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
Добавлен: 11.01.2024
Просмотров: 182
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
деионизацией. При возникновении дуги процесс ионизации преобладает, в устойчиво горящей дуге процессы ионизации и деионизации одинаково интенсивны, а при преобладающем процессе деионизации дуга гаснет. Процесс деионизации осуществляется за счёт явлений рекомбинации и диффузии.
Рекомбинация – это процесс образования нейтральных частиц в результате взаимного соприкосновения частиц различно заряженных. В электрической дуге отрицательно заряженные частицы – это в основном электроны. Но, ввиду большой разности скоростей, непосредственное соединение электронов с положительными ионами маловероятно. Обычно рекомбинация осуществляется за счёт нейтральной частицы, которую заряжает электрон. Эта отрицательно заряженная электроном частица соударяется с положительным ионом, в результате чего образуются одна или две нейтральные частицы.
Существует два типа рекомбинаций: в объёме – когда третьим телом является нейтральная частица газа, и на поверхности – когда третьим телом является поверхность вблизи дуги (например, стенка дугогасительной камеры). В случае рекомбинации на поверхности электроны заряжают стенку камеры до потенциала, при котором положительные ионы притягиваются к этой поверхности и образуют нейтральные частицы, присоединив электрон.
Скорость рекомбинации в объёме прямо пропорциональна объёмной плотности ионов и обратно пропорциональна кубу абсолютной температуры. При небольших концентрациях ионов и невысоких температурах рекомбинация на поверхности преобладает над рекомбинацией в объёме в 102 – 106 раз [1].
Диффузия заряженных частиц – это процесс выноса заряженных частиц из дугового промежутка в окружающее пространство, вследствие которого проводимость дуги уменьшается.
Диффузия обусловлена электрическими и тепловыми факторами. Ввиду того, что плотность зарядов в стволе дуги возрастает от её периферии к центру, создаётся электрическое поле, которое заставляет ионы двигаться от центра к периферии и покидать область горения дуги. В этом же направлении действует и разность температур между стволом дуги и окружающим пространством. Вышедшие из области дуги заряженные частицы рекомбинируются вне этой области. В стабильной, свободно горящей дуге (на которую, например, не воздействует магнитное или воздушное дутьё) диффузия играет пренебрежимо малую роль.
В дуге, которая обдувается сжатым воздухом, деионизация за счёт диффузии может быть сопоставима по интенсивности с деионизацией за счёт рекомбинации. В дуге же, которая горит в узкой щели или закрытой камере, деионизация происходит преимущественно за счёт рекомбинации.
По результатам изучения процессов ионизации и деионизации можно сделать вывод о том, что в зависимости от своих физических свойств различные газы обладают различными дугогасящими свойствами. Газы с большей теплоёмкостью и теплопроводностью обладают лучшей охлаждающей способностью. А, например, гексафторид серы (элегаз) за счёт своей высокой деионизирующей способности может погасить дугу с током в 70-100 раз превышающим ток, который можно отключить на воздухе при прочих равных условиях [2].
Вольт-амперная характеристика электрической дуги показывает зависимость падения напряжения на стволе дуги от тока дуги. Она соответствует части кривой, изображённой на рис.1 в области III. Несколько таких характеристик для разных режимов дуги приведены на рис.2 [2]:
Рис.2 Вольт-амперные характеристики электрической дуги.
Напряжение Uз соответствует началу горения дуги и называется напряжением зажигания дуги. С ростом тока напряжение на стволе дуги снижается, так как сопротивление дугового промежутка падает быстрее, чем увеличивается ток. Для каждого значения тока в некоторый момент времени установится равновесное состояние, при котором интенсивности процессов ионизации и деионизации равнозначны. При этом электрическое сопротивление и дугового промежутка и напряжение на нём станут постоянными величинами, не изменяющимися во времени. Такой режим горения дуги называется статическим, ему соответствует кривая 1, которая называется статической характеристикой дуги.
Если с различными скоростями снижать ток в дуге до нуля, фиксируя при этом падение напряжения на дуге в зависимости от тока, то получим ряд кривых 2, которые будут лежать ниже кривой 1. При этом, чем быстрей будет снижаться ток, тем ниже будет лежать вольт-амперная характеристика дуги. Если же ток дуги снизить до нуля мгновенно, то получим прямую 3. Изменение же падения напряжения на дуге по статической характеристике 1 будет происходить только при медленном изменении тока дуги.
