Какие факторы способствуют образованию электрической дуги

2.7. Образование электрической дуги

Размыкание электрической цепи при значительных токах и напряжениях, как правило, сопровождается электрическим разрядом между расходящимися контактами. При расхождении контактов резко возрастает переходное сопротивление контакта и плотность тока в последней площадке контактирования. Контакты разогреваются до расплавления, и образуется контактный перешеек из расплавленного металла, который при дальнейшем расхождении контактов рвется, и происходит испарение металла контактов. Воздушный промежуток между контактами ионизируется и становится проводящим, в нем под действием высокого напряжения, возникающего вследствие законов коммутации, появляется электрическая дуга.

Электрическая дуга способствует разрушению контактов и снижает быстродействие коммутационного аппарата, так как ток в цепи спадает до нуля не мгновенно. Воспрепятствовать появлению дуги можно увеличением сопротивления цепи, в которой происходит размыкание контактов, увеличением расстояния между контактами либо применением специальных мер дугогашения.

Произведение предельных значений напряжения и тока в цепи, при которых электрическая дуга не возникает при минимальном расстоянии между контактами, называется разрывной или коммутируемой мощностью контактов. По мере повышения напряжения в цепи предельный коммутируемый ток приходится ограничивать. Коммутируемая мощность зависит также от постоянной времени цепи: чем больше тем меньшую мощность могут коммутировать контакты. В цепях переменного тока электрическая дуга гаснет в момент, когда мгновенное значение тока равно нулю. Дуга может вновь появиться в следующий полупериод, если напряжение на контактах возрастает быстрее, чем восстанавливается электрическая прочность промежутка между контактами. Однако во всех случаях дуга в цепи переменного тока менее устойчива, а разрывная мощность контактов в несколько раз выше, чем в цепи постоянного тока. На контактах маломощных электрических аппаратов электрическая дуга появляется редко, но часто наблюдается искрение ‑ пробой изоляционного промежутка, образованного при быстром размыкании контактов в слаботочных цепях. Это особенно опасно в чувствительных и быстродействующих аппаратах (реле), в которых расстояние между контактами очень мало. Искрение сокращает срок службы контактов, может привести к ложным срабатываниям. Для уменьшения искрения на контактах применяют специальные устройства искрогашения.

Устройство дуго- и искрогашения.

Наиболее эффективным способом гашения электрической дуги является ее охлаждение за счет перемещения в воздухе, соприкосновения с изоляционными стенками специальных камер, которые отбирают теплоту дуги.

В современных аппаратах широкое распространение получили дугогасительные камеры с узкой щелью и магнитным дутьем. Дугу можно рассматривать как проводник с током; если его поместить в магнитное поле, то возникнет сила, которая вызовет перемещение дуги. При своем движении дуга обдувается воздухом; попадая в узкую щель между двумя изоляционными пластинами, она деформируется и вследствие повышения давления в щели камеры гаснет (рис. 21).

Рис. 21. Устройство камеры дугогашения с узкой щелью

Щелевая камера образована двумя стенками 1, выполненными из изоляционного материала. Зазор между стенками очень мал. Катушка 4, включенная последовательно с главными контактами 3, возбуждает магнитный поток который направляется ферромагнитными наконечниками 2 в пространство между контактами. В результате взаимодействия дуги и магнитного поля появляется сила вытесняющая дугу к пластинам 1. Данная сила называется сила Лоренца, которая определяется как:

где ‑ заряд частицы [Кулон],

‑скорость заряженной частицы в поле[м/с],

‑магнитная индукция поля [Теслы],

‑сила, действующая на заряженную частицу [Ньютоны],

‑угол между вектором скорости и вектором магнитной индукции.

Можно сказать что скорость частицы в проводнике равна: где ‑ длина проводника (дуги), а ‑ время прохождения заряженной частицы по дуге. В свою очередь ток ‑ это количество заряженных частиц в секунду через поперечное сечение проводника . То есть можно записать:

где ‑ ток в проводнике (дуге) [Амперы],

‑длина проводника (дуги) [метры],

‑магнитная индукция поля [Теслы],

‑сила, действующая на проводник (дугу)[Ньютоны],

‑угол между вектором тока и вектором магнитной индукции.

