Меню

При каком токе дуга горит более устойчиво



Учебные материалы

Помощь студентам

Устойчивое горение дуги, от которого непосредственно зависит качество сварного соединения, это такой режим, при котором дуга длительное время горит не прерываясь при заданной силе тока сварки Iсв и напряжения дуги Uд, т.е. это такая сварочная дуга, горение которой не сопровождается короткими замыканиями или обрывами.

На устойчивость горения дуги влияют следующие факторы:

а) Режим сварки – т.е. соотношение между током Iсв и напряжением дуги Uд.

Для обеспечения процесса устойчивого горения дуги эти параметры Iсв и Uд должны находиться в определенной зависимости. Такая зависимость называется статическая вольт – амперная характеристика дуги – график зависимости между напряжением и силой тока сварочной дуги (для переменного тока – между действующими значениями этих величин) при постоянных длине дуги lд и диаметре электрода dэл и при работе в статическом режиме (рисунок 3.5). Это связано с тем, что для дугового разряда сопротивление не является постоянным, так как количество заряженных частиц зависит от интенсивности ионизации и главным образом от тока.

Поле графика можно разделить на 3 области:

I – напряжение Uд резко падает с возрастанием силы тока, называют характеристику дуги падающей. Сварка при таких характеристиках дуги находит ограниченное применение из-за малой устойчивости горения дуги (трудно обеспечить стабильный режим сварки lд);

Рисунок 3.5 – Вольт – амперная характеристика дуги

II – напряжение Uд не изменяется существенно с возрастанием силы тока, называют жесткой характеристикой дуги, находит самое широкое применение. При увеличении Iсв = 80÷800 А площадь активных пятен увеличивается пропорционально току, поэтому и падение напряжения во всех участках дугового разряда Uд сохраняются постоянными;

III – напряжение увеличивается с возрастанием силы тока, такая характеристика дуги называется возрастающей; т.е. при условии увеличения тока, соответственно возрастает плотность тока и для обеспечения устойчивости горения дуги должно обеспечиваться увеличение напряжения дуги Uд. Это можно объяснить тем, что при данном диаметре электрода dэл активное пятно на конце электрода принимает свой физически предельный размер равный dэл и с увеличением плотности тока получаем увеличение Uд.

Например, при сварке плавящимся электродом в среде защитного газа характеристика дуги возрастающая.

б) Род тока – переменный или постоянный ток. Вначале считалось, что устойчивое горение сварочной дуги может быть достигнуто только при питании ее постоянным током.

Электрические и тепловые процессы, происходящие в дуге переменного тока действительно несколько отличаются от процессов, происходящих в дуге постоянного тока, что влияет на устойчивость дуги.

Так при сварке переменным током промышленной частоты f = 50 полярность электрода и изделия сто раз в сек. периодически изменяются. Соответственно при переходе тока I через нуль в начале и конце каждого полупериода дуга угасает и температура дугового промежутка снижается, падает температура активных пятен на аноде и катоде, происходит определенная деионизация газов из-за изменения полярности. Падение температуры несколько отстает по фазе от перехода тока I через нуль. Особенно интенсивно падает температура активного пятна сварочной ванны, обусловленная интенсивным отводом тепла в массу изделия. Поэтому повторное зажигание дуги переменного тока в начале каждого полупериода обычно происходит только при повышенном U между электродами. Это напряжение называют пиком зажигания или напряжением повторного зажигания дуги Uз.

Необходимо указать, что затухания и обрыв дуги переменного тока происходят при прочих равных условиях, при меньшей ее длине, чем для постоянного тока. Чем выше токи сварочные, тем Uз меньше и устойчивее горение.

Устойчивость горения дуги резко повышается с увеличением напряжения холостого хода Uо = Uхх; чем выше Uз повторного зажигания дуги, тем выше должно быть Uхх источника питания. В трансформаторах дуговой сварки принимают Uо/ Uд = 1,8÷2,5 (но Uо отсутствие магнитного дутья, затрудняющего сварку особенно при I св3 350÷400 А. Так при ручной электродуговой сварке это ведет отклонению дуги за счет влияния магнитных полей и соответственно происходит выдувание металла сварочной ванны и плохое формирование шва;

  • разрушение оксидной пленки при сварке Аl и его сплавов.
  • в) Характеристика источников питания (рассматривается в вопросе ИП сварочной дуги).

    г) Состав и свойства атмосферы дуги (см. вопрос электродные покрытия).

