Меню

Свойство дуги постоянного тока



Электрическая дуга постоянного тока

Рис. 1.2.9. Вольтамперные характеристики дуги

Напряжение uз соответствующее началу дугового разряда, называется напряжением зажигания дуги. С ростом тока увеличивается ионизация дугового промежутка и падает его сопротивление. В установившемся режиме горения для каждого значения тока в какой-то момент времени число вновь образованных зарядов в результате ионизации будет равно числу потерянных зарядов в дуговом промежутке за счет деионизации. С этого момента времени сопротивление дугового промежутка и падение напряжения на нем станут величинами постоянными, не зависящими от времени. Такой режим носит название статического, а кривая 1, характеризующая этот режим, — статической характеристикой дуги. Статическая характеристика соответствует установившемуся квазистационарному состоянию, т. е. условию устойчивого горения дуги. Статическая характеристика дуги зависит от длины дуги, материала электродов и параметров среды, в которой горит дуга. Напряжение на дуге можно рассматривать как сумму околоэлектродных падений напряжения ыэ и падения напряжения в столбе дуги , где Ед — градиент напряжения в столбе дуги; lд —длина дуги. Следовательно, чем больше длина дуги, тем выше лежит ее статическая вольт-амперная характеристика.

При быстром изменении тока в дуге напряжение на ней отличается от того, которое было при установившемся значении. Ток в дуге может убывать с различными скоростями, причем, чем выше скорость его спадания, тем ниже проходит вольт-амперная характеристика. Это объясняется тем, что такие параметры, как сечение дуги, температура газа и степень ионизации, понижаются медленнее, чем ток, и не успевают достичь тех значений, которые бы соответствовали меньшему току при установившемся режиме. Зависимость напряжения на дуге от тока при быстром его изменении называется динамической вольт-амперной характеристикой.

Если изменять ток в дуге от значения I1 бесконечно медленно, то статическая и динамические характеристики дуги будут совпадать.

При бесконечно быстром изменении тока сопротивление столба дуги останется неизменным и напряжение на дуге будет изменяться пропорционально току (прямая 1—2 при увеличении тока, прямая 1—0 при его уменьшении). Конечной скорости изменения тока будут соответствовать промежуточные положения вольт-амперной характеристики, например кривая В при увеличении тока от I1 и кривые С и D при его уменьшении соответственно от I2 и от I1.

Большое расхождение между статической и динамической характеристиками наблюдается при малых токах, т, е. непосредственно перед гашением дуги, что способствует ограничению перенапряжений на элементах отключаемой цепи.

Условия гашения дуги постоянного тока

Для того чтобы погасить электрическую дугу постоянного тока, необходимо создать такие условия, при которых процессы деионизации дугового промежутка превосходили бы процессы его ионизации. Если параметры цепи постоянны, то уменьшение ионизации дугового промежутка ведет к увеличению сопротивления дуги и уменьшению тока. В результате этого дуга начинает гореть неустойчиво.

В момент погасания дуги напряжение на дуговом промежутке соответствует напряжению гашения. Это напряжение зависит от интенсивности деионизации дугового промежутка. С усилением деионизации растет сопротивление дуги, быстро уменьшается ток и к концу гашения дуги напряжение на контактах резко возрастает. Поэтому при отключении цепей постоянного тока возникают значительные перенапряжения. Величина их зависит от индуктивности цепи и быстроты гашения дуги. Перенапряжение растет с увеличением скорости изменения тока и зависит от индуктивности цепи L.

При отключении цепей постоянного тока напряжение на дуговом промежутке в момент погасания дуги может в несколько раз превысить напряжение источника тока. Эти перенапряжения опасны не только для цепи тока, но и гасящих сред, имеющих высокое напряжение гашения. Поэтому при отключении цепей постоянного тока не применяются также среды, напряжение гашения которых велико, например масло. Масляные выключатели не применяются для размыкания цепей постоянного тока.

Для уменьшения перенапряжения применяют различные способы шунтирования индуктивностей цепи активными сопротивлениями, емкостями и вентилями. Это уменьшает перенапряжение и облегчает процесс гашения дуги.

В процессе гашения дуги в дуговом промежутке выделяется определенное количество энергии. Величина энергии в основном определяется током цепи, напряжениями цепи и дуги, сопротивлением дуги, временем ее горения и постоянными дугогасительных устройств. В дуге постоянного тока при ее гашении выделяются энергия магнитного поля, запасенная цепью в начальный момент отключения, и энергия, поступающая от генератора за время горения дуги, за вычетом потерь в цепи. Отсюда следует, что чем больше индуктивность цепи, тем больше в ней запас энергии магнитного поля и тем труднее погасить дугу постоянного тока. В устойчиво горящей дуге вся выделяющаяся в ней энергия поступает от генератора. Энергия, выделяемая в дуге, расходуется на нагревание дугового промежутка и частично рассеивается в окружающей среде.

Гашение дуги происходит в том случае, если температура дугового промежутка будет падать. Это условие выполняется при отрицательном энергетическом балансе дуги, т. е. когда количество тепла, отводимое от дуги, больше количества энергии, подводимой к дуге в процессе ее гашения.

Источник

Дуга переменного и постоянного тока

Современные дуговые электропечные установки работают с источниками как постоянного, так и переменного токов. Род тока во многом определяет особенности дуги, и условия горения электрической дуги переменного тока несколько отличаются от условий горения дуги постоянного тока.

