Domov
studne
Vznik a vlastnosti oblúka. Štruktúra a vlastnosti elektrického oblúka

Vznik a vlastnosti oblúka. Štruktúra a vlastnosti elektrického oblúka

Elektrický oblúk je jedným z typov elektrického výboja v plynoch. Akýkoľvek riadený pohyb nabitých častíc medzi elektródami v plynoch sa nazýva výboj. Miesto oblúka medzi inými typmi výbojov v plynoch:

Oblúkový výboj sa líši od ostatných:

1 - vysoká teplota 4000 - 50 OOO K

2 - vysoká prúdová sila 50-10 000 A

3 - slabé elektrické pole 10 - 60 V.

Nazýva sa oblúk kvôli charakteristickému tvaru, ktorý vzniká interakciou nabitých častíc oblúka s magnetickým poľom samotného oblúka. So zvyšujúcim sa prúdom môže magnetické pole prerušiť oblúkový výboj

Prúd v oblúkovom procese preteká medzi elektródami (oblúkové póly) cez plyn v oblúkovom priestore.

Pozitívna elektróda je anóda.

Záporná elektróda - katóda

Rozlišujte bez oblúka (voľne sa rozširujúci) a stlačený. Voľný (voľne sa rozširujúci) je oblúk, ktorého oadius nie je obmedzený v žiadnej z jeho sekcií;

stlačený oblúk je oblúk, ktorého polomer je obmedzený aspoň v jednom úseku.

Rozloženie poklesu napätia v oblúku. V medzielektródovom priestore je pozorované nerovnomerné rozloženie elektrického poľa (potenciálne skoky v oblastiach blízkych elektródam) a v súlade s tým je nerovnomerný pokles napätia po dĺžke oblúka.

Voľné elektróny, ktoré sú v kovoch pod vplyvom elektrického poľa pri vysokej teplote katódy ju opúšťajú. Potenciál katódovej oblasti urýchľuje a ionizuje atómy oblúkového stĺpca. , padajú naň pôsobením elektrického poľa Ióny sa pohybujú v opačnom smere a bombardujú katódu

Odpor plynového vodiča je nelineárny, a preto oblúk nespĺňa Ohmov zákon

Statická prúdovo-napäťová charakteristika oblúka. V závislosti od prúdovej hustoty môže byť charakteristika prúdového napätia klesajúca, plochá a stúpajúca

Pri nízkych prúdoch, so zvyšujúcim sa prúdom, sa počet nabitých častíc intenzívne zvyšuje, najmä v dôsledku zahrievania a zvýšenia emisie elektrónov z povrchu katódy, a teda zodpovedajúceho zvýšenia objemovej ionizácie v stĺpci oblúka.

V tomto prípade sa odpor stĺpca oblúka znižuje a napätie potrebné na podporu výboja klesá. Charakteristickým znakom oblúka je pád.

Pri ďalšom zvyšovaní prúdu a obmedzenom priereze elektród je stĺpec oblúka mierne stlačený a objem plynu, ktorý sa podieľa na prenose nábojov, klesá. To vedie k nižšej rýchlosti rastu počtu nabitých častíc.

Napätie oblúka sa stáva málo závislým od prúdu. Charakteristika je plochá.

V prvých dvoch oblastiach je elektrický odpor oblúka negatívny (negatívny). Tieto oblasti sú typické pre oblúky s relatívne nízkou prúdovou hustotou. Ďalšie zvýšenie prúdu vedie k vyčerpaniu termionickej schopnosti katódy. Počet nabitých častíc sa nezvyšuje a odpor oblúka sa stáva kladným a takmer konštantným. Objaví sa vysoko ionizovaná stlačená plazma, ktorá je svojimi vlastnosťami blízka kovovým vodičom. Takýto oblúk sa riadi Ohmovým zákonom.

Energetická kapacita rôznych oblastí oblúka

Pre uvedené údaje pokles napätia v oblastiach oblúka (oblúk v parách železa) a aktuálne hodnoty charakteristické pre manuálne oblúkové zváranie:

V oblasti katódy 14Vx100A \u003d 1,4 kW po dĺžke * 10 "5 cm

V oblúkovom stĺpe 25 V/cm x 0,6 cm x 100 A = 1,5 kW po dĺžke ^0,6 cm

V anódovej oblasti 2,5 V x 100 A \u003d 250 W na dĺžke 10"4 cm.

Hlavnými spotrebiteľmi energie sú katódová oblasť a oblúkový stĺp, je zrejmé, že v nich prebiehajú hlavné procesy, ktoré charakterizujú fyzikálny jav, výsledkom čoho je oblúkový výboj.

Pri konštantných priemeroch elektród a vzdialenostiach medzi nimi budú elektrické parametre oblúka závisieť od materiálu elektród (emisia, pary kovu v stĺpci), zloženia plynu v oblúku, teploty elektródy, zloženia plynu v oblúku (v oblúkový stĺp).

To znamená, že elektrické parametre oblúka závisia od fyzikálnych a geometrických faktorov. Zmena veľkosti elektród a vzdialenosti medzi nimi ovplyvňuje elektrické charakteristiky oblúka

Zváracie oblúky sú rozdelené (klasifikované):

Podľa materiálov elektród (Fe, W, Cu atď.)

Podľa zloženia plynov (vo vzduchu, v parách kovov, v prúde ochranných plynov;

Spotrebná alebo nespotrebiteľná elektróda atď.

Fyzikálne procesy v katódovej oblasti

Elektróny opúšťajú povrch katódy a pohybujú sa smerom k anóde. Dráha, ktorú prejdú pred prvou zrážkou s atómami plynov oblúka, obmedzuje oblasť katódy. Výpočty ukazujú, že toto je * Yu "b cm pre normálny tlak a oblúk vo vzduchu a v parách železa.

Je obvyklé označovať oblasť katódy túto oblasť oblúka (1C) "5 cm) a samotný povrch katódy.

1) Celkový elektrický prúd v katódovej oblasti pozostáva z elektrónového a iónového prúdu

Prúdová hustota (A/cm2):

I = eo-rvWe'i© = e0n©W&

e0 je elektrónový náboj;

n© je počet elektrónov;

W© - rýchlosť pohybu (drift) elektrónov.

Ak predpokladáme rovnosť prúdov iónového a elektronického prúdu (pri samotnom I, > 1c), potom

Ióny a elektróny, ktoré prechádzajú oblasťou katódy, akumulujú kinetickú energiu:

R _ P1fuf - _ tsLChe.

kde m, m © sú zodpovedajúce hmotnosti.

Keďže sú urýchľované elektrickým poľom, energia, ktorú dostanú, bude Єo-ІL (súčin nábojov a rozdielu potenciálov):

Eph = Her=Єо. ik

potom rýchlosti nabitých častíc:

w* = ; my = nie., teda

ne _ W9 _ y gpe _ I gp (

Hmotnosť elektrónu mQ, \u003d 9,106-10 "28 g

Hmotnosť protónu mn \u003d 1,66-10 "24 g

1,66-10"24-55,84_z19

Pre ión železa AFe = 55,84; v tomto prípade:

o katóde, odovzdať jej energiu, zahriať ju, zachytiť elektrón a zmeniť na neutrálne atómy. Elektróny z katódy sú urýchlené na energiu eo U* a narážajú na atómy oblúkového stĺpca a ionizujú ich.

emisia katódy

Existujú také typy emisií elektrónov z povrchu katódy:

Thermionic;

Autoelektronické (elektrostatické);

Fotoelektronické (externý fotoelektrický efekt);

Sekundárne (bombardovanie povrchu atómami, iónmi, ťažkými časticami, elektrónmi atď.);

Pri zváraní oblúkovými metódami sú najbežnejšie tepelné a autoelektronické vyžarovanie.

