NA kategorie:
Montáž kovových konstrukcí
Elektrický oblouk a jeho vlastnosti
Elektrický oblouk je dlouhodobý elektrický výboj vyskytující se v plynové mezeře mezi dvěma vodiči - elektrodou a svařovaným kovem při významném proudu. Ionizace vzduchové vrstvy, která nepřetržitě vzniká vlivem rychlého proudění kladných a záporných iontů a elektronů v oblouku, vytváří potřebné podmínky pro dlouhodobé spalování svařovací oblouk.
Rýže. 1. Elektrický oblouk mezi kovovou elektrodou a svařovaným kovem: a - schéma oblouku, b - graf napětí oblouku o délce 4 mm; 1 - elektroda, 2 - halo plamene, 3 - obloukový sloupec, 4 - svařovaný kov, 5 - anodový bod, 6 - roztavená lázeň, 7 - kráter, 8 - katodový bod; h - hloubka průniku do oblouku, A - moment zapálení oblouku, B - moment stabilního hoření
Oblouk se skládá ze sloupu, jehož základna je umístěna v prohlubni (kráteru) vytvořené na hladině tavené tůně. Oblouk je obklopen aureolou plamene tvořenou výpary a plyny vycházejícími ze sloupce oblouku. Sloup má tvar kužele a je hlavní částí oblouku, protože je v něm soustředěno hlavní množství energie odpovídající nejvyšší hustotě elektrického proudu procházejícího obloukem. Horní část kolony, umístěná na elektrodě 1 (katodě), má malý průměr a tvoří katodovou skvrnu 8. Největší počet elektrod emituje katodovou skvrnu. Základna kužele sloupku oblouku je umístěna na svařovaném kovu (anodě) a tvoří bod anody. Průměr anodového bodu při průměrných hodnotách svařovací proud větší průměr katodová skvrna přibližně 1,5 ... 2 krát.
Pro svařování se používá stejnosměrný a střídavý proud. Při použití stejnosměrného proudu je mínus zdroje proudu připojen k elektrodě (přímá polarita) nebo ke svařovanému dílu „“ (obrácená polarita). Obrácená polarita se používá v případech, kdy je nutné omezit uvolňování tepla na svařovaný výrobek: při svařování tenkých nebo nízkotavitelných kovů, legovaných, nerezových a vysoce uhlíkových ocelí citlivých na přehřátí, jakož i při použití určité typy elektrod.
Produkuje velké množství tepla a má vysokou teplotu. Elektrický oblouk zároveň vytváří velmi koncentrované zahřívání kovu. Proto při svařování zůstává kov relativně mírně zahřátý i ve vzdálenosti několika centimetrů od svařovacího oblouku.
Působením oblouku se kov roztaví do určité hloubky h, nazývané hloubka průniku nebo průniku.
Oblouk je vybuzen, když se elektroda přiblíží ke svařovanému kovu a zkratuje svařovací obvod. Díky vysokému odporu v místě kontaktu elektrody s kovem se konec elektrody rychle zahřeje a začne emitovat proud elektronů. Když se konec elektrody rychle oddálí od kovu na vzdálenost 2...4 mm, vznikne elektrický oblouk.
Napětí v oblouku, tedy napětí mezi elektrodou a základním kovem, závisí především na jeho délce. Při stejném proudu je napětí v krátkém oblouku nižší než v dlouhém oblouku. To je způsobeno tím, že při dlouhém oblouku je odpor jeho plynové mezery větší. Zvýšení odporu v elektrický obvod při konstantním proudu vyžaduje zvýšení napětí v obvodu. Čím vyšší je odpor, tím vyšší musí být napětí, aby obvodem procházel stejný proud.
Oblouk mezi kovovou elektrodou a kovem hoří při napětí 18 ... 28 V. K iniciaci oblouku je zapotřebí vyšší napětí, než je nutné k udržení jeho normálního spalování. Vysvětluje se to tím, že v počátečním okamžiku ještě není vzduchová mezera dostatečně zahřátá a je nutné udělit elektronům vysokou rychlost, aby se molekuly a atomy vzduchu oddělily. Toho lze dosáhnout pouze vyšším napětím v okamžiku zapálení oblouku.
Graf změn proudu I v oblouku při jeho zapálení a stabilním hoření (obr. 1, b) se nazývá statická charakteristika oblouku a odpovídá ustálenému hoření oblouku. Bod A charakterizuje okamžik zapálení oblouku. Napětí oblouku V rychle klesá podél křivky AB na normální hodnotu odpovídající stabilnímu oblouku v bodě B. Další zvýšení proudu (vpravo od bodu B) zvyšuje zahřívání elektrody a rychlost jejího tavení, ale neovlivňuje stabilitu oblouku.
Stabilní oblouk je takový, který hoří rovnoměrně, bez libovolných přerušení vyžadujících opětovné zapálení. Pokud oblouk hoří nerovnoměrně, často se zlomí a zhasne, pak se takový oblouk nazývá nestabilní. Stabilita oblouku závisí na mnoha důvodech, z nichž hlavní jsou typ proudu, složení povlaku elektrody, typ elektrody, polarita a délka oblouku.
Při střídavém proudu hoří oblouk méně stabilně než při stejnosměrném. To se vysvětluje tím, že v okamžiku, kdy proud n, dosáhne nuly, ionizace obloukové mezery se sníží a oblouk může zhasnout. Pro zvýšení stability oblouku střídavého proudu je nutné nanášet na kovovou elektrodu povlaky. Dvojice prvků obsažených v povlaku zvyšují ionizaci obloukové mezery a tím přispívají ke stabilnímu hoření oblouku při střídavém proudu.
