Formarea și proprietățile arcului. Structura și proprietățile unui arc electric

Un arc electric este unul dintre tipurile de descărcări electrice în gaze. Orice mișcare direcționată a particulelor încărcate între electrozi în gaze se numește descărcare. Locul arcului printre alte tipuri de descărcări în gaze:

Descărcarea arcului este diferită de altele:

1 - temperatură ridicată 4000 - 50 OOO K

2 - putere mare de curent 50-10.000 A

3 - câmp electric slab 10 - 60 V.

Se numește arc datorită formei caracteristice care rezultă din interacțiunea particulelor încărcate ale arcului cu câmpul magnetic al arcului însuși. Odată cu creșterea curentului, câmpul magnetic poate rupe descărcarea arcului

Curentul din procesul arcului curge între electrozi (polii arcului) prin gazul spațiului arcului.

Electrodul pozitiv este anodul.

Electrod negativ - catod

Distingeți fără arc (extindere liber) și comprimat. Liber (extindere liber) este un arc al cărui oadiu nu este limitat în niciuna dintre secțiunile sale;

un arc comprimat este un arc a cărui rază este limitată în cel puțin o secțiune.

Distribuția căderii de tensiune în arc. În spațiul interelectrod, se observă o distribuție neuniformă a câmpului electric (sărituri potențiale în regiunile apropiate de electrod) și, în conformitate cu aceasta, căderea de tensiune de-a lungul lungimii arcului este neuniformă.

Electronii liberi care se află în metale sub influența unui câmp electric la o temperatură ridicată a catodului îl părăsesc.Potențialul regiunii catodului accelerează și ionizează atomii coloanei arcului. , cad asupra ei sub acțiunea câmpului electric a regiunii anodului.Ionii se deplasează în sens invers, bombardând catodul

Rezistența conductorului de gaz este neliniară și, prin urmare, arcul nu respectă Legea lui Ohm

Caracteristica curent-tensiune static a arcului. În funcție de densitatea curentului, caracteristica curent-tensiune poate fi în scădere, plată și în creștere

La curenți scăzuti, cu creșterea curentului, numărul de particule încărcate crește intens, în principal datorită încălzirii și creșterii emisiei de electroni de la suprafața catodului și, prin urmare, creșterii corespunzătoare a ionizării volumului în coloana arcului.

În acest caz, rezistența coloanei arcului scade și tensiunea necesară pentru a susține descărcarea scade. Caracteristica arcului este căderea.

Cu o creștere suplimentară a curentului și o secțiune transversală limitată a electrozilor, coloana arcului este ușor comprimată și volumul de gaz care participă la transferul sarcinilor scade. Acest lucru duce la o rată de creștere mai mică a numărului de particule încărcate.

Tensiunea arcului devine puțin dependentă de curent. Caracteristica este plată.

În primele două zone, rezistența electrică a arcului este negativă (negativă). Aceste zone sunt tipice pentru arcuri cu o densitate de curent relativ scăzută. O creștere suplimentară a curentului duce la epuizarea capacității termoionice a catodului. Numărul de particule încărcate nu crește, iar rezistența arcului devine pozitivă și aproape constantă. Apare o plasmă comprimată puternic ionizată, care este apropiată ca proprietăți de conductorii metalici. Un astfel de arc respectă legea lui Ohm.

Capacitatea energetică a diferitelor zone ale arcului

Pentru cifrele date, căderea de tensiune în regiunile arcului (arc în vapori de fier) ​​și valorile curente caracteristice sudării manuale cu arc:

În regiunea catodului 14Vx100A \u003d 1,4 kW pe o lungime de * 10 "5 cm

În coloana arcului 25 V/cm x 0,6 cm x 100 A = 1,5 kW pe o lungime de ^0,6 cm

În regiunea anodului 2,5 V x 100 A \u003d 250 W pe o lungime de 10"4 cm.

Principalii consumatori de energie sunt regiunea catodică și coloana arcului, este evident că în ele au loc principalele procese care caracterizează fenomenul fizic, rezultatul căruia este o descărcare de arc.

Cu diametre constante ale electrozilor și distanțe între ele, parametrii electrici ai arcului vor depinde de materialul electrozilor (emisia, vapori de metal în coloană), compoziția gazului în arc, temperatura electrodului, compoziția gazului în arc (în coloană arc).

Adică, parametrii electrici ai arcului depind de factori fizici și geometrici. Modificarea dimensiunii electrozilor și a distanței dintre aceștia afectează caracteristicile electrice ale arcului

Arcurile de sudură sunt împărțite (clasificate):

În funcție de materialele electrozilor (Fe, W, Cu etc.)

După compoziția gazelor (în aer, în vapori de metal, în fluxul de gaze protectoare;

Electrod consumabil sau neconsumabil etc.

Procese fizice în regiunea catodică

Electronii părăsesc suprafața catodului și se deplasează spre anod. Calea pe care o parcurg înainte de prima ciocnire cu atomii gazelor arcului limitează regiunea catodică. Calculele arată că aceasta este * Yu "b cm pentru presiunea normală și arc în aer și în vapori de fier.

Se obișnuiește să se facă referire la regiunea catodului această regiune a arcului (1C) „5 cm) și chiar suprafața catodului.

1) Curentul electric total din regiunea catodului este format din curent de electroni și ioni

Densitatea curentului (A/cm2):

I = eo-rvWe'i© = e0n©W&

e0 este sarcina electronilor;

n© este numărul de electroni;

W© - viteza de mișcare (deriva) a electronilor.

Dacă presupunem egalitatea curenților curenților ionici și electronici (la I însuși, > 1c), atunci

Ionii și electronii care trec prin regiunea catodului acumulează energie cinetică:

R _ P1fuf - _ tsLCe.

unde m, m © sunt masele corespunzătoare.

Deoarece sunt accelerate de un câmp electric, energia pe care o primesc va fi Єo-ІL (produsul sarcinilor și diferența de potențial):

Eph = Her=Єo. ik

apoi vitezele particulelor încărcate:

w* = ; noi = nu., atunci

ne _ W9 _ y gpe _ I gp (

Masa electronului mQ, \u003d 9,106-10 "28 g

Masa protonului mn \u003d 1,66-10 "24 g

Pentru ionul de fier AFe = 55,84; în acest caz:

despre catod, îi dau energia lor, îl încălzesc, captează un electron, transformându-se în atomi neutri. Electronii din catod sunt accelerați la energia eo U* și lovesc atomii coloanei arcului și îi ionizează.

emisie catodică

Există astfel de tipuri de emisii de electroni de la suprafața catodului:

Termionic;

Autoelectronice (electrostatice);

Fotoelectronice (efect fotoelectric extern);

Secundar (bombardarea suprafeței cu atomi, ioni, particule grele, electroni etc.);

La sudarea cu arc, cele mai frecvente sunt emisiile termice și autoelectronice.

Intensitatea emisiei este estimată prin densitatea de curent j [A/cm2] (pentru sudare 102 ... 105 A/mm2).

Emisia termoionică.

