Образование и свойства дуги. Строение и свойства электрической дуги

Электрическая дуга - один из видов электрического разряда в газах. Всякое направ­ленное движение заряженных частиц между электродами в газах называется разрядом. Ме­сто дуги среди других видов разрядов в газах:

Дуговой разряд отличается от других:

1 - высокой температурой 4000 - 50 ООО К

2 - высокой силой тока 50-10 000 А

3 - слабым электрическим полем 10 - 60 В.

Называется дугой из-за характерной формы, которая возникает от взаимодействия за­ряженных частиц дуги с магнитным полем самой дуги. При увеличении тока магнитное поле может разрывать дуговой разряд

Ток в дуговом процессе протекает между электродами (полюсами дуги) через газ дуго­вого пространства.

Положительный электрод - анод.

Отрицательный электрод - катод

Различают дугу свободную (свободно расширяющуюся) и сжатую. Свободной (свобод­но расширяющейся) называется дуга оадиус которой, не ограничен ни в одном её сечении;

сжатой называется дуга радиус которой, ограничен хотя бы в одном сечении.

Распределение падения напряжения в дуге. В межэлектродном пространстве на­блюдается неравномерное распределение электрического поля (скачки потенциала в при - электродных областях) и в соответствии с зтим неравномерно падение напряжения по длине дуги.

Свободные электроны, которые есть в металлах под действием электрического поля при высокой температуре катода покидают его Потенциалом катодной области разгоняются и ионизуют атомы столба дуги Атомы столба могут ионизироваться и от высокой темпера­туры (соударением, фотоионизация) Электроны перемещаются в столбе дуги в сторону анода Приблизившись к аноду, попадают на него под действием электрического поля анод­ной области Ионы двигаются в противоположную сторону, бомбардируя катод

Сопротивление газового проводника является нелинейным и поэтому дуга не подчиня­ется Закону Ома

Статическая вольт-амперная характеристика дуги. В зависимости от плотности тока вольтамперная характеристика может быть падающей, пологой и возрастающей

При малых токах с увеличением тока интенсивно возрастает количество заряженных частиц, главным образом, из-за нагрева и увеличения эмиссии электронов с поверхности катода, а, значит, и соответствующего ей увеличения объемной ионизации в столбе дуги.

Сопротивление столба дуги при этом уменьшается и падает необходимое для поддержки разряда напряжение. Характе­ристика дуги - падающая.

При дальнейшем увеличении тока и ограниченном сечении электродов столб дуги немного сжимается и объем газа, ко­торый берет участие в переносе зарядов уменьшается. Это приводит к меньшей скорости роста числа заряженных частиц.

Напряжение дуги становится мало зависи­мым от тока. Характеристика - пологая.

В первых двух областях электрическое сопротивление дуги отрицательно (негативно). Эти области характерные для дуг со сравнительно малой плотностью тока. Дальнейший рост тока приводить к исчерпанию термоэмиссионной способности ка­тода. Количество заряженных частиц не увеличивается и сопротивление дуги становится положительным и почти постоянным. Появляется высокоионизованна» сжатая плазма, кото­рая по свойствам близка к металлическим проводникам. Такая дуга подчиняется закону Ома.

Энергетическая ёмкость различных областей дуги

Для приведенных цифр падение напряжения в областях дуги (дуга в парах железа) и характерных для ручной дуговой сварки значений тока:

В катодной области 14Вх100А=1,4 кВт на длине *10"5 см

В столбе дуги 25 В/см х 0,6 см х 100 А = 1,5 кВт на длине ^0.6 см

В анодной области 2,5 В х 100 А = 250 Вт на длине ^Ю"4 см.

Основные потребители энергии - катодная область и столб дуги, очевидно, что в них и происходят основные процессы, которые характеризуют физические явление, результатом которых является дуговой разряд.

При постоянных диаметрах электрода и расстояниях между ними электрические пара­метры дуги будут зависеть от материала электродов (эмиссия, пары металлов в столбе), состава газов в дуге, температуры электродов, состава газа в дуге (в столбе дуги).

То есть, электрические параметры дуги зависят от физических и геометрических фак­торов. Изменение размеров электродов и расстояния между ними влияет на электрические характеристики дуги

Сварочные дуги подразделяют (классифицируют):

По материалам электродов (Fe, W, Си и т. д.)

По составу газов (в воздухе, в парах металлов, в потоке защитных газов;

Плавящимся или неплавящимся электродом и т. п.

Физические процессы в катодной области

Электроны покидают поверхность катода и двигаются к аноду. Путь, который они про­ходят до первого столкновения с атомами газов дуги ограничивает катодную область. Рас­четы показывают, что это является * Ю"ь см для нормального давления и дуги в воздухе и в парах железа.

К катодной области принято относить эту область дуги (1C)"5 см) и саму поверхност­ность катода.

1) Общий электрический ток в катодной области состоит из электронного и ионного тока

Плотность тока (А/см2):

I = eo-rvWe’i© = e0n©W&

е0 - заряд электрона;

л© - количество электронов;

W© - скорость движения (дрейфа) электронов.

Если предположить равенство ппотности то­ков ионного и электронного (на самом I, > 1в), то

Ионы и электроны, которые проходят катодную область, накапливают кинетическую энергию:

Р _ П1фУф - _ тсЛЧэ.

где те, т© - соответствующие массы.

Поскольку они разгоняются электрическим полем, то энергия, которую они получают, будет Єо-ІЛ (произведение зарядов на разницу потенциалов):

Еф = Ее=Єо. ик

тогда скорости движения заряженных частиц:

w* = ; we = №., тогда

пе _ W9 _ у гпе _ I гп(

Масса электрона mQ, = 9,106-10"28 г

Масса протона mn = 1,66-10"24 г

Для иона железа AFe = 55,84; в этом случае:

о катод, отдают ему свою энергию, разогревая его, захватывают электрон, превращаясь в нейтральные атомы. Электроны из катода разгоняются до энергии eo U* ударяются в атомы столба дуги и ионизируют их.

Катодная эмиссия

Различают такие виды эмиссии электронов с поверхности катода:

Термоэлектронная;

Автоэлектронная (электростатическая);

Фотоэлектронная (внешний фотоэффект);

Вторичная (бомбардировка поверхности атомами, ионами, тяжелыми частицами, электронами и др.);

При сварке дуговыми способами наиболее часто встречается термо - и авто­электронная эмиссия.