Направление силы соответствует правилу левой руки: магнитные силовые линии упираются в ладонь, выпрямленные четыре пальца располагаются по направлению тока отогнутый большой палец показывает направление электромагнитной силы . Описанное действие магнитного поля (индукции ) называют электромеханическим или силовым, а полученное выражение ‑ законом электромагнитных сил.

Эта конструкция дугогасительной камеры применяется и на переменном токе, так как с изменением направления тока изменяется направление потока а направление силы остается неизменным.

Для уменьшения искрения на маломощных контактах постоянного тока применяют включение диода параллельно нагрузочному устройству (рис. 22).

Рис. 22. Включение диода для уменьшения искрения

При этом цепь после коммутации (после отключения источника) замыкается через диод, таким образом уменьшается энергия искрообразовния.

Процесс образования электрической дуги и способы ее гашения

При размыкании электрической цепи возникает электрический разряд в виде электрической дуги. Для появления электрической дуги достаточно, чтобы напряжение на контактах было выше 10 В при токе в цепи порядка 0,1А и более. При значительных напряжениях и токах температура внутри дуги может достигать 3 — 15 тыс. °С, в результате чего плавятся контакты и токоведущие части.

При напряжениях 110 кВ и выше длина дуги может достигать нескольких метров. Поэтому электрическая дуга, особенно в мощных силовых цепях, на напряжение выше 1 кВ представляет собой большую опасность, хотя серьезные последствия могут быть и в установках на напряжение ниже 1 кВ. Вследствие этого электрическую дугу необходимо максимально ограничить и быстро погасить в цепях на напряжение как выше, так и ниже 1 кВ.

Причины возникновения электрический дуги

Процесс образования электрической дуги может быть упрощенно представлен следующим образом. При расхождении контактов вначале уменьшается контактное давление и соответственно контактная поверхность, увеличиваются переходное сопротивление ( плотность тока и температура — начинаются местные (на отдельных участках площади контактов) перегревы, которые в дальнейшем способствуют термоэлектронной эмиссии, когда под воздействием высокой температуры увеличивается скорость движения электронов и они вырываются с поверхности электрода.

В момент расхождения контактов, то есть разрыва цепи, на контактном промежутке быстро восстанавливается напряжение. Поскольку при этом расстояние между контактами мало, возникает электрическое поле высокой напряженности, под воздействием которого с поверхности электрода вырываются электроны. Они разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать хотя бы один электрон с оболочки нейтрального атома, то происходит процесс ионизации.

Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги, то есть ионизированного канала, в котором горит дуга и обеспечивается непрерывное движение частиц. При этом отрицательно заряженные частицы, в первую очередь электроны, движутся в одном направлении (к аноду), а атомы и молекулы газов, лишенные одного или нескольких электронов, — положительно заряженные частицы — в противоположном направлении (к катоду). Проводимость плазмы близка к проводимости металлов.

В стволе дуги проходит большой ток и создается высокая температура. Такая температура ствола дуги приводит к термоионизации — процессу образования ионов вследствие соударения молекул и атомов, обладающих большой кинетической энергией при высоких скоростях их движения (молекулы и атомы среды, где горит дуга, распадаются на электроны и положительно заряженные ионы). Интенсивная термоионизация поддерживает высокую проводимость плазмы. Поэтому падение напряжения по длине дуги невелико.

В электрической дуге непрерывно протекают два процесса: кроме ионизации, также деионизация атомов и молекул. Последняя происходит в основном путем диффузии, то есть переноса заряженных частиц в окружающую среду, и рекомбинации электронов и положительно заряженных ионов, которые воссоединяются в нейтральные частицы с отдачей энергии, затраченной на их распад. При этом происходит теплоотвод в окружающую среду.

Таким образом, можно различить три стадии рассматриваемого процесса: зажигание дуги, когда вследствие ударной ионизации и эмиссии электронов с катода начинается дуговой разряд и интенсивность ионизации выше, чем деионизации, устойчивое горение дуги, поддерживаемое термоионизацией в стволе дуги, когда интенсивность ионизации и деионизации одинакова, погасание дуги, когда интенсивность деионизации выше, чем ионизации.