Electronii liberi care se află într-un solid sunt împiedicați să părăsească câmpul său electric - o barieră de potențial de suprafață.

Valoarea celei mai mici energie care trebuie acordată unui electron pentru ca acesta să părăsească suprafața corpului și să se deplaseze la o distanță la care interacțiunea dintre acesta și corp este imposibilă se numește funcție de lucru.

Vor exista întotdeauna electroni care preiau accidental această energie și părăsesc corpul. Dar sub influența unui câmp electric, se întorc imediat înapoi.

Pe măsură ce temperatura corpului crește, numărul de electroni care au suficientă energie pentru a părăsi corpul crește.

În calculele electrostatice, funcția de lucru A* = e0 f, unde<р - потенциал выхода. Е0 = 1, А, = ф в эктрон-вольтах.

Densitatea de curent pentru emisia termoionică este determinată de ecuația Richardson - Deshtman:

jT=AT2e“kf; jT = AT2e"^

A - constantă, depinde de materialul catodului

T - temperatura

k: - constanta Boltzmann k \u003d 8,62 10‘5 eV / K \u003d 1,38-10 "23 JJ

Curentul de emisie termoionică se dovedește a fi de câteva ordine de mărime (de 100 .... 10.000 de ori) mai mic decât cel necesar pentru catod la sudarea, de exemplu, a oțelului.

Dar 8 în regiunea catodului există o sarcină ionică pozitivă volumetrică, care creează o intensitate a câmpului de 1-106 V/cm și mai mult. Un câmp electric de o asemenea putere modifică condițiile de emisie de electroni din catod.

Funcția de lucru a electronilor scade în funcție de mărimea intensității câmpului în regiunea aproape de electrod (catod). Acest fenomen se numește efect Schottky. Funcția de lucru în prezența unui câmp electric e al regiunii apropiate de suprafață a catodului scade cu: DAV \u003d "2E, / 2 DAV \u003d 3,8-10" * E

E - intensitatea câmpului electric.Un rol deosebit în explicarea fenomenelor de emisie catodica pentru densităţi de curent anormal de mari caracteristice sudării cu electrozi consumabili îl joacă ipoteza electrostatică (emisia de câmp) a lui Langmuir (1923). Fluxul de electroni are proprietăți de undă Un electron - o undă poate pătrunde de la catod la anod fără a se ridica la nivelul potențial necesar pentru emisie, dar ocolindu-l. Aceasta se numește tranziție de tunel și are loc fără a consuma energie.

În acest caz, valoarea barierei de potențial ar trebui să fie mai mică decât lungimea de undă a electronului din flux. Lungimea de undă a fluxului de electroni:

Ft - constanta lui Planck ft \u003d 4,13-10 "15 e-in cu m - masa electronului V - viteza fluxului de electroni.

y și β sunt constante care depind de materialul catodului.

Fotoemisie (efect fotoelectric extern, efect Einstein). Când cuantele de lumină sunt absorbite de catod, pot apărea electroni care au o energie mult mai mare decât funcția de lucru. Condiția pentru apariția fotoemisiei (legea lui Einstein)

Fi v £ f + Uz mv2

fi - constanta lui Planck F> = 6,626176 (36) - 10 m J-sec; v este frecvența undei luminoase;

m - masa de electro. pe

v este viteza electronului după emisie.

c - viteza luminii în vid este egală cu 299792458,0 (1,2) m/s;

vo, *o - limitează frecvența și lungimea de undă a luminii care poate provoca fotoemisia.

Un amestec de gaze este ionizat diferit față de fiecare gaz individual datorită faptului că gazul de electroni care este creat ca urmare a ionizării va fi comun tuturor constituenților amestecului de gaze. Gradul de ionizare al amestecului:

■L-ts p-d R’

n este numărul de particule;

S este diametrul de interacțiune a particulelor (diametrul Ramsauer);

P - presiunea externă.

Viteza pătrată medie este determinată din energia medie a mișcării termice.

k este constanta Boltzmann.

Calea liberă a unui ion este X* calea liberă a unui atom neutru. Calea liberă a electronului L * o * 4ILp (efectul Ramsauer).

Calculele arată că cu masele ionului de fier și ale electronului: pіr** = 56-1,66-1 O"2* g,

raportul mobilității lor va fi:

Este evident că curentul ionic este de 1830 de ori mai mic decât curentul electronic. Din dependențele de mai sus, ținând cont de presiune, mobilitatea electronilor va fi:

b. =J-Ts-Ts - ■Jt ps

B \u003d 3,62-10'13 - valoare adimensională;

5 - diametrul de interacțiune a particulelor (Ramsauer).

Viteza de deplasare a electronilor în coloana arcului:

În calcule, se presupune că coloana arcului este de formă cilindrică, omogenă, cu o densitate de curent constantă pe secțiune transversală - modelul de canal al lui K. K. Khrenov.

Lungimea coloanei arcului este practic egală cu lungimea arcului (în intervalul 0,1 - 15 mm). Căderea de tensiune în coloana arcului este proporțională cu lungimea coloanei:

Câmpul electric al anodului aruncă ioni pozitivi în coloana arcului, atrăgând în schimb electronii. Se creează o sarcină negativă volumetrică. Nu există emisii de ioni pozitivi din anodul de suprafață (cu excepția cazului anumitor tipuri de arc de carbon). În acest sens, curentul regiunii anodului este un curent pur electronic ha \u003d / "<>.

Lungimea regiunii anodului este aproximativ egală cu calea liberă medie a electronilor de la ultima ciocnire cu un atom. Sarcina negativă volumetrică a regiunii anodului determină o scădere a tensiunii anodului, care depinde puțin de materialul anodului, gazele arcului, curentul prin arc și este egal cu 2 ... 3 V. Un electron, ajungând la anod, îi conferă energia cinetică. , precum și funcția de lucru, care a fost cheltuită pentru detașarea unui electron din catod.

Caracteristica curent-tensiune a unui arc care se extinde liber (liber)

Descărcarea cu arc este un sistem stabil. Cu o aprovizionare constantă cu energie, se menține într-o gamă largă de moduri. Orice dezechilibru provoacă o astfel de modificare a parametrilor arcului, încât procesul arcului rămâne (neîntrerupt). Frontiere. în care procesele arcului sunt posibile și natura modificării parametrilor arcului ca răspuns la dezechilibre, determină caracteristicile curent-tensiune.

Static -1 - OS; dinamic -1 - 0.

Vom lua în considerare caracteristicile statice ale coloanei arcului.

Ipoteze (modelul de canal al lui K.K. Khrenov):

Considerăm un proces cu arc stabil. Energia este furnizată arcului într-o cantitate nelimitată și pentru un timp arbitrar lung. Niciun factor extern nu afectează diametrul arcului.

Echilibrul termodinamic este menținut cu strictețe în toate zonele arcului. În acest caz, arcul de plasmă respectă legea Saha.

Coloana arcului este un cilindru, a cărui suprafață separă brusc plasma arcului cu temperatura Td de mediu T = 0.

Toate pierderile termice ale coloanei arcului sunt pierderi de radiație ale învelișului cilindric exterior al arcului și respectă legea Stefan-Boltzmann.

