Глава 1 Анализ современного состояния теоретических и практических положений
1.1 Типы самостоятельных разрядов
В 1802 году В.Петровым был открыт дуговой разряд в виде электрической или вольтовой дуги. Электрическая дуга- это нелинейно изменяющаяся во времени электрическая нагрузка, оказывающая очень негативное влияние на качество электроэнергии в ЭЭС. В зависимости от условий различают следующие типы разряда: тлеющий, коронный, дуговой и искровой.
Тлеющий разряд наблюдается при пониженных давлениях газа (порядка 0,1 мм рт. ст.). Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку, приложить постоянное напряжение в несколько сот вольт и затем постепенно откачивать воздух из трубки, то наблюдается следующее явление: при уменьшении давления газа в некоторый момент в трубке возникает разряд, имеющий вид светящегося шнура, соединяющего анод и катод трубки (рис. 1.1). При дальнейшем уменьшении давления этот шнур расширяется и заполняет все сечение трубки, а свечение вблизи катода ослабевает. Около катода образуется первое темное пространство 1, к которому прилегает ионный светящийся слой 2 (тлеющее свечение), который имеет резкую границу со стороны катода и постепенно исчезает со стороны анода. За тлеющим свечением наблюдается опять темный промежуток 3, называемый фарадеевым или вторым темным пространством. За ним лежит светящаяся область 4, простирающаяся до анода, или положительный столб.
Рис. 1.1 Тлеющий разряд
Особое значение в тлеющем разряде имеют только две его части — катодное темное пространство и тлеющее свечение(рис 1.2), в которых происходят основные процессы, поддерживающие разряд. Электроны, ионизирующие газ, возникают в результате фотоэмиссии с катода и столкновений положительных ионов с катодом трубки.
Толщина катодного слоя (КС) и его характерные времена весьма малы, поэтому он наиб. автономен и его свойства являются общими для большинства видов T. р. Наличие большого скачка потенциала на КС стационарного T. р. (200-400 В) обусловлено тем, что поле в КС должно обеспечивать интенсивную ионизацию и усиление ионного и электронного токов. Ширина КС d равна нескольким длинам ионизации электроном атомов или молекул газа. Если средняя плотность тока на катоде меньше величины нормальной плотности тока jн, то TC покрывает, лишь часть катода. При увеличении тока площадь, занятая током, увеличивается пропорционально току, а напряжение на КС постоянно и равно нормальному катодному падению. Это важное свойство T. р. названно законом нормальной плотности тока. Гидродинамическая модель (Энгеля - Штеенбека) однородного вдоль катода КС постулирует, что величины Uн и jн равны мин. напряжению и соответствующей ему плотности тока теоретической вольтамперной характеристики (BAX). Эта модель правильно описывает подобия законы, наблюдаемые экспериментально: jн/p2, pdн, Uн зависят только от рода газа и материала катода. Однако количество совпадение теории с экспериментом носит скорее случайный характер. Постулат Энгеля - Штеенбека и закон нормальной плотности тока нашли подтверждение в рамках двумерных нестационарных гидродинамических уравнений, решённых численными методами (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Распределение плотности тока на катоде в тлеющем разряде в азоте (расчёт) при давлении р = 5 тор, межэлектродном расстоянии 1 см; а - при токе I=0,75 mА, б - при I=1,5 mA.
Аналогичные явления имеют место на аноде T. р. Электроны, выходящие из плазмы ПС, ускоряются на скачке потенциала AC, как и вблизи катода, производят ионизацию газа. Однако здесь ионизация не столь сильна, но она необходима, т. к. эмиссия ионов с холодного анода отсутствует. В стационарном тлеющем разряде закон нормальной плотности тока проявляется в покоящемся газе, при отсутствии потока газа. Гидродинамическая модель плоского анодного слоя, учитывающая кинетические эффекты, объясняет законы подобия: jн/p2, Uн зависят только от рода газа. Неустойчивость плоского AC имеет теоретическое объяснение в рамках гидродинамических уравнений, в этом приближении структура стационарного анодного пятна определяется диффузией электронов.
Искровой разряд, часто наблюдаемый в природе, — молния. Молния — это разряд между двумя заряженными облаками или между облаком и землей. Носителями зарядов в облаках являются заряженные капельки воды или снежинки.