Интенсивность эмиссии оценивают плотностью тока j [А/см2] (для сварки 102 ... 105 А/мм2).

Термоэлектронная эмиссия.

Свободным электронам, которые есть в твердом теле, не дает покинуть его электриче­ское поле - поверхностный потенциальный барьер.

Величина наименьшей энергии, которую необходимо придать электрону, чтобы он мог выйти из поверхности тела и удалиться на расстояние, при котором между ним и телом не­возможно взаимодействие называется работа выхода.

Всегда найдутся такие электроны, которые случайно наберут эту энергию и выйдут из тела. Но под действием электрического поля они сразу же возвращаются назад.

С ростом температуры тела количество электронов, которые имеют энергию, доста­точную для выхода из тела, увеличивается.

В электростатических расчетах работа выхода А* = е0 ф, где <р - потенциал выхода. Е0 = 1, А, = ф в эктрон-вольтах.

Плотность тока для термоэлектронной эмиссии определяется уравнением Ричардсона - Дештмена:

jT=AT2e“kf; jT = AT2e"^

А - постоянная, зависит от материала катода

Т - температура

к: - постоянная Больцмана к = 8,62 10‘5 эв/К = 1,38-10"23 ДжЖ

Ток термоэлектронной эмиссии оказывается на несколько порядков (в 100.... 10000 раз) меньше чем необходимый для катода при сварке, например, стали.

Но 8 катодной области есть объемный положи­тельный ионный заряд, который создает напряжен­ность поля 1-Ю6 В/см и больше. Электрическое по­ле такой напряженности изменяет условия эмиссии электронов из катода.

Работа выхода электронов уменьшается в со­ответствии с величиной напряженности поля в при - электродной (прикатодной) области. Это явление на­зывается эффект Шоттки. Работа выхода при нали­чии электрического поля е приповерхностной области катода уменьшается на величину: ДАв=е"2Е,/2 ДАВ =3,8-10“*Е

Е - напряженность электрического поляОсобую роль в объяснении явлений катодной эмиссии для аномально больших плот­ностей тока, характерных для сварки плавящимся электродом, играет электростатическая гипотеза (автоэлектронная эмиссия) Ленгмюра (1923 г). Поток электронов имеет волновые свойства Электрон - волна может проникнуть из катода в анод, не поднимаясь до потен­циального уровня, необходимого для эмиссии, а обходя его. Это называется туннельный переход Он происходит без расходования энергии.

При этом величина потенциального барьера должна быть меньше чем длина волны электрона в потоке. Длина волны потока электронов:

Ft - постоянная Планка ft =4,13-10"15 е-в с m - масса электрона V - скорость потока электронов.

у и в - константы, которые зависят от материала катода.

Фотоэмиссия (внешний фотоэффект, эффект Эйнштейна). При поглощении катодом квантов света могут появиться электроны, которые имеют энергию намного большую от ра­боты выхода. Условие возникновения фотоэмиссии (закон Эйнштейна)

Fi v £ ф + Уз mv2

fi - постоянная Планка F> = 6,626176 (36)- 10 м Дж-сек; v - частота световой волны;

m - масса электро. на

v - скорость электрона после эмиссии.

с - скорость светла в вакууме равна 299792458,0 (1,2) м/сек;

vo, *о - граничные частота и длина волны света, которые могут вызвать фотоэмиссию.

Смесь газов ионизуется иначе, чем каждый отдельный газ из-за того, что электронный газ, который создается в результате ионизации будет совместным для всех составных газо­вой смеси. Степень ионизации смеси:

■Л-тс п-д Р’

п - количество частиц;

S - диаметр взаимодействия частиц (диаметр Рамзауэра);

Р - внешнее давление.

Средняя квадратическая скорость определяется из средней энергии теплового движе­ния.

к - постоянная Больцмана.

Свободный пробег иона - X* свободный пробег нейтрального атома. Свободный пробег электрона Л*о * 4ІЛп (эффект Рамзауэра).

Расчёты показывают, что при массах иона железа и электрона: пір** = 56-1,66-1 O"2* г, me0 = 9,106 10’28 г,

соотношение их подвижностей составит:

Очевидно, что и ток ионный в 1830 раз меньше чем ток электронный. Из приведенных зависимостей с учетом давления подвижность электронов будет:

ь. =й-Ц-Ц - ■Jt ps

В = 3,62-10‘13 - безразмерная величина;

5 - диаметр взаимодействия частиц (Рамзауэра).

Скорость дрейфа электрона в столбе дуги:

В расчетах столб дуги принимаемая цилиндрическим по Форме, однородным с посто­янной по сечению плотностью тока - каналовая модель К. К. Хренова.

Длина столба дуги практически равняется длине дуги (в пределах 0.1 - 15 мм). Паде­ние напряжения в столбе дуги пропорционально длине столба:

Электрическое поле анода отбрасывает положительные ионы в столб дуги, вместо этого притягивая электроны. Создается объемный отрицательный заряд. Из поверхностного анода не происходит эмиссии положительных ионов (за случаем отдельных видов угольной дуги). В связи с этим ток анодной области - это чисто электронный ток га = /«<>.

Длина анодной области приблизительно равна длине свободного пробега электронов от последнего соударения с атомом. Объемный отрицательный заряд анодной области вы­зывает анодное падение напряжения, которое мало зависит от материала анода, газов дуги, тока через дугу и равняется 2 ... 3 В. Электрон, достигая анода, отдает ему свою кинетиче­скую энергию, а также работу выхода, которая была потрачена на отрыв электрона от като­да.

Вольт-амперная характеристика дуги, которая свободно расширяется (свободная)

Дуговой разряд - устойчивая система. При постоянном питании энергией поддержива­ет себя в широком интервале режимов. Всякое нарушения равновесия вызывает такое из­менение параметров дуги, чтобы дуговой процесс остался (не прерывался). Границы. в ко­торых возможны дуговые процессы и характер изменения параметров дуги в ответ на нару­шения равновесия, определяют вольт-амперные характеристики.

Статические -1 - ос; динамические -1 - 0.

Рассматривать будем статические характеристики столба дуги.

