Электрическая дуга - это электрический разряд в газах. Газ сам по себе является изолятором, в нем нет носителей тока. При образовании в газе большого количества электрически заряженных частиц - свободных электронов с отрицательным знаком заряда и положительно и отрицательно заряженных ионов газ начинает проводить ток.

При контакте торца электрода с основным металлом выделяется большое количество тепла, в результате чего ускоряется движение свободных электронов.

При отрыве электрода от основного металла в межэлектродном промежутке электроны сталкиваются с нейтральными атомами газа и ионизируют их, т.е. разделяют на ионы с разными знаками заряда. В результате газ становится электропроводным. Виды эмиссии (выхода) электронов с поверхности торца электрода:

• термоэлектронная эмиссия;
• автоэлектронная эмиссия;
• фотоэлектронная эмиссия;
• эмиссия электронов за счет потоков тяжелых ионов.

На стабильное горение дуги оказывают влияние процессы образования (ионизации) свободных электронов и ионов в объеме нейтрального газа электрической дуги. Рассмотрим виды ионизации в электрическом разряде.

Ионизация соударением. Движение электронов сильно ускоряется под действием электрического поля в катодной области. Они встречают на своем пути нейтральные атомы газов, ударяются о них и выбивают электроны. Ионизация нагревом (термическая ионизация). Образование ионов в газовой среде наблюдается при температуре выше 1750°С. Ионизация нагревом протекает за счет неупругих столкновений частиц газа с большим запасом кинетической энергии. Ионизация облучения (фотоионизация). При этом ионизация газов в электрической дуге вызывает воздействие на газовый промежуток энергии светового излучения. Ионизация излучением будет происходить в том случае, если энергия световых квантов превысит энергию, необходимую для ионизации частиц газа.

Свойства сварочной дуги

Зажигание сварочной дуги начинается с момента касания электродом свариваемого металла, т.е. с короткого замыкания.

На рис. 1 приведена последовательность процессов при зажигании сварочной дуги.

Так как торец электрода и поверхность свариваемого металла имеют неровности, то контакт между ними при коротком замыкании происходит в отдельных точках (рис. 1а).

Рис.1. Последовательность зажигания сварочной дуги
а - короткое замыкание; б - образование перемычки из жидкого металла; в - возникновение дуги

Поэтому плотность тока в точках контакта достигает больших значений, металл мгновенно расплавляется, образуя перемычку из жидкого металла между электродом и свариваемым металлом (рис. 1б).

При отводе электрода от поверхности металла на некоторую длину, называемую длиной дуги L, жидкая перемычка растягивается с уменьшение сечения, затем в момент достижения металлом перемычки температура кипения испаряется и происходит разрыв перемычки (рис. 1в).

Образуется разрядный промежуток, который заполняется заряженными частицами паров металла, покрытия электрода и газов. Так возникает сварочная дуга, которая представляет собой светящийся столб нагретого газа, состоящего из электронов, ионов и нейтральных атомов.

Это состояние газа называется плазмой, которая электрически нейтральна, так как в ней количество положительных и отрицательных частиц одинаково.

Температура столба дуги выше температуры точки кипения металла электрода и изделия, и конец электрода и изделие отделены от столба дуги промежуточными газовыми слоями, называемыми приэлектродными областями дуги, (рис. 2).

Рис. 2. Схема сварочной дуги.
1 - электроды; 2 - катодное пятно; 3 - катодная область; 4 - столб дуги; 5 - анодная область; 6 - анодное пятно; 7 - сварочная ванна; 8 - свариваемая деталь.

В катодной области 3 из катодного пятна 2 происходит эмиссия электронов в столб дуги 4, где они ионизируют нейтральные атомы.

В катодной области на длине в доли миллиметра сосредоточена значительная часть напряжения дуги, которое называется катодным падением напряжения и достигает 10...16 В.

В анодной области 5 около анодного пятна 6 происходит резкое падение напряжения на длине свободного пробега электрона. Это падение напряжения называется анодным падением напряжения, величина которого составляет 6…8 В. На этом участке электроны резко увеличивают скорость своего движения и нейтрализуются на анодном пятне. Анод получает энергию от дуги в виде потока электронов и теплового излучения, поэтому температура анодной области выше температуры катодной области, и на аноде выделяется большое количество тепла.

При сварке на постоянном токе прямой полярности температура в различных зонах сварочной дуги:

• в середине столба дуги - около 6000°С;
• в анодной области - 2600°С;
• в катодной области - 2400°С;
• в сварочной ванне – 1700…2000 °С.

