У процесі експлуатації електричні ланцюги постійно замикаються та розмикаються. Давно помічено, що на момент розмикання між контактами утворюється електрична дуга. Для її появи цілком достатньо напруги понад 10 вольт та сили струму - понад 0,1 ампер. При вищих значеннях струму та напруги внутрішня температура дуги нерідко сягає 3-15 тисяч градусів. Це стає основною причиною розплавлених контактів та струмовідних частин.
Якщо ж напруга становить 110 кіловольт і вище, то довжина дуги може досягти довжини більше одного метра. Подібна дуга становить серйозну небезпеку для осіб, які працюють з потужними силовими установками, тому потрібне її максимальне обмеження та швидке гасіння в будь-яких ланцюгах, незалежно від величини напруги.
Найбільш характерним прикладом є електрична зварювальна дуга, що виявляється у вигляді тривалого електричного розряду в плазмі. У свою чергу плазма – це змішані між собою іонізовані гази та пари складових захисної атмосфери, основного та присадного металу.
Таким чином, електрична дуга - це горіння електричного розряду між двома електродами, розташованими в горизонтальній площині. Під дією нагрітих газів, які прагнуть верху, цей розряд згинається і стає видно як дуга або арка.
Ці властивості дозволили використовувати дугу на практиці як газовий провідник, за допомогою якого електрична енергіяперетворюється на теплову, створюючи високу інтенсивність нагріву. Цей процес може порівняно легко керуватися електричними параметрами, що змінюються.
За звичайних умов гази не проводять струм. Однак, якщо виникають сприятливі умови, вони можуть бути іонізовані. Їхні атоми чи молекули стають позитивними чи негативними іонами. Під дією високої температури та зовнішнього електричного поляз високою напруженістю гази змінюються і переходять у стан плазми, що має всі властивості провідника.
Вимкнення елементів електричного ланцюгаповинне проводитися дуже обережно, без пошкоджень комутаційної апаратури. Тільки розмикання контактів буде недостатньо, потрібно правильно погасити дугу, що виникає між ними.
Процеси горіння та гасіння дуги суттєво різняться між собою залежно від використання у мережі. Якщо з постійним струмом немає особливих проблем, то за наявності змінного струмуслід враховувати низку факторів. Насамперед струм дуги проходить нульову позначку на кожному напівперіоді. У цей момент припиняється виділення енергії, в результаті дуга мимоволі згасає, і знову спалахує. Насправді струм наближається до нуля ще до переходу через нульову позначку. Це пов'язано зі зниженням струму та зменшенням енергії, що підводиться до дуги.
Відповідно знижується її температура, що викликає припинення термічної іонізації. У самому проміжку дуги відбувається інтенсивна деіонізація. Якщо в цей момент зробити швидке розмикання та розведення контактів, то пробою може і не трапитись, ланцюг відключиться без появи дуги.
Насправді створити подібні ідеальні умови дуже складно. У зв'язку з цим було розроблено спеціальні заходи щодо прискореного гасіння дуги. Різні технічне рішеннядозволяють швидко охолодити дуговий проміжок та знизити кількість заряджених частинок. В результаті, настає поступове збільшення електричної міцності даного проміжку та одночасне зростання на ньому напруги, що відновлює.
Обидві величини залежать між собою і впливають на запалення дуги в черговому напівперіоді. Якщо електрична міцність перевищить напругу, що відновлює, то дуга вже не загориться. В іншому випадку вона стійко горітиме.
Досить часто використовується метод подовження дуги, коли в процесі розходження контактів при відключенні ланцюга відбувається його розтягування (рис.1). За рахунок збільшення поверхні умови охолодження суттєво покращуються, а для підтримки горіння потрібно більше значеннянапруги.
1.
В іншому випадку загальна електрична дуга поділяється на окремі короткі дуги (рис.2). Для цього можуть використовуватися спеціальні металеві грати. У її пластинах під дією наводиться електромагнітне поле, що затягує дугу для поділу. Цей спосібшироко застосовується в комутаційної апаратуринапругою менше 1 кВ. Типовим прикладом є повітряні автоматичні вимикачі.
