Общие сведения. Большая группа электрических аппаратов представле­на коммутационными устройствами, с помощью которых замыкается и размыкается электрическая цепь

Большая группа электрических аппаратов представле­на коммутационными устройствами, с помощью которых замыкается и размыкается электрическая цепь. Электриче­ский разряд, возникающий при размыкании контактов, приводит к их износу и в значительной степени определяет надежность и долговечность аппарата. Этот разряд в окру­жающем контакт газе является либо тлеющим разрядом, либо электрической дугой. Тлеющий разряд возникает при отключении тока менее 0,1 А при напряжении на контак­тах 250—300 В. Такой разряд происходит на контактах маломощных реле, а в более мощных аппаратах является переходной фазой к разряду в виде электрической дуги. Если ток и напряжение в цепи выше определенных значений, то имеет место дуговой разряд, обладающий следующими особенностями;

1. Дуговой разряд имеет место только при относитель­но больших токах. Минимальный ток дуги для различных материалов для металлов составляет примерно 0,5 А.

2. Температура центральной части дуги очень велика и может достигать 6000—25 000 К.

3. При дуговом разряде плотность тока на катоде чрез­вычайно велика и достигает 10²—10³ А/мм².

4. Падение напряжение у катода составляет всего 10— 20 В и практически не зависит от тока.

В дуговом разряде можно различить три характерные области: околокатодную, область столба дуги, околоанодную. В каждой из этих областей процессы ионизации и деионизации протекают по-раз­ному.

а) Околокатодная область.

Занимает весьма небольшое пространство длиной не более 10^{-6 м. Около катода возникает положительный объ­емный заряд, создаваемый положительными ионами. Меж­ду этим положительным объемным зарядом и катодом со­здается электрическое поле с напряженностью до 107} В/м, в котором движутся электроны, вышедшие из катода и со­здающие электрический ток. Электрическое поле воздейст­вует на электроны, увеличивая их скорость. При соударе­нии такого электрона с нейтральной частицей может прои­зойти ионизация, для чего электрон должен обладать определенной энергией.

Напряжение (разгоняющее напряжение), которое должен пройти электрон для приобретения энергии, необ­ходимой для ионизации, называется потенциалом иониза­ции. Для газов этот потенциал колеблется от 24,58 В (ге­лий) до 13,3 В (водород). Пары металлов имеют значи­тельно меньший потенциал ионизации. Так, для паров меди он равен 7,7 В.

Положительные ионы, так же как и электроны, разгоня­ются электрическим полем, но из-за большой массы ско­рость их много меньше. При ударе положительного иона о нейтральную частицу меньшая часть энергии передается на ионизацию, так что ионизация толчком происходит в основном за счет электронов.

Ввиду малой протяженности околокатодной области электроны не набирают скорости, достаточной для иониза­ции ударом. Чаще всего после удара атом переходит в возбужденное состояние (электрон атома переходит на более удаленную от ядра орбиту). Для ионизации возбуж­денного атома требуется меньшая энергия. В результате необходимый потенциал ионизации уменьшается. Такая ионизация называется ступенчатой. При ступенчатой иони­зации необходим многократный удар электронов по атому: на каждый образующийся положительный ион требуются десятки электронов. Поэтому ток около катода, несмотря на наличие положительных ионов, носит электронный ха­рактер.

Образующиеся электроны не создают около катода отрицательного объемного заряда, так как их скорость зна­чительно больше скорости тяжелых положительных ионов. Положительные ионы разгоняются в поле катодного падения напряжения и бомбардируют катод. Благодаря этому температура катода поднимается и достигает точки испа­рения материала электрода. При высоких температурах появляется термоэлектронная эмиссия катода, которая в сильной степени зависит от температуры электрода. Проведенные исследования также показали, что дуга может существовать только за счет автоэлектронной эмиссии, со­здаваемой у катода электрическим полем.

б) Область дугового столба. Энергия, приобретенная заряженными частицами в электрическом поле дугового столба, столь мала, что практически ионизация толчком не происходит.

При большой температуре, которая имеет место в об­ласти дугового столба, скорость частицы возрастает до значения, при котором удар в нейтральный атом приводит к его ионизации. Такая ионизация называется термической. Основным источником ионов и электронов в столбе дуги является термическая ионизация. Чем меньше масса части­цы, тем больше ее скорость движения.

