Физические особенности дугового разряда

Явление прохождения электрического тока через газ, называемое газовым разрядом, может наблюдаться практически при любых значениях тока. На рис. 3.1 изображена вольтамперная характе­ристика последовательных стадий газового разряда в     воздухе при атмосферных условиях.

Подпись:  Рис. 3.1. Вольтамперная характе-ристика газового разряда При несамостоятельном разряде (зона О - В) ток поддерживается за счет внешних ионизаторов (космические лучи, рентгеновские лучи и др.); при самостоятельном разряде (зона В – Е) носители электричества возникают в газоразрядном канале непосредственно за счет ионизирующих факторов, присущих газоразрядному каналу.

Между точками О - А зависимость следует закону степени трех вторых.

В стадии «насыщения» (А - В) все заряды, содержащиеся в про­межутке, достигают электродов. Но так как никакой дополнительной ионизации здесь не возникает, то значительное увеличение напряже­ния не ведет к существенному изменению    тока.

За точкой В напряжение становится достаточным для возникно­вения ударной   ионизации (под действием сил электрического поля), начинается самостоятельная форма разряда.

Участок В - С соответствует стадии пробоя. Наиболее характерные признаки стадии пробоя: ударная иониза­ция, незначительные пространственные заряды, лавино-образный процесс образования электронов (и ионов).

Когда мощность источника становится достаточно большой, способной вызвать в цепи токи порядка  мА, стадия пробоя перехо­дит в стадию тлеющего разряда (С – О). Для тлеющего разряда характерна ударная ионизация, но уже в условиях резко неравномер­ного поля, когда основное падение напряжения приходится на слой у катода.   Основной столб разряда в данном случае представляет собой как бы проводник тока, убыль электронов в котором восполняется за счет столкновения наиболее «быстрых» электронов с атомами газа.

Для тлеющего разряда также ха­рактерно постоянство произ­ведения давления газа на длину околокатодного слоя. При достаточно большом токе тлеющий разряд пере­ходит в дуговой (переходная стадия О – Е). Дуговой раз­ряд в газовой среде относи­тельно высокой плотности (при атмосферном и более вы­соком давлении) обладает сле­дующими характерными чер­тами:

·   ясно очерченной границей между дуговым столбом и окружающей средой;

·   высокой плотностью тока в дуговом столбе (десятки — сотни  А/мм2);

·   высокой температурой газа внутри дугового столба, дости­гающей             5000…10 000

К и более высоких значений. В этих условиях преобладает термическая  ионизация газа. При нормаль­ных условиях дуговая стадия разряда и термическая ионизация в воздухе практически прекращаются при температурах около 3000 К;

·   высокой плотностью тока на катоде и малым падением напряже­ния у катода.

На рис. 3.2 приведено изображение дугового столба между металлическими контактами и показано распределение напряжения вдоль него.

Как можно видеть, падение напряжения на дуге складывается из трех слагаемых: катодного падения напряжения; падения напряжения в дуговом столбе и анодного падения напряжения .

Общее напряжение на дуге

.

Подпись:   Рис. 3.2. Распределение напря-жения по длине электрической дуги При условии однородности дугового столба последний член – напряжение на дуговом столбе – может быть представлен как произведение   напряженности электрического поля на длину канала дуги , т. е.

.

Катодное падение напряжения сосредото-чено на очень небольшом участке дуги, непосредственно примыкающем к катоду (около 0,001 мм при нормальном атмо­сферном давлении). Оно состав­ляет величину порядка, 10…20 В, а средняя напря­женность электрического поля у катода достигает величины порядка 105 В/см и выше.

Каким бы ни был механизм освобождения электронов с катода, при всех условиях у катода должна совершаться работа, т. е. выделяться энергия,

что и обеспечивается благодаря катодному падению напряжения.

