Основные принципы гашения электрической дуги отключения высокого напряжения

При выполнении ВВ операции «отключение» в дугогасительном устройстве (ДУ) между контактами возникает электрическая дуга. Повышение эффективности дугогашения непосредственно зависит как от параметров ВВ (быстродействие, конструкция, привод, контактные материалы и сопловые элементы ДУ и т.д.), так и энергосистемы (параметры сети, режимы, КЗ и т.д.).

Наибольшее влияние на параметры электрической дуги отключения оказывают конструкция ДУ, условия на границе плазма — дугогасящая среда, изменение диаметра дуги отключения с изменением тока отключения, взаимодействие в области нуля тока остаточного следа плазмы с дугогасящей средой и ПВН. Конструкция и материал контактов влияют на состав плазмы и ее электропроводимость в области нуля тока.

Электрическая дуга отключения деформируется под действием собственных и внешних электромагнитных сил, турбулентного перемешивания с путным потоком газа и имеет длину, превышающую межконтактный промежуток ДУ.

В высоковольтных коммутационных аппаратах применяются ДУ с открытым разрывом, ДУ с металлическими пластинами, ДУ продольного газового дутья, масляные (маломасляные) и вакуумные ДУ.

 

Для конструкций высоковольтных ДУ с открытым разрывом [6] на
U_н = 10 кВ, 35 кВ, 110 кВ на рис. 2.1 приведены экспериментальные данные исследований зависимости наибольшего «вылета» дуги отключения l _M от тока отключения I. Отсюда следует, что даже при малых токах 10-20 А длина дуги значительна (от 1 м до 4-10 м), время ее горения превышает 0,1 сек, что может привести к аварийной ситуации в пространстве ОРУ или ЗРУ (см. рис. 2.1).

 

Рис. 2.1. Зависимости «вылета» дуги отключения от тока отключения
для открытого разрыва

 

Поэтому основными задачами совершенствования ДУ высоковольтных выключателей являются: повышение отключающей способности, ресурса (механического и коммутационного), надежности, при уменьшении габаритов и веса ВВ, времени отключения, с учетом современных требований по экологии и безопасности.

Рассмотрим некоторые ДУ выключателей переменного тока высокого напряжения.

 

ДУ с продольным газовым дутьем. В современных газовых ВВ (элегазовые и воздушные ВВ) используется система продольного одностороннего газового дутья (рис. 2.2), где дуговой разряд 1 (электрическая дуга отключения) между контактами 3 – 4 взаимодействует через сопло 2 с продольным потоком дугогасящего газа, обеспеченного перепадом давлений р/р_b, где р — давление газа вверх по потоку; р_b — давление газа вниз по потоку (в камере выключателя), или система двустороннего дутья (потоки газа направлены в противоположные стороны).

 

Рис. 2.2. Система продольного
одностороннего газового дутья

 

Повышение эффективности дугогашения в ДУ непосредственно зависит как от параметров ВВ (быстродействие, конструкция, привод, контактные материалы и сопловые элементы ДУ и т. д.), так и энергосистемы (параметры сети, режимы, КЗ и т. д.) (рис. 2.3).

 

 

Рис. 2.3. Система «дуга отключения сеть – привод выключателя –
сопловые конструкции ДУ – газовый поток» – для элегазовых ВВ

 

Оптимальное взаимодействие компонентов и элементов этой системы между собой и определяет эффективность работы ВВ.

ДУ с автогенерацией. Применение эффекта автогенерации в газовых ДУ (рис. 2.4, а), когда в дугогасительной камере К под действием излучения и высокой температуры дугового разряда 1 между контактами 3 – 4, изоляционные стенки 2 камеры К выделяют газ, позволяет увеличить давление газа в камере К не только благодаря высокой температуре, но и дополнительному массовому расходу от газогенерирующих стенок этой камеры.

Рис. 2.4. Система газовых ДУ с автогенерацией (а)
и с электромагнитным дутьем (б)

В газовых ДУ с электромагнитным дутьем (рис. 2.4, б) взаимодействие дуги отключения 1 с магнитным полем катушки S вызывает интенсивное движение дуги по контактам 3 – 4 и повышение уровня взаимодействия дуги отключения с газом в камере К. Обычно в данных ДУ дуга отключения 1 перебрасывается на дополнительный дугогасительный контакт 2 (в виде разрезанного кольца R). Вращательное движение дуги отключения вызывает интенсивную турбулизацию и нагрев газа в камере К.

