Töö ajal on elektriahelad pidevalt suletud ja avatud. Ammu on märgatud, et avanemise hetkel tekib kontaktide vahele elektrikaar. Selle välimuse jaoks piisab pingest üle 10 volti ja voolust üle 0,1 ampri. Suuremate voolu ja pinge väärtuste korral ulatub kaare sisetemperatuur sageli 3-15 tuhande kraadini. See muutub kontaktide ja pinge all olevate osade sulamise peamiseks põhjuseks.

Kui pinge on 110 kilovolti ja üle selle, võib kaare pikkus sel juhul ulatuda üle ühe meetri. Selline kaar kujutab tõsist ohtu võimsate elektrijaamadega töötavatele inimestele, seetõttu on vajalik selle maksimaalne piiramine ja kiire kustutamine mis tahes vooluringides, sõltumata pinge väärtusest.

Mis on elektrikaar

Kõige tüüpilisem näide on elektrikeevituskaar, mis avaldub pideva elektrilahendusena plasmas. Plasma omakorda segatakse omavahel kaitsva atmosfääri komponentide, põhi- ja täitemetalli ioniseeritud gaasid ja aurud.

Seega on elektrikaar elektrilahenduse põlemine kahe horisontaaltasandil paikneva elektroodi vahel. Ülespoole kalduvate kuumutatud gaaside toimel see tühjendus paindub ja muutub nähtavaks kaare või kaare kujul.

Need omadused võimaldasid kaaret praktikas kasutada gaasijuhina, mille abil muudetakse elektrienergia soojusenergiaks, luues kõrge kütteintensiivsuse. Seda protsessi saab suhteliselt lihtsalt juhtida elektriliste parameetrite muutmisega.

Normaaltingimustes gaasid elektrit ei juhi. Soodsate tingimuste tekkimisel saab neid aga ioniseerida. Nende aatomid või molekulid muutuvad positiivseteks või negatiivseteks ioonideks. Kõrge temperatuuri ja suure intensiivsusega välise elektrivälja mõjul gaasid muutuvad ja lähevad plasma olekusse, millel on kõik juhi omadused.

Kuidas keevituskaar tekib

• Esiteks tekib elektroodi otsa ja tooriku vahele kontakt, mis mõjutab mõlemat pinda.
• Suure tihedusega voolu mõjul pinnaosakesed sulavad kiiresti, moodustades vedela metalli kihi. See suureneb pidevalt elektroodi suunas, pärast mida see puruneb.
• Sel hetkel aurustub metall väga kiiresti ja tühjenduspilu hakkab täituma ioonide ja elektronidega. Rakendatud pinge paneb need liikuma anoodi ja katoodi suunas, mille tulemuseks on keevituskaare ergastamine.
• Algab termilise ionisatsiooni protsess, mille käigus positiivsed ioonid ja vabad elektronid jätkavad kontsentreerumist, kaarepilu gaas muutub veelgi ioniseeritumaks ja kaar ise muutub stabiilseks.
• Selle mõjul töödeldava detaili ja elektroodi metallid sulavad ning vedelas olekus segunevad omavahel.
• Pärast jahutamist moodustub selles kohas keevisõmblus.

Elektrikaare kustutamine lülitusseadmetes

Elektriahela elementide lahtiühendamine peab toimuma väga ettevaatlikult, ilma lülitusseadmeid kahjustamata. Ainuüksi kontaktide avamisest ei piisa, on vaja nende vahel tekkiv kaar õigesti kustutada.

Kaare põletamise ja kustutamise protsessid erinevad üksteisest oluliselt sõltuvalt võrgus kasutamisest. Kui alalisvoolu puhul erilist probleemi pole, siis vahelduvvoolu puhul tuleb arvestada mitmete teguritega. Esiteks läbib kaarevool igal pooltsüklil nullmärgi. Sel hetkel energia vabanemine peatub, mille tulemusena kaar kustub spontaanselt ja süttib uuesti. Praktikas läheneb vool nullile juba enne nullmärgi ületamist. See on tingitud voolu vähenemisest ja kaarele tarnitava energia vähenemisest.

Vastavalt sellele langeb ka selle temperatuur, mis põhjustab termilise ionisatsiooni lõppemise. Kaare väga tühimikus toimub intensiivne deioniseerumine. Kui praegu tehakse kontaktide kiire avamine ja juhtmestik, ei pruugi rikkeid juhtuda, vooluahel lülitub välja ilma kaare ilmumiseta.

Praktikas on selliste ideaalsete tingimuste loomine väga keeruline. Sellega seoses töötati välja erimeetmed kaare väljasuremise kiirendamiseks. Erinevad tehnilised lahendused võimaldavad kiiresti jahutada kaarevahet ja vähendada laetud osakeste hulka. Selle tulemusena suureneb selle pilu elektriline tugevus järk-järgult ja samaaegselt selle taastav pinge.

Mõlemad väärtused on üksteisest sõltuvad ja mõjutavad kaare süttimist järgmisel pooltsüklil. Kui dielektriline tugevus ületab taastamispinge, siis kaar enam ei sütti. Vastasel juhul põleb see pidevalt.