Intenzita emisie sa odhaduje pomocou prúdovej hustoty j [A/cm2] (pre zváranie 102 ... 105 A/mm2).

Termionická emisia.

Voľným elektrónom, ktoré sú v pevnej látke, sa bráni opustiť jej elektrické pole - bariéru povrchového potenciálu.

Hodnota najmenšej energie, ktorá musí byť odovzdaná elektrónu, aby mohol opustiť povrch telesa a posunúť sa na vzdialenosť, pri ktorej je interakcia medzi ním a telesom nemožná, sa nazýva pracovná funkcia.

Vždy budú existovať elektróny, ktoré náhodne zoberú túto energiu a opustia telo. Ale pod vplyvom elektrického poľa sa okamžite vrátia späť.

So stúpajúcou telesnou teplotou sa zvyšuje počet elektrónov, ktoré majú dostatok energie na to, aby opustili telo.

V elektrostatických výpočtoch je funkcia práce A* = e0 f, kde<р - потенциал выхода. Е0 = 1, А, = ф в эктрон-вольтах.

Prúdová hustota pre termionickú emisiu je určená Richardsonovou - Deshtmanovou rovnicou:

jT=AT2e“kf; jT = AT2e"^

A - konštantná, závisí od materiálu katódy

T - teplota

k: - Boltzmannova konštanta k \u003d 8,62 10'5 eV / K \u003d 1,38-10 "23 JJ

Ukázalo sa, že termionický emisný prúd je o niekoľko rádov (100 .... 10 000 krát) menší ako prúd potrebný pre katódu pri zváraní napríklad ocele.

Ale 8 v oblasti katódy je objemový kladný iónový náboj, ktorý vytvára intenzitu poľa 1-106 V/cm a viac. Elektrické pole takejto sily mení podmienky pre emisiu elektrónov z katódy.

Pracovná funkcia elektrónov klesá v súlade s veľkosťou intenzity poľa v blízkej elektródovej (katódovej) oblasti. Tento jav sa nazýva Schottkyho efekt. Pracovná funkcia v prítomnosti elektrického poľa e v oblasti blízkeho povrchu katódy klesá o: DAV \u003d "2E, / 2 DAV \u003d 3,8-10" * E

E - intenzita elektrického poľa Osobitnú úlohu pri vysvetľovaní javov emisie katód pre anomálne vysoké prúdové hustoty charakteristické pre zváranie tavnou elektródou zohráva elektrostatická hypotéza (emisia poľa) Langmuira (1923). Tok elektrónov má vlnové vlastnosti Elektrón - vlna môže preniknúť z katódy na anódu bez toho, aby stúpla na úroveň potenciálu potrebnú na emisiu, ale ju obíde. Toto sa nazýva tunelový prechod, ktorý prebieha bez vynaloženia energie.

V tomto prípade by hodnota potenciálovej bariéry mala byť menšia ako vlnová dĺžka elektrónu v prúde. Vlnová dĺžka toku elektrónov:

Ft - Planckova konštanta ft \u003d 4,13-10 "15 e-in s m - hmotnosť elektrónu V - rýchlosť toku elektrónov.

y a β sú konštanty, ktoré závisia od materiálu katódy.

Fotoemisia (vonkajší fotoelektrický efekt, Einsteinov jav). Keď sú svetelné kvantá absorbované katódou, môžu sa objaviť elektróny, ktoré majú energiu oveľa väčšiu ako je pracovná funkcia. Podmienka vzniku fotoemisie (Einsteinov zákon)

Fi v £ f + Uz mv2

fi - Planckova konštanta F> = 6,626176 (36) - 10 m J-sec; v je frekvencia svetelnej vlny;

m - hmotnosť elektro. na

v je rýchlosť elektrónu po emisii.

c - rýchlosť svetla vo vákuu sa rovná 299792458,0 (1,2) m/s;

vo, *o - obmedzujúca frekvencia a vlnová dĺžka svetla, ktoré môže spôsobiť fotoemisiu.

Zmes plynov je ionizovaná inak ako každý jednotlivý plyn, pretože elektrónový plyn, ktorý vzniká v dôsledku ionizácie, bude spoločný pre všetky zložky plynnej zmesi. Stupeň ionizácie zmesi:

■L-ts p-d R'

n je počet častíc;

S je priemer interakcie častíc (Ramsauerov priemer);

P - vonkajší tlak.

Stredná kvadratická rýchlosť je určená z priemernej energie tepelného pohybu.

k je Boltzmannova konštanta.

Voľná ​​dráha iónu je X* voľná dráha neutrálneho atómu. Voľná ​​dráha elektrónu L * o * 4ILp (Ramsauerov efekt).

Výpočty ukazujú, že s hmotnosťou iónu železa a elektrónu: pіr** = 56-1,66-1 O"2* g,

pomer ich mobility bude:

Je zrejmé, že prúd iónov je 1830-krát menší ako prúd elektrónov. Z vyššie uvedených závislostí, berúc do úvahy tlak, bude mobilita elektrónov:

b. =J-Ts-Ts - ■Jt ps

B \u003d 3,62-10'13 - bezrozmerná hodnota;

5 - priemer interakcie častíc (Ramsauer).

Rýchlosť driftu elektrónov v stĺpci oblúka:

Vo výpočtoch sa predpokladá, že stĺpec oblúka má valcový tvar, homogénny s konštantnou hustotou prúdu v priereze - model kanála K. K. Khrenova.

Dĺžka oblúkového stĺpca sa prakticky rovná dĺžke oblúka (v rozmedzí 0,1 - 15 mm). Pokles napätia v stĺpci oblúka je úmerný dĺžke stĺpca:

Elektrické pole anódy vrhá kladné ióny do stĺpca oblúka, namiesto toho priťahuje elektróny. Vytvára sa objemový záporný náboj. Z povrchovej anódy nedochádza k emisii kladných iónov (okrem prípadu určitých typov uhlíkového oblúka). V tomto ohľade je prúd v anódovej oblasti čisto elektronický prúd ha \u003d / "<>.

Dĺžka anódovej oblasti sa približne rovná strednej voľnej dráhe elektrónov od poslednej zrážky s atómom. Objemový záporný náboj v oblasti anódy spôsobuje pokles anódového napätia, ktorý málo závisí od materiálu anódy, oblúkových plynov, prúdu oblúkom a rovná sa 2 ... 3 V. Elektrón, ktorý dosiahne anódu, jej dodáva svoju kinetickú energiu , ako aj pracovná funkcia, ktorá bola vynaložená na oddelenie elektrónu od katódy.

Prúdová charakteristika oblúka, ktorý sa voľne rozširuje (voľne)

Oblúkový výboj je stabilný systém. Pri stálom prísune energie sa udržiava v širokej škále režimov. Akákoľvek nerovnováha spôsobí takú zmenu parametrov oblúka, že proces oblúka zostane (nepreruší). Hranice. v ktorých sú možné oblúkové procesy a charakter zmeny parametrov oblúka v reakcii na nerovnováhu, určte charakteristiky prúdového napätia.

Statické -1 - OS; dynamická -1 - 0.

Budeme uvažovať o statických charakteristikách stĺpca oblúka.

Predpoklady (model kanála K. K. Khrenova):

Uvažujeme o stabilnom oblúkovom procese. Energia sa do oblúka dodáva v neobmedzenom množstve a na ľubovoľne dlhú dobu. Žiadne vonkajšie faktory neovplyvňujú priemer oblúka.

Termodynamická rovnováha je prísne udržiavaná vo všetkých zónach oblúka. V tomto prípade sa oblúková plazma riadi zákonom Saha.