Способы гашения дуги в коммутационных электрических аппаратах

Для того чтобы отключить элементы электрической цепи и исключить при этом повреждение коммутационного аппарата, необходимо не только разомкнуть его контакты, но и погасить появляющуюся между ними дугу. Процессы гашения дуги, так же как и горения, при переменном и постоянном токе различны. Это определяется тем, что в первом случае ток в дуге каждый полупериод проходит через нуль. В эти моменты выделение энергии в дуге прекращается и дуга каждый раз самопроизвольно гаснет, а затем снова загорается.

Практически ток в дуге становится близким нулю несколько раньше перехода через нуль, так как при снижении тока энергия, подводимая к дуге, уменьшается, соответственно снижается температура дуги и прекращается термоионизация. При этом в дуговом промежутке интенсивно идет процесс деионизации. Если в данный момент разомкнуть и быстро развести контакты, то последующий электрический пробой может не произойти и цепь будет отключена без возникновения дуги. Однако практически это сделать крайне сложно, и поэтому принимают специальные меры ускоренного гашения дуги, обеспечивающие охлаждение дугового пространства и уменьшение числа заряженных частиц.

В результате деионизации постепенно увеличивается электрическая прочность промежутка и одновременно растет восстанавливающееся напряжение на нем. От соотношения этих величин и зависит, загорится ли на очередную половину периода дуга или нет. Если электрическая прочность промежутка возрастает быстрее и оказывается больше восстанавливающего напряжения, дуга больше не загорится, в противном же случае будет обеспечено устойчивое горение дуги. Первое условие и определяет задачу гашения дуги.

В коммутационных аппаратах используют различные способы гашения дуги.

При расхождении контактов в процессе отключения электрической цепи возникшая дуга растягивается. При этом улучшаются условия охлаждения дуги, так как увеличивается ее поверхность и для горения требуется большее напряжение.

Деление длинной дуги на ряд коротких дуг

Если дугу, образовавшуюся при размыкании контактов, разделить на К коротких дуг, например затянув ее в металлическую решетку, то она погаснет. Дуга обычно затягивается в металлическую решетку под воздействием электромагнитного поля, наводимого в пластинах решетки вихревыми токами. Этот способ гашения дуги широко используется в коммутационных аппаратах на напряжение ниже 1 кВ, в частности в автоматических воздушных выключателях.

Охлаждение дуги в узких щелях

Гашение дуги в малом объеме облегчается. Поэтому в коммутационных аппаратах широко используют дугогасительные камеры с продольными щелями (ось такой щели совпадает по направлению с осью ствола дуги). Такая щель обычно образуется в камерах из изоляционных дугостойких материалов. Благодаря соприкосновению дуги с холодными поверхностями происходят ее интенсивное охлаждение, диффузия заряженных частиц в окружающую среду и соответственно быстрая деионизация.

Кроме щелей с плоскопараллельными стенками, применяют также щели с ребрами, выступами, расширениями (карманами). Все это приводит к деформации ствола дуги и способствует увеличению площади соприкосновения ее с холодными стенками камеры.

Втягивание дуги в узкие щели обычно происходит под действием магнитного поля, взаимодействующего с дугой, которая может рассматриваться как проводник с током.

Внешнее магнитное поле для перемещения дуги наиболее часто обеспечивают за счет катушки, включаемой последовательно с контактами, между которыми возникает дуга. Гашение дуги в узких щелях используют в аппаратах на все напряжения.

Гашение дуги высоким давлением

При неизменной температуре степень ионизации газа падает с ростом давления, при этом возрастает теплопроводность газа. При прочих равных условиях это приводит к усиленному охлаждению дуги. Гашение дуги при помощи высокого давления, создаваемого самой же дугой в плотно закрытых камерах, широко используется в плавких предохранителях и ряде других аппаратов.