Kaare kustutamise peamised meetodid

Üsna sageli kasutatakse kaare pikendamise meetodit, kui kontaktide lahknemise protsessis, kui ahel on lahti ühendatud, on see venitatud (joonis 1). Pinna suurendamisega paranevad oluliselt jahutustingimused ning põlemise toetamiseks on vaja suuremat pinge väärtust.

1.

Teisel juhul on üldine elektrikaar jagatud eraldi lühikesteks kaaredeks (joonis 2). Selleks saab kasutada spetsiaalset metallresti. Selle plaatides indutseeritakse tegevuse käigus elektromagnetväli, mis pingutab kaare eraldamiseks. Seda meetodit kasutatakse laialdaselt alla 1 kV pingega lülitusseadmetes. Tüüpiline näide on õhukaitselülitid.

2.

Üsna tõhus on kustutamine väikestes kogustes, st kaarrennide sees. Nendel seadmetel on pikisuunalised pilud, mis langevad piki telgesid kokku kaare võlli suunaga. Külmade pindadega kokkupuutel hakkab kaar kiiresti jahtuma, vabastades aktiivselt keskkonda laetud osakesi.

Kõrgsurve kasutamine. Sel juhul jääb temperatuur muutumatuks, rõhk tõuseb ja ionisatsioon väheneb. Sellistes tingimustes jahutatakse kaare intensiivselt. Kõrgsurve tekitamiseks kasutatakse tihedalt suletud kambreid. Meetod on eriti tõhus kaitsmete ja muude seadmete puhul.

Kaare saab kustutada õli abil, kuhu kontaktid asetatakse. Nende avanemisel ilmub kaar, mille mõjul hakkab õli aktiivselt aurustuma. Selgub, et see on kaetud gaasimulli või kestaga, mis koosneb 70–80% vesinikust ja õliaurust. Otse tünni tsooni sisenevate eralduvate gaaside mõjul segunevad mulli sees olev külm ja kuum gaas, jahutades intensiivselt kaarevahet.

Muud kustutusmeetodid

Elektrikaare saab kustutada selle takistuse suurendamisega. See suureneb järk-järgult ja vool väheneb väärtuseni, mis ei ole põlemise säilitamiseks piisav. Selle meetodi peamiseks puuduseks on pikk kustutusaeg, mille jooksul hajub kaares suur hulk energiat.

Kaare takistuse suurendamine saavutatakse mitmel viisil:

• Kaare pikenemine, kuna selle takistus on otseselt võrdeline pikkusega. Selleks peate muutma kontaktide vahet suurendamise suunas.
• Söötme jahutamine kontaktide vahel, kus kaar asub. Kõige sagedamini kasutatakse puhumist, mis on suunatud piki kaare.
• Kontaktid asetatakse madala ionisatsiooniastmega gaasikeskkonda või vaakumkambrisse. Seda meetodit kasutatakse gaasi- ja vaakumkaitselülitites.
• Kaare ristlõiget saab vähendada, viies selle läbi kitsa augu või vähendades kontaktpinda.

Vahelduvpingega ahelates kasutatakse kaare kustutamiseks nullvoolu meetodit. Sel juhul hoitakse takistust madalal, kuni vool langeb nullini. Selle tulemusena toimub kustumine loomulikult ja süütamist ei korrata, kuigi pinge kontaktidel võib tõusta. Kukkumine nullini toimub iga pooltsükli lõpus ja kaar kustub lühikeseks ajaks. Kui suurendate kontaktide vahe dielektrilist tugevust, jääb kaar kustunud.

Elektrikaare tagajärjed

Kaare hävitav mõju on tõsine oht mitte ainult seadmetele, vaid ka töötavatele inimestele. Ebasoodsates tingimustes võite saada tõsiseid põletusi. Mõnikord lõpeb kaare lüüasaamine surmaga.

Reeglina tekib elektrikaar juhusliku kokkupuute hetkel voolu kandvate osade või juhtmetega. Lühisvoolu toimel sulavad juhtmed, õhk ioniseerub ja tekivad muud soodsad tingimused plasmakanali tekkeks.

Praeguseks on elektrotehnika valdkonnas saavutatud olulisi positiivseid tulemusi kaasaegsete elektrikaare vastu välja töötatud kaitsevahendite abil.

Elektrikaar on võimas pikaajaline elektrilahendus pingestatud elektroodide vahel tugevalt ioniseeritud gaaside ja aurude segus. Seda iseloomustab kõrge gaasitemperatuur ja suur vool tühjendustsoonis.

Elektroodid on ühendatud vahelduvvoolu (keevitustrafo) või alalisvoolu (keevitusgeneraator või alaldi) allikatega, millel on otsene ja vastupidine polaarsus.

Alalisvooluga keevitamisel nimetatakse positiivse poolusega ühendatud elektroodi anoodiks ja negatiivsega katoodiks. Elektroodide vahelist pilu nimetatakse kaarevaheks ehk kaarevaheks (joonis 3.4). Kaarevahe jaguneb tavaliselt kolmeks iseloomulikuks piirkonnaks:

1. anoodiga külgnev anoodipiirkond;
2. katoodpiirkond;
3. kaarepost.

