздушного дутья.
В воздушных выключателях дутье в дуговом промежутке создается от внешнего источника энергии и не зависит от отключаемого тока. После нуля тока восстанавливающееся напряжение оказывается приложенным к короткому промежутку, заполненному горячим ионизованным газом. Скорость восстановления электрической прочности промежутка определяется охлаждением газа и удалением его из промежутка потоком свежего воздуха. Это требует времени и поэтому процесс восстановления электрической прочности промежутка запаздывает.
Рис.10. Характеристики восстанавливающейся электрической прочности
дугового промежутка воздушного выключателя
На рис.10 приведены типичные кривые восстанавливающейся электрической прочности дугового промежутка воздушного выключателя. Они имеют S-образную форму. При этом основная стадия процесса восстановления электрической прочности промежутка протекает со скоростью, не превышающей 1-2 кВ/мкс, и начинается спустя 10-15 мкс после нулевого значения тока. С увеличением отключаемого тока запаздывание увеличивается, а скорость восстановления электрической прочности уменьшается. Нижняя пунктирная кривая соответствует случаю неудовлетворительной работы выключателя, поскольку процесс восстановления электрической прочности промежутка протекает слишком медленно. Номинальный ток отключения воздушною выключателя ограничен восстанавливающейся электрической прочностью промежутка.
В масляных выключателях для образования газовою дутья используется энергия самой дуги. Давление в гасительной камере и сила дутья в первом приближении пропорциональны отключаемому току. Чем больше последний, тем эффективнее деионизация промежутка и быстрее восстанавливается его электрическая прочность. Однако по мере увеличения тока увеличиваются механические напряжения в частях гасительной камеры. Поэтому номинальный ток отключения ограничен механической прочностью гасительной камеры.
Характерные свойства воздушных и масляных выключателей проявляются при отключении асимметричного тока КЗ. Как известно, быстродействующие выключатели при наличии соответствующей релейной защиты размыкают свои контакты, когда апериодическая составляющая отключаемого тока еще не успевает затухнуть. Следовательно, эти выключатели должны быть способны отключать как симметричный, так и асимметричный ток, т.е. ток, не смещенный или смещенный относительно оси времени в зависимости от условий. Асимметрия тока β (относительное содержание апериодической составляющей в токе КЗ) определяется как отношение апериодической составляющей к амплитуде периодической составляющей тока КЗ к моменту τ размыкания контактов выключателя
(2)
Асимметрия отключаемого тока зависит от постоянной времени цепи Т a =Х/(ɷR), а также от τ - времени размыкания контактов выключателя с учетом времени срабатывания релейной защиты. Чем больше постоянная времени и чем быстрее размыкаются контакты выключателя, тем больше асимметрия отключаемого тока. Наибольшую постоянную времени имеют генераторы, трансформаторы и реакторы. Поэтому наибольшую асимметрию следует ожидать при КЗ вблизи генераторов и сборных шин станций. Расчеты показывают, что асимметрия тока, отключаемого быстродействующими выключателями, установленными в главных РУ мощных станций, может достигнуть 80%. Менее быстродействующие выключатели в этих же условиях могут встретиться с асимметрией порядка 40-50%. Выключатели, установленные в распределительных сетях, встречаются с асимметрией, не превосходящей 20%.
При наличии апериодической составляющей в отключаемом токе:
Увеличение действующего значения тока и изменение промежутков времени между нулевыми значениями тока могут при неблагоприятных условиях привести к значительному увеличению выделяемой энергии по сравнению с энергией, выделяемой при отсутствии апериодической составляющей тока. Энергия, выделяемая в дуге, определяет ионизацию газа в промежутке, а в масляных выключателях - также количество образующихся газов и давление в камере, следовательно, механические напряжения в элементах выключателя, степень оплавления контактов и др.
Уменьшение скорости изменения тока при подходе его к нулю уменьшает ионизацию промежутка к моменту погасания дуги, что облегчает процесс отключения.
Уменьшение возвращающегося напряжения также облегчает процесс отключения.
