Главная | Обратная связь

Околоанодная область

 

Поток электронов из столба дуги устремляется к положительному электроду – аноду, который, в свою очередь, при дуговом разряде не излучает положительных ионов, которые могли бы нейтрализовать электроны. Поэтому вблизи анода создается отрицательный объемный заряд, что вызывает появление околоанодного падения напряжения и повышение напряженности электрического поля.

Околоанодное падение напряжения зависит от температуры анода, его материала и значения тока.

Электроны разгоняются в поле, образованном отрицательным объемным зарядом и анодом. Энергия, приобретенная электронами, отдается аноду, под действием которой анод нагревается до очень высокой температуры, которая, как правило, выше температуры катода. Мощный поток электронов выбивает из анода электроны, которые также участвуют в создании отрицательного объемного заряда.

Высокая температура анода и околоанодной области не оказывают существенного влияния на возникновение и условия существования дугового разряда.

Роль анода сводится к приему электрического потока из дугового столба.

Падение у катода составляет 10-20 В и зависит от материала катода и свойств газа, в котором горит дуга.

В области дугового столба положительные и отрицательные объемные заряды уравновешивают друг друга и результирующий заряд равен нулю.

Околоанодное падение напряжения составляет 5-10 В. При больших токах оно уменьшается, в то время как околокатодное напряжение остается постоянным.

Различают короткие (1,5-2 мм) и длинные (более 2 мм) дуги. Первые характерны при напряжениях меньше 1000 В, вторые – в высоковольтных аппаратах.

Условия гашения короткой дуги в значительной степени определяются процессами, происходящими у электродов, и условиями их охлаждения.

В аппаратах высокого напряжения падение напряжения в столбе дуги значительно больше околокатодных и последними можно пренебречь. Условия существования длинных дуг определяется процессами в столбе дуги.

 

 

Характерные виды влияния на условия гашения дуги:

1. узкая щель;

2. использование магнитного дутья;

3. отвод тепла за счет охлаждения движущегося газа, либо отдача тепла стенками дугогасительных камер с высокой теплопроводностью;

4. повышения давления газов в области горения дуги;

5. использование для гашения водорода, выделяющегося при горении дуги в трансформаторном масле;

6. использование элегаза, плотность которого в 5 раз больше, чем воздуха, а скорость движения дуги в нем в 3 раза меньше, чем в воздухе.

 

Электрические дуги

 

Принципиальной разницы между дугой постоянного и переменного тока нет. Однако род тока накладывает свои особенности в отношении гашения дуги.

Когда переменный ток проходит через нуль, энергия дуги становится равной нулю, происходит деионизация дугового промежутка и если извне усилить этот процесс деионизации, что и делают дугогасительные устройства, то дуга переменного тока после прохождения через нуль вновь не загорается. Задача гашения дуги переменного тока облегчается. Здесь необходимо создать условия, при которых ток не восстанавливался бы после прохождения через нуль.

При переменном токе температура дуги является величиной переменной. Однако тепловая инерция газа оказывается довольно значительной, и в момент перехода тока через нуль температура дуги не падает до нуля и остается достаточно высокой.

В действительности при переходе переменного тока через нуль он меняется по закону отличном от синусоидального.

Немного раньше момента времени естественного перехода через нуль ток в дуге падает почти до нуля, а затем после перехода через нуль скачкомснова достигает соответствующего значения.

Таким образом, при переходе переменного тока через нуль имеет место бестоковая пауза, во время которой происходит интен-сивная деионизация дуго-вого промежутка. При малых индуктив-ностях L нагрузки эта пауза

большая, при больших L – пауза уменьшается или становится очень малой (0,1 мкс).

Условия гашения дуги переменного тока может быть сформулировано следующим образом: если нарастание сопротивления промежутка, выраженное его пробивным напряжением, будет опережать нарастание напряжения на промежутке, то дуга гаснет при переходе тока через нуль. Если медленнее, то в момент их сравнения произойдет повторное зажигание дуги.

