- Что такое электрическая дуга?
- Природа и строение
- Виды сварочной дуги
- Условия горения
- Как возникает электрическая сварочная дуга
- Чем определяется мощность сварочной дуги
- Вольт-амперная характеристика
- Особенности дуги
- Строение
- Свойства
- Полезное применение
- Причины возникновения
- Способы гашения
- Воздействие на человека и электрооборудование
Что такое электрическая дуга?
Это загадочное явление впервые описал русский ученый В. Петров. Он создал электрическую дугу, используя батарею из тысяч медных и цинковых пластин. Изучая процесс зажигания дуги постоянным током, исследователь пришел к выводу, что воздушный зазор между электродами при определенных условиях приобретает электропроводность.
Одним из условий возникновения электрического пробоя является достаточно высокая разность потенциалов на концах электродов. Чем выше напряжение, тем больший газовый зазор может преодолеть разряд. При этом образуется электропроводный газовый столб, сильно нагревающийся при горении дуги.
Рис. 2. Электрическая дуга
Возникает резонный вопрос: «Почему воздух, являющийся в обычном состоянии прекрасным изолятором, вдруг становится проводником?».
Объяснение может быть только одно — в стволе дуги образуются носители заряда, способные двигаться под действием электрического поля. Поскольку в воздухе, в отличие от металлов, нет свободных электронов, напрашивается только один вывод — ионизация газов (см рис. 3). То есть начало процесса насыщения газа ионами, являющимися носителями электрического заряда.
Рис. 3. Физика электрической дуги
Ионизация воздуха происходит под действием различных видов излучений, в том числе рентгеновских и космических лучей. Поэтому в воздухе всегда присутствует небольшое количество ионов. Но так как ионы практически сразу рекомбинируют (превращаются в нейтральные атомы и молекулы), концентрация заряженных частиц всегда мизерна. Получить дугу при такой концентрации невозможно.
Для возникновения дугового разряда необходим лавинообразный процесс ионизации. Это может быть вызвано сильным нагревом газа, происходящим при зажигании.
Когда контакты размыкаются, испускаются электроны, которые скапливаются в очень маленьком пространстве. Под действием напряженности электрического поля отрицательные заряды устремляются к электроду с положительным знаком.
При достижении напряжения пробоя между электродами возникает искровой разряд, который нагревает область между электродами. Если ток достаточно большой, то количества тепла будет достаточно, чтобы начался лавинный процесс ионизации воздуха.
В области, называемой дуговым промежутком, образуется стебель, называемый столбом дуги, состоящий из горячей проводящей плазмы. Через этот стержень протекает ток, поддерживающий нагрев плазмы. Так происходит процесс зажигания дугового разряда.
Насыщение ядра плазмы ионами разных знаков приводит к значительному увеличению плотности тока, а также к рекомбинации части ионов. Плазменный нагрев также приводит к повышению давления в сосуде. Поэтому часть ионов уходит в окружающее пространство.
Если не поддерживать образование новых зарядов, дуга погаснет. Как мы уже выяснили, устойчивому горению сопутствуют 2 фактора: наличие напряжения между электродами и поддержание высокой температуры плазмы. Исключение одного из них приведет к гашению дуги.
Таким образом, мы можем сформулировать определение электрической дуги. Электрическая дуга – разновидность искрового разряда, сопровождающаяся большой плотностью тока, временем горения, малым падением напряжения на стволовом промежутке, характеризующаяся повышенным давлением газа, в котором поддерживается высокая температура.
Электрическая дуга отличается от обычного разряда более длительным временем горения.
Природа и строение
За короткое время можно нагреть металл до точки плавления мощной сварочной дугой. Его характеристики характеризуются плотностью тока, показателями напряжения тока. С точки зрения электротехники столб дуги представляет собой проводник ионизированного газа между катодом и анодом, обладающий высоким сопротивлением, способностью светиться.
Детальная оценка структуры сварочной дуги поможет понять суть температурного воздействия. Длина электрической дуги в среднем составляет 5 мм, она делится на основные зоны:
- анод, не более 10 мкм;
- катод, он в 10 раз меньше анода;
- столб — видимая светящаяся полоса.
Поток свободных электронов отвечает за температуру сварочной дуги. Они образуются в точке катода. Он нагревается до 38% от температуры плазмы. В столбе дуги электроны движутся к аноду, а положительные частицы – к катоду. Колонка не имеет собственного заряда, она остается нейтральной.
