Физические процессы на поверхности контактов с учетом потоков плазмы и термоэмиссионной активности материала

Физические процессы на рабочей поверхности контакта и внутри всей композиции оказывают существенное влияние на работу всей контактной системы. Анализ взаимодействия данных процессов с учетом свойств контактной композиции всегда являлся актуальным. В данной работе рассматривается вопрос взаимодействи...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2009
Автор:	Павленко, Т.П.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2009
Назва видання:	Електротехніка і електромеханіка
Теми:	Електричні машини та апарати
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143167
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Физические процессы на поверхности контактов с учетом потоков плазмы и термоэмиссионной активности материала / Т.П. Павленко // Електротехніка і електромеханіка. — 2009. — № 1. — С. 25-27. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-143167
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1431672018-10-26T01:23:06Z Физические процессы на поверхности контактов с учетом потоков плазмы и термоэмиссионной активности материала Павленко, Т.П. Електричні машини та апарати Физические процессы на рабочей поверхности контакта и внутри всей композиции оказывают существенное влияние на работу всей контактной системы. Анализ взаимодействия данных процессов с учетом свойств контактной композиции всегда являлся актуальным. В данной работе рассматривается вопрос взаимодействия потоков плазмы с учетом термоэмиссионной способности материала контакта. Фізичні процеси на робочій поверхні контакту і усередині всієї композиції роблять істотний вплив на роботу всієї контактної системи. Аналіз взаємодії даних процесів з урахуванням властивостей контактної композиції завжди був актуальним. У даній роботі розглядається питання взаємодії потоків плазми з урахуванням термоемісійної здатності матеріалу контакту. Physical processes on the effective contact area and in the interior of the whole composition have a significant effect on operation of the entire contact system. Analysis of the processes interaction adjusted for the contact composition properties has always been topical. The paper deals with a problem of plasma streams interaction subject to thermal emissivity of the contact material. 2009 Article Физические процессы на поверхности контактов с учетом потоков плазмы и термоэмиссионной активности материала / Т.П. Павленко // Електротехніка і електромеханіка. — 2009. — № 1. — С. 25-27. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 2074-272X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143167 621.316.933.064.4 ru Електротехніка і електромеханіка Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати
spellingShingle	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати Павленко, Т.П. Физические процессы на поверхности контактов с учетом потоков плазмы и термоэмиссионной активности материала Електротехніка і електромеханіка
description	Физические процессы на рабочей поверхности контакта и внутри всей композиции оказывают существенное влияние на работу всей контактной системы. Анализ взаимодействия данных процессов с учетом свойств контактной композиции всегда являлся актуальным. В данной работе рассматривается вопрос взаимодействия потоков плазмы с учетом термоэмиссионной способности материала контакта.
format	Article
author	Павленко, Т.П.
author_facet	Павленко, Т.П.
author_sort	Павленко, Т.П.
title	Физические процессы на поверхности контактов с учетом потоков плазмы и термоэмиссионной активности материала
title_short	Физические процессы на поверхности контактов с учетом потоков плазмы и термоэмиссионной активности материала
title_full	Физические процессы на поверхности контактов с учетом потоков плазмы и термоэмиссионной активности материала
title_fullStr	Физические процессы на поверхности контактов с учетом потоков плазмы и термоэмиссионной активности материала
title_full_unstemmed	Физические процессы на поверхности контактов с учетом потоков плазмы и термоэмиссионной активности материала
title_sort	физические процессы на поверхности контактов с учетом потоков плазмы и термоэмиссионной активности материала
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
publishDate	2009
topic_facet	Електричні машини та апарати
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143167
citation_txt	Физические процессы на поверхности контактов с учетом потоков плазмы и термоэмиссионной активности материала / Т.П. Павленко // Електротехніка і електромеханіка. — 2009. — № 1. — С. 25-27. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
series	Електротехніка і електромеханіка
