ЛЕКЦИЯ 5

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА

Возникновение и физические процессы в электрической дуге. Размыкание электрической цепи при значительных токах и напряжениях сопровождается электрическим разрядом между расходящимися контактами. Воздушный промежуток между контактами иони­зируется и становится проводящим, в нем горит дуга. Процесс отключения состоит в деионизации воздушного промежутка между контактами, т. е. в прекращении электрического разряда и восстановлении диэлектрических свойств. При особых условиях: малых токах и напряжениях, разрыве цепи переменного тока в момент перехода тока через нуль, может произойти без электрического разряда. Такое отключение называется безыскровым разрывом.

Зависимость падения напряжения на разрядном промежутке от тока электрического разряда в газах приведена на рис. 1.

Электрическая дуга сопровождается высокой температурой. Поэтому дуга – явление не только электрическое, но и тепловое. В обычных условиях воздух хороший изолятор. Для пробоя 1см воздушного промежутка требуется напряжение 30кВ. Чтобы воздушный промежуток стал проводником, необходимо создать в нем определенную концентрацию заряженных частиц: свободных электронов и положительных ионов. Процесс отделения от нейтральной частицы электронов и обра­зования свободных электронов и положительно заряженных ионов называется ионизацией . Ионизация газа происходит под действием высокой температуры и электрического поля. Для дуговых процессов в электрических аппаратах наибольшее значение имеют процессы у электродов (термоэлектрон­ная и автоэлектронная эмиссии) и процессы в дуговом промежутке (термическая и ударная ионизация).

Термоэлектронной эмиссией называется испускание электронов с накаленной поверхности. При расхождении контактов резко возрастают переходное сопротивление контакта и плотность тока в площадке контактирования. Площадка разогревается, расплавляется и образуется контактный перешеек из расплавленного металла. Перешеек при дальнейшем расхождении контактов разрывается и происходит испарение металла контактов. На отрицательном электроде образуется раскаленная площадка (катодное пятно), которая служит основа­нием дуги и очагом излучения элект­ронов. Термоэлектронная эмиссия является причиной возникновения электрической дуги при размыкании контактов. Плотность тока термоэлектронной эмиссии зависит от тем­пературы и материала электрода.

Автоэлектронной эмиссией называется явление испускания электронов с ка­тода под воздействием сильного электрического поля. При разомкнутых контактах к ним приложено напряжение сети. При замыкании контактов, по мере приближения подвижного контакта к неподвижному растет напряженность электрического поля между контактами. При критическом расстоянии между контактами напряженность поля достигает 1000 кВ/мм. Такой напряженности электрического поля достаточно для вырывания электронов из холодного катода. Ток автоэлектронной эмиссии мал служит только началом дугового разряда.

Таким образом, возникновение дугового разряда на расходящихся контак­тах объясняется наличием термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий. Возникновения электрической дуги при замыкании контактов происходит по причине автоэлектронной эмиссия.

Ударной ионизацией называется возникновение свободных электронов и положительных ионов при столкновении электронов с нейтральной частицей. Свободный электрон разбивает нейтральную частицу. В результате получатся новый свободный электрон и положительный ион. Новый электрон, в свою очередь, ионизирует следующую частицу. Чтобы электрон мог ионизировать частицу газа, он должен двигаться с определенной скоростью. Скорость электрона зависит от разности потенциалов на длине свободного пробега. Поэтому обычно указывается не скорость движения электрона, а минимальную разность потенциалов на длине свободного пути, чтобы электрон приобрел необходимую скорость. Эта разность потенциалов называется потенциал ионизации. Потенциал ионизации газовой смеси определяется самым низким из потенциалов ионизации входящих в газовую смесь компонентов и мало зависит от концентрации компонентов. Потенциал ионизации для газов составляет 13÷16В (азот, кислород, водород), для паров металла примерно в два раза ниже: 7,7В для паров меди.

Термическая ионизация происходит под воздействием высокой температуры. Температура ствола дуги достигает 4000÷7000 К, а иногда 15000 К. При такой температуре резко возрастает количество и скорость движущихся частиц газа. При столкновении атомы и молекулы разрушаются, образуя заряженные частицы. Основной характеристикой термической ионизации является сте­пень ионизации, представляющая собой отношение числа ионизированных атомов к общему числу атомов в дуговом промежутке. Поддержание возникшего дугового разряда достаточным числом свободных зарядов обеспечивается термической ионизацией.

Одновременно с процессами ионизации в дуге происходят обратные процессы деионизации – воссоединения заряженных частиц и образование нейтральных молекул. При возникновении дуги преобла­дают процессы ионизации, в устойчиво горящей дуге процессы ионизации и деионизации одинаково интенсивны, при преобладании процессов деиониза­ции дуга гаснет.

Деионизация происходит главным образом за счет рекомбинации и диф­фузии. Рекомбинацией называется процесс, при котором различно заряженные частицы, при­ходя в соприкосновение, образуют нейтральные частицы. Диффузия заряженных частиц представляет собой процесс выноса заряженных частиц из дугового промежутка в окружающее пространство, что уменьшает проводимость дуги. Диффузия обусловлена как электрическими, так и тепловыми факторами. Плотность зарядов в стволе дуги возрастает от периферии к центру. Ввиду этого создается электрическое поле, заставляющее ионы двигаться от центра к периферии и покидать область дуги. В этом же направлении действует и разность температур ствола дуги и окружающего пространства. В стабилизированной и свободно горящей дуге диффузия играет ничтожную роль. В дуге, обдуваемой сжатым воздухом, а также в быстро движущейся открытой дуге деионизация за счет диффузии может по значению быть близкой к рекомбинации. В дуге, горящей в узкой щели или закрытой камере, деионизация происходит за счет рекомби­нации.

ПАДЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГЕ

Падение напряжения вдоль стационарной дуги распределяется неравномерно. Картина изменения падения напряжения U д и продольного градиента напряжения (падение напряжения на единицу длины дуги) Е д вдоль дуги приведена на рис. 2.

Ход характеристик U д и Е д в приэлектродных областях резко отличается от хода характеристик на остальной части дуги. У электродов, в прикатодной и прианодной об­ластях, на промежутке порядка 10 -3 мм имеет место резкое падение напря­жения, называемое прикатод­ным U к и прианодным U а . В прикатодной области образуется дефицит электронов из-за высокой их подвижности. В этой области образуется объемный положительный заряд, который обуславливает разность потенциалов U к , порядка 10÷20В. Напряженность поля в прикатодной области достигает 10 5 В/см и обеспечивает выход электронов с катода за счет автоэлектронной эмиссии. Кроме того, напряжение у катода обеспечивает выделение необходимой энергии для подогрева катода и обеспечения термоэлектронной эмиссии.

Рис. 2. Распределение напряжения на стационарной дуге постоянного тока

В прианодной области образуется отрицательный объемный заряд, обуславливающий разность потенциалов U а . Направляющиеся к аноду электроны, ускоряются и выбивают из анода вторичные электроны, которые существуют вблизи анода.

Суммарное зна­чение прианодного и прикатодного падений напряжений называют приэлектродным падением напряжения:
и составляет 20-30В.

В остальной части дуги, называемой стволом дуги, падение напряжения U д прямо пропорционально длине дуги:

,

где E СТ – продольный градиент напряжения в стволе дуги, l СТ – длина ствола дуги.

Градиент здесь постоянен вдоль ствола. Он зависит от многих факторов и может изменяться в широких пределах, достигая 100÷200 В/см.

Таким образом, падение напряжения на дуговом промежутке:

УСТОЙЧИВОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Чтобы погаситьэлектрическую дугу постоянного тока, необходимо создать условия, при которых в дуговом промежутке процессы деионизации превосходили бы процессы ионизации при всех значениях тока.

Для цепи (рис. 3), содержащей сопротивление R , индуктивность L , дуговой промежуток с падением напряжения U д , источник постоянного тока напряжением U , в переходном режиме ( ) справедливо уравнение Кирхгофа: , (1) где – падение напряжения на ин­дуктивности при изменении тока. При устойчиво горящей дуге (стационарное состояние ) выражение (1) принимает вид: . (2) Для погасания дуги необходимо, чтобы ток в ней все время уменьшался. Это означает, что :

Наш сайт сварак.ру публикует сатью по данной теме. Впервые явление вольтовой дуги наблюдал русский академик Петров, получив искровой разряд.

Вольтова дуга характеризуется двумя свойствами:

• выделением большого количества теплоты
• сильным лучеиспусканием.

И то и другое свойство электрической дуги использовано в технике.

Для сварочной техники первое свойство является- положи-тельным фактором, второе - отрицательным.

В качестве электропроводов для электрического разряда могут служить любые электропроводные материалы. Чаще всего в качестве проводников употребляют угольные и графитные стержни круглого сечения (дуговые фонари).

Типичный вариант между двумя углями изображена на рисунке.

Верхний электрод присоединен к положительному полюсу машины (анод). Второй уголь соединен с отрицательным полюсом (катод).

Электрическая сварочная дуга

Температура электрической дуги, ее воздействие.

Выделение теплоты неодинаково в различных точках дуги. У положительного электрода выделяется 43% всего количества, у отрицательного 36% и в самой дуге (между электродами) остальные 21%.

Схема зон и их температуры в сварочной дуге

В связи с этим и температура на электродах неодинакова. Анод имеет около 4000° С , а катод 3400°. В среднем считают температуру электрической дуги 3500° С.

Благодаря различной температуре на полюсах вольтовой дуги угольные проводники

берутся различной толщины. Положительный уголь берется толще, отрицательный -

тоньше. Стержень дуги (средняя часть) состоит из потока электронов, выбрасываемых катодом, которые с огромной скоростью несутся к аноду. Обладая большой кинетической энергией, они ударяются о поверхность анода, преобразуя кинетическую энергию в тепловую.

Окружающий его зеленоватый ореол является местом химических реакций, происходящих между парами вещества электродов и атмосферой, в которой горит вольтова дуга.

Процесс возникновения сварочной дуги

Возникновение электрической дуги

Процесс образования вольтовой дуги представляется в следующем виде. В момент соприкосновения электродов проходящий ток выделяет большое количество тепла в месте стыка, так как здесь имеется большое электрическое сопротивление (закон Джоуля).

Благодаря этому концы проводников раскаляются до светлого накала, и после разъединения электродов катод начинает испускать электроны, которые, пролетая через воздушный промежуток между электродами, расщепляют молекулы воздуха на положительно и отрицательно заряженные частички (катионы и» а н и о н ы).

Вследствие этого воздух становится электропроводным.

В сварочной технике наибольшее применение имеет разряд между металлическими электродами, причем одним электродом являйся металлический стержень, который в то же время служит и присадочным материалом, а вторым электродом является сама свариваемая деталь.

Процесс остается тот же, что и в случае угольных электродов, но здесь появляется новый фактор. Если в угольной дуге проводники постепенно испарялись (сгорали), то в металлической дуге электроды весьма интенсивно плавятся и частично испаряются. Благодаря наличию металлических паров между электродами сопротивление (электрическое) металлической дуги ниже, чем угольной.

Угольный разряд горит при напряжении в среднем 40-60 в, тогда как напряжение металлической дуги в среднем 18-22 в (при длине 3 мм).

Длина дуги, кратер, провар.

Сам процесс дуговой электросварки протекает следующим образом.

