Коммутационными электрическими разрядами

К настоящему времени достаточно хорошо разработана теория воспламенения газовой смеси от высокотемпературного точечного источника тепла: газовая смесь воспла­менится втом случае, если этот источник тепла в состоянии нагреть до температуры воспламенения вполне определенный объем газа.

Для нагрева такого объема газа до необходимой температуры требуется определенное количество энергии, которое называют минимальной энергией воспламенения. Величина этой энергии определялась экспериментально многими исследователями и для водородо-воздушной и метано-воздушной среды соответственно принята равной 0,019 и 0,28 мДж.

Условия зажигания газовой смеси искровым или дуговым раз­рядом зависят от многочисленных факторов, из которых главней­шими являются:

1) энергия зажигания и определяющие ее пара­метры электрической цепи (напряжение, ток, вид цепи — активная индуктивная, емкостная);

2) размер, материал и форма контак­тов, между которыми возникает разряд;

3) расстояние между кон­тактами и скорость их размыкания и др.

При повышении напряжения величина тока, способного воспла­менить газовую смесь, при прочих равных условиях уменьшается. Так, например, если при напряжении 25 В потребный для воспла­менения метано-воздушной смеси минимальный ток составлял 1,18 А, то при напряжении 140 В в тех же условиях для воспламе­нения достаточен ток 0,12 А.

Повышение частоты тока при постоянной величине индуктив­ности благоприятно влияет на уменьшение воспламеняющей спо­собности тока при частотах от 4 до 200 кГц. При дальнейшем по­вышении частоты воспламеняющая способность тока снова увели­чивается, достигая уровня постоянного тока, и при высоких ча­стотах может увеличиваться и быть выше, чем у постоянного тока [2].

Большое влияние на воспламеняющую способность электриче­ской искры оказывает величина индуктивности цепи. С увеличе­нием индуктивности цепи величина воспламеняющего тока заметно уменьшается, что объясняется увеличением энергии, рассеиваемой в искре за счет запасенной в индуктивности энергии магнитного поля.

Опытами установлено, что величина воспламеняющего тока тем меньше, чем ниже температура плавления металла контактов, чем меньше площадь контакта в момент размыкания и чем больше, до определенной величины, скорость размыкания.

Увеличение скорости движения контактов при размыкании цепи приводит к уменьшению энергии, необходимой для воспла­менения газовой среды, так как быстрее увеличивается расстояние между контактами. Кроме того, с увеличением скорости размыкания цепи увеличивается э. д. с. самоиндукции что облегчает условия воспламенения.

Напряженность поля, обеспе­чивающая возникновение разряда между контактами, составляет величину порядка 10⁷—10⁸ В/м.

В случае возникновения разряда его длительность определя­ется временем существования напряженности поля, при которой энергия, выделяемая в разряде, поддерживает необходимую сте­пень ионизации газа в электрическом разряде.

В электрическом разряде может иметь место как ударная, так и тепловая ионизация молекул газа. В [1,3] приведена зависимость напряжения на контактах от времени, характера ионизационных процессов, напряжения зажигания разряда, тока разряда, ско­рости движения контактов, обеспечивающего в межконтактном промежутке напряженность поля, достаточную для ионизации мо­лекул газа и сохранения устойчивого электрического разряда,

(1.1)

где U _р — напряжение на разряде, В; U₀ — напряжение зажига­ния разряда, В; а и b — соответственно коэффициенты, характе­ризующие степень ударной (В/м) п тепловой (Вт/м) ионизации; v — скорость движения контактов; I_р — ток разряда.

а)

Е=20 В, I=0,08 A. Масштабы: m_t =0.5 мкс /дел., m_u =5,6 В/ дел.

 

б)

E=50 B, I=0,29 A. Масштабы: m_t =10мкс/дел., m_I =0,115 A/дел., m_u=12,5 B/дел.

 

в)

Е=200 В, I=0,09A. Масштабы: m_t =25 мкс/дел., m_I =0,03 А/дел., m_u =65 В/дел.

Рис. 1.1. Осциллограммы напряжений и токов разрядов размыкания безиндуктивной (омической) цепи постоянного тока. Верхняя линия-ток, нижняя-напряжение (б), (в).

 

На рис. 1.1. представлены осциллограммы токов и напряжений некоторых разрядов, возникающих при размыкании цепей с питающими напряжениями до 200 В включительно.

Так как разряд в начальной стадии в основном обусловлен тепловыми процессами, то при низких напряжениях он прекращает свое существование через 1.5-2 мкс. Осциллограмма на рис. 1.1, а) типична для разрядов размыкания омических цепей низкого напряжения (Е=20 В, коммутируемый ток 80 мА). Разряд существует всего 2 мкс только за счет тепловой ионизации молекул газа в начале размыкания (после взрыва мостика). Начальное напряжение на разряде U₀ составляет примерно 11,5 В. На рис. 1.1, б) представлена осциллограмма тока и напряжения на разряде с параметрами Е=50 В, I=290 mA. Длительность разряда составляет 66 мА. В начальной стадии ток резко падает до 233 мА, а затем убывает почти по линейному закону до 133мА при 48 мкс и в последующем нелинейно уменьшается до 0.

Аналогично возникает и развивается разряд, показанный на рис. 1.1, в). Осциллограмма описывает размыкание цепи с параметрами Е=200 В, I=90 mA. Пробои на таких разрядах отсутствуют, и с увеличеним напряженя длительность разрядов увеличивается, причем более резкое возрастание наблюдается в диапазоне напряжений до 50 В. Длительность разряда составляет 125 мкс. В то же время при осциллографировании цепи с напряжением 100 в и током 180 мА длительность разряда составляла в отдельных случаях 100-110 мкс. В диапазоне напряжений от 100 до 200 В длительности разрядов при при одинаковой мощности примерно равны, и поэтому искробезопасная мощность уменьшается незначительно (кривые 1, 2 на рис. 3.1).

Сравнительно небольшое влияние напряжения на длительность разряда в указанном диапазоне можно объяснить тем, что уменьшение тока приводит к значительному уменьшению влияния тепловой ионизации, а величина напряжения при реальных скоростях искрообразующего механизма еще не обеспечивает в достаточной степени ударную ионизацию. С увеличением напряжения степень ударной ионизации возрастает, и длительность разрядов увеличивается.

Так как цепь с определенными параметрами может обеспечить на контактах (разряде) конечное максимальное напряжение Uр, то, как следует из (1.1), увеличение тока разряда приводит к уве­личению длительности разряда, а увеличение скорости движения контактов — к уменьшению длительности разряда, а следова­тельно, и выделяемой в разряде энергии. При определенной ско­рости эта энергия может быть даже меньше минимальной энергии воспламенения.

Сложность этих процессов затрудняет разработку теории, по­зволяющей аналитически оценивать искробезопасность цепей. По­этому до настоящего времени вопросы искробезопасности, не­смотря на значительные успехи в решении практических задач по оценке и обеспечению искробезопасности, базируются в основ­ном на экспериментальных исследованиях.

Содержание отчета

• Тема и цель работы.

• Номер варианта и задание на выполнение лабораторной работы

• Рисунки осциллограмм, иллюстрирующие возникновение и развитие электрических разрядов в цепях с различными параметрами (см. рис. 1.1.).

 

Выводы

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2