6-4. СТВОЛ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ В ПРОДОЛЬНОМ ПОТОКЕ
ЭЛЕГАЗА
Характеристики ствола дуги в процессе се гашения, как уже рассматривалось выше, обусловлены как свойствами плазмы самой дуги, так и многими внешними факторами (условия охлаждения, сетевые условия и др.).
Все это в полной мере относится и к дугам в элегазе. Однако в отличие от дуг в простых газах дуги в элегазе имеют отличительные особенности благодаря присущим этой среде физико-химическим свойствам, о которых говорилось выше.
Прежде всего имеет большое значение вопрос о распределении температуры по сечению ствола дуги в элегазе.
Как следует из предыдущего (см. § 6-3), особенность плазмы элегаза состоит в том, что в ней температура диссоциации (2100° К) значительно меньше температуры (около 4000°К), при которой наступают условия для резкого увеличения удельной электропроводности за счет ионизации атомов серы. Благодаря этому в стволе дуги могут образоваться две резко выраженные области — центральная («ядро») и периферийная. Центральная токопроводящая область (ядро) обладает высокой электропроводностью и в то же время относительно низкой теплопроводностью, в этой токопроводящей части за счет внутренних источников энергии с интенсивностью Е2а плазма нагревается до высокой температуры. Периферийная область с температурой, равной примерна температуре диссоциации, практически неэлектропроводна, но обладает высокой теплопроводностью.
Следует заметить, что такое своеобразное строение ствола характерно при гашении "не только в элегазе, а вообще во всех молекулярных газах. Однако отличие состоит в том, что в простых молекулярных газах, обладающих обычно относительно высокой температурой диссоциации, образование явно, выраженного температурного «пика» (ядра) происходит соответственно при более высокой температуре. Например, в стволе дуги (стабилизированной в трубе или слабо охлаждаемой во внешней среде) в азоте образование ядра может быть в том случае, если максимальная температура по величине будет больше температуры диссоциации этого газа (рис. 6-7), т. с. выше Т1>7500oK. По-видимому, это условие может быть достигнуто при достаточно большой величине тока.
Периферийная область дуги в азоте также обладает достаточно высокой температурой (Г2<7500°К), следовательно, она частично является электропроводной.
Таким образом, образование явно выраженной токопроводящей части ствола дуги, в просты молекулярных газах может происходить при сравнительно больших значениях тока, в то время как в элегазе, это ядро может наблюдаться при очень малых токах.
Из приведенного следует, что поперечное распределение температуры в стабилизированных слабоолаждаемых дугах, имеющих одинаковое поперечное
сечение в элегазе и других молекулярных газах (азот, кислород) можно представить, как показано на рис. 6-7.
Из этой картины распределения температур ряд авторов (Фринд [116] и др.) исходит при объяснении относительно высокой дугогасящей способности элегаза при гашении электрической дуги переменного тока.
Полагая, что температура, при которой газ приобретает заметную электропроводность, н для элегаза и для азота (или для воздуха) выше 4000° К, из рис. 6-7 можно установить, что диаметр токопроводящей части дуги в элегазе значительно меньше диаметра дуги в азоте (или в воздухе). Благодаря этому при внезапном обесточивании дуги процесс распада ствола в элегазе будет происходить более интенсивно, чем в азоте (или в воздухе), поскольку в этом случае теплосодержание токопроводящего объема в элегазе намного меньше, чем в воздухе. Отсюда следует, что дугу в элегазе погасить значительно легче, чем в воздухе. В работе [122] на основании теоретических исследований процесса охлаждения внезапно обесточенного стабилизированного ствола при малых начальных значениях тока делается вывод о том, что высокая дугогасящая способность элегаза обусловлена главным образом тсплохимическими свойствами плазмы этой среды, о которых говорилось выше, а электроотрицательность этого газа практически не играет какой-либо заметной роли. При дальнейших исследованиях процессов гашения дуги в элегазе проведенных на дугогасителях с продольным дутьем, полностью эти выводы не подтвердились [116].