Предположения (Каналовая модель К. К. Хренова):

Рассматриваем устойчивый дуговой процесс. Энергия подводится в дугу в неограни-ченном количестве и как угодно длительное время. Никакие внешние факторы не влияют на диаметр дуги.

Во всех зонах дуги строго поддерживается термодинамическое равновесие. При этом дуговая плазма подчиняется закону Саха.

Столб дуги представляет собой цилиндр, поверхность которого резко отделяет плазму дуги с температурой Тд от окружающей среды Т = 0.

Все тепповые потери столба дуги это потери на излучение внешней цилиндрической оболочки дуги и подчиняются закону Стефана-Больцмана.

Принцип минимума Штейнбека.

В Дуге, которая свободно расширяется, физические процессы устанавливаются таким образом, чтобы £-> min.

При устойчивом дуговом процессе тепловые потери столба дуги являются минимально возмож­ными для данных условий. Для заданного состояния газовой фазы и постоянных 1Я и Р электрическое поле будет зависеть только от 1^.

1. При увеличении температуры столба от Т6 увеличивается степень ионизации, подвижность электронов, плотность тока, напряженность электри­ческого поля, одновременно увеличиваются и потери на излучение.

2. С уменьшением температуры столба от ТБ уменьшается степень ионизации, плотность тока, но увеличивается напряженность поля. Расходы энер­гии увеличиваются.

При условии отсутствия ограничений на диаметр дуги, дуга в широких пределах явля­ется саморегулируемой системой. В дуге автоматически поддерживается минимально воз­можная напряженность поля. То есть, при постоянных значениях физических параметров среды и Ід в дуге устанавливается такие значения Т^ и гст, при которых напряженность поля в столбе будет минимальной.

Баланс энергии в областях дуги

Баланс энергии в столбе дуги f - доля электронного тока, |а - сварочный ток.

Энергия источника (тепло Джоуля-Ленца, выделяемое на сопротивлении плазмы столба дуги проходящему току):

ист - падение напряжения на столбе дуги.

Ионизация нейтральных атомов:

Ц - потенциал ионизации газов дугового промежутка.

Тепловые потери на излучение - RCT

Тепловые потери на конвекцию - R^*,

Тепловые потери на диффузию, заря­женных частиц в окружающую среду - RAWt>

Тепловые потери на эндотермические химические реакции - RXMt

Уравнение баланса:

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

Q* + R* или, в упрощённой форме:

Q* = lc*(UK - <р)

отсюда вывод:

чем лучше эмиссия электронов с поверхности катода (чем меньше работа выхода <р) - тем больше теплоты выделяется на катоде. Опытные данные показывают:

причём: 2 - характерно для неплавящихся катодов;

10 - характерно для плавящихся катодов.

3. Баланс энергии на аноде.

Уравнение баланса:

Р + А ■ Rem - Qt + R*

или, в упрощённой форме:

Q« = l~(U, + <р)

Опытные данные показывают:

Сжатая дуга.

Радиус столба дуги гет есть, прежде всего, функция тока в дуге:

рі/2,2 3 гст = С2 -гг - д

ЬЗ,!9Л2 а0 Uj

С увеличением тока увеличивается радиус дуги.

drCT „ Р12 2,-13 . Р12 Дід

Ид Стд3и{912 3 ИЛИ 2а‘3и!9,2",Ц

Дгст - темп увеличения радиуса дуги.

Темп изменения радиуса столба дуги (Дгст - темп) зависит от абсолютного значения то­ка. При малых токах радиус чувствителен к изменению тока, при больших токах - мало чув­ствителен. Предельно, когда I» -*«, Дгет = 0.

Когда Дгст = const, ток дуги определяется плотностью тока "і"

I = ЛГап " Urn-

Дуга, которая имеет такие свойства, называется сжатой. Если радиус хотя бы в одном сечении является величиной постоянной^Д^га называется сжатой.

Граница перехода от свободной к сжатой дуге зависит от потенциала ионизации U,. При малой величине U, нужен большой ток для перехода в сжатую дугу. Ограничение радиу­са может быть по площади одного из электродов, или через увеличение теплоотдачи из бо­ковой поверхности столба. Обдувая дугу потоком холодного газа, можно перевести ее в сжа­тую при малых значениях тока.

В реальных условиях на величину прироста Дгет могут влиять:

1. Радиус электродов, между которыми горит дуга.

2. Потенциал ионизации газа, в котором горит дуга.

3. Теплоотдача с боковой поверхности столба дуги.

Способы получения сжатой дуги

Исходя из этого, есть такие способы получения сжатой дуги:

Ограничение диаметра хотя бы одного из электродов;

Обдув дуги газом с высоким потенциалом ионизации и высокой теплопроводностью (Аг. Не);

Внешнее продольное магнитное поле (в технике не применяется).

Общее описание вольт-амперной характеристики дуги, исходя из изложенного может быть выполнено следующим образом:

1) Свободная дуга (свободно расширяющаяся). Радиус столба дуги гст увеличивается с

ростом ток^Ід. Температура дуги остаётся постоянной Т = const, степень ионизации х - очень малая. Падающую характеристику имеют и столб дуги и катодная область.

2) Сжатая слабоионизированая дуга. Радиус столба дуги гет - не увеличивается с рос­том т. ока^начинает заметно увеличиваться степень ионизации х и температура стопба дуги Та. Столб дуги имеет еще падающую характеристику. Катодная область - возрастающую

3) Си^т^ в^юок£ионизированая дуга. Степень ионизации х-*1 ВАХ столба дуги и ка­тодной области - возрастающие. Процессы в дуге перестают зависеть от полярности, мате­риалов электродов и свойств газов столба дуги. Дуга становится обычным проводником на уровне металлов (при 10 ООО К удельное сопротивление р = 1,5-1 O"4 Ом см), превращаясь в высококонцентрированный весьма устойчивый источник сварочного нагрева

В процессе эксплуатации электрические цепи постоянно замыкаются и размыкаются. Давно замечено, что в момент размыкания между контактами образуется электрическая дуга. Для ее появления вполне достаточно напряжения более 10 вольт и силы тока - свыше 0,1 ампер. При более высоких значениях тока и напряжения внутренняя температура дуги нередко достигает 3-15 тысяч градусов. Это становится основной причиной расплавленных контактов и токоведущих частей.

