Электрическая дуга в вакууме

Электрическая дуга в вакууме

Сайт СТУДОПЕДИЯ проводит ОПРОС! Прими участие 🙂 — нам важно ваше мнение.

В вакуумном дугогасительном устройстве в камере 2(рисунок 3.7) поддерживается давление ( 10 -6 мм рт.ст.), при котором плотность воздуха мала. Длина свободного пробега в вакууме мо­лекулы состав­ляет 50 м, а длина свободного пробега электрона 300 м.

Рисунок 3.7 – Вакуумная дугогасительная камера

1 – сильфон; 2 – корпус вакуумной камеры; 3 – подвижный дугогасительный контакт; 4 – главный подвижный контакт выключателя; 5 – канал горения электрической дуги; 6 – неподвижный дугогасительный контакт; 7 – главный неподвижный контакт

При таких условиях резко возрастает диффузия заряженных частиц и ствола дуги из-за большой разницы давлений в стволе дуги и в окружающем вакууме. Кроме того, электрическая прочность вакуума достигает больших величин. Так, пробивное напряжение промежутка длиной 1 мм в вакууме достигает 100 кВ.

Процесс горения и гашения дуги в вакууме при переменном токе происходит следующим образом. При размыкании контактов, сначала размыкаются главные контакты 4,7, затем дугога­сительные контакты 3,6. При расхождении контактов 3,6 контактное нажатие уменьшает­ся, а переходное сопротивление контактов растет.

Рис. 7.

Даже для неболь­ших токов в момент размыкания контактов из-за большого выделения тепла материал контактов плавится и образуется жидкий металличес­кий мостик, который под действием высокой температуры испаряет­ся. При разрыве мостика загорается электрическая дуга 5, которая горит в среде паров металлов электродов. При этом из-за большой разности давлений в стволе дуги и вакууме идет интенсивный про­цесс диф­фузии и после прохождения тока через нуль, когда гаснет электрическая дуга, происходит мо­ментальное восстановление элект­рической прочности межконтактного промежутка. Высокая электрическая прочность вакуума и скорость ее восс­тановления обеспе­чивают гашение дуги при первом прохождении тока через нуль.

ВЫВОДЫ

Таким образом, исходя из определения, под электрическими аппаратами понимают очень широкий класс электромеханических и электронных устройств. Мы остановились только на коммутационных аппаратах (КА). КА коммутирующие электрические цепи под нагрузкой называются выключателями. Разъединители, отделители, короткозамыкатели относятся к группе КА, коммутирующих цепи без нагрузки.

1. Классификация электрических аппаратов.

2. Условия возникновения и горения электрической дуги.

3. Законы коммутации электрических цепей.

4. Гашение электрической дуги в узких щелях и каналах.

5. Гашение электрической дуги в магнитном поле.

6. Гашение электрической дуги воздушным дутьем.

7. Гашение электрической дуги повышением давления в области горения.

8. Гашение электрической дуги в трансформаторном масле.

9. Гашение электрической дуги в элегазовой среде.

10. Гашение электрической дуги в вакуумной среде

Дата добавления: 2014-01-20 ; Просмотров: 2286 ; Нарушение авторских прав?

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Условия существования и гашения дуги в вакууме имеют свои особенности. При расхождении контактов в вакуумной дугогасительной камере (ВДК) в последний момент между ними образуется жидкометаллический мостик, который затем разрушается. Происходит ионизация паров металла контактного мостика под воздействием приложенного напряжения сети, приводящая к образованию дуги. Таким образом, дуга в вакууме существует из-за ионизации паров контактного материала вначале за счет

материала контактного мостика, а затем в результате испарения материала электродов под воздействием энергии дуги. Поэтому, если поступление паров контактного материала будет недостаточно, вакуумная дуга должна погаснуть. При подходе тока к нулю тепловая энергия, выделяющаяся в дуге, тоже уменьшается, количество паров

Рис. 9.14. Зависимость напряжений разряда С’р в однородном поле от расстояния между контактами /к для различных изоляционных сред:

металла соответственно снижается, и дуга должна погаснуть на первом переходе тока через нуль. Время горения дуги в ВДК не превышает 10 мс. Кроме того, для вакуумной дуги характерна очень высокая скорость деионизации столба дуги (диффузная деионизация носителей тока электронов и ионов), обеспечивающая быстрое восстановление электрической прочности после погасания дуги.