work_keys_str_mv	AT pavlenkotp fizičeskieprocessynapoverhnostikontaktovsučetompotokovplazmyitermoémissionnojaktivnostimateriala
first_indexed	2025-07-10T16:34:10Z
last_indexed	2025-07-10T16:34:10Z
_version_	1837278432817315840
fulltext	Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №1 25 УДК 621.316.933.064.4 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА ПОВЕРХНОСТИ КОНТАКТОВ С УЧЕТОМ ПОТОКОВ ПЛАЗМЫ И ТЕРМОЭМИССИОННОЙ АКТИВНОСТИ МАТЕРИАЛА Павленко Т.П., к.т.н, доц. Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт" Украина, 61002, Харьков, ул. Фрунзе, 21, НТУ "ХПИ", кафедра "Электрические машины" тел. (057) 707-64-84, Фізичні процеси на робочій поверхні контакту і усередині всієї композиції роблять істотний вплив на роботу всієї контактної системи. Аналіз взаємодії даних процесів з урахуванням властивостей контактної композиції завжди був актуальним. У даній роботі розглядається питання взаємодії потоків плазми з урахуванням термоемісійної здатнос- ті матеріалу контакту. Физические процессы на рабочей поверхности контакта и внутри всей композиции оказывают существенное влияние на работу всей контактной системы. Анализ взаимодействия данных процессов с учетом свойств контактной ком- позиции всегда являлся актуальным. В данной работе рассматривается вопрос взаимодействия потоков плазмы с учетом термоэмиссионной способности материала контакта. ВВЕДЕНИЕ Большинство исследователей рассматривают электрическую эрозию рабочей поверхности контакта как следствие термического эффекта, возникающего в межконтактном промежутке и на контактах в резуль- тате дугового разряда. Однако мало кто учитывает структуру разрядного канала, фазовый состав продук- тов эрозии, дискретность и непрерывность процесса, эвакуацию металла с электродов, значение факельно- го компонента дуги и т.п. В последнее время при теоретических и экспе- риментальных исследованиях дуговых катодов пре- обладает комплексный подход, заключающийся в со- вместном рассмотрении процессов в прикатодной области, на поверхности и в материале самого катода. К сожалению, во многих работах при теоретическом анализе не учитываются ряд процессов на катоде, ко- торые могут существенно влиять на его работу. К ним следует отнести термоэмиссионную активность мате- риала, химическое взаимодействие элементов с плаз- мообразующим газом, испарение, конденсация, по- глощение и выделение газов, выход активирующих присадок, рекристаллизация, кристаллизация [1] Кроме того, подвод энергии к эмитирующей по- верхности катода может осуществляться за счет ион- ной бомбардировки, потока "обратных" электронов, излучения из плазмы, джоулева тепловыделения и нагрева от внешнего источника. Отвод энергии про- исходит, в основном, за счет эмиссионного охлажде- ния, теплопроводности, теплового излучения. На основании общего подхода к исследованию катодных процессов с учетом ряда допущений можно найти распределение параметров по длине прикатод- ной зоны, ее размер, катодное падение потенциала, температурное поле катода и т.п. Таким образом, катодные процессы представля- ют собой взаимосвязанную замкнутую систему явле- ний, протекающих в прикатодной области, на поверх- ности и в теле самого катода. Целью данной работы является анализ взаимо- действия физических процессов на рабочей поверхно- сти контакта (катода) при возникновении потоков плазмы и термоэмиссионной активности материала. АНАЛИЗ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Процессы нагрева контактов происходят весьма неравномерно, что приводит к образованию катодных пятен различного типа. Быстрый нагрев катодного пятна приводит к значительным термоупругим на- пряжениям. Они вызывают взрывное разрушение ра- бочей поверхности контактов. Продукты этого раз- рушения уносятся потоками плазмы. На поверхности контактов, содержащих компо- ненты с различными температурами кипения, потоки плазмы исходят из зерен тугоплавкого материала и стабилизируются парами легкоплавкого компонента (рис. 1). Опорные точки дуги Струи плазмы Пары Катодные пятна Рис. 1. Схема процессов, происходящих на поверхности электрических контактов В зависимости от того, какую работу выхода бу- дут иметь компоненты материала и будет зависеть движение дуги по рабочей поверхности. С учетом различных факторов, влияющих на процесс движения электрической дуги можно решать ряд сложных и важных задач: - оценка размеров основания электрической дуги на контактах; - зависимость определяющих факторов износа поверхности контакта; - закон изменения температуры основания дуги при охлаждении; - влияние на процесс охлаждения оснований ду- ги остаточного столба дуги, име6ющего высокую температуру и т.