Физические особенности дуг030г0 разряда при высокой плотности газовой среды

Явление прохождения электрического тока через газ, называемое газовым разрядом, может наблюдаться практически при любых значениях тока. На рис. 8.2 изображена вольтамперная характе­ристика последовательных стадий газового разряда в воздухе при атмосферных условиях.

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 и = / (t) 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, или «таунсендовской» стадии (по имени Таунсенда, разработавшего математическую теорию этой стадии).

Наиболее характерные признаки стадии пробоя: ударная ионизация, незначительные пространственные заряды, лавинообразный процесс образования электронов (и ионов). При больших расстоя­ниях между электродами и достаточно высокой плотности газа таунсендовская стадия может перейти в так называемую стримерную стадию пробоя.

Когда мощность источника становится достаточно большой, способной вызвать в цепи токи порядка мА, стадия пробоя перехо­дит в стадию тлеющего разряда (С — D). 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 D — Е).

Рис. 8.2. Вольтамперная характеристика газового разряда

Дуговой раз­ряд в газовой среде относи­тельно высокой плотности (при атмосферном и более вы­соком давлении) обладает следующими характерными чер­тами:

1) ясно очерчена граница между дуговым столбом и окружающей средой;

2) высокая плотность тока в дуговом столбе (десятки — сотни А/мм²);

3) высокая температура газа внутри дугового столба, дости­гающая 5000 –10000° К и более высоких значений. В этих условиях преобладает термическая ионизация газа (см. ниже). При нормаль­ных условиях дуговая стадия разряда (и термическая ионизация) в воздухе практически прекращаются при температурах около 3000° К;

4) высокая плотность тока на катоде и малое падение напряже­ния у катода.

Одно время полагали, что характерной особенностью дуги яв­ляется высокая температура катода, однако теперь уже совершенно ясно, что дуговой разряд на металлических электродах может су­ществовать практически и при холодном катоде. На рис. 2. 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

При условии однородности дугового столба последний член — напряжение на дуговом столбе — может быть представлен как произведение напряженности электрического поля Е на длину канала дуги.

Катодное падение сосредо­точено на очень небольшом участке дуги, непосредственно примыкающем к катоду (около 0,001 мм при нормальном атмо­сферном давлении). Оно состав­ляет величину порядка 10 –20 В, следовательно, средняя напря­женность электрического поля у катода достигает величины порядка 10⁵ В/см и выше. При таких напряженностях выход электронов с поверхности катода может осуществляться в значительной степени за счет автоэлектрон­ной эмиссии. Если материал катода таков, что температура его кипения может превысить 2500° К, то эмиссия электронов с поверх­ности катода может происходить и за счет термических процессов (термоэлектронная эмиссия). При этих условиях выход электронов с катода обеспечивается и при более низких паде­ниях напряжения у катода. В этом случае катодное падение является не прямой причиной выхода электронов с катода, как при автоэлек­тронной эмиссии, а косвенной, обеспечивающей выделение около ка­тода необходимой энергии для подогрева катода.

Возможно и совместное существование термической и автоэлек­тронной эмиссии при нагретом катоде.

Дуга может существовать между металлическими электродами и при холодном катоде. В этом случае имеет место в основном авто­электронная эмиссия.

Рис. 8.3. Распределение напряжения по длине электрической дуги

Возможен и такой механизм выхода электронов с катода, когда за счет высокой удельной плотности энергии в области околокатодного пространства возникает высокая степень термической ионизации газа. При этом электроны уходят в зону Дуговой плазмы, а положительные ионы, падая на катод, забирают электроны из катода, образуя нейтральные атомы. Таким образом создается электрический ток в цепи. Вполне вероятно, что при холодном катоде имеет место совместное действие автоэлектронной эмис­сии и эмиссии за счет термической ионизации в околокатодном про­странстве. Следовательно, 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). Величина 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 U_CT представляет собой произведение напряженности электрического поля Е на длину столба l. Произведение напряженности электрического поля на ток в дуге определяет мощность, подводимую к дуговому столбу из сети на единицу его длины W = Ei.