Гашение дуги в масле

Если контакты выключателя помещены в масло, то возникающая при их размыкании дуга приводит к интенсивному испарению масла. В результате вокруг дуги образуется газовый пузырь (оболочка), состоящий в основном из водорода (70. 80 %), а также паров масла. Выделяемые газы с большой скоростью проникают непосредственно в зону ствола дуги, вызывают перемешивание холодного и горячего газа в пузыре, обеспечивают интенсивное охлаждение и соответственно деионизацию дугового промежутка. Кроме того, деионизирующую способность газов повышает создаваемое при быстром разложении масла давление внутри пузыря.

Интенсивность процесса гашения дуги в масле тем выше, чем ближе соприкасается дуга с маслом и быстрее движется масло по отношению к дуге. Учитывая это, дуговой разрыв ограничивают замкнутым изоляционным устройством — дугогасительной камерой . В этих камерах создается более тесное соприкосновение масла с дугой, а при помощи изоляционных пластин и выхлопных отверстий образуются рабочие каналы, по которым происходит движение масла и газов, обеспечивая интенсивное обдувание (дутье) дуги.

Дугогасительные камеры по принципу действия разделяют на три основные группы: с автодутьем, когда высокие давление и скорость движения газа в зоне дуги создаются за счет выделяющейся в дуге энергии, с принудительным масляным дутьем при помощи специальных нагнетающих гидравлических механизмов, с магнитным гашением в масле, когда дуга под действием магнитного поля перемещается в узкие щели.

Наиболее эффективны и просты дугогасительные камеры с автодутьем . В зависимости от расположения каналов и выхлопных отверстий различают камеры, в которых обеспечивается интенсивное обдувание потоками газопаровой смеси и масла вдоль дуги (продольное дутье) или поперек дуги (поперечное дутье). Рассмотренные способы гашения дуги широко используются в выключателях на напряжение выше 1 кВ.

Другие способы гашения дуги в аппаратах на напряжение выше 1 кВ

Кроме указанных выше способов гашения дуги, используют также: сжатый воздух, потоком которого вдоль или поперек обдувается дуга, обеспечивая ее интенсивное охлаждение (вместо воздуха применяются и другие газы, часто получаемые из твердых газогенерирующих материалов — фибры, винипласта и т. п. — за счет их разложения самой горящей дугой), элегаз (шестифтористая сера), обладающий более высокой электрической прочностью, чем воздух и водород, в результате чего дуга, горящая в этом газе, даже при атмосферном давлении достаточно быстро гасится, высокоразреженный газ (вакуум), при размыкании контактов в котором дуга не загорается вновь (гаснет) после первого прохождения тока через нуль.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Дуга. Условия возникновения и горения дуги. Способы гашения 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 Uк, Uсд, Uа. 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. Изменение тока и напряжения при гашении дуги переменного тока в цепи с индуктивной нагрузкой.

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 ucд меняется синусоидально, так же меняется ток в цепи i (рис. 2), причем ток отстает от напряжения примерно на 90°. Напряжение на дуге uд, горящей между контактами выключателя, непостоянно. При малых токах напряжение возрастает до величины uз (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 uг. 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 — uвз (рис. 2, точка А). Однако поскольку в цепи имеются индуктивные, активные и емкостные сопротивления, возникает переходный процесс, появляются колебания напряжения (рис. 2), амплитуда которых Uв,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.

2. Условия гашения дуги переменного тока

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 tп 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 uпр (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 uв . Если в любой момент uпр > uв промежуток не будет пробит, дуга не загорится вновь после перехода тока через нуль. Если в какой-то момент uпр = uв , то происходит повторное зажигание дуги в промежутке.

Рис. 3. Условия гашения дуги переменного тока:

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 uпр была больше напряжения между ними uв.

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 duв/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 Uк и анодного Uа падений напряжений и напряжения ствола дуги Uсд:

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 Uэ. Дуга гаснет, если:

U U2 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.

Электрическая дуга: что это такое, причины возникновения, свойства

Вопросы и ответы

Что такое электрическая дуга?

Это загадочное явление впервые описал русский ученый В. Петров. Он создал электрическую дугу, используя батарею из тысяч медных и цинковых пластин. Изучая процесс зажигания дуги постоянным током, исследователь пришел к выводу, что воздушный зазор между электродами при определенных условиях приобретает электропроводность.