Внутри частицы нагреваются до 10000°С, металл нагревается в среднем до 2350°С, стандартная температура ванны расплава составляет 1700°С.
Место входа и нейтрализации электронов называется анодной точкой. Его температура на 4–6 % выше, чем у катода%.
Напряжение в анодной и катодной зонах значительно снижается, свечение не происходит. Видна только плазма, излучающая ультрафиолетовые, инфракрасные и световые волны. Они вредны для органов зрения, кожи. Поэтому сварщики используют средства индивидуальной защиты.
Структура сварочной дуги
Виды сварочной дуги
Существует несколько критериев классификации сварочной дуги. По роду сварочного тока и положению электрода по отношению к свариваемым элементам различают следующие варианты:
- прямое действие, разряд идет перпендикулярно заготовке, параллельно электроду;
- непрямого действия, разряд возникает между двумя электродами, наклоненными друг к другу под углом от 40 до 60°, и металлом.
Классификация состава плазмы колонки:
- открытый тип возникает в воздушной атмосфере за счет компонентов, испаряющихся из покрытия и металла;
- закрытый, который возникает под слоем флюса за счет газовой фазы, образующейся из частиц электрода, металла, компонентов флюса при прохождении разряда;
- с подачей газовой смеси или однокомпонентного защитного газа.
Дуговая сварка классифицируется в зависимости от материала электрода розжига. Используйте электроды:
- вольфрамовый огнеупор
- углерод или графит;
- стали с различными видами покрытий, в состав которых входят ионизирующие компоненты.
По продолжительности воздействия различают стационарную (постоянную) электрическую дугу и пульсирующую дугу, применяемую при контактной сварке.
Условия горения
Суть сварочного процесса заключается в преобразовании электрической энергии в тепловую.
Для поддержания сварочного столба необходимо создать условия для быстрой ионизации газа: детали нагревают так, чтобы воздух вокруг них был теплым, или в рабочую зону подают газ, способный к ионизации. Наиболее легко ионизируются частицы щелочных и щелочноземельных металлов. При пропускании тока через стержень их частицы становятся активными.
Чтобы столб дуги не затухал, важно поддерживать постоянную температуру в районе катода. Это напрямую зависит от химического состава катода, его площади. Нужную температуру поддерживает источник питания, в промышленных условиях она достигает 7 тысяч градусов.
Как возникает электрическая сварочная дуга
Как и любой электрический разряд, сварочная дуга возникает при замыкании цепи. Наличие тока при касании электродом свариваемого металла приводит к выделению большого количества тепла.
В месте замыкания появляется расплав, он распространяется на кончик электрода, образуется шейка, которая моментально разбрызгивается за счет сильного тока. Происходит ионизация молекул воздуха и защитное облако, они несут поток электронов.
Направление потока зависит от вида тока. Дуга зажигается на постоянном токе обратной и прямой полярности, на переменном. Частота гашения и зажигания электрической дуги зависит от параметров рабочего тока.
Чем определяется мощность сварочной дуги
На рабочие параметры электрической дуги влияет несколько факторов:
- напряжения, увеличение приводит к увеличению мощности только на небольшой площади, есть ограничения по размеру электрода;
- сила тока, высокая сила тока обеспечивает стабильное горение;
- величина плазменного напряжения, пропорциональная мощности.
Длина сварочной дуги – это расстояние от сварочной воронки до кончика электрода. От этого значения зависит количество выделяемого тепла.
Мощность сварочной дуги определяет скорость плавления металла. От этой характеристики зависит время сварки. Сила тока регулируется для регулировки температуры в рабочей зоне; даже на длинном столбе дуга не гаснет при большой силе тока. Напряжение редко меняется в процессе сварки.
Вольт-амперная характеристика
CVC описывает зависимость от текущих параметров. Эта таблица используется для определения:
- мощность дуги;
- время горения,
- коэффициент вымирания.
Dynamic IV описывает переходное состояние дуги при изменении ее длины. Статическая вольт-амперная характеристика отражает зависимость напряжения от силы тока при постоянной длине дуги. График разделен на три области:
- падающее — при увеличении силы тока напряжение резко падает, это связано с образованием столба: увеличивается площадь поперечного сечения потока плазмы, изменяется электропроводность плазмы;
- жесткая, это участок со стабильной плотностью тока и падением напряжения, при увеличении силы тока от 100 до 1000 А пропорционально увеличивается диаметр столба дуги (соответственно изменяются анодное и катодное пятна);
- возрастающая, характеризуется постоянным размером катодного острия, ограничивается диаметром электрода, с увеличением силы тока, согласно закону Ома, увеличивается U, R столба дуги.
