Отключение цепи электрическим контактным аппаратом представляет собой процесс изменения сопротивления между двумя контактами от нескольких микроом до десятков и сотен мегаом. Схематично процесс размыкания контактов и образования между ними изоляционного промежутка можно представить следующим образом. При расхождении контактов контактное нажатие между ними постепенно снижается и, следовательно, уменьшается фактическая площадь их соприкосновения.
Рис. 2. Дуговой промежуток
I — область растекания тока; 2 — пленка на поверхности катода; 3 — газовый слой; 4 — катодная область; 5 — анодная область
В результате увеличивается плотность тока на ней и ее температура. По мере дальнейшего движения контактов температура в точке их соприкосновения возрастает и к моменту их фактического расхождения достигает температуры плавления металла контактов. Когда контакты разойдутся на расстояние, измеряемое микрометрами, между ними образуется мостик из жидкого металла, форма которого будет изменяться от бочкообразной до формы гиперболоида. По мере расхождения контактов гиперболоид вытягивается и сечение его седловины уменьшается. Сечение седловины, являющееся наименьшим сечением мостика, интенсивно разогревается, и температура в нем достигает температуры кипения металла. Мостик взрывается, и между контактами образуется электрическая дуга, горящая в парах металла. По мере расхождения контактов дуга удлиняется. В коммутационных АВН дуга должна быть погашена возможно быстрее. Однако условия гашения дуги и внешние воздействия на нее могут быть весьма разнообразными. В соответствии с этим принята следующая классификация дуг.
По условиям гашения различают дуги: I) короткие, гашение которых обусловливается в основном процессами, происходящими на электродах; 2) длинные (плазменные), гашение которых обусловливается в основном процессами, происходящими в стволе дуги.
По характеру внешних воздействий на дугу различают: I) стабилизированные дуги, горящие в трубе; 2) открытые, свободно горящие в воздухе; 3) обдуваемые, которые подвергаются воздействию продольного или поперечного потока газа; 4) щелевые, горящие в щели, образованной стенками из теплостойкого изоляционного материала.
В дуге можно выделить три области, отличающиеся характером протекающих в них процессов (рис. 2). Непосредственно к отрицательному электроду — катоду примыкает область катодного падения напряжения. За ней идет область ствола (столба) дуги. Наконец, к положительному электроду — аноду прилегает область анодного падения напряжения. Наиболее важной с точки зрения гашения дуги в АВН является вторая область — ствол дуги.
Область катодного падения напряжения сосредоточена на участке дугового промежутка протяженностью порядка 10-4 —10-5 см, находящемся непосредственно у поверхности катода. Падение напряжения на этом промежутке составляет 10—20 В (оно близко к потенциалу ионизации паров металла катода) в зависимости от материала катода и при больших токах практически не зависит от тока дуги. С увеличением тока и давления окружающего газа катодное падение напряжения уменьшается. По данным различных авторов напряженность поля в области катодного падения напряжения лежит в пределах 105—107 В/см. Около катода находится положительный объемный заряд, создаваемый положительными ионами. Между этим зарядом и катодом создается электрическое поле, увенчивающее скорость движения электронов, вышедших из катода. Электроны, выходящие из катода, не образуют около катодной области отрицательного объемного заряда, так как скорость их во много раз больше скорости ионов.
Часть поверхности катода, на которой горит дуга, называемая катодным пятном, несколько меньше поперечного сечения ствола дуги. Таким образом, ствол дуги в месте перехода к катоду суживается. Если катод подогревать, то сужение ствола дуги уменьшается и практически может не наблюдаться.
Катодное пятно состоит из ряда площадок, сквозь каждую из которых протекает определенный ток. Если ток, проходящий сквозь одну из площадок, превысит некоторое критическое значение, то она разделится на две или большее число площадок. Таким образом у поверхности катода образуется несколько параллельных ветвей (струй). Разделение катодного пятна обусловливается взаимным отталкиванием его частей под действием собственного магнитного поля дуги.
Катодное пятно склонно к быстрым перемещениям (прерывистым или непрерывным). В некоторых случаях, например, если катодом служит острие, катодное пятно неподвижно. Скорость перемещения катодного пятна зависит от металла электрода и скорости расхождения контактов.