Одним из условий возникновения электрического пробоя является достаточно высокая разность потенциалов на концах электродов. Чем выше напряжение, тем больший газовый зазор может преодолеть разряд. При этом образуется электропроводный газовый столб, сильно нагревающийся при горении дуги.

Рис. 2. Электрическая дуга

Возникает резонный вопрос: «Почему воздух, являющийся в обычном состоянии прекрасным изолятором, вдруг становится проводником?».

Объяснение может быть только одно — в стволе дуги образуются носители заряда, способные двигаться под действием электрического поля. Поскольку в воздухе, в отличие от металлов, нет свободных электронов, напрашивается только один вывод — ионизация газов (см рис. 3). То есть начало процесса насыщения газа ионами, являющимися носителями электрического заряда.

Рис. 3. Физика электрической дуги

Ионизация воздуха происходит под действием различных видов излучений, в том числе рентгеновских и космических лучей. Поэтому в воздухе всегда присутствует небольшое количество ионов. Но так как ионы практически сразу рекомбинируют (превращаются в нейтральные атомы и молекулы), концентрация заряженных частиц всегда мизерна. Получить дугу при такой концентрации невозможно.

Для возникновения дугового разряда необходим лавинообразный процесс ионизации. Это может быть вызвано сильным нагревом газа, происходящим при зажигании.

Когда контакты размыкаются, испускаются электроны, которые скапливаются в очень маленьком пространстве. Под действием напряженности электрического поля отрицательные заряды устремляются к электроду с положительным знаком.

При достижении напряжения пробоя между электродами возникает искровой разряд, который нагревает область между электродами. Если ток достаточно большой, то количества тепла будет достаточно, чтобы начался лавинный процесс ионизации воздуха.

В области, называемой дуговым промежутком, образуется стебель, называемый столбом дуги, состоящий из горячей проводящей плазмы. Через этот стержень протекает ток, поддерживающий нагрев плазмы. Так происходит процесс зажигания дугового разряда.

Насыщение ядра плазмы ионами разных знаков приводит к значительному увеличению плотности тока, а также к рекомбинации части ионов. Плазменный нагрев также приводит к повышению давления в сосуде. Поэтому часть ионов уходит в окружающее пространство.

Если не поддерживать образование новых зарядов, дуга погаснет. Как мы уже выяснили, устойчивому горению сопутствуют 2 фактора: наличие напряжения между электродами и поддержание высокой температуры плазмы. Исключение одного из них приведет к гашению дуги.

Таким образом, мы можем сформулировать определение электрической дуги. Электрическая дуга – разновидность искрового разряда, сопровождающаяся большой плотностью тока, временем горения, малым падением напряжения на стволовом промежутке, характеризующаяся повышенным давлением газа, в котором поддерживается высокая температура.

Электрическая дуга отличается от обычного разряда более длительным временем горения.

Природа и строение

За короткое время можно нагреть металл до точки плавления мощной сварочной дугой. Его характеристики характеризуются плотностью тока, показателями напряжения тока. С точки зрения электротехники столб дуги представляет собой проводник ионизированного газа между катодом и анодом, обладающий высоким сопротивлением, способностью светиться.

Детальная оценка структуры сварочной дуги поможет понять суть температурного воздействия. Длина электрической дуги в среднем составляет 5 мм, она делится на основные зоны:

• анод, не более 10 мкм;
• катод, он в 10 раз меньше анода;
• столб — видимая светящаяся полоса.

Поток свободных электронов отвечает за температуру сварочной дуги. Они образуются в точке катода. Он нагревается до 38% от температуры плазмы. В столбе дуги электроны движутся к аноду, а положительные частицы – к катоду. Колонка не имеет собственного заряда, она остается нейтральной.

Внутри частицы нагреваются до 10000°С, металл нагревается в среднем до 2350°С, стандартная температура ванны расплава составляет 1700°С.

Место входа и нейтрализации электронов называется анодной точкой. Его температура на 4–6 % выше, чем у катода%.

Напряжение в анодной и катодной зонах значительно снижается, свечение не происходит. Видна только плазма, излучающая ультрафиолетовые, инфракрасные и световые волны. Они вредны для органов зрения, кожи. Поэтому сварщики используют средства индивидуальной защиты.

