Глава вторая
ДУГОГАСИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ, ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕГАЗА
Общие сведения о процессе гашения дуги.
Независимо от среды, в которой горит дуга, при весьма медленном изменении тока каждому данному его значению соответствует установившееся значение диаметра дуги, температуры, а также и ее распределение по сечению ствола дуги. При сравнительно быстром возрастании или убывании тока вследствие тепловой инерции ствола дуги изменение ее геометрических и физических параметров отстает от изменения тока. Для данной дугогасительной среды это отставание будет тем больше, чем быстрее изменяется ток и чем меньше конвективный теплоотвод.
При промышленной частоте изменение тока происходит достаточно быстро, поэтому инерционность процессов в стволе дуги играет значительную роль и оказывает существенное влияние на гашение дуги. При возрастании тока после перехода его через нуль до амплитудного значения диаметр и температура дуги, а следовательно, и проводимость ее ствола следуют за изменением тока с той или иной степенью запаздывания. Поэтому проводимость ствола дуги будет соответствовать не данному мгновенному значению тока, а какому-то меньшему его значению. На спадающей ветви полупериода термическое состояние в каждый данный момент будет соответствовать большему мгновенному значению тока. По этой причине даже при очень интенсивной конвекции к моменту перехода тока через нуль в междуконтактном промежутке в какой-то мере сохранится проводимость.
Очевидно, что при сохранении величины воздействия на дугу количество плазмы, оставшейся в междуконтактном промежутке к моменту перехода тока через нуль, будет зависеть от амплитуды отключаемого тока. Так как при ее возрастании скорость изменения тока для соответствующих моментов времени на спадающей ветви синусоиды тока будет больше, термическое запаздывание скажется сильнее, поэтому междуконтактный промежуток к моменту перехода тока через нуль сохранит большую проводимость.
При данном же значении отключаемого тока в промежутке остается тем меньшее количество ионизированных газов, чем интенсивнее воздействие на дугу. Последнее определяется не только соответствующей организацией процесса дутья, но и в значительной мере свойствами воздействующей на дугу среды, которая различным образом влияет на процесс гашения электрической дуги.
Свойствами среды, например, определяется напряжение на дуге и энергия, выделяющаяся в единице длины дуги. В воздушных выключателях эта энергия на порядок выше, чем в элегазовых, что вызывает нагревание большого объема воздуха, находящегося в дуговом промежутке. Расширение нагретого воздуха препятствует поступлению в сопло свежего.
При определенных значениях отключаемого тока это приводит к закупорке сопла и, следовательно, негашению. Именно большой энергией, выделяющейся в единице длины ствола дуги, горящей в потоке воздуха, объясняется наличие максимума в зависимости мощности отключения воздушного выключателя от расстояния между его контактами. В элегазовых дугогасительных устройствах с продольным дутьем такой зависимости не обнаружено в широких пределах отключаемого тока.
Пробивное напряжение промежутка, заполненного холодным газом, зависит от электрической прочности газа. Прочность промежутка, находящегося в каком-либо предварительно ионизированном газе, растет по мере уменьшения концентрации электронов. Если число электронов в процессе восстановления напряжения на контактах выключателя не превышает 10+9 на 1 см3, то обеспечивается надежное гашение дуги после перехода тока через нуль.
Таким образом, при рассмотрении вопроса о влиянии среды на процесс гашения дуги необходимо установить влияние среды на подготовку дугового промежутка к моменту перехода тока через нуль (понимая под этим объем плазмы, сохранившийся к этому моменту времени, или, что практически равноценно, состояние проводимости в этот момент времени) и на характер изменения проводимости дугового промежутка после перехода тока через нуль.
Кроме того, следует проанализировать влияние среды на характер изменения тока при подходе его к нулю, поскольку от этого зависит уровень возможных коммутационных перенапряжений.
Две точки зрения на дугогасительную способность элегаза.
Рассмотрим влияние среды, в которой горит дуга, на процесс распада плазмы, оставшейся вследствие термического запаздывания в дуговом промежутке к моменту перехода тока через нуль.
Скорость снижения проводимости этой плазмы незадолго до перехода тока через нуль, или, что равноценно, нарастания сопротивления на дуге, определяется уравнением Касси [36], которое после упрощения и преобразований может быть записано в следующем виде:
где Е0 — напряжение на дуге в момент до перехода тока через нуль; I—отключаемый ток; ω= 2 πf — круговая частота тока; Θ — постоянная времени дуги.
Критическое значение восстанавливающегося напряжения, которое может быть приложено к промежутку, не шунтированному активным сопротивлением, после перехода тока через нуль, определяется уравнением Майра [37], которое в преобразованном виде можно записать так:
(3)
где v= 1/√LС— угловая частота колебаний восстанавливающегося напряжения.