    Источник

    Горение сварочной дуги

    Рассмотрим подробнее условия горения дуги прямого действия между металлическим электродом и свариваемым металлом, являющейся наиболее распространенной в практике дуговой сварки.

    Возникновение дуги (рис. 28). При касании концом электрода свариваемого металла происходит короткое замыкание сварочной цепи (рис. 28,а). Проходя через отдельные выступы, ток, имеющий в точках соприкосновения электрода с металлом очень высокую плотность, мгновенно расплавляет их, вследствие чего между электродом и металлом образуется тонкая прослойка из жидкого металла (рис. 28,6). В следующий момент сварщик несколько отводит электрод, отчего в жидком металле образуется шейка (рис. 28, б), в которой плотность тока и температура металла возрастают. Затем, благодаря испарению расплавленного металла, шейка разрывается, газы и пары, заполняющие образовавшийся промежуток, мгновенно ионизируются и между электродом и металлом возникает сварочная дуга (рис. 28,г).

    Напряжение дуги. Определяется разностью потенциалов между катодом (электродом) и анодом (свариваемым металлом).

    Общее падение напряжения в дуге UД складывается из падения напряжения в катодной области UK, столбе дуги Uст и анодной области Uа, т. е.

    Линия а—б—в—г показывает изменение напряжения в трех основных областях дуги. Величины падения напряжения в катодной и анодной областях можно считать постоянными, так как они зависят только от материала электродов, давления и свойств газовой среды. Падение напряжения в столбе дуги пропорционально длине дуги (L), за которую принимается расстояние между поверхностями катодного и анодного пятна (при глубоком проваре часть дуги погружена в металл). Для средних значений тока, при которых производится ручная и автоматическая сварка, можно считать, что напряжение дуги не зависит от величины тока, а определяется только длиной дуги. Чем короче дуга, тем ниже напряжение в ней и, наоборот, с удлинением дуги ее напряжение возрастает. Это обусловлено повышением сопротивления столба дуги с увеличением его длины.

    Поэтому для подсчета общего напряжения дуги можно пользоваться следующей приближенной формулой

    а — постоянный коэффициент, выражающий сумму падений напряжения на катоде и аноде дуги, не зависящий от длины дуги, в;

    b — среднее падение напряжения на единицу длины дуги, в/мм; L — длина дуги, мм.

    Для стальных электродов можно в среднем принять а=10 в и b = 2 в/мм. Тогда напряжение дуги длиной L = 4 мм составит:

    На величину напряжения дуги могут влиять также состав электрода и свариваемого металла, состав и давление окружающей дугу газовой среды (воздуха, аргона, гелия, углекислого газа) и другие факторы.

    Дуга при сварке металлическим электродом горит устойчиво при напряжении 18—28 в, а при сварке угольным или графитовым — при 30—35 в. Для возбуждения дуги требуется более высокое напряжение, чем то, которое необходимо для ее нормального горения. Это объясняется тем, что в начальный момент воздушный промежуток еще недостаточно нагрет и необходимо придать электронам большую скорость для ионизации атомов газового промежутка, что можно достичь только при более высоком напряжении зажигания дуги.

    Читайте также:  Как повысить ток сварочного инвертора

    Вольтамперная характеристика дуги. Кривая, показывающая зависимость между напряжением и током в дуге, называется вольтамперной характеристикой дуги и соответствует установившемуся (стационарному) горению дуги. На рис. 29, а изображена в общем виде такая характеристика дуги. Точка А соответствует моменту возникновения дуги. Как видно из графика, при малых токах (участок I) характеристика дуги падающая, т. е. при возрастании тока напряжение дуги падает. Это вызвано тем, что при токах до 80 а увеличение тока приводит к увеличению площади сечения столба дуги и его электропроводности. Такая дуга малоустойчива и поэтому находит ограниченное применение при сварке. При токах от 80 до 800 а (участок II) дуга имеет жесткую характеристику (линия горизонтальна), т. е. напряжение дуги не изменяется при увеличении или уменьшении тока. Это обусловлено тем, что при этих условиях площадь сечения столба дуги и площади катодного и анодного пятен увеличиваются (или уменьшаются) пропорционально величине тока, поэтому плотность тока и падение напряжения во всех областях дуги остаются постоянными, независимо от изменения тока. Такая дуга находит наиболее широкое применение при сварке. При токах свыше 800 а плотность тока в дуге повышается настолько, что при увеличении тока начинает возрастать и напряжение дуги. Это обусловлено тем, что

