Виды разрядов

Измерения показали, что почти весь потенциал падает в первых трех областях разряда (темное пространство астона, слой катодной связи и темное пятно катода). Эта часть напряжения, приложенного к лампе, называется катодное падение потенциала.

Каковы условия для образования дугового разряда?

В зависимости от давления газа, конфигурации электрода и параметров внешней цепи можно выделить четыре типа независимых разрядов

  • Светящийся разряд
  • Искровой разряд
  • Дуговой разряд
  • Коронный разряд

1. Светящийся разряд происходит при низких давлениях. Его можно наблюдать в стеклянной трубке с плоскими металлическими электродами, припаянными к концам (рис. 8.5). Рядом с катодом находится тонкий светящийся слой, называемый катодная накаленная пленка 2.

Между катодом и фольгой находится Темное пространство Астона 1. Справа от светящегося слоя находится слабо светящийся слой, называемый катодное темное пространство 3. Этот слой превращается в светящуюся область, называемую тлеющее свечение 4. тлеющее пространство ограничено темной щелью темное пространство Фарадея. 5. образуются все вышеперечисленные слои катодная часть тлеющего разряда. Оставшаяся часть трубки заполнена раскаленным газом. Эта часть называется положительная колонка 6.

С уменьшением давления катодная часть разряда и темное пространство Фарадея увеличиваются, а положительный столб уменьшается.

Измерения показывают, что почти все падение потенциала происходит на первых трех участках разряда (поражающее темное пространство, слой катодной связи и темное пятно катода). Эта часть напряжения, приложенного к лампе, называется катодное падение потенциала.

В области свечения потенциал не меняется – напряженность поля здесь равна нулю. Наконец, в темном пространстве Фарадея и в положительном столбе потенциал растет медленно.

Такое распределение потенциала обусловлено образованием положительного пространственного заряда в темном пространстве катода из-за повышенной концентрации положительных ионов.

Положительные ионы, ускоренные снижением потенциала катода, бомбардируют катод и выбивают из него электроны. В удивительном темном пространстве те электроны, которые пролетают через темное пространство катода без каких-либо столкновений, имеют высокую энергию и поэтому скорее ионизируют частицы, чем возбуждают их. Это означает, что интенсивность свечения газа уменьшается, но при этом образуется большое количество электронов и положительных ионов. Образующиеся ионы сначала имеют очень низкую скорость, поэтому в темном пространстве катода создается положительный пространственный заряд, что приводит к перераспределению потенциала вдоль трубки и созданию катодного падения потенциала.

Электроны, генерируемые в темном пространстве катода, проникают в область свечения, которая характеризуется высокой концентрацией электронов и положительных ионов с кольцевым пространственным зарядом, близким к нулю (плазма). Поэтому напряженность поля здесь очень низкая. В области тлеющего свечения происходит интенсивный процесс рекомбинации, сопровождающийся выделением освободившейся энергии. Поэтому тлеющее свечение – это, в основном, рекомбинационное свечение.

Из области тлеющего свечения электроны и ионы проникают в темное пространство Фарадея путем диффузии. Здесь вероятность рекомбинации сильно уменьшается, поскольку концентрация заряженных частиц мала. Поэтому в темном пространстве Фарадея существует поле. Электроны, увлекаемые этим полем, накапливают энергию, и часто в конце концов возникают условия, необходимые для существования плазмы. Положительный столбец – газоразрядная плазма. Он действует как проводник, соединяющий анодную и катодную части разряда. Свечение положительного столба в основном обусловлено переходами возбужденных молекул в основное состояние.

2. Искровой разряд происходит в газах обычно при давлениях порядка атмосферного. Для него характерна интермиттирующая форма. По внешнему виду искровой разряд представляет собой пучок ярких, зигзагообразных, ветвящихся тонких полос, быстро проникающих в разрядный промежуток, быстро гаснущих и постоянно сменяющих друг друга (рис. 8.6). Эти полосы называются искровые каналы.

