Электрическая дуга и причины ее возникновения

Причины возникновения и классификация сварочной дуги

Эксплуатация электрической цепи сопровождается процессами замыкания и размыкания — что это такое? Электрическая дуга – это физическое явление, которое наблюдается при размыкании цепи.

Данное физическое явление характерно как полезным технологическим применением, так и вредом, который выражается в виде перегрева и оплавления контактов.

Образование, строение и свойства

Сварочная дуга — наиболее яркий представитель электрической дуги. Она представляет собой длительный электрический разряд в плазменной области, которая состоит из смеси элементов защитной среды, а также соединяемого и электродного материалов.

Исходя из этого, электрическая дуга – это разряд между двумя проводниками. Характерный дуговой или арочный изгиб является следствием воздействия газов, которые при повышении температурных параметров имеют вертикальную интеграцию движения.

[stextbox действию нагретого газа, следствием которого является криволинейное искажение параметров разряда, данное физическое явление получило название – дуга.[/stextbox]

Управление процессом осуществляется путем изменения электрических характеристик.

Видимый электрический разряд отличается высоким выделением тепловой энергии.

На расположенных ниже рисунках показаны параметры температурного воздействия дуги при аргонодуговой сварке, а также схематическое строение и вольт-амперной характеристики дуги.

Картинка 1.Распределние напряжения и напряженности электрического поля в дуге.

Картинка 2. а) Вольт-амперная характеристика, б) схематическое строение.

Картинка 3. Распределение температуры дуги.

Почему возникает?

По теории в нормальных условиях газы являются диэлектриками. При возникновении подходящих условий они могут поддаваться ионизации, наделяя свои элементы положительными или отрицательными зарядами.

Внешнее электрическое поле, обладающее заданными параметрами, и высокая температура влияют на газ, преобразуя его в плазму, которая обладает всем свойствами проводника электричества.

Данное свойство получило широкое распространение в промышленности, используя дугу в качестве газового проводника.

Алгоритм образования электрической сварочной дуги следующий:

1. Контакт. Он соединяет электрод и металл.
2. Разрыв контакта. Под влиянием тока поверхность электрода и металла начинает плавиться, образуя прослойку жидкого металла. В течение некоторого времени, с увеличением слоя расплава происходит разрыв контакта.
3. Возбуждение дуги. Пространство между анодом и катодом заполняют ионы и электроны испарений расплавленного металла, которые под действием напряжения притягиваются противоположным полюсам, возбуждая дугу.
4. Стабилизация дуги. С ростом концентрации заряженных частиц дуговое соединение подвергается интенсивной ионизации, в этой точке достигается полная стабилизация горения.
5. Образование сварочной ванны. Под действием дуги металлы электрода и поверхности переходят в жидкое агрегатное состояние, образуя смесь.
6. Кристаллизация. После отключения источника питания для сварки поверхность остывает, образуя сварное соединение.

Явления ионизации и деионизации

Внутренними процессами, которые способствуют возникновению и гашению дуги, являются ионизация и деионизация. Изучение данных явлений позволяет разобраться с факторами, влияющими на внешние процессы. Преобладание процессов ионизации характерно для причин возникновения дуги. При ее стабилизации явления происходят с равной периодичностью. С превалированием явлений деионизации дуга потухнет.

Виды ионизации:

1. Термическая. Наиболее распространенный процесс, который способствует сохранению дуги после ее образования. Благодаря значительному температурному воздействию возрастает количество и скорость элементов, что благотворно сказывается на ионизации.
2. Ударная. При перемещении на высокой скорости электрон неизбежно сталкивается с нейтральной частицей. После взаимодействия образуется новая заряженная частица – ион.
3. Полевая электронная эмиссия. Под действием внешнего электрического поля с высокой напряженностью электроны покидают поверхность без предварительного возбуждения.
4. Эффект Эдисона или термоэлектронная эмиссия. Под воздействием высокой температуры уровень энергии электронов увеличивается. При достижении определенного показателя они способные преодолеть потенциальный барьер на границе с металлом.

К явлениям деионизации относятся:

1. Рекомбинация. Процесс взаимодействия частиц с противоположными зарядами сопровождается образованием нейтрально заряженных элементов.
2. Диффузия. Процесс переноса заряженных частиц в окружающую среду, сопровождающийся выводом тепловой энергии.

При постоянном токе

Для лучшего восприятия информации рассмотрим свойства дуги на примере сварочных процессов. Источники питания сварочной дуги могут различаться по типу тока. При постоянном токе выделяют три основные зоны:

• анодная область;
• катодная область;
• столб дуги.

Зоны анода и катода, которые поддаются наиболее интенсивному температурному воздействию, называют активными пятнами. Через них проходит весь разряд дуги. При сварочном токе в 300 А размер катодного пятна в два раза меньше анодного. Распределение выделения тепловой энергии выглядит следующим образом:

• анодная область – 43 %;
• катодная область – 36 %;
• столб дуги – 21 %.

При этом наибольшей температурой отличается столб дуги. При сварке неплавящимися электродом температура столба может быть в диапазоне 5000-6000 Сº.

При переменном токе

Переменный источник энергии отличается меньшей стабильностью дуги. Это связано с изменением полярности напряжения – при переходе через нуль дуговой разряд угасает. Таким образом, за один полупериод дуга горит около 70 % времени. На производственных предприятиях частота переменного тока составляет 50 Гц. Это значит, что за одну секунду происходит 100 перерывов в горении. Они сопровождаются потерями тепла, что негативно влияет на степень ионизации.

Для стабилизации разряды применяют устройства, с повышенным уровнем напряжения холостого хода.

Вред и борьба с ней

Физические параметры разряда могут нести угрозу как здоровью человека, так и оборудованию. Особенно высокий риск возникновения несут высоковольтные сети – длина такого разряда может достигать полутора метров.

[stextbox дуги сопровождается выделением огромного количества тепла. Средняя температура может достигать значения 2500-3000 Сº.[/stextbox]

Но даже в быту, выдернув шнур питания мощного электрообогревателя, можно увидеть небольшую вспышку, которая образовалась в момент прерывания контакта.

В качестве средств защиты контактов применяют специальные дугогасительные камеры – корпус из диэлектрического материала с набором из нескольких проводящих перегородок. Они принимают на себя разряд, разделяя его на несколько частей, что способствует его охлаждению.