Если же напряжение составляет 110 киловольт и выше, в этом случае длина дуги может достичь длины более одного метра. Подобная дуга представляет серьезную опасность для лиц, работающих с мощными силовыми установками, поэтому требуется ее максимальное ограничение и быстрое гашение в любых цепях, независимо от величины напряжения.

Что такое электрическая дуга

Наиболее характерным примером является электрическая сварочная дуга, проявляющаяся в виде продолжительного электрического разряда в плазме. В свою очередь плазма - это смешанные между собой ионизированные газы и пары составляющих защитной атмосферы, основного и присадочного металла.

Таким образом, электрическая дуга это горение электрического разряда между двумя электродами, расположенными в горизонтальной плоскости. Под действием нагретых газов, стремящихся к верху, этот разряд изгибается и становится виден как дуга или арка.

Эти свойства позволили использовать дугу на практике в качестве газового проводника, с помощью которого электрическая энергия преобразуется в тепловую, создавая высокую интенсивность нагрева. Данный процесс может сравнительно легко управляться изменяющимися электрическими параметрами.

В обычных условиях газы не проводят ток. Однако, если возникают благоприятные условия, они могут быть ионизированы. Их атомы или молекулы становятся положительными или отрицательными ионами. Под действием высокой температуры и внешнего электрического поля с высокой напряженностью газы изменяются и переходят в состояние плазмы, обладающей всеми свойствами проводника.

Как образуется сварочная дуга

• Вначале между концом электрода и деталью появляется контакт, затрагивающий обе поверхности.
• Под действием тока с высокой плотностью, частицы поверхностей быстро расплавляются, образуя прослойку жидкого металла. Она постоянно увеличивается в направлении электрода, после чего наступает ее разрыв.
• В этот момент металл очень быстро испаряется и промежуток разряда начинают заполнять ионы и электроны. Приложенное напряжение заставляет их двигаться к аноду и катоду, в результате происходит возбуждение сварочной дуги.
• Начинается процесс термической ионизации, при котором положительные ионы и свободные электроны продолжают концентрироваться, газ дугового промежутка еще более ионизируется и сама дуга становится устойчивой.
• Под ее влиянием металлы заготовки и электрода расплавляются и, находясь в жидком состоянии, смешиваются между собой.
• После остывания, в этом месте образуется сварочный шов.

Гашение электрической дуги в коммутационной аппаратуре

Отключение элементов электрической цепи должно производиться очень осторожно, без повреждений коммутационной аппаратуры. Одного лишь размыкания контактов будет недостаточно, требуется правильно погасить дугу, возникающую между ними.

Процессы горения и гашения дуги существенно различаются между собой в зависимости от использования в сети . Если с постоянным током нет особых проблем, то при наличии переменного тока следует учитывать ряд факторов. Прежде всего, ток дуги проходит нулевую отметку на каждом полупериоде. В этот момент прекращается выделение энергии, в результате дуга самопроизвольно гаснет, и вновь загорается. На практике ток приближается к нулю еще до перехода через нулевую отметку. Это связано со снижением тока и уменьшением энергии, подводимой к дуге.

Соответственно понижается и ее температура, что вызывает прекращение термической ионизации. В самом промежутке дуги происходит интенсивная деионизация. Если в этот момент сделать быстрое размыкание и разводку контактов, то пробоя может и не случиться, цепь отключится без появления дуги.

На практике создать подобные идеальные условия очень сложно. В связи с этим были разработаны специальные мероприятия по ускоренному гашению дуги. Различные технические решения позволяют быстро охладить дуговой промежуток и снизить количество заряженных частиц. В результате, наступает постепенное увеличение электрической прочности данного промежутка и одновременный рост на нем восстанавливающего напряжения.

Обе величины находятся в зависимости между собой и влияют на зажигание дуги в очередном полупериоде. Если электрическая прочность превысит восстанавливающее напряжение, то дуга уже не загорится. В противном случае она будет устойчиво гореть.

Основные способы гашения дуги

Довольно часто используется метод удлинения дуги, когда в процессе расхождения контактов при отключении цепи происходит ее растяжение (рис.1). За счет увеличения поверхности условия охлаждения существенно улучшаются, а для поддержки горения требуется большее значение напряжения.

1.

В другом случае общая электрическая дуга разделяется на отдельные короткие дуги (рис.2). Для этого может использоваться специальная металлическая решетка. В ее пластинах под действием наводится электромагнитное поле, затягивающее дугу для разделения. Данный способ широко применяется в коммутационной аппаратуре напряжением менее 1 кВ. Типичным примером являются воздушные автоматические выключатели.

2.

Довольно эффективным считается гашение в небольших объемах, то есть, внутри дугогасительных камер. В этих устройствах имеются продольные щели, совпадающие по осям с направлением ствола дуги. В результате соприкосновения с холодными поверхностями, дуга начинает интенсивно охлаждаться, активно выделяя заряженные частицы в окружающую среду.

Использование высокого давления. В этом случае температура остается неизменной, давление возрастает, а ионизация уменьшается. В таких условиях дуга усиленно охлаждается. Для создания высокого давления используются плотно закрывающиеся камеры. Способ особенно эффективен для плавких предохранителей и другой аппаратуры.

Гашение дуги может происходить с помощью масла, куда помещаются контакты. При их размыкании появляется дуга, под действием которой масло начинает активно испаряться. Она оказывается покрыта газовым пузырем или оболочкой, состоящей на 70-80% из водорода и масляных паров. Под влиянием выделяемых газов, попадающих прямо в зону ствола, холодный и горячий газ внутри пузыря перемешивается, интенсивно охлаждая дуговой промежуток.

Другие методы гашения

Гашение электрической дуги может выполняться за счет роста ее сопротивления. Оно постепенно возрастает, а ток снижается до значения, недостаточного для поддержания горения. Основным недостатком данного метода считается продолжительное время гашения, в течение которого в дуге рассеивается большое количество энергии.

Увеличение сопротивления дуги достигается разными способами:

• Удлинение дуги, поскольку ее сопротивление находится в прямой пропорциональной зависимости с длиной. Для этого нужно изменить зазор между контактами в сторону увеличения.
• Охлаждение среды между контактами, где расположена дуга. Чаще всего применяется обдув, направляемые вдоль дуги.
• Контакты помещаются в газовую среду с низкой степенью ионизации или в вакуумную камеру. Данный метод используется в газовых и вакуумных выключателях.
• Поперечное сечение дуги можно снизить, пропуская ее через узкое отверстие или уменьшая площадь контактов.