Структура сварочной дуги

Виды сварочной дуги

Существует несколько критериев классификации сварочной дуги. По роду сварочного тока и положению электрода по отношению к свариваемым элементам различают следующие варианты:

• прямое действие, разряд идет перпендикулярно заготовке, параллельно электроду;
• непрямого действия, разряд возникает между двумя электродами, наклоненными друг к другу под углом от 40 до 60°, и металлом.

Классификация состава плазмы колонки:

• открытый тип возникает в воздушной атмосфере за счет компонентов, испаряющихся из покрытия и металла;
• закрытый, который возникает под слоем флюса за счет газовой фазы, образующейся из частиц электрода, металла, компонентов флюса при прохождении разряда;
• с подачей газовой смеси или однокомпонентного защитного газа.

Дуговая сварка классифицируется в зависимости от материала электрода розжига. Используйте электроды:

• вольфрамовый огнеупор
• углерод или графит;
• стали с различными видами покрытий, в состав которых входят ионизирующие компоненты.

По продолжительности воздействия различают стационарную (постоянную) электрическую дугу и пульсирующую дугу, применяемую при контактной сварке.

Условия горения

Суть сварочного процесса заключается в преобразовании электрической энергии в тепловую.

Для поддержания сварочного столба необходимо создать условия для быстрой ионизации газа: детали нагревают так, чтобы воздух вокруг них был теплым, или в рабочую зону подают газ, способный к ионизации. Наиболее легко ионизируются частицы щелочных и щелочноземельных металлов. При пропускании тока через стержень их частицы становятся активными.

Чтобы столб дуги не затухал, важно поддерживать постоянную температуру в районе катода. Это напрямую зависит от химического состава катода, его площади. Нужную температуру поддерживает источник питания, в промышленных условиях она достигает 7 тысяч градусов.

Как возникает электрическая сварочная дуга

Как и любой электрический разряд, сварочная дуга возникает при замыкании цепи. Наличие тока при касании электродом свариваемого металла приводит к выделению большого количества тепла.

В месте замыкания появляется расплав, он распространяется на кончик электрода, образуется шейка, которая моментально разбрызгивается за счет сильного тока. Происходит ионизация молекул воздуха и защитное облако, они несут поток электронов.

Направление потока зависит от вида тока. Дуга зажигается на постоянном токе обратной и прямой полярности, на переменном. Частота гашения и зажигания электрической дуги зависит от параметров рабочего тока.

Чем определяется мощность сварочной дуги

На рабочие параметры электрической дуги влияет несколько факторов:

• напряжения, увеличение приводит к увеличению мощности только на небольшой площади, есть ограничения по размеру электрода;
• сила тока, высокая сила тока обеспечивает стабильное горение;
• величина плазменного напряжения, пропорциональная мощности.

Длина сварочной дуги – это расстояние от сварочной воронки до кончика электрода. От этого значения зависит количество выделяемого тепла.

Мощность сварочной дуги определяет скорость плавления металла. От этой характеристики зависит время сварки. Сила тока регулируется для регулировки температуры в рабочей зоне; даже на длинном столбе дуга не гаснет при большой силе тока. Напряжение редко меняется в процессе сварки.

Вольт-амперная характеристика

CVC описывает зависимость от текущих параметров. Эта таблица используется для определения:

• мощность дуги;
• время горения,
• коэффициент вымирания.

Dynamic IV описывает переходное состояние дуги при изменении ее длины. Статическая вольт-амперная характеристика отражает зависимость напряжения от силы тока при постоянной длине дуги. График разделен на три области:

• падающее — при увеличении силы тока напряжение резко падает, это связано с образованием столба: увеличивается площадь поперечного сечения потока плазмы, изменяется электропроводность плазмы;
• жесткая, это участок со стабильной плотностью тока и падением напряжения, при увеличении силы тока от 100 до 1000 А пропорционально увеличивается диаметр столба дуги (соответственно изменяются анодное и катодное пятна);
• возрастающая, характеризуется постоянным размером катодного острия, ограничивается диаметром электрода, с увеличением силы тока, согласно закону Ома, увеличивается U, R столба дуги.