Рис.11. Возвращающееся напряжение при асимметрии отключаемого тока
Как видно из рис.11, периодическая составляющая тока КЗ i п смещена по отношению к напряжению сети на угол φ, близкий к π/2. Если фаза замыкания α=φ, то апериодическая составляющая тока отсутствует, момент прихода тока к нулевому значению и погасания дуги близок к моменту максимума напряжения. Возвращающееся напряжение определяется ординатой ab. При замыкании в любой другой момент времени в составе отключаемого тока появляется апериодическая составляющая и момент прихода тока к нулю смещается. В рассматриваемом случае при α=27° возвращающееся напряжение после большой полуволны тока определяется ординатой а"b", а после малой полуволны - ординатой а"b" (при построении кривых периодическая и апериодическая составляющие тока приняты условно незатухающими).
Из приведенного анализа следует, что при наличии апериодической составляющей в отключаемом токе появляется ряд новых факторов, влияющих на процесс отключения, часть которых утяжеляет этот процесс, другая часть облегчает его.
Итоговое действие апериодической составляющей зависит от свойств выключателя.
Масляные выключатели, отключающая способность которых ограничена механической прочностью гасительной камеры, имеют при отключении большого тока значительный запас в восстанавливающейся электрической прочности дугового промежутка. Увеличение действующего значения отключаемого тока, обусловленное наличием апериодической составляющей, увеличивает тяжесть отключения, поскольку увеличивается энергия, выделяющаяся в дуге, а облегчающие факторы, вносимые апериодической составляющей тока КЗ (уменьшение скорости подхода тока к нулю и уменьшение возвращающегося напряжения), масляными выключателями не используются. О таких выключателях говорят, что они чувствительны к току, поскольку энергия, выделяющаяся в дуге, определяется в основном током.
Воздушные выключатели, отключающая способность которых ограничена электрической прочностью промежутка, используют облегчающие факторы, вносимые апериодической составляющей тока (уменьшение скорости снижения тока и возвращающегося напряжения). Увеличение действующего значения отключаемого тока, вызываемое апериодической составляющей, не увеличивает тяжести отключения, поскольку вносимые утяжеляющие и облегчающие факторы компенсируются. О таких выключателях принято говорить, что они чувствительны к напряжению.
При выборе выключателя по отключающей способности следует учитывать асимметрию отключаемого тока КЗ. Однако нормированные (номинальные) значения асимметрии β ном установлены одинаковыми как для масляных, так и для воздушных выключателей.
При размыкании электрической цепи возникает электрический разряд в виде электрической дуги. Для появления электрической дуги достаточно, чтобы напряжение на контактах было выше 10 В при токе в цепи порядка 0,1А и более. При значительных напряжениях и токах температура внутри дуги может достигать 10...15 тыс. °С, в результате чего плавятся контакты и токоведущие части.
При напряжениях 110 кВ и выше длина дуги может достигать нескольких метров. Поэтому электрическая дуга, особенно в мощных силовых цепях, на напряжение выше 1 кВ представляет собой большую опасность, хотя серьезные последствия могут быть и в установках на напряжение ниже 1 кВ. Вследствие этого электрическую дугу необходимо максимально ограничить и быстро погасить в цепях на напряжение как выше, так и ниже 1 кВ.
Процесс образования электрической дуги может быть упрощенно представлен следующим образом. При расхождении контактов вначале уменьшается контактное давление и соответственно контактная поверхность, увеличиваются переходное сопротивление (плотность тока и температура — начинаются местные (на отдельных участках площади контактов) перегревы, которые в дальнейшем способствуют термоэлектронной эмиссии, когда под воздействием высокой температуры увеличивается скорость движения электронов и они вырываются с поверхности электрода.
В момент расхождения контактов, то есть разрыва цепи, на контактном промежутке быстро восстанавливается напряжение. Поскольку при этом расстояние между контактами мало, возникает электрическое поле высокой напряженности, под воздействием которого с поверхности электрода вырываются электроны. Они разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать хотя бы один электрон с оболочки нейтрального атома, то происходит процесс ионизации.
Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги, то есть ионизированного канала, в котором горит дуга и обеспечивается непрерывное движение частиц. При этом отрицательно заряженные частицы, в первую очередь электроны, движутся в одном направлении (к аноду), а атомы и молекулы газов, лишенные одного или нескольких электронов, — положительно заряженные частицы — в противоположном направлении (к катоду). Проводимость плазмы близка к проводимости металлов.