Такой характер вольт-амперных характеристик объясняется тем, что при быстром изменении тока ионизационное состояние дугового промежутка не успевает за изменением тока. Деионизация промежутка занимает некоторое время, поэтому, не смотря на снизившееся значение тока дуги проводимость дугового промежутка остаётся прежней, соответствующей большему току.
Вольт-амперные характеристики дуги, объединённые на рис.2 в группу 2 называются динамическими. Напряжение, при котором дуга гаснет при таких характеристиках, называется напряжением гашения дуги Uг.
Для конкретного дугового промежутка, определённого материала электродов и среды горения дуги характерна одна определённая статическая характеристика дуги и множество динамических характеристик, расположенных между кривыми 1 и 3.
Если падение напряжения на дуге характеризует проводимость дуги, то напряжения Uг и Uз характеризуют диэлектрические свойства дугового промежутка – это напряжения, которые необходимо приложить к промежутку при определённом его состоянии, чтобы зажечь в нем электрическую дугу.
Вдоль стационарной (установившейся) дуги падение напряжения распределяется неравномерно.
На рис. 3 приведена картина изменения напряжения Uд дуги и продольного градиента напряжения Eд вдоль дуги [1].
Рис. 3. Распределение напряжения и градиента напряжения в стационарной дуге постоянного тока.
Градиент напряжения – это падение напряжения на единицу длины дуги. Из рисунка видно, что ход характеристик Uд и Eд в областях возле электродов (контактов коммутационного аппарата) резко отличается от хода характеристик на остальной части дуги. У электродов в прикатодной и прианодной областях на промежутке длиной около 10-4см имеется резкое падение напряжения, называемое катодным Uк и анодным Uа. Величина этих падений напряжений зависит от металла, из которого изготовлены электроды и окружающего их газа. Суммарно прикатодное и прианодное падение напряжений составляет 10-15В, а градиент напряжения составляет 105 – 106 В/см [1].
На остальной части дуги падение напряжения прямо пропорционально длине дуги. Эта часть дуги называется стволом дуги. Вдоль ствола дуги градиент напряжения практически постоянен.
Приэлектродное падение напряжения Uэ не зависит от длины дуги, а падение напряжения в стволе дуги прямо пропорционально длине дуги. Отсюда, падение напряжения на дуговом промежутке:
Uд=Uэ+Eдlд (1),
где:
Eд – продольный градиент напряжения на стволе дуги;
lд – длина дуги;
Uэ=Uк+Ua – суммарное приэлектродное падение напряжения.
В сети переменного тока ток горящей дуги, независимо от степени ионизации дугового промежутка переходит через нуль каждый полупериод, то есть дуга каждый полупериод гаснет и зажигается вновь. Поэтому главной задачей дугогашения при переменном токе является создание условий, при которых ток при прохождении через нуль не восстановился бы.
Кривые изменения напряжения и тока в дуговом промежутке при переменном токе приведены на рис. 4 [1]:
Рис.4. Кривые изменения тока и напряжения на дуговом промежутке при переменном токе
В момент появления тока напряжение зажигания U3 резко возрастает. С дальнейшим ростом тока падение напряжения на дуге падает и при максимальном (амплитудном) значении тока достигает минимума. Затем напряжение на дуге снова резко возрастает и при исчезновении тока достигает напряжения гашения дуги Uг.
Рис. 5. Вольт-амперная характеристика дуги переменного тока за период
На рис.5 приведена вольт-амперная характеристика дуги переменного тока за один период.
Напряжение зажигания дуги зависит от амплитуды тока, и чем больше ток, тем напряжение зажигания меньше.
Температура дуги при переменном токе также является величиной переменной. Однако тепловая инерция газа довольно значительна, поэтому в момент перехода тока через нуль, температура дуги практически не падает до нуля, оставаясь довольно высокой. Но некоторое снижение температуры дуги при переходе тока через нуль всё-таки способствует деионизации дугового промежутка и облегчает гашение дуги.
Фактически при переходе тока через нуль, изменение тока в дуге происходит не по синусоидальному закону. Незадолго до момента времени естественного перехода тока через нуль, ток дуги падает почти до нуля, а затем, через некоторое короткое время после перехода через нуль снова скачком восстанавливается до соответствующего для синусоидального закона значения. Процесс перехода тока дуги через нуль показан сплошной линией на рис. 6 [1].