Строение вакуумного выключателя.

Эксплуатация высоковольтных сетей предусматривает использование различных типов выключателей:

• масляный;
• вакуумный;
• газовый;

Гашение в коммутационной аппаратуре

Развитие коммутационной аппаратуры и разнообразие методов ее исполнения послужило толчком к изучению способов гашения дуги. Рассмотрим их подробнее.

Увеличением ее сопротивления

Метод заключается в последовательном увеличении сопротивлении, что способствует уменьшению силы тока. По достижению определенного предела ток будет не способен поддерживать разряд, после чего он погаснет.

Основной недостаток – длительное время гашения, который сопровождается тепло- и энергопотерями.

Методом нулевого тока

Выключатели современнго оборудования, работающие на переменном токе, сконструированы для применения данного метода. Согласно законам физики, ток проходит через ноль в конце каждого полупериода. При переходе происходит кратковременное тушение дуги. Вместе с тем, площадь между контактами насыщена заряженным элементами, которые понижают диэлектрические свойства газа.

Суть метода заключается в резком увеличении диэлектрических свойств газа, путем деионизации среды.

Способы деионизации среды между контактами

Деионизация – одна из основных причин прекращения разряда. Существует несколько способов активации данного процесса:

1. Увеличение зазора между контактами.
2. Повышение давления частиц в контактной среде.
3. Охлаждение контактной среды.
4. Эффект взрывной волны.

[stextbox выключателях последнего типа в качестве средства тушения используют шестифтористую серу, которая под большим давлением воздействует на пространство между контактами. В результате образуются малоподвижные ионы, которые не способные поддерживать горение дуги.[/stextbox]

Полезное применение

Не следует думать, что рассматриваемое явление является лишь источником вреда. В различных областях промышленности электрическая дуга помогает людям:

1. Электродуговая резка и сварка металла. Высокая температура используется для соединения и резки металлов. Электрическую сварочную дугу классифицируют по источнику питания, видам электродов, свободе и длине дуги, а также типу тока. Разработано множество способов соединения – от технологии с использованием специальных электродов для электродуговой сварки в среде защитного газа до сварки трехфазной дугой.
2. Изготовление осветительных приборов. Все газоразрядные лампы, которые используют разряд в качестве источника света.
3. Металлургическая промышленность. Яркий пример – дуговая сталеплавильная печь, в которой металлы плавятся под воздействием высокой температуры дуги.

Заключение

Электрическая дуга – любопытное физическое явление, которое способно облегчить жизнь человечеству, однако требует пользоваться ею с осторожностью.

Каждый уважающий себя сварщик обязан знать характер ее появления и способы защиты.

[stextbox 6-го разряда Анохин Юрий Николаевич, опыт работы – 12 лет: «Наш инструктаж по ОТ и ТБ содержит информацию о защите от электрической дуги, к которой, к сожалению не все прислушиваются. Неделю назад мой коллега получил наряд на проведение освещения в гараже для грузового транспорта. В распределительной коробке он проверял соединения и подтягивал пакетные автоматы и получил повреждения коротким замыканием – один контакт на пакетнике был под напряжением, и при сокращении расстояния до отвертки возникла электрическая дуга. Итог – 4 недели в больнице. Правда сначала врачи подозревали удар токам, но потом изменили диагноз на повреждение разрядом».[/stextbox]

Явление электрической дуги

Электрическая дуга представляет собой электрический разряд в среде (воздух, вакуум, элегаз, трансформаторное масло) с большим током, низким напряжением, высокой температурой. Это явление как электрическое, так и тепловое.

Может возникать между двумя контактами при их размыкании.

Обратимся к ВАХ-диаграмме:

На данном графике у нас зависимость тока от напряжения, немного не в масштабе, но так нагляднее. Значит, есть три области:

• в первой области у нас высокое падение напряжения у катода и малые токи – это область тлеющего разряда
• во второй области у нас падение напряжения резко снижается, а ток продолжает увеличиваться – это переходная область между тлеющим и дуговым разрядом
• третья область характеризует дуговой разряд – малое падение напряжения и высокая плотность тока и следовательно высокая температура.

Механизм возникновения дуги может быть следующий: контакты размыкаются и между ними возникает разряд. В процессе размыкания воздух между контактами ионизируется, обретая свойства проводника, затем возникает дуга. Зажигание дуги – это процессы ионизации воздушного промежутка, гашение дуги – явления деионизации воздушного промежутка.

Явления ионизации и деионизации

В начале горения дуги преобладают процессы ионизации, когда дуга устойчива, то процессы ионизации и деионизации происходят одинаково часто, как-только процессы деионизации начинают преобладать над процессами ионизации – дуга гаснет.

• термоэлектронная эмиссия – электроны отрываются от раскаленной поверхности катодного пятна;
• автоэлектронная эмиссия – электроны вырываются с поверхности из-за высокой напряженности электрического поля.
• ионизация толчком – электрон вылетает с достаточной скоростью и в пути сталкивается с нейтральной частицей, в результате образуется электрон и ион.
• термическая ионизация – основной вид ионизации, поддерживает дугу после её зажигания. Температура дуги может достигать тысяч кельвинов, а в такой среде увеличивается число частиц и их скорости, что способствует активным процессам ионизации.

• рекомбинация – образование нейтральных частиц из противоположно заряженных при взаимодействии
• диффузия – положительно заряженные частицы отправляются “за борт”, из-за действия электрического поля дуги от середины к границе

Бывают ситуации, когда при размыкании контактов дуга не загорается, тогда говорят о безыскровом разрыве. Такое возможно при малых значениях тока и напряжения, или при отключении в момент, когда значение тока проходит через ноль.

Свойства дуги постоянного тока

Дуга может возникать как при постоянном токе-напряжении, так и при переменном. Начнем рассмотрение с постоянки:

Анодная и катодная области – размер=10 -4 см; суммарное падение напряжения=15-30В; напряженность=10 5 -10 6 В/см; в катодной области происходит процесс ударной ионизации из-за высокой напряженности, образовавшиеся в результате ионизации электроны и ионы образуют плазму дуги, которая обладает высокой проводимостью, данная область отвечает за разжигание дуги.

