Судовые электрические станции - Процессы возникновения и гашения электрической дуги

§5.2. ПРОЦЕССЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И ГАШЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ

Общие сведения о дуге

Электрическая дуга, как известно, представляет один из видов самостоятельного разряда в газах, отличающийся от других видов разряда (например, тлеющего) относительно малым катодным падением напряжения и высокой плотностью тока.
В электрических аппаратах, если развиваемый ток не меньше 80—100 ма, при отключении цепи возникает электрическая дуга.
Кратко рассмотрим процессы возникновения и гашения электрической дуги.
При размыкании электрических контактов выключателя в образующемся зазоре возникает электрическое поле; пока зазор между контактами мал, напряженность этого поля очень велика (нижний предел градиента 107 в/см) — достаточна для автоэлектронной эмиссии.
Вместе с тем при расхождении контактов давление в них уменьшается и, следовательно, контактное сопротивление увеличивается, вследствие чего нагрев контактных точек быстро и резко возрастает. В результате, начиная с момента расхождения контактов, возникает термоэлектронная эмиссия с нагретых участков контакта, дополнительно увеличивающая число электронов, излучаемых в контактный промежуток.
Излучаемые электроны ускоряются силами электрического поля и, перемещаясь в направлении к аноду, соударяются с нейтральными частицами газа.
При очень малых зазорах между расходящимися контактами напряженность электрического поля обычно достаточна для того, чтобы электроны приобрели запас кинетической энергии, необходимый для ударной ионизации газа, т. е. для расщепления нейтральных частиц на свободные электроны и положительные ионы.
Можно представить себе и ступенчатый процесс расщепления частиц газа, при котором нейтральная частица в результате удара электрона с небольшим запасом кинетической энергии возбуждается и лишь затем, получив дополнительную порцию энергии после нового столкновения с электроном, ионизируется.
Какими бы ни были особенности процесса ионизации межконтактного промежутка, в результате расщепления нейтральных частиц число свободных электронов и положительных ионов в промежутке увеличивается.
Процесс ионизации обычно развивается лавинообразно и приводит к пробою промежутка и образованию электрической дуги.
Температура дуги по оси ее ствола достигает 8000—10 000° К, а при очень больших токах может быть и значительно больше.
Существенно, что термическая ионизация воздуха начинается примерно с температуры в 8000° К, когда уже при очень малом проценте ионизированных частиц число пар ионов и электронов огромно (например, даже в случае ионизации в 0,01 % число ионизированных пар при 8000° К составляет 1014 на 1 см³).
Термическая ионизация особенно велика при наличии в дуге паров металла, температура ионизации которых меньше температуры ионизации воздуха (например, для паров меди температура начала ионизации ≈ 4000° К).
Таким образом, при высокой температуре газа, всегда характерной для дуги, степень ионизации оказывается высокой и, значит, проводимость газа будет большой. В результате градиенты напряжения в стволе дуги при не очень малых токах незначительны (например, для дуги на открытом воздухе градиент равен 15—20в/см). При небольших же градиентах роль ударной ионизации ничтожна.
В установившейся дуге решающее значение в механизме проводимости имеет термическая ионизация при соударении частиц в тепловом хаотическом движении.
Уже было отмечено, что образование дуги непосредственно связано с излучением свободных электронов в результате совместного действия автоэлектронной и термоэлектронной эмиссий с поверхности катода.
Очевидно, что и после возникновения дуги эмиссия электронов с катода должна быть достаточной для поддержания тока в контактном промежутке. Это нужное число излучаемых катодом электронов после образования дуги обеспечивается за счет большой напряженности электрического поля вблизи катода и его высокой температуры (особенно в наиболее нагретой части катода — катодном пятне).
В первом приближении механизм эмиссии электронов с катода после возникновения дуги можно представить следующим образом. В начальный период процесса ионизации ионы перемещаются в сторону катода и образуют в непосредственной близости от него зону с высокой концентрацией положительных зарядов. Эта зона называется зоной катодного падения напряжения. Величина этого падения определяется характером газа и материалом электродов и обычно несколько меньше потенциала ионизации газа, в котором горит дуга. Толщина зоны примерно равна средней длине свободного пути электрона (3— 5-10 см).
Ионы, проходя зону катодного падения, приобретают большую кинетическую энергию, которую отдают катоду, ударяясь о его поверхность. Высокая температура катодного пятна достигается именно за счет бомбардировки катода ионами.
Электрическое поле значительной напряженности в зоне около катода создается теми же свободными зарядами. Считают, что положительные ионы могут образовывать местные поля с напряженностью, достаточной для автоэлектронной эмиссии. Чем меньше температура испарения материала катода, тем меньше возможная термоэлектронная эмиссия и тем больше значение в механизме эмиссии электронов имеет поле.
В электрической дуге наряду с рассмотренными процессами ионизации существуют и процессы деионизации, причем в установившемся режиме горения дуги процессы ионизации и деионизации находятся в равновесии, а в стадии погасания дуги, естественно, преобладают процессы деионизации.
Деионизация дуги происходит путем рекомбинации и диффузии.