п. К сожалению, в виду сложности данного явления и кратковременного его протекания не всегда удается 26 Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №1 исследовать все факторы, хотя результаты испытания контактных материалов подтверждают влияние неко- торых из них [1,2]. Исходя из того, что энергия к локальной поверх- ности электрода подводится из канала разряда, можно составить термодинамический баланс dt dQ dt dQ dt dW 0TO =− , (1) где dt dW – изменение поверхностной энергии элек- трода при разряде; dt dQTO – теплоотдача за счет теп- лопроводности и излучения; dt dQ0 – количество тепла, расходуемого в единицу времени на испарение неко- торого объема металла. Состояние, описываемое уравнением (1) соот- ветствует термодинамическому равновесию, имею- щему место при дуговом разряде, когда происходит испарение вещества с рабочей поверхности контакта. Нагреваемый объем становится частью монолитного тела. Это приводит к метастабильному состоянию перегретого металла, которое при малейшем измене- нии взрывообразно испаряется. Инициированием та- кого элементарного взрыва могут служить как флук- туации плотности пара, так и колебания давлений в канале дуги. В момент взрывного испарения металла образу- ется лунка на поверхности контакта. Бомбардировка лунки заряженными частицами прекращается, и канал дуги перескакивает на соседнюю область, где в новом объеме снова начинается процесс накопления внут- ренней энергии и при некотором критическом ее зна- чении происходит следующий взрыв и т.д. В даль- нейшем все эти лунки могут сливаться в одну, кото- рая представляет собой интегральный эффект всего разряда. Таким образом, можно сказать, что эмиссия па- ровой фазы вещества контакта путем последователь- ных взрывов элементарных объемов перегретого жидкого металла носит дискретный характер. Сле- дующие при взрыве с каждого контакта друг за дру- гом с большой частотой сгустки металла в квазипаро- вой фазе, удаляясь от электрода, расширяются, обра- зуя струи и факелы паров. Для вычисления массы паровой фазы, эмитиро- ванной при элементарном взрыве, необходимо знать толщину перегретого слоя, находящегося перед взры- вом в метастабильном состоянии. Исходя из того, что дуга создает на поверхности контакта плоский круглый источник тепла площадью ΔS и, полагая поток тепла с этой площади нормаль- ным с учетом отсутствия потоков тепла через боко- вую поверхность, получим в теле контакта цилиндри- ческий объем с изотермами температур: Тк – перегретый слой поверхности (1); Тпк – жидкая фаза пятна (2); Тпл – плавление твердой фазы (3), (рис. 2). q 2 Тк Тпк 3 1 Тпл l Рис. 2. Сечение цилиндрического объема: 1 – перегретый слой; 2 – жидкая фаза; 3 – твердая фаза Зная длину l перегретого слоя и его площадь ΔS, можно рассчитать величину перегретого объема ΔV, взрывообразно превращающегося в пар при элемен- тарном взрыве и соответствующую ему массу Δm: ( )пкк ТT q l − λ = , (2) где λ – коэффициент теплопроводности материала; q – эффективное значение теплового потока ( )пкк 2 0 ТТ q rSlV − λ π=Δ=Δ , (3) где 0r – радиус перегретого слоя поверхности; ( )пкк 2 0 ТТ q rm − λ π=Δ , (4) При испарении массы материала расходовалось тепло: 0mQQ Δ=Δ , (5) где 0Q – количество тепла, необходимое для нагре- вания единицы массы вещества до максимальной тем- пературы перегрева с учетом теплоты фазовых пре- вращений. Но это же тепло, поступившее в объем ΔV, также можно определить как: tSqQ ΔΔ=Δ , (6) где tΔ – время, необходимое для взрывообразного испарения массы материала, которое определяется как: 02 пкк Q q ТТjt − λ=Δ , (7) где j – плотность тока. Зная продолжительность разряда τ можно рассчи- тать число элементарных взрывов за время разряда: ( )пкк0 2 ТТQj q t n −λ = Δ τ = . (8) В механизме электрической эрозии контактных пар, периодически коммутирующих электрическую цепь, немалую роль играет внутренний источник теп- ла. Уравнение теплового баланса для замкнутых кон- тактных пар может быть записано в следующем виде: ( )dSTTk dt dTcjdVj 0т 2 −+=ρ , (9) где ρ – удельное сопротивление материала контакта; с – теплоемкость материала; тk – коэффициент тепло- Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №1 27 отдачи; Т, Т0 – соответственно температура катода (контакта) и окружающей среды. Левая часть представляет собой интенсивность выделения ленц-джоулева тепла в элементарном объ- еме dV, прилегающем к контактной области; первое выражение правой части – интенсивность накопления теплоты, второе – интенсивность теплоотдачи. Рост температуры 0/ >dtdT приводит к плавле- нию и взрывообразному испарению элементарных объемов dV материала контактов. В этот момент кон- такты отбрасываются, возникает дуговой разряд с вышеуказанными последствиями. Если значение левой части превышает значение правой, то взрыв может не произойти. В