2.1.1. Физические процессы в электрической дуге.

Размыкание электрической цепи при наличии в ней тока сопровождается электрическим разрядом между контактами. Если в отключаемой цепи ток и напряжение между контактами больше, чем критические для данных условий, то между контактами возникает дуга, продолжительность горения которой зависит от параметров цепи и условий деионизации дугового промежутка. Образование дуги при размыкании медных контактов возможно уже при токе 0,4-0,5 А и напряжении 15 В.

Рис. 2.1. Расположение в стационарной дуге постоянного тока напряжения U(a) и напряженности Е(б).

В дуге различают околокатодное пространство, ствол дуги и околоанодное пространство (рис.2.1). Все напряжение распределяется между этими областями U_к, U_сд, U_а. Катодное падение напряжения в дуге постоянного тока 1020 В, а длина этого участка составляет 10^–410^–5 см, таким образом, около катода наблюдается высокая напряженность электрического поля (10⁵10⁶ В/см). При таких высоких напряженностях происходит ударная ионизация. Суть ее заключается в том, что электроны, вырванные из катода силами электрического поля (автоэлектронная эмиссия) или за счет нагрева катода (термоэлектронная эмиссия), разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать один электрон с оболочки нейтрального атома, то произойдет ионизация. Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги.

Проводимость плазмы приближается к проводимости металлов [у= 2500 1/(Омсм)]. В стволе дуги проходит большой ток и создается высокая температура. Плотность тока может достигать 10 000 А/см² и более, а температура  от 6000 К при атмосферном давлении до 18000 К и более при повышенных давлениях.

Высокие температуры в стволе дуги приводят к интенсивной термоионизации, которая поддерживает большую проводимость плазмы.

Термоионизация  процесс образования ионов за счет соударения молекул и атомов, обладающих большой кинетической энергией при высоких скоростях их движения.

Чем больше ток в дуге, тем меньше ее сопротивление, а поэтому требуется меньшее напряжение для горения дуги, т. е. дугу с большим током погасить труднее.

Самостоятельная работа:

35. Показатели графиков нагрузки (0,5 часа);

36. Качество электроэнергии (0,5 часа).

Литература:

35. Коваленко И.В. Электроэнергетика. Производство электроэнергии: учеб. Пособие / И.В. Коваленко, А.А. Егонский. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006.

Раздел 2.

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПРОВОДНИКАХ И АППАРАТАХ

ЛЕКЦИЯ 3.

Тема 2.1 (2 час)

Основы теории электрической дуги и способы ее гашения

План

2.1.2. Отключение цепей постоянного тока

2.1.3. Отключение цепей переменного тока

2.1.4. Основные способы гашения дуги

2.1.2 Отключение цепей постоянного тока

Вольт-амперные характеристики дуги. Зависимость напряжения дуги от тока при очень медленном изменении последнего представляет собой статическую характеристику дуги (рис. 2.2). Для дуги постоянного тока эта характеристика имеет падающий характер что объясняется весьма быстрым ростом проводимости дугового промежутка при увеличении тока.

Рис. 2.2. Примерный вид статической характеристики дуги

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 запаздыванием, Это явление называют гистерезисом.

Допустим, что ток внезапно уменьшился от значения i₁ (точка 1) до значения i₂. В первый момент дуга сохранит свое сечение и температуру, а градиент уменьшится (точка 2’). Подводимая мощность будет меньше необходимой для про ведения тока i₂. После этого сечение и температура дугового столба начнут уменьшаться, а градиент напряжения увеличиваться, пока не наступит новое установившееся со стояние в точке 2, лежащей на статической характеристике.

При плавном изменении тока с некоторой скоростью напряжение не успевает следовать за изменением тока в соответствии со статической характеристикой. При увеличении тока напряжение превышает значения, определяемые статической характеристикой, а при уменьшении тока напряжение меньше этих значений. Кривые при изменении тока с некоторой скоростью представляют собой динамические характеристики дуги. Положение этих характеристик по отношению к статической характеристике зависит от скорости изменения тока: чем медленнее происходит изменение тока, тем ближе расположена динамическая характеристика к статической, В рассматриваемых условиях дугового разряда может быть только одна статическая характеристика. Число динамических характеристик неограниченно.

При неизменном токе дуга постоянного тока устойчива. Всякие температурные отклонения в стволе дуги немедленно компенсируются изменениями потребляемой мощности и температура дуги возвращается к первоначальному значению.

По другому ведет себя дуга постоянного тока при неизменном напряжении. При повышении температуры в стволе дуги увеличивается его проводимость, возрастает ток и соответственно мощность. Это приводит к дальнейшему повышению проводимости и температуры. Обратный процесс охлаждения дуги в конечном счёте ведёт к ее погасанию.

При горении дуги в выключателе в ней одновременно протекают два противоположных процесса - ионизации и деионизации. Если скорость образования ионов путем термической и ударной ионизации равна скорости исчезновения ионов путем рекомбинации и диффузии, в дуге будет существовать баланс ионов, она будет устойчивой. Для гашения дуги постоянного тока необходимо принудительно уменьшить ток в дуге до нулевого значения за счет ослабления процессов ионизации и усиления процессов деионизации. При высоких температурах в общем процессе деионизации преобладает диффузия, а при охлаждении дуги более значительную роль начинает играть рекомбинация. На процессы в дуге влияют среда, давление и др.