Б) Область дугового столба

 

Энергия, приобретенная заряженными частицами в электрическом поле дугового столба, столь мала, что практически ионизация толчком не происходит.

При большой температуре, которая имеет место в области дугового столба, скорость частицы возрастает до значения, при котором удар в нейтральный атом приводит к его ионизации. Такая ионизация называется термической. Основным источником ионов и электронов в столбе дуги является термическая ионизация. Чем меньше масса частицы, тем больше ее скорость движения. Количество зарядов, появляющихся в результате термической ионизации, можно определить с помощью уравнения Саха:

 

p=315, 8 , (1.1)

Где x – степень ионизации, равная отношению числа ионизированных частиц к полному числу атомов в данном объеме; р – абсолютное давление газа, Па; Т- абсолютная температура газа, К; – потенциал ионизации, В.

Если Т = const, то, учитывая, что ,можно получить

x≈;

Таким образом, с ростом давления степень ионизации х уменьшается. В связи с этим во многих дугогасящих устройствах (ДУ) электрических аппаратов создается повышенное давление газа, что способствует гашению дуги. Очень сильное влияние на ионизацию оказывает температура. Для большого числа двухатомных газов из-за ступенчатой ионизации процесс образования ионов начинается при температурах 6* К. Пары металла ионизируются значительно легче. Заметная ионизация начинается уже при температурах 3000-4000 К. Поэтому в ДУ необходимы меры против попадания металлических паров электродов в столб дуги (уменьшение сечения плавких вставок предохранителей, перемещение дуги по электродам, уменьшающее температуру электродов, а следовательно, их испарение, и др.)

Поскольку степень ионизации определяется температурой, во всех ДУ стремятся отводить тепло от дуги за счет либо охлаждения движущимся воздухом или газом (воздушные, масляные выключатели), либо отдачи тепла стенкам дугогасительной камеры.

В дуговом столбе наряду с ионизацией протекают процессы деионизации за счет рекомбинации и диффузии.

Рекомбинация – это нейтрализация частиц за счет соединения ионов с зарядами различных знаков. В дуговом столбе рекомбинация электрона и положительно заряженного иона из-за большого различия в их массе маловероятна. Обычно рекомбинация происходит так, что сначала электрон отрицательно заряжает нейтральную частицу, после чего происходит рекомбинация положительного и образовавшегося отрицательного ионов. Очевидно, что чем больше зарядов в единице объема, тем сильнее будет рекомбинация. Уменьшение числа зарядов за счет рекомбинации можно найти (1.1) с помощью уравнения

 

 

, (1.2)

где – скорость уменьшения числа зарядов в результате рекомбинации; - коэффициент рекомбинации; n – число ионов одного знака – (в стационарном режиме число положительных и отрицательных ионов в столбе дуги одинаково).

Коэффициент рекомбинации зависит от рода газа, давления и температуры. При спадании температуры коэффициент рекомбинации сильно возрастает. Ориентировочно можно считать, что коэффициент рекомбинации обратно пропорционален абсолютной температуре в третьей степени.

Деионизация в столбе идет также за счет диффузии. Вследствие теплового движения частиц происходит выравнивание плотности заряженных частиц, число частиц в столбе дуги уменьшается, сопротивление дугового столба увеличивается.

Из теории диффузии газов известно, что скорость убывания числа частиц пропорциональна их количеству:

\dn/dt\ д = 2Dn/r ² (1.3)

где | dn/dt |д — скорость убывания частиц за счет диффузии; п - число заряженных частиц одного знака; r - радиус столба дуги; D= λv /3 - коэффициент диффузии; λ- длина свободного пробега иона; v - средняя скорость движения иона.

Анализ (1.3) показывает, что скорость убывания числа заряженных частиц резко возрастает с уменьшением r. По­этому в ДУ широко используется принцип узкой щели, образованной дугостойкими стенками с высокой теплопроводностью.

При этом столб дуги деформируется стенками ДУ, a его сечение приобретает прямоугольную форму. Суммируя результаты ионизационных процессов в дуге, можно записать

 

dn/dt = | dn/dt |_т — | dn/dt |_р — | dn/dt |_д (1.4)

где \dn/dt\ _т — скорость возникновения зарядов за счет термической ионизации.

Для стабильно горящей дуги, сопротивление которой неизменно при данном токе, dn/dt=0, т. е. скорость poста числа ионизированных частиц равна скорости их исчезновения. Устанавливается динамический баланс. В случае погасания дуги dn/dt<0. Зарядов, которые образуются при ионизации, меньше, чем исчезает при деионизации.

Очевидно, что при переходе к большему току вначале dn/dt>0. Затем устанавливается динамический баланс dn/dt=0, соответствующий этому значению тока.