Ствол дуги – падение напряжения пропорционально длине дуги; плотность тока порядка 10кА на см 2 , за счет чего и температура порядка 6000К и выше. В данной области дуги происходят процессы термоионизации, данная область отвечает за поддержание горения.

ВАХ дугового разряда постоянного тока

Эта кривая соответствует кривой 3 на самом верхнем рисунке. Тут есть:

• Uз – напряжение зажигания
• Uг – напряжение гашения

Если ток уменьшить от Io до 0 мгновенно, то получится прямая, которая лежит снизу. Эти кривые характеризуют дуговой промежуток как проводник, показывают какое напряжение нужно приложить, чтобы создать в промежутке дугу.

Чтобы погасить дугу постоянного тока, необходимо, чтобы процессы деионизации преобладали над процессами ионизации.

• можно определить из ВАХ дуги
• активное, независимо от рода тока
• переменная величина
• падает с ростом тока

Если разорвать цепь амперметра под нагрузкой, то тоже можно увидеть дугу.

Свойства дуги переменного тока

Особенностью дуги переменного тока является её поведение во времени. Если посмотреть на график ниже, то видно, что дуга каждый полупериод проходит через ноль.

Видно, что ток отстает от напряжения примерно на 90 градусов. Вначале появляется ток и резко повышается напряжение до величины зажигания (Uз). Далее ток продолжает расти, а падение напряжения снижается. В точке максимального амплитудного значения тока, значение напряжения дуги минимальное. Далее ток стремится к нулю, а падение напряжения опять возрастает до значения гашения (Uг), которое соответствует моменту, когда ток переходит через ноль. Далее всё повторяется опять. Слева от временной характеристики приведена вольт-амперная характеристика.

Особенностью переменной дуги, кроме её зажигания и гашения на протяжении полупериода, является то, как ток пересекает ноль. Это происходит не по форме синусоиды, а более резко. Образуется бестоковая пауза, во время которой происходят знакомые нам процессы деионизации. То есть возрастает сопротивление дугового промежутка. И чем больше возрастет сопротивление, тем сложнее будет дуге обратно зажечься.

Если дуге дать гореть достаточно долго, то уничтожению подлежат не только контакты, но и само электрооборудование. Условия для гашения дуги заложены на стадии проектирования, постоянно внедряются новые методы борьбы с этим вредным явлением в коммутационных аппаратах.

Само по себе явление дуги не является полезным для электрооборудования, так как ведет к ухудшению эксплуатационных свойств контактов: выгорание, коррозия, механическое повреждение.

Но не всё так печально, потому что светлые умы нашли полезное применение дуговому разряду – использование в дуговой сварке, металлургии, осветительной технике, ртутных выпрямителях.

Электрическая дуга: терминология и причины появления, чем грозит и какие последствия несет

Электрическая дуга это серьезная проблема, которая возникает при перегрузке кабелей между подстанциями или трансформаторами. Однако, несмотря на свое негативное влияние, ее можно использовать в технологических целях.

На данный момент узкопрофильные специалисты разработали эффективные методы устранения явления, и в тоже время способы его применения.

В этой статье мы подробнее разберем эту тему.

Появление «микро молнии» на наглядном примере и схема строения

Для наглядности и лучшего понимания мы приведем простой пример. Представьте, что мы находимся в условиях лаборатории и проводим физическое исследование.

Для этого мы располагаем металлические шурупы наконечниками напротив друг друга на небольшой дистанции.

С помощью жилы мы подключим шурупы к источнику электропитания. По ходу увеличения силы тока, мы сможем проследить за возникновением небольших искр между шурупами, которое напоминание «микромолнию».

Благодаря такому воображаемому эксперименту, можно представить себе появление электрической дуги. Научным языком «микромолния» называется плазмой.

Практически именно эта искра и является электрической дугой. Простыми словами это поток электричества через воздушную среду между заряженными электродами.

Рекомендуем ознакомиться с детальными изображениями приведенными выше. На них вы сможете увидеть строение.

Причины и условия появления

Как известно, если любое тело, проводящее электричество, например, гвоздь, шуруп и т.д., расположить в активном электрическом поле, то на его поверхности будут накапливаться заряженные частицы.

Более того, чем больше изгиб или искривление поверхности проводника, тем меньше их будет накапливаться. Если упростить терминологию – электрический заряд будет накапливаться на остром конце шурупа или гвоздя.

Пространство между, вышеприведенными в эксперименте, шурупами выступает в роли проводящего воздуха или газа.

Из-за влияния электрического поля происходит ионное заряжение, в результате которого появляются искры или «микромолния» или электрическая дуга.

Все эти термины подразумевают одно и тоже, потому рекомендуем использовать то, что для вас легче всего визуализировать и понять.

Напряжение тока во время которого появляется электрическая дуга, зависит от нескольких факторов внешней среды: давление, температура, влажность воздуха и т.д.

На заметку. Некоторые специалисты утверждают, что явление именно такой формы, поскольку в действительности траектория заряженных частиц искажается от воздействия внешней температуры, напоминая полукруг.

Чтобы зажечь электрическую дугу необходимо разорвать напряжение электроцепи. Для наглядности рекомендуем ознакомиться с иллюстрацией ниже.

Подробнее о зажигании и условиях горения.

1. Между проводниками должно быть пространство.
2. Чтобы разрушит напряжение электроцепи необходим ток с высоким показателем, в зависимости от дистанции между проводниками.
3. Чтобы поддержать горение необходимо обеспечить постоянное питание 60 Вольт и ток 10 Ам.

Негативное влияние

Электрическая дуга нещадно влияет на все электрооборудование, в том числе на целые подстанции и коммутационные сети.

Для наглядности, представьте, что резко выдергиваете вилку электроустройства во время его работы из розетки. Не трудно догадаться, что произойдет, как минимум – искра, а хуже даже вспышка электросети.

Точно такой же процесс происходит и с коммутационным оборудованием, только в сотни раз масштабнее и опаснее.

Чаще всего электрические дуги образуются на:

1. Автоматические коммутационные переключатели.
2. Пусковые приборы магнитного действия.
3. Соединители кабелей.

В некоторых устройствах рассчитанных на сети 220 В обязательно применяют камеры дугового гашения для защиты сети.

Рекомендуем ознакомиться с иллюстрацией выше.

