Файл: Вид работы Курсовая работа Название дисциплины Электрические и электронные аппараты Тема Дуга переменного тока физика процесса, условия возникновения, особенности гашения при различных видах нагрузки.doc

Основные данные о работе

Версия шаблона	3.1
Вид работы	Курсовая работа
Название дисциплины	Электрические и электронные аппараты
Тема	Дуга переменного тока: физика процесса, условия возникновения, особенности гашения при различных видах нагрузки
Фамилия студента	Васильев
Имя студента	Илья
Отчество студента	Викторович
№ контракта	022011913030257124

Содержание

1. 
   Введение…………………………………………………………………….3
   
2. 
   Основная часть……………………………………………………………...4
   

Глава 1. Теория горения электрической дуги............,,,,,,,,,,,...............................4

1. 
   Процессы в дуговом промежутке………..................................…...4
   
2. 
   Вольт-амперные характеристики электрической дуги...................9
   
3. 
   Падение напряжения на электрической дуге.................................12
   

Глава 2. Гашение электрической дуги переменного тока...........,,,,,,,,,,............13

1. 
   Особенности гашения дуги переменного тока...............................13
   
2. 
   Условия гашения дуги. Общие сведения........................................17
   
3. 
   Гашение дуги в магнитном поле......................................................19
   
4. 
   Гашение дуги в продольных щелях.................................................22
   
5. 
   Гашение дуги в масле........................................................................24
   
6. 
   Гашение дуги воздушным дутьём...................................................26
   
7. 
   Гашение дуги в элегазе.....................................................................28
   
8. 
   Гашение дуги в вакууме....................................................................29
   

3. 
   Заключение....................................................................................................32
   
4. 
   Глоссарий......................................................................................................33
   
5. 
   Список источников.......................................................................................35
   
6. 
   Приложения...................................................................................................37
   

Введение

Задачей курсовой работы является изучение физической сущности процесса горения электрической дуги переменного тока, структуры электрической дуги, условий её возникновения, способов и особенностей гашения дуги в электрических аппаратах при различных видах нагрузки.

---

Явление электрической дуги в контактных коммутационных аппаратах оказывает сильное негативное термическое воздействие на контактные группы коммутационных аппаратов, другие их конструктивные элементы, а также на всю электроустановку в целом. Результатом горения дуги при её неэффективном гашении может явиться выход из строя коммутационного оборудования, что в свою очередь приведёт к внеплановым простоям технологического оборудования промышленных предприятий, недовыпуску и браку продукции, перерывам в электроснабжении критически важных объектов инфраструктуры, медицинских учреждений и других социально-значимых объектов.

Кроме того, электрическая дуга является опасным производственным фактором для персонала, обслуживающего электроустановки, так как может вызвать термические ожоги разной степени тяжести, стать причиной пожаров и возгораний в электроустановках и производственных помещениях, а также причинить серьёзный ущерб слуху и зрению обслуживающего персонала.

В связи с этим, теоретические и экспериментальные исследования физики процесса горения электрической дуги, моделирование и совершенствование систем дугогашения в электрических аппаратах, разработка новых методов и технологий дугогашения, направленные и их практическое применение в электроустановках является на сегодняшний день одной из наиболее значимых и актуальных проблем электроэнергетики, в частности, в области проектирования коммутационных аппаратов напряжением до и выше 1000В.

---

Основная часть

Глава 1. Теория горения электрической дуги

1. 
   Процессы в дуговом промежутке
   

Между контактами коммутационного аппарата, включенного в электрическую цепь, по которой протекает некоторый ток, при их размыкании, как правило возникает электрический разряд. Воздушный промежуток между размыкающимися контактами в следствие ионизации становится проводящим электрический ток и в нём возникает дуга, которая горит некоторое время, а затем каким-либо способом гасится. Ток в цепи после гашения дуги падает до нуля.

Размыкание контактов коммутационного аппарата – это процесс увеличения сопротивления между этими контактами от нескольких микроом при изначально максимальном контактном нажатии до сотен мегаом в конце процесса размыкания, т.е. при максимальном расстоянии между разомкнутыми контактами. Схематично процесс размыкания контактов и образования между ними диэлектрического промежутка можно представить следующим образом. При размыкании контактов сила контактного нажатия между ними начинает постепенно снижаться и наряду с этим уменьшается площадь их соприкосновения, т.е. площадь электрического контакта. При этом на уменьшающейся площадке контактирования растёт плотность тока, и температура контакта. По мере расхождения контактов температура пятна контакта продолжает расти и к моменту их фактического рассоединения достигает температуры плавления металла самих контактов. Когда контакты разойдутся на расстояние в несколько микрометров, между ними образуется мостик из расплавленного металла, форма которого может варьироваться от формы гиперболоида до бочкообразной. По мере дальнейшего расхождения контактов мостик растягивается, усреднённая площадь его сечения уменьшается. Участок мостика с наименьшим сечением разогревается наиболее интенсивно вплоть до достижения температуры кипения металла. Мостик рвётся, происходит испарение металла контактов, после чего между контактами возникает электрическая дуга, горящая в парах металла и удлиняющаяся по мере дальнейшего расхождения контактов.

