ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ ОТКЛЮЧЕНИЯ

Электрическая дуга отключения в газовых ВВ представляет собой дуговой разряд между контактами ДУ ВВ.

Основные особенности дугового разряда в газе: ясно очерчена граница между дуговым столбом и окружающей средой; высокая плотность тока в дуговом столбе; высокая температура газа и преобладание термической ионизации газа; малое падение напряжения и высокая плотность тока на катоде. Рассмотрим некоторые характеристики дугового разряда.

Распределение электрического поля между контактами вдоль дугового разряда. Типичное распределение потенциала между контактами вдоль оси стабилизированной осесимметричной дуги показано на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Распределение потенциала U и напряженности электрического поля E вдоль дугового разряда между контактами

Из характера распределения следует, что можно выделить область ствола дуги, где наблюдаются относительно низкая напряженность поля и равномерное распределение падения потенциала, и околоэлектродные области. В околокатодной области малой протяженности падение потенциала примерно равно потенциалу ионизации газа или паров материала катода и обусловлено наличием некомпенсированного положительного объемного заряда с высокой напряженностью поля у поверхности катода. Анодная область дуги также имеет малую протяженность и высокое падение потенциала, обусловленное наличием на границе с областью ствола дуги нескомпенсированного отрицательного объемного заряда.

Уравнение полного падения потенциала на дуге можно представить в виде

U_д = U_к + U_а + U_с, (2.1)

где — падение напряжения на стволе дуги, которое может существенно изменяться с повышением интенсивности теплообмена; U_к, U_а — катодное и анодное падение потенциала на дуге.

В газовых и масляных (маломасляных) ДУ ВВ обычно пренебрегают U_к, U_а, и основное внимание уделяется падению напряжения на стволе дуги. Следует отметить, что реальная электрическая дуга отключения в газовых ВВ значительно отличается от классических представлений (рис. 2.7).

Рис. 2.8. Напряженность электрического поля вдоль оси сопла в системе продольного одностороннего дутья

На рис. 2.8 приведены экспериментальные данные по измерению напряженности электрического поля вдоль дуги отключения в системе продольного одностороннего дутья в различные моменты времени [1]:
а) сильноточная стадия горения дуги; б) дуга отключения за 5 мкс до нуля тока; в) дуга через 2 мкс после нуля тока.

Если в фазе большого тока напряженность в области вверх по потоку максимальна, то по мере приближения тока к области нуля (5 мкс до нуля) максимум напряженности смещается в область за горловиной сопла, и далее ее рост после нуля тока в этой области (2 мкс после нуля) определяет отключающую способность ДУ.

Вольт-амперные характеристики дуги отключения. Эта характеристика устанавливает связь между током и падением напряжения между контактами при неизменной длине дуги и неизменных условиях ее горения. В зависимости от условий горения дуги различают статические и динамические вольт-амперные характеристики (ВАХ).

Статическая вольт-амперная характеристика устанавливает связь между напряжением и током при неизменяющихся со временем условиях горения дуги. Причем при переменном токе статическая вольт-амперная характеристика устанавливает связь между действующими значениями напряжения и тока.

Статическую вольт-амперную характеристику равномерно охлаждаемой стационарной дуги в общем виде можно представить уравнением

, (2.2)

где m — показатель, зависящий от вида (способа) воздействия окружающей среды на ствол дуги; А_т — коэффициент, определяемый интенсивностью теплообмена в зоне ствола дуги при данном (m) способе воздействия окружающей среды; — длина дуги; U_э = U_к + U_а.

В общем случае суммарное приэлектродное падение U_э весьма слабо зависит от тока. Следовательно, ход статической характеристики дуги определяется характером зависимости напряженности поля в стволе от тока . На рис. 2.9 приведены статические вольт-амперные характеристики ствола дуги в потоке воздуха при поперечном потоке и скорости
u = 340 м/с и p = 0,5 МПа (кривая 1), и u = 100 м/с и p = 0,1 МПа (кривая 2).