Igasugune kaarsüüte saab alguse lühisest, st. elektroodi lühisest tootega. Sel juhul U d \u003d 0 ja vool I max \u003d I lühis. Sulgemiskohta tekib katoodlaik, mis on vältimatu (vajalik) tingimus kaarlahenduse olemasoluks. Saadud vedel metall elektroodi väljatõmbamisel venitatakse, kuumeneb üle ja temperatuur jõuab keemistemperatuurini - kaar ergastab (süütab).

Kaar võib süttida ilma elektroodide kokkupuuteta ionisatsiooni tõttu, st. dielektrilise õhu (gaasi) pilu purunemine pinge suurenemise tõttu ostsillaatorite poolt (argoonkaarkeevitus).

Kaare vahe on dielektriline keskkond, mis tuleb ioniseerida.

Kaarlahenduse olemasoluks piisab U d \u003d 16 ÷ 60 V. Elektrivoolu läbimine õhu (kaare) pilu kaudu on võimalik ainult siis, kui selles on elektrone (elementaar-negatiivseid osakesi) ja ioone: positiivne ( +) ioonid - kõik elementide molekulid ja aatomid (kergema vormiga metallid Me); negatiivsed (-) ioonid - kergemini moodustuvad F, Cr, N 2, O 2 ja muud elektronafiinsusega elemendid e.

Joonis 3.4 - Kaare põletamise skeem

Kaare katoodpiirkond on elektronide allikas, mis ioniseerivad kaarepilus olevaid gaase. Katoodilt eralduvad elektronid kiirendatakse elektrivälja toimel ja liiguvad katoodist eemale. Samal ajal saadetakse selle välja mõjul katoodile + ioonid:

U d \u003d U k + U c + U a;

Anoodipiirkonnal on palju suurem maht U a< U к.

Kaarsammas - põhiosa kaarepilust on elektronide, + ja - ioonide ning neutraalsete aatomite (molekulide) segu. Kaare kolonn on neutraalne:

∑ laengu neg. = positiivsete osakeste laengud ∑.

Statsionaarse kaare säilitamiseks vajalik energia tuleb toiteallika toiteallikast.

Erinevad temperatuurid, anoodi- ja katooditsoonide suurused ning erinev eralduv soojushulk – määrab alalisvooluga keevitamisel otse- ja vastupidise polaarsuse olemasolu:

Q a > Q to; U a< U к.

• kui suure paksusega metalli servade soojendamiseks on vaja palju soojust, kasutatakse otsest polaarsust (näiteks pindamisel);
• õhukeseseinaliste ja mitte ülekuumenevate keevitatud metallidega, vastupidine polaarsus (+ elektroodil).

LOENG 5

ELEKTRIKAAR

Tekkimine ja füüsikalised protsessid elektrikaares. Elektriahela avanemisega oluliste voolude ja pingete korral kaasneb elektrilahendus lahknevate kontaktide vahel. Kontaktide vaheline õhupilu ioniseerub ja muutub juhtivaks, selles põleb kaar. Lahtiühendamise protsess seisneb kontaktidevahelise õhupilu deioniseerimises, st elektrilahenduse lõpetamises ja dielektriliste omaduste taastamises. Eritingimustel: madalad voolud ja pinged, vahelduvvooluahela katkestus hetkel, mil vool läbib nulli, võib toimuda ilma elektrilahenduseta. Seda seiskamist nimetatakse sädemevabaks katkestuseks.

Lahenduspilu pingelanguse sõltuvus gaaside elektrilahenduse voolust on näidatud joonisel. üks.

Elektrikaarega kaasneb kõrge temperatuur. Seetõttu pole kaar mitte ainult elektriline, vaid ka termiline nähtus. Tavatingimustes on õhk hea isolaator. 1 cm õhuvahe lõhkumiseks on vaja 30 kV pinget. Selleks, et õhupilu saaks juhiks, on vaja selles tekitada teatud kontsentratsioon laetud osakesi: vabu elektrone ja positiivseid ioone. Neutraalsest osakesest elektronide eraldamise ning vabade elektronide ja positiivselt laetud ioonide moodustumise protsessi nimetatakse nn. ionisatsioon. Gaasi ionisatsioon toimub kõrge temperatuuri ja elektrivälja mõjul. Elektriseadmetes toimuvate kaareprotsesside puhul on kõige olulisemad protsessid elektroodidel (termoelektrooniline ja väljaemissioon) ja protsessid kaarepilus (termiline ja löökionisatsioon).

Termoemissioon nimetatakse elektronide emissiooniks kuumutatud pinnalt. Kui kontaktid lahknevad, suureneb järsult kontakti kontakttakistus ja voolutihedus kontaktpiirkonnas. Platvorm kuumeneb, sulab ja sulametallist moodustub kontaktistmus. Isthmus puruneb kontaktide edasisel lahknemisel ja kontaktide metall aurustub. Negatiivsele elektroodile moodustub kuum ala (katoodipunkt), mis on kaare alus ja elektronkiirguse allikas. Termoemissioon on kontaktide avamisel elektrikaare tekkimise põhjus. Termoemissiooni voolutihedus sõltub temperatuurist ja elektroodi materjalist.