Тгаз = 10 000 К

После того, как разрядный промежуток “пробивается” искровым каналом, его сопротивление становится низким, через канал пропускается короткий импульс тока большой силы, в течение которого к разрядному промежутку прикладывается лишь небольшое напряжение. Если мощность источника не слишком велика, разряд прерывается после этого импульса тока. Напряжение между электродами начинает расти до прежнего значения, и пробой газа повторяется, создавая новый искровой канал.

В естественных условиях искровой разряд наблюдается как атмосферный разряд. На рис. 8.7 показан пример искрового – молниевого разряда длительностью 0,2 ÷ 0,3 при силе тока 10 4 – 10 5 А и длине 20 км (рис. 8.7).

3. Дуговой разряд. Если после искрового разряда от сильного источника постепенно уменьшать расстояние между электродами, то разряд из прерывистого превратится в непрерывный и возникнет новая форма газообразного разряда, называемая дуговой разряд (рис. 8.8).

В этом случае ток быстро возрастает, достигая десятков и сотен ампер, а напряжение через разрядный промежуток падает до нескольких десятков вольт. Согласно В.Ф. Литкевичу (1872 – 1951), дуговой разряд поддерживается в основном за счет термоэлектронной эмиссии с поверхности катода. На практике это сварка, мощные дуговые печи.

4. Коронный разряд (рис. 8.9).происходит в сильном неоднородном электрическом поле при относительно высоком давлении газа (порядка атмосферного). Это поле может генерироваться между двумя электродами, один из которых имеет большую кривизну (тонкая проволока, острие).

Наличие второго электрода необязательно, но его роль могут выполнять близлежащие заземленные металлические предметы. Когда электрическое поле вблизи электрода с большой кривизной достигает значения около 3∙10 6 В/м, вокруг него появляется покрытие или свечение, напоминающее корону, от которой и получил название заряд.

Если ток сразу уменьшить от Io до 0, то получится прямая линия, которая лежит на дне. Эти кривые характеризуют дуговой промежуток как проводник, они показывают, какое напряжение должно быть приложено для возникновения дуги в промежутке.

Явления ионизации и деионизации

В начале горения дуги преобладают процессы ионизации; когда дуга стабильна, ионизация и деионизация происходят с равной частотой; когда процессы деионизации начинают преобладать над ионизацией, дуга гаснет.

  • термоионная электронная эмиссия – электроны отражаются от раскаленной поверхности катодного пятна;
  • автоэлектронная эмиссия – электроны выбрасываются с поверхности под действием высокого электрического поля
  • ионизация тяги – Электрон вылетает с достаточной скоростью и по пути сталкивается с нейтральной частицей, в результате чего образуются электрон и ион.
  • термическая ионизация – является основным типом ионизации, он поддерживает дугу после зажигания. Температура дуги может достигать тысяч кельвинов, а в такой среде увеличивается количество частиц и их скорость, что способствует активным процессам ионизации.
  • рекомбинация – образование нейтральных частиц из противоположно заряженных частиц путем взаимодействия
  • диффузия – положительно заряженные частицы отправляются “за борт” электрическим полем дуги от центра к границе

Бывают ситуации, когда дуга не зажигается при размыкании контактов, в этом случае говорят о безыскровом разрыве. Это возможно при малых токах и напряжениях, или когда отключение происходит в точке, где ток проходит через ноль.

3. Способы гашения электрической дуги в распределительных устройствах до 1000 В

Дуга. условия, при которых возникает и горит дуга. Методы гашения электрической дуги.

При размыкании электрической цепи в присутствии тока между контактами возникает электрический разряд. Если ток и напряжение между контактами в отключаемой цепи выше, чем критические для данных условий ток и напряжение, между контактами образуется электрическая дуга. ДугаПродолжительность дуги зависит от параметров схемы и условий деионизации дугового промежутка. Дуговые разряды возможны при размыкании медных контактов даже при токе 0,4-0,5 А и напряжении 15 В.

Положение постоянного напряжения U(a) и интенсивности E(b) в неподвижной дуге.

Рис. 1. Положение в установившемся режиме дуги постоянного тока с напряжением U(a) и током Е(б).

