К атегория:
Сборка металлоконструкций
Электрическая дуга и ее свойства
Электрическая дуга представляет собой длительный электрический разряд, происходящий в газовом промежутке между двумя проводниками - электродом и свариваемым металлом при значительной силе тока. Непрерывно возникающая под действием стремительного потока положительных и отрицательных ионов и электронов в дуге ионизация воздушной прослойки создает необходимые условия для продолжительного устойчивого горения сварочной дуги.
Рис. 1. Электрическая дуга между металлическим электродом и свариваемым металлом: а - схема дуги, б - график напряжений дуги длиной 4 мм; 1 - электрод, 2 - ореол пламени, 3 - столб дуги, 4 - свариваемый металл, 5 - анодное пятно, 6 - расплавленная ванна, 7 - кратер, 8 - катодное пятно; h - глубина проплавления в дуге, А - момент зажигания дуги, Б - момент устойчивого горения
Дуга состоит из столба, основание которого находится в углублении (кратере), образующемся на поверхности расплавленной ванны. Дуга окружена ореолом пламени, образуемым парами и газами, поступающими из столба дуги. Столб имеет форму конуса и является основной частью дуги, так как в нем сосредоточивается основное количество энергии, соответствующее наибольшей плотности проходящего через дугу электрического тока. Верхняя часть столба, расположенная на электроде 1 (катоде), имеет небольшой диаметр и образует катодное пятно 8. Через катодное пятно излучается наибольшее количество электродов. Основание конуса столба дуги расположено на свариваемом металле (аноде) и образует анодное пятно. Диаметр анодного пятна при средних значениях сварочного тока больше диаметра катодного пятна примерно в 1,5 … 2 раза.
Для сварки применяют постоянный и переменный ток. При использовании постоянного тока минус источника тока подключают к электроду (прямая полярность) или к свариваемому изделию “”{обратная полярность). Обратную полярность применяют в тех случаях, когда нужно уменьшить выделение теплоты на свариваемом изделии: при сварке тонкого или легкоплавкого металла, чувствительных к перегреву легированных, нержавеющих и высокоуглеродистых сталей, а также при пользовании некоторыми видами электродов.
Выделяя большое количество теплоты и имея высокую темпе-оатуру. электрическая дуга вместе с тем дает очень сосредоточенный нагрев металла. Поэтому металл во время сварки остается сравнительно мало нагретым уже на расстоянии нескольких сантиметров от сварочной дуги.
Действием дуги металл расплавляется на некоторую глубину h называемую глубиной проплавления или проваром.
Возбуждение дуги происходит при приближении электрода к свариваемому металлу и замыкании им сварочной цепи накоротко. Благодаря высокому сопротивлению в точке соприкосновения электрода с металлом конец электрода быстро нагревается и начинает излучать поток электронов. Когда конец электрода быстро отводят от металла на расстояние 2…4 мм, возникает электрическая дуга.
Напряжение в дуге, т. е. напряжение между электродом и основным металлом, зависит в основном от ее длины. При одном и том же токе напряжение в короткой дуге ниже, чем в длинной. Это обусловлено тем, что при длинной дуге сопротивление ее газового промежутка больше. Возрастание же сопротивления в электрической цепи при постоянной силе тока требует увеличения напряжения в цепи. Чем выше сопротивление, тем выше должно быть и напряжение для того, чтобы обеспечить прохождение в цепи того же тока.
Дуга между металлическим электродом и металлом горит при напряжении 18… 28 В. Для возбуждения дуги требуется более высокое напряжение, чем то, которое необходимо для поддержания ее нормального горения. Это объясняется тем, что в начальный момент воздушный промежуток еще недостаточно нагрет и необходимо придать электронам большую скорость для расцепления молекул и атомов воздуха. Этого можно достичь только при более высоком напряжении в момент зажигания дуги.
График изменения тока I в дуге при ее зажигании и устойчивом горении (рис. 1, б) называется статической характеристикой дуги и соответствует установившемуся горению дуги. Точка А характеризует момент зажигания дуги. Напряжение дуги V быстро падает по кривой АБ до нормальной величины, соответствующей в точке Б устойчивому горению дуги. Дальнейшее увеличение тока (вправо от точки Б) увеличивает нагрев электрода и скорость его плавления, но не оказывает влияния на устойчивость горения дуги.
Устойчивой называется дуга, горящая равномерно, без произвольных обрывов, требующих повторного зажигания. Если дуга горит неравномерно, часто обрывается и гаснет, то такая дуга называется неустойчивой. Устойчивость дуги зависит от многих причин, основными из которых являются род тока, состав покрытия электрода, вид электрода, полярность и длина дуги.
При переменном токе дуга горит менее устойчиво, чем при постоянном. Это объясняется тем, что в тот момент, когда ток п, дает до нуля, ионизация дугового промежутка уменьшается и дуга может гаснуть. Чтобы повысить устойчивость дуги переменного тока, приходится наносить на металлический электрод ио-крытия. Пары элементов, входящих в покрытие, повышают ионизацию дугового промежутка и тем способствуют устойчивому горению дуги при переменном токе.
Длину дуги определяют расстоянием между торцом электрода и поверхностью расплавленного металла свариваемого изделия. Обычно нормальная длина дуги не должна превышать 3…4 мм для стального электрода. Такая дуга называется короткой. Короткая дуга горит устойчиво и при ней обеспечивается нормальное протекание процесса сварки. Дуга длиной больше 6 мм называется длинной. При ней процесс плавления металла электрода идет неравномерно. Стекающие с конца электрода капли металла в этом случае 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 сварки, увеличивается разбрызгивание металла и количество мест непровара или неполного сплавления наплавленного металла с основным.
Перенос электродного металла на изделие при дуговой сварке плавящимся электродом является сложным процессом. После зажигания дуги (положение /) на поверхности торца электрода образуется слой расплавленного металла, который под действием сил тяжести и поверхностного натяжения собирается в каплю (положение //). Капли могут достигать больших размеров и перекрывать столб дуги (положение III ), создавая на непродолжительное время короткое замыкание сварочной цепи, после чего образовавшийся мостик из жидкого металла разрывается, дуга возникает вновь, и процесс каплеобразования повторяется.
Размеры и количество капель, проходящих через дугу в единицу времени, зависят от полярности и силы тока, химического состава и физического состояния металла электрода, состава покрытия и ряда других условий. Крупные капли, достигающие 3…4 мм, обычно образуются при сварке непокрытыми электро-дами, мелкие капли (до 0,1 мм)-при сварке покрытыми электл родами и большой силе тока. Мелкокапельный процесс обеспечивает стабильность горения дуги и благоприятствует условиям переноса в дуге расплавленного металла электрода.
Рис. 2. Схема переноса металла с электрода на свариваемый металл
Рис. 3. Отклонение электрической дуги магнитными полями (а-ж)
Сила тяжести может способствовать или препятствовать переносу капель в дуге. При потолочной и частично при вертикальной сварке сила тяжести капли противодействует переносу ее на изделие. Но благодаря силе поверхностного натяжения жидкая ванна металла удерживается от вытекания при сварке в потолочном и вертикальном положениях.
Прохождение электрического тока по элементам сварочной цепи, в том числе по свариваемому изделию, создает магнитное поле, напряженность которого зависит от силы сварочного тока. Газовый столб электрической дуги является гибким проводником электрического тока, поэтому он подвержен действию результирующего магнитного поля, которое образуется в сварочном контуре. В нормальных условиях газовый столб дуги, открыто горящей в атмосфере, расположен симметрично оси электрода. Под действием электромагнитных сил происходит отклонение дуги от оси электрода в поперечном или продольном направлении, что по внешним признакам подобно смещению факела открытого пламени при сильных воздушных потоках. Это явление называют магнитным дутьем.
Присоединение сварочного провода в непосредственной близости к дуге резко снижает ее отклонение, так как собственное круговое магнитное поле тока оказывает равномерное воздействие на столб дуги. Подвод тока к изделию в отдалении от Дуги приведет к отклонению ее вследствие сгущения силовых линий кругового магнитного поля со стороны токопровода.
Если говорить о характеристиках вольтовой дуги, то стоит упомянуть, что она отличается более низким напряжением, чем тлеющий разряд, и полагается на термоэлектронное излучение электронов от электродов, поддерживающих дугу. В англоязычных странах этот термин считается архаичным и устаревшим.
Методы подавления дуги можно использовать для уменьшения ее продолжительности или вероятности образования.
В конце 1800-х годов вольтова дуга широко использовалась для общественного освещения. Некоторые электрические дуги низкого давления используются во многих приложениях. Например, для освещения применяются люминесцентные лампы, ртутные, натриевые и металлогалогенные лампы. Ксеноновые дуговые лампы использовались для кинопроекторов.
Открытие вольтовой дуги
Считается, что это явление впервые было описано сэром Хамфри Дэви в статье 1801 года, опубликованной в Journal of Natural Philosophy, Chemistry and Arts Уильяма Николсона. Однако явление, описанное Дэви, не было электрической дугой, но лишь искрой. Поздние исследователи писали: «Это, очевидно, описание не дуги, а искры. Суть первой заключается в том, что она должна быть непрерывной, и ее полюса не должны соприкасаться после того, как она возникла. Искра, созданная сэром Хамфри Дэви, была явно не непрерывной, и хотя в течение некоторого времени после контакта с атомами углерода оставалась заряженной, скорее всего не было соединения дуги, которое необходимо для ее классификации как вольтовой».
В том же году Дэви публично продемонстрировал эффект перед Королевским обществом, передав электрический ток через два соприкасающихся угольных стержня, а затем оттянув их на небольшое расстояние друг от друга. Демонстрация показала «слабую» дугу, с трудом отличимую от устойчивой искры, между точками древесного угля. Научное сообщество предоставило ему более мощную батарею из 1000 пластин, и в 1808 году он продемонстрировал возникновение вольтовой дуги в крупных масштабах. Ему также приписывают ее название на английском языке (electric arc). Он назвал ее дугой, потому что она принимает форму восходящего лука, когда расстояние между электродами становится близким. Это связано с проводящими свойствами раскаленного газа.