Плотность тока в катодных пятнах и их температура изучены слабо. По данным различных авторов плотность тока в катодном пятне на металлических электродах находится в пределах 104—107 А/см2 (верхние значения относятся к быстро перемещающимся пятнам). Температура нагрева катодного пятна ограничена температурой плавления (кипения) материала электрода либо оксидной пленки на нем. Температура плавления металла зависит от давления среды, в которой он находится, увеличиваясь с ростом давления.
Катодное пятно бомбардируется положительными ионами, поступающими из ствола дуги. При нейтрализации иона выделяется энергия в несколько электрон-вольт, которая расходуется на нагрев катодного пятна до температуры плавления (кипения) материала катода.
Баланс энергии на поверхности катодного пятна складывается из энергии, подводимой к нему и отводимой от него. Подводимая энергия — это кинетическая энергия при ударе ионов о катод, энергия нейтрализации ионов на катоде, энергия, поступающая из ствола дуги (посредством теплопроводности, конвекции и излучения), и энергия, выделяемая в материале катода проходящим по нему током. Отводимая энергия — это энергия, затрачиваемая на выход электронов с поверхности катода, энергия, уносимая с потоками плазмы, энергия, затрачиваемая на плавление и испарение материала катода, энергия, затрачиваемая на нагрев зоны контактирования, и энергия, отводимая в глубь катода посредством теплопроводности.
Область анодного падения напряжения.
В дуговом разряде анод служит приемником потока электронов, идущего из ствола дуги. Под действием бомбардировки электронов поверхность анода разогревается до высоких температур (см. выше) и с нее вследствие термоэлектронной эмиссии выделяются электроны. Однако эти электроны под действием электрического поля возвращаются обратно к аноду. На аноде не происходит выделения положительных ионов, а образовавшиеся вблизи анода положительные ионы уходят в ствол дуги. Поэтому около анода образуется избыток электронов, т. е. возникает отрицательный объемный заряд, создающий анодное падение напряжения 5—10 В. Зона анодного падения напряжения по протяженности превосходит область катодного падения напряжения.
Роль анода в дуговом разряде является пассивной, и даже если бы анодного падения напряжения не было, существование дуги было бы возможным.
Поверхность анода, воспринимающая электроны, приходящие из ствола дуги, называется анодным пятном. Плотности тока на анодном пятне обычно в несколько раз меньше, чем на катодном, и во многом зависят от условий передачи тепла в глубь анода. На анодах из металла с хорошей теплопроводностью, например из меди, плотность тока будет больше. В среднем она лежит в пределах от 103 до 5· 104 А/см2 в зависимости от материала анода и значения тока. При переходе ствола дуги к анодному пятну может иметь место некоторое сужение ствола дуги.
Высокая температура анодного пятна несущественна для образования и существования дуги (см. выше). Она является лишь следствием процессов, сопровождающих этот вид дугового разряда.
Анодное пятно перемещается по поверхности анода скачкообразно, Создается впечатление, что движущийся ствол дуги, переместившись на некоторое расстояние от анодного пятна, касается своим участком поверхности анода и образует новое анодное пятно, после чего прежнее пятно отмирает. При значительных токах наблюдается существование нескольких анодных пятен.
Баланс энергии на поверхности анода в зоне анодного пятна складывается из энергии, подводимой к нему, и энергии, отводимой от него Подводимая энергия — это кинетическая энергия при ударе электронов о поверхность анода, энергия, освобождающаяся при нейтрализации электронов на поверхности анода, энергия, поступающая из ствола дуги (теплопроводностью, конвекцией и
излучением), и энергия, выделяемая в материале анода проходящим по нему током. Отводимая энергия — это энергия, уносимая потоками плазмы, энергия, затрачиваемая на плавление и испарение материала анода, энергия, затрачиваемая на нагрев зоны контактирования, и энергия, отводимая в глубь анода теплопроводностью.
Ствол дуги условно можно рассматривать как цилиндрическую область сильно ионизированного газа, в котором имеет место почти точное равенство плотностей положительно и отрицательно заряженных частиц. Ствол дуги является каналом, связывающим электроды. Его длина определяется расстоянием между электродами и другими факторами.
