Стартовая >> Книги >> Оборудование >> Электрическая дуга переменного тока и ее гашение

Дуга в вакууме - Электрическая дуга переменного тока и ее гашение

Оглавление
Электрическая дуга переменного тока и ее гашение
Термическая диссоциация и ионизация
Размыкание контактов и появление дуги
Потоки плазмы в дуге
Воздействие внешнего магнитного поля
Дуга в вакууме
Восстановление напряжения на контактах выключателя при отключении
Восстановление электрической прочности после прохождения тока через нуль
Факторы, влияющие на электрическую прочность вакуум
Элегаз
Механические факторы - элегаз
Изоляторы для элегазовых аппаратов

Дуга в вакууме существенно отличается от дуги высокого давления тем, что является дугой, горящей в парах металла электродов. При размыкании контактов и разрушении металлического мостика между ними образуется облако паров металлов электродов, создающее первичную среду, в которой загорается дуга. В дальнейшем процесс горения дуги поддерживается поступлением паров металлов в межэлектродный промежуток с катодного и анодного пятен. Характерной особенностью дуги в вакууме является то, что дуга сама воспроизводит среду, в которой горит. Дуга вакуума может существовать в двух разновидностях: рассеянной (диффузной) дуги и сжатой (концентрированной или контрагированной). Обычно при токах до 8000—10 000 А дуга горит в рассеянном виде, а при больших токах — в сжатом виде. Переход от одной разновидности дуги к другой определяется конфигурацией, размерами и материалом электродов и скоростью изменения тока.
Рассеянная дуга в вакууме, горящая между двумя дисковыми электродами, представляет собой множество параллельных дуг, по каждой из которых в зависимости от материала электродов проходят токи от нескольких ампер до сотен ампер. Каждая дуга имеет на отрицательном электроде свое, ярко светящееся катодное пятно. Катодные пятна непрерывно движутся по поверхности электродов со скоростями, доходящими до 10 м/с. При отсутствии внешнего магнитного поля катодные пятна отталкиваются одно от другого, хаотично перемещаясь по поверхности электрода и стремясь распространиться на всю его поверхность или на большую ее часть. При внешнем магнитном поле катодные пятна совершают обратное перемещение, двигаясь в направлении, противоположном тому, какое должно было бы иметь место в соответствии с законом об электромагнитном воздействии проводников с током (закон Ампера). Такое перемещение катодных пятен, а следовательно, и отдельных дуг происходит несмотря на то, что отдельные дуги притягиваются друг к другу под действием электродинамических сил (как параллельные проводники с токами одного направления).
Непосредственно у катодного пятна расположена зона, в которой из-за большой плотности тока пары металла электрода находятся под значительным давлением. В этой зоне происходит наиболее интенсивная ионизация паров металла, которые под воздействием высокого давления образуют поток плазмы, выбрасываемый из этой зоны в направлении к аноду в виде расходящегося плазменного ствола дуги. Скорость этих потоков зависит от материала электрода; так, например, при медных электродах скорость движения потоков плазмы достигает 10+6 см/с. Количество металла, выносимое потоками плазмы с электрода, зависит от материала электрода и составляет для меди 80 мкг/Кл, а для серебра 35 мкг/Кл.
Плотность тока на катодном пятне колеблется в пределах от 106 до 108 А/см2. Она зависит от тока и длительности горения дуги и с увеличением последних уменьшается. Вследствие быстрого перемещения опорных пятен дуги повреждение электродов незначительно. В рассеянной дуге происходит деление и исчезновение отдельных катодных пятен.
Ствол в вакуумной дуге не имеет такого четко выраженного очертания, как в дуге высокого давления. Поэтому правильнее пользоваться термином «зона плазмы» в вакуумной дуге, а не термином «ствол дуги». Можно предположить, что эта зона имеет форму конуса, вершиной которого является катодное пятно, а основанием анодное пятно. Проводимость зоны плазмы создастся электронами, вырывающимися из катодного пятна и движущимися к аноду со скоростью порядка 10+8 см/с В зоне катодного пятна образуются и положительные ионы, которые под действием импульса силы, полученного ими в этой зоне, попадают в зону плазмы, движутся к аноду вместе с электронами и нейтрализуют их заряд вплоть до поверхности анода. Поэтому градиент напряжения в зоне плазмы рассеянной дуги при небольших токах близок к нулю.
Плотность тока в анодном пятне составляет 103—5 -104 А/см2, а температура пятна несколько превосходит температуру кипения материала анода. Анодное пятно имеет вид пятна ограниченной яркости (рассеянное свечение). Скорость перемещения анодного пятна существенно меньше, чем катодного пятна.

Сжатая дуга.