Как появилась вольтова дуга? Первая непрерывная дуга была зафиксирована независимо в 1802 г. и описана в 1803 г. как «специальная жидкость с электрическими свойствами» русским ученым Василием Петровым, экспериментирующий с медно-цинковой батареей, состоящей из 4200 дисков.
Дальнейшее изучение
В конце девятнадцатого века вольтова дуга широко использовалась для общественного освещения. Тенденция электрических дуг к мерцанию и шипению была серьезной проблемой. В 1895 году Герта Маркс Айртон написала серию статей об электричестве, объяснив, что вольтова дуга была результатом контакта кислорода с углеродными стержнями, используемыми для создания дуги.
В 1899 году она была первой женщиной, когда-либо читавшей свой собственный доклад перед Институтом инженеров-электриков (IEE). Ее доклад был озаглавлен как «Механизм электрической дуги». Вскоре после этого Айртон была избрана первой женщиной-членом Института инженеров-электриков. Следующая женщина была принята в институт аж в 1958 году. Айртон подала прошение прочесть доклад перед Королевским научным обществом, но ей не разрешили сделать этого из-за ее пола, и «Механизм электрической дуги» был прочитан Джоном Перри вместо нее в 1901 году.
Описание
Электрическая дуга представляет собой вид с наибольшей плотностью тока. Максимальная сила тока, проводимого по дуге, ограничена только внешней средой, а не самой дугой.
Дуга между двумя электродами может быть инициирована ионизацией и тлеющим разрядом, когда ток через электроды увеличивается. Пробивное напряжение электродного зазора представляет собой комбинированную функцию давления, расстояния между электродами и типа газа, окружающего электроды. Когда начинается дуга, ее напряжение на клеммах намного меньше, чем у тлеющего разряда, а ток выше. Дуга в газах вблизи атмосферного давления характеризуется видимым светом, высокой плотностью тока и высокой температурой. Она отличается от тлеющего разряда примерно одинаковыми эффективными температурами как электронов, так и положительных ионов, и в тлеющем разряде ионы имеют гораздо меньшую тепловую энергию, чем электроны.
При сваривании
Вытянутая дуга может быть инициирована двумя электродами, первоначально находящимися в контакте и разнесенными в процессе эксперимента. Это действие может инициировать дугу без высоковольтного тлеющего разряда. Это способ, которым сварщик начинает сваривать соединение, мгновенно прикасаясь сварочным электродом к предмету.
Другим примером является разделение электрических контактов на переключателях, реле или автоматических выключателях. В высокоэнергетических схемах может потребоваться подавление дуги, чтобы предотвратить повреждение контактов.
Вольтова дуга: характеристики
Электрическое сопротивление вдоль непрерывной дуги создает тепло, которое ионизует больше молекул газа (где степень ионизации определяется температурой), и в соответствии с этой последовательностью газ постепенно превращается в тепловую плазму, которая находится в тепловом равновесии, поскольку температура относительно однородно распределяется по всем атомам, молекулам, ионам и электронам. Энергия, передаваемая электронами, быстро диспергируется с более тяжелыми частицами за счет упругих столкновений из-за их большой подвижности и больших чисел.
Ток в дуге поддерживается термоэлектронной и полевой эмиссией электронов на катоде. Ток может быть сконцентрирован в очень малой горячей точке на катоде - порядка миллиона ампер на квадратный сантиметр. В отличие от тлеющего разряда, дуга имеет мало различимую структуру, поскольку положительный столбец достаточно яркий и простирается почти до электродов с обоих концов. Падение катода и падение анода в несколько вольт происходит в пределах доли миллиметра каждого электрода. Положительный столбец имеет более низкий градиент напряжения и может отсутствовать в очень коротких дугах.
Низкочастотная дуга
Низкочастотная (менее 100 Гц) дуга переменного тока напоминает дугу постоянного тока. На каждом цикле дуга инициируется пробоем, и электроды меняют роли, когда ток меняет направление. По мере увеличения частоты тока не хватает времени для ионизации при расхождении на каждом полупериоде, и пробой больше не нужен для поддержания дуги - характеристика напряжения и тока становится более омической.
Место среди прочих физических явлений
Различные формы электрических дуг являются возникающими свойствами нелинейных моделей тока и электрического поля. Дуга встречается в заполненном газом пространстве между двумя проводящими электродами (часто из вольфрама или углерода), что приводит к возникновению очень высокой температуры, способной плавить или испарять большинство материалов. Электрическая дуга представляет собой непрерывный разряд, в то время как аналогичный электрический искровой разряд является мгновенным. Вольтова дуга может возникать либо в цепях постоянного тока, либо в цепях переменного. В последнем случае она может повторно ударяться о каждом полупериоде возникновения тока. Электрическая дуга отличается от тлеющего разряда тем, что плотность тока довольно велика, а падение напряжения внутри дуги низкое. На катоде плотность тока может достигать одного мегаампера на квадратный сантиметр.