Как только мы коснемся находящимся под напряжением электродом изделия и тотчас же отведем его на некоторое расстояние, образуется вольтова дуга и сейчас же начинается плавление основного металла и металла проводника. Следовательно, конец электрода все время находится в расплавленном состоянии, и жидкий металл с него в виде капель переходит на свариваемый шов, где металл электрода смешивается с расплавленным металлом свариваемого изделия.

Исследования показали, что таких капель переходит, с электрода около 20-30 в секунду, т. е. процесс этот совершается очень быстро.

Хотя вольтова дуга и развивает очень высокую температуру, выделение тепла ею производится на очень небольшом пространстве как раз под дугой.

Схема длинны дуги

Если мы будем рассматривать через темные стекла дугу, возбужденную металлическим электродом, то убедимся, что в месте образования дуги между электродом и основным металлом на основном металле выделяется добела нагретая поверхность, которая непосредственно под дутой имеет вид углубления, заполненного жидким металлом. Получается такое впечатление, что это углубление образовано как бы выдуванием жидкого металла дугой. Это углубление называется сварочной ванной. Она окружена металлом, нагретым до белого каления, причем температура нагрева области, прилегающей, быстро падает до красного цвета и уже на небольшом расстоянии, величина которой колеблется в зависимости от диаметра электрода и силы тока, температура сравнивается с температурой самого свариваемого предмета.

Хорошая и плохая сварочная дуга, как отличить? Полезные советы.

Расстояние между концом электрода и дном ванны, т. е. поверхностью расплавленного металла, называется длиной дуги. Эта величина имеет очень большое значение в технике сварки. Для получения хорошей сварки необходимо длину дуги брать как можно меньше, т. е. держать дугу короче, причем длина ее не должна превосходить 3-4 мм. Конечно, длина дуги не является величиной постоянной, так как конец электрода все время плавится и, следовательно, расстояние между ним и кратером увеличивалось бы; если бы электрод держать неподвижно до тех пор, пока связь не оборвалась. Поэтому при сварке необходимо все время электрод приближать по мере его плавления к основному металлу, чтобы поддержать длину дуги приблизительно постоянной в пределах 2-4 мм.

Необходимость поддержать короткую дугу (т. е. не длиннее 3-4 мм) вызывается тем, что расплавленный металл электрода поглощает при своем переходе с электрода в кратер кислород и азот из окружающего дугу воздуха, что ухудшает его механические качества (относительное удлинение и сопротивление удару). Понятно, что вредное действие воздуха будет тем меньше, чем меньше времени жидкий металл будет проходить через воздух.

Короткая:

При короткой дуге это время будет меньше, чем при длинной и, следовательно, металл электрода не успеет поглотить столько кислорода и азота, сколько могли бы, проходя большой путь из-за длинной дуги. Так как стремление каждого сварщика должно всегда заключаться в том, чтобы получить наилучший по своим качествам шов, то поэтому подержанно короткой дуги является Обязательным условием хорошей сварки. Короткую дугу можно отличить не только по виду, но также и по слуху, так как короткая дуга издает характерное сухое потрескивание, напоминающее по звуку треск масла, вылитого на раскаленную сковороду. Этот звук короткой дуги каждый сварщик должен хорошо знать.

Длинная:

При длинной дуге (т. е. при длине больше 4 мм) мы никогда не получим хорошего шва. Не говоря уже о том, что при длинной дуге будет происходить сильное окисление металла шва, сам шов также имеет очень неровный вид. Происходит это оттого, что длинный разряд является менее устойчивым, чем короткий, искра имеет стремление как бы блуждать и отклоняться в стороны от места сварки, вследствие чего нагрев от нее создается не такой, как при короткой дуге, а распространяется на большую площадь. Благодаря этому тепло, излучаемое дугой, не все идет на расплавление металла в месте сварки, а рассеивается частично напрасно по большой поверхности.

При длинной дуге получается поэтому плохой провар, и, кроме того, капли с электрода, : падая на плохо прогретое место, не сплавляются с основным металлом, а разбрызгиваются в стороны.

По внешнему виду всегда можно сразу отличить шов, сваренной короткой или длинной дугой. Правильно проваренный короткой дугой шов имеет правильные очертания, гладкую выпуклую поверхность и чистый, блестящий вид. Шов, сваренный длинной дугой, имеет неровный бесформенный вид и окружен многочисленными каплями и брызгами застывшего металла с электрода. Такой шов, конечно, совершенно негоден.

Защита от электрической дуги

Примеры защитных костюмов против электрической дуги

Если сварочные аппараты применяют дугу, то многие другие аппараты и кроме того человек должен ее избегать. Риск появления дуги на оборудовании зависит от не скольких параграфов:

• частотностью использования оборудования работником;
• опыт и знаниями работников имеющих дело с аппаратной частью
• уровень износа оборудования;

Если на человеке нет необходимого индивидуально-защитного костюма и он попадает в зону действия электрической дуги, шансы выжить довольно резко уменьшаются. Возможность получить тяжелые ожоги крайне высока.

Таблица: степень воздействия электрической дуги

Какие возможности защиты от эл. Дуги?

1. соблюдайте все необходимые правила и нормы безопасности;
2. в случае длительного использования защитного материала, частых стирок, костюм не должен ухудшаться; (все зависит от модели);
3. ткань должна иметь максимум 2 секунды остаточного возгорания;
4. вы должны надевать специальную обувь, обладающих антистатическим действием а также иметь костюм для защиты от электрической дуги .

Если говорить о характеристиках вольтовой дуги, то стоит упомянуть, что она отличается более низким напряжением, чем тлеющий разряд, и полагается на термоэлектронное излучение электронов от электродов, поддерживающих дугу. В англоязычных странах этот термин считается архаичным и устаревшим.

Методы подавления дуги можно использовать для уменьшения ее продолжительности или вероятности образования.