В дуге различают пространство вблизи катода, ствол дуги и пространство вблизи анода (рис. 1). Все напряжения распределяются между этими областями Uк, Ucd, Uа. Катодное падение напряжения в дуге постоянного тока составляет 10-20 В, а длина этого участка – 10-4-10-5 см, поэтому вблизи катода существует высокая напряженность электрического поля (105-106 В/см). При таких высоких напряженностях поля происходит ударная ионизация. Это означает, что электроны, вырванные из катода электрическим полем (автоэлектронная эмиссия) или нагревом катода (термоионная эмиссия), ускоряются в электрическом поле и отдают свою кинетическую энергию нейтральному атому при столкновении. Если этой энергии достаточно для отрыва одного электрона от оболочки нейтрального атома, происходит ионизация. Образующиеся свободные электроны и ионы формируют плазму электрической дуги.

Изменение тока и напряжения при гашении дуги переменного тока в цепи с индуктивной нагрузкой

Рисунок 2. Изменение тока и напряжения при гашении дуги переменного тока в цепи с индуктивной нагрузкой.

Проводимость плазмы аналогична проводимости металлов [у= 2500 1/(Ом×см)]/ В стволе дуги протекает большой ток и возникает высокая температура. Плотность тока может достигать 10 000 А/см2 и более, а температура варьируется от 6000 К при атмосферном давлении до 18000 К и более при повышенном давлении.

Высокая температура в дуговой камере вызывает интенсивную термоионизацию, поэтому плазма сохраняет высокую проводимость.

Термическая ионизация – это процесс образования ионов в результате столкновения молекул и атомов с высокой кинетической энергией на большой скорости.

Чем больше ток в дуге, тем меньше ее сопротивление, и поэтому для ее горения требуется меньшее напряжение, т.е. дугу с большим током труднее погасить.

В случае переменного тока напряжение питания ucd изменяется синусоидально, как и ток в цепи i (рис. 2), при этом ток отстает от напряжения примерно на 90°. Напряжение на дуге uНапряжение дуги, развиваемое между контактами выключателя, непостоянно. При малых токах напряжение увеличивается до значения uс (напряжение зажигания), затем, по мере увеличения тока дуги и усиления тепловой ионизации, напряжение уменьшается. В конце полуцикла, когда ток близок к нулю, дуга гасится при напряжении гашения uг. В следующем полуцикле это явление повторяется, если не принять меры по устранению разрыва.

Если электрическая дуга погашена каким-либо образом, напряжение между контактами выключателя должно быть восстановлено до напряжения сети. u(рис. 2, точка А). Однако, поскольку цепь содержит индуктивное, активное и емкостное сопротивления, возникает переходный процесс и появляются колебания напряжения (рис. 2), амплитуда которых Uv,max может быть намного выше нормального напряжения. Скорость, с которой восстанавливается напряжение на участке АВ, важна для коммутационной аппаратуры. В целом, дуговой разряд инициируется ударной ионизацией и эмиссией электронов с катода, а после зажигания дуга поддерживается тепловой ионизацией в дуговом окне.

2. Условия для гашения дуги переменного тока

В распределительных устройствах необходимо не только размыкать контакты, но и гасить дугу между ними.

В цепях переменного тока ток в дуге проходит через ноль в каждый полупериод (рис. 2), в эти моменты дуга самопроизвольно гаснет, но в следующий полупериод она может возникнуть снова. Как показывают осциллограммы, ток дуги становится близким к нулю за мгновения до естественного пересечения нуля (рис. 3, а). Это происходит потому, что при уменьшении тока энергия, подводимая к дуге, уменьшается, поэтому температура дуги снижается и термическая ионизация прекращается. Продолжительность мертвого времени tкороткий (десятки – сотни микросекунд), но играет важную роль в гашении дуги. Если контакты разомкнутся во время мертвого времени и раздвинутся достаточно далеко друг от друга, чтобы не произошло электрического пробоя, цепь замкнется очень быстро.

Во время мертвого времени интенсивность ионизации уменьшается, поскольку не происходит термической ионизации. Кроме того, в распределительных устройствах принимаются искусственные меры для охлаждения дугового промежутка и уменьшения количества заряженных частиц. Эти процессы деионизации постепенно увеличивают электрическую прочность трещины uпр (рис. 3, б).