2.
Досить ефективним вважається гасіння в невеликих обсягах, тобто всередині дугогасних камер. У цих пристроях є поздовжні щілини, що збігаються по осях з напрямком дуги. В результаті зіткнення з холодними поверхнями дуга починає інтенсивно охолоджуватися, активно виділяючи заряджені частинки в навколишнє середовище.
Використання високого тиску. І тут температура залишається незмінною, тиск зростає, а іонізація зменшується. У таких умовах дуга посилено охолоджується. Для створення високого тиску використовуються камери, що щільно закриваються. Спосіб особливо ефективний для плавких запобіжників та іншої апаратури.
Гасіння дуги може відбуватися за допомогою олії, куди поміщаються контакти. При їх розмиканні з'являється дуга, під дією якої олія починає активно випаровуватися. Вона виявляється покрита газовим міхуром або оболонкою, що складається на 70-80% з водню та масляної пари. Під впливом газів, що потрапляють прямо в зону стовбура, холодний і гарячий газ усередині міхура перемішується, інтенсивно охолоджуючи дуговий проміжок.
Гасіння електричної дуги може виконуватися за рахунок зростання її опору. Воно поступово зростає, а струм знижується до значення, недостатнього підтримки горіння. Основним недоліком даного методу вважається тривалий час гасіння, протягом якого в дузі розсіюється велика кількістьенергії.
Збільшення опору дуги досягається різними способами:
У ланцюгах із змінною напругою для гасіння дуги використовується метод нульового струму. В цьому випадку опір зберігається на низькому рівні, поки значення струму не знизиться до нуля. В результаті, гасіння відбувається природним шляхом, А запалення не повторюється знову, хоча напруга на контактах може збільшитися. Падіння до нульової позначки відбувається наприкінці кожного напівперіоду і дуга гасне на короткий час. Якщо збільшити діелектричну міцність проміжку між контактами, то дуга так і залишиться згаслою.
Руйнівний вплив дуги становить серйозну небезпеку не тільки для обладнання, але і для людей, що працюють. За несприятливого збігу обставин можна отримати серйозні опіки. Іноді поразка дугою закінчується летальним кінцем.
Як правило, електрична дуга виникає в момент випадкового контакту з струмопровідними частинами або провідниками. Під впливом струму короткого замикання плавляться дроти, іонізується повітря, створюються інші сприятливі умови освіти плазмового каналу.
В даний час в галузі електротехніки вдалося досягти суттєвих позитивних результатів за допомогою сучасних захисних засобів, розроблені проти електричної дуги.
Електрична дуга – це потужний, довго існуючий між електродами, що знаходяться під напругою, електричний розряд у сильно іонізованій суміші газів і пар. Характеризується високою температуроюгазів та великим струмом у зоні розряду.
Електроди підключаються до джерел змінного (зварювальний трансформатор) або постійного струму (зварювальний генератор або випрямляч) за прямої та зворотної полярності.
При зварюванні постійним струмом електрод приєднаний до позитивного полюса називається анодом, а негативного - катодом. Проміжок між електродами називається областю дугового проміжку або дуговим проміжком (рисунок 3.4). Дуговий проміжок зазвичай поділяють на 3 характерні області:
Будь-яке запалення дуги починається з короткого замикання, тобто. із замикання електрода з виробом. При цьому U д = 0, а струм I max = I кор. У місці замикання утворюється катодна пляма, яка є неодмінною (необхідною) умовою існування дугового розряду. Рідкий метал, що утворюється, при відведенні електрода розтягується, перегрівається і температура досягає, до температури кипіння - збуджується (запалюється) дуга.
Запалювання дуги можна проводити без дотику електродів з допомогою іонізації, тобто. пробою діелектричного повітряного (газового) проміжку за рахунок підвищення напруги осциляторами (аргонодугове зварювання).