Динамическая вольт-амперная характеристика представляет собой зависимость напряжения на дуге от тока, изменяющегося во времени, полученную при неизменной длине ствола и определенных условиях теплообмена между дугой и окружающей средой. Динамическая вольт-амперная характеристика дуги может служить показателем эффективности дугогашения, влияния нестационарных (газодинамических, термодинамических, тепломассообменных, электродинамических) процессов на дугу отключения в области нуля тока (см. раздел 2.3).

Рис. 2.9. Статические ВАХ ствола дуги

Характеристики ствола дуги. Область ствола электрической дуги (см. рис. 2.7) представляет собой газообразную, термически возбужденную ионизированную среду — плазму, в которой под действием внешнего электрического поля носители зарядов (электроны и ионы) движутся в направлении к контактам противоположного знака. Необходимая для термической ионизации газа высокая температура поддерживается за счет внешних источников энергии. Концентрация носителей зарядов n_s или степень ионизации α_i (отношение концентрации заряженных частиц к полной концентрации частиц) компонентов плазмы при заданных температуре и давлении характеризуют состав плазмы. Для газовой плазмы дугового разряда высокого давления характерна концентрация электронов

ne~ 10¹⁵- 10¹⁷см^-3, αi~ 10^-3- 10^-1.

Одним из специфических свойств совокупности большого количества заряженных частиц (плазме обычно присутствуют следующие типы частиц: молекулы, атомы, положительные и отрицательные ионы, свободные электроны) является их стремление распределиться таким образом, чтобы в каждом макроскопическом объеме плазмы соблюдалось условие квазинейтральности, т. е. равенство нулю суммы зарядов всех частиц.

Температура плазмы. В термически равновесной плазме все кинетические и химические равновесия между частицами, а также и другие характеристики плазмы — концентрация, средняя скорость, излучение, электрическая проводимость, энтальпия, теплопроводность и другие — являются функциями температуры, единой для всех плазменных частиц. Следовательно, равновесная плазма является одновременно и изотермичной
(T_i = Τ = const). Этот идеализированный случай состояния плазмы позволяет использовать известные термодинамические зависимости газовых сред для описания свойств плазмы.

Как и при описании явлений в газах, при рассмотрении плазмы применяются два вида расчетных моделей: модели, когда базовыми являются сведения о частицах (концентрации частиц) и функциях распределения их в газе (микромодели) или модели, когда используются сведения о свойствах плазмы (плотность, скорость, давление, температура) в каждой точке рассматриваемого пространства (макромодели).

Рис. 2.10. Зависимость состава элегаза от температуры при атмосферном давлении

Диссоциация и ионизация газа. Под влиянием высокой температуры состав газа изменяется, и при разложении молекулы газа создаются концентрации отдельных компонентов n_s. Характерная зависимость n_s(Т) для элегаза приведена на рис. 2.10.

В частности, при анализе состояния среды в ДУ ВЭ следует учитывать, что быстрая диссоциация элегаза начинается при температуре выше 1000 К с появлением новых частиц S, SF₂, SF₄, SF, S₂, F₂, а также атомарного фтора (около 1600 К — диссоциация SF₆ приводит к появлению F и SF₄, далее при Т ≈ 2100 K происходит диссоциация SF₄, при Т ≈ 2500 К имеет место диссоциация SF₂). Отсюда на кривой удельной теплоемкости при постоянном давлении c_р(Т) наблюдаются три пика (рис. 2.11) [3].

Рис. 2.11. Зависимость удельной теплоемкости элегаза от температуры при атмосферном давлении

При температуре элегаза » 2500 К термическая ионизация приводит к появлению свободных электронов, однако одновременно свободные электроны присоединяются к атомарному фтору с образованием отрицательных ионов фтора. При 3000 К продукты распада начинают обогащаться ионами S⁺, F⁺, F^-, S^-. Уже при 4000 К удельная электропроводность газа не равна нулю и интенсивно увеличивается при росте температуры. Ярко выраженный столб дугового разряда сохраняется и при относительно малых токах, а малый коэффициент теплопроводности при температурах выше 3000 К вызывает при этом повышенный температурный градиент в радиальном направлении.