В конце 1800-х годов вольтова дуга широко использовалась для общественного освещения. Некоторые электрические дуги низкого давления используются во многих приложениях. Например, для освещения применяются люминесцентные лампы, ртутные, натриевые и металлогалогенные лампы. Ксеноновые дуговые лампы использовались для кинопроекторов.

Открытие вольтовой дуги

Считается, что это явление впервые было описано сэром Хамфри Дэви в статье 1801 года, опубликованной в Journal of Natural Philosophy, Chemistry and Arts Уильяма Николсона. Однако явление, описанное Дэви, не было электрической дугой, но лишь искрой. Поздние исследователи писали: «Это, очевидно, описание не дуги, а искры. Суть первой заключается в том, что она должна быть непрерывной, и ее полюса не должны соприкасаться после того, как она возникла. Искра, созданная сэром Хамфри Дэви, была явно не непрерывной, и хотя в течение некоторого времени после контакта с атомами углерода оставалась заряженной, скорее всего не было соединения дуги, которое необходимо для ее классификации как вольтовой».

В том же году Дэви публично продемонстрировал эффект перед Королевским обществом, передав электрический ток через два соприкасающихся угольных стержня, а затем оттянув их на небольшое расстояние друг от друга. Демонстрация показала «слабую» дугу, с трудом отличимую от устойчивой искры, между точками древесного угля. Научное сообщество предоставило ему более мощную батарею из 1000 пластин, и в 1808 году он продемонстрировал возникновение вольтовой дуги в крупных масштабах. Ему также приписывают ее название на английском языке (electric arc). Он назвал ее дугой, потому что она принимает форму восходящего лука, когда расстояние между электродами становится близким. Это связано с проводящими свойствами раскаленного газа.

Как появилась вольтова дуга? Первая непрерывная дуга была зафиксирована независимо в 1802 г. и описана в 1803 г. как «специальная жидкость с электрическими свойствами» русским ученым Василием Петровым, экспериментирующий с медно-цинковой батареей, состоящей из 4200 дисков.

Дальнейшее изучение

В конце девятнадцатого века вольтова дуга широко использовалась для общественного освещения. Тенденция электрических дуг к мерцанию и шипению была серьезной проблемой. В 1895 году Герта Маркс Айртон написала серию статей об электричестве, объяснив, что вольтова дуга была результатом контакта кислорода с углеродными стержнями, используемыми для создания дуги.

В 1899 году она была первой женщиной, когда-либо читавшей свой собственный доклад перед Институтом инженеров-электриков (IEE). Ее доклад был озаглавлен как «Механизм электрической дуги». Вскоре после этого Айртон была избрана первой женщиной-членом Института инженеров-электриков. Следующая женщина была принята в институт аж в 1958 году. Айртон подала прошение прочесть доклад перед Королевским научным обществом, но ей не разрешили сделать этого из-за ее пола, и «Механизм электрической дуги» был прочитан Джоном Перри вместо нее в 1901 году.

Описание

Электрическая дуга представляет собой вид с наибольшей плотностью тока. Максимальная сила тока, проводимого по дуге, ограничена только внешней средой, а не самой дугой.

Дуга между двумя электродами может быть инициирована ионизацией и тлеющим разрядом, когда ток через электроды увеличивается. Пробивное напряжение электродного зазора представляет собой комбинированную функцию давления, расстояния между электродами и типа газа, окружающего электроды. Когда начинается дуга, ее напряжение на клеммах намного меньше, чем у тлеющего разряда, а ток выше. Дуга в газах вблизи атмосферного давления характеризуется видимым светом, высокой плотностью тока и высокой температурой. Она отличается от тлеющего разряда примерно одинаковыми эффективными температурами как электронов, так и положительных ионов, и в тлеющем разряде ионы имеют гораздо меньшую тепловую энергию, чем электроны.

При сваривании

Вытянутая дуга может быть инициирована двумя электродами, первоначально находящимися в контакте и разнесенными в процессе эксперимента. Это действие может инициировать дугу без высоковольтного тлеющего разряда. Это способ, которым сварщик начинает сваривать соединение, мгновенно прикасаясь сварочным электродом к предмету.

Другим примером является разделение электрических контактов на переключателях, реле или автоматических выключателях. В высокоэнергетических схемах может потребоваться подавление дуги, чтобы предотвратить повреждение контактов.

Вольтова дуга: характеристики

Электрическое сопротивление вдоль непрерывной дуги создает тепло, которое ионизует больше молекул газа (где степень ионизации определяется температурой), и в соответствии с этой последовательностью газ постепенно превращается в тепловую плазму, которая находится в тепловом равновесии, поскольку температура относительно однородно распределяется по всем атомам, молекулам, ионам и электронам. Энергия, передаваемая электронами, быстро диспергируется с более тяжелыми частицами за счет упругих столкновений из-за их большой подвижности и больших чисел.

Ток в дуге поддерживается термоэлектронной и полевой эмиссией электронов на катоде. Ток может быть сконцентрирован в очень малой горячей точке на катоде - порядка миллиона ампер на квадратный сантиметр. В отличие от тлеющего разряда, дуга имеет мало различимую структуру, поскольку положительный столбец достаточно яркий и простирается почти до электродов с обоих концов. Падение катода и падение анода в несколько вольт происходит в пределах доли миллиметра каждого электрода. Положительный столбец имеет более низкий градиент напряжения и может отсутствовать в очень коротких дугах.

Низкочастотная дуга

Низкочастотная (менее 100 Гц) дуга переменного тока напоминает дугу постоянного тока. На каждом цикле дуга инициируется пробоем, и электроды меняют роли, когда ток меняет направление. По мере увеличения частоты тока не хватает времени для ионизации при расхождении на каждом полупериоде, и пробой больше не нужен для поддержания дуги - характеристика напряжения и тока становится более омической.