При сварке на переменном токе распределение тепла дуги и температура в катодной и анодной областях примерно одинаково (катодная область на электроде).

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.

1. Условия возникновения и горения дуги

Размыкание электрической цепи при наличии в ней тока сопровождается электрическим разрядом между контактами. Если в отключаемой цепи ток и напряжение между контактами больше, чем критические для данных условий, то между контактами возникает дуга , продолжительность горения которой зависит от параметров цепи и условий деионизации дугового промежутка. Образование дуги при размыкании медных контактов возможно уже при токе 0,4-0,5 А и напряжении 15 В.

Рис. 1. Расположение в стационарной дуге постоянного тока напряжения U(a) и напряженности Е(б).

В дуге различают околокатодное пространство, ствол дуги и околоанодное пространство (рис. 1). Все напряжение распределяется между этими областями U к, U сд, U а. Катодное падение напряжения в дуге постоянного тока 10-20 В, а длина этого участка составляет 10–4-10–5 см, таким образом, около катода наблюдается высокая напряженность электрического поля (105-106 В/см). При таких высоких напряженностях происходит ударная ионизация. Суть ее заключается в том, что электроны, вырванные из катода силами электрического поля (автоэлектронная эмиссия) или за счет нагрева катода (термоэлектронная эмиссия), разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать один электрон с оболочки нейтрального атома, то произойдет ионизация. Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги.

Рис. 2. .

Проводимость плазмы приближается к проводимости металлов [у = 2500 1/(Ом×см)]/ В стволе дуги проходит большой ток и создается высокая температура. Плотность тока может достигать 10 000 А/см2 и более, а температура - от 6000 К при атмосферном давлении до 18000 К и более при повышенных давлениях.

Высокие температуры в стволе дуги приводят к интенсивной термоионизации, которая поддерживает большую проводимость плазмы.

Термоионизация - процесс образования ионов за счет соударения молекул и атомов, обладающих большой кинетической энергией при высоких скоростях их движения.

Чем больше ток в дуге, тем меньше ее сопротивление, а поэтому требуется меньшее напряжение для горения дуги, т. е. дугу с большим током погасить труднее.

При переменном токе напряжение источника питания u cд меняется синусоидально, так же меняется ток в цепи i (рис. 2), причем ток отстает от напряжения примерно на 90°. Напряжение на дуге u д, горящей между контактами выключателя, непостоянно. При малых токах напряжение возрастает до величины u з (напряжения зажигания), затем по мере увеличения тока в дуге и роста термической ионизации напряжение падает. В конце полупериода, когда ток приближается к нулю, дуга гаснет при напряжении гашения u г. В следующий полупериод явление повторяется, если не приняты меры для деионизации промежутка.

Если дуга погашена теми или иными способами, то напряжение между контактами выключателя должно восстановиться до напряжения питающей сети - u вз (рис. 2, точка А). Однако поскольку в цепи имеются индуктивные, активные и емкостные сопротивления, возникает переходный процесс, появляются колебания напряжения (рис. 2), амплитуда которых U в,max может значительно превышать нормальное напряжение. Для отключающей аппаратуры важно, с какой скоростью восстанавливается напряжение на участке АВ. Подводя итог, можно отметить, что дуговой разряд начинается за счет ударной ионизации и эмиссии электронов с катода, а после зажигания дуга поддерживается термоионизацией в стволе дуги.

В коммутационных аппаратах необходимо не только разомкнуть контакты, но и погасить возникшую между ними дугу.

В цепях переменного тока ток в дуге каждый полупериод проходит через нуль (рис. 2), в эти моменты дуга гаснет самопроизвольно, но в следующий полупериод она может возникнуть вновь. Как показывают осциллограммы, ток в дуге становится близким нулю несколько раньше естественного перехода через нуль (рис. 3, а ). Это объясняется тем, что при снижении тока энергия, подводимая к дуге, уменьшается, следовательно, уменьшается температура дуги и прекращается термоионизация. Длительность бестоковой паузы t п невелика (от десятков до нескольких сотен микросекунды), но играет важную роль в гашении дуги. Если разомкнуть контакты в бестоковую паузу и развести их с достаточной скоростью на такое расстояние, чтобы не произошел электрический пробой, то цепь будет отключена очень быстро.