Principiul minim al lui Steinbeck.

În Arc, care se extinde liber, procesele fizice sunt configurate în așa fel încât t-> min.

Cu un proces de arc stabil, pierderile de căldură ale coloanei cu arc sunt minime posibile pentru aceste condiții. Pentru o stare dată a fazei gazoase și constante IH și P, câmpul electric va depinde numai de I^.

1. Odată cu creșterea temperaturii coloanei de la T6, gradul de ionizare, mobilitatea electronilor, densitatea curentului, puterea câmpului electric cresc, iar pierderile de radiație cresc, de asemenea, în același timp.

2. Odată cu scăderea temperaturii coloanei din TB, gradul de ionizare și densitatea curentului scad, dar intensitatea câmpului crește. Costurile cu energia sunt în creștere.

Cu condiția să nu existe restricții privind diametrul arcului, arcul este într-o gamă largă un sistem de autoreglare. Intensitatea minimă posibilă a câmpului este menținută automat în arc. Adică, la valori constante ale parametrilor fizici ai mediului și Id în arc, se stabilesc astfel de valori ale lui Tf și primul la care intensitatea câmpului în coloană va fi minimă.

Bilanțul energetic în regiunile arcului

Bilanțul energetic din coloana arcului f este fracțiunea curentului de electroni, |a este curentul de sudare.

Energie sursă (căldura Joule-Lenz eliberată pe rezistența plasmei coloanei arcului la curentul care trece):

ist - căderea de tensiune pe coloana arcului.

Ionizarea atomilor neutri:

C este potențialul de ionizare al gazelor din intervalul de arc.

Pierderea de căldură radiantă - RCT

Pierderi de căldură datorate convecției - R^*,

Pierderi termice datorate difuziei particulelor încărcate în mediu - RAWt>

Pierderi de căldură pentru reacții chimice endoterme - RXMt

Ecuația echilibrului:

(1 - f)l*U* + (1- f)l*Ui+ 4d - Rem = f-lu

Q* + R* sau, într-o formă simplificată:

Q* = lc*(Marea Britanie -<р)

de aici rezultatul:

cu atât emisia de electroni de pe suprafața catodului este mai bună (cu atât funcția de lucru este mai mică<р) - тем больше теплоты выделяется на катоде. Опытные данные показывают:

în plus: 2 - tipic pentru catozii neconsumabile;

10 - tipic pentru catozii consumabili.

3. Bilanțul energetic la anod.

Ecuația echilibrului:

R + A ■ Rem - Qt + R*

sau, în formă simplificată:

Q" = l~(U, +<р)

Datele cu experiență arată:

Arc comprimat.

Raza coloanei arcului het este, în primul rând, o funcție a curentului în arc:

pі / 2.2 3 gst \u003d C2 -yy - d

b3,!9k2 a0 Uj

Pe măsură ce curentul crește, raza arcului crește.

drCT „ P12 2,-13 . Р12 A făcut

ID Std3i (912 3 SAU 2a‘3i! 9,2", C

Dgst - rata de creștere a razei arcului.

Rata de modificare a razei coloanei arcului (Dgst - rate) depinde de valoarea absolută a curentului. La curenți mici, raza este sensibilă la modificările curentului, la curenți mari nu este foarte sensibilă. Limita este atunci când I" - * ", Dhet = 0.

Când Dgst = const, curentul arcului este determinat de densitatea de curent „i”

I = LGap "Urn-

Un arc care are aceste proprietăți se numește comprimat. Dacă raza în cel puțin o secțiune este valoarea constantei ^ A ^ ra se numește comprimat.

Limita tranziției de la arcul liber la arcul contractat depinde de potențialul de ionizare U,. Cu o valoare mică de U, este nevoie de un curent mare pentru a intra într-un arc comprimat. Raza poate fi limitată de aria unuia dintre electrozi sau printr-o creștere a transferului de căldură de pe suprafața laterală a coloanei. Sufland arcul cu un curent de gaz rece, este posibil să-l convertiți într-unul comprimat la valori scăzute ale curentului.

În condiții reale, creșterea Dhet poate fi afectată de:

1. Raza electrozilor între care arde arcul.

2. Potențialul de ionizare al gazului în care arde arcul.

3. Transfer de căldură de pe suprafața laterală a coloanei arcului.

Metode de obținere a unui arc comprimat

Pe baza acestui fapt, există astfel de modalități de a obține un arc comprimat:

Limitarea diametrului a cel puțin unuia dintre electrozi;

Suflarea arcului cu gaz cu potențial ridicat de ionizare și conductivitate termică ridicată (Ag. He);

Câmp magnetic longitudinal extern (nu este utilizat în inginerie).

O descriere generală a caracteristicii curent-tensiune a arcului, pe baza celor de mai sus, poate fi efectuată după cum urmează:

1) Arc liber (extindere liber). Raza coloanei arcului gst crește cu

cresterea curentului^Id. Temperatura arcului rămâne constantă T = const, gradul de ionizare x este foarte mic. Atât coloana arcului cât și regiunea catodului au o caracteristică de cădere.

2) Arc comprimat slab ionizat. Raza coloanei cu arc r - nu crește odată cu creșterea m. gradul de ionizare x și temperatura coloanei cu arc Ta încep să crească vizibil. Coloana arcului are încă o caracteristică de cădere. Regiunea catodică - în creștere

3) Cu ^ m ^ în ^ yuok £ arc ionizat. Gradul de ionizare x-*1 VAC al coloanei cu arc și al regiunii catodului este în creștere. Procesele din arc nu mai depind de polaritate, materialele electrozilor și proprietățile gazelor coloanei arcului. Arcul devine un conductor obișnuit la nivelul metalelor (la 10.000 K, rezistivitatea p \u003d 1,5-1 O "4 Ohm cm), transformându-se într-o sursă foarte concentrată, foarte stabilă de căldură de sudare.

În timpul funcționării, circuitele electrice sunt în mod constant închise și deschise. De mult s-a observat că în momentul deschiderii se formează un arc electric între contacte. Pentru aspectul său, este suficientă o tensiune de peste 10 volți și un curent de peste 0,1 amperi. La valori mai mari ale curentului și tensiunii, temperatura internă a arcului ajunge adesea la 3-15 mii de grade. Aceasta devine cauza principală a contactelor topite și a pieselor sub tensiune.

Dacă tensiunea este de 110 kilovolți și mai mult, în acest caz lungimea arcului poate ajunge la o lungime mai mare de un metru. Un astfel de arc reprezintă un pericol grav pentru persoanele care lucrează cu centrale puternice, prin urmare, este necesară limitarea maximă a acestuia și stingerea rapidă în orice circuit, indiferent de valoarea tensiunii.

Ce este un arc electric

Cel mai tipic exemplu este un arc electric de sudare, care se manifestă sub forma unei descărcări electrice continue în plasmă. La rândul său, plasma este gaze ionizate amestecate între ele și vapori de componente ale atmosferei protectoare, metal de bază și de umplutură.