В цепях с переменным напряжением для гашения дуги используется метод нулевого тока. В этом случае сопротивление сохраняется на низком уровне, пока значение тока не снизится до нуля. В результате, гашение происходит естественным путем, а зажигание не повторяется вновь, хотя напряжение на контактах может и увеличиться. Падение до нулевой отметки происходит в конце каждого полупериода и дуга гаснет на короткое время. Если увеличить диэлектрическую прочность промежутка между контактами, то дуга так и останется погасшей.

Последствия действия электрической дуги

Разрушительное воздействие дуги представляет серьезную опасность не только для оборудования, но и для работающих людей. При неблагоприятном стечении обстоятельств можно получить серьезные ожоги. Иногда поражение дугой заканчивается летальным исходом.

Как правило, электрическая дуга возникает в момент случайного контакта с токоведущими частями или проводниками. Под действием тока короткого замыкания плавятся провода, ионизируется воздух, создаются другие благоприятные условия для образования плазменного канала.

В настоящее время в области электротехники удалось добиться существенных положительных результатов с помощью современных защитных средств, разработанных против электрической дуги.

В современной промышленности сварка имеет большое значение, она имеет очень широкую область применения во всех отраслях промышленности. Для осуществления сварочного процесса необходима сварочная дуга.

Что такое сварочная дуга, ее определение

Сварочной дугой считается очень большой по величине мощности и длительности электрический разряд, который существует между электродами, на которые подано напряжение, в смеси газов. Ее свойства отличаются высокой температурой и плотностью тока, благодаря которым она способна расплавлять металлы, имеющие температуру плавления выше 3000 градусов. Вообще можно сказать, что электрическая дуга – это проводник из газа, который преобразует электрическую энергию в тепловую. Электрическим зарядом называется прохождение электрического тока через газовую среду.

Существует несколько видов электрического разряда:

• Тлеющий разряд. Возникает в низком давлении, применяется в люминесцентных лампах и плазменных экранах;
• Искровой разряд. Возникает, когда давление равно атмосферному, отличается прерывистой формой. Искровому разряду соответствует молния, также применяется для зажигания двигателей внутреннего сгорания;
• Дуговой разряд. Применяет при сварке и для освещения. Отличается непрерывистой формой, возникает при атмосферном давлении;
• Коронный. Возникает, когда тело электрода шероховато и неоднородно, второй электрод может отсутствовать, то есть возникает струя. Применяется для очистки газов от пыли;

Природа и строение

Природа сварочной дуги не так уж и сложна, как может показаться на первый взгляд. Электрический ток, проходя через катод, затем проникает в ионизированный газ, происходит разряд с ярким свечением и очень высокой температурой, поэтому температура электрической дуги может достигать 7000 – 10000 градусов. После этого ток перетекает на обрабатываемый свариваемый материал. Так как температура настолько высока дуга выделяет вредное для человеческого организма ультрафиолетовое и инфракрасное излучения, оно может навредить глазам или оставить световые ожоги на коже, поэтому при проведении сварочного процесса необходима надлежащая защита.

Строение сварочной дуги представляет собой три главные области: анодная, катодная и столб дуги. Во время горения дуги на катоде и аноде образуются активные пятна – области, в которых температура достигает самых высоких значений, именно через данные области проходит весь электрический ток, анодные и катодные области представляют собой более большие падения напряжения. А сам столб располагается между этими областями падение напряжения в столбе очень незначительно. Таким образом, длина сварочной дуги представляет собой сумму вышеперечисленных областей, обычно длина равна нескольким миллиметрам, когда анодные и катодные области, соответственно, равны 10-4 и 10-5 см. Самая благоприятная длина примерно равна 4-6мм, при такой длине обеспечивается постоянная и благоприятная температура.

Разновидности

Виды сварочной дуги отличаются схемой подвода сварочного тока и средой, в которой они возникают, наиболее распространенными вариантами являются:

• Прямое действие. При таком способе сварочный располагается параллельно свариваемой металлической конструкции и дуга возникает под углом девяносто градусов по отношению к электроду и металлу;
• Сварочная дуга косвенного действия. Возникает, когда используется два электрода, которые располагаются под углом 40-60 градусов к поверхности свариваемой детали, дуга возникает между электродами и сваривает металл;

Также существует классификация в зависимости от атмосферы, в которой они возникают:

• Открытый тип. Дуга данного типа горит на воздухе и вокруг нее образовывается газовая фаза, содержащая пары свариваемого материала, электродов и их покрытий;
• Закрытый тип. Горение такой дуги происходит под слоем флюса, в газовую фазу, образовавшуюся вокруг дуги входят пары металла, электрода и флюса;
• Дуга с подачей газов. В горящую дугу подаются сжатые газы – гелий, аргон, углекислый газ, водород и другие различные смеси газов, подаются они для того, чтобы не окислялся свариваемый металл, их подача способствует восстановительной или нейтральной среде. В газовую фазу вокруг дуги входят – подающийся газ, пары металла и электрода;

Также различают по длительности действия – стационарная (для долгого применения) и импульсная (для однократного), по материалу используемого электрода – угольные, вольфрамовые – неплавящиеся электроды и металлические – плавящиеся. Самый распространенный плавящийся электрод – стальной. На сегодняшний день наиболее часто применяется сварка с неплавящимся электродом. Таким образом, виды сварочных дуг разнообразны.

Условия горения

При стандартных условиях, то есть температуре в 25 градусов и давлении в 1 атмосферу газы не способны проводить электрический ток. Для того, чтобы образовалась дуга необходимо, чтобы газы между электродами были ионизированы, то есть имели в своем составе различные заряженные частицы – электроны или ионы (катионы или анионы). Процесс образования ионизированного газа будет называться ионизацией, а работа, которую необходимо затратить на отрыв электрона у атомной частицы для образования электрона и иона – работой ионизации, которая измеряется в электрон-вольтах и называется потенциалом ионизации. Какую именно энергию необходимо затратить для отрыва электрона от атома зависит от природы газовой фазы, значения могут быть от 3,5 до 25 эВ. Самый маленький потенциал ионизации имеют металлы щелочной и щелочно-земельной группы – калий, кальций и, соответственно, их химический соединения. Такими соединениями покрывают электроды, для того, чтобы они способствовали устойчивому существованию и горению сварочной дуги.