Рекомбинация – это процесс образования нейтральных частиц в результате взаимного соприкосновения частиц различно заряженных. В электрической дуге отрицательно заряженные частицы – это в основном электроны. Но, ввиду большой разности скоростей, непосредственное соединение электронов с положительными ионами маловероятно. Обычно рекомбинация осуществляется за счёт нейтральной частицы, которую заряжает электрон. Эта отрицательно заряженная электроном частица соударяется с положительным ионом, в результате чего образуются одна или две нейтральные частицы.
Существует два типа рекомбинаций: в объёме – когда третьим телом является нейтральная частица газа, и на поверхности – когда третьим телом является поверхность вблизи дуги (например, стенка дугогасительной камеры). В случае рекомбинации на поверхности электроны заряжают стенку камеры до потенциала, при котором положительные ионы притягиваются к этой поверхности и образуют нейтральные частицы, присоединив электрон.
Скорость рекомбинации в объёме прямо пропорциональна объёмной плотности ионов и обратно пропорциональна кубу абсолютной температуры. При небольших концентрациях ионов и невысоких температурах рекомбинация на поверхности преобладает над рекомбинацией в объёме в 102 – 106 раз [1].
Диффузия заряженных частиц – это процесс выноса заряженных частиц из дугового промежутка в окружающее пространство, вследствие которого проводимость дуги уменьшается.
Диффузия обусловлена электрическими и тепловыми факторами. Ввиду того, что плотность зарядов в стволе дуги возрастает от её периферии к центру, создаётся электрическое поле, которое заставляет ионы двигаться от центра к периферии и покидать область горения дуги. В этом же направлении действует и разность температур между стволом дуги и окружающим пространством. Вышедшие из области дуги заряженные частицы рекомбинируются вне этой области. В стабильной, свободно горящей дуге (на которую, например, не воздействует магнитное или воздушное дутьё) диффузия играет пренебрежимо малую роль.
В дуге, которая обдувается сжатым воздухом, деионизация за счёт диффузии может быть сопоставима по интенсивности с деионизацией за счёт рекомбинации. В дуге же, которая горит в узкой щели или закрытой камере, деионизация происходит преимущественно за счёт рекомбинации.
По результатам изучения процессов ионизации и деионизации можно сделать вывод о том, что в зависимости от своих физических свойств различные газы обладают различными дугогасящими свойствами. Газы с большей теплоёмкостью и теплопроводностью обладают лучшей охлаждающей способностью. А, например, гексафторид серы (элегаз) за счёт своей высокой деионизирующей способности может погасить дугу с током в 70-100 раз превышающим ток, который можно отключить на воздухе при прочих равных условиях [2].
-
Вольт-амперные характеристики электрической дуги
Вольт-амперная характеристика электрической дуги показывает зависимость падения напряжения на стволе дуги от тока дуги. Она соответствует части кривой, изображённой на рис.1 в области III. Несколько таких характеристик для разных режимов дуги приведены на рис.2 [2]:
Рис.2 Вольт-амперные характеристики электрической дуги.
Напряжение Uз соответствует началу горения дуги и называется напряжением зажигания дуги. С ростом тока напряжение на стволе дуги снижается, так как сопротивление дугового промежутка падает быстрее, чем увеличивается ток. Для каждого значения тока в некоторый момент времени установится равновесное состояние, при котором интенсивности процессов ионизации и деионизации равнозначны. При этом электрическое сопротивление и дугового промежутка и напряжение на нём станут постоянными величинами, не изменяющимися во времени. Такой режим горения дуги называется статическим, ему соответствует кривая 1, которая называется статической характеристикой дуги.
Если с различными скоростями снижать ток в дуге до нуля, фиксируя при этом падение напряжения на дуге в зависимости от тока, то получим ряд кривых 2, которые будут лежать ниже кривой 1. При этом, чем быстрей будет снижаться ток, тем ниже будет лежать вольт-амперная характеристика дуги. Если же ток дуги снизить до нуля мгновенно, то получим прямую 3. Изменение же падения напряжения на дуге по статической характеристике 1 будет происходить только при медленном изменении тока дуги.