Astfel, un arc electric este arderea unei descărcări electrice între doi electrozi aflați într-un plan orizontal. Sub acțiunea gazelor încălzite care tind spre vârf, această descărcare este îndoită și devine vizibilă ca un arc sau arc.

Aceste proprietăți au făcut posibilă utilizarea arcului în practică ca conductor de gaz, cu ajutorul căruia energia electrică este transformată în energie termică, creând o intensitate mare de încălzire. Acest proces poate fi controlat relativ ușor prin modificarea parametrilor electrici.

În condiții normale, gazele nu conduc electricitatea. Cu toate acestea, dacă apar condiții favorabile, acestea pot fi ionizate. Atomii sau moleculele lor devin ioni pozitivi sau negativi. Sub acțiunea temperaturii ridicate și a unui câmp electric extern de intensitate mare, gazele se schimbă și trec în starea unei plasme care are toate proprietățile unui conductor.

Cum se formează arcul de sudare

• Mai întâi, apare un contact între capătul electrodului și piesa de prelucrat, care afectează ambele suprafețe.
• Sub acțiunea unui curent de mare densitate, particulele de suprafață se topesc rapid, formând un strat de metal lichid. Crește constant în direcția electrodului, după care se rupe.
• În acest moment, metalul se evaporă foarte repede și golul de descărcare începe să se umple cu ioni și electroni. Tensiunea aplicată le face să se deplaseze către anod și catod, rezultând excitarea arcului de sudare.
• Începe procesul de ionizare termică, în care ionii pozitivi și electronii liberi continuă să se concentreze, gazul golului arcului devine și mai ionizat, iar arcul în sine devine stabil.
• Sub influența sa, metalele piesei de prelucrat și ale electrodului sunt topite și, fiind în stare lichidă, sunt amestecate între ele.
• După răcire, în acest loc se formează o cusătură de sudură.

Stingerea arcului electric în echipamentele de comutare

Deconectarea elementelor circuitului electric trebuie făcută cu mare atenție, fără a deteriora echipamentul de comutare. Deschiderea contactelor singură nu va fi suficientă; este necesară stingerea corectă a arcului care apare între ele.

Procesele de ardere și stingere a arcului diferă semnificativ între ele în funcție de utilizarea în rețea. Dacă nu există nicio problemă specială cu DC, atunci cu AC există o serie de factori de luat în considerare. În primul rând, curentul arcului trece de marcajul zero la fiecare jumătate de ciclu. În acest moment, eliberarea energiei se oprește, ca urmare, arcul se stinge spontan și se aprinde din nou. În practică, curentul se apropie de zero chiar înainte de a trece marcajul zero. Acest lucru se datorează scăderii curentului și scăderii energiei furnizate arcului.

În consecință, temperatura acestuia scade și ea, ceea ce determină încetarea ionizării termice. Chiar în golul arcului are loc o deionizare intensă. Dacă în acest moment se face o deschidere rapidă și cablarea contactelor, atunci este posibil să nu se producă o defecțiune, circuitul se va opri fără apariția unui arc.

În practică, crearea unor astfel de condiții ideale este foarte dificilă. În acest sens, au fost elaborate măsuri speciale pentru a accelera stingerea arcului. Diverse soluții tehnice fac posibilă răcirea rapidă a intervalului de arc și reducerea numărului de particule încărcate. Ca rezultat, există o creștere treptată a rezistenței electrice a acestui decalaj și o creștere simultană a tensiunii de restabilire pe el.

Ambele valori depind una de cealaltă și afectează aprinderea arcului în următorul semiciclu. Dacă rigiditatea dielectrică depășește tensiunea de restabilire, atunci arcul nu se va mai aprinde. În caz contrar, va arde constant.

Principalele metode de stingere a arcului

Destul de des, metoda extinderii arcului este utilizată, atunci când în procesul de divergență a contactului când circuitul este deconectat, acesta este întins (Fig. 1). Prin creșterea suprafeței, condițiile de răcire sunt îmbunătățite semnificativ și este necesară o valoare mai mare a tensiunii pentru a susține arderea.

1.

Într-un alt caz, arcul electric general este împărțit în arce scurte separate (Fig. 2). Pentru aceasta se poate folosi un grătar metalic special. În plăcile sale, un câmp electromagnetic este indus sub acțiune, strângând arcul pentru separare. Această metodă este utilizată pe scară largă în echipamentele de comutare cu o tensiune mai mică de 1 kV. Un exemplu tipic sunt întreruptoarele de circuit de aer.

2.

Destul de eficientă este stingerea în volume mici, adică în interiorul jgheaburilor cu arc. Aceste dispozitive au fante longitudinale care coincid de-a lungul axelor cu direcția arborelui arcului. Ca urmare a contactului cu suprafețele reci, arcul începe să se răcească rapid, eliberând în mod activ particulele încărcate în mediu.

Utilizarea de înaltă presiune. În acest caz, temperatura rămâne neschimbată, presiunea crește, iar ionizarea scade. În astfel de condiții, arcul este intens răcit. Camerele bine închise sunt folosite pentru a crea presiune ridicată. Metoda este eficientă în special pentru siguranțe și alte echipamente.

Arcul poate fi stins cu ajutorul uleiului unde sunt amplasate contactele. Când se deschid, apare un arc, sub influența căruia uleiul începe să se evapore activ. Se dovedește a fi acoperit cu o bulă de gaz sau coajă, constând din 70-80% hidrogen și vapori de ulei. Sub influența gazelor eliberate care intră direct în zona butoiului, gazul rece și fierbinte din interiorul bulei este amestecat, răcind intens intervalul de arc.

Alte metode de stingere

Arcul electric poate fi stins prin creșterea rezistenței sale. Acesta crește treptat, iar curentul scade până la o valoare insuficientă pentru a menține arderea. Principalul dezavantaj al acestei metode este timpul lung de stingere, în care o cantitate mare de energie este disipată în arc.

O creștere a rezistenței arcului se realizează în diferite moduri:

• Alungirea arcului, deoarece rezistența sa este direct proporțională cu lungimea. Pentru a face acest lucru, trebuie să modificați decalajul dintre contacte în direcția de creștere.
• Răcirea mediului între contactele unde se află arcul. Cel mai adesea, se folosește suflarea, îndreptată de-a lungul arcului.
• Contactele sunt plasate într-un mediu gazos cu un grad scăzut de ionizare sau într-o cameră cu vid. Această metodă este utilizată în întrerupătoarele de circuit de gaz și vid.
• Secțiunea transversală a arcului poate fi redusă prin trecerea lui printr-o gaură îngustă sau prin reducerea zonei de contact.

În circuitele cu tensiune alternativă, pentru stingerea arcului se utilizează metoda curentului zero. În acest caz, rezistența este menținută la un nivel scăzut până când curentul scade la zero. Ca urmare, stingerea are loc în mod natural, iar aprinderea nu se repetă din nou, deși tensiunea pe contacte poate crește. O scădere la zero are loc la sfârșitul fiecărei jumătate de ciclu și arcul se stinge pentru o perioadă scurtă de timp. Dacă creșteți rezistența dielectrică a spațiului dintre contacte, atunci arcul va rămâne stins.