Также для возникновения и горения дуги необходима постоянная температура на катод, которая зависит от природы катода, его диаметра, размера и температуры окружающей среды. Температура электрической дуги поэтому должна быть постоянной и не колебаться, благодаря огромным значениям силы тока температура может достигать 7 тысяч градусов, таким образом, сваркой можно присоединять абсолютно все материалы. Постоянная температура обеспечивается с помощью исправного источника питания, поэтому его выбор при конструировании сварочного аппарата очень важен, он оказывает влияние на свойства дуги.

Возникновение

Она возникает при быстром замыкании, то есть когда электрод соприкасается с поверхность свариваемого материала, из-за колоссальной температуры поверхность материала расплавляется, а между электродом и поверхность образуется небольшая полоса из расплавившегося материала. К моменту расхождения электрода и свариваемого материала образуется шейка из материала, которая моментально разрывается и испаряется из-за высокого значений плотности тока. Газ ионизируется и возникает электрическая дуга. Возбудить ее можно с помощью касания или чирканья.

Особенности

Она имеет следующие особенности по сравнению с другими электрическими зарядами:

• Высокая плотность тока, которая достигает нескольких тысяч ампер на квадратный сантиметр, благодаря чему достигается очень высокая температура;
• Неравномерность распределения электрического поля в пространстве между электродами. Вблизи электродов падение напряжения очень велико, когда в столбе – наоборот;
• Огромная температура, которая достигает самых больших значений в столбе из-за высокой плотности тока. При увеличении длины столба температура уменьшается, а при сужении – наоборот увеличивается;
• С помощью сварочных дуг можно получать самые различные вольт-амперные характеристики – зависимости падения напряжения от плотности тока при постоянной длине, то есть установившемся горении. На данный момент существует три вольтамперные характеристики.

Первая – падающая, когда при увеличении силы и,соответственно, плотности тока, напряжение падает. Вторая- жесткая, когда изменение силы тока никак не влияет на значение величины напряжения итретья – возрастающая, когда при увеличении силы тока напряжение также увеличивается.

Таким образом, сварочную дугу можно назвать самым лучшим и надежным способом скрепления металлических конструкций. Сварочный процесс оказывает большое влияние на сегодняшнюю промышленность, потому что только высокая температура сварочной дуги способна скреплять большинство металлов. Для получения качественных и надежных швов необходимо правильно и верно учитывать все характеристики дуги, следить за всеми значениями, благодаря этому процедура пройдет быстро и наиболее эффективно. Также необходимо учитывать свойства дуги: плотность тока, температуру и напряжение.

В 1802 г. русский физик Василий Владимирович Петров (1761-1834) установил, что если присоединить к полюсам большой электрической батареи два кусочка древесного угля и, приведя угли в соприкосновение, слегка их раздвинуть, то между концами углей образуется яркое пламя, а сами концы углей раскаляются добела, испуская ослепительный свет (электрическая дуга). Это явление семь лет спустя независимо наблюдал английский химик Г. Дэви, который предложил в честь А. Вольты назвать эту дугу «вольтовой».

На рис. 159 изображен простейший способ получения электрической дуги. В регулирующем штативе закреплены два угля, в качестве которых лучше брать не обычный древесный уголь, а специально изготовляемые стержни, получаемые прессованием смеси графита, сажи и связующих веществ (дуговые угли). Источником тока может служить осветительная сеть. Чтобы в момент соединения углей не получилось короткого замыкания, последовательно с дугой следует включить реостат.

Рис. 159. Установка для получения электрической дуги: 1 и 2 – угольные электроды

Обычно осветительная сеть питается током переменного направления. Дуга, однако, горит устойчивее, если через нее пропускают ток постоянного направления, так что один из ее электродов является все время положительным (анод), а другой отрицательным (катод). Фотография накаленных электродов такой дуги приведена на рис. 160. Между электродами находится столб раскаленного газа, хорошо проводящего электричество. В обычных дугах этот столб испускает значительно меньше света, нежели раскаленные угли, и поэтому на фотографии не виден. Положительный уголь, имея более высокую температуру, сгорает быстрее отрицательного. Вследствие сильной возгонки угля на нем образуется углубление – положительный кратер, являющийся самой горячей частью электродов. Температура кратера в воздухе при атмосферном давлении доходит до 4000° С.

Рис. 160. Электроды электрической дуги (фотография)

98.1. В дуговых лампах употребляют специальные регуляторы – часовые механизмы, сближающие с одинаковой скоростью оба угля по мере их сгорания. Однако толщина положительного угля всегда бывает больше, чем отрицательного. Почему так делают?

Дуга может гореть и между металлическими электродами (железо, медь и т. д.). При этом электроды плавятся и быстро испаряются, на что расходуется много тепла. Поэтому температура кратера металлического электрода обычно ниже, чем угольного (2000-2500° С).

Заставляя гореть дугу между угольными электродами в сжатом газе (около 20 атм), удалось довести температуру положительного кратера до 5900° С, т. е. до температуры поверхности Солнца. При этом наблюдалось плавление угля. Еще более высокой температурой обладает столб газов и паров, через который идет электрический разряд. Энергичная бомбардировка этих газов и паров электронами и ионами, подгоняемыми электрическим полем дуги, доводит температуру газов в столбе до 6000-7000° С. Поэтому в столбе дуги почти все известные вещества плавятся и обращаются в пар, и делаются возможными многие химические реакции, которые не идут при более низких температурах. Нетрудно, например, расплавить в пламени дуги тугоплавкие фарфоровые палочки.

Для поддержания дугового разряда нужно небольшое напряжение: дуга хорошо горит при напряжении на ее электродах 40-45 В. Ток в дуге довольно значителен. Так, например, даже в небольшой дуге, в опыте, изображенном на рис. 159, идет ток около 5 А, а в больших дугах, употребляющихся в промышленности, ток достигает сотен ампер. Это показывает, что сопротивление дуги невелико; следовательно, и светящийся газовый столб хорошо проводит электрический ток.

98.2. Дуговая лампа требует ток 300 А при напряжении на углях 60 В. Какое количество теплоты выделяется в такой дуге за 1 мин? Чему равно сопротивление такой дуги?