Решающее значение для гашения дуги переменного тока при U < 1000В имеют явления, происходящие у катода при переходе тока через нуль. В момент этого перехода в околокатодной области дуги изоляция промежутка мгновенно восстанавливается до величины пробивного напряжения 150-250В (второе значение при меньших токах и холодном катоде, первая – при больших токах и горячем катоде).

Таким образом, изоляция всего дугового промежутка сразу приобретает указанную величину, а затем постепенно нарастает со скоростью, зависящей от способа воздействия на промежуток.

Такой ход процесса объясняется наличием положительного объемного заряда у катода. В соответствии с полярностью данной полуволны тока к аноду устремляются электроны, а к катоду – положительные ионы.

При переходе через нуль полярность электродов меняется. Электроны, находящиеся у анода, как более подвижные, мгновенно уходят в анод. Объемного отрицательного заряда у анода не будет. По сравнению с электронами положительные ионы можно считать неподвижными. Вследствие этого у катоды образуется положительный объемный заряд. Пространство у катода остается свободным от электронов.

Для возбуждения протекания тока по дуговому промежутку необходимо, чтобы у катода появились электроны.

Для этого в зависимости от состояния промежутка и электродов требуется напряжение порядка 150-250 В.

На рассмотренном выше принципе явления у катода при переходе тока через нуль построена большая часть дугогасительных устройств в аппаратах переменного тока.

Восстановление напряжения на дуговом промежутке может происходить апериодически или через колебательный процесс.

Частота и амплитуда колебаний переходного процесса определяется индуктивностью, емкостью и сопротивлением источника питания и цепи. Частота колебаний лежит в пределах 10-1000 Гц.

Дуга постоянного тока гасится труднее, всякий раз, если ее растянуть до критической длины.

Понятие критической длины дуги – понятие электрическое. Оно характеризуется тем, что при критической длине дуги количество энергии, поступающей из сети становится меньше того количества энергии, которое дуга отдает в окружающую среду, и дуга гаснет.

Важнейшей характеристикой дуги является вольт-амперная характеристика (ВАХ), представляющая зависимость напряжения на дуге U_д от тока дуги .

С ростом тока увеличивается температура дуги, усиливается термическая ионизация, возрастает число ионизированных частиц в разряде и падает электрическое сопротивление дуги – r_дуги.

Падение напряжения на дуге равно – I_дr_дуги.

При увеличении тока r_дуги уменьшается так резко, что напряжение на ней падает, несмотря на рост тока.

При переходе от одного значения тока к другому тепловое состояние дуги не изменяется мгновенно. Электрическая дуга обладает тепловой инерцией.

Если ток в дуге изменяется во времени медленно, то тепловая инерция разряда не сказывается. Снятая при медленном изменении тока дуги ВАХ называется статической. Она зависит от расстояния между электродами (длины дуги), материала электродов, параметров среды и условий охлаждения.

Напряжение на дуге можно рассматривать как сумму около электродных падений напряжения U_э и падения напряжения в столбе дуги

,

где Е_n – напряженность электрического поля в столбе дуги; l – длина столба дуги.

Величина Е_n зависит от тока и условий горения дуги.

Чем больше длина дуги, тем выше лежит ее статические ВАХ. С ростом давления среды, в которой горит дуга величина Е_n также увеличивается и ВАХ также поднимается вверх.

 

 

Охлаждение дуги существенно влияет на ВАХ. Чем интенсивнее охлаждается дуга, тем большая мощность от нее отводится. При этом должна возрасти мощность, выделяемая дугой. Поскольку при заданном токе это возможно за счет увеличения напряжения дуги, то ВАХ поднимается вверх, что широко используется в дугогасительных устройствах.

Вывод: ВАХ может быть поднят вверх в результате:

- увеличения длины дуги;

- повышение давления среды, в которой горит дуга;

- интенсивного охлаждения дуги.