Статическая вольт-амперная характеристика сварочной дуги: 1 — падающая; 2 — жесткий; 3 — возрастающая.
Вольт-амперная характеристика обычного процесса ручной сварки плавящимся и неплавящимся электродами на воздухе или в облаке газового покрытия ограничена первыми двумя диапазонами, сила тока не достигает третьего. Механизированная сварка с применением флюсов соответствует схемам II и III участков, сварка плавящимся электродом в защитном атмосферном облаке — III.
При использовании оборудования, генерирующего переменный ток, зажигание сварочной дуги происходит в каждом полупериоде, в верхней точке зажигания. При переходе через ноль электрическая дуга затухает, прекращается нагрев активных точек.
Покрытия электродов, содержащие активные щелочные металлы, повышают устойчивость к ионизации. Защитное облако затрудняет воспламенение на переменном токе, но поддерживает горение на постоянном токе. Между полюсами происходит ионизация молекул газа.
При выборе оборудования необходимо учитывать, что ВАХ электрической дуги зависит от внешней ВАХ. Работа сварочного аппарата рассматривается как наложение графиков. Для ручной сварки необходимы источники питания с падающими диапазонами IV (высокое напряжение холостого хода), чтобы иметь возможность изменять длину дуги, регулируя силу тока.
Сила тока короткого замыкания при падении капли с плавящегося электрода на свариваемый металл на 20-50 % выше силы тока дуги. При сварке плавящимся электродом применяют размыкающую дугу. Для зажигания дуги с вольфрамовым или угольным электродом желателен вспомогательный разряд.
При больших токах короткого замыкания возрастает риск ожога металла. При падении капли происходит короткое замыкание, затем оно резко увеличивается до исходных значений — ток увеличивается до значения тока короткого замыкания, образовавшийся мостик прогорает, дуга снова возбуждается.
Изменения тока и напряжения в столбе происходят мгновенно, за доли секунды. Сварочное оборудование должно быстро реагировать на колебания, стабилизировать напряжение.
Читайте также: Что такое коробка уравнивания потенциалов и как её подключают к СУП?
Особенности дуги
Благодаря своим особым свойствам электрическая дуга применяется при сварке тугоплавкими и плавящимися электродами. Он быстро нагревает металл и образует расплавленную ванну. Электрический ток эффективно преобразуется в тепловую энергию с минимальными потерями.
По происхождению электрическую сварочную дугу можно сравнить с другими видами электрических зарядов. Основные характеристики лука:
- высокая температура, создаваемая плотным током (сила тока зависит от длины столба, достигая тысяч А на см2);
- малые значения анодного и катодного падения напряжения, слабо зависящие от изначально заданного напряжения;
- неравномерное распределение напряжения электрического поля между полюсами;
- пространственная устойчивость;
- саморегулирование мощности, В переменного тока;
- четко очерченные границы, четко видимые в окружающей среде.
Зажигание осуществляется двумя способами:
- короткое прикосновение (электрод проводится впритык, увеличивается риск прилипания);
- ударная (невозможна в труднодоступных местах).
Строение
Электрическая дуга состоит из трех основных зон:
- катодный;
- анод;
- плазменный столб.
В сварочных дугах размеры катодной и анодной зон незначительны по сравнению с длиной столба. Толщина этих зон составляет тысячные доли миллиметра. В области катодного падения напряжения (на конце отрицательного электрода) наблюдается наличие катодных пятен, которые образуются в результате сильного нагрева.
На рис. 4 представлена схема структуры дуги, создаваемой сварочным аппаратом.
Рис. 4. Структура сварочной дуги
Примечание. Для наглядности зоны электродов на изображении сильно преувеличены. На самом деле их толщина измеряется в микронах.
Свойства
Высокая плотность тока в стержне электрической дуги определяет основные характеристики:
- Чрезвычайно высокая температура плазменного ствола и приэлектродных зон.
- Длительное горение при сохранении условий для образования ионов.
Эти характеристики необходимо учитывать при возникновении электрической дуги и при ее использовании в некоторых областях.