Если напряжение, приложенное к дугогасительному промежутку, не превысит критического, дуга погаснет.
Из уравнений (2) и (3) видно, что состояние дугового промежутка как до перехода тока через нуль, так и после определяется постоянной времени дуги Θ, которая характеризует время, необходимое для достижения нового равновесного состояния дуги после резкого изменения тока. На этом основании Браун и другие исследователи [38—40] считают, что лучшей дугогасительной средой является та, постоянная времени дуги в которой имеет наименьшее значение.
Поскольку к моменту перехода тока через нуль в дуговом промежутке останется плазма такого же небольшого объема,
Рис. 21. Постоянная времени дуги в элегазе и воздухе при токе 1 а: слева — в элегазе; справа — в воздухе
как и при протекании постоянного тока (от долей ампера до нескольких ампер), то, по их мнению, значение Θ, определенное для дуги постоянного тока при этих его значениях, будет соответствовать величине Θ в момент перехода отключаемого тока через нуль.
Результаты исследования [38, 40], показывают, что с увеличением тока и давления газа постоянная времени дуги растет.1 Кроме того, на ее величину существенно влияет природа газа. В элегазе, например, она, как видно из рис. 21, на два порядка ниже, чем в воздухе. Отсюда делается вывод, что отключающая способность в элегазе в 100 раз выше, чем в воздухе. Но при таком объяснении, как отмечали и сами авторы гипотезы, совершенно непонятно, почему некоторые газы, например Н2, Не и другие, также имеющие небольшую постоянную времени дуги, являются не лучшими или даже плохими дугогасительными средами.
Малую величину постоянной времени они объясняют высокой способностью молекул элегаза захватывать свободные электроны. При большом диаметре молекулы элегаза, равном 4·10-8 см обеспечивается практически 100%-ная вероятность захвата электрона.
Образующиеся отрицательные ионы малоподвижны. Их участие в переносе тока в дуговом столбе очень мало. Количество носителей тока — электронов — в дуговом стволе вследствие захвата их нейтральными молекулами уменьшается, баланс их может стать отрицательным и дуга погаснет.
Рис. 22. Зависимости плотности электронов от температуры 1 — с учетом образования отрицательных ионов; 2—без учета образования
Явление захвата электронов особенно благоприятным образом сказывается после перехода тока через нуль, вследствие чего элегазовые выключатели мало чувствительны к частоте восстанавливающего напряжения.
Фринд и другие исследователи [41, 42] считают, что электроотрицательные свойства элегаза играют вспомогательную роль. Основное же для дугогасительной способности значение, по их мнению, имеют термохимические процессы, происходящие в элегазе под действием высокой температуры дуги. Действительно, концентрация электронов в плазме дуги зависит от температуры. Поэтому хорошей гасящей средой будет та, свойства которой дают возможность при переходе тока через нуль быстро снизить температуру в зоне дуги до такого уровня, при котором концентрация электронов станет меньше 109 на 1 см3. Эту температуру называют температурой гашения.
Решающее влияние термохимических процессов в газах со сравнительно слабыми внутримолекулярными связями (в том числе и в элегазе) Фринд косвенно подтверждает тем, что некоторые сильно отрицательные соединения галогенов с углеродом, например CsF16, с сильными внутримолекулярными связями являются плохими дугогасительными средами.
Кроме того, о влиянии электрического сродства элегаза и продуктов термической его диссоциации на концентрацию электронов в плазме дают представление зависимости плотности электронов N от температуры, изображенные на рис. 22. Из рисунка видно, что с учетом захвата электронов плотность 108 на 1 см3 обеспечивается при температуре 3000° К, а без учета — при 2500° К. Таким образом, если бы элегаз не обладал электроотрицательными свойствами, то для гашения дуги в нем необходимо было бы снизить температуру ствола дуги не до 3000° К, а до 2500° К. Такая небольшая разница в температурах, конечно.
не может полностью объяснить исключительно высокую дугогасительную способность элегаза. Однако нельзя не учитывать, что явление захвата электронов повышает электрическую прочность промежутка в элегазе, вследствие чего увеличивается и дугогасительная способность.
Рис. 23. Зависимости состава газа от температуры при диссоциации элегаза под действием дуги
Наиболее значительными экспериментальными работами, непосредственно подтверждающими первостепенную важность термохимических процессов при гашении дуги в элегазе, являются работы [43—45].
Японские исследователи к этому добавляют, что в области, непосредственно примыкающей к моменту перехода тока через нуль, когда дуговой промежуток благоприятным течением термохимических процессов оказался уже определенным образом подготовленным к гашению дуги, явление захвата электронов начинает играть существенную роль.