Статическая вольт-амперная характеристика сварочной дуги: 1 — падающая; 2 — жесткий; 3 — возрастающая.

Вольт-амперная характеристика обычного процесса ручной сварки плавящимся и неплавящимся электродами на воздухе или в облаке газового покрытия ограничена первыми двумя диапазонами, сила тока не достигает третьего. Механизированная сварка с применением флюсов соответствует схемам II и III участков, сварка плавящимся электродом в защитном атмосферном облаке — III.

При использовании оборудования, генерирующего переменный ток, зажигание сварочной дуги происходит в каждом полупериоде, в верхней точке зажигания. При переходе через ноль электрическая дуга затухает, прекращается нагрев активных точек.

Покрытия электродов, содержащие активные щелочные металлы, повышают устойчивость к ионизации. Защитное облако затрудняет воспламенение на переменном токе, но поддерживает горение на постоянном токе. Между полюсами происходит ионизация молекул газа.

При выборе оборудования необходимо учитывать, что ВАХ электрической дуги зависит от внешней ВАХ. Работа сварочного аппарата рассматривается как наложение графиков. Для ручной сварки необходимы источники питания с падающими диапазонами IV (высокое напряжение холостого хода), чтобы иметь возможность изменять длину дуги, регулируя силу тока.

Сила тока короткого замыкания при падении капли с плавящегося электрода на свариваемый металл на 20-50 % выше силы тока дуги. При сварке плавящимся электродом применяют размыкающую дугу. Для зажигания дуги с вольфрамовым или угольным электродом желателен вспомогательный разряд.

При больших токах короткого замыкания возрастает риск ожога металла. При падении капли происходит короткое замыкание, затем оно резко увеличивается до исходных значений — ток увеличивается до значения тока короткого замыкания, образовавшийся мостик прогорает, дуга снова возбуждается.

Изменения тока и напряжения в столбе происходят мгновенно, за доли секунды. Сварочное оборудование должно быстро реагировать на колебания, стабилизировать напряжение.

Особенности дуги

Благодаря своим особым свойствам электрическая дуга применяется при сварке тугоплавкими и плавящимися электродами. Он быстро нагревает металл и образует расплавленную ванну. Электрический ток эффективно преобразуется в тепловую энергию с минимальными потерями.

По происхождению электрическую сварочную дугу можно сравнить с другими видами электрических зарядов. Основные характеристики лука:

• высокая температура, создаваемая плотным током (сила тока зависит от длины столба, достигая тысяч А на см2);
• малые значения анодного и катодного падения напряжения, слабо зависящие от изначально заданного напряжения;
• неравномерное распределение напряжения электрического поля между полюсами;
• пространственная устойчивость;
• саморегулирование мощности, В переменного тока;
• четко очерченные границы, четко видимые в окружающей среде.

Зажигание осуществляется двумя способами:

• короткое прикосновение (электрод проводится впритык, увеличивается риск прилипания);
• ударная (невозможна в труднодоступных местах).

Строение

Электрическая дуга состоит из трех основных зон:

• катодный;
• анод;
• плазменный столб.

В сварочных дугах размеры катодной и анодной зон незначительны по сравнению с длиной столба. Толщина этих зон составляет тысячные доли миллиметра. В области катодного падения напряжения (на конце отрицательного электрода) наблюдается наличие катодных пятен, которые образуются в результате сильного нагрева.

На рис. 4 представлена ​​схема структуры дуги, создаваемой сварочным аппаратом.

Рис. 4. Структура сварочной дуги

Примечание. Для наглядности зоны электродов на изображении сильно преувеличены. На самом деле их толщина измеряется в микронах.

Свойства

Высокая плотность тока в стержне электрической дуги определяет основные характеристики:

1. Чрезвычайно высокая температура плазменного ствола и приэлектродных зон.
2. Длительное горение при сохранении условий для образования ионов.

Эти характеристики необходимо учитывать при возникновении электрической дуги и при ее использовании в некоторых областях.

Полезное применение

Как ни странно, физики нашли применение этому электрическому явлению еще на этапе развития науки об электричестве. Примером тому является лампочка Яблочкова. Он состоял из двух угольных электродов, между которыми зажигалась электрическая дуга.