Stĺpec oblúka je valec, ktorého povrch ostro oddeľuje plazmu oblúka s teplotou Td od okolia T = 0.

Všetky tepelné straty stĺpca oblúka sú straty vyžarovaním vonkajšieho valcového plášťa oblúka a riadia sa Stefan-Boltzmannovým zákonom.

Steinbeckov princíp minima.

V Oblúku, ktorý sa voľne rozširuje, sú fyzikálne procesy nastavené tak, že t-> min.

Pri stabilnom oblúkovom procese sú tepelné straty stĺpca oblúka minimálne možné pre tieto podmienky. Pre daný stav plynnej fázy a konštanty IH a P bude elektrické pole závisieť iba od I^.

1. So zvýšením teploty kolóny od T6 sa súčasne zvyšuje stupeň ionizácie, pohyblivosť elektrónov, prúdová hustota, intenzita elektrického poľa a zároveň sa zvyšujú aj straty žiarenia.

2. S poklesom teploty kolóny od TB klesá stupeň ionizácie a prúdová hustota, ale zvyšuje sa intenzita poľa. Náklady na energie sú na vzostupe.

Za predpokladu, že neexistujú žiadne obmedzenia na priemer oblúka, oblúk je v širokom rozsahu samoregulačným systémom. V oblúku sa automaticky udržiava minimálna možná intenzita poľa. To znamená, že pri konštantných hodnotách fyzikálnych parametrov média a Id v oblúku sú nastavené také hodnoty Tf a rst, pri ktorých bude intenzita poľa v stĺpci minimálna.

Energetická bilancia v oblúkových oblastiach

Energetická bilancia v stĺpci oblúka f je zlomok prúdu elektrónov, |a je zvárací prúd.

Zdroj energie (teplo Joule-Lenz uvoľnené na odpor plazmy stĺpca oblúka voči prechádzajúcemu prúdu):

ist - pokles napätia na stĺpci oblúka.

Ionizácia neutrálnych atómov:

C je ionizačný potenciál plynov oblúkovej medzery.

Sálavé tepelné straty - RCT

Tepelné straty konvekciou - R^*,

Tepelné straty difúziou nabitých častíc do okolia - RAO

Tepelné straty pre endotermické chemické reakcie - RXMt

Bilančná rovnica:

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

Q* + R* alebo v zjednodušenej forme:

Q* = lc*(Spojené kráľovstvo -<р)

teda výstup:

čím lepšia je emisia elektrónov z povrchu katódy (tým nižšia je pracovná funkcia<р) - тем больше теплоты выделяется на катоде. Опытные данные показывают:

navyše: 2 - typické pre nespotrebovateľné katódy;

10 - typické pre spotrebné katódy.

3. Energetická bilancia na anóde.

Bilančná rovnica:

R + A ■ Rem - Qt + R*

alebo v zjednodušenej forme:

Q" = l~(U, +<р)

Skúsené údaje ukazujú:

Stlačený oblúk.

Polomer stĺpca oblúka het je v prvom rade funkciou prúdu v oblúku:

pі / 2,2 3 gst \u003d C2 -yy - d

b3,!9k2 a0 Uj

So zvyšujúcim sa prúdom sa zväčšuje polomer oblúka.

drCT „ P12 2,-13 . Р12 Urobil

ID Std3i (912 3 OR 2a‘3i! 9,2", C

Dgst - rýchlosť nárastu polomeru oblúka.

Rýchlosť zmeny polomeru stĺpca oblúka (Dgst - rate) závisí od absolútnej hodnoty prúdu. Pri malom prúde je polomer citlivý na zmeny prúdu, pri veľkom prúde nie je veľmi citlivý. Limit je, keď I" - *", Dhet = 0.

Keď Dgst = const, prúd oblúka je určený prúdovou hustotou "i"

I = LGap "Urn-

Oblúk, ktorý má tieto vlastnosti, sa nazýva stlačený. Ak je polomer aspoň v jednom úseku hodnotou konštanty ^ A^ ra, nazývame komprimovaný.

Hranica prechodu z voľného na stiahnutý oblúk závisí od ionizačného potenciálu U,. Pri malej hodnote U je potrebný veľký prúd na prechod do stlačeného oblúka. Polomer môže byť obmedzený plochou jednej z elektród alebo zvýšením prenosu tepla z bočného povrchu kolóny. Fúkaním oblúka prúdom studeného plynu je možné ho pri nízkych hodnotách prúdu premeniť na stlačený.

V reálnych podmienkach môže byť zvýšenie Dhet ovplyvnené:

1. Polomer elektród, medzi ktorými horí oblúk.

2. Ionizačný potenciál plynu, v ktorom horí oblúk.

3. Prenos tepla z bočného povrchu stĺpca oblúka.

Metódy na získanie stlačeného oblúka

Na základe toho existujú také spôsoby, ako získať stlačený oblúk:

Obmedzenie priemeru aspoň jednej z elektród;

Fúkanie oblúka plynom s vysokým ionizačným potenciálom a vysokou tepelnou vodivosťou (Ag. He);

Vonkajšie pozdĺžne magnetické pole (nepoužíva sa v strojárstve).

Všeobecný popis prúdovo-napäťovej charakteristiky oblúka na základe vyššie uvedeného možno vykonať takto:

1) Voľný oblúk (voľne sa rozširujúci). Polomer oblúkového stĺpca gst sa zvyšuje s

rast prúdu^Id. Teplota oblúka zostáva konštantná T = const, stupeň ionizácie x je veľmi malý. Oblúkový stĺpec aj katódová oblasť majú klesajúcu charakteristiku.

2) Stlačený slabo ionizovaný oblúk. Polomer stĺpca oblúka r - sa s rastúcim m nezväčšuje stupeň ionizácie x a teplota stĺpca oblúka Ta sa začínajú nápadne zvyšovať. Oblúkový stĺp má stále padaciu charakteristiku. Katódová oblasť – zväčšujúca sa

3) Cu ^ m ^ v ^ yuok £ ionizovaný oblúk. Stupeň ionizácie x-*1 VAC oblúkového stĺpca a katódovej oblasti sa zvyšuje. Procesy v oblúku prestávajú závisieť od polarity, materiálov elektród a vlastností plynov stĺpca oblúka. Oblúk sa stáva obyčajným vodičom na úrovni kovov (pri 10 000 K, merný odpor p \u003d 1,5-1 O "4 Ohm cm), mení sa na vysoko koncentrovaný, veľmi stabilný zdroj zváracieho tepla.

Počas prevádzky sa elektrické obvody neustále uzatvárajú a otvárajú. Už dlho sa zistilo, že v okamihu otvorenia sa medzi kontaktmi vytvorí elektrický oblúk. Pre jeho vzhľad stačí napätie viac ako 10 voltov a prúd viac ako 0,1 ampéra. Pri vyšších hodnotách prúdu a napätia vnútorná teplota oblúka často dosahuje 3-15 tisíc stupňov. To sa stáva hlavnou príčinou roztavených kontaktov a živých častí.

Ak je napätie 110 kilovoltov a vyššie, v tomto prípade môže dĺžka oblúka dosiahnuť dĺžku viac ako jeden meter. Takýto oblúk predstavuje vážne nebezpečenstvo pre osoby pracujúce s výkonnými elektrárňami, preto je potrebné jeho maximálne obmedzenie a rýchle zhasnutie v akýchkoľvek obvodoch bez ohľadu na hodnotu napätia.

Čo je elektrický oblúk

Najtypickejším príkladom je elektrický zvárací oblúk, ktorý sa prejavuje vo forme nepretržitého elektrického výboja v plazme. Na druhej strane, plazma sú ionizované plyny zmiešané medzi sebou a pary zložiek ochrannej atmosféry, základného a prídavného kovu.