Во время бестоковой паузы интенсивность ионизации сильно падает, так как не происходит термоионизации. В коммутационных аппаратах, кроме того, принимаются искусственные меры охлаждения дугового пространства и уменьшения числа заряженных частиц. Эти процессы деионизации приводят к постепенному увеличению электрической прочности промежутка u пр (рис. 3, б ).

Резкое увеличение электрической прочности промежутка после перехода тока через нуль происходит главным образом за счет увеличения прочности околокатодного пространства (в цепях переменного тока 150-250В). Одновременно растет восстанавливающееся напряжение u в. Если в любой момент u пр > u в промежуток не будет пробит, дуга не загорится вновь после перехода тока через нуль. Если в какой-то момент u пр = u в, то происходит повторное зажигание дуги в промежутке.

Рис. 3. :

а – погасание дуги при естественном переходе тока через нуль; б – рост электрической прочности дугового промежутка при переходе тока через нуль

Таким образом, задача гашения дуги сводится к созданию таких условий, чтобы электрическая прочность промежутка между контактами u пр была больше напряжения между ними u в.

Процесс нарастания напряжения между контактами отключаемого аппарата может носить различный характер в зависимости от параметров коммутируемой цепи. Если отключается цепь с преобладанием активного сопротивления, то напряжение восстанавливается по апериодическому закону; если в цепи преобладает индуктивное сопротивление, то возникают колебания, частоты которых зависят от соотношения емкости и индуктивности цепи. Колебательный процесс приводит к значительным скоростям восстановления напряжения, а чем больше скорость du в/dt , тем вероятнее пробой промежутка и повторное зажигание дуги. Для облегчения условий гашения дуги в цепь отключаемого тока вводятся активные сопротивления, тогда характер восстановления напряжения будет апериодическим (рис. 3, б ).

3. Способы гашения дуги в коммутационных аппаратах до 1000 В

В коммутационных аппаратах до 1 кВ широко используются следующие способы гашения дуги:

Удлинение дуги при быстром расхождении контактов.

Чем длиннее дуга, тем большее напряжение необходимо для ее существования. Если напряжение источника питания окажется меньше, то дуга гаснет.

Деление длинной дуги на ряд коротких (рис. 4, а ).
Как показано на рис. 1, напряжение на дуге складывается из катодного U к и анодного U а падений напряжений и напряжения ствола дуги U сд:

U д=U к+U а+U сд=U э+ U сд.

Если длинную дугу, возникшую при размыкании контактов, затянуть в дугогасительную решетку из металлических пластин, то она разделится на N коротких дуг. Каждая короткая дуга будет иметь свое катодное и анодное падения напряжений U э. Дуга гаснет, если:

U n U э,

где U - напряжение сети; U э - сумма катодного и анодного падений напряжения (20-25 В в дуге постоянного тока).

Дугу переменного тока также можно разделить на N коротких дуг. В момент прохождения тока через нуль околокатодное пространство мгновенно приобретает электрическую прочность 150-250 В.

Дуга гаснет, если

Гашение дуги в узких щелях.

Если дуга горит в узкой щели, образованной дугостойким материалом, то благодаря соприкосновению с холодными поверхностями происходит интенсивное охлаждение и диффузия заряженных частиц в окружающую среду. Это приводит к быстрой деионизации и гашению дуги.

Рис. 4.

а – деление длинной дуги на короткие; б – затягивание дуги в узкую щель дугогасительной камеры; в – вращение дуги в магнитном поле; г – гашение дуги в масле: 1 – неподвижный контакт; 2 – ствол дуги; 3 – водородная оболочка; 4 – зона газа; 5 – зона паров масла; 6 – подвижный контакт

Движение дуги в магнитном поле.

Электрическая дуга может рассматриваться как проводник с током. Если дуга находится в магнитном поле, то на нее действует сила, определяемая по правилу левой руки. Если создать магнитное поле, направленное перпендикулярно оси дуги, то она получит поступательное движение и будет затянута внутрь щели дугогасительной камеры (рис. 4, б ).

В радиальном магнитном поле дуга получит вращательное движение (рис. 4, в ). Магнитное поле может быть создано постоянными магнитами, специальными катушками или самим контуром токоведущих частей. Быстрое вращение и перемещение дуги способствует ее охлаждению и деионизации.

Последние два способа гашения дуги (в узких щелях и в магнитном поле) применяются также в отключающих аппаратах напряжением выше 1 кВ.

4. Основные способы гашения дуги в аппаратах выше 1 кВ.

В коммутационных аппаратах свыше 1 кВ применяются способы 2 и 3 описанные в п.п. 1.3. а также широко применяются следующие способы гашения дуги:

1. Гашение дуги в масле .