Место среди прочих физических явлений

Различные формы электрических дуг являются возникающими свойствами нелинейных моделей тока и электрического поля. Дуга встречается в заполненном газом пространстве между двумя проводящими электродами (часто из вольфрама или углерода), что приводит к возникновению очень высокой температуры, способной плавить или испарять большинство материалов. Электрическая дуга представляет собой непрерывный разряд, в то время как аналогичный электрический искровой разряд является мгновенным. Вольтова дуга может возникать либо в цепях постоянного тока, либо в цепях переменного. В последнем случае она может повторно ударяться о каждом полупериоде возникновения тока. Электрическая дуга отличается от тлеющего разряда тем, что плотность тока довольно велика, а падение напряжения внутри дуги низкое. На катоде плотность тока может достигать одного мегаампера на квадратный сантиметр.

Разрушительный потенциал

Электрическая дуга имеет нелинейную зависимость между током и напряжением. Как только дуга будет создана ​​(либо путем прогрессирования из тлеющего разряда, либо путем мгновенного касания электродов, а затем разделения их), увеличение тока приводит к более низкому напряжению между дуговыми терминалами. Этот эффект отрицательного сопротивления требует, чтобы какая-то положительная форма импеданса (как электрического балласта) была помещена в цепь для поддержания стабильной дуги. Это свойство является причиной того, что неконтролируемые электрические дуги в аппарате становятся настолько разрушительными, ведь после своего возникновения дуга будет потреблять все больше тока от источника постоянного напряжения до тех пор, пока устройство не будет уничтожено.

Практическое применение

В промышленном масштабе электрические дуги используются для сварки, плазменной резки, механической обработки электрическим разрядом, в качестве дуговой лампы в кинопроекторах и в освещении. Электродуговые печи используются для производства стали и других веществ. Карбид кальция получают именно таким образом, поскольку для достижения эндотермической реакции (при температурах 2500 °С) требуется большое количество энергии.

Углеродистые дуговые огни были первыми электрическими огнями. Они использовались для уличных фонарей в XIX веке и для создания специализированных устройств, таких как прожекторы, до Второй мировой войны. Сегодня электрические дуги низкого давления используются во многих областях. Например, для освещения используются люминесцентные лампы, ртутные, натриевые и металлогалогенные лампы, а ксеноновые дуговые лампы используются для кинопроекторов.

Формирование интенсивной электрической дуги, подобно мелкомасштабной дуговой вспышке, является основой взрывоопасных детонаторов. Когда ученые узнали, что такое вольтова дуга и как ее можно использовать, разнообразие мирового вооружения пополнилось эффективной взрывчаткой.

Основным оставшимся применением является высоковольтное распределительное устройство для сетей передачи. Современные устройства также используют гексафторид серы под высоким давлением.

Заключение

Несмотря на частоту ожогов вольтовой дугой, она считается очень полезным физическим явлением, до сих пор широко использующимся в промышленности, производстве и создании декоративных предметов. Она обладает своей эстетикой, и ее образ часто мелькает в научно-фантастических фильмах. Поражение вольтовой дугой не является смертельным.

1. Условия возникновения и горения дуги

Размыкание электрической цепи при наличии в ней тока сопровождается электрическим разрядом между контактами. Если в отключаемой цепи ток и напряжение между контактами больше, чем критические для данных условий, то между контактами возникает дуга , продолжительность горения которой зависит от параметров цепи и условий деионизации дугового промежутка. Образование дуги при размыкании медных контактов возможно уже при токе 0,4-0,5 А и напряжении 15 В.

Рис. 1. Расположение в стационарной дуге постоянного тока напряжения U(a) и напряженности Е(б).

В дуге различают околокатодное пространство, ствол дуги и околоанодное пространство (рис. 1). Все напряжение распределяется между этими областями U к, U сд, U а. Катодное падение напряжения в дуге постоянного тока 10-20 В, а длина этого участка составляет 10–4-10–5 см, таким образом, около катода наблюдается высокая напряженность электрического поля (105-106 В/см). При таких высоких напряженностях происходит ударная ионизация. Суть ее заключается в том, что электроны, вырванные из катода силами электрического поля (автоэлектронная эмиссия) или за счет нагрева катода (термоэлектронная эмиссия), разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать один электрон с оболочки нейтрального атома, то произойдет ионизация. Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги.

Рис. 2. .

Проводимость плазмы приближается к проводимости металлов [у = 2500 1/(Ом×см)]/ В стволе дуги проходит большой ток и создается высокая температура. Плотность тока может достигать 10 000 А/см2 и более, а температура - от 6000 К при атмосферном давлении до 18000 К и более при повышенных давлениях.

Высокие температуры в стволе дуги приводят к интенсивной термоионизации, которая поддерживает большую проводимость плазмы.

Термоионизация - процесс образования ионов за счет соударения молекул и атомов, обладающих большой кинетической энергией при высоких скоростях их движения.

Чем больше ток в дуге, тем меньше ее сопротивление, а поэтому требуется меньшее напряжение для горения дуги, т. е. дугу с большим током погасить труднее.

При переменном токе напряжение источника питания u cд меняется синусоидально, так же меняется ток в цепи i (рис. 2), причем ток отстает от напряжения примерно на 90°. Напряжение на дуге u д, горящей между контактами выключателя, непостоянно. При малых токах напряжение возрастает до величины u з (напряжения зажигания), затем по мере увеличения тока в дуге и роста термической ионизации напряжение падает. В конце полупериода, когда ток приближается к нулю, дуга гаснет при напряжении гашения u г. В следующий полупериод явление повторяется, если не приняты меры для деионизации промежутка.