В стволе дуги проходит большой ток и создается высокая температура. Такая температура ствола дуги приводит к термоионизации — процессу образования ионов вследствие соударения молекул и атомов, обладающих большой кинетической энергией при высоких скоростях их движения (молекулы и атомы среды, где горит дуга, распадаются на электроны и положительно заряженные ионы). Интенсивная термоионизация поддерживает высокую проводимость плазмы. Поэтому падение напряжения по длине дуги невелико.
В электрической дуге непрерывно протекают два процесса: кроме ионизации, также деионизация атомов и молекул. Последняя происходит в основном путем диффузии, то есть переноса заряженных частиц в окружающую среду, и рекомбинации электронов и положительно заряженных ионов, которые воссоединяются в нейтральные частицы с отдачей энергии, затраченной на их распад. При этом происходит теплоотвод в окружающую среду.
Таким образом, можно различить три стадии рассматриваемого процесса: зажигание дуги, когда вследствие ударной ионизации и эмиссии электронов с катода начинается дуговой разряд и интенсивность ионизации выше, чем деионизации, устойчивое горение дуги, поддерживаемое термоионизацией в стволе дуги, когда интенсивность ионизации и деионизации одинакова, погасание дуги, когда интенсивность деионизации выше, чем ионизации.
Для того чтобы отключить элементы электрической цепи и исключить при этом повреждение коммутационного аппарата, необходимо не только разомкнуть его контакты, но и погасить появляющуюся между ними дугу. Процессы гашения дуги, так же как и горения, при переменном и постоянном токе различны. Это определяется тем, что в первом случае ток в дуге каждый полупериод проходит через нуль. В эти моменты выделение энергии в дуге прекращается и дуга каждый раз самопроизвольно гаснет, а затем снова загорается.
Практически ток в дуге становится близким нулю несколько раньше перехода через нуль, так как при снижении тока энергия, подводимая к дуге, уменьшается, соответственно снижается температура дуги и прекращается термоионизация. При этом в дуговом промежутке интенсивно идет процесс деионизации. Если в данный момент разомкнуть и быстро развести контакты, то последующий электрический пробой может не произойти и цепь будет отключена без возникновения дуги. Однако практически это сделать крайне сложно, и поэтому принимают специальные меры ускоренного гашения дуги, обеспечивающие охлаждение дугового пространства и уменьшение числа заряженных частиц.
В результате деионизации постепенно увеличивается электрическая прочность промежутка и одновременно растет восстанавливающееся напряжение на нем. От соотношения этих величин и зависит, загорится ли на очередную половину периода дуга или нет. Если электрическая прочность промежутка возрастает быстрее и оказывается больше восстанавливающего напряжения, дуга больше не загорится, в противном же случае будет обеспечено устойчивое горение дуги. Первое условие и определяет задачу гашения дуги.
В коммутационных аппаратах используют различные способы гашения дуги.
При расхождении контактов в процессе отключения электрической цепи возникшая дуга растягивается. При этом улучшаются условия охлаждения дуги, так как увеличивается ее поверхность и для горения требуется большее напряжение.
Если дугу, образовавшуюся при размыкании контактов, разделить на К коротких дуг, например затянув ее в металлическую решетку, то она погаснет. Дуга обычно затягивается в металлическую решетку под воздействием электромагнитного поля, наводимого в пластинах решетки вихревыми токами. Этот способ гашения дуги широко используется в коммутационных аппаратах на напряжение ниже 1 кВ, в частности в автоматических воздушных выключателях.
Гашение дуги в малом объеме облегчается. Поэтому в коммутационных аппаратах широко используют дугогасительные камеры с продольными щелями (ось такой щели совпадает по направлению с осью ствола дуги). Такая щель обычно образуется в камерах из изоляционных дугостойких материалов. Благодаря соприкосновению дуги с холодными поверхностями происходят ее интенсивное охлаждение, диффузия заряженных частиц в окружающую среду и соответственно быстрая деионизация.
Кроме щелей с плоскопараллельными стенками, применяют также щели с ребрами, выступами, расширениями (карманами). Все это приводит к деформации ствола дуги и способствует увеличению площади соприкосновения ее с холодными стенками камеры.
Втягивание дуги в узкие щели обычно происходит под действием магнитного поля, взаимодействующего с дугой, которая может рассматриваться как проводник с током.