Elektrický oblúk je teda spaľovanie elektrického výboja medzi dvoma elektródami umiestnenými v horizontálnej rovine. Pôsobením zahriatych plynov smerujúcich nahor sa tento výboj ohne a stane sa viditeľným ako oblúk alebo oblúk.

Tieto vlastnosti umožnili v praxi využiť oblúk ako vodič plynu, pomocou ktorého sa elektrická energia premieňa na tepelnú energiu, čím vzniká vysoká intenzita ohrevu. Tento proces je možné pomerne jednoducho riadiť zmenou elektrických parametrov.

Za normálnych podmienok plyny nevedú elektrický prúd. Ak však nastanú priaznivé podmienky, môžu byť ionizované. Ich atómy alebo molekuly sa stávajú pozitívnymi alebo negatívnymi iónmi. Pôsobením vysokej teploty a vonkajšieho elektrického poľa s vysokou intenzitou sa plyny menia a prechádzajú do stavu plazmy, ktorá má všetky vlastnosti vodiča.

Ako vzniká zvárací oblúk

  • Najprv sa objaví kontakt medzi koncom elektródy a obrobkom, ktorý ovplyvňuje oba povrchy.
  • Pôsobením prúdu s vysokou hustotou sa povrchové častice rýchlo roztavia a vytvoria vrstvu tekutého kovu. Neustále sa zvyšuje v smere elektródy, po ktorej sa zlomí.
  • V tomto momente sa kov veľmi rýchlo vyparí a výbojová medzera sa začne zapĺňať iónmi a elektrónmi. Aplikované napätie spôsobuje ich pohyb smerom k anóde a katóde, čo vedie k budeniu zváracieho oblúka.
  • Začína sa proces tepelnej ionizácie, v ktorom sa kladné ióny a voľné elektróny naďalej sústreďujú, plyn v oblúkovej medzere sa ešte viac ionizuje a samotný oblúk sa stáva stabilným.
  • Pod jeho vplyvom sa kovy obrobku a elektródy roztavia a v kvapalnom stave sa navzájom zmiešajú.
  • Po ochladení sa na tomto mieste vytvorí zvarový šev.

Zhášanie elektrického oblúka v spínacom zariadení

Odpojenie prvkov elektrického obvodu musí byť vykonané veľmi opatrne, bez poškodenia spínacieho zariadenia. Samotné otvorenie kontaktov nestačí, je potrebné správne uhasiť oblúk, ktorý medzi nimi vzniká.

Procesy horenia a zhášania oblúka sa medzi sebou výrazne líšia v závislosti od použitia v sieti. Ak nie je žiadny konkrétny problém s jednosmerným prúdom, potom so striedavým prúdom je potrebné zvážiť množstvo faktorov. Po prvé, prúd oblúka prechádza nulovou značkou v každom polcykle. V tomto okamihu sa uvoľňovanie energie zastaví, v dôsledku čoho oblúk spontánne zhasne a znova sa rozsvieti. V praxi sa prúd blíži k nule ešte pred prekročením nulovej značky. Je to spôsobené znížením prúdu a znížením energie dodávanej do oblúka.

V súlade s tým klesá aj jeho teplota, čo spôsobuje ukončenie tepelnej ionizácie. V samotnej medzere oblúka dochádza k intenzívnej deionizácii. Ak v tomto okamihu dôjde k rýchlemu otvoreniu a zapojeniu kontaktov, nemusí dôjsť k poruche, obvod sa vypne bez vzniku oblúka.

V praxi je vytvorenie takýchto ideálnych podmienok veľmi náročné. V tomto ohľade boli vyvinuté špeciálne opatrenia na urýchlenie zhasnutia oblúka. Rôzne technické riešenia umožňujú rýchlo ochladiť oblúkovú medzeru a znížiť počet nabitých častíc. V dôsledku toho dochádza k postupnému zvyšovaniu elektrickej sily tejto medzery a súčasnému zvyšovaniu obnovovacieho napätia v nej.

Obe hodnoty sú na sebe závislé a ovplyvňujú zapálenie oblúka v nasledujúcom polcykle. Ak dielektrická sila prekročí obnovovacie napätie, oblúk sa už nezapáli. V opačnom prípade bude horieť nepretržite.

Hlavné metódy hasenia oblúka

Pomerne často sa používa metóda predlžovania oblúka, keď v procese rozbiehania kontaktu pri rozpojení obvodu dochádza k jeho naťahovaniu (obr. 1). Zväčšením povrchu sa výrazne zlepšia podmienky chladenia a na podporu horenia je potrebná väčšia hodnota napätia.

1.

V inom prípade je všeobecný elektrický oblúk rozdelený na samostatné krátke oblúky (obr. 2). Na to je možné použiť špeciálny kovový rošt. V jeho doskách sa pri pôsobení indukuje elektromagnetické pole, ktoré napína oblúk na oddelenie. Táto metóda je široko používaná v spínacích zariadeniach s napätím menším ako 1 kV. Typickým príkladom sú vzduchové ističe.

2.

Celkom efektívne je hasenie v malých objemoch, teda vo vnútri oblúkových žľabov. Tieto zariadenia majú pozdĺžne štrbiny, ktoré sa zhodujú pozdĺž osí so smerom hriadeľa oblúka. V dôsledku kontaktu so studenými povrchmi sa oblúk začne rýchlo ochladzovať, čím sa aktívne uvoľňujú nabité častice do okolia.

Použitie vysokého tlaku. V tomto prípade zostáva teplota nezmenená, tlak sa zvyšuje a ionizácia klesá. Za takýchto podmienok sa oblúk intenzívne ochladzuje. Na vytvorenie vysokého tlaku sa používajú tesne uzavreté komory. Metóda je obzvlášť účinná pre poistky a iné zariadenia.

Oblúk je možné uhasiť pomocou oleja v mieste, kde sú umiestnené kontakty. Keď sa otvoria, objaví sa oblúk, pod vplyvom ktorého sa olej začne aktívne odparovať. Ukázalo sa, že je pokrytý plynovou bublinou alebo škrupinou, ktorá pozostáva zo 70-80% vodíka a olejových pár. Pod vplyvom uvoľnených plynov vstupujúcich priamo do zóny valca sa studený a horúci plyn vo vnútri bubliny mieša, čím sa intenzívne ochladzuje oblúková medzera.

Iné spôsoby hasenia

Elektrický oblúk je možné uhasiť zvýšením jeho odporu. Postupne sa zvyšuje a prúd klesá na hodnotu nedostatočnú na udržanie horenia. Hlavnou nevýhodou tejto metódy je dlhá doba zhášania, počas ktorej sa v oblúku rozptýli veľké množstvo energie.

Zvýšenie odporu oblúka sa dosahuje rôznymi spôsobmi:

  • Predĺženie oblúka, pretože jeho odpor je priamo úmerný dĺžke. Aby ste to dosiahli, musíte zmeniť medzeru medzi kontaktmi v smere nárastu.
  • Chladenie média medzi kontaktmi, kde sa nachádza oblúk. Najčastejšie sa používa fúkanie nasmerované pozdĺž oblúka.
  • Kontakty sú umiestnené v plynnom médiu s nízkym stupňom ionizácie alebo vo vákuovej komore. Táto metóda sa používa v plynových a vákuových ističoch.
  • Prierez oblúka možno zmenšiť jeho prechodom cez úzky otvor alebo zmenšením kontaktnej plochy.