Под влиянием напряжения, приложенного к электродам, положительные ионы и электроны движутся в стволе дуги в противоположных направлениях, образуя ток в дуге. Вследствие значительно более высокой подвижности электронов (примерно в в 1000 раз), чем ионов, практически весь ток создается электронами.
При высоких температурах порядка 15 000 К и более в проведении тока начинают принимать все большее участие положительные ионы, подвижность которых в этом случае может достигать 20—30 % подвижности электронов. Отсутствие в стволе дуги нескомпенсированных объемных зарядов определяет лилейный характер распределения напряжения в ней. С этой точки зрения ствол дуги подобен металлическому проводнику. Разница между ними заключается в том, что проводник имеет определенную геометрическую форму, не зависящую от тока, условий охлаждения и других факторов, в то время как форма и размеры ствола дуги сильно зависят от тока, его рода, условий охлаждения, посторонних электрических воздействий. Кроме того, проводник всегда сохраняет свои электрические свойства, а ствол дуги сохраняет свои свойства только лишь при непрерывном подводе к нему энергии.
Плотность тока в стволе дуги (А/см2) 
а проводимость столба дуги (См/см)
где Е — напряженность электрического поля, В/см; е — заряд электрона, Кл; пэ — плотность электронов (число электронов в I см3), бэ — подвижность электронов, см2/(В.с); би —подвижность ионов, см2/(В-с).
Ионизация в стволе дуги поддерживается мощностью, выделяющейся в дуге. Основным видом ионизации в стволе Дуги является термическая ионизация. Ударная ионизация может оказать существенное влияние на ионизацию только в самом начале процесса восстановления напряжения. Одновременно с ионизацией в стволе дуги непрерывно происходит и его деионизация.
Рис. 3. Зависимость теплопроводности λ и электрической проводимости от температуры в для азота (——) и элегаза ( ) при р — 10-5 Па
Отвод энергии от ствола дуги при ее гашении должен превышать энергию, выделяемую в дуге током. В дуге выделяется большая мощность, равная JE. Так, например, при токе / = 25 000 А и напряженности поля Е = 25 В/см мощность, подводимая к 1 см длины ствола дуги, будет N — ΙΕ — 25 000-25 = 625 000 Вт/см. Отвод энергии от ствола дуги осуществляется тепловым излучением, теплопроводностью и турбулентной конвекцией.
Тепловым излучением от ствола дуги отводится сравнительно небольшая часть энергии, выделяющейся в ней. В коротких дугах и в мощных длинных дугах присутствие в стволе дуги паров металла электродов несколько увеличивает теплоотвод посредством излучения.
Теплопроводностью и турбулентной конвекцией отводится основная часть энергии, выделяющейся в дуге. Передача тепла от ствола дуги в окружающую среду посредством теплопроводности в сильной степени зависит от температуры газа. По данным, мощность JVT(Вт/см), отводимая с одного сантиметра длины ствола дуги, составляет для воздуха и для водорода соответственно
(3)
Из (3) следует, что отвод тепла от дуги, горящей в водороде, в восемь раз больше, чем в воздухе, при одной и той же температуре. Температура в стволе дуги, горящей в водороде, в 1,5— 2 раза больше, чем дуги, горящей в воздухе. При этом мощность, отдаваемая дугой, горящей в водороде, окажется уже в 30 и более раз больше, чем у дуги, горящей в воздухе. Поэтому в АВН в качестве дугогасящей среды нашли широкое применение жидкости и твердые материалы, выделяющие при воздействии дуги водород (трансформаторное масло, органическое стекло, фибра и др.).
Теплопроводность газа в сильной степени зависит от температуры (рис. 3). Процессы диссоциации, ионизации и деионизации, происходящие при больших температурах, существенно увеличивают теплопроводность. Поэтому в кривых λ — f (Θ) наблюдаются максимумы теплопроводности. В воздухе (азоте) этот максимум наблюдается при температуре около 7000 К, а в элегазе вследствие более слабых внутримолекулярных связей — около 2100 К.
Таблица 2-2. Роль отдельных видов теплоотдачи от ствола дуги
За максимумом следует крутой спад теплопроводности вследствие завершения процесса диссоциации, а затем ее новый подъем. Теплопроводность газа зависит также и от давления, уменьшаясь с увеличением последнего. Однако характер кривых остается таким же, как на рис. 3, только максимумы уменьшаются и сдвигаются в сторону больших температур.