Быстрое увеличение электрической прочности промежутка после прохождения тока через ноль происходит в основном за счет увеличения прочности прикатодного пространства (в цепях переменного тока 150-250 В). В то же время восстанавливающее напряжение uв . Если в любое время uапр > uЕсли зазор не затронут, дуга не разгорится вновь после прохождения тока через ноль. Если в любое время uпр = uw , дуга вновь зажигается в зазоре.

Условия для дуговой закалки переменным током

Рис. 3. Условия для гашения дуги переменного тока:

а – Гашение дуги путем естественного прохождения тока через ноль; б – Увеличение электрической прочности дугового промежутка при прохождении тока через ноль

Поэтому задача гашения дуги сводится к созданию таких условий, чтобы электрическая прочность промежутка между uбольше, чем напряжение между ними uв.

Возникновение напряжения между контактами коммутируемого устройства может иметь различный характер в зависимости от параметров коммутируемой цепи. Если в коммутируемой цепи преобладает активное сопротивление, то напряжение восстанавливается по апериодическому закону; если в цепи преобладает индуктивное сопротивление, то возникают колебания, частоты которых зависят от соотношения емкости и индуктивности цепи. Колебательный процесс приводит к значительным скоростям восстановления напряжения, и чем выше скорость дюв/dtтем больше вероятность того, что зазор нарушится и дуга снова разгорится. Для облегчения условий гашения дуги в цепь коммутируемого тока вводятся активные резисторы, тогда характер восстановления напряжения будет апериодическим (рис. 3, б).

3. Методы гашения электрической дуги в коммутационных аппаратах мощностью до 1000 В

Следующие методы гашения дуги обычно используются в распределительных устройствах с напряжением до 1 кВ:

Удлинение дуги с быстрым разделением контактов.

Чем длиннее дуга, тем выше напряжение, необходимое для ее возникновения. Если напряжение питания ниже, дуга гаснет.

Разделение длинной дуги на ряд коротких (рис. 4, а).

Как показано на рис. 1, напряжение дуги представляет собой сумму напряжения катода Uk и анод Uа также анодное напряжение и напряжение дуги Uватт:

Если длинную дугу, возникающую при размыкании контактов, втянуть в дугогасительную решетку из металлических пластин, то она разделится на N короткие дуги. Каждая короткая дуга имеет свое собственное катодное и анодное падение напряжения Uэ. Дуга гаснет, если:

U U2 и поэтому огнетушащие устройства не будут работать в одинаковых условиях. Для выравнивания напряжения параллельно главным контактам выключателя подключаются конденсаторы или активные резисторы (рис. 16, б, в). Конденсаторы и активные шунтирующие резисторы выбираются таким образом, чтобы напряжение через разрывы было равномерно распределено. В автоматических выключателях с шунтирующими резисторами, когда дуга между ГК гаснет, связанный с ней ток, значение которого ограничено резисторами, прерывается вспомогательными контактами (AC).

Шунтирующие резисторы снижают скорость нарастания восстанавливающего напряжения, что облегчает гашение дуги.

4. Закалка дуги в вакууме.

Газ высокого вакуума (10-6-10-8 Н/см2) создает электрическую силу, в десять раз превышающую силу газа при атмосферном давлении. При размыкании контактов в вакууме, сразу после того, как ток дуги впервые проходит через ноль, прочность зазора восстанавливается, и дуга не зажигается снова.

5. Тушение дуги в газах высокого давления.

Воздух под давлением 2 МПа и более обладает высокой электрической прочностью. Это позволяет создать достаточно компактное дугогасительное оборудование в атмосфере сжатого воздуха. Еще более эффективным является использование высокопрочных газов, таких как гексафторид серы SF6 (элегаз). Элегаз не только имеет более высокую диэлектрическую прочность, чем воздух и водород, но и обладает лучшими дугогасительными свойствами даже при атмосферном давлении.

Для лучшего понимания давайте рассмотрим свойства дуги на примере сварочных процессов. Источники энергии сварочной дуги можно различать по типу тока. При постоянном токе есть три основные зоны:

При переменном токе.