Читайте также:  Blueweld prestige plasma 54 kompressor цена

В вакууме электрическая дуга существует либо в рассеянном, «диффузном», виде при токах до 5000—7000 А, либо в концентрированном, «сжатом», виде при больших значениях тока. Граничный ток перехода дуги из одного состояния в другое зависит в значительной степени от материала, геометрической формы и размеров контактов, а также от скорости изменения тока. «Диффузная» дуга в вакууме существует в виде нескольких параллельных дуг одновременно, через каждую из которых может протекать ток от нескольких десятков до нескольких сотен ампер. При этом катодные пятна, отталкиваясь друг от друга, стремятся охватить всю контактную поверхность. При небольших токах и значительной площади контактов силы электромагнитного взаимодействия этих проводников с током (токи одного направления притягиваются) не могут преодолеть сил отталкивания катодных пятен друг от друга. Так как через каждое катодное пятно протекают небольшие токи, это приводит к небольшим размерам опорных пятен дуги на катоде.

По мере увеличения тока силы электромагнитного притяжения преодолевают силы отталкивания и происходит слияние отдельных дуг в один канал, что приводит к резкому увеличению размеров катодного опорного пятна. Вследствие этого появляются значительные трудности гашения дуги либо происходит полный отказ камеры. Поэтому задачи, стоящие при разработке ВДК, заключаются в создании условий, при которых дуга существовала бы в диффузном виде, либо время воздействия «сжатой» дуги на электроды было бы минимальным. Это достигается созданием радиальных магнитных полей, обеспечивающих перемещение опорных точек дуги с высокой скоростью по электродам.

Для получения радиальных и аксиальных магнитных полей разработаны различные конструкции контактных систем (рис. 9.15). В ВДК на номинальное напряжение 10 кВ и номинальные токи отключения до 31,5 А применяются контактные системы с поперечным (по отношению к дуге) радиальным магнитным полем (рис. 9.15, а). Контакты 2 со спиральными лепестками имеют вид дисков, у которых периферийные участки разрезаны спиральными пазами 3 на сегменты, соединенные в центральной части. В замкнутом состоянии контакты соприкасаются по кольцевому выступу 1. При размыкании контактов дуга под воздействием электродинамических сил, возникающих из-за искривления контура тока, перемещается на периферийные участки 4. При этом из-за спиралеобразных прорезей возникает радиальное магнитное поле, под воздействием которого дуга перемещается по периферийным участкам с высокой скоростью, что не вызывает появления больших расплавленных зон на электродах. С увеличением тока до 50 кА при ограниченности геометрических размеров электродов скорости движения дуг становятся столь велики, что дуга все-таки успевает образовать значительные оплавления особенно острых кромок лепестков. Это и обусловило предел отключающей возможности контактных систем такого типа — до 50 кА.

Новые разработки контактных систем направлены на создание аксиального (продольного по отношению к дуге) магнитного поля, образованного током отключения.

Схема контактной системы, представленная на рис. 9.15,6, позволяет коммутировать токи 200 кА. Создание магнитного поля, аксиального параллельным дугам, не дает им возможности соединиться, что сохра-

Рис. 9.15. Конструкция контактных систем ВДК с поперечным (а) и продольным (б) магнитными полями няет дугу в диффузном виде. Ток от центрального токоподвода 5 растекается по четырем радиально расположенным токопроводящим «спицам» 6, оканчивающимся на периферии проводниками кольцевой формы, но ограниченными лишь четвертью окружности каждая. В целом это создает один виток, обтекаемый током отключения. Оконечности этих кольцевых дуг соединяются непосредственно с электродом 7, на котором и происходит процесс возникновения и гашения дуги. Непосредственно контактирующие поверхности электродов 7, 8 имеют радиальные прорези, препятствующие слиянию дуг.