Читайте также:  Сила тока при последовательном сопротивлении одинаковая

У электрической дуги постоянного тока один электрод постоянно является катодом , второй — анодом . Во время возбуждения дуги при разведении электродов и разогреве их концов термоэлектронная эмиссия происходит с поверхности обоих электродов. Но

Дуга переменного тока и постоянного тока
Рис.1 Дуга переменного и постоянного тока

испускаемые анодом электроны отбрасываются электрическим полем назад к поверхности анода, а электронам, эмиттированным катодом, сообщается движение к аноду. Пройдя путь, равный длине свободного пробега, эти электроны сталкиваются с электронейтральными частицами и вызывают их ионизацию. Ионизированные частицы также ускоряются электрическим полем и при столкновении ионизируют следующую группу частиц и т. д.

Рис.2 Электрическая дуга в воздухе
а — фотоснимок; б — схема; 1 — катодное пятно, 2 — столб
дуги, 3 — анодное пятно, 4 — ареол дуги

В результате на некотором расстоянии от поверхности катода, равном длине свободного пробега электрона, лавинообразно развивается процесс ионизации. Непосредственно у катода образуется тонкий (порядка 0,1 мкм) слой — катодная область, на одной границе которого находится источник электронов (поверхность катода), 1 на другой — источник положительных ионов. Так как подвижность ионов значительно меньше подвижности электронов, то последние быстро проходят этот слой, а в слое накапливается избыток положительных ионов, образуя пространственный заряд, обусловливающий скачок потенциала. В этой области создаются градиенты напряжения, достигающие 1 МВ/см.

В центре катодной части расположено ярко светящееся катодное пятно. Это участок поверхности катода, через который ток проникает в катод. В результате бомбардировки поверхности катода ускоренными в электрическом поле положительными ионами этот участок катода сильно разогревается. Приносимая ионами энергия расходуется на тепловые потери, испарение материала катода, эндотермические реакции и поддержание термоэлектронной эмиссии. Нейтрализуясь на поверхности катода и оседая на нем, положительные ионы наращивают его, в результате чего торец катода приобретает форму конуса.

Начинающуюся за катодным пространством область интенсивной ионизации называют столбом электрической дуги . В нем образуется такое число заряженных частиц, которое достаточно для переноса через газовый промежуток зарядов, измеряемых силой тока в тысячи и десятки тысяч ампер. Несмотря на огромное число заряженных частиц, дуги (масштаб катодной и анодной областей нов и нейтрального газа в период увеличен) возбуждения дуги так как при ионизации образуется парное число частиц, имеющих разноименные заряды, а количество первичных электронов с нескомплексированным зарядом в общей массе заряженных частиц невелико. Поэтому изменение потенциала в столбе дуги подчиняется линейному закону.

Число разноименно заряженных частиц вновь становится неодинаковым в непосредственной близости от анода, где мала концентрация положительных ионов. Соответственно в анодной области вновь наблюдается скачок потенциала.

Как и на катоде, на аноде выделяется анодное пятно, появляющееся в результате бомбардировки анода электронами. Энергия электронов расходуется на компенсацию тепловых потерь анодом и частично — на выбивание с поверхности анода положительных ионов. В результате потери анодом положительных ионов на его торце образуется кратер, и анод расходуется быстрее катода .

Падение потенциалов в анодной и катодной областях невелико, и в среднем сумма катодного и анодного падений напряжений равна потенциалу ионизации газа , в котором происходит разряд. Основное падение потенциала, равное разности приложенного напряжения и потенциала ионизации, приходится на столб электрической дуги. Это свидетельствует о том, что трансформация электрической энергии в тепловую происходит также в основном в столбе.

Температура является характеристикой внутренней энергии тела или частицы, и чем больше ее энергия, тем выше температура . В разрядном промежутке находятся свободные электроны, ионы и нейтральные частицы. В период возбуждения дуги эти частицы находятся в разном режиме движения и обладают разным запасом энергии, т. е. имеют различную температуру. Преобразование электрической энергии в тепловую происходит в результате увеличения в электрическом поле кинетической энергии заряженных частиц. Наиболее быстро увеличивается скорость и кинетическая энергия электронов, обладающих самой малой удельной (по отношению к величине заряда) массой. Поэтому в период возбуждения дуги температура электронов растет очень быстро.

Получив под действием поля ускорение, электроны сталкиваются с нейтральными частицами и часть энергии передают им. В результате температура электронов понижается, но при этом усиливается движение нейтральных частиц, учащаются их взаимные столкновения и повышается температура газа. Благодаря столкновениям происходит постоянный обмен энергий между частицами, и температура всех составляющих газа выравнивается.

Источник

Учебные материалы

Помощь студентам

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.
Читайте также:  Укажите признаки помещений с повышенной опасностью поражения людей электрическим током

Любое зажигание дуги начинается с короткого замыкания, т.е. с замыкания электрода с изделием. При этом Uд = 0, а ток Imax = Iкор.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 Uд = 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, N2, O2 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:

Анодная область имеет значительно больший объем Ua Qк; Ua 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).
  • 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.

    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.

    Читайте также:  При возникновении магнитного поля вокруг проводника с током

    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