При постепенном увеличении тока в вакуумной дуге число катодных пятен, а следовательно, и дуговых каналов будет все время возрастать по мере деления катодных пятен надвое. Увеличение тока сверх определенного для каждого металла значения изменяет характер дуги.

Ее свечение становится более ярким, отдельные дуги исчезают, и вместо них возникает одна мощная дуга с одним катодным пятном, перемещающаяся в прямом направлении под действием электродинамических сил и называемая сжатой дугой. Скорость катодного пятна сжатой дуги меньше скорости катодных пятен рассеянной дуги, что приводит к существенному увеличению теплового воздействия дуги на электроды. Поэтому в области около опорных пятен дуги может быть достигнута температура, равная температуре кипения металла электродов или несколько превосходящая ее. Это приводит к образованию значительного количества паров металла в дуговом промежутке.

Гашение дуги в вакууме.

По мере уменьшения отключаемого тока в рассеянной дуге сокращается число электродных пятен, из которых выбрасываются потоки плазмы, и к подходу тока к нулю действующим останется только одно пятно. Гашение дуги определяется плотностью паров металла в дуговом промежутке. Поскольку пары металла выделяются из сильно нагретых пятен на поверхности электродов, то уменьшение интенсивности этих паров зависит от скорости охлаждения нагретых пятен. Последняя характеризуется постоянной времени. В рассеянной дуге площадь катодного пятна очень небольшая (порядка 10-4 мм2) и постоянная времени такого пятна меньше 1 мкс. У сильно нагретого катодного пятна сжатой дуги постоянная времени составляет величину от нескольких сотен микросекунд до нескольких миллисекунд.
Таким образом, гашение рассеянной дуги оказывается значительно более легким, чем сжатой дуги, так как в последнем случае контакты продолжают эмитировать пары металла в дуговой промежуток.

Картина изменения тока и напряжения на дуговом промежутке при отключении индуктивной цепи небыстродействующим выключателем показана на рис. 10 и 2-11. В некоторый момент времени t = 0 контакты выключателя стали расходиться. Между ними возникла дуга. Напряжение на дуге по мере расхождения контактов увеличивается. Вследствие интенсивного воздействия на дугу дугогасительной среды в камере Вк при каждом переходе тока через нуль имеют место попытки гашения дуги: идет соревнование процессов восстановления напряжения ивс на дуговом промежутке и его условной электрической прочности иэ.п. Наконец при очередном (в данном случае третьем) переходе тока через нуль дуга гаснет и на дуговом промежутке восстанавливается напряжение источника питания U0. Но поскольку контакты выключателя шунтированы некоторой емкостью С, заряжаемой через индуктивность L, процесс восстановления напряжения на контактах носит колебательный характер. Более подробно этот процесс показан на рис. 11. При гш = оо незадолго до перехода тока через нуль имеет место резкий подъем напряжения — пик гашения Vram и перезаряд емкости С. Вследствие этого ток протекающий через дуговой промежуток и равный
из-за ответвления тока ix в емкость С будет изменяться не по синусоиде, а более быстро, что несколько облегчает условия гашения дуги, поскольку энергия, выделяющаяся в промежутке, в преднулевой период уменьшается.
После перехода тока через нуль напряжение на контактах выключателя (а следовательно, и на емкости С) стремится восстановиться до мгновенного значения U0- Процесс этот при неблагоприятных для выключателя условиях — колебательный. Частота колебаний и скорость нарастания восстанавливающегося напряжения определяются параметрами цепи. В некоторых случаях после перехода тока через нуль в дуговом промежутке протекает остаточный ток. Он определяется мгновенными значениями остаточной проводимости и восстанавливающегося напряжения, причем остаточная проводимость может оказывать некоторое влияние на характер процесса восстановления напряжения.
В случае успешного гашения дуги остаточный ток быстро затухает вследствие исчезновения проводимости дугового промежутка и последний приобретает необходимую электрическую прочность. Этот успешный исход, когда после перехода тока через нуль электрическая прочность промежутка нарастает быстрее и остается все время большей, чем восстанавливающееся напряжение на контактах выключателя, изображен на рис. 11 кривой иэп. В случае недостаточно быстрого нарастания электрической прочности дугового промежутка (штриховая кривая ип) происходит повторное зажигание и дуга будет гореть, по крайней мере, весь следующий полупериод.
Таким образом, при рассмотрении гашения дуги переменного тока необходимо дать количественную оценку процессу восстановления напряжения на контактах выключателя и процессу нарастания восстанавливающейся прочности дугового промежутка.



 
« Электрификация блочно-комплектных установок нефтяной промышленности   Электрические аппараты »
электрические сети