Consecințele unui arc electric

Efectul distructiv al arcului este un pericol serios nu numai pentru echipamente, ci și pentru oamenii care lucrează. În circumstanțe nefavorabile, puteți obține arsuri grave. Uneori, înfrângerea arcului se termină cu moartea.

De regulă, un arc electric are loc în momentul contactului accidental cu părți sau conductori purtători de curent. Sub acțiunea unui curent de scurtcircuit, firele se topesc, aerul este ionizat și se creează alte condiții favorabile pentru formarea unui canal de plasmă.

În prezent, s-au obținut rezultate pozitive semnificative în domeniul ingineriei electrice cu ajutorul echipamentelor moderne de protecție dezvoltate împotriva arcului electric.

În industria modernă, sudarea este de mare importanță; are o gamă foarte largă de aplicații în toate industriile. Este necesar un arc de sudare pentru a efectua procesul de sudare.

Ce este un arc de sudare, definiția lui

Un arc de sudare este considerat a fi o descărcare electrică foarte mare din punct de vedere al puterii și al duratei, care există între electrozi, care sunt sub tensiune, într-un amestec de gaze. Proprietățile sale sunt caracterizate de temperatură ridicată și densitate de curent, datorită cărora este capabil să topească metale cu un punct de topire peste 3000 de grade. În general, putem spune că un arc electric este un conductor de gaz care transformă energia electrică în energie termică. O sarcină electrică este trecerea unui curent electric printr-un mediu gazos.

Există mai multe tipuri de descărcări electrice:

• Descărcări mocnite. Apare la presiune scăzută, utilizat în lămpi fluorescente și ecrane cu plasmă;
• Descărcare prin scânteie. Apare atunci când presiunea este egală cu cea atmosferică, are o formă discontinuă. Descărcarea scânteii corespunde fulgerului și este folosită și pentru aprinderea motoarelor cu ardere internă;
• Descărcarea arcului. Folosit pentru sudare și iluminat. Diferă într-o formă continuă, apare la presiunea atmosferică;
• Coroană. Apare atunci când corpul electrodului este aspru și neomogen, al doilea electrod poate fi absent, adică apare un jet. Este folosit pentru curățarea gazelor de praf;

Natura si structura

Natura arcului de sudare nu este atât de complicată pe cât ar părea la prima vedere. Curentul electric, care trece prin catod, pătrunde apoi în gazul ionizat, are loc o descărcare cu o strălucire strălucitoare și o temperatură foarte ridicată, astfel încât temperatura arcului electric poate ajunge la 7000 - 10000 de grade. După aceea, curentul curge către materialul sudat prelucrat. Deoarece temperatura este atât de ridicată, arcul emite radiații ultraviolete și infraroșii dăunătoare corpului uman, poate dăuna ochilor sau poate provoca arsuri ușoare pe piele, așa că este necesară o protecție adecvată în timpul procesului de sudare.

Structura arcului de sudare constă din trei zone principale: anod, catod și coloană cu arc. În timpul arcului, pe catod și anod se formează pete active - zone în care temperatura atinge cele mai mari valori, tocmai prin aceste zone trece tot curentul electric, zonele anodului și catodic reprezintă căderi de tensiune mai mari. Și coloana în sine este situată între aceste zone, căderea de tensiune în coloană este foarte mică. Astfel, lungimea arcului de sudare este suma zonelor de mai sus, de obicei lungimea este de câțiva milimetri, când zonele anodului și catodic sunt, respectiv, de 10-4 și respectiv 10-5 cm.Lungimea cea mai favorabilă este de aproximativ 4-6. mm, cu o asemenea lungime o temperatură constantă și favorabilă.

Soiuri

Tipurile de arc de sudare diferă în ceea ce privește schema de alimentare a curentului de sudare și mediul în care apar, cele mai comune opțiuni sunt:

• Acțiune directă. Cu această metodă, sudarea este situată paralel cu structura metalică care se sudează și arcul are loc la un unghi de nouăzeci de grade față de electrod și metal;
• Arc de sudare de acțiune indirectă. Apare atunci când se folosesc doi electrozi, care sunt amplasați la un unghi de 40-60 de grade față de suprafața piesei de sudat, se produce un arc între electrozi și sudează metalul;

Există și o clasificare în funcție de atmosfera în care apar:

• tip deschis. Un arc de acest tip arde în aer și în jurul lui se formează o fază gazoasă, care conține vapori ai materialului de sudat, electrozi și învelișurile acestora;
• tip închis. Arderea unui astfel de arc are loc sub un strat de flux, faza gazoasă formată în jurul arcului include vapori de metal, electrod și flux;
• Arc cu alimentare cu gaz. Gazele comprimate sunt furnizate arcului de ardere - heliu, argon, dioxid de carbon, hidrogen și alte diverse amestecuri de gaze, sunt furnizate astfel încât metalul sudat să nu se oxideze, alimentarea lor contribuind la un mediu reducător sau neutru. Faza gazoasă din jurul arcului include - gazul furnizat, vaporii de metal și electrozi;

Ele se disting și prin durata de acțiune - staționară (pentru utilizare pe termen lung) și pulsată (pentru o singură utilizare), în funcție de materialul electrodului utilizat - carbon, wolfram - electrozi neconsumabile și metal - consumabile. Cel mai comun electrod consumabil este oțelul. Până în prezent, cea mai des folosită sudare cu electrod neconsumabil. Astfel, tipurile de arcuri de sudare sunt diverse.

Condiții de ardere

În condiții standard, adică o temperatură de 25 de grade și o presiune de 1 atmosferă, gazele nu sunt capabile să conducă electricitatea. Pentru ca un arc să se formeze, este necesar ca gazele dintre electrozi să fie ionizate, adică să conțină diferite particule încărcate - electroni sau ioni (cationi sau anioni). Procesul de formare a unui gaz ionizat se va numi ionizare, iar munca care trebuie cheltuită pentru a desprinde un electron dintr-o particulă atomică pentru a forma un electron și un ion se va numi munca de ionizare, care se măsoară în electroni volți și se numeste potential de ionizare. Ce fel de energie trebuie cheltuită pentru a detașa un electron dintr-un atom depinde de natura fazei gazoase, valorile pot fi de la 3,5 la 25 eV. Cel mai mic potențial de ionizare îl au metalele din grupele alcaline și alcalino-pământoase - potasiu, calciu și, în consecință, compușii lor chimici. Electrozii sunt acoperiți cu astfel de compuși, astfel încât să contribuie la existența stabilă și arderea arcului de sudare.