Внешнее магнитное поле для перемещения дуги наиболее часто обеспечивают за счет катушки, включаемой последовательно с контактами, между которыми возникает дуга. Гашение дуги в узких щелях используют в аппаратах на все напряжения.
При неизменной температуре степень ионизации газа падает с ростом давления, при этом возрастает теплопроводность газа. При прочих равных условиях это приводит к усиленному охлаждению дуги. Гашение дуги при помощи высокого давления, создаваемого самой же дугой в плотно закрытых камерах, широко используется в плавких предохранителях и ряде других аппаратов.
Если контакты выключателя помещены в масло, то возникающая при их размыкании дуга приводит к интенсивному испарению масла. В результате вокруг дуги образуется газовый пузырь (оболочка), состоящий в основном из водорода (70...80 %), а также паров масла. Выделяемые газы с большой скоростью проникают непосредственно в зону ствола дуги, вызывают перемешивание холодного и горячего газа в пузыре, обеспечивают интенсивное охлаждение и соответственно деионизацию дугового промежутка. Кроме того, деионизирующую способность газов повышает создаваемое при быстром разложении масла давление внутри пузыря.
Интенсивность процесса гашения дуги в масле тем выше, чем ближе соприкасается дуга с маслом и быстрее движется масло по отношению к дуге. Учитывая это, дуговой разрыв ограничивают замкнутым изоляционным устройством — дугогасительной камерой. В этих камерах создается более тесное соприкосновение масла с дугой, а при помощи изоляционных пластин и выхлопных отверстий образуются рабочие каналы, по которым происходит движение масла и газов, обеспечивая интенсивное обдувание (дутье) дуги.
) с большим током, низким напряжением, высокой температурой. Это явление как электрическое, так и тепловое.
Может возникать между двумя контактами при их размыкании.
Обратимся к ВАХ-диаграмме:
На данном графике у нас зависимость тока от напряжения, немного не в масштабе, но так нагляднее. Значит, есть три области:
Механизм возникновения дуги может быть следующий: контакты размыкаются и между ними возникает разряд. В процессе размыкания воздух между контактами ионизируется, обретая свойства проводника, затем возникает дуга. Зажигание дуги - это процессы ионизации воздушного промежутка, гашение дуги - явления деионизации воздушного промежутка.
В начале горения дуги преобладают процессы ионизации, когда дуга устойчива, то процессы ионизации и деионизации происходят одинаково часто, как-только процессы деионизации начинают преобладать над процессами ионизации - дуга гаснет.
ионизация:
деионизация:
Бывают ситуации, когда при размыкании контактов дуга не загорается, тогда говорят о безыскровом разрыве. Такое возможно при малых значениях тока и напряжения, или при отключении в момент, когда значение тока проходит через ноль.
Дуга может возникать как при постоянном токе-напряжении, так и при переменном. Начнем рассмотрение с постоянки:
Анодная и катодная области - размер=10 -4 см; суммарное падение напряжения=15-30В; напряженность=10 5 -10 6 В/см; в катодной области происходит процесс ударной ионизации из-за высокой напряженности, образовавшиеся в результате ионизации электроны и ионы образуют плазму дуги, которая обладает высокой проводимостью, данная область отвечает за разжигание дуги.
Ствол дуги - падение напряжения пропорционально длине дуги; плотность тока порядка 10кА на см 2 , за счет чего и температура порядка 6000К и выше. В данной области дуги происходят процессы термоионизации, данная область отвечает за поддержание горения.
ВАХ дугового разряда постоянного тока
Эта кривая соответствует кривой 3 на самом верхнем рисунке. Тут есть:
Если ток уменьшить от Io до 0 мгновенно, то получится прямая, которая лежит снизу. Эти кривые характеризуют дуговой промежуток как проводник, показывают какое напряжение нужно приложить, чтобы создать в промежутке дугу.
Чтобы погасить дугу постоянного тока, необходимо, чтобы процессы деионизации преобладали над процессами ионизации.
Сопротивление дуги:
Если разорвать цепь амперметра под нагрузкой, то тоже можно увидеть дугу.
Особенностью дуги переменного тока является её поведение во времени. Если посмотреть на график ниже, то видно, что дуга каждый полупериод проходит через ноль.