Такая сильная ионизация газа возможна только благодаря тому, что катод дуги испускает очень много электронов, которые своими ударами ионизуют газ в разрядном пространстве. Сильная электронная эмиссия с катода обеспечивается тем, что катод дуги сам накален до очень высокой температуры (от 2200 до 3500°С в зависимости от материала). Когда для зажигания дуги мы вначале приводим угли в соприкосновение, то в месте контакта, обладающем очень большим сопротивлением, выделяется почти все джоулево тепло проходящего через угли тока (§ 59). Поэтому концы углей сильно разогреваются, и этого достаточно для того, чтобы при их раздвижении между ними вспыхнула дуга. В дальнейшем катод дуги поддерживается в накаленном состоянии самим током, проходящим через дугу. Главную роль в этом играет бомбардировка катода падающими на него положительными ионами.

Вольтамперная характеристика дуги, т. е. зависимость между силой тока в дуге и напряжением между ее электродами , носит совершенно своеобразный характер. До сих пор мы встречались с двумя формами такой зависимости: в металлах и электролитах ток возрастает пропорционально напряжению (закон Ома), при несамостоятельной проводимости газов ток сначала возрастает с увеличением напряжения, а затем достигает насыщения и от напряжения не зависит. В дуговом разряде при увеличении тока напряжение на зажимах дуги уменьшается. Говорят, что дуга имеет падающую вольтамперную характеристику.

Таким образом, в случае дугового разряда увеличение тока приводит к уменьшению сопротивления дугового промежутка и уменьшению напряжения на нем. Именно поэтому, для того чтобы дуга горела устойчиво, необходимо включать последовательно с ней реостат (рис. 159) или другое так называемое балластное сопротивление.

Электрическая дуга может быть крайне разрушительной для оборудования и, что более важно, представлять опасность для людей. Тревожное количество вызванных ею несчастных случаев происходит ежегодно, часто приводя к серьезным ожогам или смерти. К счастью, в электротехнической промышленности достигнут значительный прогресс в части создания средств и методов защиты от воздействия дуги.

Причины и места возникновения

Электрическая дуга является одной из самых смертоносных и наименее изученных опасностей электроэнергии и преобладает в большинстве отраслей промышленности. Широко признается, что чем выше напряжение электрической системы, тем больше риск для людей, работающих на территории или вблизи проводов и оборудования, находящихся под напряжением.

Тепловая энергия от вспышки дуги, однако, может на самом деле быть больше и возникать чаще при более низких напряжениях с теми же разрушительными последствиями.

Возникновение электрической дуги, как правило, происходит при случайном контакте между токоведущим проводником, таким как контактный провод троллейбусной или трамвайной линии с другим проводником, или заземленной поверхностью.

Когда это происходит, возникающий ток короткого замыкания плавит провода, ионизирует воздух и создает огненный канал проводящей плазмы характерной дугообразной формы (отсюда и название), причем температура электрической дуги в ее сердцевине может достигать свыше 20000 °С.

Что же такое электрическая дуга?

По сути, так в обиходе именуют хорошо известный в физике и электротехнике дуговой разряд - вид самостоятельного электроразряда в газе. Каковы же физические свойства электрической дуги? Она горит в широком диапазоне давления газа, при постоянном или переменном (до 1000 Гц) напряжении между электродами в диапазоне от нескольких вольт (сварочная дуга) до десятков киловольт. Максимальная плотность тока дуги наблюдается на катоде (10 2 -10 8 А/см 2), где она стягивается в катодное пятно, очень яркое и малое по размерам. Оно беспорядочно и непрерывно перемещается по всей площади электрода. Температура его такова, что материал катода в нем кипит. Поэтому возникают идеальные условия для термоэлектронной эмиссии электронов в прикатодное пространство. Над ним образуется небольшой слой, заряженный положительно и обеспечивающий ускорение эмитируемых электронов до скоростей, при которых они ударно ионизируют атомы и молекулы среды в межэлектродном промежутке.

Такое же пятно, но несколько большее и малоподвижное, формируется и на аноде. Температура в нем близкая к катодному пятну.

Если ток дуги порядка нескольких десятков ампер, то из обоих электродов вытекают с большой скоростью нормально к их поверхностям плазменные струи или факелы (см. на фото ниже).

При больших токах (100-300 А) возникают добавочные плазменные струи, и дуга становится похожей на пучок плазменных нитей (см. на фото ниже).

Как проявляет себя дуга в электрооборудовании

Как было сказано выше, катализатором ее возникновения является сильное тепловыделение в катодном пятне. Температура электрической дуги, как уже упоминалось, может достигать 20 000 °С, примерно в четыре раза выше, чем на поверхности солнца. Этот зной может быстро расплавить или даже испарить медь проводников, которая имеет температуру плавления около 1084 °С, намного ниже, чем в дуге. Поэтому в ней часто образуются пары меди и брызги расплавленного металла. Когда медь переходит из твердого состояния в пар, она расширяется в несколько десятков тысяч раз от своего первоначального объема. Это эквивалентно тому, что кусочек меди в один кубический сантиметр изменится до размера 0,1 кубометра в доли секунды. При этом возникнет давление высокой интенсивности и звуковые волны, распространяющиеся вокруг с большой скоростью (которая может быть свыше 1100 км в час).

Воздействие электрической дуги

Тяжелые травмы, и даже со смертельным исходом, при ее возникновении могут получить не только лица, работающие на электрооборудования, но и люди, находящиеся поблизости. Дуговые травмы могут включать в себя внешние ожоги кожи, внутренние ожоги от вдыхания горячих газов и испаренного металла, повреждения слуха, зрения, такие как слепота от ультрафиолетового света вспышки, а также многие другие разрушительные повреждения.

При особо мощной дуге может также произойти такое явление, как ее взрыв, создающий давление более 100 килопаскалей (кПа) с выбросом частиц мусора, подобных шрапнели, со скоростью до 300 метров в секунду.