Для азотной плазмы зависимость n_s (Т) представлена на рис. 2.12.

Пик теплопроводности для элегаза приходится на зону около 2100 К как результат диссоциации элегаза, приводящий к росту коэффициента теплопроводности среды (рис. 2.13, кривая 2). Пик теплопроводности для азота как результат диссоциации среды, смещен к температуре 7000 К (рис. 2.13, кривая 1).

Рис. 2.12. Зависимость состава азота от температуры при атмосферном давлении

Рис. 2.13. Зависимость теплопроводности для азота (кривая 1) и элегаза (кривая 2) от температуры

Зависимости λ(Т) представляют собой обобщенные характеристики теплопроводности от температуры: учитываются теплопроводность молекул λm, атомов λa, электронов λeи ионов λuи теплопроводность, обусловленную переносом энергии возбуждения λ_в, а также диссоциативную λ_д и ионизационную (амбиполярную) λ_и теплопроводности, связанные с переносом энергии диссоциации и ионизации.

Уравнение состояния. Уравнение состояния устанавливает связь между давлением в плазме, концентрацией частиц n_j и температурой T:

(2.3)

Для плазмы, состоящей из атомов, ионов и электронов, полное давление равно сумме их парциальных давлений

где p, pi, pe — парциальные давления соответственно атомов, ионов и электронов, k_Б =1,38 10^–23 Дж/К — постоянная Больцмана.

Излучение плазмы. Термически возбужденная плазма, благодаря высокой температуре, является источником лучистой энергии. Излучение плазмы порождается столкновениями того или иного вида между частицами, в результате которых световые кванты излучаются и поглощаются при переходе электронов в атомных системах (молекулы, атомы, ионы) из одного энергетического состояния в другое. Для простейшей атомной системы существуют три основных вида излучения: тормозное излучение, излучение рекомбинации и излучение возбужденных атомов и ионов.

Тормозное излучение происходит, когда свободный электрон при столкновении с атомом, т. е. при резком изменении направления и скорости движения, теряет часть своей энергии.

Излучение рекомбинации возникает, когда свободный электрон захватывается ионом. При этом освобождается энергия, равная сумме кинетической энергии свободного электрона и его энергии связи. Фотоны, излучаемые в процессе рекомбинации, образуют сплошной спектр, на который накладывается линейчатый спектр возбужденных атомов, образующихся при ступенчатых переходах.

Спектр излучения возбужденных атомов и ионов состоит из ряда линий, соответствующих различным состояниям возбужденных атомов и ионов.

Процессы ионизации и деионизации в области ствола дуги. В области ствола дуги одновременно протекают процессы образования электронов и положительных ионов и процессы их исчезновения. В простейшем случае для квазинейтральной плазмы, при отсутствии градиентов давления и действия объемных гравитационных сил, связь между этими процессами можно представить уравнением (пренебрегая ударной ионизацией и рекомбинацией)

, (2.4)

где — скорость увеличения концентрации электронов и ионов за счет термической ионизации, 1/(м³·с); — скорость уменьшения электронно-ионных пар за счет амбиполярной диффузии, 1/(м³·c). В плазме диффузия электронов и диффузия ионов между собой электростатически связаны, поэтому процесс диффузии приобретает амбиполярный характер.

