Матаев У. М., Абдурахманов А. А. Ауэс, Байниязов Д. Т., Жакипова Ж. Н., Торы А.Қ. Кгу имени Коркыт Ата

Байниязов Д.Т., Жакипова Ж.Н., Торы А.Қ. КГУ имени Коркыт Ата

Анализ этих кривых показывает, если начать изучение с больших давлений или больших расстояний в межэлектродном пространстве, потенциал U_з уменьшается при снижении произведения рd, проходит через определенный минимум (это U_m) и далее резко начинает увеличиваться с последующим уменьшением давления или расстояния в межэлектродном пространстве. Кривые зависимости U_з от рd называются кривыми Пашена.

Рисунок 1 – Кривые Пашена для разных газов

Качественный анализ кривой показывает следующее. Допустим, что d постоянно и изменяется давление газа р. При изменении от больших к малым давлениям при одинаковом поле возрастает длина свободного пути электрона в газе, а следовательно, с одной стороны, на расстоянии отдельного свободного пробега электрон в среднем преодолевает большую разность потенциалов, и возможность ионизации при соударении возрастает, однако, с другой стороны, при меньшем давлении уменьшается количество соударений электрона с молекулами газа на расстоянии 1 см, прошедшем электроном в направлении от катода к аноду. При этом уменьшении давления воздействуют два фактора, из которых один увеличивает коэффициент α, другой его уменьшает. При изменений давлений от больших до давления, соответствующего U_m, преобладает первый фактор – возрастание энергии, которой электрон обладает при каждом соударении; при дальнейшем уменьшении возобладает второй фактор – уменьшение самого количества соударений.

Рассмотрим дальше вариант, когда давление р не меняется, а меняется d – межэлектродное расстояние. При снижении этого расстояния, во первых, возрастает напряженность электрического поля Е, потому что для плоских электродов Е = U/d. При этом возрастает коэффициент α. Во вторых, при снижении расстояния d сокращается пространство, имеющееся в наличии идущей от катода к аноду лавины при ее развитии. Благодаря чему и количество электронов, освобожденных из катода γ – процессами, с уменьшением d при остальных равных условиях сокращается.

Процесс образования дуги. Если в тлеющем разряде поднимать величину тока, снижая внешнее сопротивление, то при большой величине тока разность потенциалов на зажимах трубки начинает падать, разряд стремительно развивается и становится дугой с большой плотностью тока. Этот изменение происходит скачком и на деле часто ведет к короткому замыканию. При выборе внешнего контура удается получить переходную форму разряда и наблюдать при некоторых давлениях непрестанный переход тлеющего разряда в дугу. Вместе с падением напряжения в межэлектродном пространстве идет увеличение температуры [2].

Изучения переходных форм выявили существование своеобразного гистерезиса в этой области, т.е. одновременного существования дуги и тлеющего разряда при одинаковых условиях. Подтверждением являются кривые рисунка 2. В точке В осуществляется переход от тлеющего разряда в В к дуге в С; в точке D – перескок при обратном ходе от дуги в D к тлеющему разряду в А. При осуществлении перехода в дуговой разряд одновременно с понижением напряжения между электродами осуществляется постепенное снижение катодного падения напряжения.

Рисунок 2 – Петля гистерезиса при перескоке от тлеющего

разряда к дуговому и обратно

Использование традиционного способа зажигания дуги способом раздвигания электродов вызвано горением дуги при относительно малых напряжениях в десятки вольт, тогда как для зажигания тлеющего разряда нужно при низких давлениях газа напряжение величиной сотен вольт, а при атмосферном давлении величиной десятков киловольт. Процесс зажигания при перемещении (разрыве) электродов объясняется местным нагреванием электродов при разрыве цепи из - за образования между ними плохого контакта.

Проблема развития дуги при разрыве с технической стороны важна не только с точки зрения образования «полезных» дуг, но и с точки зрения избежания «вредных» дуг, например возникновения дуги при размыкании коммутирущих аппаратов: выключателей, рубильников. Пусть L – самоиндукция в контуре, W – его сопротивление, Е – э.д.с. источника тока, U(i) – функция дуговой характеристики. Тогда можно иметь:

Е = Ldi/dt + Wi + U(i),

это можно преобразовать:

Ldi/dt = (Е - Wi) - U(i) = Δ.