Autoelektrooniline emissioon nimetatakse katoodilt elektronide kiirgumise nähtuseks tugeva elektrivälja mõjul. Kui kontaktid on avatud, rakendatakse neile võrgupinge. Kui kontaktid on suletud, siis liikuva kontakti lähenedes fikseeritud kontaktile suureneb elektrivälja tugevus kontaktide vahel. Kontaktidevahelisel kriitilisel kaugusel ulatub väljatugevus 1000 kV/mm. Selline elektrivälja tugevus on piisav elektronide väljutamiseks külmkatoodilt. Väljaemissioonivool on väike ja toimib ainult kaarelahenduse algusena.

Seega on kaarelahendus lahknevatel kontaktidel seletatav termiliste ja autoelektrooniliste emissioonide olemasoluga. Elektrikaare tekkimine kontaktide sulgemisel on tingitud autoelektroonilisest emissioonist.

löökionisatsioon nimetatakse vabade elektronide ja positiivsete ioonide tekkeks elektronide kokkupõrkel neutraalse osakesega. Vaba elektron purustab neutraalse osakese. Tulemuseks on uus vaba elektron ja positiivne ioon. Uus elektron omakorda ioniseerib järgmise osakese. Selleks, et elektron saaks gaasiosakest ioniseerida, peab see liikuma teatud kiirusega. Elektroni kiirus sõltub keskmise vaba tee potentsiaalide erinevusest. Seetõttu näidatakse tavaliselt mitte elektroni kiirust, vaid minimaalset potentsiaalide erinevust vaba tee pikkuses, et elektron saavutaks vajaliku kiiruse. Seda potentsiaalide erinevust nimetatakse ionisatsioonipotentsiaaliks. Gaasisegu ionisatsioonipotentsiaali määrab gaasisegus sisalduvate komponentide madalaim ionisatsioonipotentsiaal ja see sõltub vähe komponentide kontsentratsioonist. Gaaside ionisatsioonipotentsiaal on 13 ÷ 16 V (lämmastik, hapnik, vesinik), metalliaurudel on see ligikaudu kaks korda väiksem: vase aurudel 7,7 V.

Termiline ionisatsioon tekib kõrge temperatuuri mõjul. Kaarvõlli temperatuur ulatub 4000÷7000 K, mõnikord 15000 K. Sellel temperatuuril suureneb järsult liikuvate gaasiosakeste arv ja kiirus. Kokkupõrkel aatomid ja molekulid hävivad, moodustades laetud osakesed. Termilise ionisatsiooni peamine omadus on ionisatsiooniaste, mis on ioniseeritud aatomite arvu ja aatomite koguarvu suhe kaarepilus. Tekkinud kaarlahenduse säilitamise piisava arvu tasuta laengutega tagab termiline ionisatsioon.

Samaaegselt kaare ionisatsiooniprotsessidega toimuvad vastupidised protsessid deioniseerimine– laetud osakeste taasühinemine ja neutraalsete molekulide moodustumine. Kaare tekkimisel domineerivad ionisatsiooniprotsessid, ühtlaselt põleva kaare korral on ionisatsiooni ja deionisatsiooni protsessid võrdselt intensiivsed, deionisatsiooniprotsesside ülekaalu korral kaar kustub.

Deioniseerumine toimub peamiselt rekombinatsiooni ja difusiooni tõttu. rekombinatsioon on protsess, mille käigus erinevalt laetud osakesed moodustavad kokkupuutel neutraalseid osakesi. Difusioon laetud osakeste väljaviimine on protsess, mille käigus kantakse laetud osakesed kaarevahest ümbritsevasse ruumi, mis vähendab kaare juhtivust. Difusioon on tingitud nii elektrilistest kui ka termilistest teguritest. Laengu tihedus kaarevõllis suureneb perifeeriast keskmesse. Seda silmas pidades tekib elektriväli, mis sunnib ioone liikuma tsentrist perifeeriasse ja lahkuma kaare piirkonnast. Temperatuuride erinevus kaarevõlli ja ümbritseva ruumi vahel toimib samuti samas suunas. Stabiliseeritud ja vabalt põlevas kaares on difusioonil tähtsusetu roll. Suruõhuga puhutud kaares, aga ka kiiresti liikuvas avatud kaares võib difusioonist tingitud deionisatsioon olla väärtuselt lähedane rekombinatsioonile. Kitsas pilus või suletud kambris põlevas kaares toimub deioniseerumine rekombinatsiooni tõttu.

PINGEKAADUS ELEKTRIKAARES

Pingelang piki statsionaarset kaare jaotub ebaühtlaselt. Pingelanguse muster U d ja pikisuunaline pingegradient (pingelang kaarepikkuse ühiku kohta) E d piki kaaret on näidatud joonisel fig. 2.

AT anood piirkonnas moodustub negatiivne ruumilaeng, mis põhjustab potentsiaalsete erinevuste U a. Anoodi poole suunduvad elektronid kiirendatakse ja löövad anoodi lähedal olevad sekundaarsed elektronid välja.

Anoodi ja katoodi pingelangude koguväärtust nimetatakse elektroodilähedaseks pingelanguks:
ja on 20-30V.

Ülejäänud kaare osas, mida nimetatakse kaaretüveks, pingelangus U d otseselt võrdeline kaare pikkusega:

,

kus E ST on kaare võlli pikisuunaline pingegradient, l ST on kaare võlli pikkus.

Siin on gradient piki vart konstantne. See sõltub paljudest teguritest ja võib olla väga erinev, ulatudes 100÷200 V/cm.