Если дуга погашена теми или иными способами, то напряжение между контактами выключателя должно восстановиться до напряжения питающей сети - u вз (рис. 2, точка А). Однако поскольку в цепи имеются индуктивные, активные и емкостные сопротивления, возникает переходный процесс, появляются колебания напряжения (рис. 2), амплитуда которых U в,max может значительно превышать нормальное напряжение. Для отключающей аппаратуры важно, с какой скоростью восстанавливается напряжение на участке АВ. Подводя итог, можно отметить, что дуговой разряд начинается за счет ударной ионизации и эмиссии электронов с катода, а после зажигания дуга поддерживается термоионизацией в стволе дуги.

В коммутационных аппаратах необходимо не только разомкнуть контакты, но и погасить возникшую между ними дугу.

В цепях переменного тока ток в дуге каждый полупериод проходит через нуль (рис. 2), в эти моменты дуга гаснет самопроизвольно, но в следующий полупериод она может возникнуть вновь. Как показывают осциллограммы, ток в дуге становится близким нулю несколько раньше естественного перехода через нуль (рис. 3, а ). Это объясняется тем, что при снижении тока энергия, подводимая к дуге, уменьшается, следовательно, уменьшается температура дуги и прекращается термоионизация. Длительность бестоковой паузы t п невелика (от десятков до нескольких сотен микросекунды), но играет важную роль в гашении дуги. Если разомкнуть контакты в бестоковую паузу и развести их с достаточной скоростью на такое расстояние, чтобы не произошел электрический пробой, то цепь будет отключена очень быстро.

Во время бестоковой паузы интенсивность ионизации сильно падает, так как не происходит термоионизации. В коммутационных аппаратах, кроме того, принимаются искусственные меры охлаждения дугового пространства и уменьшения числа заряженных частиц. Эти процессы деионизации приводят к постепенному увеличению электрической прочности промежутка u пр (рис. 3, б ).

Резкое увеличение электрической прочности промежутка после перехода тока через нуль происходит главным образом за счет увеличения прочности околокатодного пространства (в цепях переменного тока 150-250В). Одновременно растет восстанавливающееся напряжение u в. Если в любой момент u пр > u в промежуток не будет пробит, дуга не загорится вновь после перехода тока через нуль. Если в какой-то момент u пр = u в, то происходит повторное зажигание дуги в промежутке.

Рис. 3. :

а – погасание дуги при естественном переходе тока через нуль; б – рост электрической прочности дугового промежутка при переходе тока через нуль

Таким образом, задача гашения дуги сводится к созданию таких условий, чтобы электрическая прочность промежутка между контактами u пр была больше напряжения между ними u в.

Процесс нарастания напряжения между контактами отключаемого аппарата может носить различный характер в зависимости от параметров коммутируемой цепи. Если отключается цепь с преобладанием активного сопротивления, то напряжение восстанавливается по апериодическому закону; если в цепи преобладает индуктивное сопротивление, то возникают колебания, частоты которых зависят от соотношения емкости и индуктивности цепи. Колебательный процесс приводит к значительным скоростям восстановления напряжения, а чем больше скорость du в/dt , тем вероятнее пробой промежутка и повторное зажигание дуги. Для облегчения условий гашения дуги в цепь отключаемого тока вводятся активные сопротивления, тогда характер восстановления напряжения будет апериодическим (рис. 3, б ).

3. Способы гашения дуги в коммутационных аппаратах до 1000 В

В коммутационных аппаратах до 1 кВ широко используются следующие способы гашения дуги:

Удлинение дуги при быстром расхождении контактов.

Чем длиннее дуга, тем большее напряжение необходимо для ее существования. Если напряжение источника питания окажется меньше, то дуга гаснет.

Деление длинной дуги на ряд коротких (рис. 4, а ).
Как показано на рис. 1, напряжение на дуге складывается из катодного U к и анодного U а падений напряжений и напряжения ствола дуги U сд:

U д=U к+U а+U сд=U э+ U сд.

Если длинную дугу, возникшую при размыкании контактов, затянуть в дугогасительную решетку из металлических пластин, то она разделится на N коротких дуг. Каждая короткая дуга будет иметь свое катодное и анодное падения напряжений U э. Дуга гаснет, если:

U n U э,

где U - напряжение сети; U э - сумма катодного и анодного падений напряжения (20-25 В в дуге постоянного тока).

Дугу переменного тока также можно разделить на N коротких дуг. В момент прохождения тока через нуль околокатодное пространство мгновенно приобретает электрическую прочность 150-250 В.

Дуга гаснет, если

Гашение дуги в узких щелях.

Если дуга горит в узкой щели, образованной дугостойким материалом, то благодаря соприкосновению с холодными поверхностями происходит интенсивное охлаждение и диффузия заряженных частиц в окружающую среду. Это приводит к быстрой деионизации и гашению дуги.

Рис. 4.

а – деление длинной дуги на короткие; б – затягивание дуги в узкую щель дугогасительной камеры; в – вращение дуги в магнитном поле; г – гашение дуги в масле: 1 – неподвижный контакт; 2 – ствол дуги; 3 – водородная оболочка; 4 – зона газа; 5 – зона паров масла; 6 – подвижный контакт

Движение дуги в магнитном поле.

Электрическая дуга может рассматриваться как проводник с током. Если дуга находится в магнитном поле, то на нее действует сила, определяемая по правилу левой руки. Если создать магнитное поле, направленное перпендикулярно оси дуги, то она получит поступательное движение и будет затянута внутрь щели дугогасительной камеры (рис. 4, б ).

В радиальном магнитном поле дуга получит вращательное движение (рис. 4, в ). Магнитное поле может быть создано постоянными магнитами, специальными катушками или самим контуром токоведущих частей. Быстрое вращение и перемещение дуги способствует ее охлаждению и деионизации.