Разрушительный потенциал
Электрическая дуга имеет нелинейную зависимость между током и напряжением. Как только дуга будет создана (либо путем прогрессирования из тлеющего разряда, либо путем мгновенного касания электродов, а затем разделения их), увеличение тока приводит к более низкому напряжению между дуговыми терминалами. Этот эффект отрицательного сопротивления требует, чтобы какая-то положительная форма импеданса (как электрического балласта) была помещена в цепь для поддержания стабильной дуги. Это свойство является причиной того, что неконтролируемые электрические дуги в аппарате становятся настолько разрушительными, ведь после своего возникновения дуга будет потреблять все больше тока от источника постоянного напряжения до тех пор, пока устройство не будет уничтожено.
Практическое применение
В промышленном масштабе электрические дуги используются для сварки, плазменной резки, механической обработки электрическим разрядом, в качестве дуговой лампы в кинопроекторах и в освещении. Электродуговые печи используются для производства стали и других веществ. Карбид кальция получают именно таким образом, поскольку для достижения эндотермической реакции (при температурах 2500 °С) требуется большое количество энергии.
Углеродистые дуговые огни были первыми электрическими огнями. Они использовались для уличных фонарей в XIX веке и для создания специализированных устройств, таких как прожекторы, до Второй мировой войны. Сегодня электрические дуги низкого давления используются во многих областях. Например, для освещения используются люминесцентные лампы, ртутные, натриевые и металлогалогенные лампы, а ксеноновые дуговые лампы используются для кинопроекторов.
Формирование интенсивной электрической дуги, подобно мелкомасштабной дуговой вспышке, является основой взрывоопасных детонаторов. Когда ученые узнали, что такое вольтова дуга и как ее можно использовать, разнообразие мирового вооружения пополнилось эффективной взрывчаткой.
Основным оставшимся применением является высоковольтное распределительное устройство для сетей передачи. Современные устройства также используют гексафторид серы под высоким давлением.
Заключение
Несмотря на частоту ожогов вольтовой дугой, она считается очень полезным физическим явлением, до сих пор широко использующимся в промышленности, производстве и создании декоративных предметов. Она обладает своей эстетикой, и ее образ часто мелькает в научно-фантастических фильмах. Поражение вольтовой дугой не является смертельным.
Электри́ческая дуга́ (во́льтова дуга́ , дугово́й разря́д ) - физическое явление, один из видов электрического разряда в газе.
Строение дуги
Электрическая дуга состоит из катодной и анодной областей, столба дуги, переходных областей. Толщина анодной области составляет 0,001 мм, катодной области - около 0,0001 мм.
Температура в анодной области при сварке плавящимся электродом составляет около 2500 … 4000°С, температура в столбе дуги - от 7 000 до 18 000°С, в области катода - 9000 - 12000°С.
Столб дуги электрически нейтрален. В любом его сечении находятся одинаковое количество заряженных частиц противоположных знаков. Падение напряжения в столбе дуги пропорционально его длине .
Сварочные дуги классифицируют по:
- Материалам электрода - с плавящимся и неплавящимся электродом;
- Степени сжатия столба - свободную и сжатую дугу;
- По используемому току - дуга постоянного и дуга переменного тока;
- По полярности постоянного электрического тока - прямой полярности ("-" на электроде, "+" - на изделии) и обратной полярности;
- При использовании переменного тока - дуги однофазная и трехфазная.
Саморегулирование дуги при электросварке
При возникновении внешнего возмещения - изменения напряжения сети, скорости подачи проволоки и др. - возникает нарушение в установившемся равновесии между скоростью подачи и скоростью плавления. При увеличении длины дуги в цепи уменьшаются сварочный ток и скорость плавления электродной проволоки, а скорость подачи, оставаясь постоянной, становится больше скорости плавления, что приводит к восстановлению длины дуги. При уменьшении длины дуги скорость плавления проволоки становится больше скорости подачи, это приводит к восстановлению нормальной длины дуги .
На эффективность процесса саморегулирования дуги значительно влияет форма вольт-амперной характеристики источника питания. Большое быстродействие колебания длины дуги отрабатывается автоматически при жестких ВАХ цепи.
Борьба с электрической дугой
В ряде устройств явление электрической дуги является вредным. Это в первую очередь контактные коммутационные устройства, используемые в электроснабжении и электроприводе: высоковольтные выключатели , автоматические выключатели , контакторы , секционные изоляторы на контактной сети электрифицированных железных дорог и городского электротранспорта. При отключении нагрузок вышеуказанными аппаратами между размыкающимися контактами возникает дуга.
Механизм возникновения дуги в данном случае следующий:
- Уменьшение контактного давления - количество контактных точек уменьшается, растёт сопротивление в контактном узле;
- Начало расхождения контактов - образование «мостиков» из расплавленного металла контактов (в местах последних контактных точек);
- Разрыв и испарение «мостиков» из расплавленного металла;
- Образование электрической дуги в парах металла (что способствует большей ионизации контактного промежутка и трудности при гашении дуги);
- Устойчивое горение дуги с быстрым выгоранием контактов.
Для минимального повреждения контактов необходимо погасить дугу в минимальное время, прилагая все усилия по недопущению нахождения дуги на одном месте (при движении дуги теплота, выделяющаяся в ней будет равномерно распределяться по телу контакта).
Для выполнения вышеуказанных требований применяются следующие методы борьбы с дугой:
- охлаждение дуги потоком охлаждающей среды - жидкости (масляный выключатель); газа - (воздушный выключатель , автогазовый выключатель , масляный выключатель , элегазовый выключатель), причём поток охлаждающей среды может проходить как вдоль ствола дуги (продольное гашение), так и поперёк (поперечное гашение); иногда применяется продольно-поперечное гашение;
- использование дугогасящей способности вакуума - известно, что при уменьшении давления газов, окружающих коммутируемые контакты до определённого значения, приводит к эффективному гашению дуги (в связи с отсутствием носителей для образования дуги) вакуумный выключатель .
- использование более дугостойкого материала контактов;
- применение материала контактов с более высоким потенциалом ионизации;
- применение дугогасительных решёток (автоматический выключатель , электромагнитный выключатель). Принцип применения дугогашения на решётках основан на применении эффекта околокатодного падения в дуге (большая часть падения напряжения в дуге - это падение напряжения на катоде; дугогасительная решётка - фактически ряд последовательных контактов для попавшей туда дуги).
- использование
1. Условия возникновения и горения дуги
Размыкание электрической цепи при наличии в ней тока сопровождается электрическим разрядом между контактами. Если в отключаемой цепи ток и напряжение между контактами больше, чем критические для данных условий, то между контактами возникает дуга , продолжительность горения которой зависит от параметров цепи и условий деионизации дугового промежутка. Образование дуги при размыкании медных контактов возможно уже при токе 0,4-0,5 А и напряжении 15 В.
Рис. 1. Расположение в стационарной дуге постоянного тока напряжения U(a) и напряженности Е(б).
В дуге различают околокатодное пространство, ствол дуги и околоанодное пространство (рис. 1). Все напряжение распределяется между этими областями U к, U сд, U а. Катодное падение напряжения в дуге постоянного тока 10-20 В, а длина этого участка составляет 10–4-10–5 см, таким образом, около катода наблюдается высокая напряженность электрического поля (105-106 В/см). При таких высоких напряженностях происходит ударная ионизация. Суть ее заключается в том, что электроны, вырванные из катода силами электрического поля (автоэлектронная эмиссия) или за счет нагрева катода (термоэлектронная эмиссия), разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать один электрон с оболочки нейтрального атома, то произойдет ионизация. Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги.
Рис. 2. .
Проводимость плазмы приближается к проводимости металлов [у = 2500 1/(Ом×см)]/ В стволе дуги проходит большой ток и создается высокая температура. Плотность тока может достигать 10 000 А/см2 и более, а температура - от 6000 К при атмосферном давлении до 18000 К и более при повышенных давлениях.
Высокие температуры в стволе дуги приводят к интенсивной термоионизации, которая поддерживает большую проводимость плазмы.
Термоионизация - процесс образования ионов за счет соударения молекул и атомов, обладающих большой кинетической энергией при высоких скоростях их движения.
Чем больше ток в дуге, тем меньше ее сопротивление, а поэтому требуется меньшее напряжение для горения дуги, т. е. дугу с большим током погасить труднее.
При переменном токе напряжение источника питания u cд меняется синусоидально, так же меняется ток в цепи i (рис. 2), причем ток отстает от напряжения примерно на 90°. Напряжение на дуге u д, горящей между контактами выключателя, непостоянно. При малых токах напряжение возрастает до величины u з (напряжения зажигания), затем по мере увеличения тока в дуге и роста термической ионизации напряжение падает. В конце полупериода, когда ток приближается к нулю, дуга гаснет при напряжении гашения u г. В следующий полупериод явление повторяется, если не приняты меры для деионизации промежутка.
Если дуга погашена теми или иными способами, то напряжение между контактами выключателя должно восстановиться до напряжения питающей сети - u вз (рис. 2, точка А). Однако поскольку в цепи имеются индуктивные, активные и емкостные сопротивления, возникает переходный процесс, появляются колебания напряжения (рис. 2), амплитуда которых U в,max может значительно превышать нормальное напряжение. Для отключающей аппаратуры важно, с какой скоростью восстанавливается напряжение на участке АВ. Подводя итог, можно отметить, что дуговой разряд начинается за счет ударной ионизации и эмиссии электронов с катода, а после зажигания дуга поддерживается термоионизацией в стволе дуги.
В коммутационных аппаратах необходимо не только разомкнуть контакты, но и погасить возникшую между ними дугу.
В цепях переменного тока ток в дуге каждый полупериод проходит через нуль (рис. 2), в эти моменты дуга гаснет самопроизвольно, но в следующий полупериод она может возникнуть вновь. Как показывают осциллограммы, ток в дуге становится близким нулю несколько раньше естественного перехода через нуль (рис. 3, а ). Это объясняется тем, что при снижении тока энергия, подводимая к дуге, уменьшается, следовательно, уменьшается температура дуги и прекращается термоионизация. Длительность бестоковой паузы t п невелика (от десятков до нескольких сотен микросекунды), но играет важную роль в гашении дуги. Если разомкнуть контакты в бестоковую паузу и развести их с достаточной скоростью на такое расстояние, чтобы не произошел электрический пробой, то цепь будет отключена очень быстро.