Лица, перенесшие воздействия электрического тока электрической дуги, могут нуждаться в серьезном лечения и реабилитации, а цена их травм может быть экстремальной - физически, эмоционально и финансово. Хотя законодательство требует от предприятий проведения оценки рисков для всех видов трудовой деятельности, однако риск поражения электрической дугой часто упускается из виду, потому что большинство людей не знают, как оценивать и эффективно управлять этой опасностью. Защита от воздействия электрической дуги предполагает использование целого комплекса средств, включая применение при работе с электрооборудованием, находящимся под напряжением, специальных электрозащитных средств, спецодежды, а также самого оборудования, прежде всего высоко- низковольтных коммутационных электроаппаратов, сконструированных с применением средств гашения дуги.

Дуга в электрических аппаратах

В этом классе электротехнических устройств (автоматические выключатели, контакторы, магнитные пускатели) борьба с данным явлением имеет особое значение. Когда контакты выключателя, не оборудованного специальными устройствами для предотвращения дуги, размыкаются, то она обязательно зажигается между ними.

В момент, когда контакты начинают отделяться, площадь последних уменьшается быстро, что приводит к увеличению плотности тока и, следовательно, к повышению температуры. Выделяемого тепла в промежутке между контактами (обычная среда масло или воздух) достаточно для ионизации воздуха или испарения и ионизации масла. Ионизированный воздух или пар действует как проводник для тока дуги между контактами. Разность потенциалов между ними весьма мала, но ее достаточно для поддержания дуги. Следовательно, ток в цепи остается непрерывным тех пор, пока дуга не устранена. Она не только задерживает процесс прерывания тока, но также генерирует огромное количество теплоты, которое может привести к повреждению самого выключателя. Таким образом, главная проблема в выключателе (прежде всего высоковольтном) - это гашение электрической дуги в кратчайшие сроки для того, чтобы выделяемое в ней тепло не могло достичь опасного значения.

Факторы поддержания дуги между контактами выключателей

К ним относятся:

2. Ионизированные частицы между ними.

Принимая это, отметим дополнительно:

• Когда между контактами имеется небольшой промежуток, даже небольшой разности потенциалов достаточно для поддержания дуги. Одним из способов ее гашения является разделение контактов на такое расстояние, что разность потенциалов становится недостаточной для поддержания дуги. Тем не менее этот метод является практически неосуществимым в высоковольтном оборудовании, где может потребоваться разделение на многие метры.
• Ионизированные частицы между контактами, как правило, поддерживают дугу. Если ее путь деионизирован, то процесс гашения будет облегчен. Это может быть достигнуто путем охлаждения дуги или удаления ионизированного частиц из пространства между контактами.
• Есть два способа, посредством которых осуществляется защита от электрической дуги в выключателях:

Метод высокого сопротивления;

Метод нулевого тока.

Гашение дуги увеличением ее сопротивления

В этом методе сопротивление на пути дуги растет с течением времени так, что ток уменьшается до значения, недостаточного для ее поддержания. Следовательно, он прерывается, и электрическая дуга гаснет. Основной недостаток этого метода состоит в том, что время гашения достаточно велико, и в дуге успевает рассеиваться огромная энергия.

Сопротивление дуги может быть увеличена путем:

• Удлинения дуги - сопротивление дуги прямо пропорциональна ее длине. Длина дуги может быть увеличена за счет изменения зазора между контактами.
• Охлаждением дуги, точнее среды между контактами. Эффективное охлаждение обдувом должно быть направлено вдоль дуги.
• Помещением контактов в трудноионизируемую газовую среду (газовые выключатели) или в вакуумную камеру (вакуумные выключатели).
• Снижением поперечного сечения дуги путем ее пропускания через узкое отверстие, или снижением площади контактов.
• Разделением дуги - ее сопротивление может быть увеличено путем разделения на ряд небольших дуг, соединенных последовательно. Каждая из них испытывает действие удлинения и охлаждения. Дуга может быть разделена путем введения некоторых проводящих пластин между контактами.

Гашение дуги методом нулевого тока

Этот метод используется только в цепях переменного тока. В нем сопротивление дуги сохраняется низким, пока ток не снижается до нуля, где она гаснет естественным путем. Ее повторное зажигание предотвращается несмотря на увеличение напряжения на контактах. Все современные выключатели больших переменных токов используют этот метод гашения дуги.

В системе переменного тока последний падает до нуля после каждого полупериода. В каждое такое обнуление дуга гаснет на короткое время. При этом среда между контактами содержит ионы и электроны, так что ее диэлектрическая прочность небольшая и может быть легко разрушена растущим напряжением на контактах.

Если это происходит, электрическая дуга будет гореть в течение следующего полупериода тока. Если сразу же после его обнуления диэлектрическая прочность среды между контактами растет быстрее, чем напряжение на них, то дуга не зажжется и ток будет прерван. Быстрое увеличение диэлектрической прочности среды вблизи нуля тока может быть достигнуто путем:

• рекомбинации ионизированных частиц в пространстве между контактами в нейтральные молекулы;
• удалением ионизированных частиц прочь и заменой их нейтральными частицами.

Таким образом, реальной проблемой в прерывании переменного тока дуги является быстрая деионизация среды между контактами, как только ток становится равным нулю.

Способы деионизация среды между контактами

1. Удлинение зазора: диэлектрическая прочность среды пропорциональна длине зазора между контактами. Таким образом, при быстром размыкании контактов может быть достигнута и более высокая диэлектрическая прочность среды.

2. Высокое давление. Если оно в непосредственной близости от дуги, увеличивается, плотность частиц, составляющих канал дугового разряда, также растет. Повышенная плотность частиц приводит к высокому уровню их деионизации и, следовательно, диэлектрическая прочность среды между контактами увеличивается.

3. Охлаждения. Естественная рекомбинация ионизированных частиц происходит быстрее, если они остывают. Таким образом, диэлектрическая прочность среды между контактами может быть увеличена путем охлаждения дуги.

4. Эффект взрыва. Если ионизированные частицы между контактами сметены прочь и заменены неионизированными, то диэлектрическая прочность среды может быть увеличена. Это может быть достигнуто с помощью газового взрыва, направленного в зону разряда, или впрыскиванием масла в межконтактное пространство.

В таких выключателях в качестве среды гашения дуги используется газ гексафторид серы (SF6). Он имеет сильную тенденцию поглощать свободные электроны. Контакты выключателя открываются в потоке высокого давления SF6) между ними (см. рисунок ниже).

Газ захватывает свободные электроны в дуге и формирует избыток малоподвижных отрицательных ионов. Число электронов в дуге быстро сокращается, и она гаснет.