Масляные и маломасляные ДУ. Горение и гашение дуги отключения осуществляется в парогазовой смеси генерируемой самой электрической дугой отключения: за счет испарения и разложения масла под ее воздействием (этап «парогазовый пузырь»). Эффективность дугогашения повышается, если гашение дуги осуществляется в результате ее охлаждения в потоке парогазовой смеси через сопловые конструкции масляных и маломасляных ДУ (этап «газовое дутье»).

При оценке термодинамического состояния этой дугогасящей среды исходят из средних значений температуры и усредненного химического состава, который принимается следующим: водород H ₂ (47-66 % от объема), ацетилен C ₂ H ₄ (14-27 %), метан C ₂ H ₂ (9-15 %), этилена C ₂ H ₆ (10-15 %), углекислый газ CO ₂ (3-2,6 %). Отсюда следует, что в составе парогазовой смеси значительную долю составляет водород, обладающий по сравнению с воздухом высокой теплопроводностью, но меньшей электрической прочностью.

 

Рис. 2.5. Схема маломасляного ДУ с продольным автодутьем

Следует отметить, что на этапе («парогазовый пузырь») в масляных и маломасляных ВВ эффективно используется эффект автогенерации.

На рис. 2.5 представлен ДУ с продольным автодутьем. При размыкании контактов 1 и 4 возникает электрическая дуга 5. На первом этапе горение и гашение дуги в ДУ осуществляется в парогазовом пузыре 2 (этап «парогазовый пузырь») в результате разложения масла под воздействием электрической дуги отключения (сопло 3 закрыто подвижным контактом 4). Высокое давление парогазовой смеси в пузыре 2 пропорционально мощности электрической дуги отключения и массовому расходу газогенерирующих изоляционных стенок 6 ДУ. Отключение предельных мощностей таких ДУ осуществляется на втором этапе «газовое дутье», который следует после открытия сопла 3. Наибольшая эффективность дутья при гашении дуги на втором этапе «газовое дутье» получена в конструкциях таких ДУ, где пузырь 2 соединяется с газовым объемом над маслом в баке (камере) ДУ с системой встречно-поперечного дутья.

Данные ДУ относятся одной из разновидностей жидкостных ДУ, поэтому дальнейшее развитие жидкостных ДУ будет связано с успехами в разработке изоляционных жидких сред с высокими диэлектрическими и дугогасящими свойствами.

Вакуумные ДУ. Гашение электрической дуги в вакуумных ВВ происходит в вакууме (1,10^-4 – 1,10^-5 Па), обладающем высокой электрической прочностью. Для дуги в вакууме характерны низкое падение напряжения, большая плотность тока в области катодного падения напряжения, высокая концентрация плазмы в прикатодной области [9].

При размыкании контактов и образовании вакуумной дуги источником поставки частиц в межконтактный промежуток является катод. Поэтому своеобразие дугового разряда обусловлено процессами на катоде и в области катодных пятен катода [9].

Вакуумная дугогасительная камера состоит из следующих основных элементов (рис. 2.6): изоляционного корпуса 5, токоведущих стержней 1, 6 с коммутирующими контактами 4, системы металлических экранов 3, сильфона 2. Система экранов обеспечивает защиту внутренней поверхности изоляционного корпуса от попадания испарившихся частиц материала контактов, выравнивание распределения напряженности поля внутри камеры. Сильфон 2 применяется для перемещения подвижного контакта без нарушения герметичности камеры.

       

Рис. 2.6. Вакуумная дугогасительная камера

Рис. 2.7. Зависимости разрядных напряжений от длины межконтактного промежутка для различных изоляционных сред

 

Электрическая прочность межконтактного промежутка l _к в вакууме превышает разрядные характеристики других сред в однородном поле (см. рис. 2.7, где кривые 1 — вакуум, 2 — масло, 3 — элегаз, 4 — воздух); при длине промежутка l _к = 10 мм разрядное напряжение превышает 200 кВ.