Seega pingelang kaarepilu ulatuses:

DC ELEKTRIKAARE STABIILSUS

Alalisvoolu elektrikaare kustutamiseks on vaja luua tingimused, mille korral deionisatsiooniprotsessid kaarevahes ületaksid ionisatsiooniprotsesse kõigi vooluväärtuste juures.

Punktides a ja b Võrrand (2) kehtib, seega
. Siin valitseb tasakaal. Punktis a tasakaal on punktis ebastabiilne b jätkusuutlik.

Hoovuste juures
, Pinge
, a
, ja kui vool mingil põhjusel väheneb ma a , siis langeb see nulli - kaar kustub.

Kui vool muutub mingil põhjusel veidi suuremaks ma a, siis saab
, vooluringis on justkui "liigne" pinge, mis toob kaasa voolu suurenemise väärtuseni ma b . Iga väärtuse eest ma a < i < ma b kaare vool suureneb väärtuseni ma b .

punktide vahel a ja b suurusjärk
. Voolu suurenemisega vooluringis kaasneb elektromagnetilise energia kogunemine.

Praegusel hetkel
selgub jälle
, a
, st et säilitada selline voolu väärtus, pinge U mitte piisavalt. Voolu vooluringis langeb väärtuseni ma b. Sellel hetkel kaar põleb pidevalt.

Kaare kustutamiseks tuleb järgida tingimust (3) mis tahes vooluväärtusel, see tähendab, et kaare I–V karakteristik peab asuma karakteristikust kõrgemal.
(joon. 5) kogu pikkuses ja neil ei ole selle tunnusega ühtegi kokkupuutepunkti.

Sissejuhatus

Elektrikaare kustutamise viisid ... Teema on asjakohane ja huvitav. Niisiis, alustame. Küsime küsimusi: Mis on elektrikaar? Kuidas seda kontrollida? Millised protsessid toimuvad selle moodustamise ajal? Millest see koosneb? Ja kuidas see välja näeb.

Mis on elektrikaar?

Elektrikaar (voltakaar, kaarlahendus) on füüsikaline nähtus, üks gaasi elektrilahenduse liike. Seda kirjeldas esmakordselt 1802. aastal vene teadlane V. V. Petrov.

Elektrikaar on aine oleku neljanda vormi – plasma – erijuhtum ja koosneb ioniseeritud, elektriliselt kvaasineutraalsest gaasist. Vabade elektrilaengute olemasolu tagab elektrikaare juhtivuse.

Kaare teke ja omadused

Kui pinge kahe elektroodi vahel tõuseb õhus teatud tasemeni, tekib elektroodide vahel elektriline rike. Elektriline läbilöögipinge sõltub elektroodide vahelisest kaugusest jne. Sageli tuuakse elektroodid olemasoleva pinge juures rikke algatamiseks üksteisele lähemale. Rikke ajal tekib tavaliselt elektroodide vahel sädelahendus, mis sulgeb elektriahela impulsslikult.

Sädelahendustes olevad elektronid ioniseerivad elektroodide vahelises õhupilus olevaid molekule. Pingeallika piisava võimsuse korral tekib õhupilusse piisav kogus plasmat, nii et läbilöögipinge (või õhuvahe takistus) selles kohas oluliselt langeb. Sel juhul muutuvad sädelahendused kaarlahenduseks - elektroodide vahele jäävaks plasmajuheks, mis on plasmatunnel. See kaar on sisuliselt juht ja sulgeb elektroodide vahelise elektriahela, keskmine vool suureneb veelgi, kuumutades kaare temperatuurini 5000-50000 K. Sel juhul loetakse, et kaare süttimine on lõppenud.

Elektroodide koosmõju kaareplasmaga põhjustab nende kuumenemist, osalist sulamist, aurustumist, oksüdeerumist ja muud tüüpi korrosiooni. Elektrikeevituskaar on võimas elektrilahendus, mis voolab gaasilises keskkonnas. Kaarlahendust iseloomustavad kaks peamist omadust: olulise soojushulga vabanemine ja tugev valgusefekt. Tavapärase keevituskaare temperatuur on umbes 6000°C.

Kaarvalgus on pimestavalt ere ja seda kasutatakse mitmesugustes valgustusrakendustes. Kaar kiirgab suurel hulgal nähtavaid ja nähtamatuid termilisi (infrapuna) ja keemilisi (ultraviolett) kiiri. Nähtamatud kiired põhjustavad silmapõletikku ja kõrvetavad inimese nahka, mistõttu kasutavad keevitajad nende eest kaitsmiseks spetsiaalseid kilpe ja kombinesooni.

Kaare kasutamine

Sõltuvalt keskkonnast, kus kaarlahendus toimub, eristatakse järgmisi keevituskaare:

1. Avatud kaar. Põlemine õhus Kaartsooni gaasilise keskkonna koostis on õhk koos keevitatud metalli, elektroodimaterjali ja elektroodide kattekihi aurude seguga.

2. Suletud kaar. Põleb räbustikihi all. Kaartsooni gaasilise keskkonna koostis on mitteväärismetalli, elektroodi materjali ja kaitsevoo paar.