Видно, что ток отстает от напряжения примерно на 90 градусов. Вначале появляется ток и резко повышается напряжение до величины зажигания (Uз). Далее ток продолжает расти, а падение напряжения снижается. В точке максимального амплитудного значения тока, значение напряжения дуги минимальное. Далее ток стремится к нулю, а падение напряжения опять возрастает до значения гашения (Uг), которое соответствует моменту, когда ток переходит через ноль. Далее всё повторяется опять. Слева от временной характеристики приведена вольт-амперная характеристика.
Особенностью переменной дуги, кроме её зажигания и гашения на протяжении полупериода, является то, как ток пересекает ноль. Это происходит не по форме синусоиды, а более резко. Образуется бестоковая пауза, во время которой происходят знакомые нам процессы деионизации. То есть возрастает сопротивление дугового промежутка. И чем больше возрастет сопротивление, тем сложнее будет дуге обратно зажечься.
Если дуге дать гореть достаточно долго, то уничтожению подлежат не только контакты, но и само электрооборудование. Условия для гашения дуги заложены на стадии проектирования, постоянно внедряются новые методы борьбы с этим вредным явлением в коммутационных аппаратах.
Само по себе явление дуги не является полезным для электрооборудования, так как ведет к ухудшению эксплуатационных свойств контактов: выгорание, коррозия, механическое повреждение.
Но не всё так печально, потому что светлые умы нашли полезное применение дуговому разряду - использование в дуговой сварке, металлургии, осветительной технике, ртутных выпрямителях.
Последние статьи
Самое популярное
Отключение цепи контактным аппаратом характеризуется возникновением плазмы, которая проходит разные стадии газового разряда в процессе преобразования межконтактного промежутка из проводника электрического тока в изолятор.
При токах выше 0,5-1 А возникает стадия дугового разряда (область 1 )(рис. 1.); при снижении тока возникает стадия тлеющего разряда у катода (область 2 ); следующая стадия (область 3 ) – таунсендовский разряд, и наконец, область 4 – стадия изоляции, в которой носители электричества – электроны и ионы – не образуются за счет ионизации, а могут поступать только из окружающей среды.
Рис. 1. Вольтамперная характеристика стадий электрического разряда в газах
Первый участок кривой – дуговой разряд (область 1) – характеризуется малым падением напряжения у электродов и большой плотностью тока. С ростом тока напряжение на дуговом промежутке сначала резко падает, а затем изменяется незначительно.
Второй участок (область 2 ) кривой, представляющий собой область тлеющего разряда, характеризуется высоким падением напряжения у катода (250 – 300 В) и малыми токами. С ростом тока возрастет падение напряжения на разрядном промежутке.
Таунсендовский разряд (область 3 ) характеризуется чрезвычайно малыми значениями тока при высоких напряжениях.
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.
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.
1) Дуговой разряд имеет место только при токах большой величины; минимальный ток дуги для металлов составляет примерно 0,5 А;
2) Температура центральной части дуги очень велика и в аппаратах может достигать 6000 – 18000 К;
3) Плотность тока на катоде чрезвычайно велика и достигает 10 2 – 10 3 А/мм 2 ;
4) Падение напряжения у катода составляет всего 10 – 20 В и практически не зависит от тока.
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.
Рис. 2. Распределение напряжения и напряжённости электрического поля в стационарной дуге постоянного тока
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.
Автоэлектронная эмиссия. Это –явление испускания электронов из катода под воздействием сильного электрического поля.
Место разрыва электрической цепи может быть представлено как конденсатор переменной емкости. 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 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. 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. 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 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 U Д и напряжённости электрического поля (продольного градиента напряжения) Е Д = dU/dx вдоль дуги приведена на рисунке (рис. 2). Под градиентом напряжения Е Д понимается падение напряжения на единицу длины дуги. Как видно из рисунка, ход характеристик U Д и Е Д 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 U к и анодным U а. 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 10 5 – 10 6 В/см.
В остальной части дуги, называемой столбом дуги, падение напряжения U Д 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 U Э не зависит от длины дуги, падение напряжения в столбе дуги пропорционально длине дуги. Таким образом, падение напряжения на дуговом промежутке
U Д = U Э + Е Д l Д,
где: Е Д – напряжённость электрического поля в столбе дуги;
l Д – длина дуги; U Э = U к + U а.