этом случае металл в контактных точках только плавится, что способствует развитию мостиковой эрозии с перено- сом материала с одного контакта на другой. Для оценки баланса энергии необходимо значе- ние условий на поверхности привязки разряда и в зо- не пространственного заряда, которые зависят от многих факторов: плазмообразующих потоков мате- риала, геометрии и условий охлаждения катода, уров- ня тока, термоэмиссионной способности материала, рода давления газа и др. [3] Оценка баланса энергии, на поверхности катода исходя из параметров теплопроводности, термоэмис- сии и излучения представляет собой: aRei k е qqqqqqq +++=++ λ плобр э , (10) где эq – энергия, уносимая электронами эмиссии, которая зависит от плотности тока электронов при эмиссионном охлаждении; k еq – энергия теплового излучения с поверхности катода, которая зависит от рода материала, состояния поверхности, уровня тем- пературы; λq – энергия, отводимая за счет теплопро- водности в тело катода; iq – энергия, приносимая ионами, которая зависит от плотности тока, потен- циала ионизации, эффективной работы выхода элек- тронов; обр eq – энергия, приносимая обратными элек- тронами, которая зависит: от плотности тока обрат- ных электронов, температуры электронов на границе катодного падения потенциалов, концентрации элек- тронов, тепловой скорости электронов, массы элек- тронов; пл Rq – подвод энергии за счет излучения плаз- мы, который зависит: от объемного коэффициента изотропного излучения плазмы, от рода, давления, температуры плазмы, длины и радиуса столба дуги. Данное выражение может быть дополнено урав- нениями для полного тока, тока термоэмиссии обрат- ных электронов, Маккоуна: обрэм eie jjjj −+= ; ( ) ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −ϕ −= kT eEe TAj k e эф2 0 эм exp ; ⎪ ⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ −⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⋅= эм2 1 2 1 52 106,7 e e i ikk j m mjUE , (10) где эм, ei jj – плотности токов ионов, электронов; îáð ej – плотности токов обратных электронов; 0A – универсальная постоянная для всех металлов; эфϕ – эффективная работа выхода электронов; kE – напря- женность электрического поля у гладкой поверхности катода; k – постоянная Больцмана; kU – катодное па- дение потенциала; ,im ,åm – масса ионов, электронов. Обзор работ [4, 5] показывает, что электроны под действием высокой температуры пара занимают со- стояние выше уровня Ферми, с которых затем осуще- ствляется термоэлектронная эмиссия. Мощное джо- улево тепловыделение обусловливает взрывное испа- рение микроострия, после которого наблюдается рез- кое усиление тока. При этом число электронов, пере- носимых в импульсе в 10-1000 раз превышает число атомов в плазменном сгустке, что вызвано дальней- шим усилением электрического поля под влиянием образующейся плазмы. Прикатодная плазма не только не идеальна, но и существенно не равновесна. ВЫВОД Из данного анализа взаимодействия физических процессов видно, что существенную роль играет взрывообразное испарение металла с контактной по- верхности. Уменьшение эрозии можно достичь путем подбора контактного материала с большим значением полной теплоты испарения, коэффициентов тепло- проводности, теплоотдачи и малой величиной удель- ного сопротивления. Но также необходимо учитывать движение плазменных потоков, которые могут изме- нять форму столба дуги с учетом термоэмиссионной активности частиц за счет увеличения поверхностной энергии, уменьшения давлений газа и металлического пара в межэлектродном промежутке. Полученные оценочные расчеты позволяют оп- ределить параметры катодных процессов, которые влияют на скорость и время существования электри- ческой дуги, что способствует динамике развития катодных пятен различного типа, которые и опреде- ляют эрозию контактной поверхности. ЛИТЕРАТУРА [1] Крыгина Т.П., Павленко Ю.П. Электрические контакты высокой эрозионной стойкости., Сб. научн. тр. "Низко- вольтные аппараты защиты и управления",-Харьков, ВНИИЭА, 1993. - C. 230-235. [2] Куляпин В.М., Галкин Н.И., Рыбаков О.Е., Печенкин А.И. Теория катодных процессов дугового разряда. - Изв. вузов СССР. Электромеханика, 1978 , № 1.- С. 82- 85. [3] Гордеев В.Ф., Пустогаров А.В., Кучеров Я.Р. и др. Структура поверхности и работа выхода электронов ду- говых электродов // Поверхность, 1985, №.11. - С. 74-78. [4] Мойжес Б.Я., Пикус Г.Е. Термоэмиссионные преобразо- ватели и низкотемпературная плазма. - М.: Наука, 1973.- 479 с. [5] Энгельшт В.С. Математическое моделирование элек- трической дуги.- Фрунзе: Илим, 1983 – 361 с. Поступила 25.04.2008

Физические процессы на поверхности контактов с учетом потоков плазмы и термоэмиссионной активности материала

Репозитарії

Схожі ресурси