Краткие теоретические сведения. Электродуговым разрядом называется явления прохождения тока через газ или вакуум, характеризующийся высокими плотностями тока в столбе разряда

 

Электродуговым разрядом называется явления прохождения тока через газ или вакуум, характеризующийся высокими плотностями тока в столбе разряда, высокой температурой газа в межэлектродной промежутке и невысокими приэлектродными падениями потенциала.

В электрической дуге постоянного тока различают три область: анодную, катодную и положительный столб дуги.

Рассмотрим краткие характеристики отдельных областей электрической дуги.

Положительный столб. Одной из характеристик протекающих в дуговом столбе физических процессов является напряженность электрического поля столба дуги Е, В/см. Величина напряженности электрического поля в дуге в зависимости от условий ее горения величины тока, материала электродов колеблется в очень широких пределах от единиц до сотен вольт на сантиметр. Протекающий через единицу площади сечения дугового столба ток распределяется следующим образом.

где n_e, n_i – плотность электронов и ионов в дуговом столбе соответственно, I/см^3;

е – заряд электрона, к;

μ_е, μ_i – подвижность электронов и ионов;

Е – напряженность электрического поля вдоль канала столба дуги, В/см.

Вследствие его, что подвижность электронов во много раз больше подвижности ионов, плотность тока в первом приближенно можно записать следующим образом:

В формуле произведение является одной из наиболее важных характеристик дугового столба и называется проводимостью плазмы.

С учетом изложенного, закона Ома в дифференциальной формуле для электрической дуги запишется в следующей форме:

.

 

I - катодная область дуги; II - положительный столб;

III - анодная область дуги.

Рисунок 3.1

 

Подводимая к дуговому столбу энергия рассеивается за отчет теплопроводности, конвекции, светового излучения.

Баланс энергии для столба дуги в дифференциальной форме представился в виде:

,

где λ – коэффициент теплопроводности;

ρ – плотность, кг/м³;

C_p – удельная теплоемкость;

V – скорость, М/сек;

Т – температура, К;

S(Т) – доля энергии, теряемая за счет излучения.

В уравнении первый член правой части характеризует долю энергии, отводимую от электродугового столба за счет теплопроводности, второй – конвекция, третий – излучения.

Из рассмотрения этого уравнения следует, что изменяя λ, ρ, С_р и другие факторы, можно воздействовать на параметры дуги j, Е и σ.

Уравнения закона Ома дугового столба не является линейным, поскольку в сильной мере зависит от целого ряда обстоятельств, в том числе и от плотности тока j.

Вследствие этого вольтамперная характеристика дуги E=f(J) является нелинейной и зависит от тех же факторов, что и Е.

Катодная область дуги. Для существования дуги весьма важными являются процессы, происходящие на катоде, и в прикатодной области. Катодное падение напряжения зависит от природы и состояния газа, а так же от материала электрода. Падения напряжения для различных материалов при атмосферном давлении и при условии, что окружающая среда воздух:

Fe – 12+17 В, Уголь – 9+11В при I_g =2+20А;

Al – 8+14,5 В Уголь – 6+8В при I_g=700+1200А.

Протяженность катодной области сравнима с несколькими длинами свободных пробегов ионов.

Анодная область дуги. Анодное падение напряжения возникает как следствие образования у анода отрицательного пространственного заряда за счет недостатка положительных ионов. Экспериментальные исследование анодного падения дают следующие данные: пространственная протяженность соизмерима с длиной свободного пробега электрона. Величина его для различных материалов:

Fe – 4+10В Уголь – 11+12В при I_g =2+20А;

Al – 10+11В Уголь – 2-4В при I_g =700+1200А.

Окружающая среда – воздух, давление – атмосферное.

3.1.1 Характеристики дуги постоянного тока

Электрическую дугу называют стационарной, если все характеризующее ее параметры в течение всего периода наблюдения остаются неизменными. В реальных условиях стационарную дугу наблюдать удается редко. Считают дугу стационарной, если, отклонение всех ее характерных параметров от своих средних значений находятся в достаточно узких пределах, в течение всего времени наблюдения.

Зависимость между двумя или несколькими параметрами, характеризующими дугу в стационарных режимах, называют статической характеристикой дуги. С точки зрения выбора электрооборудования для питания дуги и технологического применения дуги наиболее интересными являются следующие параметры: ток I_д, напряжения U_д, катодное и анодное падение потенциала U_а и U_к; напряжения и градиент столба дуги U_с, E_с; мощность дуги P_д, удельная мощность на единицу длины дуги dP_д/dl_д, длина дуги l_д.

Устанавливаемая связь между отмеченными выше параметрами, можно получать обширную группу статических характеристик. Наибольший интерес представляют зависимости напряжения и мощности от тока и длины дуги.

Зависимости напряжения и мощности от тока используется для подбора параметров источника электропитания и балластного сопротивления, при выборе рационального режима работы установки.

Зависимости напряжения и мощности от длины дуги используется для расчетов и конструирования механизмов перемещения электронов и автоматических регуляторов электрического режима.