Деление рекомбинации состоит во взаимном притяжении разноименно заряженных частиц и их электрической нейтрализации при столкновении. Ход рекомбинации зависит от рода газа, температуры и давления, а также и от того, с кем рекомбинирует положительный ион — с электроном (более подвижной частицей) или с отрицательным ионом (менее подвижной частицей).
Уменьшение числа заряженных частиц в стволе дуги может явиться результатом соприкосновения заряженных частиц со стенками дугогасительных камер. При этом сначала более подвижные электроны заряжают стенку отрицательно, а затем положительные ионы, соударяясь с этой стенкой, нейтрализуются.
Рекомбинация ускоряется, если электроны теряют свою скорость, например в результате столкновения с нейтральными частицами песка или поверхностями, находящимися внутри ионизированного газа. При замедленном движении электроны легче захватываются положительными ионами.    

Явление диффузии, т. е. явление перемещения в окружающей среде заряженных частиц дуги, обусловлено неравномерной концентрацией плотности зарядов по сечению дуги и разностью температур дуги и окружающего пространства.
В устойчиво и свободно горящей дуге роль диффузии в процессах деионизации очень мала в сравнении с рекомбинацией. Однако в дуге, гасимой в аппаратах отключения, диффузия увеличивается, так как увеличивается разность температур в дуге и окружающей среде, и при этом значение диффузии может быть близко к значению рекомбинации.
Для гашения электрической дуги нужно создать такие условия, при которых процессы деионизации преобладают над процессами ионизации.
Следует подчеркнуть, что весьма эффективным средством, одновременно уменьшающим термическую ионизацию и ускоряющим деионизацию дуги, распад плазмы, является ее охлаждение. Чем больше отвод мощности (тепла) в среду, окружающую дугу, тем эффективнее процесс ее гашения.

Методы гашения электрической дуги

В электрических выключателях высокого напряжения для гашения дуги решающее значение чаще всего имеет отвод мощности (тепла) дуги путем конвекции, причем для выноса тепла широко применяют воздушное или газовое дутье.
Использование для гашения дуги воздуха в современных высоковольтных выключателях получает все большее распространение. Объясняется это тем, что воздух является широко доступной средой с высокой электрической прочностью; подачей его легко управлять и, кроме того, он пожаробезопасен.
Рисунок 5.2 дает представление о схеме устройства дугогасительных камер выключателей с продольным и поперечным воздушным дутьем.

На рис. 5.2, а дугогасительная камера показана в положении, когда нижним подвижным контактом выключателя в процессе отключения пройден уже заметный путь. Возникшая между контактами дуга оказалась в потоке сжатого воздуха, интенсивно ее охлаждающего.
В приведенной схеме устройства камеры пары металла, неизбежно образующиеся в результате дуговой эрозии контактов, не попадают в межконтактный промежуток, что повышает его электрическую прочность и для высоковольтных выключателей весьма ценно.

