1.5 ХАРАКТЕРИСТИКИ ДУГОВОГО РАЗРЯДА
Электрической дугой, точнее, дуговым разрядом называют самостоятельный разряд в газе, т.е. разряд, протекающий без внешнего ионизатора, характеризующийся высокой температурой столба дуги, большой плотностью тока и относительно небольшим падением напряжения у катода. Ниже рассмотрена только дуга высокого давления, т.е. дуговой разряд при атмосферном и более высоком давлении. Вакуумные выключатели являются исключением и рассмотрены особо.
Различают следующие области дугового разряда, а именно: 1) область катодного падения напряжения; 2) область у анода; 3) столб дуги.
Область катодного падения напряжения представляет собой тонкий слой газа у поверхности катода. Падение напряжения в этом слое составляет 10.20 В, а напряжённость электрического поля достигает 10+5....10+6 В/см. Энергия, подводимая из сети к этой области, используется на выделение электронов с поверхности катода. Механизм освобождения электронов может быть двояким, а именно: а) термоэлектронная эмиссия при тугоплавких электродах (например, уголь, вольфрам), температура которых может достигнуть необходимого значения 6000 К и выше, или б) автоэлектронная эмиссия, т.е. вырывание электронов из катода под действием сильного электрического поля при «холодном» катоде. Освобождающиеся электроны движутся через дуговой столб к аноду. В зоне анода образуется отрицательный объёмный заряд вследствие недостатка положительных ионов. Падение напряжения в этой зоне составляет несколько вольт. Оно зависит от материала и температуры анода.
Процессы в дуговом столбе вызывают наибольший интерес при изучении выключателей, поскольку для гашения дуги используют различные виды воздействия именно на дуговой столб. Последний представляет собой плазму, т. е. ионизированный газ с очень высокой температурой (до 20 000 К) и одинаковым содержанием электронов и положительных ионов в единице объёма. Электроны и ионы участвуют в тепловом хаотическом движении нейтральных молекул и атомов, но имеют также направленное движение в электрическом поле вдоль оси дуги, определяемое знаком заряда частиц. Этому движению препятствует нейтральный газ. Происходят частые соударения электронов и ионов с нейтральными частицами. Поскольку длина свободного пробега электронов при высоком давлении мала, потеря энергии при их упругих столкновениях с молекулами и атомами, приходящаяся на каждое столкновение, мала и недостаточна для ионизации частиц. Однако число столкновений, претерпеваемых электронами, весьма велико. В результате энергия электронов передаётся нейтральному газу в виде тепла.
Особенность дугового разряда при высоком давлении газа заключается в том, что дополнительная энергия, которую приобретают электроны и ионы в своём направленном движении вдоль оси дугового столба, очень мала по сравнению с тепловой энергией газа, так как градиент напряжения и длина свободного пробега малы. Поэтому средняя энергия «электронного газа» не может сколько-нибудь заметно превысить среднюю энергию нейтрального газа. Следовательно, ионы, электроны, а также нейтральные атомы и молекулы находятся в тепловом равновесии. В этом заключается основное отличие дугового разряда при высоком давлении от разряда при низком давлении. В последнем случае температура нейтрального газа не превышает нескольких сотен градусов, в то время как температура электронного газа достигает десятков тысяч градусов.
Поскольку при высоком давлении газа атомы и молекулы подавляющим образом преобладают над электронами и имеют почти ту же высокую температуру, большая часть возбуждённых и ионизированных атомов и молекул получается при соударениях между нейтральными частицами, а не при столкновениях с электронами. Таким образом, электроны ионизируют не непосредственно при соударениях с нейтральными частицами (как это происходит в вакууме), а косвенно, повышая температуру газа в дуговом столбе. Такой механизм ионизации называют термической ионизацией. При этом удельная ионизация дугового столба полностью определяется температурой и при изменении одной из этих величин неизбежно меняется и другая. Источником энергии, необходимой для термической ионизации, является электрическое поле.
В дуговом столбе имеются потери энергии, которые в установившемся состоянии уравновешиваются энергией, получаемой из сети. Основная часть энергии уносится из дугового столба возбуждёнными и ионизированными атомами и молекулами. Вследствие разности концентраций заряженных частиц в дуговом столбе и окружающем пространстве, а также разности температур ионы диффундируют к поверхности дугового столба, где происходит их нейтрализация. Эти потери должны восполняться образованием новых ионов и электронов, т.е. ионизацией газа, связанной с затратой энергии. В установившемся состоянии градиент напряжения в столбе дуги всегда таков, что имеющая место ионизация компенсирует потери электронов через рекомбинацию. Градиент напряжения зависит от свойств газа, состояния, в котором он находится (спокойное, турбулентное), а также от давления и тока. При повышении давления газа градиент напряжения увеличивается вследствие уменьшения свободного пробега электронов. С увеличением тока градиент напряжения уменьшается, что объясняется увеличением площади сечения и температуры дугового столба. Дуговой столб стремится принять такое сечение, чтобы в рассматриваемых условиях потери энергии были минимальны.