Как отмечалось выше, дуга возникает и существует в результате ионизации паров материала контактов. При недостаточном их поступлении она должна гаснуть. Но оказывается, что дуга может погаснуть раньше естественного перехода тока через нуль — явление «среза тока». И тогда могут возникнуть опасные как для аппарата, так и для отключаемой цепи перенапряжения. Исследования показали, что максимальный ток среза наблюдается на контактах из молибдена — 14 А, вольфрама — 9 А, меди — 2 А, висмута — 0,3 А. Поэтому в качестве контактного материала не может быть использован какой-либо один металл, а используется сложная композиция на базе металла с высокой тепло- и электропроводностью — меди, а также небольших включений легколетучих компонентов — висмута, сурьмы, хрома и ир. Таким образом удается уменьшить ток «среза» до минимального значения.

Читайте также:  Композиции из живых растений

Содержание материала

2.2. Электрическая дуга в вакууме

Несмотря на то, что, как указано в предыдущем разделе, вакуум является превосходным диэлектриком, тем не менее электрическая дуга вполне может присутствовать в вакууме. В действительности, напряжение дуги в вакууме обычно бывает значительно ниже напряжения электрической дуги в других средах, что является преимуществом, когда речь идет об энергии, рассеиваемой в дуге. Электрическая дуга в вакууме возникает, если представить упрощенно, в двух основных формах: диффузной и сфокусированной.
Диффузный режим, характерный для вакуума
Диффузия характерна для электрической дуги в вакууме: это явление представляет особые свойства, которые определенным образом отличают его от дуги в газообразной среде. Разумеется, при подобном явлении допускается присутствие электрической дуги в вакууме, если сила тока составляет от нескольких ампер до нескольких килоампер.
Диффузия имеет следующие основные характеристики:

  1. катод излучает в пространство между электродами в виде одного или нескольких катодных пятен в целом нейтральную плазму, состоящую из электронов и ионов, которые, в обычном режиме, с большой скоростью направляются к поверхности анода;
  2. анод, по всей поверхности окруженный плазмой, играет роль пассивного коллектора зарядов. Катодные пятна и плазма характеризуют электрическую дугу в режиме диффузии.
  3. Катодное пятно

Катодное пятно представляет собой зону очень маленького размера (луч порядка 5 — 10 мкм), из которой происходит эмиссия тока, достигающего сотни ампер. На поверхности катодного пятна создаются предельные температурный режим и состояние электрического поля (обычно 5000 К и 5 109 В/м), обеспечивающие электронную эмиссию за счет сочетания механизмов термоэлектронной и автоэлектронной эмиссии (англ. T.F.: thermo-field emission), создающих очень высокую плотность тока (порядка 1011 — 1012 А/м2). При значениях больше 100 А это пятно разделяется, и на катоде образуется несколько пятен, число которых является достаточным для передачи каждым пятном тока силой в сотню ампер. Эти пятна взаимно отталкиваются, что позволяет квалифицировать их движение как «ретроградное», так как оно является противоречащим обычному действию электромагнитных сил. Таким образом, в режиме рассеивания электрическая дуга стремится занять всю свободную поверхность катода (даже когда в определенный момент времени участки эмиссии представляют собой совсем маленькую часть катода).