Délka oblouku je určena vzdáleností mezi koncem elektrody a povrchem roztaveného kovu svařovaného předmětu. Typicky by normální délka oblouku neměla překročit 3...4 mm u ocelové elektrody. Takový oblouk se nazývá krátký. Krátký oblouk hoří stabilně a zajišťuje normální průběh svařovacího procesu. Oblouk delší než 6 mm se nazývá dlouhý. S ním proces tavení kovu elektrody probíhá nerovnoměrně. V tomto případě mohou být kapky kovu stékající z konce elektrody oxidovány ve větší míře kyslíkem a obohaceny vzdušným dusíkem. Uložený kov se ukáže jako porézní, šev má nerovný povrch a oblouk hoří nestabilně. Při dlouhém oblouku se snižuje produktivita svařování, zvyšuje se rozstřik kovu a zvyšuje se počet míst neproražení nebo neúplného slití naneseného kovu se základním kovem.
Přenos elektrodového kovu do produktu během svařování svařovací elektrodou je složitý proces. Po zapálení oblouku (poloha /) se na povrchu konce elektrody vytvoří vrstva roztaveného kovu, která se vlivem gravitace a povrchového napětí shromáždí do kapky (poloha //). Kapky mohou dosáhnout velkých rozměrů a překrýt sloupec oblouku (poloha III), čímž na krátkou dobu vytvoří zkrat ve svařovacím okruhu, po kterém se vzniklý můstek tekutého kovu přeruší, oblouk se znovu objeví a proces tvorby kapek se opakuje.
Velikost a počet kapek procházejících obloukem za jednotku času závisí na polaritě a síle proudu, chemickém složení a fyzikálním stavu kovu elektrody, složení povlaku a řadě dalších podmínek. Velké kapky, dosahující 3...4 mm, se obvykle tvoří při svařování neobalenými elektrodami, malé kapky (do 0,1 mm) - při svařování obalenými elektrodami a vysokým proudem. Proces jemných kapek zajišťuje stabilní hoření oblouku a zvýhodňuje podmínky pro přenos roztaveného kovu elektrody v oblouku.
Rýže. 2. Schéma přenosu kovu z elektrody na svařovaný kov
Rýže. 3. Vychylování elektrického oblouku magnetickými poli (a-g)
Gravitace může napomáhat nebo bránit přenosu kapiček v oblouku. Při stropním a částečně vertikálním svařování působí gravitace kapky proti jejímu přenosu na výrobek. Ale díky síle povrchového napětí je kaluž tekutého kovu při svařování ve stropní a vertikální poloze chráněna před vytékáním.
Průchodem elektrického proudu prvky svařovacího obvodu včetně svařovaného výrobku vzniká magnetické pole, jehož síla závisí na síle svařovacího proudu. Plynový sloup elektrického oblouku je pružný vodič elektrického proudu, takže je vystaven výslednému magnetickému poli, které se tvoří ve svařovacím obvodu. V normální podmínky Plynový sloupec oblouku, hořící otevřeně v atmosféře, je umístěn symetricky k ose elektrody. Vlivem elektromagnetických sil se oblouk vychyluje od osy elektrody v příčném nebo podélném směru, což je vzhledově podobné přemístění otevřeného plamene při silných proudech vzduchu. Tento jev se nazývá magnetický výbuch.
Přistoupení svařovací drát v těsné blízkosti oblouku prudce snižuje jeho výchylku, protože vlastní kruhové magnetické pole proudu má rovnoměrný účinek na sloupec oblouku. Přívod proudu do výrobku ve vzdálenosti od Oblouku povede k jeho vychýlení v důsledku kondenzace silových čar kruhového magnetického pole ze strany proudového vodiče.
Pokud jde o charakteristiku galvanického oblouku, stojí za zmínku, že má nižší napětí než doutnavý výboj a spoléhá na termionické záření elektronů z elektrod, které oblouk podporují. V anglicky mluvících zemích je tento termín považován za archaický a zastaralý.
Techniky potlačení oblouku lze použít ke snížení trvání nebo pravděpodobnosti vzniku oblouku.
Koncem 19. století byl voltaický oblouk široce používán pro veřejné osvětlení. Některé elektrické oblouky nízký tlak se používají v mnoha aplikacích. Například pro osvětlení, které používají zářivky, rtuťové, sodíkové a halogenidové výbojky. Xenon obloukové lampy používané pro filmové projektory.
Otevření elektrického oblouku
Předpokládá se, že tento jev poprvé popsal Sir Humphry Davy v článku z roku 1801 publikovaném v časopise William Nicholson's Journal of Natural Philosophy, Chemistry and Arts. Jev, který Davy popsal, však nebyl elektrický oblouk, ale pouze jiskra. Pozdější badatelé napsali: „Toto zjevně není popis oblouku, ale jiskry. Podstatou prvního je, že musí být souvislý a jeho póly se po vzniku nesmí dotýkat. Jiskra produkovaná sirem Humphrym Davym zjevně nebyla spojitá, a přestože zůstala nabitá ještě nějakou dobu po kontaktu s atomy uhlíku, pravděpodobně nebylo nutné žádné obloukové spojení pro její klasifikaci jako voltaické.
Ten stejný rok Davy veřejně demonstroval účinek před Royal Society tím, že prošel elektrickým proudem dvěma dotýkajícími se uhlíkovými tyčemi a poté je odtáhl na krátkou vzdálenost od sebe. Ukázka ukázala „slabý“ oblouk, sotva rozeznatelný od trvalé jiskry, mezi hroty dřevěného uhlí. Vědecká komunita mu poskytla více výkonná baterie 1000 desek a v roce 1808 prokázal výskyt galvanického oblouku ve velkém měřítku. Jemu se také připisuje jeho pojmenování anglický jazyk(elektrický oblouk). Nazval jej oblouk, protože má tvar stoupajícího oblouku, když se vzdálenost mezi elektrodami přiblíží. To je způsobeno vodivými vlastnostmi horkého plynu.
