Изключване на електрическата верига чрез контактни устройства
Изключването на веригата чрез контактно устройство се характеризира с появата на плазма, която преминава през различни етапи на газов разряд в процеса на преобразуване на междуконтактната междина от проводник на електрически ток в изолатор.
При токове над 0,5-1 A възниква етап на дъгов разряд (област1) (фиг. 2.1.); когато токът намалява, в катода възниква етап на тлеещ разряд (област2); следващият етап (регион3) е разрядът на Таунсенд и накрая регионът4е етапът на изолация, в който носителите на електричество - електрони и йони - не се образуват поради йонизация, а могат да идват само от околната среда.
Ориз. 2.1. Токово-напреженови характеристики на електроразрядни стъпала в газове
Първият участък от кривата - дъгов разряд (област1)- се характеризира с малък спад на напрежението при електродите и висока плътност на тока. С увеличаването на тока напрежението в междината на дъгата първо пада рязко и след това леко се променя.
Вторият сегмент (област2) на кривата, който е област на тлеещ разряд, се характеризира с висок спад на напрежението на катода (250–300 V) и ниски токове. С увеличаване на тока спадът на напрежението в разрядната междина ще се увеличи.
Разрядът на Townsend (регион3) се характеризира с изключително ниски стойности на тока при високи напрежения.
Електрическата дъга е придружена от висока температура и е свързана с тази температура. Следователно дъгата е не само електрическо явление, но и топлинно.
При нормални условия въздухът е добър изолатор. Така че, за разграждането на въздушна междина от 1 cm е необходимо да се приложи напрежение най-малко 30 kV. За да може въздушната междина да стане проводник, е необходимо да се създаде определена концентрация на заредени частици в нея:отрицателни - предимно свободни електрони, и положителни - йони. Процесът на отделяне на един или повече електрони от неутрална частица с образуването на свободни електрони и йони се наричайонизация.
Йонизацията на газа може да възникне под действието на светлина, рентгенови лъчи, висока температура, под въздействието на електрическо поле и редица други фактори. За дъговите процеси в електрическите устройства най-важни са: от процесите, протичащи на електродите, термоелектронни и автоелектронни емисии, а от процесите, протичащи в дъговия процеп, термична йонизация и йонизация чрез тласък.
Електрическа дъга
При превключващи електрически устройства, предназначени да затварят и отварят верига с ток, когато са изключени, в газа възниква разряд под формата на тлеещ разряд или под формата на дъга. Тлеещ разряд възниква, когато токът, който трябва да се изключи, е под 0,1 A и напрежението на контактите достига 250–300 V. Такъв разряд възниква или в контактите на релета с ниска мощност, или като преходна фаза към разряд под формата на електрическа дъга.
Основните свойства на дъговия разряд:
- дъговият разряд се осъществява само при големи токове; минималният ток на дъгата за метали е приблизително 0,5 A;
- температурата на централната част на дъгата е много висока и в апарата може да достигне 6000 - 18000 К;
- плътността на тока на катода е изключително висока и достига 10 2 - 10 3 A/mm 2 ;
- спадът на напрежението на катода е само 10 - 20 V и практически не зависи от тока.
В дъговия разряд могат да се разграничат три характерни области: около катода, областта на стълба на дъгата (вал на дъгата) и около анода (фиг. 2.2.).
Във всяка от тези области протичат процеси на йонизация и дейонизацияпродължете по различен начин в зависимост от условията, които съществуват там. Тъй като резултантният ток през тези три области е еднакъв, във всяка от тях протичат процеси, които осигуряват възникването на необходимия брой заряди.
Ориз. 2.2. Разпределение на напрежението и напрегнатостта на електрическото поле
в стационарна DC дъга
Термионна емисия. Термионната емисия е явлението излъчване на електрони от нагрята повърхност.
Когато контактите се разминават, контактното съпротивление на контакта и плътността на тока в последната контактна зона рязко се увеличават. Тази област се нагрява до температурата на топене и образуването на контактен провлак от разтопен метал, който се разрушава с по-нататъшно разминаване на контактите. Тук контактният метал се изпарява. Върху отрицателния електрод се образува така нареченото катодно петно (гореща подложка), което служи като основа на дъгата и източник на електронно излъчване в първия момент на контактна дивергенция. Плътността на тока на термоемисия зависи от температурата и материала на електрода. Той е малък и може да е достатъчен за възникване на волтова дъга, но е недостатъчен за нейното запалване.
Автоелектронна емисия. Това е явлението емисия на електрони от катода под въздействието на силно електрическо поле.
Мястото, където е счупена електрическата верига, може да бъде представено като променлив кондензатор. Капацитетът в началния момент е равен на безкрайност, след което намалява с разминаването на контактите. Чрез съпротивлението на веригата този кондензатор се зарежда и напрежението върху него се повишава постепенно от нула до мрежовото напрежение. В същото време разстоянието между контактите се увеличава. Сила на полето междуконтакти по време на повишаване на напрежението преминава през стойности над 100 MV / cm. Такива стойности на силата на електрическото поле са достатъчни за изхвърляне на електрони от студения катод.
Емисионният ток на полето също е много малък и може да служи само като начало на развитието на дъгов разряд.