3. Kaar koos kaitsegaaside toitega. Kaaresse juhitakse rõhu all erinevaid gaase - heelium, argoon, süsihappegaas, vesinik, valgustusgaas ja erinevad gaaside segud. Kaartsooni gaasilise keskkonna koostis on kaitsegaasi, paari elektroodimaterjali ja mitteväärismetalli atmosfäär.

Kaart saab toita alalis- või vahelduvvooluallikast. Alalisvoolu puhul eristatakse sirge polaarsusega kaar (miinus toiteallikas elektroodil, pluss mitteväärismetallil) ja vastupidine polaarsus (miinus mitteväärismetallil, pluss elektroodil). Sõltuvalt elektroodide materjalist eristatakse kaare sulavate (metall) ja mittesulavate (süsinik, volfram, keraamika jne) elektroodidega.

Keevitamisel võib kaar olla otsese toimega (väärismetall osaleb kaare elektriahelas) ja kaudse toimega (väärismetall ei osale kaare elektriahelas). Kaudse tegevuse kaare kasutatakse suhteliselt vähe.

Voolutihedus keevituskaares võib olla erinev. Kaare kasutatakse normaalse voolutihedusega - 10--20 A / mm2 (tavaline käsitsi keevitamine, keevitamine mõnes kaitsegaasis) ja suure voolutihedusega - 80--120 A / mm2 ja rohkem (automaatne, poolautomaatne sukeldatud kaarkeevitus, kaitsva gaasi keskkonnas).

Kaarlahendus on võimalik ainult siis, kui elektroodi ja mitteväärismetalli vaheline gaasikolonn on ioniseeritud, st see sisaldab ioone ja elektrone. See saavutatakse gaasimolekulile või aatomile vastava energia, mida nimetatakse ionisatsioonienergiaks, edastamisega, mille tulemusena vabanevad aatomitest ja molekulidest elektronid. Kaarlahenduskeskkonda võib kujutada elektrivoolu gaasijuhina, millel on ümmargune silindriline kuju. Kaar koosneb kolmest piirkonnast - katoodi piirkond, kaare kolonn, anoodi piirkond.

Kaare põletamise ajal täheldatakse elektroodil ja mitteväärismetallil aktiivseid laike, mis on kuumutatud alad elektroodi ja mitteväärismetalli pinnal; kogu kaarevool läbib neid kohti. Katoodil nimetatakse täppi katoodipunktiks, anoodil anoodipunktiks. Kaarsamba keskosa ristlõige on veidi suurem kui katoodi ja anoodi täpid. Selle suurus sõltub vastavalt aktiivsete laikude suurusest.

Kaare pinge varieerub sõltuvalt voolutihedusest. Seda graafiliselt näidatud sõltuvust nimetatakse kaare staatiliseks karakteristikuks. Voolutiheduse madalate väärtuste korral on staatilisel karakteristikul langev iseloom, st kaare pinge väheneb voolu suurenedes. See on tingitud asjaolust, et voolu suurenemisega kaare samba ristlõikepindala ja elektrijuhtivus suurenevad, samas kui kaarekolonni voolutihedus ja potentsiaalne gradient vähenevad. Katoodi ja anoodi kaare pingelanguste suurus ei muutu koos voolu tugevusega ja sõltub ainult elektroodi materjalist, mitteväärismetallist, gaasikeskkonnast ja gaasi rõhust kaare tsoonis.

Käsikeevitamisel kasutatavate tavarežiimide keevituskaare voolutiheduste korral ei sõltu kaare pinge voolu suurusest, kuna kaare samba ristlõikepindala suureneb võrdeliselt vooluga ja elektrijuhtivus muutub väga vähe ja voolutihedus kaare veerus jääb praktiliselt muutumatuks. Sel juhul jääb katoodi ja anoodi pingelanguse suurus muutumatuks. Suure voolutihedusega kaares voolutugevuse suurenemisega ei saa katoodipunkt ja kaare samba ristlõige suureneda, kuigi voolutihedus suureneb võrdeliselt voolutugevusega. Sel juhul tõuseb kaarekolonni temperatuur ja elektrijuhtivus mõnevõrra.

Elektrivälja pinge ja kaare samba potentsiaalne gradient suureneb voolutugevuse suurenedes. Katoodpinge langus suureneb, mille tulemusena staatiline karakteristik on looduses kasvav, st kaare pinge suureneb koos kaarevoolu suurenemisega. Staatilise karakteristiku suurenemine on suure voolutiheduse kaare tunnuseks erinevates gaasilistes keskkondades. Staatilised omadused viitavad kaare püsiolekule, mille pikkus ei muutu.

Teatud tingimustel võib keevitamise ajal tekkida stabiilne kaare põlemisprotsess. Kaartekitamise protsessi stabiilsust mõjutavad mitmed tegurid; kaare toiteallika tühipinge, voolu tüüp, voolu suurus, polaarsus, induktiivsuse olemasolu kaareahelas, mahtuvuse olemasolu, voolu sagedus jne.