Последние два способа гашения дуги (в узких щелях и в магнитном поле) применяются также в отключающих аппаратах напряжением выше 1 кВ.

4. Основные способы гашения дуги в аппаратах выше 1 кВ.

В коммутационных аппаратах свыше 1 кВ применяются способы 2 и 3 описанные в п.п. 1.3. а также широко применяются следующие способы гашения дуги:

1. Гашение дуги в масле .

Если контакты отключающего аппарата поместить в масло, то возникающая при размыкании дуга приводит к интенсивному газообразованию и испарению масла (рис. 4, г ). Вокруг дуги образуется газовый пузырь, состоящий в основном из водорода (70-80 %); быстрое разложение масла приводит к повышению давления в пузыре, что способствует ее лучшему охлаждению и деионизации. Водород обладает высокими дугогасящими свойствами. Соприкасаясь непосредственно со стволом дуги, он способствует ее деионизации. Внутри газового пузыря происходит непрерывное движение газа и паров масла. Гашение дуги в масле широко применяется в выключателях.

2. Газовоздушное дутье .

Охлаждение дуги улучшается, если создать направленное движение газов - дутье. Дутье вдоль или поперек дуги (рис. 5) способствует проникновению газовых частиц в ее ствол, интенсивной диффузии и охлаждению дуги. Газ создается при разложении масла дугой (масляные выключатели) или твердых газогенерирующих материалов (автогазовое дутье). Более эффективно дутье холодным неионизированным воздухом, поступающим из специальных баллонов со сжатым воздухом (воздушные выключатели).

3. Многократный разрыв цепи тока .

Отключение большого тока при высоких напряжениях затруднительно. Это объясняется тем, что при больших значениях подводимой энергии и восстанавливающегося напряжения деионизация дугового промежутка усложняется. Поэтому в выключателях высокого напряжения применяют многократный разрыв дуги в каждой фазе (рис. 6). Такие выключатели имеют несколько гасительных устройств, рассчитанных на часть номинального напряжения. Число разрывов на фазу зависит от типа выключателя и его напряжения. В выключателях 500-750 кВ может быть 12 разрывов и более. Чтобы облегчить гашение дуги, восстанавливающееся напряжение должно равномерно распределяться между разрывами. На рис. 6 схематически показан масляный выключатель с двумя разрывами на фазу.

При отключении однофазного КЗ восстанавливающееся напряжение распределится между разрывами следующим образом:

U 1/U 2 = (C 1+C 2)/C 1

где U 1 ,U 2 - напряжения, приложенные к первому и второму разрывам; С 1 – емкость между контактами этих разрывов; C 2 – емкость контактной системы относительно земли.

Рис. 6. Распределение напряжения по разрывам выключателя: а – распределение напряжения по разрывам масляного выключателя; б – емкостные делители напряжения; в – активные делители напряжения.

Так как С 2 значительно больше C 1, то напряжение U 1 > U 2 и, следовательно, гасительные устройства будут работать в неодинаковых условиях. Для выравнивания напряжения параллельно главным контактам выключателя (ГК) включают емкости или активные сопротивления (рис. 16, б , в ). Значения емкостей и активных шунтирующих сопротивлений подбирают так, чтобы напряжение на разрывах распределялось равномерно. В выключателях с шунтирующими сопротивлениями после гашения дуги между ГК сопровождающий ток, ограниченный по значению сопротивлениями, разрывается вспомогательными контактами (ВК).

Шунтирующие сопротивления уменьшают скорость нарастания восстанавливающегося напряжения, что облегчает гашение дуги.

4. Гашение дуги в вакууме .

Высокоразреженный газ (10-6-10-8 Н/см2) обладает электрической прочностью, в десятки раз большей, чем газ при атмосферном давлении. Если контакты размыкаются в вакууме, то сразу же после первого прохождения тока в дуге через нуль прочность промежутка восстанавливается и дуга не загорается вновь.

5. Гашение дуги в газах высокого давления .

Воздух при давлении 2 МПа и более обладает высокой электрической прочностью. Это позволяет создавать достаточно компактные устройства для гашения дуги в атмосфере сжатого воздуха. Еще более эффективно применение высокопрочных газов, например шестифторисгой серы SF6 (элегаз). Элегаз обладает не только большей электрической прочностью, чем воздух и водород, но и лучшими дугогасящими свойствами даже при атмосферном давлении.

Введение

Способы гашения электрической дуги… Тема актуальна и интересна. Итак начнем. Задаемся вопросами: Что такое электрическая дуга? Как её контролировать? Какие процессы происходят при её образовании? Из чего она состоит? И как выглядит.

Что такое электрическая дуга?

Электрическая дуга (Вольтова дуга, Дуговой разряд ) -- физическое явление, один из видов электрического разряда в газе. Впервые была описана в 1802 году русским учёным В.В.Петровым.

Электрическая дуга является частным случаем четвёртой формы состояния вещества -- плазмы -- и состоит из ионизированного, электрически квазинейтрального газа. Присутствие свободных электрических зарядов обеспечивает проводимость электрической дуги.

Образование и свойства дуги

При увеличении напряжения между двумя электродами до определённого уровня в воздухе между электродами возникает электрический пробой. Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния между электродами и пр. Зачастую, для инициирования пробоя при имеющемся напряжении электроды приближают друг к другу. Во время пробоя между электродами обычно возникает искровой разряд, импульсно замыкая электрическую цепь.

Электроны в искровых разрядах ионизируют молекулы в воздушном промежутке между электродами. При достаточной мощности источника напряжения, в воздушном промежутке образуется достаточное количество плазмы для того, чтобы напряжение пробоя (или сопротивление воздушного промежутка) в этом месте значительно упало. При этом искровые разряды превращаются в дуговой разряд -- плазменный шнур между электродами, являющийся плазменным тоннелем. Эта дуга является по сути проводником, и замыкает электрическую цепь между электродами, средний ток увеличивается ещё больше нагревая дугу до 5000-50000 K. При этом считается, что поджиг дуги завершён.