Рис. 5.2. Схемы дугогасящих устройств с воздушным дутьем: а — камера с продольным дутьем; б — камера с поперечным дутьем
Камера с гашением дуги продольным дутьем нашла применение в воздушных выключателях на напряжение от 35 кв и выше.
Поперечное дутье (рис. 5.2, б) при одновременном применении в камере перегородок из изоляционного материала очень эффективно. Дуговой столб в такой камере потоком сжатого воздуха прижимается к перегородкам и активно деионизируется.
Поперечное дутье успешно применяется в камерах воздушных выключателей на напряжение 6—15 кв.
Применяется воздушное дутье для гашения дуги в высоковольтных выключателях гребных электрических установок.
В рассмотренных дугогасительных устройствах используется сжатый под большим давлением воздух в специальных баллонах. Однако дутье можно обеспечить и за счет газов, образующихся при разложении гасимой дугой твердого или жидкого вещества.
Из твердых газогенерирующих веществ получили распространение органическое стекло (полиметакрилат), винипласт (полихлорвиниловая смола) и фибра. Наименьший расход материала — при гашении дуги органического стекла.
Из жидких веществ в высоковольтных выключателях переменного тока стационарных установок наибольшее распространение получило трансформаторное масло (масляные выключатели). На судах для обеспечения пожаробезопасности масляные выключатели не применяют.
Интенсивное охлаждение дуги путем конвекции получается не только тогда, когда среда перемещается относительно дуги, но и тогда, когда дуга быстро перемещается по отношению к окружающей среде. На таком принципе построены многие отключающие аппараты на напряжение до 1000 в.
Перемещение дуги обычно достигается путем растяжения ее под действием электродинамических сил (рис. 5.3) или путем воздействия на нее магнитного поля. В последнем, широко известном способе иногда говорят о «магнитном дутье». При магнитном дутье поле направляют перпендикулярно дуге и так, чтобы возникающие силы взаимодействия перемещали дугу кверху (рис. 5.4).

В выключателях на напряжение до 1000 в, а иногда и на напряжение до 6—10 кв используют камеры, в которых имеет значение теплоотвод через теплопроводность при соприкосновении дуги со стенками камеры из материала, не разлагающегося под действием дуги. Причем процессы рекомбинации и охлаждения протекают особенно интенсивно в камерах с узкой щелью (рис. 5.4). Чтобы уменьшить габариты камеры, узкую щель выполняют иногда зигзагообразной.
Охлаждение через теплопроводность распространено и в предохранителях (например, предохранители с кварцевым наполнением).

Рис. 5.3. Растяжение дуги под влиянием электродинамических сил и термических воздействий


Рис. 5.5. Электрическая дуга в металлической решетке
Рис. 5.4. Дугогасительная камера с узкой щелью и магнитным дутьем:

1. — обмотка катушки магнитного дутья; 2 — стальные полюса магнитопровода; 3        — ствол дуги; 4 — дугогасительная камера

Рассмотренные способы гашения дуги сводятся к тому или другому воздействию на ее ствол. Однако в установках постоянного тока гашение дуги можно обеспечить и путем использования около электродных падений напряжения, обеспечивающих интенсивный отвод мощности дуги через электроды. Этот способ впервые был предложен М. О. Доливо-Добровольским и получил широкое распространение в отключающих аппаратах на напряжение до 1000 в.
Дуга, возникающая на расходящихся контактах 1 и 2 отключающего аппарата (рис. 5.5), из положения А загоняется электродинамическими силами в дугогасительную решетку из неподвижно укрепленных стальных пластин 3. На пластинах дуга дробится на ряд коротких дуг и перемещается, стремясь занять положение Б, при котором магнитный поток ее будет наибольшим. Перемещение основания дуги происходит легче всего по серебру, затем—по меди, стали, алюминию и т. д., поэтому поверхность стальных пластин следует меднить или серебрить.
В решетке применяют также и медные пластины, при этом для ускорения вхождения дуги на пластины используют магнитное дутье.
Известно, что полное напряжение между электродами при горящей дуге Uд складывается из катодного падения напряжения Uк, анодного падения напряжения Ua и падения напряжения на стволе дуги Uc, т. е.