Из уравнения (2.4) следует, что квазистационарное состояние ( 0) характеризуется равенством . В случае преобладания диффузионной составляющей, т. е. при возникает процесс деионизации или распад плазмы ствола, определяющий условия гашения дуги. Такое состояние наступает при отрицательном энергетическом небалансе, когда отводимая при охлаждении ствола мощность становится больше мощности, вводимой в дугу от внешних источников, что обычно приводит к снижению температуры плазмы, следовательно, и к уменьшению степени термической ионизации. В процессе распада плазмы существенную роль играет потеря электронов, обусловленная явлением прилипания электрона к атомам газа, что характерно для электроотрицательных газов (в частности, для элегаза).

Поток энтальпии. При качественном анализе предельной отключающей способности различных конструкций ДУ с продольным потоком дугогасящей среды удобно использовать совокупность термодинамических параметров: критический поток энтальпии F_кр = (r_кр h_кр u_кр)/р_кр, где r_кр — плотность, h_кр — энтальпия, u_кр — скорость, р_кр — давление плазмы в горловине сопла (в критическом сечении сопла). На рис. 2.14 приведены зависимости потока энтальпии F_кр.(Т) для воздушной (кривая 1) и элегазовой (кривая 2) плазмы при р = 1 МПа. Характерно, что для элегазовой плазмы в широком диапазоне температур (Т » 3000-15000 К) критический поток энтальпии F_кр ~ 162 кВт/(атм×см²). Поэтому при качественных (сравнительных) исследованиях элегазовых ДУ F_кр удобно использовать как нормирующий множитель.

Рис. 2.14. Поток критической энтальпии для воздушной (кривая 1) и элегазовой (кривая 2) плазмы от температуры

Согласно первому закону термодинамики, для потока плазмы (в изобарном приближении) можно записать dQ = d(mh), где m — масса плазмы. Принимая подвод энергии U_Д I_Д dt = dQ и d(mh) = h dt = h r S udt, для критического сечения потока можно записать U_Д I_Д dt = S_кр h_кр u_кр r_кр dt, где S_кр — критическое сечение дуги отключения. Разделим правую и левую части уравнения на р_кр и, сокращая dt, получим F_кр = U_ДI_Д /(S_кр р_кр).

При температуре Т < 8000 К коэффициент F_кр для элегазовой плазмы выше, чем для воздушной (см. рис. 2.14). Следовательно, при подходе тока к нулю в элегазовых ДУ продольного дутья эффективность дугогашения выше (выше удельная отводимая мощность через единицу сечения потока, отнесенная к давлению в критическом сечении сопла), меньше диаметр дуги отключения в области нуля тока, и, соответственно, мала постоянная времени дуги отключения в нуле тока. Благодаря электроотрицательным свойствам элегаза, интенсивность которых возрастает по мере охлаждения дуги отключения, а также высокому уровню турбулентного переноса, отключающая способность элегазовых ДУ значительно выше воздушных ДУ в тепловой фазе пробоя.

Уравнение баланса энергии для ствола дуги. Характеристики ствола дуги могут быть проанализированы на основе фундаментальных уравнений сохранения механики сплошных сред. В данном случае уравнения сохранения (в дифференциальной или интегральной форме) энергии, импульса (количества движения) и массы (см. Приложение 5), могут быть использованы и при описании характеристик плазмы (при соответствующих допущениях согласно природе плазменных явлений).

В частности, рассмотрим уравнение конвективного теплообмена с учетом теплопроводности, подвода тепла от электрической дуги отключения, применительно к цилиндрическому каналу дуги по оси x. Тогда уравнение (П5.10) имеет вид

, (2.5)

где h = с_pT, с_p, ρ, σ₃, λ — удельная теплоемкость при постоянном давлении, плотность, удельная электропроводность и коэффициент теплопроводности дуги; r — переменный радиус дуги.

Если в первом приближении принять параболическое изменение температуры по радиусу дуги , где T₀ — температура по оси канала; r₀ — внешний радиус дуги, то уравнение (2.5) можно записать в виде

. (2.6)

Уравнение (2.6) широко используются при анализе различных характеристик ствола дуги с учетом доминирующих факторов при переходном процессе. Рассмотрим некоторые модели электрической дуги.