Разберём более подробно процессы, протекающие в разрядном промежутке.

Изобразим зависимость падения напряжения на разрядном промежутке от тока разряда в газах, рис. 1:

---

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика электрического разряда в газах [1].

Участок I характеристики – это область тлеющего разряда, для которого характерно высокое падение напряжения у катода (200-250В) и малые токи [2]. Плотность тока в разрядном промежутке при тлеющем разряде достигает всего нескольких µа/см². С ростом тока растёт и падение напряжения на разрядном промежутке до 300 – 400В.

Участок II характеристики – это переход тлеющего разряда в дуговой.

Участок III характеристики – область дугового разряда с малым падением напряжения у электродов (контактов), но большой плотностью тока (до 100 кА/см²) [2]. С ростом тока напряжение на дуговом промежутке падает до 10-20В и в дальнейшем почти не изменяется [2].

Горение электрической дуги сопровождается высокой температурой. Дуга – явление не только электрическое, но и тепловое.

В обычных условиях воздух – это хороший изолятор, и для того, чтобы он стал проводником для электрического тока, необходимо создать в нём некоторую концентрацию отрицательных (в основном свободных) электронов и положительных ионов. Т.е. воздух должен быть ионизирован. Ионизация воздуха (газа) может происходить под действием различных физических факторов (рентгеновские лучи, свет, электрическое поле, высокая температура и др.).

Для дуговых процессов, происходящих у электродов, наибольшее значение имеют термоэлектронная и автоэлектронная эмиссии, а для процессов в дуговом промежутке – ионизация толчком и термическая ионизация.

Опишем эти явления.

Термоэлектронная эмиссия – это явление испускания электронов из поверхности, нагретой до высокой температуры. В данном случае раскалённая поверхность – это так называемое катодное пятно на поверхности контакта, которое является основанием дуги и источником излучения электронов в первый момент расхождения контактов. Плотность тока термоэлектронной эмиссии зависит от материала электрода и его температуры. Она достаточна для возникновения электрической дуги, но не может поддерживать её горение.

Автоэлектронная эмиссия – это процесс испускания электронов из катода под воздействием сильного электромагнитного поля. Место разрыва контактов можно представить, как конденсатор переменной ёмкости. Его ёмкость в начале расхождения контактов равна бесконечности, а затем, по мере расхождения контактов, убывает. Этот конденсатор заряжается через сопротивление цепи, напряжение постепенно растет на нем от нуля до напряжения сети одновременно с увеличением расстояния между контактами. Во время нарастания напряжения напряжённость электрического поля между контактами может превышать 100 МВ/см. Такого значения напряжённости достаточно для вырывания электронов из холодного катода. Так как ток автоэлектронной эмиссии тоже достаточно мал, то он может служить только началом развития электрической дуги.

---

Из описанного выше следует, что возникновение электрической дуги на расходящихся контактах объясняется явлениями термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий, возникающих на контактах. Доля вклада того или иного фактора зависит от величины отключаемого тока, материала контактов, загрязнённости их поверхности, скорости расхождения и некоторых других факторов.

Ионизация толчком. Свободный электрон, обладающий достаточной скоростью при столкновении с нейтральной частицей (атомом или молекулой) может выбить из неё электрон. Получается новый свободный электрон и положительный ион. Новый электрон, в свою очередь, может ионизировать следующую частицу. Такая ионизация называется ионизацией толчком. Для того, чтобы электрон смог ионизировать нейтральную частицу, он должен двигаться с достаточной для этого скоростью. Скорость движения электрона зависит от разности потенциалов на пути его свободного пробега. Такая разность потенциалов называется потенциалом ионизации (U_и). Это минимальное значение разности потенциалов, при котором электрон в конце своего пути свободного пробега приобретёт скорость достаточную для ионизации.

Для газов потенциал ионизации составляет 13-25В, для паров металла – в два раза ниже [1]. Потенциал ионизации для газовой смеси определяется наиболее низким из потенциалов ионизации газов, входящих в состав этой смеси. Например, в короткой электрической дуге обязательно имеются частицы испарившегося металла электродов, поэтому потенциал ионизации дугового промежутка будет определяться потенциалом ионизации паров металла.

При скоростях электронов, меньших, чем скорость, соответствующая потенциалу ионизации, вероятность ионизации толчком отсутствует, а при больших скоростях эта вероятность возрастает.

Термическая ионизация – процесс ионизации под воздействием высокой температуры. Это практически единственный вид ионизации, которым объясняется поддержание горения электрической дуги после её возникновения.

Температура ствола дуги достигает 3700 – 6700 °С [1]. При такой температуре резко возрастает число быстродвижущихся частиц газа и скорость их движения. При этом большая часть молекул и атомов газа разрушается при взаимных столкновениях, и, в результате образования заряженных частиц, происходит ионизация газа. Основным параметром термической ионизации является степень ионизации, характеризующая отношение числа ионизированных атомов к общему числу атомов в дуговом промежутке. Параллельно с процессом ионизации в газе происходит и обратный процесс воссоединения заряженных частиц (образование нейтральных частиц). Этот процесс называется

---