Характеристики дуги являются сложными функциями очень многих параметров. Они зависят от физической природы материала электродов и газа заполняющего разрядный промежуток, силы тока, наличия и величины внешних электрических и магнитных полей закона теплообмена между дугой и внешней средой и многих других факторов.

 

 

 

АВ – автоматический выключатель; П – переключатель; РНО – регулятор напряжения однофазный; В – выпрямитель; С – емкость, оглаживающая пульсации выпрямленного напряжения; V_ист, V₁ – вольтметры, измеряющие напряжения источника питания; V_д, V₂ – вольтметры, измеряющие напряжение дуги; R_L – индуктивное сопротивление; А – амперметр; W – ваттметр; Д – диафрагма; Э – экран.

Рисунок 3.2

Поэтому зависимости, связывающие два или три параметра, справедливы лишь в узких пределах изменения этих величины.

3.1.2 Условия существования стационарной электрической дуги

Дуга постоянного тока, имеющая падающую вольтамперную характеристику, может гореть устойчиво только, если в цепь последовательно с ней добавочное сопротивление (см.рисунок 3.2). Тогда напряжение источника является суммой падения напряжения на этом сопротивлении и дуге:

.

Стационарная дуга описывается уравнением:

.

Прямая ( ) пересекает характеристику дуги в точках А и В (см.рисунок 3.3), которым соответствует токи I_A и I_a. Дуга может гореть устойчиво только при токе I_в. Точка А соответствует неустойчивому режиму дуги.

При увеличении тока (I>I_в) противо-э.д.с будет отрицательна и – тоже отрицательно, т.е. ток начнет уменьшаться до первоначального значения I_в. Если ток станет меньше, чем I_в, то положительна и ток вновь увеличится на значения I_в т.е. точка В соответствует устойчивому горению дуги.

В точке А случайному увеличению тока соответствует положительное значение противо-э.д.с. Следовательно, ток будет и дальше возрастать до значения I_в, при котором наступит устойчивое состояние. Если же ток станет меньше I_А, то противо-э.д.с. примет отрицательное значение и ток уменьшится до нуля – дуга погаснет.

Рисунок 3.3

Рисунок 3.4 – К определению устойчивости дуги постоянного тока

 

При изменении сопротивление R прямая будет вращаться вокруг точки С – при увеличении сопротивления по часовой стрелке и при уменьшении сопротивления против часовой стрелки. При этом точка В будет перемещаться влево или вправо на характеристику дуги. Следовательно, изменяя сопротивление R можно изменять и устойчивое значение тока дуги. Когда прямая будет касательной к вольтамперной характеристике дуги (точка В), произойдет гашение дуги (U_д0).

Если изменяется напряжение источника (рисунок 3.4), то прямая при неизменном R перемещается параллельно самой себе и можно изменять ток устойчивого горения дуги. Наконец, изменение длины дуги вызывает переход на другую ее характеристику, расположенную выше или ниже прежней. При этом ток дуги изменяется в значительных пределах и для восстановления его первоначального значения необходимо изменить либо напряжение источника, либо сопротивление.

3.1.2 Особенности дуги переменного тока

По сравнению с дугой постоянного тока дуга переменного тока имеет ряд особенностей. В частности ток дуги дважды за период проходит через нуль. При этом, если электрическая дуга питается от синусоидального источника напряжения, форма кривой тока искажается, и возможно появление пауз.

Для облегчения зажигания дуги необходимо существовать сдвиг фазы между током и напряжением в цепи дуги, чтобы изменение направления тока происходило при высоком действующем значении напряжения.

Общепринятым способом повышения стабильности дуги переменного тока является включение в цепь последовательно с дугой индуктивного сопротивления – катушек со стальным сердечником (дросселей). В этом случае между напряжением и током дуги создается сдвиг по фазе.

Угол сдвига фаз должен быть таким, чтобы в момент нарастания тока в новом полупериоде напряжение источника было достаточным для зажигания дуги.

Включение в цепь переменного тока дросселей используется также для регулирования тока изменением величины индуктивного сопротивления. Индуктивное сопротивление в цепи переменного тока:

 

 

Рисунок 3.5

 

где f – частота источника питания;

L – индуктивность катушки.

Следовательно, для создания падающей характеристики источника питания путем изменения X_L необходимо либо повышение частоты тока, либо введения индуктивности. Последняя является наиболее целесообразным.

Для однофазной цепи (см.рисунок 3.5) содержащей постоянные пассивные элементы: активное сопротивление R_k, индуктивность L_k, получающей электропитание от синусоидального источника напряжения при включении в цепь дуга с идеализированной характеристикой (т.е. величина напряжения дуги не зависит от величины тока; по направлению же напряжение совпадает током).

 

.

При отсутствии тока в цепи напряжение дуги равно нулю. Появление непрерывного или прерывного режима протекания тока и продолжительность паузы тока зависит от двух безразмерных параметров:

– относительное напряжение дуги;

– отношение индуктивности и активного R_k сопротивлений контура. Состояние параметров, определяющее непрерывный режим, можно получить из уравнения:

.

В случае если в цепь включено только индуктивное сопротивление (R_k=0)

.

Последовательность паузы тока можно вычислить, решив трансцендентное уравнение

,

^где .