Содержание
-
Электрическая дуга
-
Электрическая дуга (вольтова дуга, дуговой разряд) — физическое явление, один из видов электрического разряда в газе. Впервые была описана в 1802 году русским учёным В. Петровым в книге «Известие о гальвани-вольтовских опытах посредством огромной батареи, состоявшей из 4200 медных и цинковых кружков» (Санкт-Петербург, 1803). Электрическая дуга является частным случаем четвёртой формы состояния вещества — плазмы — и состоит из ионизированного, электрически квазинейтрального газа. Присутствие свободных электрических зарядов обеспечивает проводимость электрической дуги.
-
-
Электрическая дуга между двумя электродами в воздухе при атмосферном давлении образуется следующим образом: при увеличении напряжения между двумя электродами до определённого уровня в воздухе между электродами возникает электрический пробой. (Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния между электродами и других факторов.)Потенциал ионизации первого электрона атомов металлов составляет приблизительно 4,5 - 5 В, а напряжение дугообразования - в два раза больше (9 - 10 В).
-
Требуется затратить энергию на выход электрона из атома металла одного электрода и на ионизацию атома второго электрода. Процесс приводит к образованию плазмы между электродами и горению дуги (для сравнения: минимальное напряжение для образования искрового разряда немногим превышает потенциал выхода электрона - до 6 В). Для инициирования пробоя при имеющимся напряжении электроды приближают друг к другу. Во время пробоя между электродами обычно возникает искровой разряд, импульсно замыкая электрическую цепь.
-
Электроны в искровых разрядах ионизируют молекулы в воздушном промежутке между электродами. При достаточной мощности источника напряжения в воздушном промежутке образуется достаточное количество плазмы для значительного падения напряжения пробоя или сопротивления воздушного промежутка. При этом искровые разряды превращаются в дуговой разряд — плазменный шнур между электродами, являющийся плазменным тоннелем.
-
Возникающая дуга является, по сути, проводником и замыкает электрическую цепь между электродами. В результате средний ток увеличивается ещё больше, нагревая дугу до 5000–50000 K. При этом считается, что поджиг дуги завершён. После поджига устойчивое горение дуги обеспечивается термоэлектронной эмиссией с катода, разогреваемого током и ионной бомбардировкой.
-
Особенности дугового разряда
1. Дуговой разряд имеет место только при относительно больших токах. (Imin~0,5 А); 2. Плотность тока на катоде достигает 102 …103 А/мм2. 3. Падение напряжение у катода составляет 10…20 В и не зависит от тока. 4. Температура в дуговом столбе достигает 6 000… 18 000 К.
-
Области дугового разряда.
В дуговом разряде различают три характерные области: околокатодную, область столба дуги и околоанодную.
-
Околокатодная область
Около катода возникает положительный объемный заряд, создаваемый положительными ионами. Между этим положительным зарядом и катодом создается электрическое поле с напряженностью до 107 В/м, в котором движутся электроны, вышедшие из катода и создающие электрический ток. Образующиеся электроны не создают около катода отрицательного объемного заряда, так как их скорость значительно больше скорости тяжелых положительных ионов. Околокатодная область занимает пространство длиной не более 10-6 м.
-
Область дугового столба.
Энергия, приобретенная заряженными частями в электрическом поле дугового столба ничтожно мала и ионизация толчком не происходит. При большой температуре, которая имеет место в области дугового столба, скорость частицы возрастает до значения, при котором удар в нейтральный атом приводит к его ионизации. Такая ионизация называется термической. Основным источником ионов и электронов в столбе дуги является термическая ионизация. Степень ионизации зависит от давления газа Р в столбе дуги: Х≈ 1/ √Р
-
-
Из формулы следует что с ростом давления степень ионизации Х уменьшается. Так как степень ионизации определяется температурой, во всех ДУ стремятся отводить тепло от дуги за счет охлаждения движущимся воздухом или газом (воздушные, масляные выключатели) либо отдачи тепла стенкам дугогасительной камеры.
-
Околокатодная область.
Поток электронов из столба дуги устремляется к положительному электроду – аноду. Анод при дуговом разряде не излучает положительных ионов, которые могли бы нейтрализовать электроны. Поэтому вблизи анода создается отрицательный объемный заряд, что и вызывает появление околоанодного падения напряжения и повышения напряженности электрического поля. Электроны разгоняются в поле образованном отрицательным объемным зарядом и анодом.
