Электрическая дуга: описание, характеристики

Электрическая дуга: описание, характеристики

Электрическая дуга представляет собой вид разряда, характеризующийся большой плотностью тока, высокой температурой, повышенным давлением газа и малым падением напряжения на дуговом промежутке. При этом имеет место интенсивное нагревание электродов (контактов), на которых образуются так называемые катодные и анодные пятна. Катодное свечение концентрируется в небольшом ярком пятне, раскаленная часть противоположного электрода образует анодное пятно.

В дуге можно отметить три области, весьма различные по характеру протекающих в них процессов. Непосредственно к отрицательному электроду (катоду) дуги прилегает область катодного падения напряжения. Далее идет плазменный ствол дуги. Непосредственно к положительному электроду (аноду) прилегает область анодного падения напряжения. Эти области схематично показаны на рис. 1.

Электрическая дуга: описание и характеристики. Все о сварочной дуге

Рис. 1. Строение электрической дуги

Размеры областей катодного и анодного падения напряжении на рисунке сильно преувеличены. В действительности их протяженность очень мала Например, протяженность катодного падения напряжения имеет величину порядка пути свободного движения электрона (меньше 1 мк). Протяженность области анодного падения напряжения обычно несколько больше этой величины.

В обычных условиях воздух является хорошим изолятором. Так, необходимое для пробоя воздушного промежутка в 1 см напряжение составляет 30 кВ. Чтобы воздушный промежуток стал проводником, необходимо создать в нем определенную концентрацию заряженных частиц (электронов и ионов).

Как возникает электрическая дуга

Электрическая дуга, представляющая собой поток заряженных частиц, в начальный момент расхождения контактов возникает в результате наличия свободных электронов газа дугового промежутка и электронов, излучаемых с поверхности катода. Свободные электроны, находящиеся в промежутке между контактами перемещаются с большой скоростью по направлению от катода к аноду под действием сил электрического поля.

Напряженность поля в начале расхождения контактов может достигать нескольких тысяч киловольт на сантиметр. Под действием сил этого поля вырываются электроны с поверхности катода и перемещаются к аноду выбивая из него электроны, которые образуют электронное облако. Созданный таким путем первоначальный поток электронов образует в дальнейшем интенсивную ионизацию дугового промежутка.

Наряду с ионизационными процессами, в дуге параллельно и непрерывно идут процессы деионизации. Процессы деионизации состоят а том, что при сближении двух ионов разных знаков или положительного иона и электрона они притягиваются и, сталкиваясь, нейтрализуются, кроме того, наряженные частицы перемещаются из области горения душ с большей концентрацией зарядов в окружающую среду с меньшей концентрацией зарядов. Все эта факторы приводят к понижению температуры дуги, к ее охлаждению и погасанию.

Электрическая дуга: описание и характеристики. Все о сварочной дугеНаряду с ионизационными процессами, в дуге параллельно и непрерывно идут процессы деионизации. Процессы деионизации состоят а том, что при сближении двух ионов разных знаков или положительного иона и электрона они притягиваются и, сталкиваясь, нейтрализуются, кроме того, наряженные частицы перемещаются из области горения душ с большей концентрацией зарядов в окружающую среду с меньшей концентрацией зарядов.

Рис. 2. Электрическая дуга

Дуга после зажигания

В установившемся режиме горения дут ионизационные и деионизационные процессы в ней находятся в равновесии. Ствол дуги с равным количеством свободных положительных и отрицательных зарядов характеризуется высокой степенью ионизации газа.

Вещество, степень ионизации которого близка к единице, т.е. в котором нет нейтральных атомов и молекул, называют плазмой.

Электрическая дуга характеризуется следующими особенностями:

1. Ясно очерченной границей между стволом дуги и окружающей средой.

2. Высокой температурой внутри ствола дуга, достигающей 6000 — 25000K.

3. Высокой плотностью тока и стволе дуги (100 — 1000 А/мм 2).

4. Малыми значениями анодного и катодного падения напряжения и практически не зависит от тока (10 — 20 В).

Вольт-амперная характеристика электрической дуги

Основной характеристикой дуги постоянного тока является зависимость напряжения дуги от тока, которая называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ).

Дуга возникает между контактами при некотором напряжении (рис. 3), называемом напряжением зажигания Uз и зависящим от расстояния между контактами, от температуры и давления среды и от скорости расхождения контактов. Напряжение гашения дуги Uг всегда меньше напряжения U з.

Электрическая дуга: описание и характеристики. Все о сварочной дуге

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика дуги постоянного тока (а) и ее схема замещения (б)

Кривая 1 представляет собой статическую характеристику дуги, т.е. получаемую при медленном изменении тока. Характеристика имеет падающий характер. С ростом тока напряжение на дуге уменьшается. Это означает, что сопротивление дугового промежутка уменьшается быстрее, чей увеличивается ток.

Если с той или иной скоростью уменьшать ток в дуге от I1 до нуля и при этом фиксировать падение напряжения на дуге, то получатся кривые 2 и 3. Эти кривые носят название динамических характеристик.

Чем быстрее уменьшать ток, тем ниже будут лежать динамические ВАХ. Это объясняется тем, что при снижении тока такие параметры дуги, как сечение ствола, температура, не успевают быстро измениться и приобрести значения, соответствующие меньшему значению тока при установившемся режиме.

Падение напряжения на дуговом промежутке:

Ud = U з + EdId ,

где U з = U к + U а — околоэлектродное падение напряжения, Ed — продольный градиент напряжения в дуге, Id — дина дуги.

Из формулы следует, что с увеличением длины дуги падение напряжения на дуге будет увеличиваться, и ВАХ будет располагаться выше.