Рис. 5.6. К анализу процессов в межконтактном промежутке:
а — распределение частиц между контактами в начале процесса восстановления напряжения; б — распределение восстанавливающегося напряжения

Особенности гашения дуги переменного тока.

В установках переменного тока электрическая дуга погасает автоматически при прохождении тока через нулевое значение. Погасить дугу переменного тока — это значит предотвратить ее появление в полупериод, следующий за прохождением тока через нулевое значение.
К моменту прохождения тока естественным путем через нуль все дуговое пространство заполнено сильно ионизированным газом (плазмой) при примерно равном числе электронов и положительных ионов в каждой единице объема плазмы. Подвижность электронов, имеющих относительно положительных ионов очень малую массу, почти в 1000 раз больше подвижности ионов. Поэтому в последующий после погасания полупериод сразу же при появлении между электродами разности потенциалов (начало процесса восстановления напряжения) электроны начнут перемещаться в сторону нового анода. За короткое время восстановления напряжения малоподвижные положительные ионы переместиться не сумеют. В результате у поверхности катода в пространстве, свободном от электронов, образуется зона, заполненная только положительными ионами, т. е. зона пространственного (объемного) положительного заряда (рис. 5.6, а).
Для возобновления дуги необходимо присутствие свободных электронов у нового катода, следовательно, в зоне катода необходимо иметь электрическое поле с высоким градиентом. Число электронов, кроме того, будет определяться и температурой катода.

Образование положительного объемного заряда у поверхности катода приводит к тому, что напряжение вдоль промежутка распределяется так, что большая часть его приходится на зону объемного заряда, так как она является практически непроводящей зоной по сравнению с остальной частью промежутка, содержащей в себе не только положительные ионы, но и свободные электроны (рис. 5.5, б). Неравномерное распределение напряжения повышает градиент поля у катода, что облегчает появление дуги.
Однако опыт показывает, что для зажигания дуги (пробоя промежутка) при холодных электродах мгновенное значение напряжения, прикладываемого к промежутку сразу после погасания дуги, все же не должно быть меньше 160—250 в. При горячих электродах зажигание дуги наблюдается при меньших значениях прикладываемого напряжения.
Величина начальной электрической прочности дугового промежутка, по данным опыта, существенно зависит от разрываемого тока и энергии ионизации газа (наличия паров металла в газе). При токах, больших 1000 а, начальное значение электрической прочности промежутка при медных электродах может понизиться до нескольких десятков вольт.
С течением времени в связи с процессами рекомбинации и диффузии электрическая прочность промежутка возрастает.
Рассмотренные процессы используются для гашения дуги переменного тока в дугогасительной решетке. В самом деле, если наибольшее значение восстанавливающегося напряжения будет Uмакс, а начальное значение электрической прочности одного промежутка равно Uнач, то для гашения дуги в дугогасительной решетке достаточно принять такое число промежутков п, чтобы обеспечивалось неравенство Uмакc <nUнач.
Начальная электрическая прочность промежутка даже при значительных токах больше 25 в, поэтому дугогасительная решетка на переменном токе действует эффективнее, чем на постоянном токе.
Уже было отмечено, что гашение дуги переменного тока, в сущности, сводится к созданию условий, при которых электрическая дуга, погаснув при прохождении тока через нуль, не сможет зажечься вновь.
При подходе тока к нулю приток энергии к дуговому столбу резко уменьшается, вместе с тем при продолжающемся активном воздействии дугогасительных устройств отвод мощности от дуги может оставаться значительным.
В результате, чем ближе ток к нулю, тем больше относительное значение процессов деионизации, уменьшающих проводимость дугового промежутка.
Уменьшение проводимости промежутка при небольших токах часто оказывается столь значительным, что ток при разрыве цепи выключателями проходит через нулевое значение заметно раньше своего естественного нуля.
Особенно интенсивно процессы деионизации, восстанавливающие электрическую прочность промежутка, развиваются после погасания дуги, когда электрическая прочность, как уже отмечалось, практически скачком поднимается до значения 160—250 в (при холодных электродах).
Начальное значение прочности порой имеет решающее значение для гашения дуги в установках напряжением 500—1000 в.
В установках более высокого напряжения решающее значение имеет скорость дальнейшего увеличения электрической прочности дугового промежутка, а она тем больше, чем интенсивнее работает дугогасительное устройство, т. е. чем быстрее отводится мощность из объема дугового ствола, в котором температура газа после перехода тока через нуль продолжает оставаться очень высокой.
Следует подчеркнуть, что при переходе тока через нуль мощность из остаточного дугового ствола не только отводится, но и подводится к нему восстанавливающимся на дуговом промежутке напряжением.
Подводимая к промежутку мощность будет тем больше, чем больше восстанавливающееся на нем напряжение и чем больше проводимость промежутка. А чем больше подводимая мощность, тем интенсивнее поддерживаются процессы ионизации.
Зажжется ли дуга в новом полупериоде или же она, погаснув, не восстановится вовсе, зависит от энергетических условий, определяющих соотношение процессов деионизации и ионизации остаточного дугового ствола.
Рассмотрим восстановление напряжения на промежутке после погасания дуги. Допустим, что в разрываемую цепь (рис. 5.7, а) включены: активное сопротивление R, индуктивность L и емкость С (емкость аппаратов, трансформаторов, линий и т. д.), шунтирующая дуговой промежуток. Для простоты допустим, что проводимость промежутка сразу после прохождения тока через нуль очень мала и с ней можно не считаться, так же как и с напряжением на дуге к моменту ее погасания.
После погасания дуги процесс восстановления напряжения на промежутке (т. е. на емкости С) протекает так, как он протекает в случае, когда контур, содержащий R, L и С, при нулевых начальных условиях подключается на напряжение U0 (мгновенное значение напряжения генератора к моменту погасания дуги). Практически всегдаи процесс восстановления напряжения на промежутке будет колебательным. 