Простыми словами камеры дугового гашения напоминает устройство с небольшим лабиринтом из разных перегородок из диэлектрического металла.

Принцип действия камеры заключается в том, что плазма попадает в область камеры и разрывается на маленькие фрагменты, в результате чего, она теряет температуру и дуга исчезает.

Кроме того, в высоковольтных сетях, трансформаторах и подстанциях активно используются переключатели вакуумного, газового и масляного действия.

В масляном варианте процесс гашения происходит в результате коммутации проводников в масле, в котором дуга распадается на газ и водород.

Также вокруг «микромолнии» образуется газовая оболочка, которая охлаждает искру и в итоге ее разрушает.

В переключателях с вакуумным способом действия, в принципе нивелируется возникновение электрической духи из-за отсутствия газовой среды.

Не менее популярны стали полугазовые переключатели, которые используют в современных высоковольтных сетях. Также можно погасить дугу, применив нулевое значение тока.

Как применить «микромолнию» с пользой

Ниже мы опишем, где можно использовать ее с пользой и приведем понятные схемы и иллюстрации.

1. Устройства для освещения, например,ксенон-лампы для фар автомобиля. Примечательно, что если добавить соль на поверхность проводника, будет изменяться цвет.
2. Сварка методом электрической стандартной дуги. Во время соприкосновения электрода с поверхностью проводника, проходит напряжение тока. В момент отрыва устройства от поверхности возникает явление. Благодаря ее возникновению можно без труда сплавить две отдельные поверхности, или наоборот их разрезать на необходимые части.
3. Плавление методом электрической стандартной дуги. Поскольку можно контролировать и даже изменять силу горения, путем настройки внешних характеристик условий, можно установить максимальную температуру для плавления необходимых металлических поверхностей.

Уверены, что данное объяснение в это статья углубит ваши профессиональные познания.

Что такое электрическая дуга и как она возникает

При коммутации электрических приборов или перенапряжений в цепи между токоведущими частями может появится электрическая дуга. Она может использоваться в полезных технологических целях и в то же время нести вред оборудованию. В настоящее время инженеры разработали ряд методов борьбы и использования в полезных целях электрической дуги. В этой статье мы рассмотрим, как она возникает, ее последствия и область применения.

Образование дуги, её строение и свойства

Представим, что мы в лаборатории проводим эксперимент. У нас есть два проводника, например, металлических гвоздя. Расположим их острием друг к другу на небольшом расстоянии и подключим к гвоздям выводы регулируемого источника напряжения. Если постепенно увеличивать напряжение источника питания, то при определенном его значении мы увидим искры, после чего образуется устойчивое свечение подобное молнии.

Таким образом можно наблюдать процесс её образования. Свечение, которое образуется между электродами — это плазма. Фактически это и есть электрическая дуга или протекание электрического тока через газовую среду между электродами. На рисунке ниже вы видите её строение и вольт-амперную характеристику:

А здесь – приблизительные величины температур:

Почему возникает электрическая дуга

Всё очень просто, мы рассматривали в статье об электрическом поле, а также в статье о распределении зарядов в проводнике, что если любое проводящее тело (стальной гвоздь, например) внести в электрическое поле — на его поверхности начнут скапливаться заряды. При том, чем меньше радиус изгиба поверхности, тем их больше скапливается. Говоря простым языком — заряды скапливаются на острие гвоздя.

Между нашими электродами воздух — это газ. Под действием электрического поля происходит его ионизация. В результате всего этого возникают условия для образования электрической дуги.

Напряжение, при котором возникает дуга, зависит от конкретной среды и её состояния: давления, температуры и прочих факторов.

Интересно: по одной из версий это явление так называется из-за её формы. Дело в том, что в процессе горения разряда воздух или другой окружающий её газ разогревается и поднимается вверх, в результате чего происходит искажение прямолинейной формы и мы видим дугу или арку.

Для зажигания дуги нужно либо преодолеть напряжение пробоя среды между электродами, либо разорвать электрическую цепь. Если в цепи есть большая индуктивность, то, согласно законам коммутации, ток в ней не может прерваться мгновенно, он будет протекать и далее. В связи с этим будет возрастать напряжение между разъединенными контактами, а дуга будет гореть пока не исчезнет напряжение и не рассеется энергия, накопленная в магнитном поле катушки индуктивности.

Рассмотрим условия зажигания и горения:

Между электродами должен быть воздух или другой газ. Для преодоления напряжения пробоя среды потребуется высокое напряжение в десятки тысяч вольт – это зависит от расстояния между электродами и других факторов. Для поддержания горения дуги достаточно 50-60 Вольт и тока в 10 и больше Ампер. Конкретные величины зависят от окружающей среды, формы электродов и расстояния между ними.

Вред и борьба с ней

Мы рассмотрели причины возникновения электрической дуги, теперь давайте разберемся какой вред она наносит и способы её гашения. Электрическая дуга наносит вред коммутационной аппаратуре. Вы замечали, что, если включить мощный электроприбор в сеть и через какое-то время выдернуть вилку из розетки — происходит небольшая вспышка. Это дуга образуется между контактами вилки и розетки в результате разрыва электрической цепи.

Важно! Во время горения электрической дуги выделяется много тепла, температура её горения достигает значений более 3000 градусов Цельсия. В высоковольтных цепях длина дуги достигает метра и более. Возникает опасность как нанесения вреда здоровью людей, так и состоянию оборудования.

Тоже самое происходит и в выключателях освещения, другой коммутационной аппаратуре среди которых:

• автоматические выключатели;
• магнитные пускатели;
• контакторы и прочее.

В аппаратах, которые используются в сетях 0,4 кВ, в том числе и привычные 220 В, используют специальные средства защиты – дугогасительные камеры. Они нужны чтобы уменьшить вред, наносимый контактам.

В общем виде дугогасительная камера представляет собой набор проводящих перегородок особой конфигурации и формы, скрепленных стенками из диэлектрического материала.

При размыкании контактов образовавшаяся плазма изгибается в сторону камеры дугогашения, где разъединяется на небольшие участки. В результате она охлаждается и гасится.