Дуговий проміжок є діелектричним середовищем, яке необхідно іонізувати.
Для існування дугового розряду достатньо Uд = 16÷60 В. Проходження електричного струмучерез повітряний (дуговий) проміжок можливе лише за наявності в ньому електронів (елементарних негативних частинок) та іонів: позитивні (+) іони – всі молекули та атоми елементів (легше утворюють метали Ме); негативні (–) іони – легше утворюють F, Cr, N 2 , O 2 та інші елементи, що володіють спорідненістю до електронів е.
Рисунок 3.4 – Схема горіння дуги
Катодна область дуги є джерелом електронів, що іонізують гази в дуговому проміжку. Електрони, що виділилися з катода, прискорюються електричним полем і віддаляються від катода. Одночасно під впливом цього поля до катода прямують +іони:
U д = U до + U з + U а;
Анодна область має значно більший обсяг U a< U к.
Стовп дуги - основна частка дугового проміжку є сумішшю електронів, + і - іонів і нейтральних атомів (молекул). Стовп дуги нейтральний:
∑зар.відр. = ∑зарядів поклад.частинок.
Енергія підтримки стаціонарної дуги надходить від джерела живлення ІП.
Різна температура, розмірів анодних та катодних зон та різна кількістьтепла, що виділяється – обумовлює існування при зварюванні на постійному струмі прямої та зворотної полярності:
Q a > Q до; U a< U к.
ЛЕКЦІЯ 5
ЕЛЕКТРИЧНА ДУГА
Виникнення та фізичні процесиу електричній дузі. Розмикання електричного ланцюга при значних струмах і напругах супроводжується електричним розрядом між контактами, що розходяться. Повітряний проміжок між контактами іонізується і стає провідним, у ньому горить дуга. Процес відключення полягає у деіонізації повітряного проміжку між контактами, тобто у припиненні електричного розряду та відновлення діелектричних властивостей. При особливих умовах: малих струмах і напругах, розрив ланцюга змінного струму в момент переходу струму через нуль, може статися без електричного розряду. Таке відключення називається безвикривним розривом.
Залежність падіння напруги на розрядному проміжку струму електричного розряду в газах наведено на рис. 1.
Електрична дуга супроводжується високою температурою. Тому дуга – явище як електричне, а й теплове. У звичайних умовах повітря є хорошим ізолятором. Для пробою 1см повітряного проміжку потрібна напруга 30кВ. Щоб повітряний проміжок став провідником, необхідно створити у ньому певну концентрацію заряджених частинок: вільних електронів та позитивних іонів. Процес відокремлення від нейтральної частки електронів та утворення вільних електронів та позитивно заряджених іонів називається іонізацією. Іонізація газу відбувається під дією високої температури та електричного поля. Для дугових процесів в електричних апаратах найбільше значеннямають процеси у електродів (термоелектронна та автоелектронна емісії) та процеси в дуговому проміжку (термічна та ударна іонізація).
Термоелектронною емісією називається випромінювання електронів з розжареної поверхні. При розбіжності контактів різко зростають перехідний опір контакту та щільність струму у майданчику контактування. Майданчик розігрівається, розплавляється та утворюється контактний перешийок із розплавленого металу. Перешийок при подальшому розбіжності контактів розривається та відбувається випаровування металу контактів. На негативному електроді утворюється розпечена площадка (катодна пляма), яка служить основою дуги та осередком випромінювання електронів. Термоелектронна емісія є причиною виникнення електричної дуги під час розмикання контактів. Щільність струму термоелектронної емісії залежить від температури та матеріалу електрода.
Автоелектронною емісією називається явище випромінювання електронів з катода під впливом сильного електричного поля. При розімкнених контактах до них додана напруга мережі. При замиканні контактів у міру наближення рухомого контакту до нерухомого зростає напруженість електричного поля між контактами. При критичну відстань між контактами напруженість поля досягає 1000 кВ/мм. Такої напруженості електричного поля достатньо виривання електронів з холодного катода. Струм автоелектронної емісії малий служить лише початком дугового розряду.