Вольт-амперныехарактеристикидуги. Зависимость напряжения дуги от тока при очень медленном изменении последнего представляет собой статическую характеристику дуги (рис. 1.4). В установившемся состоянии каждой точке характеристики соответствуют некоторое сечение и температура дугового столба. При изменении тока дуговой столб должен изменить своё сечение и температуру применительно к новым условиям. Эти процессы требуют времени, и поэтому новое установившееся состояние наступает не сразу, а с некоторым запаздыванием. Это явление называют гистерезисом.
Допустим, что ток внезапно уменьшился от значения i1 (точка 1) до значения i2. В первый момент дуга сохранит своё сечение и температуру, а градиент уменьшится (точка 2). Подводимая мощность будет меньше необходимой для проведения тока i2. После этого сечение и температура дугового столба начнут уменьшаться, а градиент напряжения увеличиваться, пока не наступит новое установившееся состояние в точке 2, лежащей на статической характеристике. При внезапном увеличении тока от значения i до значения i3 градиент напряжения увеличится (точка 3'). Подводимая к дуге мощность будет больше необходимой для проведения тока i3. После этого сечение и температура столба начнут увеличиваться, а градиент напряжения уменьшаться, пока не наступит новое установившееся состояние в точке 3, лежащей на статической характеристике.
Рис. 1.4. Примерный вид статической характеристики дуги
При плавном изменении тока с некоторой скоростью напряжение не успевает следовать за изменением тока в соответствии со статической характеристикой. При увеличении тока напряжение превышает значения,
определяемые статической характеристикой, а при уменьшении тока напряжение меньше этих значений. Кривые ид = f(i) при изменении тока с некоторой скоростью представляют собой динамические характеристики дуги (рис. 1.5, сплошные линии). Положение этих характеристик по отношению к статической характеристике (см. пунктирную кривую) зависит от скорости изменения тока: чем медленнее происходит изменение тока, тем ближе расположена динамическая характеристика к статической. В рассматриваемых условиях дугового разряда может быть только одна статическая характеристика. Число динамических характеристик неограниченно.
Рис. 1.5. Примерный вид динамических характеристик дуги
При анализе электрических цепей принято оперировать сопротивлениями. Поэтому говорят и о сопротивлении дуги, понимая под этим отношение напряжения у электродов к току. Сопротивление дуги непостоянно. Оно зависит от тока и многих других факторов. В установившемся состоянии сопротивление дуги может быть определено с помощью статической характеристики как тангенс угла наклона секущей, проведённой из начала координат в рассматриваемую точку характеристики (рис. 1.5). По мере увеличения тока сопротивление дуги уменьшается.
При переменном токе самостоятельный дуговой разряд чередуется с несамостоятельным разрядом. Соответствующие динамические характеристики дуги приведены на рис. 1.6, а.
Пунктирными линиями показаны статические характеристики. Дуга зажигается в точках 1 и 3, а угасает в точках 2 и 4. В течение четверти периода, когда ток увеличивается, кривая напряжения лежит выше статической характеристики вследствие отставания тепловых процессов от изменения тока. Скорость образования ионов превышает скорость их исчезновения. Следующую четверть периода, когда ток уменьшается, кривая напряжения лежит ниже статической характеристики. Скорость образования ионов меньше скорости их исчезновения. Разряд частично поддерживается энергией, полученной ранее. Области 2-3 и 4-1 соответствуют несамостоятельному разряду, при котором с увеличением тока напряжение увеличивается.
Изменение напряжения дуги во времени показано на рис. 1.6, б. Участки кривой 2-3 и 4-5 соответствуют процессу восстановления напряжения на полюсе выключателя. Этот процесс определяется не только параметрами цепи, но также остаточной проводимостью промежутка.
Рис. 1.6. Напряжение дуги при переменном токе:
а - напряжение дуги как функция тока; б- напряжение дуги как функция времени
Динамика тепловых (энергетических) процессов в дуговом столбе при изменении тока может быть охарактеризована отношением т = Q/P, получившим название постоянной времени дугового столба. Здесь Q - теплосодержание дугового столба, Вт с; P- теплоотдача в окружающую среду, Вт. Обе величины отнесены к единице длины дугового столба. Постоянная времени дуги изменяется в широких пределах в зависимости от условий. В масляных и воздушных выключателях постоянная времени дуги составляет всего 1...2 мкс. Отсюда можно заключить о скорости процесса деионизации и о времени, необходимом для превращения дугового промежутка выключателя из проводника в диэлектрик.