В высоковольтных сетях используют масляные, вакуумные, газовые выключатели. В масляном выключателе гашение происходит коммутацией контактов в масляной ванне. При горении электрической дуги в масле оно разлагается на водород и газы. Вокруг контактов образуется газовый пузырь, который стремиться вырваться из камеры с большой скоростью и дуга охлаждается, так как водород обладает хорошей теплопроводностью.

В вакуумных выключателях не ионизируются газы и нет условий для горения дуги. Также есть выключатели, заполненные газом под высоким давлением. При образовании электрической дуги температура в них не повышается, повышается давление, а из-за этого уменьшается ионизация газов или происходит деионизация. Перспективным направлением считаются элегазовые выключатели.

Также возможна коммутация при нулевом значении переменного тока.

Полезное применение

Рассмотренное явление нашло и целый ряд полезных применений, например:

1. Осветительные приборы. Например, дугоразрядные лампы (ДРЛ, ксеноновые и другие виды). Если добавить на электроды соли определенных металлов — цвет электрической дуги изменится.
2. Электродуговая сварка. При касании электродом поверхности металла протекает высокий ток, который разогревает металл. Когда вы отрываете электрод, ток не может прерваться, разогретые поверхности эмитируют электроды и возникает дуга. При оплавлении металлических свариваемых поверхностей и расплавлении самого электрода возможно соединение двух частей или их разрезание. Есть различные виды сварки, например, с использованием электродов или газа — углекислого или аргона. Она используется повсеместно и внесла огромный вклад в жилое и промышленное строительство.
3. Дуговая плавка. Электрическая дуга зависит от электрических параметров источников питания, таким образом можно регулировать её горение. Благодаря высокой температуре удается расплавить большое число металлов.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме статьи:

Теперь вы знаете, что такое электрическая дуга, какие причины возникновения данного явления и возможные сферы применения. Надеемся, предоставленная информация была для вас понятной и полезной!

Электрическая дуга

Электрическая дуга – явление электрического разряда в газе (газовой среде). Электрический ток, протекающий по ионизированному каналу в газе (воздухе).

Образование электрической дуги в воздухе

При увеличении напряжения между двумя электродами до уровня электрического пробоя в воздухе между ними возникает электрическая дуга. Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния между электродами, давления окружающего газа, температуры окружающей среды, влажности и других факторов, потенциально сказывающихся на начало развития процесса.. Потенциал ионизации первого электрона атомов металлов составляет приблизительно 4,5 — 5 В, а напряжение дугообразования — в два раза больше (9 — 10 В). Требуется затратить энергию на выход электрона из атома металла одного электрода и на ионизацию атома второго электрода. Процесс приводит к образованию плазмы между электродами и горению дуги (для сравнения: минимальное напряжение для образования искрового разряда немногим превышает потенциал выхода электрона — до 6 В).

Для инициирования пробоя при имеющемся напряжении электроды приближают друг к другу. Во время пробоя между электродами обычно возникает искровой разряд, импульсно замыкая электрическую цепь.

Электроны в искровых разрядах ионизируют молекулы в воздушном промежутке между электродами. При достаточной мощности источника напряжения в воздушном промежутке образуется достаточное количество плазмы для значительного падения напряжения пробоя или сопротивления воздушного промежутка. При этом искровые разряды превращаются в дуговой разряд — плазменный шнур между электродами, являющийся плазменным тоннелем. Возникающая дуга является, по сути, проводником и замыкает электрическую цепь между электродами. В результате средний ток увеличивается ещё больше, нагревая дугу до 4700-49700 С. При этом считается, что поджиг дуги завершён. После поджига устойчивое горение дуги обеспечивается термоэлектронной эмиссией с катода, разогреваемого током и ионной бомбардировкой.

Взаимодействие электродов с плазмой дуги приводит к их нагреву, частичному расплавлению, испарению, окислению и другим видам коррозии.
После поджига дуга может оставаться устойчивой при разведении электрических контактов до некоторого расстояния.

При эксплуатации высоковольтных электроустановок, в которых неизбежно появление электрической дуги, борьба с ней осуществляется при помощи электромагнитных катушек, совмещённых с дугогасительными камерами. Среди других способов известны использование вакуумных, воздушных, элегазовых и масляных выключателей, а также методы отвода тока на временную нагрузку, самостоятельно разрывающую электрическую цепь.

Строение электрической дуги

Электрическая дуга состоит из катодной и анодной областей, столба дуги, переходных областей. Толщина анодной области составляет 0,001 мм, катодной области – около 0,0001 мм.

Температура в анодной области при сварке плавящимся электродом составляет около 2500 … 4000°С, температура в столбе дуги – от 7 000 до 18 000°С, в области катода – 9000 – 12000°С.

Столб дуги электрически нейтрален. В любом его сечении находятся одинаковое количество заряженных частиц противоположных знаков. Падение напряжения в столбе дуги пропорционально его длине.

Влияние электрической дуги на электрооборудование

В ряде устройств явление электрической дуги является вредным. Это в первую очередь контактные коммутационные устройства, используемые в электроснабжении и электроприводе: высоковольтные выключатели, автоматические выключатели, контакторы, секционные изоляторы на контактной сети электрифицированных железных дорог и городского электротранспорта. При отключении нагрузок вышеуказанными аппаратами между размыкающимися контактами возникает дуга.

Механизм возникновения дуги

• Уменьшение контактного давления — количество контактных точек уменьшается, растёт сопротивление в контактном узле;
• Начало расхождения контактов — образование «мостиков» из расплавленного металла контактов (в местах последних контактных точек);
• Разрыв и испарение «мостиков» из расплавленного металла;
• Образование электрической дуги в парах металла (что способствует большей ионизации контактного промежутка и трудности при гашении дуги);
• Устойчивое горение дуги с быстрым выгоранием контактов.

Для минимального повреждения контактов необходимо погасить дугу в минимальное время, прилагая все усилия по недопущению нахождения дуги на одном месте (при движении дуги теплота, выделяющаяся в ней будет равномерно распределяться по телу контакта).

Процесс образования электрической дуги и способы ее гашения

При размыкании электрической цепи возникает электрический разряд в виде электрической дуги. Для появления электрической дуги достаточно, чтобы напряжение на контактах было выше 10 В при токе в цепи порядка 0,1А и более. При значительных напряжениях и токах температура внутри дуги может достигать 3 – 15 тыс. °С, в результате чего плавятся контакты и токоведущие части.