Таким чином, виникнення дугового розряду на контактах, що розходяться, пояснюється наявністю термоелектронної та автоелектронної емісій. Виникнення електричної дуги при замиканні контактів відбувається через автоелектронну емісію.
Ударною іонізацією називається виникнення вільних електронів та позитивних іонів при зіткненні електронів з нейтральною часткою. Вільний електрон розбиває нейтральну частинку. В результаті вийдуть новий вільний електрон та позитивний іон. Новий електрон, своєю чергою, іонізує наступну частинку. Щоб електрон міг іонізувати частку газу, він має рухатися з певною швидкістю. Швидкість електрона залежить від різниці потенціалів на довжині вільного пробігу. Тому зазвичай вказується не швидкість руху електрона, а мінімальну різницю потенціалів на довжині вільного шляху, щоб електрон придбав необхідну швидкість. Ця різниця потенціалів називається потенціал іонізації. Потенціал іонізації газової суміші визначається найнижчим з потенціалів іонізації компонентів, що входять в газову суміш, і мало залежить від концентрації компонентів. Потенціал іонізації для газів становить 13÷16В (азот, кисень, водень), для парів металу приблизно вдвічі нижче: 7,7В для парів міді.
Термічна іонізація відбувається під впливом високої температури. Температура стовбура дуги досягає 4000÷7000 К, а іноді 15000 К. При такій температурі різко зростає кількість і швидкість частинок газу, що рухаються. При зіткненні атоми та молекули руйнуються, утворюючи заряджені частинки. Основною характеристикою термічної іонізації є ступінь іонізації, що є відношенням числа іонізованих атомів до загального числа атомів у дуговому проміжку. Підтримка дугового розряду, що виникло, достатнім числом вільних зарядів забезпечується термічною іонізацією.
Поруч із процесами іонізації у дузі відбуваються зворотні процеси деіонізації– возз'єднання заряджених частинок та утворення нейтральних молекул. При виникненні дуги переважають процеси іонізації, в дузі, що стійко горить, процеси іонізації і деіонізації однаково інтенсивні, при переважанні процесів деіонізації дуга гасне.
Деіонізація відбувається головним чином за рахунок рекомбінації та дифузії. Рекомбінацією називається процес, при якому по-різному заряджені частинки, приходячи в дотик, утворюють нейтральні частки. Дифузія заряджених частинок є процес винесення заряджених частинок з дугового проміжку в навколишній простір, що зменшує провідність дуги. Дифузія обумовлена як електричними, і тепловими чинниками. Щільність зарядів у стволі дуги зростає від периферії до центру. Через це створюється електричне поле, що змушує іони рухатися від центру до периферії та залишати область дуги. У цьому напрямі діє і різниця температур стовбура дуги і навколишнього простору. У стабілізованій дузі, що вільно горить, дифузія відіграє незначну роль. У дузі, що обдувається стисненим повітрям, а також у відкритій дузі, що швидко рухається, деіонізація за рахунок дифузії може за значенням бути близькою до рекомбінації. У дузі, що горить у вузькій щілині або закритій камері, деіонізація відбувається за рахунок рекомбінації.
ПАДІННЯ НАПРУГИ НА ЕЛЕКТРИЧНІЙ ДУГІ
Падіння напруги вздовж стаціонарної дуги розподіляється нерівномірно. Картина зміни падіння напруги U дта поздовжнього градієнта напруги (падіння напруги на одиницю довжини дуги) Е двздовж дуги наведено на рис. 2.
|
Хід характеристик U ді Е дв приелектродних областях різко відрізняється від перебігу показників на решті дуги. У електродів, у прикатодній та прианодній областях, на проміжку порядку 10 -3 мм має місце різке падіння напруги, зване прикатодним U дота прианодним U а . У прикатоднийобласті утворюється дефіцит електронів через високу їх рухливість. У цій галузі утворюється об'ємний позитивний заряд, який зумовлює різницю потенціалів U до, близько 10÷20В. Напруженість поля в області прикатодної досягає 10 5 В/см і забезпечує вихід електронів з катода за рахунок автоелектронної емісії. |
Крім того, напруга у катода забезпечує виділення необхідної енергії для підігріву катода та забезпечення термоелектронної емісії. Мал. 2. Розподіл напруги на |
У стаціонарної дуги постійного струмуприанодний U а. Електрони, що прямують до анода, прискорюються і вибивають з анода вторинні електрони, які існують поблизу анода.
Сумарне значення прианодного та прикатодного падінь напруги називають приелектродним падінням напруги: 
та становить 20-30В.
В іншій частині дуги, званої стовбуром дуги, падіння напруги U дпрямо пропорційно довжині дуги:
,
де E СТ- Поздовжній градієнт напруги в стовбурі дуги, l СТ- Довжина стовбура дуги.
Градієнт тут постійний вздовж стовбура. Він залежить від багатьох факторів і може змінюватись у широких межах, досягаючи 100÷200 В/см.
Таким чином, падіння напруги на дуговому проміжку:
СТІЙКІСТЬ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ДУГИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ
Щоб погасити електричну дугу постійного струму, необхідно створити умови, за яких у дуговому проміжку процеси деіонізації перевершували б процеси іонізації при всіх значеннях струму.
|
Для ланцюга (рис. 3), що містить опір R,
індуктивність L, дуговий проміжок з падінням напруги U д, джерело постійного струму напругою U,
у перехідному режимі (
де При дузі, що стійко горить (стаціонарний стан
Для згасання дуги необхідно, щоб струм у ній постійно зменшувався. Це означає, що
Графічне рішеннярівняння (3) наведено на рис. 4. Пряма 1 – напруга джерела U,пряма 2 - падіння напруги в опорі (реостатна характеристика), крива 3 - ВАХ дугового проміжку U д . |
|
У точках аі бсправедливе рівняння (2), значить 
. Тут має місце рівноважний стан. У точці арівновага нестійка, у точці бстійке.
При струмах 
,
напруга 
,
a 
, і якщо з якоїсь причини струм поменшає I а ,
то він упаде до нуля – дуга згасне.
Якщо ж з якоїсь причини струм стане дещо більшим I а, то буде 
,
в ланцюгу як би виявиться «надлишкова» напруга, яка призведе до зростання струму до значення I б .
За будь-якого значення I а
< i
< I б
струм у дузі зростатиме до значення I б .
Між точками аі бвеличина 
. Зростання струму в ланцюзі супроводжується накопиченням електромагнітної енергії.
При струмі 
знову виявляється 
,
а 
, тобто для підтримки такого значення струму напруга Uнедостатньо. Струм у ланцюгу падатиме до значення I б. Дуга у цій точці горітиме стійко.
Для згасання дуги необхідно, щоб за будь-якого значення струму дотримувалася умова (3), тобто ВАХ дуги повинна лежати вище характеристики 
(Мал. 5) на всьому своєму протязі і не мати з цією характеристикою жодної точки дотику.
Способи гасіння електричної дуги… Тема актуальна та цікава. Тож почнемо. Запитуємо: Що таке електрична дуга? Як її контролювати? Які процеси відбуваються за її освіті? Із чого вона складається? І як виглядає.
Електрична дуга (Вольтова дуга, Дуговий розряд) - фізичне явище, один із видів електричного розряду в газі. Вперше було описано 1802 року російським ученим В.В.Петровим.
Електрична дугає окремим випадком четвертої форми стану речовини - плазми - і складається з іонізованого, електрично квазінейтрального газу. Присутність вільних електричних зарядівзабезпечує провідність електричної дуги.
При збільшенні напруги між двома електродами до певного рівня повітря між електродами виникає електричний пробою. Напруга електричного пробою залежить від відстані між електродами та ін. Часто для ініціювання пробою при наявній напрузі електроди наближають один до одного. Під час пробою між електродами зазвичай виникає іскровий розряд, імпульсно замикаючи електричний ланцюг.
Електрони в іскрових розрядах іонізують молекули повітряному проміжку між електродами. При достатній потужності джерела напруги, у повітряному проміжку утворюється достатня кількість плазми для того, щоб напруга пробою (або опір повітряного проміжку) у цьому місці значно впала. При цьому іскрові розряди перетворюються на дуговий розряд - плазмовий шнур між електродами, що є плазмовим тунелем. Ця дуга є по суті провідником і замикає електричний ланцюг між електродами, середній струм збільшується ще більше нагріваючи дугу до 5000-50000 K. При цьому вважається, що підпал дуги завершений.
Взаємодія електродів з плазмою дуги призводить до їх нагрівання, часткового розплавлення, випаровування, окислення та інших видів корозії. Електрична зварювальна дуга є потужним електричним розрядом, що протікає в газовому середовищі. Дуговий розряд характеризується двома основними особливостями: виділенням значної кількості тепла та сильним світловим ефектом. Температура звичайної зварювальної дуги близько 6000°С.
Світло дуги сліпуче яскраве і використовується в різних освітлювальних пристроях. Дуга випромінює велику кількість видимих та невидимих теплових (інфрачервоних) та хімічних (ультрафіолетових) променів. Невидимі промені викликають запалення очей і обпалюють шкіру людини, тому для захисту від них зварювальники застосовують спеціальні щитки та спецодяг.
Залежно від середовища, в якому відбувається дуговий розряд, розрізняють такі зварювальні дуги:
1. Відкрита дуга. Горить у повітрі. Склад газового середовища зони дуги - повітря з домішкою парів металу, що зварюється, матеріалу електродів і електродних покриттів.
2. Закрита дуга. Світиться під шаром флюсу. Склад газового середовища зони дуги - пари основного металу, матеріалу електрода та захисного флюсу.
3. Дуга із подачею захисних газів. У дугу подаються. під тиском різні гази - гелій, аргон, вуглекислий газ, водень, світильний газ та різні суміші газів. Склад газового середовища у зоні дуги - атмосфера захисного газу, пари матеріалу електрода та основного металу.
Живлення дуги може здійснюватися від джерел постійного чи змінного струму. У разі живлення постійним струмом розрізняють дугу прямої полярності (мінус джерела живлення на електроді плюс - на основному металі) і зворотної полярності (мінус на основному металі плюс на електроді). Залежно від матеріалу електродів дуги розрізняють з плавким (металевим) та неплавким (вугільним, вольфрамовим, керамічним та ін) електродами.
При зварюванні дуги може бути прямої дії (основний метал бере участь в електричному ланцюзі дуги) і непрямої дії (основний метал не бере участі в електричному ланцюзі дуги). Дуга непрямого впливу застосовується порівняно мало.
Щільність струму в зварювальній дузі може бути різною. Застосовуються дуги з нормальною щільністю струму - 10-20 а/мм2 (звичайне ручне зварювання, зварювання в деяких захисних газах) і з великою щільністю струму - 80-120 а/мм2 і більше (автоматичне, напівавтоматичне зварювання під флюсом, серед захисних газів).
Виникнення дугового розряду можливе лише у випадку, коли газовий стовп між електродом та основним металом буде іонізований, тобто міститиме іони та електрони. Це досягається тим, що газової молекули або атома повідомляється відповідна енергія, звана енергією іонізації, внаслідок чого з атомів і молекул виділяються електрони. Середовище дугового розряду можна уявити газовим провідником електричного струму, що має круглоциліндричну форму. Складається дуга із трьох областей - катодна область, стовп дуги, анодна область.
Під час горіння дуги на електроді та основному металі спостерігаються активні плями, які являють собою нагріті ділянки на поверхні електрода та основного металу; через ці плями проходить весь струм дуги. На катоді пляма називається катодна, на аноді - анодна. Переріз середньої частини стовпа дуги кілька більше розмірівкатодної та анодної плям. Його розмір залежить від розмірів активних плям.
Напруга дуги змінюється залежно від густини струму. Ця залежність, зображена графічно, називається статичною характеристикою дуги. При малих значеннях щільності струму статична характеристика має характер, що падає, тобто напруга дуги зменшується в міру збільшення струму. Це зумовлено тим, що зі збільшенням струму площа перерізу стовпа дуги та електропровідність збільшуються, а щільність струму та градієнт потенціалу у стовпі дуги зменшуються. Величина катодного та анодного падінь напруги дуги не змінюється від величини струму і залежить тільки від матеріалу електрода, основного металу, газового середовища та тиску газу в зоні дуги.
При щільності струму зварювальної дуги звичайних режимів, що застосовуються при ручне зварювання, Напруга дуги не залежить від величини струму, так як площа перерізу стовпа дуги збільшується пропорційно струму, а електропровідність змінюється дуже мало, і щільність струму в стовпі дуги практично залишається постійною. При цьому величина катодного та анодного падінь напруг залишається незмінною. У дузі великої щільності струму зі збільшенням сили струму катодна пляма і переріз стовпа дуги що неспроможні збільшуватися, хоча щільність струму зростає пропорційно силі струму. При цьому температура та електропровідність стовпа дуги дещо підвищуються.
Напруга електричного поля та градієнт потенціалу стовпа дуги зростатимуть зі збільшенням сили струму. Катодне падіння напруги збільшується, внаслідок чого статична характеристика носитиме зростаючий характер, тобто напруга дуги зі збільшенням струму дуги зростатиме. Зростаюча статична характеристика є особливістю дуги високої щільності струму різних газових середовищах. Статичні характеристики відносяться до стаціонарного стану дуги, що встановився, при незмінній її довжині.
Стійкий процес горіння дуги при зварюванні може відбуватися за дотримання певних умов. На стійкість процесу горіння дуги впливає низка чинників; напруга холостого ходу джерела живлення дуги, рід струму, величина струму, полярність, наявність індуктивності ланцюга дуги, наявність ємності, частота струму та ін.
Сприяють поліпшенню стійкості дуги збільшення струму, напруги холостого ходу джерела живлення дуги, включення індуктивності в ланцюг дуги, збільшення частоти струму (при живленні змінним струмом) та інших умов. Стійкість може бути також суттєво покращена за рахунок застосування спеціальних електродних обмазок, флюсів, захисних газів та інших технологічних факторів.
гасіння електрична дуга зварювальний
У книзі «Известие про гальвані-вольтівські досліди у вигляді величезної батареї, що складалася іноді з 4200 мідних і цинкових гуртків» (Санкт-Петербург, 1803). Електрична дуга є окремим випадком четвертої форми стану речовини - плазми - і складається з іонізованого, електрично квазінейтрального газу. Присутність вільних електричних зарядів забезпечує провідність електричної дуги.
Електрична дуга між двома електродами в повітрі при атмосферному тиску утворюється так:
При збільшенні напруги між двома електродами до певного рівня повітря між електродами виникає електричний пробою . Напруга електричного пробою залежить від відстані між електродами та інших факторів. Потенціал іонізації першого електрона атомів металів становить приблизно 4,5 - 5, а напруга дугоутворення - в два рази більше (9 - 10 В). Потрібно витратити енергію на вихід електрона з атома металу одного електрода та на іонізацію атома другого електрода. Процес призводить до утворення плазми між електродами та горіння дуги (для порівняння: мінімальна напруга для утворення іскрового розряду трохи перевищує потенціал виходу електрона – до 6 В).