De asemenea, pentru apariția și arderea arcului, este necesară o temperatură constantă pe catod, care depinde de natura catodului, diametrul acestuia, dimensiunea și temperatura ambiantă. Temperatura arcului electric, așadar, trebuie să fie constantă și să nu fluctueze, datorită valorilor uriașe ale curentului, temperatura poate ajunge la 7 mii de grade, deci absolut toate materialele pot fi atașate prin sudură. O temperatură constantă este asigurată de o sursă de energie bună, astfel încât alegerea acesteia la proiectarea unui aparat de sudură este foarte importantă, afectând proprietățile arcului.

aparitie

Are loc în timpul unui circuit rapid, adică atunci când electrodul intră în contact cu suprafața materialului sudat, din cauza temperaturii colosale, suprafața materialului se topește și se formează o mică bandă de material topit între electrod și suprafata. În momentul în care electrodul și materialul care este sudat diverg, din material se formează un gât, care se rupe instantaneu și se evaporă datorită valorilor mari de densitate de curent. Gazul este ionizat și are loc un arc electric. Poate fi trezit prin atingere sau lovire.

Particularități

Are următoarele caracteristici în comparație cu alte sarcini electrice:

• Densitate mare de curent, care atinge câteva mii de amperi pe centimetru pătrat, datorită căreia se obțin temperaturi foarte ridicate;
• Distribuția neuniformă a câmpului electric în spațiul dintre electrozi. În apropierea electrozilor, căderea de tensiune este foarte mare, când se află în coloană - dimpotrivă;
• Temperatură uriașă, care atinge cele mai mari valori din coloană datorită densității mari de curent. Odată cu creșterea lungimii coloanei, temperatura scade, iar cu o îngustare, dimpotrivă, crește;
• Cu ajutorul arcurilor de sudură, este posibil să se obțină o varietate de caracteristici curent-tensiune - dependența căderii de tensiune de densitatea curentului la o lungime constantă, adică arderea constantă. În acest moment, există trei caracteristici curent-tensiune.

Primul este în scădere, atunci când cu o creștere a forței și, în consecință, a densității curentului, tensiunea scade. Al doilea este greu, când o modificare a curentului nu afectează în niciun fel valoarea tensiunii, iar al treilea este în creștere, când și tensiunea crește odată cu creșterea curentului.

Astfel, arcul de sudură poate fi numit cel mai bun și mai fiabil mod de a fixa structuri metalice. Procesul de sudare are un impact mare asupra industriei de astăzi, deoarece numai temperatura ridicată a arcului de sudare este capabilă să țină împreună majoritatea metalelor. Pentru a obține cusături de înaltă calitate și fiabile, este necesar să luați în considerare corect și corect toate caracteristicile arcului, să monitorizați toate valorile, datorită cărora procedura va fi rapidă și eficientă. De asemenea, este necesar să se țină cont de proprietățile arcului: densitatea curentului, temperatura și tensiunea.

În 1802, fizicianul rus Vasily Vladimirovici Petrov (1761-1834) a stabilit că dacă două bucăți de cărbune sunt atașate de polii unei baterii electrice mari și, punând cărbunii în contact, îi împing ușor, atunci se formează o flacără strălucitoare între capetele cărbunilor, iar capetele în sine, cărbunii sunt încălziți până la alb, emitând o lumină orbitoare (arc electric). Acest fenomen a fost observat în mod independent șapte ani mai târziu de chimistul englez G. Davy, care a propus în onoarea lui A. Volta să numească acest arc „voltaic”.

Pe fig. 159 arată cel mai simplu mod de a obține un arc electric. În suportul de reglare sunt fixați doi cărbuni, pentru care este mai bine să luați nu cărbune obișnuit, ci tije special făcute obținute prin presarea unui amestec de grafit, funingine și lianți (cărbuni arc). Rețeaua de iluminat poate servi ca sursă de curent. Pentru a preveni un scurtcircuit în momentul conectării cărbunilor, un reostat trebuie conectat în serie cu arcul.

Orez. 159. Instalatie pentru obtinerea unui arc electric: 1 si 2 - electrozi de carbon

De obicei, rețeaua de iluminat este alimentată de un curent alternativ. Arcul, însă, arde mai constant dacă trece un curent constant prin el, astfel încât unul dintre electrozii săi este întotdeauna pozitiv (anod) și celălalt negativ (catod). O fotografie a electrozilor încălziți ai unui astfel de arc este prezentată în fig. 160. Între electrozi se află o coloană de gaz fierbinte, un bun conductor de electricitate. În arcurile obișnuite, această coloană emite mult mai puțină lumină decât cărbunii încinși și, prin urmare, nu este vizibilă în fotografie. Cărbunele pozitiv, având o temperatură mai mare, arde mai repede decât cărbunele negativ. Datorită sublimării puternice a cărbunelui, pe acesta se formează o depresiune - un crater pozitiv, care este partea cea mai fierbinte a electrozilor. Temperatura craterului în aer la presiunea atmosferică atinge 4000 ° C.

Orez. 160. Electrozi cu arc electric (foto)

98.1. În lămpile cu arc se folosesc regulatoare speciale - mecanisme de ceas care aduc ambii cărbuni împreună cu aceeași viteză în care ard. Cu toate acestea, grosimea unghiului pozitiv este întotdeauna mai mare decât a celui negativ. De ce o fac?

Arcul poate arde și între electrozii metalici (fier, cupru etc.). În acest caz, electrozii se topesc și se evaporă rapid, ceea ce consumă multă căldură. Prin urmare, temperatura craterului unui electrod metalic este de obicei mai mică decât cea a unui electrod de carbon (2000-2500°C).

Făcând arderea unui arc între electrozii de carbon într-un gaz comprimat (aproximativ 20 atm), a fost posibilă aducerea temperaturii craterului pozitiv la 5900°C, adică la temperatura suprafeței Soarelui. În același timp, s-a observat și topirea cărbunelui. O temperatură și mai mare are o coloană de gaze și vapori prin care are loc o descărcare electrică. Bombardarea energetică a acestor gaze și vapori de către electroni și ioni, condus de câmpul electric al arcului, aduce temperatura gazelor din coloană la 6000-7000 ° C. Prin urmare, în coloana arcului, aproape toate substanțele cunoscute se topesc. și se transformă în vapori și sunt posibile multe reacții chimice care nu se desfășoară la temperaturi mai scăzute. Nu este dificil, de exemplu, să topești bețișoare de porțelan refractar într-o flacără cu arc.

Pentru a menține o descărcare de arc, este nevoie de o tensiune mică: arcul arde bine atunci când tensiunea de pe electrozii săi este de 40-45 V. Curentul în arc este destul de semnificativ. Deci, de exemplu, chiar și într-un arc mic, în experimentul prezentat în Fig. 159, există un curent de aproximativ 5 A, iar în arcurile mari folosite în industrie, curentul ajunge la sute de amperi. Aceasta arată că rezistența arcului este mică; în consecință, și coloana de gaz luminoasă conduce bine electricitatea.

98.2. O lampă cu arc necesită un curent de 300 A la o tensiune de 60 V pe cărbuni. Câtă căldură se eliberează într-un astfel de arc în 1 minut? Care este rezistența unui astfel de arc?