-
Энергия, приобретенная электронами, отдается аноду. Благодаря большой энергии электронов, анод нагревается до очень высокой температуры, которая выше температуры катода. Высокая температура анода и околоанодная область не оказывают существенного влияния на возникновение и условия существования дугового разряда. Роль анода сводится к приему электронного потока из дугового столба.
-
Электрическая дуга в воздухе
-
Электрическая дуга используется при электросварке металлов, для выплавки стали (Дуговая сталеплавильная печь) и в освещении (в дуговых лампах). Полезное применение
-
Взаимодействие электродов с плазмой дуги приводит к их нагреву, частичному расплавлению, испарению, окислению и другим видам коррозии. После поджига дуга может оставаться устойчивой при разведении электрических контактов до некоторого расстояния. При эксплуатации высоковольтных электроустановок, в которых неизбежно появление электрической дуги, борьба с ней осуществляется при помощи различных способов.
-
Способы гашения электрической дуги.
воздействие на столб электрической дуги; перемещение дуги под воздействием магнитного поля; гашение дуги с помощью дугогасительной решетки; гашение дуги высоким давлением; гашение дуги в потоке сжатого газа; гашение дуги в трансформаторном масле; гашение дуги с помощью полупроводниковых приборов и т.д.
-
В ряде устройств явление электрической дуги является вредным. Это в первую очередь контактные коммутационные устройства, используемые в электроснабжении и электро-приводе: высоковольтные выключатели, автоматические выключатели, контакторы. При отключении нагрузок вышеуказанными аппаратами между размыкающимися контактами возникает дуга. Механизм возникновения дуги в данном случае следующий: Уменьшение контактного давления — количество контактных точек уменьшается, растёт сопротивление в контактном узле; Начало расхождения контактов — образование «мостиков» из расплавленного металла контактов (в местах последних контактных точек);
-
Разрыв и испарение «мостиков» из расплавленного металла; Образование электрической дуги в парах металла (что способствует большей ионизации контактного промежутка и трудности при гашении дуги); Устойчивое горение дуги с быстрым выгоранием контактов. Для минимального повреждения контактов необходимо погасить дугу в минимальное время, прилагая все усилия по недопущению нахождения дуги на одном месте (при движении дуги теплота, выделяющаяся в ней будет равномерно распределятся по телу контакта).
-
Для выполнения вышеуказанных требований применяются следующие методы борьбы с дугой: охлаждение дуги потоком охлаждающей среды — жидкости (масляный выключатель); газа — (воздушный выключатель, автогазовый выключатель, масляный выключатель, элегазовый выключатель), причём поток охлаждающей среды может проходить как вдоль ствола дуги (продольное гашение), так и поперёк (поперечное гашение); иногда применяется продольно-поперечное гашение; использование более дугостойкого материала контактов;
-
использование дугогасящей способности вакуума — известно, что при уменьшении давления газов, окружающих коммутируемые контакты до определённого значения, приводит к эффективному гашению дуги (в связи с отсутствием носителей для образования дуги) вакуумный выключатель; применение материала контактов с более высоким потенциалом ионизации; применение дугогасительных решёток (автоматический выключатель, электромагнитный выключатель).
-
Принцип применения дугогашения на решётках основан на применении эффекта околокатодного падения в дуге (большая часть падения напряжения в дуге — это падение напряжения на катоде; дугогасительная решётка — фактически ряд последовательных контактов для попавшей туда дуги); использование дугогасительных камер — попадая в камеру из дугостойкого материала, например слюдопласта, с узкими, иногда зигзагообразными каналами, дуга растягивается, сжимается и интенсивно охлаждается от соприкосновения со стенками камеры.
-
использование «магнитного дутья» — поскольку дуга сильно ионизирована, то её в первом приближении можно полагать как гибкий проводник с током; создавая специальными электромагнитами (включённых последовательно с дугой) магнитное поле можно создавать движение дуги для равномерного распределению тепла по контакту, так и для загона её в дугогасительную камеру или решётку. В некоторых конструкциях выключателей создаётся радиальное магнитное поле, придающее дуге вращательный момент.
Нет комментариев для данной презентации
Помогите другим пользователям — будьте первым, кто поделится своим мнением об этой презентации.