Рис. 5.7. Процессы в межконтактном промежутке после нуля тока: а — рассматриваемая схема; б — кривые восстанавливающегося напряжения и восстанавливающей электрической прочности промежутка
Частота собственных колебаний процесса определяется известной формулой

Наибольшая амплитуда восстанавливающего напряжения UBm, по данным опытов, составляет для реальных сетей UBm=(1,2- 1,6) Um, где Um — амплитуда напряжения сети.
На рис. 5.7, б представлен процесс восстановления напряжения на промежутке после погасания дуги. На том же рисунке показан возможный ход восстановления электрической прочности промежутка. Здесь при нарастании электрической прочности, согласно зависимости (/), по истечении времени Δί после перехода тока через нуль произойдет новое зажигание дуги, а при нарастании прочности, согласно зависимости (2), нового зажигания не произойдет (прочность промежутка все время выше напряжения на нем) и дуга, погаснув при прохождении тока через нуль, уже не восстановится.
Из рис. 5.7, б следует, что повторного зажигания дуги будет тем труднее избежать, чем выше скорость восстановления напряжения; последняя же определяется параметрами цепи.
При прочих равных условиях выключатель, установленный у потребителя после длинной кабельной линии, емкость которой значительна, отключает короткозамкнутую цепь в более благоприятных условиях, чем выключатель, установленный на стороне питания — перед кабельной линией.
Скорость восстановления напряжения особенно мала в цепях, в которых величина R значительна. Гашение дуги в активных цепях по этой причине всегда заметно легче, чем в цепях индуктивных, если, разумеется, отключаемые токи и напряжения сети одинаковы.