Полезное применение
Как ни странно, физики нашли применение этому электрическому явлению еще на этапе развития науки об электричестве. Примером тому является лампочка Яблочкова. Он состоял из двух угольных электродов, между которыми зажигалась электрическая дуга.
У этой лампы было два недостатка. Электроды быстро изнашивались (перегорали), а световой спектр смещался в ультрафиолетовую зону, что негативно сказывалось на зрении. По этим причинам дуговые лампы не получили широкого распространения и были быстро заменены лампами накаливания, которые существуют до сих пор.
Исключение составляют дуговые разрядные лампы, а также мощные прожекторы, которые в основном используются в военных целях.
Дуговой разряд получил широкое практическое применение с момента изобретения сварочного аппарата. Дуговая сварка применяется для сварки металлов. (см рис. 5)
Рис. 5. Дуговая сварка
За счет проводимости плазмы, включения в сварочный контур специальных сварочных электродов достигается высокая температура в сосредоточенном месте. Регулируя сварочный ток, сварщик имеет возможность настроить аппарат на нужную температуру дугового разряда. Для защиты ствола от потери тепла металлические электроды покрыты специальной смесью, обеспечивающей стабильность горения.
Электрическая дуга используется в доменных печах для плавки металлов. Дуговая плавка практична тем, что можно регулировать температуру, изменяя параметры тока.
Наряду с полезными приложениями в электротехнике часто приходится иметь дело с дуговыми разрядами. Неуправляемый дуговой разряд может нанести значительный ущерб линиям электропередач, в промышленных и бытовых сетях.
Рис. 6. Дуговой разряд на линиях электропередач
Причины возникновения
Исходя из определения, можно назвать условия возникновения электрической дуги:
- наличие биполярных электродов с большими токами;
- создать искровой разряд;
- поддержание напряжения на электродах;
- обеспечить условия для поддержания температуры стебля.
Искровой разряд возникает в двух случаях: при кратковременном контакте с электродами или при приближении к параметрам пробоя. Серьезный электрический сбой всегда приводит к воспламенению ствола.
При сохранении оптимальной длины дуги температура плазмы поддерживается независимо. Но при увеличении зазора между электродами происходит интенсивный теплообмен ствола с окружающим воздухом. Наконец, в стволе из-за падения температуры лавинообразно прекратится образование ионов, в результате чего пламя погаснет.
Поломки часто случаются на высоковольтных линиях. Они могут привести к разрушению изоляторов и другим негативным последствиям. Длинная дуга довольно быстро гаснет, но даже при коротком времени горения ее разрушительная сила огромна.
Дуга имеет тенденцию образовываться, когда контакты размыкаются. В этом случае контакты выключателя быстро перегорают, электрическая цепь остается замкнутой до исчезновения штока. Это опасно не только для сетей, но и для людей.
Способы гашения
Следует отметить, что искрение возникает по разным причинам. Например, в результате охлаждения колонки, падения напряжения или при вытеснении воздуха между электродами сторонними парами, препятствующими ионизации.
Для предотвращения образования дуг на высоковольтных линиях ЛЭП их разносят на большое расстояние, что исключает возможность пробоя. Если произойдет пробой между проводами, длинный ствол быстро остынет и произойдет гашение.
Для охлаждения ствола его иногда делят на несколько составных частей. Этот принцип часто используется при конструировании реле расхода воздуха, рассчитанных на напряжение до 1 кВ.
Некоторые модели автоматических выключателей состоят из нескольких дуг, что способствует быстрому охлаждению.
Быстрая ионизация может быть достигнута за счет испарения некоторых материалов вокруг пространства с движущимися лопастями. Испарение под высоким давлением сдувает плазму ствола, что приводит к исчезновению.
Есть и другие способы: помещение контактов в масло, автообдув, использование электромагнитного демпфирования и т.д.
Воздействие на человека и электрооборудование
Электрическая дуга представляет опасность для человека из-за своего теплового воздействия, а также ультрафиолетового действия излучаемого ею света. Основную опасность представляют переменные токи высокого напряжения.
При нахождении незащищенного человека на критически близком расстоянии от токоведущих частей приборов может произойти сбой питания с образованием электрической дуги. Тогда помимо влияния тока на тело будет воздействовать и тепловая составляющая.
Распространение дугового разряда по конструктивным частям оборудования грозит выгоранием электронных элементов, плат и разъемов.