Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Лекции по ОТЭА.pdf
Скачиваний:
58
Добавлен:
13.03.2016
Размер:
2.62 Mб
Скачать

Эффект начальной прочности можно умножить раздроблением дуги на несколько частей, тогда:

U нпΣ = nU нп

Выше названный деионный способ основной при гашении электрической дуги.

III.Дуговой ствол (столб) – это газовый проводник, в котором нет жёсткой кристаллической решётки. Газовая среда в дуговом стволе представлена в форме плазмы.

Е (10 ÷100)смВ

Напряжённость электрического поля практически постоянна по радиусу канала дуги и по длине канала.

uсд = Еlсд Еlд

При Е const :

l

uсд = Еdx

0

uд = uк + иа + исд

Падение напряжения в приэлектродном слое:

U пэ = uк + иа = const U пэ = (10 ÷50)B

a) короткая дуга:

ид U пэ

b) при напряжениях свыше 10 кВ:

uд исд ; исд » Uпэ

§3. Низкотемпературная плазма. Элементарные процессы в плазме. Свойства плазмы.

Плазма – это частично или полностью ионизированная среда с примерно одинаковым количеством разноимённо заряженных частиц.

Главная особенность плазмы – квазинейтральность, т.е. одинаковое количество разноимённых зарядов.

Две группы сил в плазме:

1)электростатические;

2)молекулярные

Поля отдельных частиц нейтрализуются. Различают:

1) высокотемпературную плазму

Т > 105 кК

2) низкотемпературную плазму

Т< 105 кК

Ввысокотемпературной плазме температура распределена неравномерно в отличие от низкотемпературной плазмы.

Температура дугового разряда достигает значений до 20 кК. Взаимное электрическое экранирование отдельных заряженных частиц. Дебаевский радиус экранирования:

D = 5 Tn ,

где Т – температура дугового разряда; n – концентрация заряженных частиц

Для молнии:

Т = 20кК ; n = 2,5 1023 ; D =1нм

Если обеспечивается взаимное экранирование, то плазму принято называть идеальной.

Nчастиц = 43 πnD3

Дуговой разряд считается слабоидеальным.

135

Сечение взаимодействия – это вероятностная характеристика возможного искажения траектории.

r

å

-

 

a

Различают:

1) сильные (близкие) взаимодействия при α > 1радиан Вероятность сильных взаимодействий:

Р = Nnvс

Сечение взаимодействия:

Sв = Р

2)слабые взаимодействия при α < 1радиан Модели плазмы:

1)корпускулярная, рассматривающая плазму как совокупность частиц с учётом их взаимодействия;

2)магнитогидродинамическая, рассматривающая плазму как сплошную среду с собственными параметрами;

3)кинетическая с применением распределения Максвелла.

v= f (P)

Кинетическая модель позволяет определить электрические характеристики плазмы. j = Eσ ,

где σ – объёмная удельная электрическая проводимость i = qt

q= neV = neSvсрt i = neSvср

j = nevср

Чувствительность заряженной частицы к полю (подвижность): b = vЕср

j = nebE σ = neb

Принцип сохранения момента системы:

me vср = еЕτ ,

где τ – среднее время пробега электрона

vср = еЕτ

me

b = еτ me

τ= λср , vcp

где λср – средняя длина пробега электрона

σ = 2 λcp

me vcp

136

s

Ò, êÊ

Начиная с некоторых значений температуры, объёмная электрическая проводимость плазмы становится больше проводимости самых лучших металлических проводников.

Электропроводность электрической дуги несколько ниже электропроводности меди. §4. Основные физические свойства и характеристики ствола дуги.

Термическая ионизация – главный способ обеспечения электропроводности в дуговом стволе. Ствол дуги – поглотитель энергии сети и ограничивает рост напряжений.