Jak se objevil voltaický oblouk? První souvislý oblouk byl nezávisle pozorován v roce 1802 a popsán v roce 1803 jako „zvláštní kapalina s elektrickými vlastnostmi“ ruským vědcem Vasilijem Petrovem, experimentujícím s měděno-zinkovou baterií sestávající ze 4200 disků.
Další studie
Koncem devatenáctého století byl voltaický oblouk široce používán pro veřejné osvětlení. Tendence elektrických oblouků blikat a syčet byla vážným problémem. V roce 1895 Hertha Marx Ayrton napsala sérii článků o elektřině, kde vysvětlila, že galvanický oblouk byl výsledkem kontaktu kyslíku s uhlíkovými tyčemi používanými k vytvoření oblouku.
V roce 1899 byla první ženou, která kdy četla vlastní noviny před Institution of Electrical Engineers (IEE). Její zpráva se jmenovala „Mechanismus elektrického oblouku“. Krátce poté byla Ayrton zvolena první členkou Institution of Electrical Engineers. Další žena byla přijata do ústavu v roce 1958. Ayrton požádala o přečtení článku před Královskou společností, ale nebylo jí to umožněno kvůli jejímu pohlaví a Mechanismus elektrického oblouku přečetl místo ní John Perry v roce 1901.
Popis
Elektrický oblouk je typ s nejvyšší hustotou proudu. Maximální množství proudu přenášeného obloukem je omezeno pouze vnějším prostředím a nikoli samotným obloukem.
Oblouk mezi dvěma elektrodami může být iniciován ionizací a doutnavým výbojem, když se proud elektrodami zvýší. Průrazné napětí elektrodové mezery je kombinovanou funkcí tlaku, vzdálenosti mezi elektrodami a typu plynu obklopujícího elektrody. Když začne oblouk, jeho svorkové napětí je mnohem nižší než u doutnavého výboje a proud je vyšší. Oblouk v plynech blízkých atmosférickému tlaku je charakterizován viditelným světlem, vysoká hustota proudu a vysoké teploty. Od doutnavého výboje se liší přibližně stejnými efektivními teplotami elektronů i kladných iontů a v doutnavém výboji mají ionty mnohem nižší Termální energie než elektrony.
Při svařování
Rozšířený oblouk může být iniciován dvěma elektrodami, které jsou zpočátku v kontaktu a během experimentu jsou odděleny. Tato akce může iniciovat oblouk bez vysokonapěťového doutnavého výboje. Toto je způsob, jakým svářeč začne svařovat spoj okamžitým dotykem svařovací elektrody s předmětem.
Dalším příkladem je oddělení elektrických kontaktů na spínačích, relé nebo vypínačích. Vysokoenergetické obvody mohou vyžadovat potlačení oblouku, aby se zabránilo poškození kontaktů.
Voltaický oblouk: charakteristika
Elektrický odpor podél souvislého oblouku vytváří teplo, které ionizuje více molekul plynu (přičemž stupeň ionizace je určen teplotou) a podle této sekvence se plyn postupně mění v tepelné plazma, které je v tepelné rovnováze, protože teplota je rozložena relativně rovnoměrně napříč všechny atomy, molekuly, ionty a elektrony. Energie přenášená elektrony se rychle rozptyluje s těžšími částicemi v důsledku elastických srážek v důsledku jejich vysoké pohyblivosti a vysoká čísla.
Proud v oblouku je udržován termionickou a polní emisí elektronů na katodě. Proud lze koncentrovat do velmi malého horkého bodu na katodě - řádově milion ampér na centimetr čtvereční. Na rozdíl od doutnavého výboje má oblouk jemnou strukturu, protože kladný sloupec je poměrně jasný a zasahuje téměř k elektrodám na obou koncích. Katodový pokles a anodový pokles o několik voltů se vyskytují ve zlomku milimetru každé elektrody. Kladný sloupec má nižší gradient napětí a může chybět ve velmi krátkých obloucích.
Nízkofrekvenční oblouk
Nízkofrekvenční (méně než 100 Hz) střídavý oblouk připomíná stejnosměrný oblouk. Při každém cyklu je oblouk iniciován průrazem a elektrody přepínají role, když proud mění směr. Jak se frekvence proudu zvyšuje, není dostatek času na ionizaci při divergenci každého půlcyklu a pro udržení oblouku již není potřeba průraz - napěťové a proudové charakteristiky se stávají ohmičtějšími.
Místo mezi ostatními fyzikálními jevy
Různé tvary elektrické oblouky jsou vznikající vlastnosti nelineárních proudových vzorů a elektrické pole. Oblouk vzniká v plynem naplněném prostoru mezi dvěma vodivými elektrodami (často wolframovými nebo uhlíkovými), což má za následek velmi vysoké teploty schopné roztavit nebo odpařit většinu materiálů. Elektrický oblouk je kontinuální výboj, zatímco podobný elektrický jiskrový výboj je okamžitý. K voltaickému oblouku může dojít buď v obvodech stejnosměrného proudu, nebo v obvodech střídavého proudu. V druhém případě může znovu udeřit každou polovinu cyklu současné generace. Elektrický oblouk se liší od doutnavého výboje tím, že hustota proudu je poměrně vysoká a pokles napětí uvnitř oblouku je nízký. Na katodě může proudová hustota dosáhnout jednoho megaampéru na centimetr čtvereční.
Destruktivní potenciál
Elektrický oblouk má nelineární vztah mezi proudem a napětím. Jakmile je oblouk vytvořen (buď postupem z doutnavého výboje nebo okamžitým dotykem elektrod a jejich oddělením), zvýšení proudu vede k nižšímu napětí mezi vývody oblouku. Tento negativní odporový efekt vyžaduje, aby byla do obvodu umístěna nějaká kladná forma impedance (jako elektrický předřadník), aby se udržoval stabilní oblouk. Tato vlastnost je důvodem, proč se nekontrolované elektrické oblouky v přístroji stávají tak destruktivními, protože po jejich vzniku bude oblouk spotřebovávat stále více proudu ze zdroje. DC napětí dokud nebude zařízení zničeno.