На макроскопическом уровне катодное пятно (с которым связано появление кратера и плазмы) представляется в виде точки, вырабатывающей плазму малой плотности, которая выделяется пятном и заполняет пространство между электродами. Эта плазма, являясь в целом нейтральной (значения плотности равны зарядам + и -), состоит из электронов и ионов, обычно с двойным зарядом (для дуги, образующейся на электродах на основе меди). Одной из характеристик данного вида плазмы является большая скорость ионов, которые заряжены энергией, превышающей напряжение электрической дуги (что свидетельствует о наличии в зоне катодного пятна процессов образования высоких энергий). Эти ионы, выходящие из пятна с распределенной скоростью примерно по cos ( угол / нормаль), без труда достигают анода и создают ионный поток, противоположный по направлению основному электронному току, который составляет обычно 10 % от тока дуги. Направленная скорость этих ионов достигает порядка 104 м/с, что больше скорости теплового движения ионов.
Одним из важных следствий высокой скорости ионов, создаваемых катодными пятнами, является их малое время прохождения пространства между электродами (обычно порядка 1 мкс). Таким образом, плазма, образуемая катодным пятном, состоящая из очень подвижных частиц (быстрые электроны и ионы, нейтральные частицы практически отсутствуют), исчезает очень быстро, когда пятно перестает функционировать (при нулевом потоке).
Анод окружен плазмой, создаваемой катодными пятнами. Анод играет роль пассивного электрода, принимающего заряды и выдающего заданный по схеме ток, регулируя тем самым свой потенциал: потенциал является отрицательным относительно потенциала плазмы, пока ток меньше потока, соответствующего столкновениям, вызванным тепловым движением электронов.
Распределение потенциалов в дуге следующее:

  1. катодный скачок порядка 20 В, происходящий в непосредственной близости от катода;
  2. падение напряжения на несколько вольт в плазме, которое увеличивается с расстоянием и током (положительная характеристика, допускающая взаимное действие нескольких параллельных дуг, в противоположность электрической дуге в газообразной среде);
  3. отрицательный анодный скачок, как в выше описанном случае (умеренный ток, поглощаемый анодом).
Читайте также:  Плитка с золотым декором

В этом режиме наблюдается слабая эрозия катода: она соответствует потоку ионов, исходящих с катода, примерно 40 мкг/С. Значительная часть этих ионов осаждается на аноде, в результате чего при переменном токе эрозия как таковая намного меньше: значение, приблизительно деленное на коэффициент 10 для контакторов, работающих в этом режиме при ограниченной силе тока и небольшом расстоянии между электродами.
Сфокусированный режим, аналогичный явлению электрической дуги в газообразной среде
При увеличении тока ситуация, описанная выше, изменяется прежде всего со стороны анода. Это изменение вызвано несколькими явлениями.

  1. Сначала происходит сжатие плазменного столба, главным образом, обусловленное эффектом Холла (отклонение зарядов под действием азимутального магнитного поля, создаваемого другими линиями тока, в результате чего появляется радиальная составляющая, прижимающая линии тока к оси): ток фокусируется в более ограниченной области анода.
  2. Однако, поскольку анод должен притягивать все больше электронов, нейтральность плазмы больше не обеспечивается: не хватает положительных ионов, чтобы уравновесить пространственный заряд электронов вблизи анода. Это вызывает положительный анодный скачок напряжения, необходимый для того, чтобы притягивать электроны, несмотря на наличие пространственного заряда. Энергия, полученная анодом, возрастает и стремится сфокусироваться в ограниченной зоне: анод нагревается и начинает излучать нейтральные частицы, которые ионизируются первичными электронами. Вблизи анода появляется вторичная плазма, образуемая вторичными электронами и ионами, энергетически менее заряженными, чем электроны и ионы, излучаемые катодными пятнами.

В результате этих явлений возникает световое анодное пятно, значительно большего размера (примерно квадратный сантиметр), чем катодные пятна, образованное расплавленным металлом, который испускает в пространство между электродами последовательные порции пара, ионизирующиеся в потоке, выходящем с катода. Этот процесс сжатия на стороне анода заканчивается тем, что вызывает такое же сжатие на стороне катода, так как создается преимущественное прохождение благодаря плазме, образуемой анодом: устанавливается катодное
пятно, соответствующее анодному пятну, и электрическая дуга возникает в сфокусированном режиме, характерном для дуги в газообразной среде. В этом случае речь идет о дуге в плотной атмосфере паров металла, в которой механизмы функционирования теперь основываются на ионизации газообразной среды.
Таким образом, электрическая дуга в сфокусированном режиме характеризуется образованием плазмы, состоящей из электронов (по большей части, вторичных), из нейтральных частиц и ионов, энергия которых близка к энергии нейтральных частиц, то есть относительно медленных ионов.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector