Электрическая дуга строение. Электрическая дуга (вольтова дуга, дуговой разряд)

Электрическая дуга – это мощный, длительно существующий между находящимися под напряжением электродами, электрический разряд в сильно ионизированной смеси газов и паров. Характеризуется высокой температурой газов и большим током в зоне разряда.

Электроды подключаются к источникам переменного (сварочный трансформатор) или постоянного тока (сварочный генератор или выпрямитель) при прямой и обратной полярности.

При сварке постоянным током электрод подсоединенный к положительному полюсу называется анодом, а к отрицательному – катодом. Промежуток между электродами называется областью дугового промежутка или дуговым промежутком (рисунок 3.4). Дуговой промежуток обычно разделяют на 3 характерные области:

1. анодная область, примыкающая к аноду;
2. катодная область;
3. столб дуги.

Любое зажигание дуги начинается с короткого замыкания, т.е. с замыкания электрода с изделием. При этом U д = 0, а ток I max = I кор.замык. В месте замыкания появляется катодное пятно, которое является непременным (необходимым) условием существования дугового разряда. Образующийся жидкий металл при отводе электрода растягивается, перегревается и температура достигает, до температуры кипения – возбуждается (зажигается) дуга.

Зажигание дуги можно производить и без соприкосновения электродов за счет ионизации, т.е. пробоя диэлектрического воздушного (газового) промежутка за счет повышения напряжения осцилляторами (аргонодуговая сварка).

Дуговой промежуток является диэлектрической средой, которое необходимо ионизировать.

Для существования дугового разряда достаточно U д = 16÷60 В. Прохождение электрического тока через воздушный (дуговой) промежуток возможно только при наличии в нем электронов (элементарных отрицательных частиц) и ионов: положительные (+) ионы – все молекулы и атомы элементов (легче образуют металлы Ме); отрицательные (–) ионы – легче образуют F, Cr, N 2 , O 2 и другие элементы обладающие сродством к электронам е.

Рисунок 3.4 – Схема горения дуги

Катодная область дуги является источником электронов, ионизирующих газы в дуговом промежутке. Электроны выделившиеся из катода ускоряются электрическим полем и удаляются от катода. Одновременно под воздействием этого поля к катоду направляются +ионы:

U д = U к + U с + U а;

Анодная область имеет значительно больший объем U a < U к.

Столб дуги – основная доля дугового промежутка представляет смесь электронов, + и – ионов и нейтральных атомов (молекул). Столб дуги нейтрален:

∑зар.отр. = ∑зарядов положит.частиц.

Энергия для поддержания стационарной дуги поступает от источника питания ИП.

Разная температура, размеров анодных и катодных зон и разное количество тепла выделяющейся – обуславливает существование при сварке на постоянном токе прямой и обратной полярности:

Q a > Q к; U a < U к.

• при требовании большого количества тепла для прогрева кромок больших толщин металла применяется прямая полярность (например, при наплавке);
• при тонкостенных и не допускающих перегрева свариваемых металлов обратная полярность (+ на электроде).

Дуговая сварка, будь то ручная или механизированная, осуществляется благодаря электрической дуге, которая, по сути, является электроразрядом. Сварочная электрическая дуга характеризуется выделением большого количества тепла и света. Отметим, что температура дуги может достигать до 6 000 градусов по Цельсию.

Стоит обратить внимание на то, что выделяемые дугой свет и тепло может нанести вред здоровью человека. Поэтому все сварочные работы методом дуговой сварки осуществляются исключительно в спецодежде и в маске или очках, защищающих глаза сварщика.

Сварочная электрическая дуга не всегда одинакова, существуют несколько ее видов, которые зависят от среды, где проводятся сварочные работы, от металлоизделия и прочих факторов.

Виды сварочной электрической дуги.

Если говорить о зависимости среды и дуги, то можно выделить такие виды электрического разряда:

• Открытая электродуга. Сваривание металлоизделия производится на открытом воздухе, без использования специальных газов для защиты. Дуга горит в среде, которую образуют окружающий воздух и пары, появляющиеся в ходе сваривания металлоизделия, плавления электрода либо проволоки, их покрытий.
• Закрытая электродуга. Этот вид дуги образовывается при сварке под флюсом. Защищает дугу при сваривании газовая смесь, которая образовывается в результате смешивания паров от свариваемого металлоизделия, плавящегося электрода и, собственно, флюса.
• Дуга в среде защитных газов. В данном случае речь идет о сварке в среде, так называемых, защитных газов: инертных либо активных, (используются как чистые газы, так и их смеси). В результате сваривания образовывается газовая среда, состоящая из защитного газа, паров металла и электрода.

Электропитание для сварочной электродуги.

Сварочная дуга образовывается когда подается электрический ток. Отметим, что питаться дуга может как от источников с переменным током, так и с постоянным током. Разные источники питания дают разные виды дуг.

При использовании постоянного тока можно получить дугу двух видов: сварщики используют как дугу прямой полярности, так и обратной. Разница этих двух видов заключается в подключении питания. Так, при прямой полярности подается минус непосредственно на электрод, а плюс на металлоизделие, которое будет свариваться. При обратной полярности подключение происходит наоборот: плюс подается на электрод, тогда как минус на свариваемое металлоизделие.

Отметим также, что свариваемое металлоизделие иногда не включается в электрическую цепь. В таких случаях говорят о том, что используется дуга косвенного действия, то есть ток подается только на электрод. Если же к источнику питания подключают и электрод, и металлоизделие, то в этом случае говорят о дуге прямого действия. Стоит заметить, что чаще всего применяется именно эта электродуга, Дугу косвенного действия сварщики используют крайне редко.

Значения плотности тока для сварочной дуги.

При сваривании металлоизделий электрической дугой большую роль играет и показатель плотности тока. В режиме обычной ручной дуговой сварки плотность тока стандартная, а именно 10-20 А/мм 2 . Это же значение сварщики выставляют и при сваривании в среде определенных газов. Большая плотность тока, а именно 80-120 А/мм 2 , а также выше, используется при полуавтоматической или других видах сварки, осуществляемой под защитой газов или флюса.

Плотность тока влияет на напряжение дуги. Эту зависимость принято называть статической характеристикой дуги (она изображается графически). Отметим, что если плотность тока небольшая, то эта характеристика бывает падающей: то есть происходит падение напряжения, когда ток, наоборот, увеличивается. Такое явление обуславливается тем, что при увеличении значения тока проводимость электричества возрастает, так же как и площадь сечения столба дуги, тогда как плотность тока уменьшается.

Когда используется обычная для ручной сварки плотность тока, то напряжение теряет зависимость от величины тока. При этом площадь столба растет пропорционально току. Отметим также, что электропроводность практически не изменяется, также постоянной остается и плотность тока в столбе.

Как возникает сварочная дуга?

Сварочная дуга возникает только при условии, когда газовый столб, расположенный между металлоизделием и электродом достаточно ионизирован (то есть имеет нужное количество электронов и ионов). Для достижения нормального уровня ионизации молекулам газа передается электроэнергия. В результате этого процесса начинают выделяться электроны. По сути, среда дуги - это газовый проводник тока, он имеет кругло-цилиндрическую форму.

Отметим, что собственно электрическая дуга состоит из 3 составляющих:

• анодной части;
• столба электродуги;
• катодной части.

На показатель устойчивости электродуги в процессе сваривания влияют многие факторы, среди них напряжение холостого хода, род электрического тока, его величина, полярность и прочее. В процессе сварки за всеми этими показателями надо тщательно следить и правильно выставлять режим сварки при разных способах и для разных металлоизделий.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Электрическая дуга и её свойства

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

В процессе эксплуатации электрические цепи постоянно замыкаются и размыкаются. Давно замечено, что в момент размыкания между контактами образуется электрическая дуга. Для ее появления вполне достаточно напряжения более 10 вольт и силы тока - свыше 0,1 ампер. При более высоких значениях тока и напряжения внутренняя температура дуги нередко достигает 3-15 тысяч градусов. Это становится основной причиной расплавленных контактов и токоведущих частей.

Если же напряжение составляет 110 киловольт и выше, в этом случае длина дуги может достичь длины более одного метра. Подобная дуга представляет серьезную опасность для лиц, работающих с мощными силовыми установками, поэтому требуется ее максимальное ограничение и быстрое гашение в любых цепях, независимо от величины напряжения.

Что такое электрическая дуга

Наиболее характерным примером является электрическая сварочная дуга, проявляющаяся в виде продолжительного электрического разряда в плазме. В свою очередь плазма - это смешанные между собой ионизированные газы и пары составляющих защитной атмосферы, основного и присадочного металла.

Таким образом, электрическая дуга это горение электрического разряда между двумя электродами, расположенными в горизонтальной плоскости. Под действием нагретых газов, стремящихся к верху, этот разряд изгибается и становится виден как дуга или арка.

Эти свойства позволили использовать дугу на практике в качестве газового проводника, с помощью которого электрическая энергия преобразуется в тепловую, создавая высокую интенсивность нагрева. Данный процесс может сравнительно легко управляться изменяющимися электрическими параметрами.

В обычных условиях газы не проводят ток. Однако, если возникают благоприятные условия, они могут быть ионизированы. Их атомы или молекулы становятся положительными или отрицательными ионами. Под действием высокой температуры и внешнего электрического поля с высокой напряженностью газы изменяются и переходят в состояние плазмы, обладающей всеми свойствами проводника.

Как образуется сварочная дуга

• Вначале между концом электрода и деталью появляется контакт, затрагивающий обе поверхности.
• Под действием тока с высокой плотностью, частицы поверхностей быстро расплавляются, образуя прослойку жидкого металла. Она постоянно увеличивается в направлении электрода, после чего наступает ее разрыв.
• В этот момент металл очень быстро испаряется и промежуток разряда начинают заполнять ионы и электроны. Приложенное напряжение заставляет их двигаться к аноду и катоду, в результате происходит возбуждение сварочной дуги.
• Начинается процесс термической ионизации, при котором положительные ионы и свободные электроны продолжают концентрироваться, газ дугового промежутка еще более ионизируется и сама дуга становится устойчивой.
• Под ее влиянием металлы заготовки и электрода расплавляются и, находясь в жидком состоянии, смешиваются между собой.
• После остывания, в этом месте образуется сварочный шов.

Гашение электрической дуги в коммутационной аппаратуре

Отключение элементов электрической цепи должно производиться очень осторожно, без повреждений коммутационной аппаратуры. Одного лишь размыкания контактов будет недостаточно, требуется правильно погасить дугу, возникающую между ними.

Процессы горения и гашения дуги существенно различаются между собой в зависимости от использования в сети . Если с постоянным током нет особых проблем, то при наличии переменного тока следует учитывать ряд факторов. Прежде всего, ток дуги проходит нулевую отметку на каждом полупериоде. В этот момент прекращается выделение энергии, в результате дуга самопроизвольно гаснет, и вновь загорается. На практике ток приближается к нулю еще до перехода через нулевую отметку. Это связано со снижением тока и уменьшением энергии, подводимой к дуге.

Соответственно понижается и ее температура, что вызывает прекращение термической ионизации. В самом промежутке дуги происходит интенсивная деионизация. Если в этот момент сделать быстрое размыкание и разводку контактов, то пробоя может и не случиться, цепь отключится без появления дуги.

На практике создать подобные идеальные условия очень сложно. В связи с этим были разработаны специальные мероприятия по ускоренному гашению дуги. Различные технические решения позволяют быстро охладить дуговой промежуток и снизить количество заряженных частиц. В результате, наступает постепенное увеличение электрической прочности данного промежутка и одновременный рост на нем восстанавливающего напряжения.

Обе величины находятся в зависимости между собой и влияют на зажигание дуги в очередном полупериоде. Если электрическая прочность превысит восстанавливающее напряжение, то дуга уже не загорится. В противном случае она будет устойчиво гореть.

Основные способы гашения дуги

Довольно часто используется метод удлинения дуги, когда в процессе расхождения контактов при отключении цепи происходит ее растяжение (рис.1). За счет увеличения поверхности условия охлаждения существенно улучшаются, а для поддержки горения требуется большее значение напряжения.

1.

В другом случае общая электрическая дуга разделяется на отдельные короткие дуги (рис.2). Для этого может использоваться специальная металлическая решетка. В ее пластинах под действием наводится электромагнитное поле, затягивающее дугу для разделения. Данный способ широко применяется в коммутационной аппаратуре напряжением менее 1 кВ. Типичным примером являются воздушные автоматические выключатели.

2.

Довольно эффективным считается гашение в небольших объемах, то есть, внутри дугогасительных камер. В этих устройствах имеются продольные щели, совпадающие по осям с направлением ствола дуги. В результате соприкосновения с холодными поверхностями, дуга начинает интенсивно охлаждаться, активно выделяя заряженные частицы в окружающую среду.

Использование высокого давления. В этом случае температура остается неизменной, давление возрастает, а ионизация уменьшается. В таких условиях дуга усиленно охлаждается. Для создания высокого давления используются плотно закрывающиеся камеры. Способ особенно эффективен для плавких предохранителей и другой аппаратуры.

Гашение дуги может происходить с помощью масла, куда помещаются контакты. При их размыкании появляется дуга, под действием которой масло начинает активно испаряться. Она оказывается покрыта газовым пузырем или оболочкой, состоящей на 70-80% из водорода и масляных паров. Под влиянием выделяемых газов, попадающих прямо в зону ствола, холодный и горячий газ внутри пузыря перемешивается, интенсивно охлаждая дуговой промежуток.

Другие методы гашения

Гашение электрической дуги может выполняться за счет роста ее сопротивления. Оно постепенно возрастает, а ток снижается до значения, недостаточного для поддержания горения. Основным недостатком данного метода считается продолжительное время гашения, в течение которого в дуге рассеивается большое количество энергии.

Увеличение сопротивления дуги достигается разными способами:

• Удлинение дуги, поскольку ее сопротивление находится в прямой пропорциональной зависимости с длиной. Для этого нужно изменить зазор между контактами в сторону увеличения.
• Охлаждение среды между контактами, где расположена дуга. Чаще всего применяется обдув, направляемые вдоль дуги.
• Контакты помещаются в газовую среду с низкой степенью ионизации или в вакуумную камеру. Данный метод используется в газовых и вакуумных выключателях.
• Поперечное сечение дуги можно снизить, пропуская ее через узкое отверстие или уменьшая площадь контактов.

В цепях с переменным напряжением для гашения дуги используется метод нулевого тока. В этом случае сопротивление сохраняется на низком уровне, пока значение тока не снизится до нуля. В результате, гашение происходит естественным путем, а зажигание не повторяется вновь, хотя напряжение на контактах может и увеличиться. Падение до нулевой отметки происходит в конце каждого полупериода и дуга гаснет на короткое время. Если увеличить диэлектрическую прочность промежутка между контактами, то дуга так и останется погасшей.

Последствия действия электрической дуги

Разрушительное воздействие дуги представляет серьезную опасность не только для оборудования, но и для работающих людей. При неблагоприятном стечении обстоятельств можно получить серьезные ожоги. Иногда поражение дугой заканчивается летальным исходом.

Как правило, электрическая дуга возникает в момент случайного контакта с токоведущими частями или проводниками. Под действием тока короткого замыкания плавятся провода, ионизируется воздух, создаются другие благоприятные условия для образования плазменного канала.

В настоящее время в области электротехники удалось добиться существенных положительных результатов с помощью современных защитных средств, разработанных против электрической дуги.