Praktické použití
V průmyslovém měřítku pro svařování se používají elektrické oblouky, řezání plazmou, mechanické zpracování elektrickým výbojem, jako oblouková lampa ve filmových projektorech a v osvětlení. Elektrické obloukové pece se používají k výrobě oceli a dalších látek. Tímto způsobem se získává karbid vápníku, protože k dosažení endotermické reakce je zapotřebí velké množství energie (při teplotách 2500 °C).
Karbonová oblouková světla byla první elektrická světla. Byly používány pro pouliční lampy v 19. století a pro specializovaná zařízení, jako jsou světlomety, až do druhé světové války. Dnes se nízkotlaké elektrické oblouky používají v mnoha oblastech. Pro osvětlení se používají například zářivky, rtuťové výbojky, sodíkové výbojky a halogenidové výbojky, zatímco pro filmové projektory se používají xenonové obloukové výbojky.
Základem výbušných rozbušek je vznik intenzivního elektrického oblouku, podobného drobnému obloukovému záblesku. Když vědci zjistili, co je to voltaický oblouk a jak jej lze použít, byla řada světových zbraní doplněna účinnými výbušninami.
Hlavní zbývající aplikací je vysoké napětí Spínací zařízení pro přenosové sítě. Moderní zařízení Používá se také fluorid sírový pod vysokým tlakem.
Závěr
Navzdory četnosti hoření voltaickým obloukem je považován za velmi užitečný fyzikální jev, dodnes hojně využívaný v průmyslu, výrobě a tvorbě dekorativních předmětů. Má svou vlastní estetiku a její image se často objevuje ve sci-fi filmech. Poranění elektrickým obloukem není smrtelné.
Elektrický oblouk (voltaický oblouk, obloukový výboj) - fyzikální jev, jeden z typů elektrického výboje v plynu.
Oblouková struktura
Elektrický oblouk se skládá z oblastí katody a anody, sloupce oblouku a přechodových oblastí. Tloušťka anodové oblasti je 0,001 mm, katodová oblast je asi 0,0001 mm.
Teplota v anodické oblasti při svařování stavnou elektrodou je asi 2500 ... 4000 ° C, teplota v obloukovém sloupci je od 7 000 do 18 000 ° C, v oblasti katody - 9 000 - 12 000 ° C.
Sloupec oblouku je elektricky neutrální. V kterékoli jeho sekci je stejný počet nabitých částic opačných znamének. Úbytek napětí ve sloupci oblouku je úměrný jeho délce.
Svařovací oblouky jsou klasifikovány podle:
- Materiály elektrod - s tavnou a nekonzumovatelnou elektrodou;
- Stupně komprese sloupu - volný a stlačený oblouk;
- Podle použitého proudu - DC oblouk a AC oblouk;
- Podle polarity stejnosměrného elektrického proudu - přímá polarita ("-" na elektrodě, "+" - na výrobku) a obrácená polarita;
- Při použití střídavého proudu - jednofázové a třífázové oblouky.
Samoregulace oblouku při elektrickém svařování
Když dojde k vnější kompenzaci – změny síťového napětí, rychlosti podávání drátu atd. – dojde k narušení ustavené rovnováhy mezi rychlostí posuvu a rychlostí tavení. S rostoucí délkou oblouku v okruhu se svařovací proud a rychlost tavení drátu elektrody zmenšují a rychlost posuvu, i když zůstává konstantní, se stává větší než rychlost tavení, což vede k obnovení délky oblouku. S klesající délkou oblouku se rychlost tavení drátu zvyšuje než rychlost posuvu, což vede k obnovení normální délky oblouku.
Účinnost procesu samoregulace oblouku je významně ovlivněna tvarem proudově-napěťové charakteristiky napájecího zdroje. Vysoká rychlost kolísání délky oblouku je zpracovávána automaticky s tuhými I-V charakteristikami obvodu.
Boj s elektrickým obloukem
V řadě zařízení je jev elektrického oblouku škodlivý. Jedná se především o kontaktní spínací přístroje používané v napájení a elektrických pohonech: vysokonapěťové spínače, jističe, stykače, sekční izolátory na kontaktní síti elektrifikovaných železnice a městská elektrická doprava. Když jsou zátěže odpojeny výše uvedenými zařízeními, vznikne mezi rozpínacími kontakty oblouk.
Mechanismus vzniku oblouku v v tomto případě další:
- Snížení kontaktního tlaku - počet kontaktních bodů klesá, odpor v kontaktní jednotce se zvyšuje;
- Začátek kontaktní divergence - tvorba „můstků“ z roztaveného kovu kontaktů (v posledních kontaktních bodech);
- Prasknutí a odpaření „mostů“ z roztaveného kovu;
- Vznik elektrického oblouku v kovových parách (což přispívá k větší ionizaci kontaktní mezery a obtížnosti uhašení oblouku);
- Stabilní hoření oblouku s rychlým vyhořením kontaktů.
Aby se minimalizovalo poškození kontaktů, je nutné oblouk uhasit v minimálním čase a vynaložit veškeré úsilí, aby oblouk nezůstal na jednom místě (jak se oblouk pohybuje, teplo v něm uvolněné bude rovnoměrně rozloženo po těle kontaktu ).
Ke splnění výše uvedených požadavků se používají následující metody řízení oblouku:
- chlazení oblouku proudem chladicího média - kapaliny (olejový spínač); plyn - (vzduchový jistič, autoplynový jistič, olejový jistič, plynový jistič SF6) a proud chladicího média může procházet jak podél hřídele oblouku (podélné zhášení), tak napříč (příčné zhášení); někdy se používá podélně-příčné tlumení;
- využití zhášecí schopnosti vakua oblouku - je známo, že při snížení tlaku plynů obklopujících spínané kontakty na určitou hodnotu vede vakuový jistič k účinnému zhášení oblouku (vzhledem k absenci nosičů pro tvorba oblouku).
- použití kontaktního materiálu odolnějšího proti oblouku;
- použití kontaktního materiálu s vyšším ionizačním potenciálem;
- použití zhášecích mřížek oblouku (jistič, elektromagnetický spínač). Princip použití zhášení oblouku na mřížkách je založen na využití efektu blízkokatodového úbytku oblouku (většina úbytku napětí v oblouku je úbytek napětí na katodě, mřížka zhášení oblouku je vlastně řada sériové kontakty pro oblouk, který se tam dostane).
- používání
1. Podmínky vzniku a hoření oblouku
Otevření elektrického obvodu, když je v něm proud, je doprovázeno elektrickým výbojem mezi kontakty. Pokud jsou v rozpojeném obvodu proud a napětí mezi kontakty větší než kritické pro dané podmínky, pak a oblouk, jehož doba hoření závisí na parametrech obvodu a podmínkách deionizace obloukové mezery. Vytvoření oblouku při otevření měděných kontaktů je možné již při proudu 0,4-0,5 A a napětí 15 V.
Rýže. 1. Umístění napětí U(a) a napětí ve stacionárním stejnosměrném obloukuE(b).
U oblouku se rozlišuje blízký katodový prostor, obloukový hřídel a blízký anodový prostor (obr. 1). Veškeré napětí je rozloženo mezi tyto oblasti U Na, U sd, U A. Pokles napětí katody ve stejnosměrném oblouku je 10-20 V a délka tohoto úseku je 10-4-10-5 cm, takže v blízkosti katody je pozorována vysoká intenzita elektrického pole (105-106 V/cm). . Při takto vysokém napětí dochází k nárazové ionizaci. Její podstata spočívá v tom, že elektrony odtržené od katody silami elektrického pole (emise pole) nebo vlivem zahřívání katody (termionická emise) jsou urychlovány do elektrické pole a když narazí na neutrální atom, dají mu svou kinetickou energii. Pokud tato energie stačí k odstranění jednoho elektronu z obalu neutrálního atomu, dojde k ionizaci. Výsledné volné elektrony a ionty tvoří plazma válce oblouku.
Rýže. 2. .
Plazmatická vodivost se blíží vodivosti kovů [ na= 2500 1/(Ohm×cm)]/ V hlavni oblouku prochází velký proud a vzniká vysoká teplota. Proudová hustota může dosáhnout 10 000 A/cm2 nebo více a teplota se může pohybovat od 6 000 K při atmosférickém tlaku do 18 000 K nebo více při zvýšeném tlaku.
Vysoké teploty v hlavni oblouku vedou k intenzivní tepelné ionizaci, která udržuje vysokou vodivost plazmatu.
Tepelná ionizace je proces tvorby iontů v důsledku srážky molekul a atomů s vysokou kinetickou energií při vysoké rychlosti jejich pohyby.
Čím větší je proud v oblouku, tím menší je jeho odpor, a proto je k vypálení oblouku potřeba menší napětí, to znamená, že je obtížnější uhasit oblouk velkým proudem.
Se střídavým napájecím napětím u cd se mění sinusově, mění se i proud v obvodu i(obr. 2) a proud zaostává za napětím přibližně o 90°. Napětí oblouku u d, pálení mezi kontakty spínače, přerušovaně. Při nízkých proudech se napětí zvýší na hodnotu u h (zážehové napětí), pak jak se zvyšuje proud v oblouku a zvyšuje se tepelná ionizace, napětí klesá. Na konci půlcyklu, když se proud blíží nule, oblouk zhasne při zhášecím napětí u d V dalším půlcyklu se jev opakuje, pokud nejsou přijata opatření k deionizaci mezery.
Pokud dojde k uhašení oblouku jedním nebo druhým způsobem, musí být napětí mezi kontakty spínače obnoveno na napájecí napětí - u vz (obr. 2, bod A). Protože však obvod obsahuje indukční, činné a kapacitní odpory, dochází k přechodovému procesu, objevují se kolísání napětí (obr. 2), jehož amplituda U in,max může výrazně překročit normální napětí. Pro spínací zařízení je důležité, jak rychle se obnoví napětí v úseku AB. Abychom to shrnuli, obloukový výboj je iniciován nárazovou ionizací a emisí elektronů z katody a po zapálení je oblouk udržován tepelnou ionizací v hlavni oblouku.
Ve spínacích zařízeních je nutné nejen otevřít kontakty, ale také uhasit oblouk, který mezi nimi vzniká.
Ve střídavých obvodech prochází proud v oblouku každou půlperiodu nulou (obr. 2), v těchto okamžicích oblouk samovolně zhasne, ale v dalším půlcyklu může znovu vzniknout. Jak ukazují oscilogramy, proud v oblouku se přiblíží nule o něco dříve než přirozený přechod nulou (obr. 3, A). To je vysvětleno skutečností, že když proud klesá, energie dodávaná do oblouku klesá, proto se teplota oblouku snižuje a tepelná ionizace se zastaví. Doba mrtvého času t n je malé (od desítek do několika set mikrosekund), ale hraje důležitou roli při zhášení oblouku. Pokud v mrtvém čase kontakty rozepnete a oddálíte dostatečnou rychlostí na takovou vzdálenost, aby nedošlo k elektrickému průrazu, obvod se velmi rychle vypne.
Během mrtvé pauzy intenzita ionizace výrazně klesá, protože nedochází k tepelné ionizaci. Ve spínacích zařízeních se navíc provádějí umělá opatření k ochlazení prostoru oblouku a snížení počtu nabitých částic. Tyto deionizační procesy vedou k postupnému zvyšování elektrické pevnosti mezery u pr (obr. 3, b).