Если контакты отключающего аппарата поместить в масло, то возникающая при размыкании дуга приводит к интенсивному газообразованию и испарению масла (рис. 4, г ). Вокруг дуги образуется газовый пузырь, состоящий в основном из водорода (70-80 %); быстрое разложение масла приводит к повышению давления в пузыре, что способствует ее лучшему охлаждению и деионизации. Водород обладает высокими дугогасящими свойствами. Соприкасаясь непосредственно со стволом дуги, он способствует ее деионизации. Внутри газового пузыря происходит непрерывное движение газа и паров масла. Гашение дуги в масле широко применяется в выключателях.

2. Газовоздушное дутье .

Охлаждение дуги улучшается, если создать направленное движение газов - дутье. Дутье вдоль или поперек дуги (рис. 5) способствует проникновению газовых частиц в ее ствол, интенсивной диффузии и охлаждению дуги. Газ создается при разложении масла дугой (масляные выключатели) или твердых газогенерирующих материалов (автогазовое дутье). Более эффективно дутье холодным неионизированным воздухом, поступающим из специальных баллонов со сжатым воздухом (воздушные выключатели).

3. Многократный разрыв цепи тока .

Отключение большого тока при высоких напряжениях затруднительно. Это объясняется тем, что при больших значениях подводимой энергии и восстанавливающегося напряжения деионизация дугового промежутка усложняется. Поэтому в выключателях высокого напряжения применяют многократный разрыв дуги в каждой фазе (рис. 6). Такие выключатели имеют несколько гасительных устройств, рассчитанных на часть номинального напряжения. Число разрывов на фазу зависит от типа выключателя и его напряжения. В выключателях 500-750 кВ может быть 12 разрывов и более. Чтобы облегчить гашение дуги, восстанавливающееся напряжение должно равномерно распределяться между разрывами. На рис. 6 схематически показан масляный выключатель с двумя разрывами на фазу.

При отключении однофазного КЗ восстанавливающееся напряжение распределится между разрывами следующим образом:

U 1/U 2 = (C 1+C 2)/C 1

где U 1 ,U 2 - напряжения, приложенные к первому и второму разрывам; С 1 – емкость между контактами этих разрывов; C 2 – емкость контактной системы относительно земли.

Рис. 6. Распределение напряжения по разрывам выключателя: а – распределение напряжения по разрывам масляного выключателя; б – емкостные делители напряжения; в – активные делители напряжения.

Так как С 2 значительно больше C 1, то напряжение U 1 > U 2 и, следовательно, гасительные устройства будут работать в неодинаковых условиях. Для выравнивания напряжения параллельно главным контактам выключателя (ГК) включают емкости или активные сопротивления (рис. 16, б , в ). Значения емкостей и активных шунтирующих сопротивлений подбирают так, чтобы напряжение на разрывах распределялось равномерно. В выключателях с шунтирующими сопротивлениями после гашения дуги между ГК сопровождающий ток, ограниченный по значению сопротивлениями, разрывается вспомогательными контактами (ВК).

Шунтирующие сопротивления уменьшают скорость нарастания восстанавливающегося напряжения, что облегчает гашение дуги.

4. Гашение дуги в вакууме .

Высокоразреженный газ (10-6-10-8 Н/см2) обладает электрической прочностью, в десятки раз большей, чем газ при атмосферном давлении. Если контакты размыкаются в вакууме, то сразу же после первого прохождения тока в дуге через нуль прочность промежутка восстанавливается и дуга не загорается вновь.

5. Гашение дуги в газах высокого давления .

Воздух при давлении 2 МПа и более обладает высокой электрической прочностью. Это позволяет создавать достаточно компактные устройства для гашения дуги в атмосфере сжатого воздуха. Еще более эффективно применение высокопрочных газов, например шестифторисгой серы SF6 (элегаз). Элегаз обладает не только большей электрической прочностью, чем воздух и водород, но и лучшими дугогасящими свойствами даже при атмосферном давлении.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Электрическая дуга и её свойства

Наибольшее распространение в машиностроении получила электродуговая сварка. Рассмотрим подробнее особенности электродуговой сварки.

Электрической дугой называется продолжительный разряд электрического тока между двумя электродами, происходящий в газовой среде. Электрическая дуга, используемая для сварки металлов, называется сварочной дугой. Такая дуга в большинстве случаев горит между электродом и изделием, т.е. является дугой прямого действия.

