Дополнительный материал Дуговой разряд

1. Главная
2. Электробезопасность
3. Электрическая дуга

Электрическая дуга представляет собой электрический разряд в среде (воздух, вакуум, элегаз, трансформаторное масло) 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:

• в первой области у нас высокое падение напряжения у катода и малые токи — это область тлеющего разряда
• во второй области у нас падение напряжения резко снижается, а ток продолжает увеличиваться — это переходная область между тлеющим и дуговым разрядом
• третья область характеризует дуговой разряд — малое падение напряжения и высокая плотность тока и следовательно высокая температура.

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.

Явления ионизации и деионизации

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:

• термоэлектронная эмиссия
  — электроны отрываются от раскаленной поверхности катодного пятна;
• автоэлектронная эмиссия
  — электроны вырываются с поверхности из-за высокой напряженности электрического поля.
• ионизация толчком
  — электрон вылетает с достаточной скоростью и в пути сталкивается с нейтральной частицей, в результате образуется электрон и ион.
• термическая ионизация
  — основной вид ионизации, поддерживает дугу после её зажигания. Температура дуги может достигать тысяч кельвинов, а в такой среде увеличивается число частиц и их скорости, что способствует активным процессам ионизации.

деионизация:

• рекомбинация
  — образование нейтральных частиц из противоположно заряженных при взаимодействии
• диффузия
  — положительно заряженные частицы отправляются “за борт”, из-за действия электрического поля дуги от середины к границе

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. Условия возникновения и горения дуги. Способы гашения дуги.

Как показано на рис. 1, напряжение на дуге складывается из катодного Uк и анодного Uа падений напряжений и напряжения ствола дуги Uсд: Uд=Uк+Uа+Uсд=Uэ+ Uсд .
Если длинную дугу, возникшую при размыкании контактов, затянуть в дугогасительную решетку из металлических пластин, то она разделится на N коротких дуг. Каждая короткая дуга будет иметь свое катодное и анодное падения напряжений Uэ. Дуга гаснет, если:

Un Uэ ,

где U — напряжение сети; Uэ — сумма катодного и анодного падений напряжения (20-25 В в дуге постоянного тока).

Дугу переменного тока также можно разделить на N коротких дуг. В момент прохождения тока через нуль околокатодное пространство мгновенно приобретает электрическую прочность 150-250 В.

Дуга гаснет, если

Un.

Гашение дуги в узких щелях.

Если дуга горит в узкой щели, образованной дугостойким материалом, то благодаря соприкосновению с холодными поверхностями происходит интенсивное охлаждение и диффузия заряженных частиц в окружающую среду. Это приводит к быстрой деионизации и гашению дуги.

Рис. 4. Способы гашения дуги:

а – деление длинной дуги на короткие; б – затягивание дуги в узкую щель дугогасительной камеры; в – вращение дуги в магнитном поле; г – гашение дуги в масле: 1 – неподвижный контакт; 2 – ствол дуги; 3 – водородная оболочка; 4 – зона газа; 5 – зона паров масла; 6 – подвижный контакт

Движение дуги в магнитном поле.

Электрическая дуга может рассматриваться как проводник с током. Если дуга находится в магнитном поле, то на нее действует сила, определяемая по правилу левой руки. Если создать магнитное поле, направленное перпендикулярно оси дуги, то она получит поступательное движение и будет затянута внутрь щели дугогасительной камеры (рис. 4, б).

В радиальном магнитном поле дуга получит вращательное движение (рис. 4, в). Магнитное поле может быть создано постоянными магнитами, специальными катушками или самим контуром токоведущих частей. Быстрое вращение и перемещение дуги способствует ее охлаждению и деионизации.

Последние два способа гашения дуги (в узких щелях и в магнитном поле) применяются также в отключающих аппаратах напряжением выше 1 кВ.

4. Основные способы гашения дуги в аппаратах выше 1 кВ.

В коммутационных аппаратах свыше 1 кВ применяются способы 2 и 3 описанные в п.п. 1.3. а также широко применяются следующие способы гашения дуги:

1. Гашение дуги в масле.

Если контакты отключающего аппарата поместить в масло, то возникающая при размыкании дуга приводит к интенсивному газообразованию и испарению масла (рис. 4, г). Вокруг дуги образуется газовый пузырь, состоящий в основном из водорода (70-80 %); быстрое разложение масла приводит к повышению давления в пузыре, что способствует ее лучшему охлаждению и деионизации. Водород обладает высокими дугогасящими свойствами. Соприкасаясь непосредственно со стволом дуги, он способствует ее деионизации. Внутри газового пузыря происходит непрерывное движение газа и паров масла. Гашение дуги в масле широко применяется в выключателях.

