3.1. Фізичні властивості в дуговому проміжку, їх особливості в електричних апаратах

 

У комутаційних електричних апаратах при вимиканні виникає розряд у газі у вигляді тліючого розряду або дуги. Якщо величини струму і напруги перевищують значення, які подані в табл. 1.2, має місце дуговий розряд:

Дуговий розряд має такі особливості:

1. Дуговий розряд має місце тільки при значних струмах. Для металів це ≈0,5А.

2. Температура центральної частини дуги дуже велика (6000…18000 К).

3. Щільність струму на катоді надзвичайно велика (10⁴…10⁵А/см²).

4. Спад напруги у катода складає 10…20 В і практично не залежить від струму.

У дуговому розряді можна розрізнити три області: навколо катодну, область стовпа дуги і навколо анодну.

Довжина навколо катодної області не перевищує 10^{-4 см. Тут створюється катодний спад напруги, і основними носіями струму є електрони. Навколо катода розташований позитивний об’ємний розряд. Між зарядом і катодом створюється електричне поле, в якому рухаються електрони. В цьому полі електрони збільшують швидкість. При ударі електрона в нейтральну частину відбувається іонізація. Напруга} , яку має пройти електрон для придбання енергії необхідної для іонізації, називається потенціалом іонізації.

Позитивні іони також розганяються електричним полем, але через значну масу їхня швидкість є невеликою. Тому іонізація ударом відбувається, в основному, за рахунок електронів. При цьому для іонізації необхідний багаторазовий удар електронів по атому, тобто, має місце ступінчаста іонізація. Струм біля катода носить електронний характер.

Електрони не створюють навколо катода негативного об’ємного розряду, так як їх швидкість більша за швидкість іонів. Позитивні іони розганяються в полі катодного спаду напруги і бомбардують катод. Температура катода підвищується і досягає точки випаровування матеріалу електрода. При значних температурах має місце термоелектрична емісія.

В області дугового стовпа основним джерелом іонів та електронів є термічна іонізація.

Кількість зарядів при термічній іонізації можна визначити за допомогою рівняння Саха:

,                           (3.1)

де  – степінь іонізації, яка дорівнює відношенню кількості іонізованих частинок до повної кількості атомів в цьому об‘ємі;  – тиск газу (Па);  – енергія іонізації (еВ);  – температура (К).

Аналіз (3.1) показує, що чим більший тиск , тим менше степінь іонізації. Тому в дугогасних пристроях створюється підвищений тиск газу, що сприяє гасінню дуги. Оскільки степінь іонізації  визначається температурою, то в дугогасних пристроях здійснюють відведення тепла.

В дуговому стовпі поряд з іонізацією протікають процеси деіонізації за рахунок рекомбінації та дифузії .

Рекомбінація – це нейтралізація частинок шляхом з’єднання іонів з зарядами інших знаків. Зменшення числа зарядів за рахунок рекомбінації можна знайти з рівняння:

,                                        (3.2)

де  – коефіцієнт рекомбінації;  – кількість іонів одного знаку.

Коефіцієнт  залежить від роду газу, тиску і температури. Орієнтовно .

Дифузія – вирівнювання щільності заряджених частинок внаслідок їх теплового руху. Швидкість убування частинок дорівнює:

,                                      (3.3)

де  – коефіцієнт дифузії;  – радіус дуги. Коефіцієнт дифузії , де  – довжина вільного пробігу іонів;  – середня швидкість руху іона.

Аналіз (3.3) показує, що  різко зростає зі зменшенням . Тому, в дугогасних пристроях застосовується принцип вузької щілини.

Підсумовуючи результати процесів в дузі, можна записати:

,                                (3.4)

де  – швидкість виникнення зарядів при термічній іонізації.

Якщо дуга горить стабільно, то  і встановлюється енергетичний баланс дуги. У випадку погасання дуги .

Навколо аноду через дію електростатичних сил утворюється негативний об’ємний заряд. Електрони розганяються цим зарядом і їх енергія передається аноду, при цьому він нагрівається до високої температури. Потужний потік електронів вибиває із анода електрони, які також беруть участь в створенні негативного об’ємного заряду.

Спад напруги біля анода називається анодною напругою:  і сильно залежить від струму. Розподіл напруги , градієнта  та  тотожний об’єму заряду в дузі, подані на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Електрична дуга та її параметри

 

Напруга біля катода складає =10…20 В. Ця величина залежить від матеріалу катода та властивостей газу, в якому горить дуга. В області дугового стовпа об’ємні заряди відсутні і градієнт напруги постійний. Для дуги, яка горить в повітрі В/м.

За наявності дугогасних пристроїв В/м; =5…10 В.

У деяких електричних апаратів низької напруги довжина дуги мала. Спад напруги на дуговому стовпі малий у порівнянні з +. Такі дуги називають короткими. Тому тут умови гасіння визначаються процесами біля електродів. Велику роль грає відведення тепла від дуги електродами.