V obvodoch so striedavým napätím sa na zhasnutie oblúka používa metóda nulového prúdu. V tomto prípade je odpor udržiavaný na nízkej úrovni, kým prúd neklesne na nulu. Výsledkom je prirodzené zhasnutie a zapaľovanie sa už neopakuje, aj keď sa napätie na kontaktoch môže zvýšiť. Na konci každého polcyklu dôjde k poklesu na nulu a oblúk na krátky čas zhasne. Ak zvýšite dielektrickú pevnosť medzery medzi kontaktmi, oblúk zostane zhasnutý.

Dôsledky elektrického oblúka

Deštruktívny účinok oblúka predstavuje vážne nebezpečenstvo nielen pre zariadenia, ale aj pre pracujúcich ľudí. Za nepriaznivých okolností si môžete privodiť vážne popáleniny. Niekedy porážka oblúka končí smrťou.

Elektrický oblúk sa spravidla vyskytuje v okamihu náhodného kontaktu s časťami alebo vodičmi nesúcimi prúd. Pôsobením skratového prúdu sa drôty tavia, vzduch sa ionizuje a vytvárajú sa ďalšie priaznivé podmienky pre vznik plazmového kanála.

V súčasnosti sa v oblasti elektrotechniky dosahujú výrazné pozitívne výsledky pomocou moderných ochranných prostriedkov vyvinutých proti elektrickému oblúku.

V modernom priemysle má zváranie veľký význam, má veľmi široké uplatnenie vo všetkých priemyselných odvetviach. Na vykonanie procesu zvárania je potrebný zvárací oblúk.

Čo je zvárací oblúk, jeho definícia

Zvárací oblúk sa považuje za veľmi veľký elektrický výboj z hľadiska výkonu a trvania, ktorý existuje medzi elektródami, ktoré sú pod napätím, v zmesi plynov. Jeho vlastnosti sa vyznačujú vysokou teplotou a prúdovou hustotou, vďaka čomu je schopný roztaviť kovy s teplotou topenia nad 3000 stupňov. Vo všeobecnosti môžeme povedať, že elektrický oblúk je plynový vodič, ktorý premieňa elektrickú energiu na tepelnú energiu. Elektrický náboj je prechod elektrického prúdu cez plynné médium.

Existuje niekoľko typov elektrického výboja:

  • Tlejúci výtok. Vyskytuje sa pri nízkom tlaku, používa sa vo fluorescenčných lampách a plazmových obrazovkách;
  • Iskrový výboj. Vyskytuje sa, keď sa tlak rovná atmosférickému, má nesúvislý tvar. Iskrový výboj zodpovedá blesku a používa sa aj na zapaľovanie spaľovacích motorov;
  • Oblúkový výboj. Používa sa na zváranie a osvetlenie. Líši sa v spojitej forme, vyskytuje sa pri atmosférickom tlaku;
  • koruna. Vyskytuje sa, keď je telo elektródy drsné a nehomogénne, druhá elektróda môže chýbať, to znamená, že sa objaví prúd. Používa sa na čistenie plynov od prachu;

Príroda a štruktúra

Povaha zváracieho oblúka nie je taká zložitá, ako by sa mohlo zdať na prvý pohľad. Elektrický prúd prechádzajúci cez katódu potom preniká do ionizovaného plynu, dochádza k výboju s jasnou žiarou a veľmi vysokou teplotou, takže teplota elektrického oblúka môže dosiahnuť 7000 - 10000 stupňov. Potom prúd tečie do spracovávaného zváraného materiálu. Pretože je teplota taká vysoká, oblúk vyžaruje ultrafialové a infračervené žiarenie škodlivé pre ľudské telo, môže poškodiť oči alebo spôsobiť ľahké popáleniny na koži, takže počas procesu zvárania je potrebná správna ochrana.

Štruktúra zváracieho oblúka pozostáva z troch hlavných oblastí: anóda, katóda a oblúkový stĺp. Pri iskrení vznikajú na katóde a anóde aktívne miesta - oblasti, v ktorých teplota dosahuje najvyššie hodnoty, práve cez tieto oblasti prechádza všetok elektrický prúd, oblasti anódy a katódy predstavujú väčšie úbytky napätia. A samotný stĺpec sa nachádza medzi týmito oblasťami, pokles napätia v stĺpci je veľmi malý. Dĺžka zváracieho oblúka je teda súčtom vyššie uvedených oblastí, zvyčajne je dĺžka niekoľko milimetrov, pričom oblasť anódy a katódy je 10-4 a 10-5 cm. Najvýhodnejšia dĺžka je približne 4-6 mm, pri takejto dĺžke stála a priaznivá teplota.

Odrody

Typy zváracieho oblúka sa líšia schémou dodávky zváracieho prúdu a prostredím, v ktorom sa vyskytujú, najbežnejšie možnosti sú:

  • Priama akcia. Pri tejto metóde je zváranie umiestnené rovnobežne so zváranou kovovou konštrukciou a oblúk vzniká pod uhlom deväťdesiatich stupňov vzhľadom na elektródu a kov;
  • Zvárací oblúk nepriameho pôsobenia. Vyskytuje sa pri použití dvoch elektród, ktoré sú umiestnené pod uhlom 40-60 stupňov k povrchu časti, ktorá sa má zvárať, medzi elektródami vzniká oblúk a zvára kov;

Existuje aj klasifikácia v závislosti od atmosféry, v ktorej sa vyskytujú:

  • otvorený typ. Oblúk tohto typu horí na vzduchu a okolo neho sa vytvára plynná fáza obsahujúca pary zváraného materiálu, elektródy a ich povlaky;
  • uzavretý typ. Horenie takéhoto oblúka nastáva pod vrstvou taviva, plynná fáza vytvorená okolo oblúka zahŕňa pary kovu, elektródy a taviva;
  • Oblúk s prívodom plynu. Do horiaceho oblúka sa privádzajú stlačené plyny - hélium, argón, oxid uhličitý, vodík a ďalšie rôzne zmesi plynov, privádzajú sa tak, aby zváraný kov neoxidoval, ich prívod prispieva k redukčnému alebo neutrálnemu prostrediu. Plynná fáza okolo oblúka zahŕňa - privádzaný plyn, kov a výpary elektród;

Rozlišujú sa aj dĺžkou pôsobenia - stacionárne (na dlhodobé použitie) a pulzné (na jednorazové použitie), podľa materiálu použitej elektródy - uhlíkové, volfrámové - nekonzumné elektródy a kov - spotrebné. Najbežnejšou spotrebnou elektródou je oceľ. K dnešnému dňu sa najčastejšie používa zváranie nekonzumovateľnou elektródou. Typy zváracích oblúkov sú teda rôznorodé.

Podmienky horenia

Za štandardných podmienok, to znamená pri teplote 25 stupňov a tlaku 1 atmosféry, plyny nie sú schopné viesť elektrický prúd. Aby sa vytvoril oblúk, je potrebné, aby plyny medzi elektródami boli ionizované, to znamená, že obsahovali rôzne nabité častice - elektróny alebo ióny (katióny alebo anióny). Proces tvorby ionizovaného plynu sa bude nazývať ionizácia a práca, ktorú je potrebné vynaložiť na oddelenie elektrónu od atómovej častice, aby sa vytvoril elektrón a ión, sa bude nazývať práca ionizácie, ktorá sa meria v elektrónvoltoch a sa nazýva ionizačný potenciál. Aký druh energie je potrebné vynaložiť na oddelenie elektrónu od atómu závisí od povahy plynnej fázy, hodnoty môžu byť od 3,5 do 25 eV. Najmenší ionizačný potenciál majú kovy skupiny alkalických kovov a kovov alkalických zemín - draslík, vápnik a podľa toho aj ich chemické zlúčeniny. Elektródy sú potiahnuté takými zlúčeninami, aby prispeli k stabilnej existencii a horeniu zváracieho oblúka.