O ionizare atât de puternică a gazului este posibilă numai datorită faptului că arc catodul emite o mulțime de electroni, care ionizează gazul din spațiul de descărcare cu impacturile lor. Emisia puternică de electroni din catod este asigurată de faptul că arc catodul în sine este încălzit la o temperatură foarte ridicată (de la 2200 la 3500°C în funcție de material). Când, pentru aprinderea arcului, aducem mai întâi cărbunii în contact, apoi în punctul de contact, care are o rezistență foarte mare, se eliberează aproape toată căldura Joule a curentului care trece prin cărbuni (§ 59). Prin urmare, capetele cărbunilor sunt foarte fierbinți, iar acest lucru este suficient pentru ca un arc să se declanșeze între ele atunci când sunt depărtați. În viitor, catodul arcului este menținut într-o stare încălzită de curentul însuși care trece prin arc. Rolul principal în aceasta este jucat de bombardarea catodului de către ionii pozitivi care cad pe acesta.

Caracteristica curent-tensiune a arcului, adică relația dintre puterea curentului în arc și tensiunea dintre electrozii săi, are un caracter complet deosebit. Până acum, am întâlnit două forme ale unei astfel de dependențe: în metale și electroliți, curentul crește proporțional cu tensiunea (legea lui Ohm), cu conducerea neauto-susținută a gazelor, curentul crește mai întâi odată cu creșterea tensiunii și apoi ajunge la saturație și nu depinde de tensiune. Într-o descărcare cu arc, pe măsură ce curentul crește, tensiunea la bornele arcului scade. Se spune că arcul are o caracteristică curent-tensiune în scădere.

Astfel, în cazul unei descărcări cu arc, o creștere a curentului duce la o scădere a rezistenței arcului și la o scădere a tensiunii pe el. De aceea, pentru ca arcul să ardă constant, este necesar să porniți un reostat (Fig. 159) sau o altă așa-numită rezistență de balast în serie cu acesta.

Un arc electric poate fi extrem de distructiv pentru echipamente și, mai important, periculos pentru oameni. Un număr alarmant de accidente cauzate de aceasta au loc în fiecare an, ducând adesea la arsuri grave sau la deces. Din fericire, în industria electrică s-au înregistrat progrese semnificative în ceea ce privește crearea mijloacelor și metodelor de protecție împotriva arcului electric.

Cauzele și locurile de apariție

Arcul electric este unul dintre cele mai mortale și mai puțin înțelese pericole electrice și este predominant în majoritatea industriilor. Este larg recunoscut faptul că, cu cât tensiunea unui sistem electric este mai mare, cu atât este mai mare riscul pentru persoanele care lucrează pe sau în apropierea cablurilor și echipamentelor sub tensiune.

Energia termică dintr-un arc, totuși, poate fi de fapt mai mare și să apară mai frecvent la tensiuni mai mici, cu aceleași efecte devastatoare.

Apariția unui arc electric, de regulă, are loc atunci când există un contact accidental între un conductor purtător de curent, cum ar fi un fir de contact al unei linii de troleibuz sau tramvai, cu un alt conductor sau o suprafață împământată.

Când se întâmplă acest lucru, curentul de scurtcircuit rezultat topește firele, ionizează aerul și creează un canal de foc de plasmă conductoare cu o formă caracteristică a arcului (de unde și numele), iar temperatura arcului electric din miezul său poate ajunge la peste 20.000. °C.

Ce este un arc electric?

De fapt, aceasta este ceea ce se numește în mod obișnuit binecunoscuta descărcare de arc în fizică și inginerie electrică - un tip de descărcare electrică independentă într-un gaz. Care sunt proprietățile fizice ale unui arc electric? Arde într-o gamă largă de presiune a gazului, la tensiune constantă sau alternativă (până la 1000 Hz) între electrozi în intervalul de la câțiva volți (arc de sudare) la zeci de kilovolți. Densitatea maximă a curentului arcului se observă la catod (10 2 -10 8 A/cm 2), unde se contractă într-un punct catod foarte luminos și mic. Se mișcă aleatoriu și continuu pe întreaga zonă a electrodului. Temperatura sa este astfel încât materialul catodic fierbe în el. Prin urmare, apar condiții ideale pentru emisia termoionică de electroni în spațiul apropiat catodic. Deasupra acestuia se formează un strat mic, care este încărcat pozitiv și asigură accelerarea electronilor emiși până la viteze la care aceștia șoc ionizează atomii și moleculele mediului din spațiul interelectrod.

Același loc, dar ceva mai mare și mai puțin mobil, se formează și pe anod. Temperatura din el este aproape de punctul catodului.

Dacă curentul arcului este de ordinul a mai multor zeci de amperi, atunci jeturile de plasmă sau torțele curg din ambii electrozi cu viteză mare în mod normal către suprafețele lor (vezi fotografia de mai jos).

La curenți mari (100-300 A), apar jeturi de plasmă suplimentare, iar arcul devine similar cu un fascicul de filamente de plasmă (vezi fotografia de mai jos).

Cum se manifestă arcul în echipamentele electrice

După cum s-a menționat mai sus, catalizatorul pentru apariția sa este o eliberare puternică de căldură în punctul catodului. Temperatura arcului electric, așa cum am menționat deja, poate ajunge la 20.000 ° C, de aproximativ patru ori mai mare decât pe suprafața soarelui. Această căldură poate topi rapid sau chiar vaporiza conductoarele de cupru, care au un punct de topire de aproximativ 1084°C, mult mai scăzut decât într-un arc. Prin urmare, în ea se formează adesea vapori de cupru și stropi de metal topit. Când cuprul trece de la solid la vapori, se extinde la câteva zeci de mii de ori volumul său inițial. Acest lucru este echivalent cu faptul că o bucată de cupru dintr-un centimetru cub se va schimba la o dimensiune de 0,1 metri cubi într-o fracțiune de secundă. În acest caz, vor exista o presiune de intensitate mare și unde sonore care se propagă în jur la viteză mare (care poate fi de peste 1100 km pe oră).

Impactul unui arc electric

Rănirea gravă și chiar moartea, dacă apare, pot fi primite nu numai de persoanele care lucrează la echipamente electrice, ci și de persoanele care se află în apropiere. Leziunile arcului pot include arsuri externe ale pielii, arsuri interne de la inhalarea de gaze fierbinți și metal vaporizat, leziuni ale auzului, leziuni ale vederii, cum ar fi orbirea de la lumina ultravioletă flash și multe alte leziuni devastatoare.

Cu un arc deosebit de puternic, pot apărea și fenomene precum explozia acestuia, creând o presiune de peste 100 de kilopascali (kPa) cu ejectarea particulelor de resturi precum schijele la viteze de până la 300 de metri pe secundă.

Persoanele care au fost expuse la curenții de arc electric pot avea nevoie de tratament serios și de reabilitare, iar costul rănilor lor poate fi extrem - fizic, emoțional și financiar. În timp ce întreprinderile sunt obligate prin lege să efectueze evaluări ale riscurilor pentru toate activitățile de lucru, riscul de arc electric este adesea trecut cu vederea, deoarece majoritatea oamenilor nu știu cum să evalueze și să gestioneze eficient acest pericol. Protecția împotriva efectelor unui arc electric implică utilizarea unei game întregi de mijloace, inclusiv utilizarea de echipamente speciale de protecție electrică, îmbrăcăminte de protecție și echipamentul în sine, în special dispozitive electrice de comutare de înaltă tensiune joasă, proiectate folosind mijloace de stingere a arcului atunci când lucrul cu echipamente electrice sub tensiune.