    в этих условиях площадь катодного пятна уже не может увеличиваться, так как площадь сечения электрода оказывается недостаточной и возрастает сопротивление столба дуги, т. е. его электропроводность понижается. Дуги с возрастающей характеристикой широко используются при сварке под флюсом и в защитных газах. На рис. 29, б показаны характеристики дуг при сварке низкоуглеродистой стали покрытым электродом, относящиеся к области I и II. Кривая 1 относится к дуге длиной 2 мм, кривая 2— к дуге длиной 5 мм. Штриховые кривые 3 и 4 относятся к области III и являются характеристиками дуг при сварке низкоуглеродистой стали под флюсом при высокой плотности тока. На рис. 29, в даны характеристики дуг III области при сварке нержавеющей стали проволокой марки 0Х18Н9, а именно: 1—3 — сварка в углекислом газе; 4—6 — сварка в аргоне; характеристики 1 и 4 соответствуют проволоке диаметром 1 мм; 2 и 5 — диаметром 1,6 мм; 3 и 6 — диаметром 2 мм.

    Устойчивость горения дуги. Дуга, горящая равномерно, без произвольных обрывов, требующих повторного зажигания, называется устойчивой. Если дуга горит неравномерно, часто обрывается и гаснет, то такая дуга называется неустойчивой. Устойчивость дуги зависит от многих причин, основными из которых являются род и полярность тока, состав покрытия электродов, длина дуги.

    Для электродов диаметром 4—5 мм с покрытием нормальная длина дуги равна 5—6 мм. Такая дуга называется короткой; она горит устойчиво и обеспечивает нормальное протекание процесса сварки.

    Дуга, у которой длина более 6 мм, называется длинной. Процесс плавления металла электрода при длинной дуге протекает неравномерно. Стекающие с конца электрода капли металла в большей степени могут окисляться кислородом и обогащаться азотом воздуха. Наплавленный металл получается пористым, шов имеет неровную поверхность, а дуга горит неустойчиво. При длинной дуге понижается производительность, увеличивается разбрызгивание металла, чаще образуются места с непроваром и недостаточным сплавлением наплавленного металла с основным.

    Дуга постоянного тока. При сварке на постоянном токе дуга может питаться током прямой или обратной полярности. При прямой полярности минус источника тока подключают к электроду, а при обратной полярности — к свариваемому изделию. При сварке угольным электродом дуга легче возбуждается и устойчивее горит, если ток имеет прямую полярность. Ток обратной полярности применяют в тех случаях, когда нужно уменьшить выделение тепла на свариваемом изделии: при сварке тонкого или легкоплавкого металла, чувствительных к перегреву легированных, нержавеющих и высокоуглеродистых сталей и т. д., а также при пользовании некоторыми видами электродов (например, с фтористокальциевым покрытием типа УОНИ-13 и др.).

    Чтобы определить полярность цепи постоянного тока, в стакане воды растворяют половину чайной ложки поваренной соли, опускают в раствор оба провода цепи и включают сварочный ток. Тот провод, около которого происходит интенсивное выделение пузырьков газа (водорода), будет отрицательным, а второй — положительным. Концы проводов на длине 1—2 см должны быть очищены от изоляции. Для определения полярности тока применяют также специальные полюсоуказателл (индикаторы полярности).

    Дуга переменного тока. В дуге переменного тока напряжение и ток будут изменяться в соответствии с частотой тока. На рис.30 показаны кривые изменения напряжения и тока в дуге переменного тока за один период. Так как в каждом полупериоде ток Iд и напряжение дуги UД изменяются от нуля до максимальных значений, то за этот же промежуток времени уменьшается температура столба дуги и степень ионизации дугового промежутка. Вследствие этого для возбуждения дуги после прохождения тока через нулевое значение (точка А на рис. 30) необходимо повышенное напряжение, равное Uзаж, которое больше нормального напряжения дуги Uд.

    Для повышения устойчивости горения дуги переменного тока в покрытия электродов и сварочные флюсы вводят элементы с низким потенциалом ионизации: калий, натрий и кальций, которые облегчают возбуждение дуги после того, как ток уменьшается до нуля, и одновременно изменяет свое направление на противоположное.

    Магнитное дутье. Вокруг дуги и в свариваемом металле возникают магнитные поля. Если эти поля расположены относительно оси дуги несимметрично, то они могут отклонять дугу, являющуюся гибким проводником тока, что затрудняет сварку. Отклоняющее действие магнитных полей на сварочную дугу носит название магнитного дутья.