Заметим, что работа дугогасительного устройства существенно облегчается (скорость восстановления напряжения резко снижается) при апериодическом характере восстановления напряжения, что можно обеспечить, шунтируя дуговой промежуток активным сопротивлением, меньшим, чем критическое сопротивление при.
В установках напряжением до 1000 в сопротивление электрической дуги часто соизмеримо с сопротивлением аварийной линии, а напряжение на дуге может составлять заметную долю напряжения генераторов системы. В результате ток в низковольтной сети после появления дуги уменьшается.
Сопротивление дуги нелинейно. Это сказывается на форме тока цепи после образования дуги — ток становится несинусоидальным. После прохождения тока через нулевое значение, если с проводимостью контактного промежутка можно не считаться, образуются незначительные паузы тока (рис. 5.8). Кроме того, ток в цепи смещается по отношению к напряжению сети, причем время (угол) сдвига уменьшается; уменьшение зависит от нескольких факторов, в том числе от величины напряжения на дуге, коэффициента мощности разрываемого контура и др.
Чем больше напряжение на дуге, тем значительнее уменьшается ток в рассматриваемой цепи и меньше величина восстанавливающегося напряжения после угасания дуги.
Рисунок 5.8 иллюстрирует сказанное. На рисунке принято, что напряжение на дуге составляет 40—50% от Um и что с проводимостью контактного промежутка сразу после угасания дуги можно не считаться. Кратковременные паузы тока (мксек), заметные на рис. 5.7, при масштабе времени, принятом на рис. 5.8, незаметны.

Особенности гашения дуги постоянного тока.

При постоянной длине дуги ее вольт-амперная характеристика выражается по известной формуле где а, b и п — постоянные, зависящие от среды, условий горения дуги, материала электродов и длины дуги.
Если вольт-амперная характеристика снимается при стационарно горящей дуге, то она называется статической характеристикой дуги. Характеристика, снимаемая при быстром изменении тока, называется динамической характеристикой. Динамическая вольт-амперная характеристика ложится ниже статической характеристики вследствие главным образом тепловой инерции дуги, влияние которой оказывается тем значительнее, чем быстрее уменьшается ток.
С увеличением длины дуги ее характеристика располагается выше. Она помещается выше и при увеличении интенсивности охлаждения дуги или при увеличении давления окружающей ее среды, что всегда увеличивает градиент напряжения в стволе дуги.
Для цепи, в которую включены сопротивление R, индуктивность L и дуга с напряжением Uд (i), уравнение равновесия напряжений при напряжении генератора Uг имеет вид
,        (5.4)

Получить дугу нужной длины, обеспечивающей ее угасание, можно при помощи плавкой вставки определенных размеров, растяжения дуги магнитным дутьем или электродинамическими силами, возникающими в контуре дуги, и т. п.
Поднять характеристику дуги над прямой АВ, т. е. увеличить напряжение на дуге, можно также, применяя дугогасительные камеры с узкими щелями, камеры с дугогасительными решетками, предохранители с наполнением (например, типа ПДит. д.). Градиенты напряжения значительно повышаются также в случае гашения дуги в замкнутом объеме при высоком давлении газа (например, предохранители типа ПР).
В установках постоянного тока для гашения дуги в конечном счете важен также энергетический баланс: дуга постоянного тока гаснет тогда, когда мощность, рассеиваемая ею, превосходит мощность, подводимую к дуге из сети. Это условие соблюдается тогда, когда характеристика дуги располагается выше прямой АВ.
Заметим, что в цепях постоянного тока с приемниками, обладающими противоэлектродвижущей силой (аккумуляторы, двигатели), гашение дуги при прочих равных условиях ускоряется и, как правило, сопровождается небольшими напряжениями (небольшим превышением напряжения дуги над напряжением генератора).
В цепях, содержащих индуктивность, время гашения дуги заметно возрастает, и тем больше, чем больше индуктивность цепи (при том же токе). При этом могут резко возрасти и перенапряжения, особенно в самом конце гашения дуги, если она имела возможность в течение длительного времени гашения удлиниться или если успел возрасти градиент напряжения при интенсивно действующих средствах гашения.
Для уменьшения перенапряжений в цепях с большой индуктивностью широко распространено, в частности при гашении поля генераторов (§ 6.5), шунтирование индуктивности омическим сопротивлением.
Условия гашения дуги облегчаются также, если ее шунтировать омическим сопротивлением или (при небольших токах) емкостью.