7. Основные источники теплоты в электрических аппаратах.

8. Тепловые процессы при продолжительном режиме работы аппарата.

9. Тепловые процессы при кратковременном режиме работы аппарата.

10. Тепловые процессы при повторно-кратковременном режиме работы аппарата.

11. Нагрев аппарата при коротком замыкании.

Лекция 4. Электрическая дуга

План лекции:

1. Общие сведения.

2. Условие гашения дуги постоянного тока.

3. Условие гашения дуги переменного тока.

4. Способы гашения дуги.

5.1. Общие сведения.

В коммутационных электрических аппаратах, предназначенных для замыкания и размыкания цепи с током, при отключении возникает электрический разряд в газе либо в виде в виде тлеющего разряда, либо в виде дуги. Тлеющий разряд встречается на контактах маломощных реле и далее не рассматривается.

Дуга - электрический разряд в газе для которого характерны:  ясно очерченная граница между дуговым столбом и окружающей средой;  высокая плотностью тока в дуговом столбе (десятки — сотни  А/мм²);  высокая температура 5000…25000 ^оК.

Процесс возникновения дуги. При расхождении контактов вначале уменьшается контактное давление и соответственно контактная поверхность, увеличиваются переходное сопротивление - начинаются местные перегревы, которые в дальнейшем способствуют термоэлектронной эмиссии, когда под воздействием высокой температуры увеличивается скорость движения электронов, и они вырываются с поверхности электрода. Плотность тока при этом невелика и может быть достаточной для возникновения электрической дуги, но она недостаточна для ее горения.

В момент расхождения контактов, то есть разрыва цепи, на контактном промежутке быстро восстанавливается напряжение. Поскольку при этом расстояние между контактами мало, возникает электрическое поле высокой напряженности, под воздействием которого с поверхности электрода вырываются электроны – происходит автоэлектронная эмиссия. Плотность тока также невелика и не достаточна для дальнейшего горения дуги.

Процессы, поддерживающие горение дуги. В дуговом разряде различают три области:

Околокатодная область занимает весьма небольшое пространство, менее 10^-6м. Падение напряжения на ней составляет 10-20В и практически не зависит от тока. Средняя напряженность электрического поля достигает 100кВ/см. Такая весьма высокая напряженность электрического поля, достаточная для ударной ионизации газа этой области. Однако ввиду малой протяженности околокатодной области электроны не набирают скорости, достаточной для ударной ионизации. Чаще всего после удара атом переходит в возбужденное состояние (электрон атома переходит на более удаленную от ядра орбиту). Теперь для ионизации возбужденного атома требуется меньшая энергия. Происходит ступенчатая ударная ионизация - ионизация нейтральных частиц при многократном столкновении с электронами.

Положительные ионы разгоняются в поле катодного падения напряжения и бомбардируют катод. При ударе ионы отдают свою энергию катоду, нагревая его и создавая условия для выхода электронов, происходит термоэлектронная эмиссия электронов с катода.

Таким образом, околокатодная область является поставщиком электронов в ствол электрической дуги.

Область ствола электрической дуги представляет собой газообразную, термически возбужденную ионизированную квазинейтральную среду- плазму, в которой под действием электрического поля носители зарядов (электроны и ионы) движутся в направлении к электродам противоположного знака. Однако скорость тяжелых положительных ионов значительно ниже скорости электронов, поэтому в дуге протекает электронный ток. Проводимость  плазмы  приближается  к   проводимости   металлов.   

Средняя напряженность электрического поля около 20-30В/см, что недостаточно для ударной ионизации. Основным источником электронов и ионов является термическая ионизация, когда при большой температуре скорость нейтральных частиц увеличивается настолько, что при их столкновении происходит их ионизация. Термическая ионизация - основной процесс поддерживающий горение дуги.

В дуговом столбе наряду с ионизацией протекают процессы деионизции за счет рекомбинации - нейтрализации частиц за счет соединения ионов с зарядами различных знаков и диффузии – выхода заряженных частиц из области с большей их концентрации в область меньшей концентрации ( из ствола дуги в окружающее пространство). В стабильно горящей дуге процессы ионизации и деионизации уравновешены – наблюдается динамическое равновесие.

Околоанодная область, имеющая весьма малую протяженность, характеризуется также резким падением потенциала. Околоанодная область не оказывает существенного влияния на возникновение и условие существования дугового разряда. Задача анода сводится к приему электронного потока из ствола дуги.

Статическая вольтамперная характеристика (ВАХ) (рис.5.1.а поз.1) устанавливает связь между различными значениями установившегося постоянного тока и падением напряжения на дуге. В этом случае при каждом значении установившегося постоянного тока устанавливается тепловой баланс (количество тепла выделяемого в дуге равно количеству тепла отдаваемого дугой в окружающую среду)

Характеристика имеет падающий характер. Напряжение на дуге равно произведению силы тока на сопротивление дуги. При увеличении силы тока возрастает степень ионизации дуги, вследствие чего снижается сопротивление дуги , причем так резко, что напряжение на ней падает, несмотря на рост тока.