26. Основные стадии развития электрической дуги при размыкании

контактов электрического аппарата.

5-2. ПРОЦЕССЫ В ДУГОВОМ ПРОМЕЖУТКЕ

Размыкание электрической цепи с помощью контактов электрических аппара­тов сопровождается, как правило, возникновением дугового разряда между этими контактами. Дуговой разряд возникает в случаях, когда значения тока и напряже­ния на контактах превосходят некоторые критические значения, которые зависят от материала контактов, параметров цепи, окружающей среды и многих других факторов. Например, на медных контактах при нормальном атмосферном

Рис. 5-1. Вольт-амперная характеристика газового разряда

давлении дуга возникает при токах, превышающих О 5 А, и напряжении не ниже 15 В. При меньших значениях тока и напряжения размыкание кон­тактов сопровождается образованием искр.

о

Возникновение и горение дуги в воздушном промежутке между контактами свидетельству­ют об ионизации этого промежутка. В обыч­ных условиях воздух является хорошим изолято­ром (для пробоя воздушного промежутка в 1 см при атмосферном давлении 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 и образования свободных элект­ронов и положительно заряженных частиц — ионов называется ионизацией.

Физически процесс отключения цепи — электрического ее разрыва — состоит в деионизации воздушного промежутка между контактами, т. е. в восстановлении его диэлектрических свойств и прекращении вследствие этого электрического раз­ряда.

Явление прохождения электрического тока через газ, называемое газовым разрядом, может наблюдаться практически при любых значениях тока. Вольт-амперная характеристика последовательных его стадий в воздухе при атмосфер­ных условиях приведена на рис. 5-1 [21].

В зоне ОВ ток сперва (участок OA) растет с ростом напряжения, а затем (участок АВ) практически не меняется — наступает «насыщение» — все заряды, содержащиеся в промежутке, достигают электродов, а дополнительной ионизации не возникает. Зона ОВ представляет собой зону несамостоятельного разряда. Здесь ток поддерживается за счет внешних ионизаторов (космические лучи, свет, рент­геновские лучи и др.).

За точкой В напряжение становится достаточным для начала самостоятель­ного разряда. Это форма разряда (зона за точкой J5), когда носители электри­чества возникают в разрядном канале непосредственно за счет ионизирующих факторов, присущих самому газоразрядному каналу.

Участок ВС соответствует стадии пробоя, или таунсендовской стадии (по имени Таунсенда, разработавшего математическую теорию этой стадии). Наиболее харак­терные признаки стадии пробоя — ударная ионизация, незначительные простран­ственные заряды, лавинообразный процесс образования электронов и ионов.

Когда мощность источника способна вызвать в цепи токи порядка милли­ампер, возникает тлеющий разряд (участок CD), для которого характерна ударная ионизация, но уже в условиях резко неоднородного электрического поля, когда основное падение напряжения приходится на слой у катода. Тлеющий разряд характеризуется высоким падением напряжения у катода (200-250 В) и малыми токами (до 0,1 А).

Участок DE является переходным от тлеющего разряда к дуговому, где пре­обладающей формой ионизации является термическая ионизация. При атмосфер­ном и более высоком давлении дуговой разряд характеризуется [21]:

ясно очерченной границей между стволом дуги и окружающей средой;

высокой плотностью тока в стволе дуги (до сотен ампер на квадратный ^миллиметр);

высокой плотностью тока на катоде и малым падением напряжения у катода (10-20 В);

высокой температурой внутри ствола ду| и, достигающей 5000—10 000 К и бо­лее и обеспечивающей термическую ионизацию.

Рассмотрим основные физические процессы, приводящие к ионизации и де-ионизации воздушного промежутка.

Ионизация. Ионизация газа может происходить под действием многих фак­торов, таких, как свет, космические лучи, высокая температура, электрическое поле и другие. Для дуговых процессов в электрических аппаратах наибольшее значе­ние имеют: из процессов, происходящих у электродов, автоэлектронная и термо­электронная эмиссии, а из процессов, происходящих в дуговом стволе, термиче­ская ионизация и ионизация толчком.

Автоэлектронная эмиссия. Это — явление выхода электронов из катода под воздействием сильного электрического поля — 10⁵ В/см и выше. Такие напряжен­ности у катода могут создаваться пространственными зарядами, а также в про­цессе расхождения контактов. Место разрыва электрической цепи может быть представлено как конденсатор переменной емкости [26]. 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 10⁵ —10⁸ В/см. Ток автоэлектрониой эмиссии весьма мал и может быть достаточным только для начала развития дугового разряда.

Термоэлектронная эмиссия. Термоэлектронной эмиссией называется явление испускания электронов из накаленной поверхности. Если материал катода таков, что температура его кипения может превысить 2500 К, то эмиссия электронов с поверхности катода может происходить за счет термических процессов. Такое явление имеет место в электрических аппаратах при расхождении контактов, где последняя площадка контактирования сильно разогревается, часто до расплавления и испарения. На отрицательном электроде образуется катодное пятно (раскален­ная площадка), которое служит основанием дуги и очагом излучения электронов.

Плотность тока термоэлектронной эмиссии зависит от температуры и мате­риала контактов. Ток термоэлектронной эмиссии также невелик и может быть достаточным для возникновения электрической дуги, но недостаточен для ее го­рения.

Возможно и совместное существование автоэлектронной и термоэлектронной эмиссии при нагретом катоде.