Разность (Е - Wi) есть ордината прямой сопротивления, а U(i) – ордината дуговой характеристики. Для того чтобы di/dt было меньше нуля, т.е. чтобы ток i постоянно снижался со временем и в межэлектродном пространстве выключателя не получалось стойкой дуги, необходимо, чтобы Δ 0, т.е. нужно чтобы во всех точках характеристики наблюдалось неравенство

U(i) Е – Wi.

Рисунок 3 – Характеристика дуги, расположенная выше

прямой сопротивления АВ

В варианте размыкания выключателем дуги переменного тока, погасающей при каждом переходе напряжения через нуль, важно, чтобы условия, возникающие в разрядном промежутке, при отключении не допускали нового загорания дуги при следующем увеличении напряжения источника тока. Для этого необходимо, чтобы при увеличении напряжения разрядный промежуток был в достаточной степени деионизирован. В выключателях силовых цепей переменных токов высокого напряжения деионизацию получают искусственно способом введения специальных электродов, отсасывающих заряженные ионы газа с помощью амбиполярной диффузии, а также использованием механического дутья, способом воздействия на разряд магнитным полем и т.д. [3].

Рисунок 4 – Осциллограмма напряжения и тока электрической дуги. Точки А, В, С…соответствуют точкам, обозначенным теми же буквами на рис. 5

Одновременное осциллографирование напряжения и тока дает кривые, показанные на рисунке 4. Полученная по этим кривым характеристика дуги за полный период имеет вид, показанный на рисунке 5.

Катод, не успевший еще остыть после разряда, случившегося в предыдущем периоде тока, с самого начала периода, при прохождении внешней э.д.с. через нуль, уже выделяет электроны. От точки О до точки А характеристика относится к несамостоятельному разряду, источником которого являются выделяемые (эмитируемые) катодом электроны. В точке А разряд из несамостоятельного переходит в самостоятельный. После точки загорания дуги А ток разряда резко возрастает. В присутствии сопротивления во внешней цепи напряжение в межэлектродном пространстве дуги падает, хотя при этом э.д.с. источника тока (пунктир на рис. 4), изменяясь по синусоиде, еще возрастает. С уменьшением тока и напряжения, получаемого от внешнего источника, ток разряда начинает уменьшаться.

Рисунок 5 – Динамическая характеристика электрической дуги

С уменьшением тока в дуге напряжение в межэлектродном пространстве может снова увеличиться в зависимости от внешнего сопротивления, однако часть ВС характеристики на рисунке 5 может стать и горизонтальной или иметь противоположный наклон. Далее, получается такой температурный режим, при котором самостоятельный разряд при соответствующей эмиссии с катода и данном напряжении в межэлектродном пространстве существовать больше не может. Этому режиму принадлежит точка С – точка погашения дуги. После точки С ток несамостоятельного разряда понижается до нуля вместе с понижением напряжения в межэлектродном пространстве. После перехода напряжения через нуль роль катода начинает играть прежний анод, и процесс повторяется при обратных знаках напряжения и тока. Увеличение тока разряда в начале полупериода идет медленнее, чем понижение тока в конце.

На конфигурацию динамической характеристики оказывают влияние все факторы, определяющие режим дуги: межэлектродное расстояние, величина сопротивления внешней цепи, величина самоиндукции внешней цепи, частота переменного напряжения, питающего дугу, и т.д.

С увеличением межэлектродного расстояния возрастает потенциал зажигания дуги, и динамическая характеристика полностью растягивается в вертикальном направлении. Такое же влияние оказывает возрастание сопротивления внешней цепи. Явление самоиндукции во внешней цепи замедляет изменения силы тока, что приводит к сглаживанию острых углов характеристики.
1 Габович М.Д. Образование дуги. ЖТФ, 2104. 1939.

2 Абрамсон И.С. Исследование активизированной дуги переменного тока. ЖТФ, 17, 43, 1947.

3 Прокофьев В.К. Некоторые детали горения дуги переменного тока. Известия АН СССР, сер. физ., 12, 392, 1948.
Аннотация

В статье рассмотрены отдельные явления электрического разряда в газах, рассматриваются кривые Пашена для различных газов. Для энергетиков вопрос о развитии дуги при коммутации технически важен при образовании дуги в момент размыкания выключателей, рубильников. Поэтому большая часть материала посвящена данному вопросу.

Мақалада газдардағы электр разрядының кейбір аспектілері қарастырылған, әртүрлі газдарға арналған Пашен қисықтары келтірілген.