    Сила магнитного поля пропорциональна квадрату тока, поэтому магнитное дутье особенно заметно при сварке постоянным током значительной величины (свыше 300—400 а). При сварке переменным током покрытыми электродами и сварке под флюсом явление магнитного дутья сказывается значительно слабее, чем при постоянном токе и применении голых или тонкопокрытых электродов.

    На величину магнитного дутья оказывает также влияние расположение стальных (ферромагнитных) масс вблизи места сварки, место подвода тока к изделию, форма изделия, тип сварного соединения, наличие зазоров и другие причины. Для уменьшения отклоняющего действия магнитных полей на дугу следует вести сварку возможно более короткой дугой, подводить сварочный ток к изделию в точке, расположенной как можно ближе к месту сварки, а также изменять угол наклона электрода так, чтобы нижний конец электрода был обращен в сторону отдувания дуги. При больших помехах, создаваемых магнитным дутьем, следует переходить, если это возможно, на сварку переменным током.

    На рис. 31, а, б и в показано влияние на отклонение дуги места подвода тока к изделию, а на рис. 31, г — влияние больших ферромагнитных масс. Для уменьшения влияния этих масс, отклоняющих дугу в нежелательную сторону, на свариваемое изделие укладывают дополнительную массивную стальную плиту со стороны противоположной отклонению дуги, и к ней присоединяют один провод от источника питания. Плиту размещают на расстоянии 200—250 мм от места сварки и постепенно передвигают вдоль шва по мере движения дуги.

    Автор: Администрация

    _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

    Источник

    Условия устойчивого горения дуги переменного тока

    Дуговая сварка на переменном токе широко применяется в промышленности. Это объясняется тем, что источники питания переменного тока просты и удобны в эксплуатации, имеют меньший вес и габариты. Дуги переменного тока бывают однофазными и трехфазными.

    Читайте также:  Устройств управления двигателей постоянного тока

    Дуга, питаемая переменным током, имеет ряд особенностей. Эти особенности появляются вследствие того, что переменный ток промышленной частоты 50 Гц 100 раз в секунду меняет свое направление (сварочная дуга имеет за 1 сек 100 перерывов в горении дуги). Кроме того, переменный ток, величина которого не остается постоянной, а изменяется по синусоиде от 0 до 360º. Все эти особенности затрудняют горение дуги. Для увеличения стабильности горения дуги необходимо сократить время перерывов в ее горении

    Рассмотрим цепь, в которой последовательно с дугой включено активное сопротивление R, а индуктивное Х=0. Сдвиг фаз между током и напряжением равен 0 ( ) (рис. 22).

    Рис. 22. Кривые напряжений ( , ) и тока ( ), когда активное сопротивление , а и

    При возрастании напряжения источника питания от 0 до напряжения зажигания дуга не горит. В момент, когда напряжение станет равным напряжению зажигания , дуга загорится. Ток и напряжение увеличиваются до максимума, а затем уменьшаются. Когда напряжение источника станет меньше, чем необходимо для поддержания устойчивого горения дуги (

    Для выполнения 4 условия необходимо увеличить напряжение (рис.23, б) или частоту переменного тока (рис.23, а), но высокая частота вредно действует на организм человека, а напряжение ограничено ГОСТом на изготовление трансформаторов: для трансформатора не более 80 В.

    Теперь рассмотрим второй случай, когда в сварочной цепи есть активное R и индуктивное Х сопротивление. В этом случае между током дуги и напряжением источника питания появляется угол сдвига , который не равен нулю ( ) (рис.24).

    Рис.24. Кривые напряжения ( , ) и тока дуги

    Устойчивость горения дуги переменного тока при наличии в цепи индуктивного сопротивления повышается. При правильно подобранном индуктивном сопротивлении можно получить такой сдвиг фаз, при котором кривая тока будет проходить через ноль в момент времени, когда напряжение будет равно напряжению , и тогда перерыва в горении дуги не будет

    Из-за влияния индуктивности в сварочном контуре будет появляться ЭДС самоиндукции, которая направлена против напряжения источника при возрастании тока и будет согласно с напряжением источника при уменьшении тока. Напряжение на дуге будет постоянным и достаточным для горения дуги, пока ток не станет равным 0. При токе, равном нулю, ЭДС самоиндукции тоже равно нулю, дуга гаснет, но к этому моменту напряжение источника обратного направления станет достаточным для зажигания дуги обратной полярности, и дуга загорится. С увеличением тока обратного направления вновь появится ЭДС самоиндукции, и процесс повторится

    Сварочная дуга, горящая на переменном токе с индуктивным сопротивлением в цепи, не имеет перерывов в горении дуги, так как ЭДС самоиндукции поддерживает ее горение. Для поддержания горения дуги в момент снижения напряжения источника необходим определенный угол сдвига между током и напряжением. Обычно ее угол составляет =0,35÷0,6.