2.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
ДУГИ ОТКЛЮЧЕНИЯ

Электрическая дуга отключения в газовых ВВ представляет собой дуговой разряд между контактами 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. 2.8.

Рис. 2.8. 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.

Действительно, только на первых мм межконтактного промежутка таких ВВ распределение потенциала U и напряженности электрического поля E вдоль дугового разряда подобно кривым на рис. 2.8.

На рис. 2.9 приведены экспериментальные данные по измерению напряженности электрического поля вдоль дуги отключения в ДУ с продольным односторонним дутьем (диаметр сопла 12 мм, перепад давления 2,3 МПа/0,1МПа, азот) в различные моменты времени [7]:

а) сильноточная стадия горения дуги (ток 2000А);

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.

 

 

Рис. 2.9. Напряженность электрического поля вдоль дуги отключения в ДУ
с односторонним дутьем

Вольт-амперные характеристики дуги отключения. 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. 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.

Ход статической характеристики дуги определяется характером зависимости напряженности поля в стволе от тока . На рис. 2.10 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).

 

 

Рис. 2.10. Статические вольт-амперные
 характеристики ствола дуги

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 (рис. 2.11). Динамическая вольт-амперная характеристика дуги может служить показателем эффективности дугогашения, влияния нестационарных (газодинамических, термодинамических, тепломассообменных, электродинамических) процессов на дугу отключения в области нуля тока (действительно, чем выше пики гашения U _Г  и зажигания U _З, тем эффективнее дугогашение в ДУ).

Рис. 2.11. Динамические вольт-амперные
 характеристики дуги

 

Электрическая дуга отключения постоянного тока. Динамическая вольт-амперная характеристика дуги отключения переменного тока в интервале времени большого тока (между пиками напряжения гашения и напряжения зажигания) аналогична статической вольт-амперной характеристике дуги постоянного тока (см. рис.2.10). Рассмотрим некоторые особенности горения и гашения электрической дуги постоянного тока, так как анализ процесса «срез тока» в ВВ переменного тока, а также эффект от шунтирования резистором межконтактного промежутка в ВВ переменного тока (для повышения отключающей способности ВВ), можно проводить, используя аналогию с характеристиками дуги постоянного тока при ее гашении.

На рис. 2.12 показаны характеристики тока и напряжения на промежутке при возникновении дуги на контактах в цепи постоянного тока. В момент А контакты разомкнулись (  — напряжение на контактах до t = A). По мере разведения контактов напряжение на дуге  растет, и возникают предпосылки образования изоляционного промежутка (1 стадия). На стадии 2 контакты разведены на достаточное расстояние, и дуга погасла, а напряжение на промежутке соответствует напряжению сети .

 

Рис. 2.12. Переходные процессы при отключении КЗ
 в сети постоянного тока

 

Для цепи (рис. 2.13, а), содержащей сопротивление R, индуктивность L и межконтактный промежуток с дугой отключения (напряжение на дуге U _д), к которой приложено напряжение источника тока U ₀, справедливо уравнение:

                                         (2.3)

где  — падение напряжения на индуктивности при изменении тока.

При устойчиво горящей дуге  и

Для погасания дуги необходимо, чтобы ток в ней все время уменьшался (), и, следовательно,

 

                                              (2.4)

 

При этом неравенство (2.4) должно иметь место при всех значениях тока в пределах от  до нуля.

Следовательно, гашение дуги постоянного тока происходит в тех случаях, когда источник не способен при определенных условиях поддержать горение дуги постоянного тока [6,9].

    

 

Рис. 2.13. Сеть постоянного тока с дугой отключения (а)
и определение их взаимодействия (б)

 

Графическое решение уравнения (2.3) приведено на рис. 2.13, б. Прямая 1 представляет собой напряжение источника U ₀,прямая 2 — падение напряжения в омическом сопротивлении (реостатная характеристика цепи), отсчитываемое от U ₀, кривая 3 — вольтамперная характеристика дугового промежутка U _д. Заключенные между кривыми отрезки представляют соответственно: между кривыми 1 и 2 (iR); между 2 и 3 ;между 3 и осью абсцисс (U_Д). В точках А и В выполняется условие

 

; .