Турбулентная конвекция.
Отвод тепла конвекцией происходит так. Холодный газ внедряется во внешнюю зону ствола дуги, нагревается, частично подвергается диссоциации и, забирая при этом энергию диссоциации, выносит ее за пределы ствола дуги. Ствол дуги испытывает боковые смещения (колебания), обусловленные электродинамическими силами, возникающими в дуговом контуре, и газодинамическими явлениями, более тесно соприкасается с окружающими слоями газа, отдает им часть своего тепла.
Эффективность теплоотдачи посредством турбулентной конвекции увеличивается с повышением теплоемкости газа. Удельная теплоемкость воздуха имеет ярко выраженные максимумы при температурах 3500, 7000 и 15 000 К и минимумы при 4100 и 9200 К. Первый максимум вызван диссоциацией кислорода, второй — диссоциацией азота и третий — ионизацией воздуха. У элегаза максимумы удельной теплоемкости наступают при температуре 2100 и 9000 К, а минимум — при 9500 К. В табл. 2-2 приведены данные разных авторов о роли отдельных видов теплоотдачи для свободно горящей дуги, дуги, обдуваемой продольным потоком воздуха, н стабилизированной дуги [54]. Напряженность поля в стволе дуги зависит от тока дуги, теплофизических свойств газа, в котором горит дуга, давления газа и от условий ее охлаждения.
Баланс энергии в стволе дуги.
Энергия, поступающая в ствол дуги, — это энергия, выделяемая током, проходящим по дуге; энергия, выделяющаяся в стволе при рекомбинации противоположно заряженных частиц (она равна энергий, ранее затраченной на их ионизацию), и энергия, вносимая потоками плазмы с электродов.
Энергия, отводимая из ствола дуги, — это энергия, расходуемая на диссоциацию атомов и молекул; энергия, отводимая от ствола дуги посредством диффузии, и энергия, отводимая от ствола дуги посредством теплопроводности, турбулентной конвекции и излучения.
Если подводимая энергия равна отводимой или превышает ее, то баланс энергии в стволе дуги положителен и, следовательно, обеспечиваются условия стабильного горения дуги. В тех же случаях, когда отводимая энергия больше подводимой, баланс энергии в стволе дуги оказывается отрицательным и тем самым создаются условия для гашения дуги.
Теплота, выделяемая в дуге, распространяется в радиальном направлении от центра дуги и в аксиальном направлении к электродам. Часто пренебрегают отводом теплоты к электродам, но это допустимо не для всех типов ДУ. Вся теплота, выделяемая в дуге в единицу времени, равняется теплоте, запасаемой дугой, плюс теплота, отводимая от дуги в радиальном и аксиальном направлениях.
Распределение температуры и плотности тока по поперечному сечению ствола дуги весьма неравномерно. Температура имеет максимальное значение на оси дуги и довольно быстро уменьшается по направлению к наружной поверхности ствола дуги. Температура определяет степень ионизации газа, от которой зависит проводимость ствола дуги. Если разделить поперечное сечение дуги на ряд концентрических слоев равной ширины, то их проводимость и плотность тока в них будут уменьшаться от центра дуги к периферии, хотя площадь слоев увеличивается по мере удаления от центра пропорционально квадрату радиуса Установлено, что при температуре периферийного кольцевого слоя дуги 4000 К сквозь него проходит 0,05 % всего тока дуги, а сквозь слой с температурой 3000 К проходит всего лишь 0,001 % общего тока. Таким образом, можно считать, что весь ток дуги проходит сквозь сечение, на границе которого температура равна 4000 К. Некоторые авторы считают, что эта температура составляет 3000 К Диаметр этого сечения принимают за диаметр ствола дуги. Диаметр дуги в сильной степени зависит от эквивалентной теплопроводности газа и от условий ее охлаждения, уменьшаясь с повышением интенсивности охлаждения (повышение давления охлаждающего газа, применение газа большой теплопроводности и т. и.). С уменьшением диаметра дуги повышается плотность тока в ней (см. табл. 2-2) В современных КА плотность тока в дуге составляет величину от сотен до нескольких десятков тысяч ампер на 1 см2.