2. Газовоздушное дутье.

Охлаждение дуги улучшается, если создать направленное движение газов — дутье. Дутье вдоль или поперек дуги (рис. 5) способствует проникновению газовых частиц в ее ствол, интенсивной диффузии и охлаждению дуги. Газ создается при разложении масла дугой (масляные выключатели) или твердых газогенерирующих материалов (автогазовое дутье). Более эффективно дутье холодным неионизированным воздухом, поступающим из специальных баллонов со сжатым воздухом (воздушные выключатели).

3. Многократный разрыв цепи тока.

Отключение большого тока при высоких напряжениях затруднительно. Это объясняется тем, что при больших значениях подводимой энергии и восстанавливающегося напряжения деионизация дугового промежутка усложняется. Поэтому в выключателях высокого напряжения применяют многократный разрыв дуги в каждой фазе (рис. 6). Такие выключатели имеют несколько гасительных устройств, рассчитанных на часть номинального на

При отключении однофазного КЗ восстанавливающееся напряжение распределится между разрывами следующим образом:

U1/U2 = (C1+C2)/C1

где U1 ,U2 — напряжения, приложенные к первому и второму разрывам; С1 – емкость между контактами этих разрывов; C2 – емкость контактной системы относительно земли.

Рис. 6. Распределение напряжения по разрывам выключателя: а – распределение напряжения по разрывам масляного выключателя; б – емкостные делители напряжения; в – активные делители напряжения.

Так как С2 значительно больше C1, то напряжение U1 > U2 и, следовательно, гасительные устройства будут работать в неодинаковых условиях. Для выравнивания напряжения параллельно главным контактам выключателя (ГК) включают емкости или активные сопротивления (рис. 16, б, в). Значения емкостей и активных шунтирующих сопротивлений подбирают так, чтобы напряжение на разрывах распределялось равномерно. В выключателях с шунтирующими сопротивлениями после гашения дуги между ГК сопровождающий ток, ограниченный по значению сопротивлениями, разрывается вспомогательными контактами (ВК).

Шунтирующие сопротивления уменьшают скорость нарастания восстанавливающегося напряжения, что облегчает гашение дуги.

4. Гашение дуги в вакууме.

Высокоразреженный газ (10-6-10-8 Н/см2) обладает электрической прочностью, в десятки раз большей, чем газ при атмосферном давлении. Если контакты размыкаются в вакууме, то сразу же после первого прохождения тока в дуге через нуль прочность промежутка восстанавливается и дуга не загорается вновь.

5. Гашение дуги в газах высокого давления.

Воздух при давлении 2 МПа и более обладает высокой электрической прочностью. Это позволяет создавать достаточно компактные устройства для гашения дуги в атмосфере сжатого воздуха. Еще более эффективно применение высокопрочных газов, например шестифторисгой серы SF6 (элегаз). Элегаз обладает не только большей электрической прочностью, чем воздух и водород, но и лучшими дугогасящими свойствами даже при атмосферном давлении.

Свойства дуги постоянного тока

Дуга может возникать как при постоянном токе-напряжении, так и при переменном. Начнем рассмотрение с постоянки:

Анодная и катодная области

— размер=10-4см; суммарное падение напряжения=15-30В; напряженность=105-106В/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 см2, 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:

• Uз — напряжение зажигания
• Uг — напряжение гашения

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:

• можно определить из ВАХ дуги
• активное, независимо от рода тока
• переменная величина
• падает с ростом тока

Если разорвать цепь амперметра под нагрузкой, то тоже можно увидеть дугу.

