Відключення електричного кола контактними апаратами
Відключення ланцюга контактним апаратом характеризується виникненням плазми, яка проходить різні стадії газового розряду у процесі перетворення міжконтактного проміжку із провідника електричного струму на ізолятор.
При струмах вище 0,5-1 А виникає стадія дугового розряду (область1) (рис. 2.1); при зниженні струму виникає стадія тліючого розряду у катода (область2); наступна стадія (область3) - таунсендовський розряд, і нарешті, область4- стадія ізоляції, в якій носії електрики - електрони та іони - не утворюються за рахунок іонізації, а можуть надходити тільки з довкілля.
Мал. 2.1. Вольтамперна характеристика стадій електричного розряду в газах
Перша ділянка кривої - дуговий розряд (область1)-характеризується малим падінням напруги у електродів і великою щільністю струму. Зі зростанням струму напруга на дуговому проміжку спочатку різко падає, а потім незначно змінюється.
Друга ділянка (область2) кривої, що є область тліючого розряду, характеризується високим падінням напруги у катода (250 - 300 В) і малими струмами. Зі зростанням струму зросте падіння напруги на розрядному проміжку.
Таунсендовський розряд (область3) характеризується надзвичайно малими значеннями струму при високих напругах.
Електрична дуга супроводжується високою температурою та пов'язана з цією температурою. Тому дуга – явище як електричне, а й теплове.
У звичайних умовах повітря є добрим ізолятором. Так, для пробою повітряного проміжку 1 см потрібно прикласти напругу не менше 30 кВ. Для того, щоб повітряний проміжок став провідником, необхідно створити в ньому певну концентрацію заряджених частинок:негативних – переважно вільних електронів, і позитивних – іонів. Процес відокремлення від нейтральної частки одного або декількох електронів з утворенням вільних електронів та іонів називається іонізацією.
Іонізація газу може відбуватися під дією світла, рентгенівських променів, високої температури, під впливом електричного поля та інших факторів. Для дугових процесів в електричних апаратах найбільше значення мають: з процесів, що у електродів, – термоелектронна і автоелектронна емісії, та якщо з процесів, які у дуговому проміжку, – термічна іонізація і іонізація поштовхом.
Електрична дуга
У комутаційних електричних апаратах, призначених для замикання та розмикання ланцюга зі струмом, при відключенні виникає розряд у газі або у вигляді розряду, що тліє, або у вигляді дуги. Тліючий розряд виникає тоді, коли струм, що відключається нижче 0,1 А, а напруга на контактах досягає величини 250 - 300 В. Такий розряд зустрічається або на контактах малопотужних реле, або як перехідна фаза до розряду у вигляді електричної дуги.
Основні властивості дугового розряду:
- дуговий розряд має місце лише за струмах великої величини; мінімальний струм дуги для металів становить приблизно 0,5 А;
- температура центральної частини дуги дуже велика і в апаратах може досягати 6000 - 18000 К;
- Щільність струму на катоді надзвичайно велика і досягає 10 2 - 10 3 А / мм 2;
- Падіння напруги у катода становить всього 10 - 20 В і практично не залежить від струму.
У дуговому розряді можна розрізнити три характерні області: навколокатодну область стовпа дуги (ствол дуги) і околоанодную (рис. 2.2.).
У кожній з цих областей процеси іонізації та деіонізаціїпротікають по-різному в залежності від умов, які там існують. Оскільки результуючий струм, що проходить через ці три області, однаковий, у кожній із них відбуваються процеси, що забезпечують виникнення необхідної кількості зарядів.
Мал. 2.2. Розподіл напруги та напруженості електричного поля
у стаціонарній дузі постійного струму
Термоелектронна емісія. Термоелектронною емісією називається явище випромінювання електронів з розжареної поверхні.
При розбіжності контактів різко зростають перехідний опір контакту і щільність струму на останньому майданчику контактування. Цей майданчик нагрівається до температури плавлення та утворення контактного перешийка з розплавленого металу, який при подальшому розбіжності контактів рветься. Тут відбувається випаровування металу контактів. На негативному електроді утворюється так звана катодна пляма (розпечена площадка), яка служить основою дуги та осередком випромінювання електронів у перший момент розходження контактів. Щільність струму термоелектронної емісії залежить від температури та матеріалу електрода. Вона невелика і може бути достатньою для виникнення електричної дуги, але недостатня для її горіння.
Автоелектронна емісія. Це - явище випромінювання електронів з катода під впливом сильного електричного поля.
Місце розриву електричного кола може бути представлене як конденсатор змінної ємності. Місткість у початковий момент дорівнює нескінченності, потім зменшується в міру розходження контактів. Через опір ланцюга цей конденсатор заряджається, і напруга на ньому поступово зростає від нуля до напруги мережі. Одночасно збільшується відстань між контактами. Напруженість поля міжконтактами під час наростання напруги проходить через значення, що перевищують 100 МВ/див. Такі значення напруженості електричного поля є достатніми для виривання електронів з холодного катода.
Струм автоелектронної емісії також дуже малий і може бути лише початком розвитку дугового розряду.