Во время бестоковой паузы интенсивность ионизации сильно падает, так как не происходит термоионизации. В коммутационных аппаратах, кроме того, принимаются искусственные меры охлаждения дугового пространства и уменьшения числа заряженных частиц. Эти процессы деионизации приводят к постепенному увеличению электрической прочности промежутка u пр (рис. 3, б ).
Резкое увеличение электрической прочности промежутка после перехода тока через нуль происходит главным образом за счет увеличения прочности околокатодного пространства (в цепях переменного тока 150-250В). Одновременно растет восстанавливающееся напряжение u в. Если в любой момент u пр > u в промежуток не будет пробит, дуга не загорится вновь после перехода тока через нуль. Если в какой-то момент u пр = u в, то происходит повторное зажигание дуги в промежутке.
Рис. 3. :
а – погасание дуги при естественном переходе тока через нуль; б – рост электрической прочности дугового промежутка при переходе тока через нуль
Таким образом, задача гашения дуги сводится к созданию таких условий, чтобы электрическая прочность промежутка между контактами u пр была больше напряжения между ними u в.
Процесс нарастания напряжения между контактами отключаемого аппарата может носить различный характер в зависимости от параметров коммутируемой цепи. Если отключается цепь с преобладанием активного сопротивления, то напряжение восстанавливается по апериодическому закону; если в цепи преобладает индуктивное сопротивление, то возникают колебания, частоты которых зависят от соотношения емкости и индуктивности цепи. Колебательный процесс приводит к значительным скоростям восстановления напряжения, а чем больше скорость du в/dt , тем вероятнее пробой промежутка и повторное зажигание дуги. Для облегчения условий гашения дуги в цепь отключаемого тока вводятся активные сопротивления, тогда характер восстановления напряжения будет апериодическим (рис. 3, б ).
3. Способы гашения дуги в коммутационных аппаратах до 1000 В
В коммутационных аппаратах до 1 кВ широко используются следующие способы гашения дуги:
Удлинение дуги при быстром расхождении контактов.
Чем длиннее дуга, тем большее напряжение необходимо для ее существования. Если напряжение источника питания окажется меньше, то дуга гаснет.
Деление длинной дуги на ряд коротких (рис. 4, а
).
Как показано на рис. 1, напряжение на дуге складывается из катодного U
к и анодного U
а падений напряжений и напряжения ствола дуги U
сд:
U д=U к+U а+U сд=U э+ U сд.
Если длинную дугу, возникшую при размыкании контактов, затянуть в дугогасительную решетку из металлических пластин, то она разделится на N коротких дуг. Каждая короткая дуга будет иметь свое катодное и анодное падения напряжений U э. Дуга гаснет, если:
U n U э,
где U - напряжение сети; U э - сумма катодного и анодного падений напряжения (20-25 В в дуге постоянного тока).
Дугу переменного тока также можно разделить на N коротких дуг. В момент прохождения тока через нуль околокатодное пространство мгновенно приобретает электрическую прочность 150-250 В.
Дуга гаснет, если
Гашение дуги в узких щелях.
Если дуга горит в узкой щели, образованной дугостойким материалом, то благодаря соприкосновению с холодными поверхностями происходит интенсивное охлаждение и диффузия заряженных частиц в окружающую среду. Это приводит к быстрой деионизации и гашению дуги.
Рис. 4.
а – деление длинной дуги на короткие; б – затягивание дуги в узкую щель дугогасительной камеры; в – вращение дуги в магнитном поле; г – гашение дуги в масле: 1 – неподвижный контакт; 2 – ствол дуги; 3 – водородная оболочка; 4 – зона газа; 5 – зона паров масла; 6 – подвижный контакт
Движение дуги в магнитном поле.
Электрическая дуга может рассматриваться как проводник с током. Если дуга находится в магнитном поле, то на нее действует сила, определяемая по правилу левой руки. Если создать магнитное поле, направленное перпендикулярно оси дуги, то она получит поступательное движение и будет затянута внутрь щели дугогасительной камеры (рис. 4, б ).
В радиальном магнитном поле дуга получит вращательное движение (рис. 4, в ). Магнитное поле может быть создано постоянными магнитами, специальными катушками или самим контуром токоведущих частей. Быстрое вращение и перемещение дуги способствует ее охлаждению и деионизации.
Последние два способа гашения дуги (в узких щелях и в магнитном поле) применяются также в отключающих аппаратах напряжением выше 1 кВ.
4. Основные способы гашения дуги в аппаратах выше 1 кВ.
В коммутационных аппаратах свыше 1 кВ применяются способы 2 и 3 описанные в п.п. 1.3. а также широко применяются следующие способы гашения дуги:
1. Гашение дуги в масле .
Если контакты отключающего аппарата поместить в масло, то возникающая при размыкании дуга приводит к интенсивному газообразованию и испарению масла (рис. 4, г ). Вокруг дуги образуется газовый пузырь, состоящий в основном из водорода (70-80 %); быстрое разложение масла приводит к повышению давления в пузыре, что способствует ее лучшему охлаждению и деионизации. Водород обладает высокими дугогасящими свойствами. Соприкасаясь непосредственно со стволом дуги, он способствует ее деионизации. Внутри газового пузыря происходит непрерывное движение газа и паров масла. Гашение дуги в масле широко применяется в выключателях.
2. Газовоздушное дутье .