Источник переменного тока характеризуется менее стабильной дугой. Это связано с изменением полярности напряжения – дуга исчезает при прохождении через ноль. За один полуцикл дуга горит около 70% времени. На производственных предприятиях частота переменного тока составляет 50 Гц. Это означает, что в секунду происходит 100 прерываний. Это сопровождается потерями тепла, которые отрицательно влияют на степень ионизации.

Для стабилизации разрядов используются устройства с повышенным напряжением холостого хода.

Взаимодействие между магнитным полем дуги и магнитным полем в изделии вызывает отклонение сварочной дуги от точки подключения токового электрода.

Влияние магнитного поля на дугу

Во время сварки постоянным током часто наблюдается такое явление, как магнитное поле. Она характеризуется следующими особенностями

– колонна для дуговой сварки отклоняется от своего нормального положения;
– дуга горит непоследовательно, часто прерывисто;
– изменяется звук горения дуги – появляются потрескивающие звуки.

Магнитное дутье препятствует формированию сварного шва и может способствовать появлению дефектов в сварном шве, таких как несмыкание и несплавление. Магнитная дуга возникает в результате взаимодействия магнитного поля сварочной дуги с другими близлежащими магнитными полями или ферромагнитными массами.

Столб сварочной дуги можно рассматривать как часть сварочного контура в виде упругого проводника, вокруг которого существует магнитное поле.

Взаимодействие между магнитным полем дуги и магнитным полем, создаваемым в изделии при протекании тока, приводит к отклонению сварочной дуги от точки соединения с токопроводом.

Влияние ферромагнитных масс на отклонение дуги объясняется тем, что из-за большой разницы в сопротивлении между линиями магнитного поля дуги через воздух и через ферромагнитные материалы (железо и его сплавы), магнитное поле больше концентрируется на стороне, противоположной положению массы, поэтому столб дуги движется в сторону ферромагнитного тела.

Магнитное поле сварочной дуги увеличивается по мере увеличения сварочного тока. Поэтому при сварке на более высоких режимах более вероятно возникновение эффекта магнитного дутья.

Влияние магнитной дуги на процесс сварки может быть уменьшено:

– с помощью сварки короткой дугой;
– наклон электрода таким образом, чтобы кончик электрода был обращен к магнитной дуге
– приближая направляющую к дуге.

Эффект магнитного дутья также можно уменьшить, заменив сварочный постоянный ток на переменный, при котором магнитное дутье выражено гораздо меньше. Однако важно отметить, что дуга переменного тока менее стабильна, поскольку она гаснет и зажигается заново 100 раз в секунду из-за смены полярности. Для обеспечения стабильного горения дуги переменного тока необходимо использовать стабилизаторы дуги (легко ионизируемые элементы), которые содержатся, например, в покрытии электрода или во флюсе.

Дуговой разряд (электрическая дуга)-.
Спонтанный газообразный разряд, характеризующийся высоким током (десятки или сотни ампер) и низким напряжением между электродами (десятки вольт).

Дуговой разряд

Дуговой разряд (электрическая дуга)
Высокий ток (десятки или сотни ампер) и низкое напряжение (десятки вольт) между электродами.

Дуговой разряд поддерживается за счет термоэлектронной эмиссии с поверхности катода. Электроны, выходящие из катода, ускоряются под действием электрического поля и сталкиваются с молекулами газа, ионизируя их. Проводимость газа быстро увеличивается, газ сильно нагревается, и между электродами образуется столб ярко светящегося газа.

Самая высокая температура в дуговом разряде – это впадина, образующаяся на положительном электроде в результате бомбардировки электронами (дуговой кратер). На угольных электродах при атмосферном давлении температура кратера дуги t
4000 к, а при давлении р ” 2000 кпа температура достигает 7000 к, то есть становится выше, чем на внешней поверхности Солнца (тс” 6000 к).

Электрическая дуга была впервые получена в 1802 году русским ученым В. V. Петров. Дуговые разряды нашли широкое применение в технике: дуговые лампы в мощных проекционных аппаратах и проекторах, дуговая сварка металлов, дуговые печи для плавки металлов и т.д.

Читайте далее:
Сохранить статью?