Taktiež pre vznik a horenie oblúka je potrebná stála teplota na katóde, ktorá závisí od charakteru katódy, jej priemeru, veľkosti a okolitej teploty. Teplota elektrického oblúka preto musí byť konštantná a nesmie kolísať, vzhľadom na obrovské hodnoty prúdu môže teplota dosiahnuť 7 tisíc stupňov, takže zváraním je možné pripevniť úplne všetky materiály. Konštantnú teplotu zabezpečuje dobrý zdroj energie, preto je jeho výber pri návrhu zváracieho stroja veľmi dôležitý, ovplyvňuje vlastnosti oblúka.

vznik

Vyskytuje sa pri rýchlom okruhu, to znamená, keď sa elektróda dostane do kontaktu s povrchom zváraného materiálu, v dôsledku kolosálnej teploty sa povrch materiálu roztaví a medzi elektródou a elektródou sa vytvorí malý pásik roztaveného materiálu. povrch. V čase, keď sa elektróda a zváraný materiál rozchádzajú, sa z materiálu vytvorí hrdlo, ktoré sa v dôsledku vysokých hodnôt prúdovej hustoty okamžite zlomí a vyparí. Plyn sa ionizuje a vzniká elektrický oblúk. Dá sa vzbudiť dotykom alebo úderom.

Zvláštnosti

V porovnaní s inými elektrickými nábojmi má nasledujúce vlastnosti:

  • Vysoká prúdová hustota, ktorá dosahuje niekoľko tisíc ampérov na štvorcový centimeter, vďaka čomu sa dosahujú veľmi vysoké teploty;
  • Nerovnomerné rozloženie elektrického poľa v priestore medzi elektródami. V blízkosti elektród je pokles napätia veľmi veľký, keď v stĺpci - naopak;
  • Obrovská teplota, ktorá vďaka vysokej prúdovej hustote dosahuje najvyššie hodnoty v stĺpci. S nárastom dĺžky kolóny sa teplota znižuje a so zúžením sa naopak zvyšuje;
  • Pomocou zváracích oblúkov je možné získať rôzne charakteristiky prúdového napätia - závislosť poklesu napätia od hustoty prúdu pri konštantnej dĺžke, to znamená rovnomerné spaľovanie. V súčasnosti existujú tri charakteristiky prúdového napätia.

Prvým je pokles, keď so zvýšením sily a podľa toho aj hustoty prúdu klesá napätie. Druhá je tvrdá, keď zmena prúdu nijako neovplyvní hodnotu napätia a tretia je rastúca, keď s nárastom prúdu rastie aj napätie.

Zvárací oblúk teda možno nazvať najlepším a najspoľahlivejším spôsobom upevnenia kovových konštrukcií. Proces zvárania má veľký vplyv na dnešný priemysel, pretože iba vysoká teplota zváracieho oblúka je schopná udržať väčšinu kovov pohromade. Na získanie kvalitných a spoľahlivých švov je potrebné správne a správne zohľadniť všetky charakteristiky oblúka, sledovať všetky hodnoty, vďaka čomu bude postup rýchly a najefektívnejší. Je tiež potrebné vziať do úvahy vlastnosti oblúka: hustotu prúdu, teplotu a napätie.

V roku 1802 ruský fyzik Vasilij Vladimirovič Petrov (1761-1834) zistil, že ak sa dva kusy dreveného uhlia pripevnia na póly veľkej elektrickej batérie a pri kontakte s uhlím ich mierne roztlačí, vytvorí sa medzi nimi jasný plameň. konce uhlíkov a samotné konce uhlíkov sa zahrievajú na bielu, pričom vyžarujú oslnivé svetlo (elektrický oblúk). Tento jav nezávisle na sebe pozoroval o sedem rokov neskôr anglický chemik G. Davy, ktorý na počesť A. Voltu navrhol nazvať tento oblúk „voltaickým“.

Na obr. 159 ukazuje najjednoduchší spôsob získania elektrického oblúka. V regulačnom stojane sú upevnené dva uhlíky, pre ktoré je lepšie brať nie obyčajné drevené uhlie, ale špeciálne vyrobené tyče získané lisovaním zmesi grafitu, sadzí a spojív (oblúkové uhlie). Osvetľovacia sieť môže slúžiť ako zdroj prúdu. Aby sa zabránilo skratu v okamihu pripojenia uhlia, reostat by mal byť zapojený do série s oblúkom.

Ryža. 159. Inštalácia na získanie elektrického oblúka: 1 a 2 - uhlíkové elektródy

Typicky je osvetľovacia sieť napájaná striedavým prúdom. Oblúk však horí stabilnejšie, ak ním prechádza konštantný prúd, takže jedna z jeho elektród je vždy kladná (anóda) a druhá záporná (katóda). Fotografia vyhrievaných elektród takéhoto oblúka je znázornená na obr. 160. Medzi elektródami je stĺpec horúceho plynu, ktorý je dobrým vodičom elektriny. V bežných oblúkoch tento stĺp vyžaruje oveľa menej svetla ako žeravé uhlie, a preto nie je na fotografii viditeľný. Pozitívne uhlie, ktoré má vyššiu teplotu, horí rýchlejšie ako negatívne uhlie. Silnou sublimáciou uhlia sa na ňom vytvorí priehlbina - pozitívny kráter, ktorý je najhorúcejšou časťou elektród. Teplota krátera vo vzduchu pri atmosférickom tlaku dosahuje 4000 ° C.

Ryža. 160. Elektródy elektrického oblúka (foto)

98.1. V oblúkových lampách sa používajú špeciálne regulátory - hodinové mechanizmy, ktoré privádzajú oba uhlíky k sebe rovnakou rýchlosťou, akou horia. Hrúbka kladného uhla je však vždy väčšia ako záporného uhla. prečo to robia?

Oblúk môže horieť aj medzi kovovými elektródami (železo, meď atď.). V tomto prípade sa elektródy roztavia a rýchlo odparia, čo spotrebuje veľa tepla. Preto je teplota krátera kovovej elektródy zvyčajne nižšia ako teplota uhlíkovej elektródy (2000-2500 °C).

Horením oblúka medzi uhlíkovými elektródami v stlačenom plyne (asi 20 atm) bolo možné dosiahnuť teplotu kladného krátera na 5900 °C, teda na teplotu povrchu Slnka. Zároveň sa pozorovalo tavenie uhlia. Ešte vyššiu teplotu má stĺpec plynov a pár, cez ktorý dochádza k elektrickému výboju. Energetické bombardovanie týchto plynov a pár elektrónmi a iónmi, poháňané elektrickým poľom oblúka, prináša teplotu plynov v stĺpci na 6000-7000 °C. Preto sa v oblúkovom stĺpe roztavia takmer všetky známe látky a premenia sa na paru a je umožnených mnoho chemických reakcií, ktoré neprebiehajú pri nižších teplotách. Nie je ťažké napríklad roztaviť žiaruvzdorné porcelánové tyčinky v oblúkovom plameni.

Na udržanie oblúkového výboja je potrebné malé napätie: oblúk dobre horí, keď je napätie na jeho elektródach 40-45 V. Prúd v oblúku je dosť významný. Takže napríklad aj v malom oblúku v experimente znázornenom na obr. 159 je prúd asi 5 A a vo veľkých oblúkoch používaných v priemysle dosahuje prúd stovky ampérov. To ukazuje, že odpor oblúka je malý; následne stĺpec svetelného plynu tiež dobre vedie elektrinu.

98.2. Oblúková lampa vyžaduje na uhlíkoch prúd 300 A pri napätí 60 V. Koľko tepla sa uvoľní v takomto oblúku za 1 minútu? Aký je odpor takéhoto oblúka?