Таким чином, виникнення дугового розряду на контактах, що розходяться, пояснюється наявністю термоелектронної та автоелектронної емісій. Переважання того чи іншого фактора залежить від значення струму, матеріалу і чистоти поверхні контактів, швидкості їх розходження і від ряду інших факторів.
Іонізація поштовхом. Якщо вільний електрон буде мати достатню швидкість, то при зіткненні з нейтральною частинкою (атом, а іноді і молекула) він може вибити з неї електрон. В результаті вийдуть новий вільний електрон та позитивний іон. Знову отриманий електрон може, своєю чергою, іонізувати наступну частинку. Така іонізація зветься іонізації поштовхом.
Для того, щоб електрон міг іонізувати частину газу, він повинен рухатися з певною швидкістю. Швидкість електрона залежить від різниці потенціалів на довжині його вільного пробігу. Тому зазвичай вказується не швидкість руху електрона, бо мінімальне значення різниці потенціалів, яке необхідно мати на довжині вільного шляху, щоб електрон до кінця шляху набув необхідну швидкість. Ця різниця потенціалів зветьсяпотенціалу іонізації.
Потенціал іонізації для газів становить 13 - 16 В (азот, кисень, водень) і до 24,5 В (гелій), для парів металу він приблизно вдвічі нижче (7,7 В для парів міді).
Термічна іонізація. Це - процес іонізації під впливом високої температури. Підтримка дугипісля виникнення, тобто. забезпечення дугового розряду, що виникло, достатнім числом вільних зарядів, пояснюється основним і практично єдиним видом іонізації - термічною іонізацією.
Температура стовпа дуги з середньому дорівнює 6000 - 10000 К, але може досягати і більш високих значень - до 18000 К. При такій температурі сильно зростає як кількість часток газу, що швидко рухаються, так і швидкість їх руху. При зіткненні атомів, що швидко рухаються, або молекул більша частина їх руйнується, утворюючи заряджені частинки, тобто. відбувається іонізація газу. Основною характеристикою термічної іонізації єступінь іонізації, що є відношенням числа іонізованих атомів у дуговому проміжку до загального числа атомів у цьому проміжку. Поруч із процесами іонізації у дузі відбуваються зворотні процеси, т. е. возз'єднання заряджених частинок і утворення нейтральних частинок. Ці процеси звутьсядеіонізації.
Деіонізація відбувається головним чином за рахунокрекомбінаціїтадифузії.
Рекомбінація. Процес, при якому по-різному заряджені частинки, приходячи у взаємний дотик, утворюють нейтральні частки, називається рекомбінацією.
В електричній дузі негативними частинками є переважно електрони. Безпосереднє з'єднання електронів з позитивним іоном через велику різницю швидкостей малоймовірне. Зазвичай рекомбінація відбувається з допомогою нейтральної частки, яку електрон заряджає. При зіткненні цієї негативно зарядженої частинки з позитивним іоном утворюється одна або дві нейтральні частки.
Дифузія. Дифузія заряджених частинок є процес винесення заряджених частинок з дугового проміжку в навколишній простір, що зменшуєпровідність дуги.
Дифузія обумовлена як електричними, і тепловими чинниками. Щільність зарядів у стовпі дуги зростає від периферії до центру. З огляду на це створюється електричне поле, що змушує іони рухатися від центру до периферії та залишати область дуги. У цьому напрямі діє і різниця температур стовпа дуги і навколишнього простору. У стабілізованій і вільно палаючій дузі дифузія відіграє мізерну роль.
Падіння напруги на стаціонарній дузі розподіляється нерівномірно вздовж дуги. Картина зміни падіння напругиUД та напруженості електричного поля (подовжнього градієнта напруги)ЕД =dU/dxвздовж дуги наведена на малюнку (див. рис 2.2) . Під градієнтом напругиЕД розуміється падіння напруги на одиницю довжини дуги. Як видно з малюнка, хід характеристик U Д іЕД в приелектродних областях різко відрізняється від ходу характеристик на іншій частині дуги. У електродів, в прикатодної і прианодної областях, на проміжку довжини порядку 10 - 4 см має місце різке падіння напруги, званекатодним Uдо іанодним Uа. Значення цього падіння напруги залежить від матеріалу електродів та навколишнього газу. Сумарне значення прианодного та прикатодного падінь напруги становить 15 – 30 В, градієнт напруги досягає 10 5 – 10 6 В/див.
У решті дуги, званої стовпом дуги, падіння напругиUД практично прямо пропорційно довжині дуги. Градієнт тут приблизно постійний вздовж стовбура. Він залежить від багатьох факторів і може змінюватись у широких межах, досягаючи 100 – 200 В/см.
Навколоелектродне падіння напругиUЕ не залежить від довжини дуги, падіння напруги в стовпі дуги пропорційно довжині дуги. Такимчином, падіння напруги на дуговому проміжку
де:ЕД - напруженість електричного поля в стовпі дуги;
На закінчення слід зазначити, що у стадії дугового розряду переважає термічна іонізація – розбиття атомів на електрони і позитивні іони рахунок енергії теплового поля. При тліючому виникає ударна іонізація у катода за рахунок зіткнення з електронами, що розганяються електричним полем, а при таунсендівському розряді ударна іонізація переважає на всьому проміжку газового розряду.