Електрична дуга

РОЗДІЛ 4

Бездугове розмикання електричного кола можливе тільки при введенні в це коло в місці розриву змінного опору. При цьому збільшення опору повинно забезпечити плавний перехід струму від І ₀в початок номінального розрахунку до 0. Теоретично таким опором може бути перехідний опір контакту, який зростає від відносно малого значення. (R _КОН = R_ст) до безмежності. На практиці опір змінюється так швидко, що зміна струму в контурі, за рахунок перехідного опору в контакті практично не відбувається. Між контактами в момент розходження утворюється іскра або дуга. Якщо струм І₀ та напруга и₀ більші за табличні значення критичних параметрів, то іскровий розряд переходить в дуговий і продовжується певний час в залежності від параметрів електричного кола. В середньому і₀ > 0, 5A; u₀ > 15B.

Якщо струм і₀ < 0, 1A, а змінна напруга дорівнює 220В, то виникає, так званий, тліючий розряд. Цей розряд в процесі горіння може перейти в дуговий розряд.

Електрична дуга викликається потоком заряджених частинок, які випромінюються з катода і направляються на анод. Для виникнення початкового потоку необхідна або поле певної напруженості, або висока температура в міжконтактному просторі.

Розглянемо початковий момент розходження контактів, коли на відстані 10^-6м виникає падіння напруги 10-20 В. Напруженість електричного поля в цей момент:

В/м.

Такої величини напруженості достатньо для випромінювання електронів з катоду. Від електричної дуги, що виникла, починає збільшуватись температура контактів та середовища міжконтактного проміжку. Це зростання температури відбувається паралельно з розходженнями контактів, тобто із зростанням перехідного опору температура дуги може досягати значень 6000-25000 К, при цьому зростає запас кінетичної

енергії електронів і вони починають вільно долати відстань між електродами та активно виділятися з катода. Розглянемо зону дуги між електродами:

В дузі, яка горить виділені 3-и зони:

1 – біля катодна;

2 – біля анодна;

3 – зона стовпа дуги.

Процеси в цих трьох зонах відбуваються по різному, в залежності від параметрів електричного кола та зовнішнього середовища. Найбільш вагомими факторами для іонізації міжконтактного проміжку є:

1) Електронна емісія (автоелектронна та термоелектронна) – це процес виділення заряджених частинок розпеченими тілами (біля контактна зона).

2) Іонізація поштовхом, або ударом. Відбувається, як правило, ступінчато. Спочатку декілька електронів збуджують атом, а потім наступні електрони іонізують його.

3) Термічна іонізація. Відбувається при високій температурі, при цьому швидкість частинок зростає до значень, при яких удар в нейтральний атом призводить до його іонізації (зона стовпа дуги). Кількість зарядів, які виникли за рахунок термічної іонізації можна визначити за допомогою рівняння Саха:

(4.1)

Р – тиск середовища;

Т – температура газу;

х – ступінь іонізації – відношення числа іонізованих частинок до загального числа частинок.

и_і - потенціал іонізації – розганяюча напруга, яку повинен пройти електрон для набуття енергії необхідної для іонізації.

Так як х< < 1, то при умові Т = const вираз (4.1) в приблизному вигляді можна записати:

(4.2)

З (4.2) видно, що збільшення тиску погіршує умови іонізації. Цей фактор активно використовується на практиці у ДП. Створюють спеціальну зону підвищеного тиску газу.

Іншим фактором, який впливає на іонізацію є температура. Для більшості двоатомних газів іонізація починається при температурі 6000К. Пари більшості металів іонізуються значно легше при температурі 3000-4000К. На практиці в ДП за допомогою різних способів намагаються не допускати попадання парів металу в зону дуги:

1. зменшення перерізу плавких вставок запобіжника;

2. переміщення дуги по електродах;

3. охолодження дуги потоком стисненого газу (повітря).

Тобто в двох останніх випадках зменшують температуру і як наслідок зменшується випаровування металу. На ряду з процесами іонізації в дуговому проміжку відбувається деіонізація:

1. Рекомбінація – це нейтралізація частинок в результаті з’єднання іонів з різними знаками. Швидкість характеризується коефіцієнтом рекомбінації:

(4.3)

зменшення числа заряджених частинок за рахунок рекомбінації можна знайти з рівняння швидкості зменшення числа зарядів за рахунок рекомбінації:

(4.4)

п – число іонів одного знаку.

2. Дифузія – процес при якому в наслідок теплового руху частинки відбувається вирівнювання щільності заряджених частинок. При цьому число заряджених частинок стовпів дуги зменшується, а опір зростає.

Швидкість зменшення числа заряджених частинок за рахунок дифузії можна визначити, як:

(4.5)

r – радіус стовпа дуги.

,

V – швидкість заряджених частинок;

довжина вільного пробігу електронів.

Швидкість зменшення числа заряджених частинок різко збільшується із зменшенням радіусу r.

На практиці цей факт використовують у ДП з вузькою щілиною. За рахунок вузької щілини зменшується радіус дуги, а також зменшується температура дуги (електрична дуга щільно прилягає до стінок ДП, які мають високу теплопровідність). В загальному вигляді кількість заряджених частинок:

(4.6)

Звідси отримаємо формальні умови горіння та гасіння дуги:

1. дуга загорається при умові

(4.7);

2. дуга горить стабільно при умові

(4.8);

3. для гасіння дуги необхідно створити умову

(4.9).

Процеси іонізації та деіонізації значною мірою визначаються температурою дугового проміжку, а вона визначається кількістю тепла, яке виділяється та кількістю тепла, яке відводиться. Характерними є:

1. Для відкритої дуги, що горить в повітрі, випромінюванням віддається 15-30% тепла.

2. Відведення тепла теплопровідністю в значній мірі залежить від температури та середовища. Так при температурі 4000К молекули водню дисоціюють на атоми, що приводить до різкого зростання теплопровідності (в 17 разів більше). Тому в атмосфері водню можна відключити в 7, 5 разів струм більший ніж в повітрі.

3. Трансформаторне масло під дією дуги розкладається з виділеннями водню.

4. Електрична дуга в деяких ДП під дією магнітного поля пересувається з великою швидкістю відносно контактів (віддача тепла за рахунок конвекції).

Дуги розділяють на довгі та короткі.

Коротка – виникає, як правило, при низькій напрузі, при цьому падіння напруги в біля катодній та біля анодній зонах більша падіння напруги в зоні стовпа дуги.

падіння напруги в біля катодній зоні дуги.

Фізична довжина дуги тут незначна. Умови гасіння дуги визначаються процесами, які відбуваються в біля електродних зонах.

Процеси в довгій дузі визначаються характеристиками стовпа дуги (висока напруга, велика довжина дуги).