Takáto silná ionizácia plynu je možná len vďaka tomu, že oblúková katóda vyžaruje veľa elektrónov, ktoré svojimi dopadmi ionizujú plyn vo výbojovom priestore. Silná emisia elektrónov z katódy je zabezpečená tým, že samotná oblúková katóda je zahrievaná na veľmi vysokú teplotu (od 2200 do 3500°C v závislosti od materiálu). Keď na zapálenie oblúka najskôr privedieme uhlie do kontaktu, potom v mieste dotyku, ktoré má veľmi vysoký odpor, sa uvoľní takmer všetko joulovské teplo prúdu prechádzajúceho uhlíkmi (§ 59). Preto sú konce uhlíkov veľmi horúce a to stačí na to, aby medzi nimi pri ich oddialení vznikol oblúk. V budúcnosti je katóda oblúka udržiavaná v zahriatom stave samotným prúdom prechádzajúcim oblúkom. Hlavnú úlohu v tom zohráva bombardovanie katódy kladnými iónmi, ktoré na ňu dopadajú.

Prúdovo-napäťová charakteristika oblúka, t.j. vzťah medzi intenzitou prúdu v oblúku a napätím medzi jeho elektródami, má úplne zvláštny charakter. Doteraz sme sa stretávali s dvomi formami takejto závislosti: v kovoch a elektrolytoch sa prúd zvyšuje úmerne k napätiu (Ohmov zákon), pri nesamostatnom vedení plynov sa najprv zvyšuje prúd so zvyšujúcim sa napätím, resp. potom dosiahne saturáciu a nezávisí od napätia. Pri oblúkovom výboji, keď sa prúd zvyšuje, napätie na oblúkových svorkách klesá. Hovorí sa, že oblúk má charakteristiku klesajúceho prúdu a napätia.

V prípade oblúkového výboja teda zvýšenie prúdu vedie k zníženiu odporu oblúkovej medzery a zníženiu napätia na nej. Preto, aby oblúk plynulo horel, je potrebné zapnúť s ním reostat (obr. 159) alebo iný takzvaný balastný odpor v sérii.

Elektrický oblúk môže byť extrémne deštruktívny pre zariadenia a čo je dôležitejšie, nebezpečný pre ľudí. Každoročne sa stane alarmujúci počet nehôd spôsobených ňou, ktoré často vedú k ťažkým popáleninám alebo smrti. Našťastie v elektrotechnickom priemysle došlo k výraznému pokroku, pokiaľ ide o vytváranie prostriedkov a metód ochrany pred elektrickým oblúkom.

Príčiny a miesta výskytu

Elektrický oblúk je jedným z najnebezpečnejších a najmenej pochopených elektrických rizík a je rozšírený vo väčšine priemyselných odvetví. Všeobecne sa uznáva, že čím vyššie je napätie v elektrickom systéme, tým väčšie je riziko pre ľudí, ktorí pracujú na drôtoch a zariadeniach pod napätím alebo v ich blízkosti.

Tepelná energia z oblúkového blesku však môže byť v skutočnosti väčšia a vyskytuje sa častejšie pri nižších napätiach s rovnakými ničivými účinkami.

K vzniku elektrického oblúka spravidla dochádza vtedy, keď dôjde k náhodnému kontaktu vodiča s prúdom, akým je trolejbusová alebo električková trať, s iným vodičom alebo uzemneným povrchom.

Keď k tomu dôjde, vzniknutý skratový prúd roztaví vodiče, ionizuje vzduch a vytvorí ohnivý kanál vodivej plazmy s charakteristickým tvarom oblúka (odtiaľ názov), pričom teplota elektrického oblúka v jeho jadre môže dosiahnuť viac ako 20 000 °C

Čo je elektrický oblúk?

V skutočnosti sa to bežne nazýva známy oblúkový výboj vo fyzike a elektrotechnike - typ nezávislého elektrického výboja v plyne. Aké sú fyzikálne vlastnosti elektrického oblúka? Horí v širokom rozsahu tlaku plynu, pri konštantnom alebo striedavom (do 1000 Hz) napätí medzi elektródami v rozsahu od niekoľkých voltov (zvárací oblúk) až po desiatky kilovoltov. Maximálna hustota oblúkového prúdu sa pozoruje na katóde (10 2 -10 8 A/cm 2), kde sa zmršťuje do veľmi jasného a malého katódového bodu. Náhodne a nepretržite sa pohybuje po celej ploche elektródy. Jeho teplota je taká, že materiál katódy v ňom vrie. Preto vznikajú ideálne podmienky pre termionickú emisiu elektrónov do priestoru blízkej katóde. Nad ním sa vytvorí malá vrstva, ktorá je kladne nabitá a zabezpečuje zrýchlenie emitovaných elektrónov na rýchlosti, pri ktorých nárazovo ionizujú atómy a molekuly prostredia v medzielektródovej medzere.

Rovnaký bod, ale o niečo väčší a menej pohyblivý, je vytvorený aj na anóde. Teplota v ňom je blízka katódovému bodu.

Ak je prúd oblúka rádovo niekoľko desiatok ampérov, potom prúdy plazmy alebo horáky prúdia z oboch elektród vysokou rýchlosťou normálne k ich povrchu (pozri fotografiu nižšie).

Pri vysokých prúdoch (100-300 A) sa objavujú ďalšie plazmové prúdy a oblúk sa stáva podobným lúču plazmových vlákien (pozri fotografiu nižšie).

Ako sa oblúk prejavuje v elektrických zariadeniach

Ako bolo uvedené vyššie, katalyzátorom jeho výskytu je silné uvoľňovanie tepla v katódovej škvrne. Teplota elektrického oblúka, ako už bolo spomenuté, môže dosiahnuť 20 000 ° C, asi štyrikrát viac ako na povrchu slnka. Toto teplo môže rýchlo roztaviť alebo dokonca vypariť medené vodiče, ktoré majú teplotu topenia asi 1084 °C, oveľa nižšiu ako pri oblúku. Preto sa v ňom často tvoria medené pary a striekance roztaveného kovu. Keď meď prechádza z pevnej látky do pary, expanduje na niekoľko desaťtisícnásobok svojho pôvodného objemu. To je ekvivalentné skutočnosti, že kus medi v jednom kubickom centimetri sa za zlomok sekundy zmení na veľkosť 0,1 kubického metra. V tomto prípade dôjde k vysokej intenzite tlaku a zvukových vĺn, ktoré sa budú šíriť vysokou rýchlosťou (čo môže byť viac ako 1100 km za hodinu).

Účinok elektrického oblúka

Ťažké poranenia a dokonca aj smrť, ak k nim dôjde, môžu utrpieť nielen osoby pracujúce na elektrickom zariadení, ale aj osoby, ktoré sú v blízkosti. Oblúkové poranenia môžu zahŕňať vonkajšie popáleniny kože, vnútorné popáleniny vdýchnutím horúcich plynov a odpareného kovu, poškodenie sluchu, poškodenie zraku, ako je slepota v dôsledku záblesku ultrafialového svetla a mnoho ďalších ničivých zranení.

Pri mimoriadne silnom oblúku môže dôjsť aj k javom, ako je jeho explózia, ktorá vytvorí tlak viac ako 100 kilopascalov (kPa) s vymrštením častíc úlomkov, ako sú šrapnel, rýchlosťou až 300 metrov za sekundu.