При напряжениях 110 кВ и выше длина дуги может достигать нескольких метров. Поэтому электрическая дуга, особенно в мощных силовых цепях, на напряжение выше 1 кВ представляет собой большую опасность, хотя серьезные последствия могут быть и в установках на напряжение ниже 1 кВ. Вследствие этого электрическую дугу необходимо максимально ограничить и быстро погасить в цепях на напряжение как выше, так и ниже 1 кВ.

Причины возникновения электрический дуги

Процесс образования электрической дуги может быть упрощенно представлен следующим образом. При расхождении контактов вначале уменьшается контактное давление и соответственно контактная поверхность, увеличиваются переходное сопротивление ( плотность тока и температура — начинаются местные (на отдельных участках площади контактов) перегревы, которые в дальнейшем способствуют термоэлектронной эмиссии, когда под воздействием высокой температуры увеличивается скорость движения электронов и они вырываются с поверхности электрода.

В момент расхождения контактов, то есть разрыва цепи, на контактном промежутке быстро восстанавливается напряжение. Поскольку при этом расстояние между контактами мало, возникает электрическое поле высокой напряженности, под воздействием которого с поверхности электрода вырываются электроны. Они разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать хотя бы один электрон с оболочки нейтрального атома, то происходит процесс ионизации.

Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги, то есть ионизированного канала, в котором горит дуга и обеспечивается непрерывное движение частиц. При этом отрицательно заряженные частицы, в первую очередь электроны, движутся в одном направлении (к аноду), а атомы и молекулы газов, лишенные одного или нескольких электронов, — положительно заряженные частицы — в противоположном направлении (к катоду). Проводимость плазмы близка к проводимости металлов.

В стволе дуги проходит большой ток и создается высокая температура. Такая температура ствола дуги приводит к термоионизации — процессу образования ионов вследствие соударения молекул и атомов, обладающих большой кинетической энергией при высоких скоростях их движения (молекулы и атомы среды, где горит дуга, распадаются на электроны и положительно заряженные ионы). Интенсивная термоионизация поддерживает высокую проводимость плазмы. Поэтому падение напряжения по длине дуги невелико.

В электрической дуге непрерывно протекают два процесса: кроме ионизации, также деионизация атомов и молекул. Последняя происходит в основном путем диффузии, то есть переноса заряженных частиц в окружающую среду, и рекомбинации электронов и положительно заряженных ионов, которые воссоединяются в нейтральные частицы с отдачей энергии, затраченной на их распад. При этом происходит теплоотвод в окружающую среду.

Таким образом, можно различить три стадии рассматриваемого процесса: зажигание дуги, когда вследствие ударной ионизации и эмиссии электронов с катода начинается дуговой разряд и интенсивность ионизации выше, чем деионизации, устойчивое горение дуги, поддерживаемое термоионизацией в стволе дуги, когда интенсивность ионизации и деионизации одинакова, погасание дуги, когда интенсивность деионизации выше, чем ионизации.

Способы гашения дуги в коммутационных электрических аппаратах

Для того чтобы отключить элементы электрической цепи и исключить при этом повреждение коммутационного аппарата, необходимо не только разомкнуть его контакты, но и погасить появляющуюся между ними дугу. Процессы гашения дуги, так же как и горения, при переменном и постоянном токе различны. Это определяется тем, что в первом случае ток в дуге каждый полупериод проходит через нуль. В эти моменты выделение энергии в дуге прекращается и дуга каждый раз самопроизвольно гаснет, а затем снова загорается.

Практически ток в дуге становится близким нулю несколько раньше перехода через нуль, так как при снижении тока энергия, подводимая к дуге, уменьшается, соответственно снижается температура дуги и прекращается термоионизация. При этом в дуговом промежутке интенсивно идет процесс деионизации. Если в данный момент разомкнуть и быстро развести контакты, то последующий электрический пробой может не произойти и цепь будет отключена без возникновения дуги. Однако практически это сделать крайне сложно, и поэтому принимают специальные меры ускоренного гашения дуги, обеспечивающие охлаждение дугового пространства и уменьшение числа заряженных частиц.

В результате деионизации постепенно увеличивается электрическая прочность промежутка и одновременно растет восстанавливающееся напряжение на нем. От соотношения этих величин и зависит, загорится ли на очередную половину периода дуга или нет. Если электрическая прочность промежутка возрастает быстрее и оказывается больше восстанавливающего напряжения, дуга больше не загорится, в противном же случае будет обеспечено устойчивое горение дуги. Первое условие и определяет задачу гашения дуги.

В коммутационных аппаратах используют различные способы гашения дуги.

При расхождении контактов в процессе отключения электрической цепи возникшая дуга растягивается. При этом улучшаются условия охлаждения дуги, так как увеличивается ее поверхность и для горения требуется большее напряжение.

Деление длинной дуги на ряд коротких дуг

Если дугу, образовавшуюся при размыкании контактов, разделить на К коротких дуг, например затянув ее в металлическую решетку, то она погаснет. Дуга обычно затягивается в металлическую решетку под воздействием электромагнитного поля, наводимого в пластинах решетки вихревыми токами. Этот способ гашения дуги широко используется в коммутационных аппаратах на напряжение ниже 1 кВ, в частности в автоматических воздушных выключателях.

Охлаждение дуги в узких щелях

Гашение дуги в малом объеме облегчается. Поэтому в коммутационных аппаратах широко используют дугогасительные камеры с продольными щелями (ось такой щели совпадает по направлению с осью ствола дуги). Такая щель обычно образуется в камерах из изоляционных дугостойких материалов. Благодаря соприкосновению дуги с холодными поверхностями происходят ее интенсивное охлаждение, диффузия заряженных частиц в окружающую среду и соответственно быстрая деионизация.

Кроме щелей с плоскопараллельными стенками, применяют также щели с ребрами, выступами, расширениями (карманами). Все это приводит к деформации ствола дуги и способствует увеличению площади соприкосновения ее с холодными стенками камеры.

Втягивание дуги в узкие щели обычно происходит под действием магнитного поля, взаимодействующего с дугой, которая может рассматриваться как проводник с током.

Внешнее магнитное поле для перемещения дуги наиболее часто обеспечивают за счет катушки, включаемой последовательно с контактами, между которыми возникает дуга. Гашение дуги в узких щелях используют в аппаратах на все напряжения.