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.
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 i увеличивается температура дуги, усиливается термическая ионизация, возрастает число ионизированных частиц в разряде и падает электрическое сопротивление дуги r д.
Напряжение на дуге равно ir д.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.
Рис. 3. Статические вольтамперные характеристики дуги
Чем больше длина дуги, тем выше лежит ее статическая вольтамперная характеристика. С ростом давления среды, в которой горит дуга, также увеличивается напряженность Е Д и 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.
Динамическая вольтамперная характеристика электрической
дуги постоянного тока.
Если ток в цепи изменяется медленно, то току i 1 соответствует сопротивление дуги r Д1 ,абольшему току i 2 соответствует меньшее сопротивление r Д2 , что отражено на рис. 4. (см. статическую характеристику дуги – кривая А ).
Рис. 4. Динамическая вольтамперная характеристика дуги.
В реальных установках ток может меняться довольно быстро. Вследствие тепловой инерции дугового столба изменение сопротивления дуги отстает от изменения тока.
Зависимость напряжения на дуге от тока при быстром его изменении называется динамической вольтамперной характеристикой .
При резком возрастании тока динамическая характеристика идет выше статической (кривая В ), так как при быстром росте тока сопротивление дуги падает медленнее, чем растет ток. При уменьшении – ниже, поскольку в этом режиме сопротивление дуги меньше, чем при медленном изменении тока (кривая С ).
Динамическая характеристика в значительной степени определяется скоростью изменения тока в дуге. Если в цепь ввести очень большое сопротивление за время, бесконечно малое по сравнению с тепловой постоянной времени дуги, то в течение времени спада тока до нуля сопротивление дуги останется постоянным. В этом случае динамическая характеристика изобразится прямой, проходящей из точки 2 в начало координат (прямая D ),т. е. дуга ведет себя как металлический проводник, так как напряжение на дуге пропорционально току.
Условия гашения дуги постоянного тока.
Чтобы погасить электрическую дугу постоянного тока, необходимо создать такие условия, чтобы в дуговом промежутке при всех значениях тока процессы деионизации протекали бы интенсивнее, чем процессы ионизации.
Рис. 5. Баланс напряжений в цепи с электрической дугой.
Рассмотрим электрическую цепь, содержащую сопротивление R , индуктивность L и дуговой промежуток с падением напряжения U Д, к которой приложено напряжение U (рис. 5, а ). При дуге, имеющей неизменную длину, для любого момента времени будет справедливо уравнение баланса напряжений в этой цепи:
где падение напряжения на индуктивности при изменении тока.
Стационарным режимом будет такой, при котором ток в цепи не меняется, т.е. а уравнение баланса напряжений примет вид:
Для погасания электрической дуги необходимо, чтобы ток в ней всё время уменьшался, т.е. , а
Графическое решение уравнения баланса напряжений представлено на рис. 5, б . Здесь прямая 1 представляет собой напряжение источника U ; наклонная прямая 2 – падение напряжения на сопротивлении R (реостатная характеристика цепи), вычитаемое из напряжения U , т.е. U – iR ; кривая 3 – вольтамперную характеристику дугового промежутка U Д.
Особенности электрической дуги переменного тока.
Если для гашения дуги постоянного тока необходимо создать такие условия, при которых ток упал бы до нуля, то при переменном токе ток в дуге независимо от степени ионизации дугового промежутка переходит через нуль каждый полупериод, т.е. каждый полупериод дуга гаснет и зажигается вновь. Задача гашения дуги существенно облегчается. Здесь необходимо создать условия, при которых ток не восстановился бы после прохождения через нуль.
Вольтамперная характеристика дуги переменного тока за один период приведена на рис. 6. Поскольку, даже при промышленной частоте 50 Гц, ток в дуге меняется достаточно быстро, то представленная характеристика является динамической. При синусоидальном токе напряжение на дуге сначала увеличивается на участке 1, а затем, в связи с ростом тока, падает на участке 2 (участки 1 и 2 относятся к первой половине полупериода). После прохождения тока через максимум динамическая ВАХ возрастает по кривой 3 в связи с уменьшением тока, а затем уменьшается на участке 4 в связи с приближением напряжения к нулю (участки 3 и 4 относятся ко второй половине этого же полупериода).
