Процеси, що відбуваються в дуговому проміжку

Розмикання електричних ланцюгів навіть при невеликих значеннях напруги й струму супроводжується, як правило, електричним розрядом між розбіжними контактами.

Залежність спадання напруги U на розрядному проміжку від струму I електричного розряду в газах приведена на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Вольтамперна характеристика електричного розряду в газах

 

Перша ділянка (область I) кривої, що представляє собою область тліючого розряду характеризується високим спаданням напруги в катода (200…250В) і малими струменями (до 0,1 А). При тліючому розряді щільність струму в розрядному проміжку виміряється декількома мікроамперами на 1 см². З ростом струму росте спадання напруги на розрядному проміжку (до 300…400В).

Друга ділянка кривої (область II) являє собою перехід із тліючого розряду в дуговий.

Третя ділянка кривої - дуговий розряд (область III) - характеризується малим спаданням напруги біля електродів (10...20…20 В) і великою щільністю струму (до 100 кА/см²). З ростом струму напруга на дуговому проміжку спершу падає, а потім практично мало міняється.

Електрична дуга супроводжується високою температурою і зв'язана з цією температурою. Тому дуга - явище не тільки електричне, але і теплове.

Повітряний проміжок між контактами стає провідним за рахунок іонізації. Між контактами виникає дуга. Процес відключення ланцюга складається в деіонізації повітряного проміжку і, унаслідок цього, припиненні електричного розряду.

При дуже малих струмах і напругах при переході змінного струму через нуль у момент розбіжності контактів може бути безіскровий розрив електричного ланцюга.

Повітря є гарним ізолятором. Але при визначеній концентрації у ньому заряджених часток (вільних електронів і іонів) він стає провідником. Процес іонізації повітряного проміжку в електричних апаратах низької напруги відбувається за рахунок явища термо- і автоелектронної емісії у електродів і за рахунок термічної іонізації поштовхом у дуговому проміжку.

При розходженні контактів різко зростає як перехідний опір контакту, так і щільність струму в останній площадці зіткнення. Ця площадка розігрівається й утворює контактний місток із розплавленого металу, що при подальшому розходженні контактів рветься. При цьому має місце випарювання металу, внаслідок чого утворюється на негативному електроді катодна пляма. Вона і служить основою дуги і джерелом випромінювання електронів у момент розходженні контактів. Це явище одержало назву термоелектронної емісії. Інтенсивність термоелектронної емісії залежить від температури й матеріалу контактів. Однак для підтримки горіння дуги ефекту термоелектронної емісії недостатньо.

З іншого боку, місце розриву електричного ланцюга може бути представлене як конденсатор змінної ємності. Ємність контактного з'єднання убуває від нескінченності, у початковий момент розриву контактів і практично до нуля, у процесі розходження контактів.

Через опір ланцюга такий конденсатор заряджається від нуля до напруги мережі. Напруженість поля між контактами зростає до величини 20 (В/см), достатньої для виривання електронів з холодного катода. Це явище електронної емісії також може служити тільки початком дугового розряду.

Отже, два ці явища сприяють виникненню дугового розряду між розбіжними контактами. Перевага того чи іншого явища у виникненні дугового розряду залежить від величини струму, що відключається, металу контактів, швидкості їх розходження й інших причин.

При достатній швидкості вільного електрона його зіткнення з нейтральною часткою може забезпечити вибивання нових електронів з її. У результаті утворюються нові електрон і позитивний іон.

Цей процес може розвиватися, і така іонізація поштовхом може підтримати дуговий розряд.

Однак основною умовою підтримки дугового розряду є наявність у дуговому проміжку термічної іонізації. Тому що температура стовбура дуги досягає (4000…7000)°К і більше, число і швидкість часток газу, що рухаються, зростає. При зіткненнях атомів, що рухаються, або молекул частина останніх руйнується й утворює заряджені частки. Відбувається подальша іонізація повітряного проміжку, що підтримує дугу в просторі між контактами.

У дузі одночасно відбувається як процес іонізації, так і процес деіонізації - возз'єднання заряджених часток і, отже, утворення нейтральних. У залежності від того, який з цих двох процесів переважає, дуга може або виникнути, або згаснути. При однаковій інтенсивності іонізації і деіонізації дуга горить стійко.

Деіонізація може протікати за рахунок рекомбінації або дифузії. При рекомбінації, протилежно заряджені частки приходять у зіткнення й утворюють нейтральну частку. В електричній дузі цей процес йде через нейтральні частки, що заряджаються електронами, які зіштовхуються з ними. Зіткнення негативно заряджених часток з позитивними іонами утворить одну чи дві нейтральні частки.

Дифузія являє собою видалення заряджених часток з дугового проміжку в навколишнє простір.

Для ефективного гасіння дуги необхідно створити відповідні умови, а саме такі, при яких процес деіонізації, при всіх значеннях струму від початкового до нуля, перевершує процес іонізації.

Якщо спадання напруги на дузі U_д характеризує дуговий проміжок як провідник, то напруги U_З і U_Г характеризують ізоляційні властивості проміжку - вони означають напруги, які необхідно прикласти при даному стані проміжку, щоб збудити в ньому електричну дугу.

Спадання напруги на стаціонарній дузі розподіляється нерівномірно уздовж дуги. Картина зміни спадання напруги U_д і подовжнього градієнта напруги Е_д уздовж дуги приведена на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Розподіл напруги і градієнта напруги в стаціонарній дузі постійного струму

 

Під градієнтом напруги розуміють спадання напруги на одиницю довжини дуги. Як видно з рисунка, хід характеристик U_д і Е_д у біляелектродних областях різко відрізняється від ходу характеристик на іншій частині дуги. Біля електродів, у прикатодній і прианодній областях, на проміжку довжини порядку 10^-6 м має місце різке спадання напруги, яке називається катодним U_K і анодним U_A. Значення цього спадання напруги залежить від матеріалу електродів і навколишнього газу. Сумарне значення прианодного і прикатодного спадання напруг складає (15...30…30)В, градієнт напруги досягає (10⁵…10⁶) В/см.

В іншій частині дуги, яка називається стовбуром дуги, спадання напруги U_д практично прямо пропорційно довжині дуги. Градієнт тут приблизно постійний уздовж стовбура дуги. Він залежить від багатьох факторів і може змінюватися в широких межах, досягаючи (100…200)В/см.

Біляелектродне спадання напруги U_э не залежить від довжини дуги, спадання напруги в стовбурі дуги пропорційно довжині дуги. Таким чином, спадання напруги на дуговому проміжку може бути описано рівнянням

, (4.1)

де Е_д - подовжній градієнт напруги на стовбурі дуги; l_д - довжина дуги; .