Дуга может существовать между металлическими электродами и при холод­ном катоде. В этом случае имеет место в основном автоэлектронная эмиссия.

Ионизация толчком. Если свободный электрон будет обладать достаточной скоростью, то при столкновении с нейтральной частицей (атом, а иногда и моле­кула) он может выбить из нее электрон. В результате получается новый свобод­ный электрон и положительный ион. Вновь полученный электрон может, в свою очередь, ионизировать следующую частицу. Такая ионизация называется иониза­цией толчком.

Для того чтобы электрон мог ионизировать частицу газа, он должен дви­гаться с некоторой определенной скоростью, зависящей 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 пробега, чтобы электрон к концу пути при­обрел необходимую скорость. Эта разность потенциалов носит название потен­циала ионизации.

Рис. 5-2. Зависимость степени ионизации от

температуры

Энергия ионизации V_u для газов составляет 13-16 эВ (азот, кислород, водород) и до 24,5 эВ (гелий), для паров металла она примерно в два раза ниже (7 7 эВ для паров меди). Энергия иони- зации газовой смеси определяется самой ' — низкой энергией ионизации одного из компонентов и в очень малой степени зависит от концентрации этих компонентов. В короткой дуге всегда имеются пары металла электродов, и энергия ионизации, а следовательно, и степень иони- зации дугового промежутка определяются энергией ионизации этих паров.

Следует отметить, что не всякий электрон, имеющий энергию выше энергии, соответствующей V_m ионизирует нейтральную частицу, так как только часть таких электронов приходит в должное соприкосновение с нейтральными частицами. При энергиях, меньших энергии, соответствующей V„, вероятность ионизации толчком равна нулю, при больших энергиях эта вероятность возрастает.

Термическая ионизация. Это — процесс ионизации под воздействием высокой температуры. Если рассмотреть ионизацию газа с точки зрения термических процессов, то оказывется, что при тех температурах, которые имеют место в дугах, ионизация значительно более вероятна при соударениях частиц в тепловом хао­тическом движении, чем от воздействия электрического поля. Основной характе­ристикой термической ионизации является степень ионизации, представляющая собой отношение числа ионизированных атомов в газе дуги к общему числу атомов в этом газе.

На рис. 5-2 приведена зависимость степени ионизации паров металлов (кри­вая /) и воздуха (кривая 2) от температуры, построенная для V_K = 7,5 эВ и Ц, = = 15 эВ [21]. Из рисунка видно, что при энергии ионизации, лежащей в области 7 — 8 эВ, и при температурах газа дуги 3000 — 6000 К можно наблюдать иониза­цию, достаточную для обеспечения проводимости газа в дуговом канале. Терми­ческая ионизация в воздухе практически прекращается при температурах ниже 3000 К.

Деионизация идет одновременно с ионизацией. При возникновении и развитии дугового разряда преобладают процессы ионизации, в устойчиво горящей дуге процессы ионизации и деионизации одинаково интенсивны, при преобладании процессов деионизации дуга гаснет, дуговой разряд прекращается. Основными физическими процесами здесь являются рекомбинация и диффузия.

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 электрона с положительным ионом ввиду ольшой разности скоростей маловероятно. Обычно рекомбинация происходит ^пРи^ помощи нейтральной частицы, которую электрон заряжает. При соударении этой отрицательно заряженной частицы с положительным ионом образуется одна ^Иди две нейтральные частицы.

Различают рекомбинацию в объеме, когда третьим телом служит нейтраль-^Ная частица газа, и рекомбинацию на поверхности, когда третьим телом служит поверхность вблизи дуги (стенка камеры). В последнем случае электроны заряжают оверхность стенки до потенциала, при котором положительные ионы притягива­ния к этой поверхности и, присоединив электрон, образуют нейтральные частицы.

Скорость рекомбинации в объеме прямо пропорциональна объемной плотности ионов и обратно пропорциональна кубу абсолютной температуры. При относи­тельно небольших концентрациях ионов и невысоких температурах рекомбинация на поверхности превосходит рекомбинацию в объеме в 10²— 10⁶ раз.

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 стволе 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 ствола дуги и окружающего пространства. Заряженные частицы, вы­шедшие из области дуги, в конечном итоге рекомбинируют вне этой области.

В стабилизированной и свободно горящей дуге диффузия играет ничтожно малую роль.

В дуге, обдуваемой сжатым воздухом, а также в быстро движущейся откры­той дуге деионизация за счет диффузии может по значению быть близкой к деионизации вследствие рекомбинации, В дуге, горящей в узкой щели или закрытой камере, деионизация происходит главным образом за счет рекомби­нации.

Из рассмотрения процессов ионизации и деионизации следует, что основным фактором, обеспечивающим горение дуги, является ее высокая температура — тер­мическая ионизация. Отсюда следует, что всемерное интенсивное охлаждение ствола дуги является преобладающим способом ее гашения. Газы с большей теплопроводностью и теплоемкостью обладают лучшей охлаждающей способ­ностью, а следовательно, и лучшими дугогасящими свойствами. Например, кисло­род, углекислый газ, водяной пар и водород имеют по отношению к воздуху теплопроводность (среднюю в пределах 0 — 6000 К) соответственно 1,8; 2,5; 5 и 17 и дугогасящие свойства соответственно 1,8; 2,6; 3,8 и 7