Гашение дуги высоким давлением

При неизменной температуре степень ионизации газа падает с ростом давления, при этом возрастает теплопроводность газа. При прочих равных условиях это приводит к усиленному охлаждению дуги. Гашение дуги при помощи высокого давления, создаваемого самой же дугой в плотно закрытых камерах, широко используется в плавких предохранителях и ряде других аппаратов.

Гашение дуги в масле

Если контакты выключателя помещены в масло, то возникающая при их размыкании дуга приводит к интенсивному испарению масла. В результате вокруг дуги образуется газовый пузырь (оболочка), состоящий в основном из водорода (70. 80 %), а также паров масла. Выделяемые газы с большой скоростью проникают непосредственно в зону ствола дуги, вызывают перемешивание холодного и горячего газа в пузыре, обеспечивают интенсивное охлаждение и соответственно деионизацию дугового промежутка. Кроме того, деионизирующую способность газов повышает создаваемое при быстром разложении масла давление внутри пузыря.

Интенсивность процесса гашения дуги в масле тем выше, чем ближе соприкасается дуга с маслом и быстрее движется масло по отношению к дуге. Учитывая это, дуговой разрыв ограничивают замкнутым изоляционным устройством — дугогасительной камерой . В этих камерах создается более тесное соприкосновение масла с дугой, а при помощи изоляционных пластин и выхлопных отверстий образуются рабочие каналы, по которым происходит движение масла и газов, обеспечивая интенсивное обдувание (дутье) дуги.

Дугогасительные камеры по принципу действия разделяют на три основные группы: с автодутьем, когда высокие давление и скорость движения газа в зоне дуги создаются за счет выделяющейся в дуге энергии, с принудительным масляным дутьем при помощи специальных нагнетающих гидравлических механизмов, с магнитным гашением в масле, когда дуга под действием магнитного поля перемещается в узкие щели.

Наиболее эффективны и просты дугогасительные камеры с автодутьем . В зависимости от расположения каналов и выхлопных отверстий различают камеры, в которых обеспечивается интенсивное обдувание потоками газопаровой смеси и масла вдоль дуги (продольное дутье) или поперек дуги (поперечное дутье). Рассмотренные способы гашения дуги широко используются в выключателях на напряжение выше 1 кВ.

Другие способы гашения дуги в аппаратах на напряжение выше 1 кВ

Кроме указанных выше способов гашения дуги, используют также: сжатый воздух, потоком которого вдоль или поперек обдувается дуга, обеспечивая ее интенсивное охлаждение (вместо воздуха применяются и другие газы, часто получаемые из твердых газогенерирующих материалов — фибры, винипласта и т. п. — за счет их разложения самой горящей дугой), элегаз (шестифтористая сера), обладающий более высокой электрической прочностью, чем воздух и водород, в результате чего дуга, горящая в этом газе, даже при атмосферном давлении достаточно быстро гасится, высокоразреженный газ (вакуум), при размыкании контактов в котором дуга не загорается вновь (гаснет) после первого прохождения тока через нуль.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Что такое электрическая дуга, как она возникает и где применяется?

Наблюдать искровые разряды приходилось каждому, в том числе и людям, далёким от познаний в электротехнике. Гигантскими искровыми разрядами сопровождаются грозы. Высвобождение огромной энергии, сконцентрированной в электрическом разряде молнии (см. рис. 1), сопровождается ослепительной вспышкой раскалённого ствола. Одним из видов искровых разрядов, созданных человечеством, является дуговой разряд, или попросту, электрическая дуга.

Рис. 1. Грозовой разряд

На сегодняшний день причины возникновение и свойства электрической дуги детально изучено наукой. Физики установили, что в области её горения возникает огромная концентрация зарядов, которые образуют плазму ствола. Температуры столба достигает нескольких тысяч градусов.

Что такое электрическая дуга?

Это загадочное явление впервые описал русский учёный В. Петров. Он создавал электрическую дугу, используя батарею, состоящую из тысяч медных и цинковых пластин. Изучая процесс зажигания дуги постоянным током, учёный пришёл к выводу, что воздушный промежуток между электродами при определённых условиях приобретает электропроводимость.

Одним из условий возникновения электрического пробоя является достаточно высокая разность потенциалов на концах электродов. Чем выше напряжение, тем больший газовый промежуток может преодолеть разряд. При этом образуется электропроводный газовый столб, который сильно разогревается во время горения дуги.

Рис. 2. Электрическая дуга

Возникает резонный вопрос: «Почему воздух, являющийся отличным изолятором в обычном состоянии, вдруг становится проводником?».

Объяснение может быть только одно – в стволе дуги образуются носители зарядов, способные перемещаться под действием электрического поля. Поскольку в воздухе, в отличие от металлов, нет свободных электронов, то вывод напрашивается только один – ионизация газов (см. рис. 3). То есть, запуск процесса насыщения газа ионами, являющимися носителями электрического заряда.

Рис. 3. Физика электрической дуги

Ионизация воздуха происходит под действием различного вида излучений, включая рентгеновское и космическое облучение. Поэтому в воздухе всегда находятся небольшое количество ионов. Но поскольку ионы почти сразу рекомбинируются (превращаются в нейтральные атомы и молекулы), то концентрация заряженных частиц всегда мизерная. Получить вспышку дуги при такой концентрации невозможно.

Для возникновения дугового разряда нужен лавинообразный процесс ионизации. Его можно вызвать путём сильного нагревания газа, которое происходит при зажигании.

При размыкании контактов происходит эмиссия электронов, скапливающихся на очень маленьком пространстве. Под действием напряжённости электрического поля отрицательные заряды устремляются к электроду с положительным знаком.

При достижении напряжения пробоя, между электродами возникает искровой разряд, разогревающий область между электродами. Если ток достаточно большой, то количество тепла будет достаточно для запуска лавинообразного процесса ионизации воздуха.

На участке, который называют дуговым промежутком, образуется ствол, называемый столбом дуги и состоящий из горячей проводимой плазмы. По этому стволу протекает ток, поддерживающий разогревание плазмы. Так происходит процесс зажигания дугового разряда.