Arc în aparate electrice

În această clasă de dispozitive electrice (întrerupătoare, contactoare, demaroare magnetice), lupta împotriva acestui fenomen este de o importanță deosebită. Atunci când contactele unui comutator care nu este echipat cu dispozitive speciale pentru a preveni un arc deschis, acesta se aprinde în mod necesar între ele.

În momentul în care contactele încep să se separe, aria acestuia din urmă scade rapid, ceea ce duce la o creștere a densității curentului și, în consecință, la o creștere a temperaturii. Căldura generată în spațiul dintre contacte (ulei mediu uzual sau aer) este suficientă pentru a ioniza aerul sau pentru a se evapora și a ioniza uleiul. Aerul ionizat sau aburul acţionează ca un conductor pentru curentul arcului dintre contacte. Diferența de potențial dintre ele este foarte mică, dar este suficientă pentru a menține arcul. Prin urmare, curentul din circuit rămâne continuu atâta timp cât arcul nu este eliminat. Nu numai că întârzie procesul de întrerupere a curentului, dar generează și o cantitate imensă de căldură, care poate deteriora întrerupătorul în sine. Astfel, principala problemă la un întrerupător (în primul rând unul de înaltă tensiune) este să stingă cât mai curând arcul electric pentru ca căldura generată în acesta să nu atingă o valoare periculoasă.

Factori de întreținere a arcului între contactele întreruptorului

Acestea includ:

2. Particule ionizate între ele.

Ținând cont de acest lucru, menționăm în plus:

• Când există un spațiu mic între contacte, chiar și o mică diferență de potențial este suficientă pentru a menține arcul. O modalitate de a-l stinge este separarea contactelor la o astfel de distanță încât diferența de potențial să devină insuficientă pentru a menține arcul. Cu toate acestea, această metodă nu este practică în aplicațiile de înaltă tensiune în care poate fi necesară separarea multor contoare.
• Particulele ionizate dintre contacte tind să susțină arcul. Dacă calea sa este deionizată, atunci procesul de stingere va fi facilitat. Acest lucru poate fi realizat prin răcirea arcului sau prin îndepărtarea particulelor ionizate din spațiul dintre contacte.
• Există două moduri prin care protecția arcului este asigurată în întrerupătoarele de circuit:

Metoda de înaltă rezistență;

Metoda cu curent zero.

Stingerea arcului prin creșterea rezistenței acestuia

În această metodă, rezistența în calea arcului crește în timp, astfel încât curentul scade la o valoare care nu este suficientă pentru a-l susține. În consecință, acesta este întrerupt și arcul electric se stinge. Principalul dezavantaj al acestei metode este că timpul de stingere este destul de lung, iar o cantitate uriașă de energie are timp să se disipeze în arc.

Rezistența arcului poate fi crescută prin:

• Alungirea arcului - rezistența arcului este direct proporțională cu lungimea acestuia. Lungimea arcului poate fi mărită prin schimbarea distanței dintre contacte.
• Răcirea arcului, mai exact mediul dintre contacte. Răcirea eficientă a aerului trebuie direcționată de-a lungul arcului.
• Prin plasarea contactelor într-un mediu gazos greu de ionizat (comutatoare de gaz) sau într-o cameră cu vid (comutatoare cu vid).
• Prin reducerea secțiunii transversale a arcului prin trecerea lui printr-o gaură îngustă sau prin reducerea zonei de contact.
• Prin împărțirea arcului - rezistența acestuia poate fi mărită prin împărțirea lui într-un număr de arce mici conectate în serie. Fiecare dintre ele experimentează efectul de alungire și răcire. Arcul poate fi divizat prin introducerea unor plăci conductoare între contacte.

Stingerea arcului prin metoda curentului zero

Această metodă este utilizată numai în circuitele AC. În ea, rezistența arcului este menținută la un nivel scăzut până când curentul scade la zero, unde se stinge în mod natural. Reaprinderea sa este împiedicată în ciuda creșterii tensiunii la contacte. Toate întreruptoarele moderne de curent ridicat folosesc această metodă de stingere a arcului.

Într-un sistem de curent alternativ, acesta din urmă scade la zero după fiecare jumătate de ciclu. În fiecare astfel de resetare, arcul se stinge pentru o perioadă scurtă de timp. În acest caz, mediul dintre contacte conține ioni și electroni, astfel încât rezistența sa dielectrică este scăzută și poate fi ușor distrusă de o tensiune în creștere pe contacte.

Dacă se întâmplă acest lucru, arcul electric va arde pentru următoarea jumătate de ciclu a curentului. Dacă, imediat după zero, rezistența dielectrică a mediului dintre contacte crește mai repede decât tensiunea pe ele, atunci arcul nu se va aprinde și curentul va fi întrerupt. O creștere rapidă a rezistenței dielectrice a curentului mediu aproape de zero poate fi realizată prin:

• recombinarea particulelor ionizate în spațiul dintre contacte în molecule neutre;
• îndepărtarea particulelor ionizate și înlocuirea lor cu particule neutre.

Astfel, adevărata problemă în întreruperea curentului alternativ al arcului este deionizarea rapidă a mediului dintre contacte de îndată ce curentul devine zero.

Modalități de deionizare a mediului între contacte

1. Alungirea golului: rigiditatea dielectrică a mediului este proporțională cu lungimea spațiului dintre contacte. Astfel, o rigiditate dielectrică mai mare a mediului poate fi realizată și prin deschiderea rapidă a contactelor.

2. Presiune ridicată. Dacă crește în imediata apropiere a arcului, densitatea particulelor care alcătuiesc canalul de descărcare a arcului crește și ea. Densitatea crescută a particulelor duce la un nivel ridicat al deionizării acestora și, în consecință, crește rezistența dielectrică a mediului dintre contacte.

3. Răcire. Recombinarea naturală a particulelor ionizate este mai rapidă dacă acestea se răcesc. Astfel, rigiditatea dielectrică a mediului dintre contacte poate fi mărită prin răcirea arcului.

4. Efect de explozie. Dacă particulele ionizate dintre contacte sunt îndepărtate și înlocuite cu altele neionizate, atunci rezistența dielectrică a mediului poate fi crescută. Acest lucru poate fi realizat cu o explozie de gaz direcționată în zona de descărcare sau prin injectarea uleiului în spațiul de intercontact.

Aceste întrerupătoare de circuit folosesc gaz cu hexafluorură de sulf (SF6) ca mediu de stingere a arcului. Are o tendință puternică de a absorbi electroni liberi. Contactele comutatorului se deschid în debitul de înaltă presiune SF6) între ele (vezi figura de mai jos).

Gazul captează electroni liberi în arc și formează un exces de ioni negativi cu mobilitate redusă. Numărul de electroni din arc se reduce rapid și se stinge.