Дуга прямого действия постоянного тока, горящая между металлическим электродом (катодом) и свариваемым металлом (анодом), имеет несколько ясно различимых областей (рис.2.3). Электропроводный газовый канал, соединяющий электроды, имеет форму усеченного конуса или цилиндра. Его свойства на различных расстояниях от электродов неодинаковы. Тонкие слои газа, примыкающие к электродам, имеют сравнительно низкую температуру. В зависимости от полярности электрода, к которому они примыкают, эти слои называются катодной 2 и анодной 4 областями дуги.

Протяженность катодной области l k определяется длиной свободного пробега нейтральных атомов и составляет

̃порядка 10 -5 см. Протяженность анодной области l a определяется длиной свободного пробега электрона и составляет примерно 10 -3 см. Между приэлектродными областями располагается наиболее протяженная, высокотемпературная область разряда - столб дуги l c 3.

На поверхности катода и анода образуются пятна, называемые, соответственно, катодное 1 и анодное 5 пятно, являющиеся основаниями столба дуги, через которые проходит весь сварочный ток. Электродные пятна выделяются яркостью свечения при сравнительно невысокой их температуре (2600... 3200 К). Температура в столбе дуги достигается 6000...8000 К.

Общая длина сварочной дуги l д равна сумме длин всех трех её областей (l д =l a +l k) и для реальных условий составляет 2...6 мм.

Общее напряжение сварочной дуги, соответственно, слагается из суммы падений напряжений в отдельных областях дуги и находится в пределах от 20 до 40 В. Зависимость напряжения в сварочной дуге от её длины описывается уравнением , где а - сумма падений напряжений в катодной и анодной областях, В; l д - длина столба дуги, мм; b - удельное падение напряжения в дуге, т.е. отнесенное к 1 мм длины столба дуги, В/мм.

Одной из основных характеристик электрического дугового разряда является статическая вольт-амперная характеристика - зависимость напряжения дуги при постоянной ее длине от силы тока в ней (рис.2.4).

С увеличением длины дуги напряжение увеличивается и кривая статической вольтамперной характеристики дуги поднимается выше, примерно сохраняя при этом свою форму (кривые, а, б, в). На ней различают три области: падающую I, жесткую (почти горизонтальную) II и возрастающую III. В зависимости от условий горения дуги ей соответствует один из участков характеристики. При ручной дуговой сварке покрытыми электродами, сварке в защитных газах неплавящимся электродом и сварке под флюсом на сравнительно небольших плотностях тока характеристика дуги будет вначале падающей, а при увеличении тока полностью перейдет в жесткую. При этом с увеличением сварочного тока пропорционально увеличиваются поперечное сечение столба дуги и площади поперечного сечения анодного и катодного пятен. Плотность тока и напряжение дуги остаются постоянными.

При сварке под флюсом и в защитных газах тонкой электродной проволокой на больших плотностях тока характеристика дуги становится возрастающей. Это объясняется тем, что диаметры катодного и анодного пятен становятся равными диаметру электрода и больше увеличиваться не могут. В дуговом промежутке наступает полная ионизация газовых молекул и дальнейшее увеличение сварочного тока может происходить лишь за счет увеличения скорости движения электронов и ионов, т. е. за счет увеличения напряженности электрического поля. Поэтому для дальнейшего увеличения сварочного тока требуется увеличение напряжения дуги.

Сварочная дуга представляет собой мощный концентрированный источник теплоты. Почти вся электрическая энергия, потребляемая дугой, превращается в тепловую. Полная тепловая мощность дуги Q=I св U д (Дж/с) зависит от силы сварочного тока I св (А) и напряжения дуги U д (В).

Следует отметить, что не вся теплота дуги затрачивается на нагрев и плавление металла. Часть её бесполезно расходуется на нагрев окружающего воздуха или защитного газа, радиационное излучение и т.д. В связи с этим эффективная тепловая мощность дуги q эф (Дж/с) (та часть теплоты сварочной дуги, которая вводится непосредственно в изделие) определяется следующим соотношением: где η - коэффициент полезного действия (КПД) процесса нагрева изделия сварочной дугой, определяемый опытным путем.

Коэффициент η зависит от способа сварки, материала электрода, состава покрытия или флюса и ряда других факторов. Например, при сварке открытой дугой угольным или вольфрамовых электродом он составляет в среднем 0,6; при сварке покрытыми (качественными) электродами - около 0,75; при сварке под флюсом - 0,8 и более.