Взаимодействие электродов с плазмой дуги приводит к их нагреву, частичному расплавлению, испарению, окислению и другим видам коррозии. Электрическая сварочная дуга представляет собой мощный электрический разряд, протекающий в газовой среде. Дуговой разряд характеризуется двумя основными особенностями: выделением значительного количества тепла и сильным световым эффектом. Температура обычной сварочной дуги около 6000°С.

Свет дуги ослепительно яркий и используется в различных осветительных устройствах. Дуга излучает большое количество видимых и невидимых тепловых (инфракрасных) и химических (ультрафиолетовых) лучей. Невидимые лучи вызывают воспаление глаз и обжигают кожу человека, поэтому для защиты от них сварщики применяют специальные щитки и спецодежду.

Использование дуги

В зависимости от среды, в которой происходит дуговой разряд, различают следующие сварочные дуги:

1. Открытая дуга. Горит в воздухе. Состав газовой среды зоны дуги-- воздух с примесью паров свариваемого металла, материала электродов и электродных покрытий.

2. Закрытая дуга. Горит под слоем флюса. Состав газовой среды зоны дуги -- пары основного металла, материала электрода и защитного флюса.

3. Дуга с подачей защитных газов. В дугу подаются.под давлением различные газы -- гелий, аргон, углекислый газ, водород, светильный газ и различные смеси газов. Состав газовой среды в зоне дуги -- атмосфера защитного газа, пары материала электрода и основного металла.

Питание дуги может осуществляться от источников постоянного или переменного тока. В случае питания постоянным током различают дугу прямой полярности (минус источника питания на электроде, плюс -- на основном металле) и обратной полярности (минус на основном металле, плюс на электроде). В зависимости от материала электродов дуги различают с плавким (металлическим) и неплавким (угольным, вольфрамовым, керамическим и др.) электродами.

При сварке дуга может быть прямого действия (основной металл участвует в электрической цепи дуги) и косвенного действия (основной металл не участвует в электрической цепи дуги). Дуга косвенного действия применяется сравнительно мало.

Плотность тока в сварочной дуге может быть различна. Применяются дуги с нормальной плотностью тока -- 10--20 а/мм2 (обычная ручная сварка, сварка в некоторых защитных газах) и с большой плотностью тока -- 80--120 а/мм2 и больше (автоматическая, полуавтоматическая сварка под флюсом, в среде защитных газов).

Возникновение дугового разряда возможно только в случае, когда газовый столб между электродом и основным металлом будет ионизирован, т. е. будет содержать ионы и электроны. Это достигается тем, что газовой молекуле или атому сообщается соответствующая энергия, называемая энергией ионизации, в результате чего из атомов и молекул выделяются электроны. Среду дугового разряда можно представить газовым проводником электрического тока,имеющим круглоцилиндрическую форму. Состоит дуга из трех областей -- катодная область, столб дуги, анодная область.

Во время горения дуги на электроде и основном металле наблюдаются активные пятна, которые представляют собой нагретые участки на поверхности электрода и основного металла; через эти пятна проходит весь ток дуги. На катоде пятно именуется катодным, на аноде -- анодным. Сечение средней части столба дуги несколько больше размеров катодного и анодного пятен. Его размер соответственно зависит от размеров активных пятен.

Напряжение дуги изменяется в зависимости от плотности тока. Эта зависимость, изображенная графически, называется статической характеристикой дуги. При малых значениях плотности тока статическая характеристика имеет падающий характер, т. е. напряжение дуги уменьшается по мере увеличения тока. Это обусловлено тем, что с увеличением тока площадь сечения столба дуги и электропроводность увеличиваются, а плотность тока и градиент потенциала в столбе дуги уменьшаются. Величина катодного и анодного падений напряжений дуги не изменяется от величины тока и зависит только от материала электрода, основного металла, газовой среды и давления газа в зоне дуги.

При плотностях тока сварочной дуги обычных режимов, применяемых при ручной сварке, напряжение дуги не зависит от величины тока, так как площадь сечения столба дуги увеличивается пропорционально току, а электропроводность изменяется весьма мало, и плотность тока в столбе дуги практически остается постоянной. При этом величина катодного и анодного падений напряжений остается неизменной. В дуге большой плотности тока при увеличении силы тока катодное пятно и сечение столба дуги не могут увеличиваться, хотя плотность тока возрастает пропорционально силе тока. При этом температура и электропроводность столба дуги несколько повышаются.

Напряжение электрического поля и градиент потенциала столба дуги будут возрастать с увеличением силы тока. Катодное падение напряжения увеличивается, вследствие чего статическая характеристика будет носить возрастающий характер, т. е. напряжение дуги с увеличением тока дуги будет возрастать. Возрастающая статическая характеристика является особенностью дуги высокой плотности тока в различных газовых средах. Статические характеристики относятся к установившемуся стационарному состоянию дуги при неизменной ее длине.

Устойчивый процесс горения дуги при сварке может происходить при соблюдении определенных условий. На устойчивость процесса горения дуги влияет ряд факторов; напряжение холостого хода источника питания дуги, род тока, величина тока, полярность, наличие индуктивности в цепи дуги, наличие емкости, частота тока и др.

Способствуют улучшению устойчивости дуги увеличение тока, напряжения холостого хода источника питания дуги, включение индуктивности в цепь дуги, увеличение частоты тока (при питании переменным током) и ряд других условий. Устойчивость может быть также существенно улучшена за счет применения специальных электродных обмазок, флюсов, защитных газов и ряда других технологических факторов.

гашение электрическая дуга сварочный