Рис. 6-8. Опытные модели дутьевых систем одностороннего дутья 1 — дутьевое сопло; 2 — смотровая щель для фотометрических исследований короткого участка ствола дуги; 3 — оконечность контакта-
Рис. 6-7. Схематическая картина радиального распределения температуры по поперечному сечению ствола стабилизированных дуг в элегазе и азоте
Как показывают исследования [97, 98], в процессе гашения дуги переменного тока роль теплохимических свойств элегаза проявляется в различной степени в зависимости от интенсивности газового дутья: при относительно малом конвективном охлаждении в процессе теплообмена между стволом дуги и окружающей средой существенную роль играют термохимические,, свойства элегаза, которые особенно характерны для свободногорящей дуги, исследуемой в работе [98]. При повышении интенсивности конвективного охлаждения роль теплохимических свойств уменьшается, в значительной степени проявляются электроотрицательные свойства этой среды.
Параметры и характер ствола дуги в элегазе при продольном дутье. Сравнительные опытные данные о параметрах и характеристиках- дуги в элегазе и в воздухе при продольном дутье были получены в результате исследования дуги при гашении в системе продольного газового дутья при различных внешних условиях [102, 105, 106].
Модель дутьевой системы одностороннего дутья с коническим соплом показана на рис. 6-8. Для фотометрических исследований короткого участка ствола дуги, расположенного непосредственно в горловине сопла, в поперечной плоскости горловины предусмотрена узкая смотровая щель.
Опытные данные получены в результате измерений тока и напряжения дуги, измерения давлений газа в отдельных точках дутьевой системы и фотометрических исследований с помощью сверхскоростного фотографирования с последующей микрофотометрической обработкой полученных снимков поперечника ствола на непрерывную развертку.
Скорость Wi потока элегаза на входе в сопло при наличии в нем дуги может быть найдена по приведенным выше уравнениям (см. гл. 5). Для элегазового дутья эти уравнения могут быть приведены к виду:
а) для пределов скорости г
(6-2)
В этих уравнениях Ар — перепад давления в системе, бар; F — сечение горловины сопла, см2; Uл — напряжение на эффективной части ствола дуги, кВ; /т — амплитуда переменного тока, а.
Из уравнений (5-80) и (6-1) следует, что при 0<о>1<30 м/сек скорость Wi потока элегаза да 25% меньше скорости потока воздуха при одинаковых прочих условиях.
Существенный интерес представляют данные о характере распределения оптической плотности по поперечнику ствола дуги, охлаждаемой в элегазе. Такие данные приведены на рис. 6-9, откуда видно, что при малом перепаде давления Др, т. е. при относительно малой интенсивности охлаждения, в кривой распределения оптической плотности резко обозначена центральная пикообразная область, о которой говорилось выше. Как известно, такое строение ствола характерно для свободногорящей дуги в элегазе, у которой в процессе теплообмена важную роль играют ее теплохимические свойства.
При повышении интенсивности продольного дутья, т. е. при увеличении перепада давления [см. уравнение (6-1)], как видно из полученных данных, периферийная часть дуги становится малозаметной, преобладает центральная токопроводящая область ствола. Это свидетельствует о том, что в условиях интенсивного продольного дутья в элегазе на границе с внешним потоком происходит турбулентное перемешивание неэлектропроводной части ствола с холодным газом. При этом условия тепло- и массообмена становятся при-, мерно такими же, как и при воздушном дутье. Это объясняется тем, что термическая диффузия в токопроводящей части ствола для элегаза и для азота (или воздуха) носит аналогичный характер.
Рис. 6-9. Распределение оптической плотности негативного изображения короткого участка ствола дуги, расположенного в горловине сопла, снятого на фоторазвертку при продольном дутье
1 — при перепаде давления А р=2 бар; 2 — при перепаде давления Д/7=»5 бар
Данные о зависимости диаметра ствола дуги от тока и от величины перепада давления приведены на рис. 6-10 и 6-11. Из этих данных видно, что при одинаковых прочих исходных условиях диаметр ствола дуги в потоке элегаза несколько больше,4 чем у дуги, охлаждаемой потоком воздуха. Это обусловлено тем, что при дутье в элегазе скорость потока газа wі на входе
в сопло. Этими данными также установлена существенная зависимость диаметра дуги от величины перепада давления.