Процессы в дуговом промежутке и в электрической цепи вблизи момента погасания дуги. Исследования процесса отключения с помощью катодного осциллографа позволили уточнить и лучше понять описанный в пункте 1.4 в общих чертах процесс отключения.
Существенное влияние на значение тока и скорость его изменения в самом конце полупериода, а также на процесс угасания дуги оказывают ёмкость и сопротивление, включённые параллельно дуговому промежутку (см. рис. 1.7).
Рис. 1.7. Схемы, поясняющие применение метода наложения к явлению вытеснения тока из дугового промежутка в параллельные ветви
(1.2)
Здесь сумма первых двух членов представляет ток iL в индуктивности, третий член - ток iC в ёмкости и четвёртый член - ток ig, обусловленный проводимостью.
При подходе тока к нулю напряжение на дуговом промежутке увеличивается в соответствии с вольт-амперной характеристикой. При этом значительная часть тока i, проходившего через выключатель до размыкания контактов, вытесняется из дугового промежутка в параллельные ветви С и g. Ток iL в индуктивности также уменьшается против первоначального i . Ток i в дуговом промежутке выключателя после размыкания контактов может быть определён методом наложения, если известно напряжение дуги как функция времени. Он может быть представлен состоящим из двух составляющих, а именно тока
вызванного напряжением источника энергии при закороченном дуговом промежутке (рис. 1.7, а), и тока Ai, вызванного напряжением дуги с обратным знаком - г/д(г), введённым в цепь при закороченном источнике энергии (рис. 1.7, б):
Ниже в качестве примеров рассмотрены осциллограммы токов и напряжений вблизи момента погасания дуги, построенные в соответствии с выражением (1.2). При этом для простоты исключена ветвь с проводимостью g. В качестве первого примера (рис. 1.2) выбран случай отключения относительно небольшого тока. Как видно из рисунка, ток
при подходе к нулю изменяется линейно;
.
Скорость снижения тока определяется только его амплитудой и частотой. Ток /в в дуговом промежутке выключателя меньше тока i так как часть тока вытесняется в параллельные ветви.
Он приходит к нулю несколько раньше тока i (точка 1). Скорость снижения тока в дуговом промежутке в последние несколько микросекунд значительно меньше скорости изменения тока i Эти последние микросекунды (слева от точки 1) представляют собой весьма малый интервал времени. Однако он в несколько раз превышает постоянную времени дугового столба и поэтому заметно влияет на состояние дугового промежутка в момент, когда ток приходит к нулю, и на процесс восстановления электрической прочности (пробивного напряжения) промежутка. В рассмотренном примере дуга угасает легко, так как производная diв/ dt и, следовательно, удельная ионизация промежутка в точке 1 малы. Электрическая прочность промежутка быстро увеличивается. Процесс восстановления напряжения начинается в точке 1. Напряжение достигает максимума в точке 2 через половину периода частоты свободных колебаний.
Рис. 1.8. Осциллограммы, поясняющие процесс отключения относительно небольшого тока короткого замыкания
Рис. 1.9. Осциллограммы, поясняющие процесс отключения большого тока короткого замыкания (после погасания дуги появляется небольшой ток остаточной проводимости)
Осциллограммы на рис 1.9 поясняют процесс отключения большого тока, спадающего к нулю значительно быстрее, чем в предыдущем примере. Когда ток в дуговом промежутке приходит к нулю (точка 1) и дуга угасает, температура и, следовательно, ионизация промежутка не успевают снизиться до некоторого критического значения, зависящего от свойств газа и давления, вследствие чего промежуток не теряет своей проводимости. Восстанавливающееся напряжение вызывает небольшой ток в обратном направлении, сопровождающийся выделением энергии. Это задерживает деионизацию или даже способствует её увеличению и новому зажиганию дуги. Произойдёт это или нет - зависит от подводимой энергии, равной интегралу произведения тока и напряжения на рассматриваемом промежутке времени. Если эта энергия меньше потерь, вызванных теплопроводностью и конвекцией, ток остаточной проводимости быстро затухнет (точка 2) и процесс отключения закончится успешно. В противном случае произойдёт новое зажигание дуги, и ток в цепи восстановится ещё на половину периода. Такое зажигание (если оно произойдёт) имеет чисто термический характер. Искровой пробой здесь невозможен, поскольку промежуток не потерял своей проводимости и не приобрёл электрической прочности. Таким образом, процесс гашения дуги правильнее рассматривать не как «соревнование напряжений» (мгновенных значений пробивного напряжения промежутка и восстанавливающегося напряжения на полюсах), а как «соревнование энергий» (подведённой к промежутку из сети и потерянной), являющихся интегральными функциями времени.