Рис. 6. Вольтамперная характеристика дуги переменного тока
При переменном токе температура дуги является величиной переменной. Однако тепловая инерция газа оказывается довольно значительной, и к моменту перехода тока через нуль температура дуги хотя и уменьшается, но остаётся достаточно высокой. Всё же имеющее место снижение температуры при переходе тока через нуль способствует деионизации промежутка и облегчает гашение электрической дуги переменного тока.
Электрическая дуга в магнитном поле.
Электрическая дуга является газообразным проводником тока. На этот проводник, так же как на металлический, действует магнитное поле, создавая силу, пропорциональную индукции поля и току в дуге. Магнитное поле, действуя на дугу, увеличивает ее длину и перемещает элементы дуги в пространстве. Поперечное перемещение элементов дуги создает интенсивное охлаждение, что приводит к повышению градиента напряжения на столбе дуги. При движении дуги в среде газа с большой скоростью возникает расслоение дуги на отдельные параллельные волокна. Чем длиннее дуга, тем сильнее происходит расслоение дуги.
Дуга является чрезвычайно подвижным проводником. Известно, что на токоведущую часть действуют такие силы, которые стремятся увеличить электромагнитную энергию контура. Поскольку энергия пропорциональна индуктивности, то дуга под действием своего собственного поля стремится образовывать витки, петли, так как при этом возрастает индуктивность цепи. Эта способность дуги тем сильнее, чем больше ее длина.
Движущаяся в воздухе дуга преодолевает аэродинамическое сопротивление воздуха, которое зависит от диаметра дуги, расстояния между электродами, плотности газа и скорости движения. Опыт показывает, что во всех случаях в равномерном магнитном поле дуга движется с постоянной скоростью. Следовательно, электродинамическая сила уравновешивается силой аэродинамического сопротивления.
С целью создания эффективного охлаждения дуга с помощью магнитного поля втягивается в узкую (диаметр дуги больше ширины щели) щель между стенками из дугостойкого материала с высокой теплопроводностью. Из-за увеличения теплоотдачи стенкам щели градиент напряжения в столбе дуги при наличии узкой щели значительно выше, чем у дуги, свободно перемещающейся между электродами. Это дает возможность сократить необходимую для гашения длину и время гашения.
Способы воздействия на электрическую дугу в коммутационных аппаратах.
Цель воздействия на столб возникающей в аппарате дуги состоит в увеличении её активного электрического сопротивления вплоть до бесконечности, когда коммутационный орган переходит в изоляционное состояние. Практически всегда это достигается путем интенсивного охлаждения столба дуги, уменьшения её температуры и теплосодержания, в результате чего снижается степень ионизации и количество носителей электричества и ионизированных частиц и повышается электрическое сопротивление плазмы.
Для успешного гашения электрической дуги в коммутационных низковольтных аппаратах необходимо выполнить следующие условия:
1) увеличить длину дуги путем её растяжения или увеличения числа разрывов на полюс выключателя;
2) переместить дугу на металлические пластины дугогасительной решётки, которые являются как радиаторами, поглощающими тепловую энергию столба дуги, так и разбивают её на ряд последовательно соединённых дуг;
3) переместить столб дуги магнитным полем в щелевую камеру из дугостойкого изоляционного материала с большой теплопроводностью, где дуга интенсивно охлаждается, соприкасаясь со стенками;
4) образовывать дугу в закрытой трубке из газогенерирующего материала – фибры; выделяемые под воздействием температуры газы создают высокое давление, что способствует гашению дуги;
5) уменьшить концентрацию паров металлов в дуге, для чего на этапе проектирования аппаратов использовать соответствующие материалы;
6) гасить дугу в вакууме; при очень низком давлении газа недостаточно атомов газа, чтобы ионизировать их и поддержать проведение тока в дуге; электрическое сопротивление канала столба дуги становится очень высоким и дуга гаснет;
7) размыкать контакты синхронно перед переходом переменного тока через нуль, что существенно снижает выделение тепловой энергии в образовавшейся дуге, т.е. способствует гашению дуги;
8) применять чисто активные сопротивления, шунтирующие дугу и облегчающие условия её гашения;
9) применять шунтирующие межконтактный промежуток полупроводниковые элементы, переключающие на себя ток дуги, что практически исключает образование дуги на контактах.