Такой характер вольт-амперных характеристик объясняется тем, что при быстром изменении тока ионизационное состояние дугового промежутка не успевает за изменением тока. Деионизация промежутка занимает некоторое время, поэтому, не смотря на снизившееся значение тока дуги проводимость дугового промежутка остаётся прежней, соответствующей большему току.
Вольт-амперные характеристики дуги, объединённые на рис.2 в группу 2 называются динамическими. Напряжение, при котором дуга гаснет при таких характеристиках, называется напряжением гашения дуги Uг.
Для конкретного дугового промежутка, определённого материала электродов и среды горения дуги характерна одна определённая статическая характеристика дуги и множество динамических характеристик, расположенных между кривыми 1 и 3.
Если падение напряжения на дуге характеризует проводимость дуги, то напряжения Uг и Uз характеризуют диэлектрические свойства дугового промежутка – это напряжения, которые необходимо приложить к промежутку при определённом его состоянии, чтобы зажечь в нем электрическую дугу.
Вдоль стационарной (установившейся) дуги падение напряжения распределяется неравномерно.
-
Падение напряжения на электрической дуге
На рис. 3 приведена картина изменения напряжения Uд дуги и продольного градиента напряжения Eд вдоль дуги [1].
Рис. 3. Распределение напряжения и градиента напряжения в стационарной дуге постоянного тока.
Градиент напряжения – это падение напряжения на единицу длины дуги. Из рисунка видно, что ход характеристик Uд и Eд в областях возле электродов (контактов коммутационного аппарата) резко отличается от хода характеристик на остальной части дуги. У электродов в прикатодной и прианодной областях на промежутке длиной около 10-4см имеется резкое падение напряжения, называемое катодным Uк и анодным Uа. Величина этих падений напряжений зависит от металла, из которого изготовлены электроды и окружающего их газа. Суммарно прикатодное и прианодное падение напряжений составляет 10-15В, а градиент напряжения составляет 105 – 106 В/см [1].
На остальной части дуги падение напряжения прямо пропорционально длине дуги. Эта часть дуги называется стволом дуги. Вдоль ствола дуги градиент напряжения практически постоянен.
Приэлектродное падение напряжения Uэ не зависит от длины дуги, а падение напряжения в стволе дуги прямо пропорционально длине дуги. Отсюда, падение напряжения на дуговом промежутке:
Uд=Uэ+Eдlд (1),
где:
Eд – продольный градиент напряжения на стволе дуги;
lд – длина дуги;
Uэ=Uк+Ua – суммарное приэлектродное падение напряжения.
Глава 2. Гашение электрической дуги переменного тока
-
Особенности гашения дуги переменного тока
В сети переменного тока ток горящей дуги, независимо от степени ионизации дугового промежутка переходит через нуль каждый полупериод, то есть дуга каждый полупериод гаснет и зажигается вновь. Поэтому главной задачей дугогашения при переменном токе является создание условий, при которых ток при прохождении через нуль не восстановился бы.
Кривые изменения напряжения и тока в дуговом промежутке при переменном токе приведены на рис. 4 [1]:
Рис.4. Кривые изменения тока и напряжения на дуговом промежутке при переменном токе
В момент появления тока напряжение зажигания U3 резко возрастает. С дальнейшим ростом тока падение напряжения на дуге падает и при максимальном (амплитудном) значении тока достигает минимума. Затем напряжение на дуге снова резко возрастает и при исчезновении тока достигает напряжения гашения дуги Uг.
Рис. 5. Вольт-амперная характеристика дуги переменного тока за период
На рис.5 приведена вольт-амперная характеристика дуги переменного тока за один период.
Напряжение зажигания дуги зависит от амплитуды тока, и чем больше ток, тем напряжение зажигания меньше.
Температура дуги при переменном токе также является величиной переменной. Однако тепловая инерция газа довольно значительна, поэтому в момент перехода тока через нуль, температура дуги практически не падает до нуля, оставаясь довольно высокой. Но некоторое снижение температуры дуги при переходе тока через нуль всё-таки способствует деионизации дугового промежутка и облегчает гашение дуги.
Фактически при переходе тока через нуль, изменение тока в дуге происходит не по синусоидальному закону. Незадолго до момента времени естественного перехода тока через нуль, ток дуги падает почти до нуля, а затем, через некоторое короткое время после перехода через нуль снова скачком восстанавливается до соответствующего для синусоидального закона значения. Процесс перехода тока дуги через нуль показан сплошной линией на рис. 6 [1].