K prudkému nárůstu elektrické pevnosti mezery po průchodu proudu nulou dochází především v důsledku zvýšení pevnosti blízkého katodového prostoru (ve střídavých obvodech 150-250V). Současně se zvyšuje zotavovací napětí u PROTI. Pokud kdykoliv u pr > u mezera nebude proražena, po průchodu proudu nulou se oblouk znovu nerozsvítí. Pokud v určitém okamžiku u pr = u c, pak se oblouk v mezeře znovu zapálí.
Rýže. 3. :
A– zhasnutí oblouku, když proud přirozeně prochází nulou; b– zvýšení elektrické pevnosti mezery oblouku, když proud prochází nulou
Úkol uhasit oblouk tedy spočívá ve vytvoření takových podmínek, aby elektrická pevnost mezery mezi kontakty u bylo mezi nimi větší napětí u PROTI.
Proces zvyšování napětí mezi kontakty vypínaného zařízení může mít různý charakter v závislosti na parametrech spínaného obvodu. Pokud se vypne obvod s převahou aktivního odporu, pak se napětí obnoví podle aperiodického zákona; převažuje-li v obvodu indukční reaktance, pak dochází ke kmitům, jejichž frekvence závisí na poměru kapacity a indukčnosti obvodu. Oscilační proces vede k významné rychlosti obnovy napětí a tím větší je rychlost du PROTI/ dt, tím je pravděpodobnější, že se mezera rozpadne a oblouk se znovu zapálí. Pro usnadnění podmínek pro zhášení oblouku se do rozpojeného proudového obvodu zavádějí aktivní odpory, pak bude charakter obnovy napětí aperiodický (obr. 3, Obr. b).
3. Způsoby zhášení oblouků ve spínacích zařízeních do 1000V
Ve spínacích zařízeních do 1 kV se široce používají následující metody zhášení oblouku:
Prodloužení oblouku s rychlou divergenci kontaktů.
Čím delší je oblouk, tím větší je napětí potřebné pro jeho existenci. Pokud je napětí zdroje nižší, oblouk zhasne.
Rozdělení dlouhého oblouku na několik krátkých (obr. 4, A).
Jak je znázorněno na Obr. 1 je napětí oblouku součtem katodového napětí U k a anodu U a poklesy napětí a napětí hřídele oblouku U sd:
U d= U k+ U a+ U sd= U e+ U sd.
Pokud se dlouhý oblouk, který vznikne při rozepnutí kontaktů, vtáhne do mřížky zhášecí oblouk z kovových desek, rozdělí se na N krátké oblouky. Každý krátký oblouk bude mít svou vlastní katodu a poklesy anodového napětí U E. Oblouk zhasne, pokud:
U n U uh,
Kde U- síťové napětí; U e - součet úbytků katodového a anodového napětí (20-25 V ve stejnosměrném oblouku).
Střídavý oblouk lze také rozdělit na N krátké oblouky. V okamžiku, kdy proud prochází nulou, blízkokatodový prostor okamžitě získá elektrickou sílu 150-250 V.
Oblouk zhasne, pokud
Zhášení oblouku v úzkých štěrbinách.
Hoří-li oblouk v úzké mezeře tvořené obloukem odolným materiálem, dochází vlivem kontaktu se studenými povrchy k intenzivnímu ochlazování a difúzi nabitých částic v životní prostředí. To vede k rychlé deionizaci a zhášení oblouku.
Rýže. 4.
A– rozdělení dlouhého oblouku na krátké; b– vtažení oblouku do úzké štěrbiny v komoře zhášení oblouku; PROTI– rotace oblouku v magnetickém poli; G– zhasnutí oblouku v oleji: 1 – pevný kontakt; 2 – obloukový kmen; 3 – vodíkový plášť; 4 – zóna plynu; 5 – zóna olejových par; 6 – pohyblivý kontakt
Pohyb oblouku v magnetickém poli.
Elektrický oblouk lze považovat za vodič, kterým prochází proud. Pokud je oblouk v magnetickém poli, pak na něj působí síla určená pravidlem levé ruky. Pokud vytvoříte magnetické pole nasměrované kolmo k ose oblouku, dostane translační pohyb a bude vtaženo dovnitř štěrbiny zhášecí komory (obr. 4, b).
V radiálním magnetickém poli bude oblouk přijímat rotační pohyb(obr. 4, PROTI). Může se vytvořit magnetické pole permanentní magnety, speciální cívky nebo samotný obvod živých částí. Rychlé otáčení a pohyb oblouku přispívá k jeho ochlazování a deionizaci.
Poslední dva způsoby zhášení oblouku (v úzkých štěrbinách a v magnetickém poli) se používají i při odpojování zařízení s napětím nad 1 kV.
4. Hlavní způsoby zhášení oblouku v zařízeních nad 1kV.
Ve spínacích zařízeních nad 1 kV se používají metody 2 a 3 popsané v odstavcích. 1.3. a široce používané jsou také následující metody zhášení oblouku:
1. Zánik oblouku v ropě .
Pokud jsou kontakty odpojovacího zařízení umístěny v oleji, pak oblouk, který vzniká při otevírání, vede k intenzivní tvorbě plynu a odpařování oleje (obr. 4, G). Kolem oblouku se tvoří bublina plynu, sestávající převážně z vodíku (70-80 %); rychlým rozkladem oleje dochází ke zvýšení tlaku v bublině, což přispívá k jejímu lepšímu chlazení a deionizaci. Vodík má vysoké vlastnosti při zhášení oblouku. Přímý kontakt s hřídelí oblouku přispívá k jeho deionizaci. Uvnitř plynové bubliny je nepřetržitý pohyb plynových a olejových par. Zhášení oblouku v oleji je široce používáno v jističích.