Для ініціювання пробою при напругі електроди наближають один до одного. Під час пробою між електродами зазвичай виникає іскровий розряд, імпульсно замикаючи електричний ланцюг. Електрони в іскрових розрядах іонізують молекули повітряному проміжку між електродами. При достатній потужності джерела напруги повітряному проміжку утворюється достатню кількість плазми для значного падіння напруги пробою або опору повітряного проміжку. При цьому іскрові розряди перетворюються на дуговий розряд - плазмовий шнур між електродами, що є плазмовим тунелем. Виникаюча дуга є, по суті, провідником і замикає електричний ланцюг між електродами. В результаті середній струм збільшується ще більше, нагріваючи дугу до 5000-50000. При цьому вважається, що підпал дуги завершено. Після підпалу стійке горіння дуги забезпечується термоелектронною емісією з катода, що розігрівається струмом та іонним бомбардуванням.
Після підпалу дуга може залишатися стійкою під час розведення електричних контактівдо певної відстані.
Взаємодія електродів з плазмою дуги призводить до їх нагрівання, часткового розплавлення, випаровування, окислення та інших видів корозії.
При експлуатації високовольтних електроустановок, в яких при комутації електричного ланцюга неминуче поява електричної дуги, боротьба з нею здійснюється за допомогою електромагнітних котушок, поєднаних із дугогасними камерами. Серед інших способів відомі використання вакуумних, повітряних, елегазових і масляних вимикачів, а також методи відведення струму на тимчасове навантаження, що самостійно розриває електричний ланцюг.
Електрична дуга складається з катодної та анодної областей, стовпа дуги, перехідних областей. Товщина анодної області становить 0,001 мм, катодної області – близько 0,0001 мм.
Температура в анодній області при зварюванні електродом, що плавиться, становить близько 2500 ... 4000 ° С, температура в стовпі дуги - від 7 000 до 18 000 ° С, в області катода - 9000 - 12000 ° С.
Стовп дуги електрично нейтральний. У будь-якому його перерізі є однакова кількість заряджених частинок протилежних знаків. Падіння напруги в стовпі дуги пропорційне його довжині.
Зварювальні дуги класифікують за:
При виникненні зовнішнього обурення - зміни напруги мережі, швидкості подачі дроту та ін - виникає порушення в рівновазі, що встановилася між швидкістю подачі і швидкістю плавлення. При збільшенні довжини дуги в ланцюзі зменшуються зварювальний струм і швидкість плавлення електродного дроту, а швидкість подачі, залишаючись постійною, стає більшою за швидкість плавлення, що призводить до відновлення довжини дуги. При зменшенні довжини дуги швидкість плавлення дроту стає більшою за швидкість подачі, це призводить до відновлення нормальної довжини дуги .
На ефективність процесу саморегулювання дуги значно впливає форма вольт-амперної характеристики джерела живлення. Велика швидкодія коливання довжини дуги відпрацьовується автоматично при жорстких ланцюгах ВАХ.
Електрична дуга використовується при електрозварюванні металів, для виплавки сталі (дугова сталеплавильна піч) та у освітленні (у дугових лампах). Іноді використовують властивість нелінійної вольт-амперної характеристики дуги (див. Автомат гасіння поля).
У ряді пристроїв явище електричної дуги є шкідливим. Це, в першу чергу, контактні комутаційні пристрої, що використовуються в електропостачанні та електроприводі: високовольтні вимикачі, автоматичні вимикачі, контактори, секційні ізолятори на контактній мережі електрифікованих залізницьта міського електротранспорту. При відключенні навантажень вищевказаними апаратами, між контактами, що розмикаються, виникає дуга.
Механізм виникнення дуги в даному випадкунаступний:
Для мінімального пошкодження контактів необхідно погасити дугу в мінімальний час, докладаючи всіх зусиль щодо недопущення знаходження дуги на одному місці (при русі дуги, теплота, що виділяється в ній, буде рівномірно розподілятися по тілу контакту).
Для виконання вищезгаданих вимог застосовуються такі методи боротьби з дугою:
) справедливе рівняння Кірхгофа:
,
(1)
- Падіння напруги на індуктивності при зміні струму.
) вираз (1) набуває вигляду:
.
(2)
:
.
(3)