ДУГОВО́Й РАЗРЯ́Д

ДУГОВО́Й РАЗРЯ́Д, са­мо­стоя­тель­ный ква­зи­ста­цио­нар­ный элек­трич. раз­ряд в га­зе, го­ря­щий прак­ти­че­ски при лю­бых дав­ле­ни­ях га­за, пре­вы­шаю­щих 0,01–1 Па (10–4–10–2 мм рт. ст.), при по­сто­ян­ной или ме­няю­щей­ся с низ­кой час­то­той (до 103 Гц) раз­но­сти по­тен­циа­лов ме­ж­ду элек­тро­да­ми. Для Д. р. ха­рак­тер­ны вы­со­кая плот­ность то­ка на ка­то­де (102–108 А/см2) и низ­кое ка­тод­ное па­де­ние по­тен­циа­ла, не пре­вы­шаю­щее эф­фек­тив­ный по­тен­ци­ал ио­ни­за­ции сре­ды в раз­ряд­ном про­ме­жут­ке. Впер­вые Д. р. ме­ж­ду дву­мя уголь­ны­ми элек­тро­да­ми в воз­ду­хе на­блю­да­ли в 1802 В. В. Пет­ров и не­за­ви­си­мо от не­го в 1808 Г. Дэ­ви. Све­тя­щий­ся то­ко­вый ка­нал это­го раз­ря­да при го­ри­зон­таль­ном рас­по­ло­же­нии элек­тро­дов под дей­ст­ви­ем кон­век­тив­ных по­то­ков изо­гнут ду­го­об­раз­но, от­сю­да и на­зва­ния – Д. р., элек­трич. ду­га.

Для боль­шин­ст­ва Д. р. при боль­шой плот­но­сти то­ка на ка­то­де воз­ни­ка­ет ма­лое очень яр­кое пят­но, пе­ре­ме­щаю­щее­ся по всей по­верх­но­сти ка­то­да. Темп-ра в пят­не мо­жет дос­ти­гать темп-ры ки­пе­ния (или воз­гон­ки) ма­те­риа­ла ка­то­да. Зна­чит. роль в ме­ха­низ­ме под­дер­жа­ния то­ка Д. р. иг­ра­ет тер­мо­элек­трон­ная эмис­сия. Над ка­тод­ным пят­ном об­ра­зу­ет­ся слой по­ло­жи­тель­но­го объ­ём­но­го за­ря­да, обес­пе­чи­ваю­ще­го ус­ко­ре­ние эми­ти­руе­мых элек­тро­нов до энер­гий, дос­та­точ­ных для удар­ной ио­ни­за­ции ато­мов и мо­ле­кул га­за. По­сколь­ку этот слой очень тон­кий (мень­ше дли­ны сво­бод­но­го про­бе­га элек­тро­на), он соз­да­ёт вы­со­кую на­пря­жён­ность по­ля у по­верх­но­сти ка­то­да, осо­бен­но у мик­ро­не­од­но­род­но­стей, по­это­му су­ще­ст­вен­ны­ми ока­зы­ва­ют­ся и ав­то­элек­трон­ная эмис­сия, и тер­мо­ав­то­элек­трон­ная эмис­сия. Вы­со­кая плот­ность то­ка и «пе­ре­ско­ки» пят­на с точ­ки на точ­ку соз­да­ют ус­ло­вия для взрыв­ной элек­трон­ной эмис­сии.

От зо­ны ка­тод­но­го па­де­ния по­тен­циа­ла до ано­да рас­по­ло­жен т. н. по­ло­жи­тель­ный столб. На ано­де обыч­но фор­ми­ру­ет­ся яр­кое анод­ное пят­но, в ко­то­ром темп-ра по­верх­но­сти поч­ти та­кая же, как и в ка­тод­ном. В не­ко­то­рых ви­дах Д. р. при то­ках в де­сят­ки ам­пер на ка­то­де и ано­де воз­ни­ка­ют фа­ке­лы в ви­де плаз­мен­ных струй, вы­ле­таю­щих с боль­шой ско­ро­стью пер­пен­ди­ку­ляр­но по­верх­но­сти элек­тро­дов. При то­ках 100–300 А воз­ни­ка­ют до­ба­воч­ные фа­ке­лы, об­ра­зуя пу­чок плаз­мен­ных струй. На­гре­тый до вы­со­кой темп-ры и ио­ни­зо­ван­ный газ в стол­бе пред­став­ля­ет со­бой плаз­му. Элек­тро­про­вод­ность плаз­мы мо­жет быть очень вы­со­кой, но обыч­но она на неск. по­ряд­ков ни­же элек­тро­про­вод­но­сти ме­тал­лов.