2. Plyn-vzduch foukání .
Chlazení oblouku se zlepší, pokud je vytvořen usměrněný pohyb plynů - tryskání. Foukání podél nebo napříč oblouku (obr. 5) podporuje pronikání částic plynu do jeho hlavně, intenzivní difúzi a ochlazování oblouku. Plyn vzniká při rozkladu ropy obloukem (olejové spínače) nebo pevnými plynotvornými materiály (výbuch autoplynu). Efektivnější je foukat studeným neionizovaným vzduchem ze speciálních tlakových lahví (vzduchové spínače).
3. Přerušení vícenásobného proudu .
Vypínání velkých proudů při vysokém napětí je obtížné. To se vysvětluje tím, že když velké hodnoty S přidanou energií a obnovovacím napětím se deionizace obloukové mezery stává komplikovanější. U vysokonapěťových jističů se proto v každé fázi používá vícenásobné přerušení oblouku (obr. 6). Takové spínače mají několik hasicích zařízení navržených pro část jmenovité hodnoty. 
příze. Počet přerušení na fázi závisí na typu spínače a jeho napětí. U jističů 500-750 kV může být 12 přerušení nebo více. Aby se usnadnilo zhášení oblouku, musí být obnovovací napětí rovnoměrně rozloženo mezi přestávky. Na Obr. Obrázek 6 schematicky znázorňuje olejový spínač se dvěma přerušeními na fázi.
Když je odpojen jednofázový zkrat, obnovovací napětí bude rozděleno mezi přerušení takto:
U 1/U 2 = (C 1+C 2)/C 1
Kde U 1 ,U 2 - napětí působící na první a druhé přetržení; S 1 – kapacita mezi kontakty těchto mezer; C 2 – kapacita kontaktního systému vzhledem k zemi.
Rýže. 6. Rozložení napětí při přerušení spínače: a – rozdělení napětí při přerušení spínače oleje; b – kapacitní děliče napětí; c – aktivní děliče napětí.
Protože S 2 je mnohem víc C 1, pak napětí U 1 > U 2, a proto budou hasicí zařízení fungovat za jiných podmínek. Pro vyrovnání napětí jsou paralelně k hlavním kontaktům jističe (MC) připojeny kapacity nebo činné odpory (obr. 16, Obr. b, PROTI). Hodnoty kapacit a aktivních bočníkových odporů jsou voleny tak, aby napětí na přerušeních bylo rozloženo rovnoměrně. U spínačů s bočníkovými odpory se po zhasnutí oblouku mezi hlavními obvody přeruší doprovodný proud, jehož hodnota je omezena odpory, pomocnými kontakty (AC).
Odpory bočníku snižují rychlost nárůstu obnovovacího napětí, což usnadňuje uhašení oblouku.
4. Zhášení oblouku ve vakuu .
Vysoce zředěný plyn (10-6-10-8 N/cm2) má elektrickou pevnost desítkykrát větší než plyn při atmosférickém tlaku. Pokud se kontakty otevřou ve vakuu, pak se ihned po prvním průchodu proudu v oblouku nulou obnoví síla mezery a oblouk se znovu nerozsvítí.
5. Zhášení oblouku v plynech vysoký tlak .
Vzduch o tlaku 2 MPa nebo více má vysokou elektrickou pevnost. To umožňuje vytvořit poměrně kompaktní zařízení pro zhášení oblouku v atmosféře stlačeného vzduchu. Použití vysoce pevných plynů, jako je fluorid sírový SF6 (plyn SF6), je ještě efektivnější. Plyn SF6 má nejen větší elektrickou pevnost než vzduch a vodík, ale také lepší vlastnosti zhášení oblouku i při atmosférickém tlaku.
Princip svařování elektrickým obloukem je založen na využití teploty elektrického výboje, který vzniká mezi svařovací elektrodou a kovovým obrobkem.
V důsledku elektrického průrazu vzduchové mezery vzniká obloukový výboj. Dojde-li k tomuto jevu, molekuly plynu jsou ionizovány, jeho teplota a elektrická vodivost se zvyšuje a přechází do plazmatického stavu.
Spálení svařovacího oblouku je doprovázeno uvolněním velké množství světelná a zejména tepelná energie, v důsledku čehož prudce stoupá teplota a dochází k místnímu tavení obrobku. Toto je svařování.
Během provozu se za účelem iniciace obloukového výboje krátce dotkne obrobku elektroda, tj. zkrat následuje přerušení kovového kontaktu a vytvoření požadované vzduchové mezery. Tímto způsobem je zvolena optimální délka svařovacího oblouku.
Při velmi krátkém výboji se elektroda může přilepit k obrobku, dochází k příliš intenzivnímu tavení, což může vést ke vzniku prověšení. Dlouhý oblouk se vyznačuje nestabilitou spalování a nedostatečně vysokou teplotou ve svařovací zóně.
Nestabilitu a viditelné prohnutí tvaru svařovacího oblouku lze často pozorovat při provozu průmyslových svařovacích jednotek s dosti masivními díly. Tento jev se nazývá magnetické foukání.
Jeho podstata spočívá v tom, že proud svařovacího oblouku vytváří určité magnetické pole, se kterým interaguje magnetické pole, vytvořený proudem procházejícím masivním obrobkem.
To znamená, že vychýlení oblouku je způsobeno magnetickými silami. Tento proces se nazývá foukání, protože oblouk je vychýlen, jako by byl pod vlivem větru.
Neexistují žádné radikální způsoby, jak s tímto fenoménem bojovat. Pro snížení vlivu magnetického rázu se používá svařování zkráceným obloukem a elektroda je také umístěna pod určitým úhlem.