У этой лампы было два недостатка. Электроды быстро изнашивались (перегорали), а световой спектр смещался в ультрафиолетовую зону, что негативно сказывалось на зрении. По этим причинам дуговые лампы не получили широкого распространения и были быстро заменены лампами накаливания, которые существуют до сих пор.

Исключение составляют дуговые разрядные лампы, а также мощные прожекторы, которые в основном используются в военных целях.
Дуговой разряд получил широкое практическое применение с момента изобретения сварочного аппарата. Дуговая сварка применяется для сварки металлов. (см рис. 5)

Рис. 5. Дуговая сварка

За счет проводимости плазмы, включения в сварочный контур специальных сварочных электродов достигается высокая температура в сосредоточенном месте. Регулируя сварочный ток, сварщик имеет возможность настроить аппарат на нужную температуру дугового разряда. Для защиты ствола от потери тепла металлические электроды покрыты специальной смесью, обеспечивающей стабильность горения.

Электрическая дуга используется в доменных печах для плавки металлов. Дуговая плавка практична тем, что можно регулировать температуру, изменяя параметры тока.

Наряду с полезными приложениями в электротехнике часто приходится иметь дело с дуговыми разрядами. Неуправляемый дуговой разряд может нанести значительный ущерб линиям электропередач, в промышленных и бытовых сетях.

Рис. 6. Дуговой разряд на линиях электропередач

Причины возникновения

Исходя из определения, можно назвать условия возникновения электрической дуги:

• наличие биполярных электродов с большими токами;
• создать искровой разряд;
• поддержание напряжения на электродах;
• обеспечить условия для поддержания температуры стебля.

Искровой разряд возникает в двух случаях: при кратковременном контакте с электродами или при приближении к параметрам пробоя. Серьезный электрический сбой всегда приводит к воспламенению ствола.

При сохранении оптимальной длины дуги температура плазмы поддерживается независимо. Но при увеличении зазора между электродами происходит интенсивный теплообмен ствола с окружающим воздухом. Наконец, в стволе из-за падения температуры лавинообразно прекратится образование ионов, в результате чего пламя погаснет.

Поломки часто случаются на высоковольтных линиях. Они могут привести к разрушению изоляторов и другим негативным последствиям. Длинная дуга довольно быстро гаснет, но даже при коротком времени горения ее разрушительная сила огромна.

Дуга имеет тенденцию образовываться, когда контакты размыкаются. В этом случае контакты выключателя быстро перегорают, электрическая цепь остается замкнутой до исчезновения штока. Это опасно не только для сетей, но и для людей.

Способы гашения

Следует отметить, что искрение возникает по разным причинам. Например, в результате охлаждения колонки, падения напряжения или при вытеснении воздуха между электродами сторонними парами, препятствующими ионизации.

Для предотвращения образования дуг на высоковольтных линиях ЛЭП их разносят на большое расстояние, что исключает возможность пробоя. Если произойдет пробой между проводами, длинный ствол быстро остынет и произойдет гашение.

Для охлаждения ствола его иногда делят на несколько составных частей. Этот принцип часто используется при конструировании реле расхода воздуха, рассчитанных на напряжение до 1 кВ.

Некоторые модели автоматических выключателей состоят из нескольких дуг, что способствует быстрому охлаждению.

Быстрая ионизация может быть достигнута за счет испарения некоторых материалов вокруг пространства с движущимися лопастями. Испарение под высоким давлением сдувает плазму ствола, что приводит к исчезновению.

Есть и другие способы: помещение контактов в масло, автообдув, использование электромагнитного демпфирования и т.д.

Воздействие на человека и электрооборудование

Электрическая дуга представляет опасность для человека из-за своего теплового воздействия, а также ультрафиолетового действия излучаемого ею света. Основную опасность представляют переменные токи высокого напряжения.

При нахождении незащищенного человека на критически близком расстоянии от токоведущих частей приборов может произойти сбой питания с образованием электрической дуги. Тогда помимо влияния тока на тело будет воздействовать и тепловая составляющая.

Распространение дугового разряда по конструктивным частям оборудования грозит выгоранием электронных элементов, плат и разъемов.