При кон­цен­тра­ции за­ря­жен­ных час­тиц бо­лее 1018 см–3 со­стоя­ние плаз­мы ино­гда мож­но счи­тать близ­ким к рав­но­вес­но­му. При мень­ших плот­но­стях, вплоть до 1015 см–3, мо­жет воз­ник­нуть со­стоя­ние ло­каль­но­го тер­мо­ди­на­мич. рав­но­ве­сия (ЛТР), ко­гда в ка­ж­дой точ­ке плаз­мы все ста­ти­стич. рас­пре­де­ле­ния близ­ки к рав­но­вес­ным при од­ном зна­че­нии темп-ры, ко­то­рая раз­лич­на в раз­ных точ­ках. Ис­клю­че­ние в этом слу­чае со­став­ля­ет лишь из­лу­че­ние плаз­мы: оно да­ле­ко от рав­но­вес­но­го и оп­ре­де­ля­ет­ся со­ста­вом плаз­мы и ско­ро­стя­ми ра­ди­ац. про­цес­сов. При ог­ра­ни­чен­ных раз­ме­рах стол­ба Д. р. да­же в плот­ной плаз­ме на оси стол­ба со­стоя­ние ЛТР на­ру­ша­ет­ся за счёт ра­ди­ац. по­терь. Это вы­ра­жа­ет­ся в силь­ном от­кло­не­нии со­ста­ва плаз­мы и на­се­лён­но­стей воз­бу­ж­дён­ных уров­ней от их рав­но­вес­ных зна­че­ний. Ки­не­ти­ка плаз­мы в стол­бе Д. р. при вы­со­ких плот­но­стях оп­ре­де­ля­ет­ся в осн. про­цес­са­ми со­уда­ре­ний, а по ме­ре сни­же­ния плот­но­сти (уда­ле­ния от оси) всё боль­шую роль иг­ра­ют ра­ди­ац. про­цес­сы.

Диа­метр стол­ба Д. р. оп­ре­де­ля­ет­ся ус­ло­вия­ми ба­лан­са воз­ни­каю­щей и те­ряе­мой энер­гии. С рос­том то­ка или дав­ле­ния ме­ня­ют­ся ме­ха­низ­мы по­терь, обу­слов­лен­ные те­п­ло­про­вод­но­стью га­за, ам­би­по­ляр­ной диф­фу­зи­ей, ра­ди­ац. про­цес­са­ми и др. При та­ких сме­нах мо­жет про­ис­хо­дить са­мо­сжа­тие (кон­трак­ция) стол­ба (см. Кон­тра­ги­ро­ван­ный раз­ряд).

В за­ви­си­мо­сти от ус­ло­вий го­ре­ния Д. р. его па­ра­мет­ры ме­ня­ют­ся в ши­ро­ких пре­де­лах. Клас­сич. при­мер Д. р. – раз­ряд по­сто­ян­но­го то­ка, сво­бод­но го­ря­щий в воз­ду­хе ме­ж­ду уголь­ны­ми элек­тро­да­ми. Его ти­пич­ные па­ра­мет­ры: ток от 1 А до со­тен ам­пер, рас­стоя­ние ме­ж­ду элек­тро­да­ми от мил­ли­мет­ров до не­сколь­ких сан­ти­мет­ров, темп-ра плаз­мы ок. 7000 К, темп-ра анод­но­го пят­на ок. 3900 К.

Д. р. при­ме­ня­ет­ся как ла­бо­ра­тор­ный ис­точ­ник све­та и в тех­ни­ке (ду­го­вые уголь­ные лам­пы). Д. р. с уголь­ным ано­дом, про­свер­лён­ным и за­пол­нен­ным ис­сле­дуе­мы­ми ве­ще­ст­ва­ми, ис­поль­зу­ет­ся в спек­траль­ном ана­ли­зе руд, ми­не­ра­лов, со­лей и т. п. Д. р. при­ме­ня­ет­ся в плаз­мо­тро­нах, ду­го­вых пе­чах для вы­плав­ки ме­тал­лов, при элек­тро­свар­ке, в разл. элек­трон­ных и ос­ве­тит. при­бо­рах. Т. н. ва­ку­ум­ная ду­га, ко­то­рая за­жи­га­ет­ся в ва­куу­ме и го­рит в парáх ме­тал­ла, ис­па­рив­ше­го­ся с ка­то­да, ис­поль­зу­ет­ся в ва­ку­ум­ных вы­со­ко­вольт­ных вы­клю­ча­те­лях.

Строение и зона анодного пятна

В структуре дуги различают 3 участка:

1. Катодное пятно. Является местом разгона и эмиссии электронов, имеет отрицательный заряд. Размер этой зоны — примерно 1 мкм (0,001 мм). Здесь выделяется 38% тепла, падение напряжения составляет 12-17 В.
2. Столб дуги. Имеет нейтральный заряд, поскольку положительные и отрицательные частицы присутствуют в равных количествах. Средняя длина — 5-10 мм. В этом участке выделяется 20% тепла, теряется 2-12 В.
3. Анодное пятно. Бомбардируется электронами, что придает ему вогнутую форму (кратер). Протяженность этой зоны составляет 10 мкм. Выделяется 42% тепла, теряется 2-11 В.