Из изложенного могут быть сделаны следующие выводы. Процесс гашения дуги в выключателе переменного тока является процессом деионизации дугового промежутка, который протекает весьма быстро, но не мгновенно. Наиболее существенная часть этого процесса начинается раньше момента естественного прихода 50-периодного тока к нулю и заканчивается в течение нескольких десятков микросекунд после этого момента. В зависимости от отключаемого тока и эффективности гасительного устройства выключателя промежуток между контактами может потерять свою проводимость после погасания дуги или сохранить часть своей проводимости. В последнем случае восстанавливающееся напряжение вызывает небольшой ток в обратном направлении. При эффективной деионизации этот ток быстро затухнет и процесс отключения заканчивается. При неблагоприятных условиях ток достаточной проводимости увеличивается, и дуга образуется вновь. Основными факторами, определяющими процесс деионизации промежутка, являются отключаемый ток, скорость восстанавливающегося напряжения и свойства гасительного устройства выключателя.
1.6. ДУГОГАСИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ГАЗОВОГО ДУТЬЯ
Для облегчения и ускорения гашения дуги переменного тока необходимо, чтобы скорость восстановления электрической прочности дугового промежутка после естественного прохождения тока через нуль была возможно больше.
В отключающих аппаратах, предназначенных для отключения электрических цепей под током (выключатели, плавкие предохранители и т.д.), такая скорость достигается с помощью дугогасительных устройств (ДУ), искусственно усиливающих деионизацию дугового промежутка.
Одним из способов гашения дуги, применяемых в ДУ, является гашение дуги с помощью газового дутья.
ДУ газового дутья могут быть выполнены с автодутьем (газогенерирующие) и с принудительным внешним дутьём (импульсные). В первых газы, необходимые для создания газового дутья, образуются за счёт энергии самой дуги. Разрыв цепи осуществляется в газогенерирующей среде.
Газогенерирующей средой обычно является минеральное масло или какие-либо твёрдые газогенерирующие материалы - органическое стекло, фибра и другие, из которых выполняются детали, соприкасающиеся с дугой.
Под действием высокой температуры дуги, возникшей на разрыве, газогенерирующая среда выделяет газы, которые и создают поток, воздействующий на дугу. Чем больше отключаемый ток, тем больше энергия дуги, интенсивнее газообразование и воздействие среды на дугу.
Таким образом, интенсивность газового автодутья зависит от величины отключаемого тока.
ДУ этого типа нашли применение в масляных и автогазовых выключателях, трубчатых плавких предохранителях и т. д.
В ДУ с принудительным внешним дутьем энергия, необходимая для образования газового дутья, обеспечивается внешним источником. Дуга подвергается воздействию струи сжатого газа, подаваемого извне в межконтактный промежуток, и поэтому интенсивность воздействия газовой струи (дутья) на дугу не зависит от значения отключаемого тока.
ДУ с внешним дутьем широко применяют в воздушных выключателях, где для гашения дуги используется струя сжатого воздуха.
Рассмотрим кратко механизм газового дутья. При больших скоростях газа, воздействующего на дугу, имеет место беспорядочное вихреобразное (турбулентное) движение частиц газа, турбулентность газовой среды повышает эффективность гашения дуги. Если в ламинарном газовом потоке структура дуги однородна при одинаковой и очень высокой плотности носителей заряда по сечению столба дуги, то в турбулентном газовом потоке дуговой столб размывается, расщепляется на ряд проводящих каналов и нитей, концентрация носителей заряда по сечению дугового столба становится различной. Последнее объясняется тем, что частицы газа турбулентного потока, обладающие большими скоростями, направленными в толщу дугового столба, расталкивают ионизированные частицы и перемешиваются с ними.
В момент прохождения тока через нуль, когда интенсивность ионизации резко падает, концентрация ионов в дуговом промежутке быстро выравнивается, что ведёт к усилению рекомбинации ионов, и, следовательно, к увеличению скорости деионизации. В результате электрическая прочность межконтактного промежутка быстро возрастает, а структура его становится однородной, но при значительно меньшей плотности носителей заряда.
Одним из способов дальнейшего увеличения номинальных напряжений, отключаемых выключателями, и допустимых токов короткого замыкания является применение новых дугогасящих газов ДУ. Наилучшие результаты были получены с электротехническим газом - элегазом (SF).