 

В этих точках имеет место равновесное состояние. Однако в точке А это равновесие неустойчивое: при токах I < I_а напряжение ,а   имеет отрицательное значение. Если ток станет меньше I_а, то он уменьшится до нуля, и дуга погаснет.

Если ток станет несколько больше I_а, то окажется , что приведет к возрастанию тока до значения I_в. При любом значении I_а < i < I_в ток в дуге будет возрастать до значения I_в. Между точками А и В параметр  является величиной положительной, и рост тока в цепи сопровождается накоплением электромагнитной энергии.

Для точки В горение дуги постоянного тока устойчивое: при токе
i > I_в имеется ,а  — величина отрицательная, т. е. для поддержания такой величины тока напряжение U ₀недостаточно. Ток в цепи будет падать до значения I_в. Дуга в этой точке будет гореть устойчиво.

Для погасания дуги необходимо, чтобы при любом значении тока соблюдалось условие (2.4).

 

Энергия электрической дуги. Энергия дуги W _д, выделяемая в дуге за время t _г при ее горении,

 

 

где  — электромагнитная энергия, запасенная в индуктивности отключаемой цепи,  — энергия, поступающая от источника (генератора) в дугу за время ее горения;  — начальное значение тока.

Представим изменение тока в дуге при отключении следующим эмпирическим уравнением:

 

                                          (2.5)

 

где t — текущее время; n — эмпирический коэффициент.

Для ДУ с щелевыми или металлическими камерами, а также при значительных индуктивностях п > 1 (порядка 2-4). Для ДУ с открытыми разрывами и при активной нагрузке  [10].

Подставив (2.5) в выражение для W _с, получим:

 

,

 

где ;  — постоянная времени отключаемой цепи.

Энергия, поступающая в дугу от генератора, пропорциональна времени горения и зависит от коэффициента k, характеризующего ДУ.

Таким образом, энергия, выделяющаяся в дуге постоянного тока,

.

Максимальное количество энергии выделится в дуге при изменении тока по закону, близкому к линейному (при ).

Для напряжения дуги имеем

.

Перенапряжения в конце процесса гашения дуги постоянного тока (при
i = 0) можно определить так:

.

Знак «+» перед параметром Ldi/dt обусловлен отрицательным значением производной di/dt при снижении тока. Если ток в процессе гашения дуги изменяется во времени  i _д =I ₀ [1 – (t/t_r) ⁿ ], то уровень перенапряжений

.

Здесь U ₀— напряжение источника, В; I ₀ — начальное значение отключаемого тока, А; L — индуктивность цепи, Гн; t _г  — время горения дуги, с.

Влияние шунтирующего сопротивления на процессы в ДУ переменного тока. Рассмотрим ДУ переменного тока с двумя разрывами на полюс, из которых один зашунтирован омическим сопротивлением r (рис. 2.14), где L — индуктивность элементов подстанции;  — их омическое сопротивление; С — приведенная емкость; R — волновое сопротивление линии (или эквивалентное сопротивление нескольких присоединенных к шинам линий); I и II — разрывы полюса ДУ [8].

 

 

Рис. 2.14. Схема двухразрывного ДУ с шунтирующим сопротивлением

При отключении сначала размыкается контакт I (рис. 2.14)и происходит гашение возникающей при этом дуги; после этого ток полностью протекает через сопротивление r, которое уменьшает ток, в связи, с чем окончательное отключение тока в разрыве II (рис. 2.14)осуществляется уже в более легких условиях, чем в ДУ без шунтирующего сопротивления.

В ДУ переменного тока по мере уменьшения тока и его подхода к нулевому значению напряжение на дуге U _Д на разрыве I значительно возрастает в соответствии с ее динамической характеристикой. Из схемы, приведенной на рис. 2.14,следует, что это же напряжение приложено и к шунтирующему сопротивлению, по которому, в связи с этим, протекает все увеличивающийся ток i _r, а ток дуги отключения соответственно уменьшается.

Качественно характер описываемого явления можно проанализировать по рис. 2.15, а, где кривая 1 представляет собой статическую вольт-амперную характеристику дуги (рассматривается фаза большого тока динамической характеристики дуги отключения), а прямая 2 (OCD) — падение напряжения на сопротивлении, шунтирующем разрыв I  ДУ (рис. 2.15, а). В частности, при напряжении на дуге и на шунтирующем сопротивлении , через дугу должен протекать ток , а через шунтирующее сопротивление — ток i'_r. Полный ток цепи (если пренебречь током через емкость ) будет, следовательно, выражаться величиной .