Таким образом, с ростом давления степень ионизации уменьшается. В связи с этим во многих дугогасящих уст­ройствах (ДУ) электрических аппаратов создается повы­шенное давление газа, что способствует гашению дуги. Очень сильное влияние на ионизацию оказывает темпера­тура. Для большого числа двухатомных газов из-за сту­пенчатой ионизации процесс образования ионов начинается при температурах 6-10³ К. Пары металла ионизируются значительно легче. Заметная ионизация начинается уже при температурах 3000—4000 К. Поэтому в ДУ необходимы меры против попадания металлических паров электродов.

в) Энергетический баланс дуги. Процесс ионизации и процесс деионизации в значительной степени определя­ются температурой дугового промежутка. Последняя за­висит от количества тепла, выделяемого в дуге и отводи­мого от дуги.

Охлаждение дуги происходит за счет излучения, тепло­проводности и конвекции.

Для открытой дуги, горящей в воздухе, излучением от­дается 15—30 % выделяемой в дуге энергии. Для дуги, го­рящей в закрытом ДУ, доля тепла, отдаваемого лучеиспу­сканием, меньше.

Отвод тепла за счет теплопроводности газа в значи­тельной степени зависит от его температуры. Так, при тем­пературе 4000 К молекулы водорода диссоциируют на атомы. При этом от дуги отводится большое количество тепла. Внешне этот процесс представляется как резкое уве­личение теплопроводности. Теплопроводность газа сильно зависит от его природы. Так, средняя теплопроводность водорода в 17 раз больше, чем воздуха. Благодаря своей высокой теплопроводности при прочих равных условиях водород способствует более быстрому охлаждению столба дуги. Ток, отключаемый в атмосфере водорода, в 7,5 раза больше, чем в воздухе при том же давлении.

При горении дуги в трансформаторном масле последнее разлагается с выделением водорода, что способствует эф­фективному гашению дуги. В некоторых аппаратах под действием магнитного поля дуга перемещается с большой скоростью относительно воздуха, что приводит к ее ох­лаждению за счет конвекции. Этот вид теплоотдачи наря­ду с теплопроводностью является определяющим для про­цесса гашения.

г) Околоанодная область. Поток электронов из столба дуги устремляется к положительному электроду — аноду. Анод при дуговом разряде не излучает положительных ионов, которые могли бы нейтрализовать электроны. По­этому вблизи анода создается отрицательный объемный заряд, что и вызывает появление околоанодного падения напряжения и повышение напряженности электрического поля. Околоанодное падение напряжения зависит от темпе­ратуры анода, его материала и значения тока.

Электроны разгоняются в поле, образованном отрица­тельным объемным зарядом и анодом. Энергия, приобре­тенная электронами, отдается аноду. Благодаря большой энергии электронов анод нагревается до очень высокой температуры, которая, как правило, выше температуры ка­тода. Мощный поток электронов выбивает из анода элект­роны, которые также участвуют в создании отрицательного объемного заряда.

Высокая температура анода и околоанодная область не оказывают существенного влияния на возникновение и ус­ловия существования дугового разряда. Роль анода сво­дится к приему электронного потока из дугового столба.

Для дуги большого тока околоанодное падение напря­жения столь мало, что им можно пренебречь.

Распределение напряжения, напряженности электриче­ского поля (градиента) и производной, пропорциональной объемному заряду а в дуге, представлено на рис.8.1.

Падение напряжения у катода составляет 10—20 В и за­висит от материала катода и свойств газа, в котором горит дуга. Околокатодное падение напряжения несколько меньше потенциала ионизации газа из-за наличия около катода его паров, у которых потенциал ионизации значительно ниже.

Околоанодное падение напряжения составляет 5—10 В. При больших токах околоанодное напряжение уменьшает­ся, в то время как околокатодное напряжение остается по­стоянным.

В некоторых аппаратах низкого напряжения длина дуги невелика. Падение напряжения на столбе дуги мало по сравнению с суммой падения напряжения у катода и ано­да. Такие дуги называются короткими. Условия гашения короткой дуги в значительной степени определяются процессами, происходящими у электродов, и условиями их охлаждения.

В аппаратах высокого напряжения падение напряже­ния на столбе дуги значительно больше околоэлектродных, и последними можно пренебречь. Условия существования таких дуг, называемых длинными, определяются про­цессами в столбе дуги.

Рис. 8.1. Распределение напряжения, напряженности электрического

поля и объемных зарядов в электрической дуге