P = ρRT

h0 dρ = d(hρ)− d(ρRT ) h = CPT

R = CP −CV

a) процесс наполнения начинается с надкритического режима:

Y = Yкр = const ; Ψ(Yкр )= const

b) вторая стадия – подкритический режим

Во многих случаях наполнение резервуара заканчивается на стадии надкритического режима, например, в вакуумных и воздушных выключателях.

Тема 12. Электрическая дуга в коммутационных аппаратах

§1. Роль дуги в коммутации электрических цепей.

Электрическая дуга – это самостоятельная форма электрического разряда.

131

Отрицательное воздействие дуги:

1)интенсивный износ контактов – температура дуги достигает десятки тысяч кельвинов и не существует материала, который бы выдерживал такие температуры;

2)опасность разрушения аппаратов или всей системы.

ВЭА предусматривается дугогасящее устройство, для которого электрическая дуга – это норма. Управление электрической дугой:

1)локализация места горения дуги;

2)минимизация длительности горения

Ваварийных режимах при предельных токах на индуктивных элементах электрических сетей накапливается огромная величина энергии:

WL = 12 LI 2

При отключении накопленная энергия переходит в энергию электростатического поля:

WC = 12 C0U 2 ,

где С0 – конструктивная (паразитная) ёмкость Процесс отключения сопровождается гигантскими перенапряжениями.

Устанавливается допустимая величина перенапряжений в (2÷2,5) раза больше номинала. Электрическая дуга потребляет огромное количество энергии и устраняет возможное разрушение

при предельных токах, т.е. дуга – поглотитель энергии при аварийных режимах. Чем меньше длительность горения дуги, тем больше перенапряжение. Существует оптимальное время горения электрической дуги. Существуют специальные лаборатории разрывных мощностей.

§2. Основные зоны дугового разряда. Дуга как элемент электрической цепи. Дуга появляется при нарушении однородности электрической цепи. Способы перехода из изолирующего состояния в проводящее:

1)фотоэффект (фотоэмиссия);

2)автоэлектронная эмиссия – это процесс выхода электронов из металла за счёт внешнего электростатического поля

å -

Å

3) термоэлектронная эмиссия:

v

T

Перечисленные процессы являются поверхностными. 4) ударная ионизация

F

E

5)термическая ионизация (не нуждается во внешнем поле):

àòîì àòîì

T

Последние два процесса являются объёмными.

Рассмотренные процессы – это динамические процессы и одновременно с ионизацией появляются процессы деионизации.

Виды деионизации:

1)рекомбинация – переход заряженных частиц в нейтральные атомы;

2)диффузия – выравнивание парциальных давлений (концентрации частиц)

132

В процессе диффузии в основном участвуют электроны, обладающие меньшей массой, при этом появляется электростатическое поле, препятствующее электронам. Это явление называется биполярной диффузией.

Необходимо воздействовать на процессы, повышая интенсивность деионизации и ослабляя иони-

зацию.

Дуга отключения всегда горит в стеснённых условиях (повышенное давление, интенсивное охлаждение и т.д.).

Два способа зажигания дуги в коммутационных аппаратах: 1) при отключении (для силовых установок):

контакты

Искровой разряд переходит в дугу.

Дуга горит при наличии паров металла в межконтактном промежутке.

I. Прикатодный слой – это слой у поверхности с отрицательным потенциалом с размером порядка

10−5 см.

133

Первые свободные электроны обусловлены автоэлектронной эмиссией.

Процесс ионизации носит лавинообразный характер, начиная с ударной ионизации.

Электроны быстро уходят из прикатодного слоя и образуется избыточный положительный заряд. Положительный заряд движется в сторону катода, отдавая ему огромную накопленную энергию, нагревая катод, что вызывает термоэлектронную эмиссию.

Для прикатодного слоя справедлив ионный характер проводимости. Энергетический баланс:

Рк = Рэмис + Рисп + Рλ ,

где Рисп – составляющая энергии, обусловленная испарением металла (излучением); Рλ – составляющая энергии, обусловленная теплопроводностью

Пороговое значение тока, при котором энергетический баланс соблюдается и происходит горение

дуги:

Для меди при Ткип ≈ 2500°С:

Iпор =12А

U > uк

Наличие прикатодного слоя – это условие существования электрической дуги.

II.Прианодный слой – это слой у поверхности с положительным потенциалом длиной несколько миллиметров.

Е ≈ 500 смВ uа = (10 ÷50)В

отрицательный объ¸мный заряд

õà

Ионизации в прианодном слое нет, т.к. напряжённость электрического поля мала и электроны не накапливают достаточной энергии.

Температура анода повышается и возникает термоэлектронная эмиссия вплоть до расплавления анода, причём этот процесс носит лавинообразный характер.

В зоне сохраняется повышенное сопротивление.

Происходит смена полярности электрода, и мгновенно образуется изолирующая зона без носителей заряда.

Гашение дуги происходит при условии:

Uвнеш < Uнп,

где Uнп – напряжение начальной прочности

При токах несколько килоампер напряжение начальной прочности мало, и процесс неощутим.

134