 

Рис. 2.15. Характеристики дуги отключения в ДУ
с шунтируюшим сопротивлением перед нулем тока

 

По мере увеличения напряжений на дуге получим зависимость между напряжением на дуге и полным током цепи (рис. 2.15, а, кривая 3, АВD). Однако, из хода кривой 3 следует, что в точке В при токе i_{к r} дуга гаснет, и весь ток контура начинает протекать через шунтирующее сопротивление. Увеличение полного тока (выше точки В) невозможно, так как напряжение на дуге недостаточно для поддержания тока. Напряжение на дуге и на зажимах выключателя уменьшается теперь согласно отрезку СО прямой 2.

На рис. 2.15, б представлены характеристики токов i_д, i_r и i во времени. Полный тока i в области нуля тока не изменяется линейно, так как в момент  ток в дуге уменьшается до нуля (или до значения, близкого к нулю) по кривой, близкой к изображенной вертикальной прямой, в то время как ток через шунтирующее сопротивление возрастает до значения i_{к r} = ЕС.

Следовательно, в течение промежутка времени  энергия, выделяющаяся на дуговом промежутке, будет при наличии шунтирующего сопротивления заметно меньшей, чем при его отсутствии. Поэтому сопротивление межконтактного промежутка I соответственно увеличится, что обеспечивает повышение отключающей способности ДУ.

Характеристики ствола дуги. Область ствола электрической дуги (см. рис. 2.8) 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- 10¹⁷ см^-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).

 

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. 2.16.

 

 

Рис. 2.16. Зависимость состава элегаза от температуры при
атмосферном давлении

 

В частности, при анализе состояния среды в элегазовом ВВ следует учитывать, что быстрая диссоциация элегаза начинается при температуре выше 1000 ^оК с появлением новых частиц S, SF₂, SF₄, SF, S₂, F₂, а также атомарного фтора (около 1600 ^оК — диссоциация SF₆ приводит к появлению F и SF₄, далее при Т ≈ 2100 ^оK происходит диссоциация SF₄, при Т ≈ 2500 ^оК имеет место диссоциация SF₂). Отсюда на кривой удельной теплоемкости при постоянном давлении c _р(Т) наблюдаются три пика (рис. 2.17) [4].

 

Рис. 2.17. Зависимость удельной теплоемкости элегаза от температуры
при атмосферном давлении

 

При температуре элегаза» 2500 ^оК термическая ионизация приводит к появлению свободных электронов, однако одновременно свободные электроны присоединяются к атомарному фтору с образованием отрицательных ионов фтора. При 3000 ^оК продукты распада начинают обогащаться ионами S⁺, F⁺, F^-, S^-. Уже при 4000 ^оК 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 ^оК вызывает при этом повышенный температурный градиент в радиальном направлении.

Для азотной плазмы зависимость n _s (Т) представлена на рис. 2.18.

Рис. 2.18. Зависимость состава азота от температуры
при атмосферном давлении

 

Пик теплопроводности для элегаза приходится на зону около 2100 ^оК как результат диссоциации элегаза, приводящий к росту коэффициента теплопроводности среды (рис. 2.19, кривая 2). Пик теплопроводности для азота как результат диссоциации среды, смещен к температуре 7000 ^оК (рис. 2.19, кривая 1).

Рис. 2.19. 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 λe  и ионов λu  и 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:

 

                              (2.6)

 

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.

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)

 

,                               (2.7)

 

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 (2.7) 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. 2.20 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 ^оК) критический поток энтальпии F _кр ~ 162 кВт/(атм×см²). Поэтому при качественных (сравнительных) исследованиях элегазовых ДУ F _кр удобно использовать как нормирующий множитель.

 

Рис. 2.20. 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 _Д I _Д /(S _кр р _кр).

При температуре Т < 8000 ^оК коэффициент F _кр для элегазовой плазмы выше, чем для воздушной (см. рис. 2.20). 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 (коли