С электрической дугой борются при конструировании коммутационных электрических аппаратов. Свойства электрической дуги используются в и в .

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.

Электрическая дуга: описание и характеристики. Все о сварочной дугеВозникновение 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.

Электрическая дуга: описание и характеристики. Все о сварочной дугеПо сути, так в обиходе именуют хорошо известный в физике и электротехнике дуговой разряд — вид самостоятельного электроразряда в газе.

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).

Электрическая дуга: описание и характеристики. Все о сварочной дуге

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.

Электрическая дуга: описание и характеристики. Все о сварочной дуге

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.

Электрическая дуга: описание и характеристики. Все о сварочной дуге

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.

Электрическая дуга: описание и характеристики. Все о сварочной дуге

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).

Электрическая дуга: описание и характеристики. Все о сварочной дуге

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

Электрическая дуга представляет собой дуговой разряд, который возникает между двумя электродами или же электродом и заготовкой и который позволяет произвести соединение двух и более деталей посредством сваривания.

Сварочная дуга в зависимости от среды, в которой она возникает, делится на несколько групп. Она может быть открытой, закрытой, а также в среде защитных газов.

Открытая дуга протекает на открытом воздухе посредством ионизации частиц в области горения, а также за счет паров металла свариваемых деталей и материала электродов. Закрытая дуга, в свою очередь, горит под слоем флюса. Это позволяет изменить состав газовой среды в области горения и обезопасить металл заготовок от окисления. Электрическая дуга в таком случае протекает по парам металла и ионам флюсовой присадки. Дуга, которая горит в среде защитных газов, протекает по ионам этого газа и парам металла. Это также позволяет предотвратить окисление деталей, а, следовательно, повысить надежность образуемого соединения.

Электрическая дуга различается по роду подводимого тока — переменный или постоянный — и по продолжительности горения — импульсная или же стационарная. Кроме того, дуга может иметь прямую или же обратную полярность.

Электрическая дуга: описание и характеристики. Все о сварочной дугеЭлектрическая дуга различается по роду подводимого тока — переменный или постоянный — и по продолжительности горения — импульсная или же стационарная.

По типу используемого электрода различают неплавящиеся и плавящиеся. Применение того или иного электрода напрямую зависит от характеристик, которыми обладает сварочный аппарат. Дуга, возникающая при использовании неплавящегося электрода, как видно из названия, не деформирует его. При сварке плавящимся электродом ток дуги расплавляет материал и он наплавляется на исходную заготовку.

Дуговой промежуток можно условно разделить на три характерных участка: прикатодный, прианодный, а также ствол дуги. При этом последний участок, т.е. ствол дуги, обладает наибольшей длиной, однако, характеристики дуги, а также возможность ее возникновения определяются именно околоэлектродными областями.

В целом же, характеристики, которыми обладает электрическая дуга, можно объединить в следующий список:

Электрическая дуга: описание и характеристики. Все о сварочной дуге

1. Длина дуги. Имеется в виду суммарное расстояние прикатодной и прианодной области, а также ствола дуги.

2. Напряжение дуги. Состоит из суммы на каждой из областей: ствол, прикатодная и прианодная. При этом изменение напряжения в околоэлектродных областях значительно больше, чем в оставшейся области.

3. Температура. Электрическая дуга в зависимости от состава газовой среды, материала электродов и может развивать температуру вплоть до 12 тысяч градусов Кельвина. Тем не менее, подобные пики расположены не по всей плоскости торца электрода. Поскольку даже при самой лучшей обработке на материале токопроводящей части имеются различные неровности и бугорки, благодаря которым возникает множество разрядов, которые воспринимаются как один. Конечно же, температура дуги во многом зависит от среды, в которой она горит, а также от параметров подводимого тока. К примеру, если увеличить величину тока, то, соответственно, увеличится и значение температуры.

И, наконец, вольт-амперная характеристика или ВАХ. Представляет собой зависимость напряжения от длины и величины тока.

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

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

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

Открытие вольтовой дуги

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

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

Электрическая дуга: описание и характеристики. Все о сварочной дуге

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

Дальнейшее изучение

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

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

Описание

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

Электрическая дуга: описание и характеристики. Все о сварочной дуге

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

При сваривании

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

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

Вольтова дуга: характеристики

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

Электрическая дуга: описание и характеристики. Все о сварочной дуге

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

Низкочастотная дуга

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

Место среди прочих физических явлений

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

Электрическая дуга: описание и характеристики. Все о сварочной дуге

Разрушительный потенциал

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

Практическое применение

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

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

Электрическая дуга: описание и характеристики. Все о сварочной дуге

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

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

Электрическая дуга: описание и характеристики. Все о сварочной дуге

Заключение

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

ЛЕКЦИЯ 5

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ПАДЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГЕ

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

Ход характеристик U д и Е д в приэлектродных областях резко отличается от хода характеристик на остальной части дуги. У электродов, в прикатодной и прианодной об­ластях, на промежутке порядка 10 -3 мм имеет место резкое падение напря­жения, называемое прикатод­ным U к и прианодным U а .

В прикатодной области образуется дефицит электронов из-за высокой их подвижности. В этой области образуется объемный положительный заряд, который обуславливает разность потенциалов U к , порядка 10÷20В. Напряженность поля в прикатодной области достигает 10 5 В/см и обеспечивает выход электронов с катода за счет автоэлектронной эмиссии. Кроме того, напряжение у катода обеспечивает выделение необходимой энергии для подогрева катода и обеспечения термоэлектронной эмиссии.

Рис. 2. Распределение напряжения на

стационарной дуге постоянного тока

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

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

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

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

Таким образом, падение напряжения на дуговом промежутке:

УСТОЙЧИВОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

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