Spalovací médium
Existuje několik různých technologií svařování, které využívají výboje elektrického oblouku, lišících se vlastnostmi a parametry. Elektrický svařovací oblouk má následující typy:
- OTEVŘENO. K výboji dochází přímo v atmosféře;
- ZAVŘENO. Vysoká teplota vznikající při spalování způsobuje vydatné uvolňování plynů z hořícího tavidla. Tavidlo je obsaženo v povlaku svařovacích elektrod;
- v prostředí ochranného plynu. Při této možnosti je do svařovací zóny přiváděn plyn, nejčastěji helium, argon nebo oxid uhličitý.
Ochrana svařovací zóny je nezbytná pro zamezení aktivní oxidace taveného kovu vlivem vzdušného kyslíku.
Vrstva oxidu zabraňuje vzniku souvislého svar kov na spoji se stává porézním, což má za následek snížení pevnosti a těsnosti spoje.
Samotný oblouk je do určité míry schopen vytvořit mikroklima ve spalovací zóně díky vytvoření plochy vysoký krevní tlak, zabraňující proudění atmosférického vzduchu.
Použití tavidla umožňuje aktivnější vytlačování vzduchu ze svařovací zóny. Použití ochranných plynů dodávaných pod tlakem tento problém téměř zcela řeší.
Doba vybíjení
Kromě ochranných kritérií je obloukový výboj klasifikován podle doby trvání. Existují procesy, ve kterých dochází ke spalování oblouku v pulzním režimu.
V takových zařízeních se svařování provádí v krátkých dávkách. Během ohniska se teplota podaří zvýšit na hodnotu dostatečnou pro lokální tání malá plocha, ve kterém vzniká bodové spojení.
Většina používaných svařovacích technologií využívá poměrně dlouhou dobu hoření oblouku. Během procesu svařování se elektroda neustále pohybuje podél spojovaných okrajů.
Kraj zvýšená teplota, tvořící, se pohybuje po elektrodě. Po přestěhování svařovací elektroda V důsledku toho dochází k výboji oblouku, snižuje se teplota procházející oblasti, dochází ke krystalizaci svarové lázně a vytvoření pevného svaru.
Struktura obloukového výboje
Oblast obloukového výboje je konvenčně rozdělena do tří sekcí. Oblasti bezprostředně sousedící s póly (anoda a katoda) se nazývají anoda a katoda.
Centrální část obloukového výboje, umístěná mezi anodou a katodou, se nazývá sloupec oblouku. Teplota v zóně svařovacího oblouku může dosáhnout několika tisíc stupňů (až 7000 °C).
I když se teplo úplně nepřenese na kov, stačí ho roztavit. Teplota tání oceli je tedy pro srovnání 1300-1500 °C.
Pro zajištění stabilního spalování obloukového výboje je nutné následující podmínky: přítomnost proudu řádově 10 ampér (toto je minimální hodnota, maximální může dosáhnout 1000 ampér), při zachování napětí oblouku od 15 do 40 voltů.
K tomuto poklesu napětí dochází při obloukovém výboji. Rozložení napětí v zónách oblouku je nerovnoměrné. Většina aplikovaného poklesu napětí se vyskytuje v anodické a katodové zóně.
Experimentálně bylo zjištěno, že při , je největší pokles napětí pozorován v katodové zóně. Ve stejné části oblouku je pozorován nejvyšší teplotní gradient.
Proto při volbě polarity svařovacího procesu je katoda připojena k elektrodě, když chtějí dosáhnout jejího největšího tavení, zvýšení její teploty. Naopak pro hlubší pronikání obrobku je katoda připevněna k němu. Nejmenší část poklesu napětí ve sloupci oblouku.
Při svařování nestavitelnou elektrodou je úbytek katodového napětí menší než anodický, to znamená, že vysokoteplotní zóna je posunuta směrem k anodě.
Proto je u této technologie obrobek spojen s anodou, která zajišťuje dobrý ohřev a ochranu nespotřebovatelné elektrody před nadměrnou teplotou.
Teplotní zóny
Je třeba poznamenat, že při jakémkoli typu svařování, a to jak stavnými, tak netavitelnými elektrodami, má sloupek oblouku (jeho střed) nejvíce vysoká teplota- asi 5000-7000 °C a někdy i vyšší.
Zóny s nejnižší teplotou se nacházejí v jedné z nich aktivní oblasti katodový nebo anodický. V těchto zónách se může uvolnit 60-70 % tepla oblouku.
Kromě intenzivního zvyšování teploty obrobku a svařovací elektrody výboj vyzařuje infračervené a ultrafialové vlny, které mohou mít škodlivý účinek na tělo svářeče. To vyžaduje použití ochranných opatření.
Pokud jde o svařování střídavým proudem, koncept polarity zde neexistuje, protože poloha anody a katody se mění při průmyslové frekvenci 50 vibrací za sekundu.
Oblouk je v tomto procesu ve srovnání se stejnosměrným proudem méně stabilní, jeho teplota kolísá. Mezi výhody svařovacích procesů využívajících střídavý proud patří jednodušší a levnější zařízení a dokonce téměř úplná absence takového jevu, jako je výše zmíněný magnetický výbuch.
Voltampérové charakteristiky
Graf ukazuje závislost napětí zdroje na svařovacím proudu, nazývanou proudově-napěťová charakteristika svařovacího procesu.
Červené křivky zobrazují změnu napětí mezi elektrodou a obrobkem ve fázích buzení svařovacího oblouku a jeho stabilního spalování. Počáteční body křivek odpovídají napětí nečinný pohyb zdroj napájení.
V okamžiku, kdy svářeč zahájí výboj oblouku, napětí prudce klesá až do doby, kdy se ustálí parametry oblouku a ustálí se hodnota svařovacího proudu v závislosti na průměru použité elektrody, výkonu zdroje a nastaveném délka oblouku.
S počátkem této doby se napětí a teplota oblouku ustálí a celý proces se ustálí.