Aidata kaasa kaare stabiilsuse parandamisele, voolu suurendamisele, kaare toiteallika avatud ahela pingele, induktiivsuse kaasamisele kaareahelasse, voolu sageduse suurendamisele (vahelduvvoolu toitel) ja arvu suurendamisele. muudest tingimustest. Stabiilsust saab oluliselt parandada ka spetsiaalsete elektroodkatete, räbustide, kaitsegaaside ja mitmete muude tehnoloogiliste tegurite kasutamisega.

elektrikaare kustutuskeevitus

Raamatus "Uudised galvaaniliste-voltailiste katsete kohta tohutu, mõnikord 4200 vase- ja tsinkringist koosneva patarei abil" (Peterburi, 1803). Elektrikaar on aine oleku neljanda vormi – plasma – erijuhtum ja koosneb ioniseeritud, elektriliselt kvaasineutraalsest gaasist. Vabade elektrilaengute olemasolu tagab elektrikaare juhtivuse.

füüsikalised nähtused

Elektrikaar kahe elektroodi vahel õhus atmosfäärirõhul moodustub järgmiselt:

Kui pinge kahe elektroodi vahel tõuseb õhus teatud tasemeni, tekib elektroodide vahel elektriline rike. Elektriline läbilöögipinge sõltub elektroodide vahelisest kaugusest ja muudest teguritest. Metalli aatomite esimese elektroni ionisatsioonipotentsiaal on ligikaudu 4,5–5 V ja kaarepinge on sellest kaks korda suurem (9–10 V). On vaja kulutada energiat elektroni väljumiseks ühe elektroodi metalliaatomist ja teise elektroodi aatomi ioniseerimiseks. Protsess viib plasma moodustumiseni elektroodide vahel ja kaare põlemiseni (võrdluseks: sädelahenduse tekke minimaalne pinge ületab veidi elektronide väljundpotentsiaali - kuni 6 V).

Rikke käivitamiseks olemasoleval pingel viiakse elektroodid üksteisele lähemale. Rikke ajal tekib tavaliselt elektroodide vahel sädelahendus, mis sulgeb elektriahela impulsslikult. Sädelahendustes olevad elektronid ioniseerivad elektroodide vahelises õhupilus olevaid molekule. Pingeallika piisava võimsuse korral õhupilus tekib piisav kogus plasmat läbilöögipinge või õhuvahe takistuse oluliseks languseks. Sel juhul muutuvad sädelahendused kaarlahenduseks - elektroodide vahele jäävaks plasmajuheks, mis on plasmatunnel. Tekkiv kaar on tegelikult juht ja sulgeb elektroodide vahelise elektriahela. Selle tulemusena suureneb keskmine vool veelgi, soojendades kaare kuni 5000-50000. Sel juhul loetakse, et kaare süütamine on lõppenud. Pärast süütamist tagab stabiilse kaarepõlemise voolu- ja ioonpommitusega kuumutatud katoodi termiline emissioon.

Pärast süütamist võib kaar jääda stabiilseks, kui elektrikontaktid on teatud kaugusele eraldatud.

Elektroodide koosmõju kaareplasmaga põhjustab nende kuumenemist, osalist sulamist, aurustumist, oksüdeerumist ja muud tüüpi korrosiooni.

Kõrgepinge elektripaigaldiste käitamisel, kus elektrikaare tekkimine on elektriahela ümberlülitamisel vältimatu, kasutatakse selle vastu võitlemiseks elektromagnetmähiseid koos kaarekanalitega. Muude meetodite hulgas on tuntud vaakum-, õhu-, SF6- ja õlikaitselülitite kasutamine, samuti meetodid voolu suunamiseks ajutisele koormusele, mis katkestab iseseisvalt elektriahela.

Kaare struktuur

Elektrikaar koosneb katood- ja anoodipiirkondadest, kaare kolonnist, üleminekupiirkondadest. Anoodipiirkonna paksus on 0,001 mm, katoodi piirkonna paksus on umbes 0,0001 mm.

Tarbeelektroodide keevitamise ajal on anoodipiirkonna temperatuur umbes 2500 ... 4000 ° C, kaarekolonni temperatuur on 7000 kuni 18 000 ° C, katoodi piirkonnas - 9000 - 12 000 ° C.

Kaarsammas on elektriliselt neutraalne. Igas selle sektsioonis on sama palju vastupidise märgiga laetud osakesi. Pingelangus kaare veerus on võrdeline selle pikkusega.

Keevituskaared klassifitseeritakse järgmiselt:

• Elektroodide materjalid - kuluva ja mittetarbitava elektroodiga;
• Kolonni kokkusurumise astmed - vaba ja kokkusurutud kaar;
• Vastavalt kasutatavale voolule - alalisvoolu kaar ja vahelduvvoolu kaar;
• Vastavalt alalisvoolu polaarsusele - otsene polaarsus ("-" elektroodil, "+" - tootel) ja vastupidine polaarsus;
• Vahelduvvoolu kasutamisel - ühefaasilised ja kolmefaasilised kaared.

Isereguleeruv kaar

Välise häire ilmnemisel - võrgupinge, traadi etteande kiiruse jms muutus - tekib etteandekiiruse ja sulamiskiiruse vahelises tasakaalus rikkumine. Kaare pikkuse suurenemisega vooluringis väheneb keevitusvool ja elektroodi traadi sulamiskiirus ning konstantseks jääv etteandekiirus muutub sulamiskiirusest suuremaks, mis viib kaare pikkuse taastamiseni. Kaare pikkuse vähenemisel muutub traadi sulamiskiirus etteandest suuremaks, mis viib kaare normaalse pikkuse taastamiseni.