Охлаждение дуги улучшается, если создать направленное движение газов - дутье. Дутье вдоль или поперек дуги (рис. 5) способствует проникновению газовых частиц в ее ствол, интенсивной диффузии и охлаждению дуги. Газ создается при разложении масла дугой (масляные выключатели) или твердых газогенерирующих материалов (автогазовое дутье). Более эффективно дутье холодным неионизированным воздухом, поступающим из специальных баллонов со сжатым воздухом (воздушные выключатели).
3. Многократный разрыв цепи тока .
Отключение большого тока при высоких напряжениях затруднительно. Это объясняется тем, что при больших значениях подводимой энергии и восстанавливающегося напряжения деионизация дугового промежутка усложняется. Поэтому в выключателях высокого напряжения применяют многократный разрыв дуги в каждой фазе (рис. 6). Такие выключатели имеют несколько гасительных устройств, рассчитанных на часть номинального на
пряжения. Число разрывов на фазу зависит от типа выключателя и его напряжения. В выключателях 500-750 кВ может быть 12 разрывов и более. Чтобы облегчить гашение дуги, восстанавливающееся напряжение должно равномерно распределяться между разрывами. На рис. 6 схематически показан масляный выключатель с двумя разрывами на фазу.
При отключении однофазного КЗ восстанавливающееся напряжение распределится между разрывами следующим образом:
U 1/U 2 = (C 1+C 2)/C 1
где U 1 ,U 2 - напряжения, приложенные к первому и второму разрывам; С 1 – емкость между контактами этих разрывов; C 2 – емкость контактной системы относительно земли.
Рис. 6. Распределение напряжения по разрывам выключателя: а – распределение напряжения по разрывам масляного выключателя; б – емкостные делители напряжения; в – активные делители напряжения.
Так как С 2 значительно больше C 1, то напряжение U 1 > U 2 и, следовательно, гасительные устройства будут работать в неодинаковых условиях. Для выравнивания напряжения параллельно главным контактам выключателя (ГК) включают емкости или активные сопротивления (рис. 16, б , в ). Значения емкостей и активных шунтирующих сопротивлений подбирают так, чтобы напряжение на разрывах распределялось равномерно. В выключателях с шунтирующими сопротивлениями после гашения дуги между ГК сопровождающий ток, ограниченный по значению сопротивлениями, разрывается вспомогательными контактами (ВК).
Шунтирующие сопротивления уменьшают скорость нарастания восстанавливающегося напряжения, что облегчает гашение дуги.
4. Гашение дуги в вакууме .
Высокоразреженный газ (10-6-10-8 Н/см2) обладает электрической прочностью, в десятки раз большей, чем газ при атмосферном давлении. Если контакты размыкаются в вакууме, то сразу же после первого прохождения тока в дуге через нуль прочность промежутка восстанавливается и дуга не загорается вновь.
5. Гашение дуги в газах высокого давления .
Воздух при давлении 2 МПа и более обладает высокой электрической прочностью. Это позволяет создавать достаточно компактные устройства для гашения дуги в атмосфере сжатого воздуха. Еще более эффективно применение высокопрочных газов, например шестифторисгой серы SF6 (элегаз). Элегаз обладает не только большей электрической прочностью, чем воздух и водород, но и лучшими дугогасящими свойствами даже при атмосферном давлении.
Принцип электродуговой сварки основан на использовании температуры электрического разряда, возникающего между сварочным электродом и металлической заготовкой.
Дуговой разряд образуется вследствие электрического пробоя воздушного промежутка. При возникновении этого явления происходит ионизация молекул газа, повышение его температуры и электропроводности, переход в состояние плазмы.
Горение сварочной дуги сопровождается выделением большого количества световой и особенно тепловой энергии, вследствие чего резко повышается температура, и происходит локальное плавление металла заготовки. Это и есть сварка.
В процессе работы, для того, чтобы возбудить дуговой разряд, производится кратковременное касание заготовки электродом, то есть, создание короткого замыкания с последующим разрывом металлического контакта и установлением требуемого воздушного зазора. Таким способом выбирается оптимальная длина сварочной дуги.
При очень коротком разряде электрод может прилипать к заготовке, плавление происходит чересчур интенсивно, что может привести к образованию наплывов. Длинная дуга отличается неустойчивостью горения и недостаточно высокой температурой в зоне сварки.
Неустойчивость и видимое искривление формы сварочной дуги часто можно наблюдать при работе промышленных сварочных агрегатов с достаточно массивными деталями. Это явление называется магнитным дутьем.
Суть его заключается в том, что сварочный ток дуги создает некоторое магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем, создаваемым током, протекающим через массивную заготовку.
То есть, отклонение дуги вызывается магнитными силами. Дутьем процесс назван потому, что дуга отклоняется, как будто под воздействием ветра.
Радикальных способов борьбы с этим явлением нет. Для уменьшения влияния магнитного дутья применяют сварку укороченной дугой, а также располагают электрод под определенным углом.