В лабораторных условиях искровой разряд можно получить, если постепенно увеличивать напряжение между двумя электродами, находящимися в атмосферном воздухе и имеющими такую форму, что электрическое поле между ними мало отличается от однородного. При некотором напряжении возникает электрическая искра. При этом искровой разряд с огромной быстротой пронизывает разрядный промежуток, гаснет и вновь возникает. Ярко светящийся изогнутый канал искры соединяет оба электрода и имеет сложное разветвление (рис. 1.3).
Рис. 1.3 Искровой разряд
Свечение в искре — результат интенсивных процессов ионизации. Звуковые эффекты, сопровождающие искру, порождаются повышением давления (до сотен атмосфер) вследствие нагревания газа (до 105 °С) в местах прохождения разряда. Искра возникает в том случае, если напряженность электрического поля в газе достигает некоторой определенной величины, которая зависит от рода газа и его состояния.
Если, оставляя напряжение постоянным, уменьшить расстояние между электродами, то напряженность поля в газовом промежутке будет увеличиваться. При некотором ее значении произойдет искровой разряд. Чем выше будет приложенное напряжение, тем больше будет расстояние между электродами, при котором произойдет искровой разряд. Принцип действия искрового вольтметра — прибора для измерения очень высоких напряжений — основан как раз на этом явлении.
Коронный разряд наблюдается при сравнительно высоких давлениях газа (например, при атмосферном давлении) в резко неоднородном электрическом поле. Для получения значительной неоднородности поля электроды должны иметь резко различающиеся поверхности, т.е. один электрод — очень большую поверхность, а другой — очень малую. Так, например, коронный разряд можно легко получить, располагая тонкую проволоку внутри металлического цилиндра, радиус которого значительно больше радиуса проволоки.
Напряженность поля вблизи проволоки имеет наибольшее значение. Когда напряженность поля достигает значения Ε ≈ 3 МВ/м, между проволокой и цилиндром зажигается разряд, и в цепи появляется ток. При этом возле проволоки наблюдается свечение, имеющее вид оболочки или короны, окружающей проволоку, откуда и произошло название разряда.
Коронный разряд возникает как при отрицательном потенциале на проволоке (отрицательная корона), так и при положительном (положительная корона), а также при переменном напряжении между проволокой и цилиндром.
В природе коронный разряд возникает иногда под действием атмосферного электрического поля на ветках деревьев, верхушках мачт (так называемые огни святого Эльма). Коронный разряд может возникнуть на тонких проводах, находящихся под напряжением. Возникновением коронного разряда на остриях проводников объясняется действие громоотвода, защищающего здания и линии передач от ударов молнии.
Дуговой разряд можно наблюдать при следующих условиях: если после зажигания искрового разряда постепенно уменьшать сопротивление цепи, то сила тока в искре будет увеличиваться. Когда сопротивление цепи станет достаточно малым, возникнет новая форма газового разряда, называемого дуговым. При этом сила тока резко увеличивается, достигая десятков и сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке уменьшается до нескольких десятков вольт. Это показывает, что в разряде возникают новые процессы, сообщающие газу очень большую электропроводность.
В настоящее время электрическую дугу, горящую при атмосферном давлении, чаще всего получают между специальными угольными электродами. Наиболее горячим местом дуги является углубление, образующееся на положительном электроде и называемое кратером дуги. Его температура при атмосферном давлении около 4000 °С.
В зависимости от давления газа различают дугу низкого давления (Р<<1 атм.) и дугу высокого давления (Р≥1 атм). Дуговые разряды классифицируются по эмиссионным процессам на катоде, различают следующие основные типы дугового разряда:
Дуга с термоэлектронной эмиссией, катод которой разогревается разрядом, а дуга является самоподдерживающейся. Самым простым примером здесь является дуга с вольфрамовыми электродами в азоте. Температура катода в такой дуге составляет около 2500 К, при этом термоэлектронная эмиссия примерно равна току в дуге.
Дуга с термоэлектронной эмиссией, катод которой нагревается извне.
Дуга с автоэлектронной эмиссией. Примером здесь является ртутная дуга. В разряде такого типа на катоде видно яркое пятно, передвигающееся по поверхности электрода. Плотность тока достигает огромных величин - до 106 А/см2.
Металлическая дуга.
Дуговой разряд вызывает в ЭЭС искажение синусоидальности кривой напряжения, несимметрию и колебание напряжения. Для анализа высших гармоник, вырабатываемых в электрическую сеть нелинейной дуговой нагрузкой, необходимы точные модели электрической дуги. Так как горение дуги происходит случайным образом, получение точной модели дуговой нагрузки становится практически не возможным.