Kaare isereguleerimisprotsessi efektiivsust mõjutab oluliselt toiteallika voolu-pinge karakteristiku kuju. Kaare pikkuse võnke suur kiirus töötatakse välja automaatselt ahela jäiga voolu-pinge karakteristikuga.

Kasulik rakendus

Elektriline keevitamine

Elektrikaare kasutatakse metallide elektrikeevitamisel, terase sulatamisel (Arc steel ahjus) ja valgustuses (kaarlampides). Mõnikord kasutatakse kaare mittelineaarse volt-ampri omadust (vt välikustutusmasin).

Valguse allikad

Elektrikaarega võitlemine

Paljudes seadmetes on elektrikaare nähtus kahjulik. Need on ennekõike toiteallikas ja elektriajamis kasutatavad kontaktlülitusseadmed: kõrgepingelülitid, automaatlülitid, kontaktorid, elektrifitseeritud raudtee ja linna elektritranspordi kontaktvõrgu sektsioonilised isolaatorid. Kui koormused on ülaltoodud seadmetega lahti ühendatud, tekib purunevate kontaktide vahel kaar.

Kaare tekkimise mehhanism on sel juhul järgmine:

• Kontaktrõhu vähendamine - kontaktpunktide arv väheneb, takistus kontaktsõlmes suureneb;
• Kontaktide lahknemise algus - "sildade" moodustumine kontaktide sulametallist (viimaste kontaktpunktide kohtades);
• "Sillade" purunemine ja aurustumine sulametallist;
• Elektrikaare moodustumine metalliaurudes (mis aitab kaasa kontaktpilu suuremale ionisatsioonile ja raskustele kaare kustutamisel);
• Stabiilne kaar koos kontaktide kiire läbipõlemisega.

Kontaktide minimaalseks kahjustamiseks on vaja kaar võimalikult lühikese aja jooksul kustutada, tehes kõik endast oleneva, et kaar ei oleks ühes kohas (kaar liigub, jaotub selles eralduv soojus ühtlaselt üle keha. kontakt).

Ülaltoodud nõuete täitmiseks kasutatakse järgmisi kaare summutamise meetodeid:

• kaare jahutamine jahutuskeskkonna - vedeliku vooluga (õlilüliti); gaas - (õhkkaitse, automaatne gaasikaitse, õlikaitse, SF6 kaitselüliti) ja jahutusaine vool võib läbida nii piki kaarevõlli (pikisuunaline summutus) kui ka risti (põiki summutus); mõnikord kasutatakse pikisuunalist-põiki summutamist;
• vaakumi kaarekustutusvõime kasutamine - on teada, et kui lülitatud kontakte ümbritsevate gaaside rõhk langeb teatud väärtuseni, viib vaakumkaitselüliti kaare tõhusa väljasuremiseni (kaartekitavate kandjate puudumise tõttu) .
• kaarekindlama kontaktmaterjali kasutamine;
• suurema ionisatsioonipotentsiaaliga kontaktmaterjali kasutamine;
• kaarvõrkude (automaatlüliti, elektromagnetlüliti) kasutamine. Võretel kaare summutamise põhimõte põhineb katoodilähedase katoodi languse mõju rakendamisel kaares (enamik pingelangust kaares on pingelang katoodil; kaare renn on tegelikult rida sinna sattunud kaare seeriakontaktid).
• kaarrennide kasutamine - sattumine kaarekindlast materjalist, näiteks vilguplastist valmistatud kambrisse, kus on kitsad, kohati siksakilised kanalid, kaar venib, tõmbub kokku ja jahtub intensiivselt kokkupuutel kambri seintega.
• "magnetplahvatuse" kasutamine - kuna kaar on tugevalt ioniseeritud, siis esimeses lähenduses võib seda pidada painduvaks voolujuhiks; Spetsiaalsete (kaarega järjestikku ühendatud) elektromagnetide loomisel võib magnetväli tekitada kaare liikumise, et jaotada soojus ühtlaselt üle kontakti ja juhtida selle kaarerenni või resti. Mõned kaitselülitite konstruktsioonid loovad radiaalse magnetvälja, mis annab kaarele pöördemomendi.
• kontaktide šunteerimine toitepooljuhtvõtme avamise hetkel koos kontaktidega paralleelselt ühendatud türistori või triaciga, peale kontaktide avamist lülitatakse pooljuhtvõti välja hetkel, mil pinge läbib nulli (hübriidkontaktor, türikoon).
.
• sädelahendus- artikkel Suurest Nõukogude Entsüklopeediast.
• Reiser Yu.P. Gaaslahenduse füüsika. - 2. väljaanne - M. : Nauka, 1992. - 536 lk. - ISBN 5-02014615-3.
• Rodshtein L. A. Elektriseadmed, L 1981
• Clerici, Matteo; Hu, Yi; Lassonde, Philippe; Milian, Carles; Couairon, Arnaud; Christodoulides, Demetrios N.; Chen, Zhigang; Razzari, Luca; Vidal, Francois (2015-06-01). "Elektrilahenduste laseri abil juhtimine objektide ümber". Teaduse edusammud 1(5): e1400111. Bibkood: 2015SciA….1E0111C. doi:10.1126/sciadv.1400111. ISSN 2375-2548.