Jednotlivci, ktorí boli vystavení elektrickým oblúkovým prúdom, môžu potrebovať vážnu liečbu a rehabilitáciu a náklady na ich zranenia môžu byť extrémne - fyzicky, emocionálne a finančne. Zatiaľ čo podniky sú zo zákona povinné vykonávať hodnotenie rizík pre všetky pracovné činnosti, riziko vzniku elektrického oblúka sa často prehliada, pretože väčšina ľudí nevie, ako toto nebezpečenstvo posúdiť a efektívne riadiť. Ochrana pred účinkami elektrického oblúka zahŕňa použitie celej škály prostriedkov, vrátane použitia špeciálnych elektrických ochranných prostriedkov, ochranného odevu a samotných zariadení, najmä nízkonapäťových spínacích elektrických zariadení konštruovaných s použitím prostriedkov na zhášanie oblúka pri práca s elektrickými zariadeniami pod napätím.

Oblúk v elektrickom zariadení

V tejto triede elektrických zariadení (ističe, stýkače, magnetické štartéry) má boj proti tomuto javu mimoriadny význam. Keď sa kontakty spínača, ktorý nie je vybavený špeciálnymi zariadeniami na zabránenie otvoreniu oblúka, nevyhnutne zapáli medzi nimi.

V okamihu, keď sa kontakty začnú oddeľovať, ich plocha rýchlo klesá, čo vedie k zvýšeniu hustoty prúdu a následne k zvýšeniu teploty. Teplo generované v medzere medzi kontaktmi (zvyčajné médium olej alebo vzduch) je dostatočné na ionizáciu vzduchu alebo odparovanie a ionizáciu oleja. Ionizovaný vzduch alebo para pôsobí ako vodič oblúkového prúdu medzi kontaktmi. Potenciálny rozdiel medzi nimi je veľmi malý, ale na udržanie oblúka stačí. Preto prúd v obvode zostáva nepretržitý, pokiaľ sa oblúk neodstráni. Nielenže odďaľuje proces prerušenia prúdu, ale vytvára aj obrovské množstvo tepla, ktoré môže poškodiť samotný istič. Hlavným problémom spínača (predovšetkým vysokonapäťového) je teda čo najskôr uhasiť elektrický oblúk, aby teplo, ktoré v ňom vzniká, nemohlo dosiahnuť nebezpečnú hodnotu.

Faktory udržiavania oblúka medzi kontaktmi ističa

Tie obsahujú:

2. Ionizované častice medzi nimi.

Berúc do úvahy túto skutočnosť, okrem toho poznamenávame:

  • Keď je medzi kontaktmi malá medzera, na udržanie oblúka stačí aj malý potenciálny rozdiel. Jedným zo spôsobov, ako ho uhasiť, je oddeliť kontakty na takú vzdialenosť, že potenciálny rozdiel nebude dostatočný na udržanie oblúka. Táto metóda však nie je praktická vo vysokonapäťových aplikáciách, kde môže byť potrebné oddelenie mnohých meračov.
  • Ionizované častice medzi kontaktmi majú tendenciu podporovať oblúk. Ak je jeho cesta deionizovaná, uľahčí sa proces kalenia. To sa dá dosiahnuť ochladením oblúka alebo odstránením ionizovaných častíc z priestoru medzi kontaktmi.
  • Existujú dva spôsoby ochrany pred oblúkom v ističoch:

Metóda vysokej odolnosti;

Metóda nulového prúdu.

Zhášanie oblúka zvýšením jeho odporu

Pri tejto metóde sa odpor v dráhe oblúka časom zvyšuje, takže prúd klesá na hodnotu, ktorá nie je dostatočná na jeho udržanie. V dôsledku toho sa preruší a elektrický oblúk zhasne. Hlavnou nevýhodou tejto metódy je, že čas zhášania je pomerne dlhý a obrovské množstvo energie má čas rozptýliť sa v oblúku.

Odolnosť oblúka možno zvýšiť:

  • Predĺženie oblúka – odpor oblúka je priamo úmerný jeho dĺžke. Dĺžku oblúka je možné zväčšiť zmenou medzery medzi kontaktmi.
  • Chladenie oblúka, presnejšie média medzi kontaktmi. Účinné chladenie vzduchom musí smerovať pozdĺž oblúka.
  • Umiestnením kontaktov do ťažko ionizovateľného plynového média (plynové spínače) alebo do vákuovej komory (vákuové spínače).
  • Zmenšením prierezu oblúka jeho prechodom cez úzky otvor, alebo zmenšením kontaktnej plochy.
  • Rozdelením oblúka - jeho odpor možno zvýšiť rozdelením na množstvo malých oblúkov zapojených do série. Každý z nich zažije efekt predĺženia a chladenia. Oblúk možno rozdeliť vložením niekoľkých vodivých dosiek medzi kontakty.

Zhášanie oblúka metódou nulového prúdu

Táto metóda sa používa iba v obvodoch striedavého prúdu. V ňom je odpor oblúka udržiavaný na nízkej úrovni, kým prúd neklesne na nulu, kde prirodzene zhasne. Jeho opätovnému vznieteniu je zabránené napriek zvýšeniu napätia na kontaktoch. Všetky moderné vysokoprúdové ističe používajú túto metódu zhášania oblúka.

V systéme striedavého prúdu tento klesne na nulu po každom polcykle. Pri každom takomto resete sa oblúk na krátky čas zhasne. V tomto prípade médium medzi kontaktmi obsahuje ióny a elektróny, takže jeho dielektrická pevnosť je malá a môže byť ľahko zničená rastúcim napätím na kontaktoch.

Ak k tomu dôjde, elektrický oblúk bude horieť počas ďalšej polovice cyklu prúdu. Ak bezprostredne po jeho vynulovaní rastie dielektrická pevnosť média medzi kontaktmi rýchlejšie ako napätie na nich, oblúk sa nezapáli a prúd sa preruší. Rýchly nárast dielektrickej pevnosti média v blízkosti nulového prúdu možno dosiahnuť:

  • rekombinácia ionizovaných častíc v priestore medzi kontaktmi na neutrálne molekuly;
  • odstránenie ionizovaných častíc a ich nahradenie neutrálnymi časticami.

Skutočným problémom pri prerušení striedavého prúdu oblúka je teda rýchla deionizácia média medzi kontaktmi, akonáhle sa prúd stane nulovým.

Spôsoby deionizácie média medzi kontaktmi

1. Predĺženie medzery: Dielektrická pevnosť média je úmerná dĺžke medzery medzi kontaktmi. Vyššiu dielektrickú pevnosť média možno teda dosiahnuť aj rýchlym otvorením kontaktov.

2. Vysoký tlak. Ak sa zvýši v bezprostrednej blízkosti oblúka, zvýši sa aj hustota častíc, ktoré tvoria výbojový kanál oblúka. Zvýšená hustota častíc vedie k vysokej úrovni ich deionizácie a následne sa zvyšuje dielektrická pevnosť média medzi kontaktmi.

3. Chladenie. Prirodzená rekombinácia ionizovaných častíc je rýchlejšia, ak sa ochladia. Dielektrická pevnosť média medzi kontaktmi sa teda môže zvýšiť ochladzovaním oblúka.

4. Efekt výbuchu. Ak sú ionizované častice medzi kontaktmi zmetené a nahradené neionizovanými, potom je možné zvýšiť dielektrickú pevnosť média. To sa dá dosiahnuť výbuchom plynu nasmerovaným do zóny výboja alebo vstreknutím oleja do medzikontaktného priestoru.

Tieto ističe používajú ako médium na zhášanie oblúka plynný fluorid sírový (SF6). Má silnú tendenciu absorbovať voľné elektróny. Kontakty spínača sa otvoria vo vysokotlakovom toku SF6) medzi nimi (pozri obrázok nižšie).

Plyn zachytáva voľné elektróny v oblúku a vytvára nadbytok záporných iónov s nízkou pohyblivosťou. Počet elektrónov v oblúku sa rýchlo zníži a zhasne.



Sekcie