Степень ионизации:

κ = nnз ,

где nз – число заряженных частиц в определённом объёме; n – общее число частиц в том же объёме

0 < κ ≤ 1

При многократной ионизации возможно:

κ> 1

1.Зависимость степени однократной ионизации от температуры. Уравнение Саха:

 

3

 

 

 

 

 

κ = КиТ

 

eUи

,

2

 

exp

 

 

 

 

 

 

 

 

КБТ

 

где Ки – коэффициент ионизации, характеризующий состав среды; КБ – постоянная Больцмана

k

 

 

 

1

 

 

 

 

 

для воздуха

 

0,5

 

 

 

8 10

20

30

Ò, êÊ

Пары металла поддерживают горение дуги и температура, способствующая ионизации, снижается примерно на 4 кК.

n

nH2

n

 

ne , nN +

 

ç

 

N

 

 

 

 

 

 

 

nN ++

 

 

 

 

 

 

nN +++

 

4

10

20

30

Ò, êÊ

2. Зависимость энергетических характеристик от температуры.

СР = dTdh ,

где h – энтальпия (полное теплосодержание)

137

CP

 

ÑÐmax

элегаз

 

1

2

воздух

 

T

1 – точка диссоциации азота; 2 – точка диссоциации кислорода Как поглотитель энергии элегаз эффективнее воздуха.

При температуре около 2 кК происходит разложение элегаза и происходит повышенное поглощение энергии элегазом.

Элегаз – электроотрицательный газ, способный захватывать электроны, образуя «мощные» моле-

кулы.

3. Зависимость теплопроводности от температуры.

l

водород

воздух,

элегаз

T, êÊ

Теплопроводность элегаза может быть ниже теплопроводности воздуха, т.к. молекулы элегаза тяжелее.

Применение воды в качестве источника водорода неэффективно, т.к. при разложении воды образуется взрывоопасная среда водорода и кислорода, а также нарушаются изоляционные свойства.

Главным источником водорода являются минеральные углеводородные масла, например, трансформаторное масло.

Масляные выключатели получили широкое распространение, но в настоящее время исчерпали

себя.

4. Зависимость параметров деионизации от температуры. Интенсивность процесса деионизации (рекомбинации):

dn

з

= −K

 

n2

 

 

 

з

,

dt

1 Т2

 

 

где К1 – коэффициент пропорциональности Основные факторы, влияющие на гашение дуги:

a)охлаждение дуги, например, воздушным потоком;

b)соприкосновение дуги с твёрдыми стенками. С этой целью дугу загоняют в узкую щель.

c)перемещение дуги;

d)давление, повышение которого способствует гашению дуги.

Интенсивность диффузии:

dnз

= −K

 

nз

,

dt

2 d02

 

 

где d0 – диаметр ствола дуги

Диаметр ствола дуги пропорционален величине тока.

При минимальных значениях ствола дуги процесс диффузии интенсивнее. 5. Распределение температуры по радиусу.

138

jA Ò 18(20)êÊ

T

jA

4êÊ

2,5êÊ

dä

r

dâèä

 

dвид – диаметр дуги, видимой человеку

6. Энергетический баланс ствола дуги.

Pdt = dWвн + Ротдdt ,

где Pdt – мощность сети; dWвн – внутренняя энергия;

Ротдdt – перенос теплоты в окружающую среду

 

 

 

P =

dWвн

 

+

Ротд

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a) локальный баланс энергии в ограниченном объёме

 

 

Закон Джоуля-Ленца:

 

 

 

Р = Е2σdV ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где σ – удельная объёмная электропроводность

 

 

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

2

 

Wвн = dh

ρdV

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= d h

 

 

2

ρdV

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dWвн

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

2

 

 

 

 

 

= ρ

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h

+

 

 

 

dV

 

 

 

dt

 

2

 

 

 

 

 

V

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

Ротд = qrпdS = divqrV dV

Локальный баланс энергии:

 

 

 

 

S

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

v

2

 

 

 

 

 

r

 

 

E

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σ =

ρ

 

 

 

 

 

 

 

 

+ divqV

 

 

 

 

 

h +

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b) баланс энергии по единице длины дугового ствола

qV = qλ + qи + qк + qP + qдп ,

где qP – поток, обусловленный изменением давления

qдп – удельный тепловой поток (диссипативный поток), обусловленный внутренним трением Основная составляющая – теплопроводность.

Р = Е2σdV

V

dV = Sdl

Р = E 2 σSdl = E 2 g = Ei ,

V

где g – удельная электрическая проводимость

dWвн

= ρ

dh

dV =

d

(h M )=

dH

=

dQ

,

 

 

 

 

 

dt

V

dt

dt

 

dt

 

dt

 

где Н* - полное теплосодержание по длине дуги

139