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

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 величины тока, среды, в которой образуется дуга (различные газы или жидкости), давления, состоя­ния среды (неподвижная или движущаяся) и пр.

Величина 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.

В дуговом разряде с изменением тока меняются радиус дуго­вого столба, температура газа и плотность ионизации. В результате часто получается падающая вольтамперная характеристика, т. е. напряженность электрического поля в дуговом столбе уменьшается с ростом тока, как показано на рис. 8.4 (кривая 1).

Можно получить зависимость между напряженностью электрического поля и током в дуговом столбе. Мощность, поглощаемая дугой, в стационарном состоянии пол­ностью отдается в окружающее пространство. Эту мощность дуга отдает не только с поверхности, как это имеет место у твердого тела, но и всем своим объемом.

Но иногда можно наблюдать, что Е остается по­стоянной величиной, не зависящей от тока. Это может иметь место когда плотность зарядов в дуговом канале остается величиной постоянной, не зависящей от тока. Такое состояние полу­чается в том случае, когда сечение дуги пропорционально току, текущему через нее. Постоянство напряжения на дуге наблюдается при гашении дуги перемен­ного тока в выключателях, т.е. в усло­виях интенсивной деионизации дугового канала. Отсюда можно заключить, что в таких дугах сечение канала возрастает пропорционально току и плотность тока сохраняется постоянной.

Рис. 8.4. Вольтамперные характеристики электрической дуги:

Рассмотренные зависимости относятся к статическим вольтамперным характеристикам. Однако при быстром изменении тока в дуге напряжение на ней может довольно существенно отличаться от того, которое имеет место при установив­шемся значении. Это происходит вследствие того, что процессы в ду­говом канале обладают инерционностью и для их установления требуется некоторое время.

Рассмотрим рис. 8.4, а, на котором показано семейство вольт-амперных характеристик для различных скоростей убывания тока. Кривая 1 — это статическая вольтамперная характеристика, отно­сящаяся к открытой дуге в воздухе. Если от значения i = I ток убывает с различными скоростями, то чем выше скорость спада тока, тем ниже проходит вольтамперная характеристика. Это происходит потому, что при снижении тока такие параметры дуги, как сечение дуги, температура газа и степень ионизации, не успевают быстро измениться и приобрести значения, соответствующие меньшему значению тока при установившемся режиме. В результате напряже­ние на дуговом столбе может существенно отличаться от значений, определяемых статической характеристикой. Эта серия характе­ристик при резких скоростях спада тока носит название динами­ческих вольтамперных характеристик.

При бесконечно высокой скорости спада тока к нулю активное падение напряжения на дуге изменяется по прямой 2, так как при очень быстром уменьшении тока в цепи физические свойства канала не успевают сколько-нибудь измениться, т. е. сопротивление канала остается неизменным и, следовательно, напряжение на дуге будет падать прямо пропорционально току. Этот крайний предел — падаю­щая к нулю прямая — практически не достижим. Обычно те дина­мические характеристики, которые получаются в аппаратах отклю­чения при спаде тока, имеют всегда возрастающий характер. Осо­бенно большое отступление от статической характеристики при спаде тока наблюдается в области малых токов, т. е. при подходе тока к нулю (непосредственно перед гашением дуги), что способст­вует ограничению перенапряжений на выключателе и элементах цепи.

Динамическая характеристика дуги лежит в общем ниже стати­ческой, если она соответствует условиям спадания тока от некото­рого сравнительно большего значения к меньшему. В другом слу­чае, когда ток цепи не уменьшается, а, наоборот, возрастает неза­висимо от сопротивления дуги, динамическая характеристика дуги в принципе может лежать выше ее статической характеристики.

На рис. 8.4, б представлена динамическая характеристика дуги синусоидального тока. Ее ветви 1 и 2 относятся к первой половине полупериода, когда ток нарастает во времени, а ветви 3 и 4 — ко второй полуволне, когда ток уменьшается.

Вид статических (и динамических) характеристик определяется многими условиями, в том числе и способом гашения дуги.