По този начин възникването на дъгов разряд на различни контакти се обяснява с наличието на термоелектронни и автоелектронни емисии. Преобладаването на един или друг фактор зависи от стойността на изключения ток, материала и чистотата на контактната повърхност, скоростта на тяхното разминаване и редица други фактори.
Йонизация с тласък. Ако свободен електрон има достатъчна скорост, тогава, когато се сблъска с неутрална частица (атом, а понякога и молекула), той може да избие електрон от нея. Резултатът е нов свободен електрон и положителен йон. Новопридобитият електрон може от своя страна да йонизира следващата частица. Тази йонизация се нарича тласкаща йонизация.
За да може един електрон да йонизира газова частица, той трябва да се движи с определена скорост. Скоростта на електрона зависи от потенциалната разлика по средния му свободен път. Следователно обикновено не се посочва скоростта на електрона, а минималната стойност на потенциалната разлика, която трябва да бъде върху дължината на свободния път, така че електронът да придобие необходимата скорост до края на пътя. Тази потенциална разлика се наричайонизационен потенциал.
Йонизационният потенциал за газове е 13 - 16 V (азот, кислород, водород) и до 24,5 V (хелий), за метални пари е приблизително два пъти по-нисък (7,7 V за медни пари).
Термична йонизация. Това е процес на йонизация под въздействието на висока температура. Поддръжка на дъгатаслед настъпването му, т.е. осигуряването на възникналия дъгов разряд с достатъчен брой свободни заряди се обяснява с основния и практически единствен вид йонизация - термична йонизация.
Температурата на дъговия стълб е средно 6000 - 10000 K, но може да достигне и по-високи стойности - до 18000 K. При тази температура както броят на бързо движещите се газови частици, така и скоростта на тяхното движение се увеличават значително. При сблъсък на бързо движещи се атоми или молекули повечето от тях се разрушават, образувайки заредени частици, т.е. газът се йонизира. Основната характеристика на термичната йонизация естепента на йонизация, която е отношението на броя на йонизираните атоми в дъговата междина към общия брой атоми в тази междина. Едновременно с процесите на йонизация в дъгата протичат обратни процеси, т.е. повторно обединяване на заредени частици и образуване на неутрални частици. Тези процеси се наричат дейонизация.
Дейонизацията възниква главно порадирекомбинацияидифузия.
Рекомбинация. Процесът, при който различно заредени частици, влизайки в контакт, образуват неутрални частици, се нарича рекомбинация.
В електрическата дъга отрицателните частици са предимно електрони. Директното свързване на електрони с положителен йон е малко вероятно поради голямата разлика в скоростите. Обикновено рекомбинацията става с помощта на неутрална частица, която електронът зарежда. Когато тази отрицателно заредена частица се сблъска с положителен йон, се образуват една или две неутрални частици.
Дифузия. Дифузията на заредени частици е процес на пренасяне на заредени частици от дъговата междина в околното пространство, което намалявапроводимост на дъгата.
Дифузията се дължи както на електрически, така и на топлинни фактори. Плътността на заряда в стълба на дъгата нараства от периферията към центъра. С оглед на това се създава електрическо поле, което принуждава йоните да се движат от центъра към периферията и да напуснат областта на дъгата. Температурната разлика между стълба на дъгата и околното пространство също действа в същата посока. При стабилизирана и свободно горяща дъга дифузията играе незначителна роля.
Спадът на напрежението върху неподвижна дъга се разпределя неравномерно по дължината на дъгата. Картината на промяната в спада на напрежениетоUD и напрегнатостта на електрическото поле (надлъжен градиент на напрежението)ED =dU/dxпо протежение на дъгата е показана на фигурата (виж Фиг. 2.2). Градиентът на напрежениетоED се разбира като спад на напрежението за единица дължина на дъгата. Както може да се види от фигурата, поведението на характеристикитеUD иED в областите близо до електрода се различава рязко от поведението на характеристиките в останалата част от дъгата. При електродите, в прикатодните и прианодните области, на интервал от дължина от около 10 - 4 cm, има рязък спад на напрежението, нареченкатод Uk ианод Ua. Стойността на този спад на напрежението зависи от материала на електродите и околния газ. Общата стойност на падовете на анодното и катодното напрежение е 15–30 V, градиентът на напрежението достига 105–106 V/cm.
В останалата част от дъгата, наречена стълб на дъгата, спадът на напрежениетоUD е почти право пропорционален на дължината на дъгата. Градиентът тук е приблизително постоянен по стеблото. Зависи от много фактори и може да варира в широки граници, достигайки 100–200 V/cm.
Падът на напрежението в близост до електродаUE не зависи от дължината на дъгата, спадът на напрежението в стълба на дъгата е пропорционален на дължината на дъгата. ТакаПо този начин напрежението спада в дъговата междина
където:ED – напрегнатост на електрическото поле в стълба на дъгата;
В заключение трябва да се отбележи още веднъж, че термичната йонизация преобладава в етапа на дъговия разряд - разделянето на атомите на електрони и положителни йони, дължащо се на енергията на термичното поле. При светеща - ударна йонизация възниква на катода поради сблъсък с електрони, ускорени от електрическо поле, а при разряд на Townsend ударната йонизация преобладава над цялата междина на газовия разряд.