Среда горения
Существует несколько различных сварочных технологий, использующих электродуговые разряды, отличающиеся свойствами и параметрами. Электрическая сварочная дуга имеет следующие разновидности:
- открытая. Горение разряда происходит непосредственно в атмосфере;
- закрытая. Образующаяся при горении высокая температура вызывает обильное выделение газов от сгорающего флюса. Флюс содержится в обмазке сварочных электродов;
- в среде защитных газов. В этом варианте, в зону сварки подается газ, чаще всего, это гелий, аргон или углекислый газ.
Защита зоны сварки необходима для предотвращения активного окисления плавящегося металла под воздействием кислорода воздуха.
Слой окисла препятствует образованию сплошного сварного шва, металл в месте соединения приобретает пористость, в результате чего снижается прочность и герметичность стыка.
В какой-то мере дуга сама способна создавать микроклимат в зоне горения за счет образования области повышенного давления, препятствующего притоку атмосферного воздуха.
Применение флюса позволяет более активно выдавливать воздух из зоны сварки. Использование среды защитных газов, подаваемых под давлением, решает эту задачу практически полностью.
Продолжительность разряда
Кроме критериев защищенности, дуговой разряд классифицируется по продолжительности. Существуют процессы, в которых горение дуги происходит в импульсном режиме.
В таких устройствах сварка осуществляется короткими вспышками. За время вспышки, температура успевает возрасти до величины, достаточной для локального расплавления небольшой зоны, в которой образуется точечное соединение.
Большинство же применяемых сварочных технологий использует относительно продолжительное по времени горение дуги. В течение сварочного процесса происходит постоянное перемещение электрода вдоль соединяемых кромок.
Область повышенной температуры, создающая , перемещается вслед за электродом. После перемещения сварочного электрода, следовательно, и дугового разряда, температура пройденного участка снижается, происходит кристаллизация сварочной ванны и образование прочного сварного шва.
Структура дугового разряда
Область дугового разряда условно принято делить на три участка. Участки, непосредственно прилегающие к полюсам (аноду и катоду), называют соответственно, анодным и катодным.
Центральную часть дугового разряда, расположенную между анодной и катодной областями, называют столбом дуги. Температура в зоне сварочной дуги может достигать нескольких тысяч градусов (до 7000 °C).
Хотя тепло не полностью передается металлу, его вполне хватает для расплавления. Так, температура плавления стали для сравнения составляет 1300-1500 °C.
Для обеспечения устойчивого горения дугового разряда необходимы следующие условия: наличие тока порядка 10 Ампер (это минимальное значение, максимум может достигать 1000 Ампер), при поддержании напряжения дуги от 15 до 40 Вольт .
Падение этого напряжения происходит в дуговом разряде. Распределение напряжения по зонам дуги происходит неравномерно. Падение большей части приложенного напряжения происходит в анодной и катодной зонах.
Экспериментальным путем установлено, что при , наибольшее падение напряжения наблюдается в катодной зоне. В этой же части дуги наблюдается наиболее высокий градиент температуры.
Поэтому, при выборе полярности сварочного процесса, катод соединяют с электродом, когда хотят добиться наибольшего его плавления, повысив его температуру. Наоборот, для более глубокого провара заготовки, катод присоединяют к ней. В столбе дуги падает наименьшая часть напряжения.
При производстве сварочных работ неплавящимся электродом, катодное падение напряжения меньше анодного, то есть, зона повышенной температуры смещена к аноду.
Поэтому, при этой технологии, заготовка подключается к аноду, чем обеспечивается хороший ее прогрев и защита неплавящегося электрода от излишней температуры.
Температурные зоны
Следует заметить, что при любом виде сварки, как плавящимся, так и неплавящимся электродом, столб дуги (его центр) имеет самую высокую температуру – порядка 5000-7000 °C, а иногда и выше.
Зоны наиболее низкой температуры располагаются в одной из активных областей, катодной или анодной. В этих зонах может выделяться 60-70% тепла дуги.
Кроме интенсивного повышения температуры заготовки и сварочного электрода, разряд излучает инфракрасные и ультрафиолетовые волны, способные оказывать вредное влияние на организм сварщика. Это обусловливает необходимость применения защитных мер.
Что касается сварки переменным током, понятие полярности там не существует, так как положение анода и катода изменяется с промышленной частотой 50 колебаний в секунду.
Дуга в этом процессе обладает меньшей устойчивостью по сравнению с постоянным током, ее температура скачет. К преимуществам сварочных процессов на переменном токе, можно отнести только более простое и дешевое оборудование, да еще практически полное отсутствие такого явления, как магнитное дутье, о котором сказано выше.
Вольт-амперная характеристика
На графике представлены кривые зависимости напряжения источника питания от величины сварочного тока, называемые вольт–амперными характеристиками сварочного процесса.
Кривые красного цвета отображают изменение напряжения между электродом и заготовкой в фазах возбуждения сварочной дуги и устойчивого ее горения. Начальные точки кривых соответствуют напряжению холостого хода источника питания.
В момент возбуждения сварщиком дугового разряда, напряжение резко снижается вплоть до того периода, когда параметры дуги стабилизируются, устанавливается значение тока сварки, зависящее от диаметра применяемого электрода, мощности источника питания и установленной длины дуги.
С наступлением этого периода, напряжение и температура дуги стабилизируются, и весь процесс приобретает устойчивый характер.