Насыщение плазменного ствола ионами разных знаков приводит к значительному увеличению плотности тока, а также к рекомбинации части ионов. Разогревание плазмы приводит также к увеличению давления в стволе. Поэтому часть ионов улетучивает в окружающее пространство.

Если не поддерживать образование новых зарядов, то произойдёт гашение дуги. Как мы уже выяснили, устойчивому горению сопутствуют 2 фактора: наличие напряжения между электродами и поддержание высокой температуры плазмы. Исключение одного из них, приведёт к гашению дуги.

Таким образом, можем сформулировать определение электрической дуги. А именно электрическая дуга — это вид искрового разряда, сопровождающегося большой плотностью тока, длительностью горения, малым падением напряжения на промежутке ствола, характеризующегося повышенным давлением газа, в котором поддерживается высокая температура.

Электрическая дуга отличается от обычного разряда большей длительностью горения.

Строение

Электрическая дуга состоит из трёх основных зон:

• катодной;
• анодной;
• плазменного столба.

В сварочных дугах размеры катодной и анодной зоны незначительные, по сравнению с длиной столба. Толщина этих зон составляет тысячные доли миллиметра. В зоне катодного падения напряжения (на конце отрицательного электрода) наблюдается наличие катодных пятен, которые образуются в результате сильного нагревания.

На рисунке 4 изображена схема строения дуги, создаваемой сварочным аппаратом.

Рис. 4. Строение сварочной дуги

Обратите внимание: с целью достижения наглядности, на картинке сильно преувеличены электродные зоны. В действительности их толщина измеряется в микронах.

Свойства

Высокая плотность тока в стволе электрической дуги определяет её главные свойства:

1. Чрезвычайно высокую температуру плазменного ствола и околоэлектродных зон.
2. Длительное горение, при поддержании условий образования ионов.

Эти свойства необходимо учитывать при борьбе с возникновением электрической дуги, так и при её применении в некоторых сферах.

Полезное применение

Как это ни странно, но физики нашли применение этому электрическому явлению ещё на этапе развития науки об электричестве. Пример тому – лампочка Яблочкова. Она состояла из двух угольных электродов, между которыми зажигалась электрическая дуга.

У этой лампы были два недостатка. Электроды быстро изнашивались (выгорали), а спектр света смещался в ультрафиолетовую зону, что негативно влияло на зрение. По этим причинам дуговые лампы не нашли широкого применения и их быстро вытеснили лампы накаливания, существующие до сегодняшнего дня.

Исключение составляют дугоразрядные лампы, а также мощные прожектора, используемые преимущественно в военных целях.
Дуговой разряд стал массово применяться на практике с момента изобретения сварочного аппарата. Дуговую сварку применяют для сварки металлов. (см. рис. 5)

Рис. 5. Дуговая сварка

Используя проводимость плазмы, включая в сварочную цепь специальные сварочные электроды, достигают высокой температуры в сосредоточенном пятне. Регулируя сварочный ток, сварщик имеет возможность настроить аппарат на нужную температуру дугового разряда. Для защиты ствола от тепловых потерь, металлические электроды покрыты специальной смесью, обеспечивающей стабильность горения.

Электрическую дугу применяют в доменных печах для плавки металлов. Дуговая плавка удобна тем, что можно регулировать её температуру путём изменения параметров тока.

Наряду с полезным применением, в электротехнике часто приходится бороться с дуговыми разрядами. Не контролированный дуговой разряд может нанести существенный вред на линиях электропередач, в промышленных и бытовых сетях.

Рис. 6. Дуговой разряд на ЛЭП

Причины возникновения

Исходя из определения, можем назвать условия возникновения электрической дуги:

• наличие разнополярных электродов с большими токами;
• создание искрового разряда;
• поддержание напряжения на электродах;
• обеспечение условий для сохранения температуры ствола.

Искровой разряд возникает в двух случаях: при кратковременном соприкосновении электродов или при приближении к параметрам пробоя. Мощный электрический пробой всегда зажигает ствол.

При сохранении оптимальной длины дуги температура плазмы поддерживается самостоятельно. Однако, с увеличением промежутка между электродами, происходит интенсивный теплообмен ствола с окружающим воздухом. В конце концов, в стволе, вследствие падения температуры, образование ионов лавинообразно прекратится, в результате чего произойдёт гашение пламени.

Пробои часто случаются на высоковольтных ЛЭП. Они могут привести к разрушению изоляторов и к другим негативным последствиям. Длинная электрическая дуга довольно быстро гаснет, но даже за короткое время горения её разрушительная сила огромна.

Дуга имеет склонность к образованию при размыкании контактов. При этом контакты выключателя быстро выгорают, электрическая цепь остаётся замкнутой до момента исчезновения ствола. Это опасно не только для сетей, но и для человека.

Способы гашения

Следует отметить, что гашение дуги происходит и по разным причинам. Например, в результате остывания столба, падения напряжения или когда воздух между электродами вытесняется сторонними испарениями, препятствующими ионизации.

С целью недопущения образования дуг на высоковольтных проводах ЛЭП, их разносят на большое расстояние, что исключает вероятность пробоя. Если же пробой между проводами всё-таки случится, то длинный ствол быстро охладится и произойдёт гашение.

Для охлаждения ствола его иногда разбивают на несколько составляющих. Данный принцип часто используют в конструкциях воздушных выключателей, рассчитанных на напряжения до 1кВ.

Некоторые модели выключателей состоят из множества дугогасительных камер, способствующих быстрому охлаждению.

Быстрой ионизации можно достигнуть путём испарения некоторых материалов, окружающих пространство подвижных ножей. Испарение под высоким давлением сдувает плазму ствола, что приводит к гашению.

Существуют и другие способы: помещение контактов в масло, автодутьё, применение электромагнитного гашения и др.

Воздействие на человека и электрооборудование

Электрическая дуга представляет опасность для человека своим термическим воздействием, а также ультрафиолетовым действием излучающего света. Огромную опасность таит в себе высокое напряжение переменных токов. Если незащищённый человек окажется на критически близком расстоянии от токоведущих частей приборов, может произойти пробой электричества с образованием дуги. Тогда на тело, кроме воздействия тока, окажет действие термической составляющей.

Распространение дугового разряда по конструктивным частям оборудования грозит выжиганием электронных элементов, плат и соединений.