    Наличие индуктивного сопротивления в цепи обязательное условие для всех источников питания переменного тока.

    Трехфазная сварочная дуга

    Трехфазной дугой называют сварочную дугу, горящую между двумя электродами и изделием (рис. 25).

    Рис. 25. Схема трехфазной дуги: 1, 3- дуги прямого действия; 2- дуга косвенного действия

    Каждый электрод и изделие получает питание от одной фазы трехфазного источника питания. Трехфазная дуга состоит из трех отдельных дуг, горящих в общей газовой среде, имеющих общее плавильное пространство. Дуга 1 и 3 — это дуги прямого действия, а дуга 2 – косвенного действия. Для устойчивого горения дуги напряжение , , сдвинуты по фазе на угол =120˚, поэтому дуги 1, 2, 3 горят поочередно, а в переходные моменты — по две дуги одновременно. Вследствие этого среда между изделием и электродами ионизирована, а это благоприятно сказывается на устойчивости горения дуги. При равных напряжениях подведенных к трехфазной дуге может гореть не более двух дуг. Объясняется это тем, что на торце электрода не могут существовать одновременно анодное и катодное пятна (рис.26).

    Для питания трехфазной дуги могут быть использованы однофазные трансформаторы, соединенные соответствующим образом и специальные трехфазные трансформаторы.

    При автоматической сварке трехфазной дугой, высокая стабильность процесса наблюдается только при одинаковой скорости плавления электродов. Этого можно достигнуть, применяя источники питания с равными и одинаково изменяющимися индуктивными сопротивлениями в каждой фазе. Величина сварочного тока регулируется в каждой фазе. Это дает возможность управлять количеством теплоты, которое необходимо для плавления электродов и на проплавление основного металла.

    Рис. 26. Схема горения трехфазной дуги

    Существуют три основные электромагнитные схемы источника питания трехфазной дуги для сварки плавящимися электродами:

    а) с подвижными обмотками (рис. 27, а)

    б) с трехфазным дросселем насыщения (рис.27, б).

    в) с магнитной коммутацией (рис.27, в)

    а б в

    Рис.27. Схема питания трехфазной дуги: а- с подвижными обмотками; б- с трехфазным дросселем насыщения; в- с магнитной коммутацией

    В трехфазных трансформаторах с подвижными обмотками при сварке на больших токах наблюдается значительная вибрация подвижных частей. А это приводит к изменению основных параметров сварки, которые сказываются на устойчивом горении дуги.

    Трансформаторы с дросселем насыщения просты и надежны в эксплуатации. Однако они не позволяют регулировать напряжение холостого хода.

    Наиболее перспективными являются источники питания с магнитной коммутацией. В этих трансформаторах возможно изменение величины напряжения холостого хода и регулирование наклона вольт-амперной характеристики, что обеспечивает устойчивое горение дуги.

    Механизированная сварка трехфазной дугой применяется для соединения стальных и алюминиевых сплавов больших толщин. Сварка трехфазной дугой 2-2,5 раза производительнее, чем однофазная дуговая сварка. Однако широкого применения сварка трехфазной дугой не получила, так как оказалось неконкурентоспособной с электрошлаковой.

    Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

    Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

    Источник

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

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

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

    Что такое электрическая дуга?

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

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

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

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

    Читайте также:  Каскад с общим эмиттером ток базы

    Физика электрической дуги

    Рис. 3. Физика электрической дуги

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

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

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

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

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

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

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

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

    Электрическая дуга отличается от обычного разряда большей длительностью горения.

    Строение

    Электрическая дуга состоит из трёх основных зон:

    • катодной;
    • анодной;
    • плазменного столба.

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

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

    Строение сварочной дуги

    Рис. 4. Строение сварочной дуги

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

    Свойства

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

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

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

    Полезное применение

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

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

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

    Дуговая сварка

    Рис. 5. Дуговая сварка

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

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

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

    Дуговой разряд на ЛЭП

    Рис. 6. Дуговой разряд на ЛЭП

    Причины возникновения

    Исходя из определения, можем назвать условия возникновения электрической дуги:

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

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

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

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

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

    Способы гашения

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

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

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

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

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

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

    Воздействие на человека и электрооборудование

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

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

    Источник