Анодное падение напряжения имеет место в области, непосред­ственно примыкающей к аноду. Оно не является необходимым усло­вием существования дугового разряда, так как задача анода относи­тельно пассивная — принимать идущий к нему из зоны плазмы дуги электронный поток. Повышение же напряженности электрического поля у анода является следствием образования у анода простран­ственного отрицательного заряда из-за недостатка ионов у анода. Анод в дуговом разряде не излучает положительные ионы. Ионы же, возникающие в дуговом столбе, хотя и с небольшой скоростью, движутся к катоду. Таким образом, непосредственно у поверхности анода образуется преобладание отрицательных зарядов и создается условие для анодного скачка напряжения (анодного падения напря­жения). Значение анодного падения напряжения зависит от темпе­ратуры анода, рода металла и пр. Пришедшие из столба дуги электро­ны, нейтрализуясь на аноде, освобождают «работу выхода», затра­ченную ранее на выход электронов из катода. Часто температура анода бывает даже выше, чем температура катода.

Падение напряжения в дуговом столбе представляет собой произведение напряженности электрического поля на длину столба . Произведение напряженности электрического поля на ток в дуге определяет мощность, подводимую к дуговому столбу из сети на единицу его длины,  .

При установившемся состоянии эта мощность равна мощ­ности, рассеиваемой дугой в окружающее пространство, т.е..

Рассеивание энергии дуговым столбом идет посредством излуче­ния, теплопроводности и конвекции. При различных условиях гаше­ния дуги в отключающих аппаратах может преобладать тот или иной вид теплоотдачи. Это зависит от значения тока, среды, в которой образуется дуга (различные газы или жидкости), давления, состоя­ния среды (неподвижная или движущаяся) и пр.

Значение напряженности электрического поля в дуговом столбе также существенно зависит от условий, в которых горит дуга, и свойств дугогасящей среды. На практике наблюдается колебание напряженности электрического поля в пределах 10…200 В/см.

Меньшая цифра относится к открытым дугам в воздухе при относи­тельно больших токах, а большая – к дугам, находящимся в по­токе газов или паров жидкости, когда отбор тепла от дугового столба делается особо интенсивным.

Температура газа в дуговом столбе является главнейшим фактором, обусловливающим высокую степень иониза­ции газа,  и имеет большое практическое значение. Для гашения электричес­ких дуг необходимо стремиться к эффективному охлаждению дуго­вого столба и быстрому отводу от него тепловой энергии. В дугах переменного тока интенсивный отвод тепловой энергии от дугового канала обеспечивает быстрый распад плазмы, интенсивный рост сопротивления межконтактного промежутка и восстановление его электрической прочности вскоре за переходом тока через нуль.

В условиях гашения дуги постоянного тока интенсивный отвод тепловой энергии от дугового столба приводит к росту сопротивления и напряжения на нем и обеспечению условий гашения.

Отвод тепловой энергии от дугового столба идет различными пу­тями. Одна часть энергии рассеивается при помощи излучения, дру­гая часть – за счет теплопроводности газа и третья – за счет кон­векции.

При температурах, характерных для электрической дуги отклю­чения (до         10…15 тыс. К), через излучение обычно отводится относительно небольшая доля общей рассеиваемой энергии (для дуги в воздухе – 15…20 %).

В большинстве практических случаев основная часть тепловой энергии отводится от дугового канала посредством конвекции (до 80…85%). Однако надо заметить, что роль конвекции является определяющей лишь в области наружной зоны дугового канала, на его границе с окружающей средой.

Передача тепловой энергии от внутренних областей дугового столба к его периферии в основном должна осуществляться за счет теплопроводности.

Механизм конвекции состоит в том, что газ, окружающий дугу и находящийся обычно в относительном движении к дуговому столбу, нагревается и уносит с собой тепловую энергию. Конвекционный вынос тепла усиливается еще за счет диссоциации газа. Например, известно, что такие газы, как водород, обладают высокой актив­ностью в отношении гашения дуг. Эти газы не случайно обладают высокими дугогасящими свойствами, так как они имеют низкую энергию диссоциации,  следовательно, способность активно охлаж­дать дуговой столб до более низких уровней температуры, чем азот. К тому же водород имеет еще и значительно более высокую тепло­проводность. При снижении температуры до 3000…4000 К терми­ческая ионизация таких газов, как азот или воздух, практически полностью прекращается, т. е. исчезает источник образования новых ионов. Но для полной деионизации и восстановления электри­ческой прочности промежутка необходимо обеспечить условия для ликвидации оставшихся ионизированных частичек в дуговом столбе.