Zakaj je električni oblok upognjen? Električni oblok: lastnosti. Zaščita obloka

TO kategorija:

Montaža kovinskih konstrukcij

Električni lok in njegove lastnosti

Električni oblok je dolgotrajna električna razelektritev, ki se pojavi v plinski reži med dvema prevodnikoma - elektrodo in kovino, ki se vari pri znatnem toku. Ionizacija zračne plasti, ki nenehno nastaja pod vplivom hitrega toka pozitivnih in negativnih ionov ter elektronov v obloku, ustvarja potrebne pogoje za dolgotrajno gorenje varilni oblok.

riž. 1. Električni oblok med kovinsko elektrodo in kovino, ki jo varimo: a - diagram obloka, b - graf obločnih napetosti dolžine 4 mm; 1 - elektroda, 2 - plamenski halo, 3 - stolpec obloka, 4 - kovina, ki se vari, 5 - anodna točka, 6 - staljeni bazen, 7 - krater, 8 - katodna točka; h - globina prodiranja v oblok, A - trenutek vžiga obloka, B - trenutek stabilnega zgorevanja

Lok je sestavljen iz stebra, katerega osnova se nahaja v vdolbini (kraterju), oblikovani na površini bazena staline. Oblok je obdan s svetlobo plamena, ki jo tvorijo hlapi in plini, ki prihajajo iz stebra obloka. Stolpec ima obliko stožca in je glavni del loka, saj je v njem koncentrirana glavna količina energije, ki ustreza največji gostoti električnega toka, ki poteka skozi lok. Zgornji del kolone, ki se nahaja na elektrodi 1 (katoda), ima majhen premer in tvori katodno mesto 8. Največje število elektrod oddaja skozi katodno mesto. Osnova stožca stolpca obloka se nahaja na kovini, ki jo varimo (anoda) in tvori anodno mesto. Premer anodne točke pri povprečnih vrednostih varilni tok večji premer katodna točka približno 1,5 ... 2-krat.

Za varjenje uporabljamo enosmerni in izmenični tok. Pri uporabi enosmernega toka je minus tokovnega vira povezan z elektrodo (ravna polarnost) ali z varjenim obdelovancem (obratna polarnost). Povratna polarnost se uporablja v primerih, ko je potrebno zmanjšati sproščanje toplote na varjenem izdelku: pri varjenju tanke ali nizko talilne kovine, legiranih, nerjavnih in visokoogljičnih jekel, ki so občutljiva na pregrevanje, pa tudi pri uporabi določene vrste elektrod.

Proizvaja veliko količino toplote in ima visoko temperaturo. Istočasno električni oblok povzroči zelo koncentrirano segrevanje kovine. Zato med varjenjem ostane kovina razmeroma rahlo segreta tudi na razdalji nekaj centimetrov od varilnega obloka.

Delovanje obloka tali kovino do določene globine h, ki jo imenujemo globina preboja ali preboj.

Oblok se vzbuja, ko se elektroda približa varjeni kovini in povzroči kratek stik v varilni tokokrog. Zaradi velikega upora na mestu stika elektrode s kovino se konec elektrode hitro segreje in začne oddajati tok elektronov. Ko se konec elektrode hitro odmakne od kovine na razdaljo 2...4 mm, nastane električni oblok.

Napetost v obloku, to je napetost med elektrodo in osnovno kovino, je odvisna predvsem od njegove dolžine. Pri enakem toku je napetost v kratkem obloku manjša kot v dolgem. To je posledica dejstva, da je pri dolgem loku odpornost njegove plinske reže večja. Povečanje odpornosti v električni tokokrog pri konstantnem toku zahteva povečanje napetosti v tokokrogu. Višji kot je upor, višja mora biti napetost, da zagotovimo enak tok skozi vezje.

Oblok med kovinsko elektrodo in kovino gori pri napetosti 18 ... 28 V. Za sprožitev obloka je potrebna višja napetost od tiste, ki je potrebna za vzdrževanje normalnega zgorevanja. To je razloženo z dejstvom, da v začetnem trenutku zračna reža še ni dovolj segreta in je potrebno dati elektronom visoko hitrost, da ločijo molekule in atome zraka. To lahko dosežemo le z višjo napetostjo v trenutku vžiga obloka.

Graf sprememb toka I v loku med njegovim vžigom in stabilnim gorenjem (slika 1, b) se imenuje statična značilnost loka in ustreza enakomernemu gorenju loka. Točka A označuje trenutek vžiga obloka. Napetost obloka V hitro pade vzdolž krivulje AB na normalno vrednost, ki ustreza stabilnemu obloku v točki B. Nadaljnje povečanje toka (desno od točke B) poveča segrevanje elektrode in hitrost njenega taljenja, vendar ne vpliva na stabilnost obloka.

Stabilen oblok je tisti, ki gori enakomerno, brez samovoljnih prekinitev, ki zahtevajo ponovni vžig. Če lok gori neenakomerno, se pogosto zlomi in ugasne, potem se tak lok imenuje nestabilen. Stabilnost obloka je odvisna od številnih razlogov, glavni pa so vrsta toka, sestava prevleke elektrode, vrsta elektrode, polarnost in dolžina obloka.

Pri izmeničnem toku oblok gori manj enakomerno kot pri enosmernem toku. To je razloženo z dejstvom, da v trenutku, ko tok n doseže nič, se ionizacija obločne reže zmanjša in oblok lahko ugasne. Za povečanje stabilnosti obloka izmeničnega toka je potrebno na kovinsko elektrodo nanesti premaze. Pari elementov, vključenih v prevleko, povečajo ionizacijo obločne reže in s tem prispevajo k stabilnemu gorenju obloka pri izmeničnem toku.

Dolžina obloka je določena z razdaljo med koncem elektrode in površino staljene kovine dela, ki ga varimo. Običajno normalna dolžina obloka ne sme presegati 3...4 mm za jekleno elektrodo. Tak lok se imenuje kratek. Kratek oblok gori enakomerno in zagotavlja normalen potek varilnega procesa. Lok, daljši od 6 mm, se imenuje dolg. Z njim proces taljenja kovine elektrode poteka neenakomerno. V tem primeru se lahko kapljice kovine, ki tečejo s konca elektrode, v večji meri oksidirajo s kisikom in obogatijo z zračnim dušikom. Odložena kovina se izkaže za porozno, šiv ima neenakomerno površino in lok gori nestabilno. Z dolgim ​​oblokom se produktivnost varjenja zmanjša, poveča se brizganje kovine in poveča se število mest pomanjkanja penetracije ali nepopolnega zlitja nanesene kovine z osnovno kovino.

Prenos kovine elektrode na izdelek med obločnim varjenjem s potrošno elektrodo je kompleksen proces. Po vžigu obloka (položaj /) se na površini konca elektrode oblikuje plast staljene kovine, ki se pod vplivom gravitacije in površinske napetosti zbere v kapljico (položaj //). Kapljice lahko dosežejo velike velikosti in prekrivajo stolpec obloka (položaj III), kar za kratek čas povzroči kratek stik v varilnem tokokrogu, po katerem se nastali tekoči kovinski most zlomi, oblok se ponovno pojavi in ​​postopek nastajanja kapljic se ponovi.

Velikost in število kapljic, ki gredo skozi oblok na časovno enoto, sta odvisna od polarnosti in jakosti toka, kemične sestave in agregatnega stanja kovine elektrode, sestave prevleke in številnih drugih pogojev. Velike kapljice, ki dosežejo 3 ... 4 mm, se običajno oblikujejo pri varjenju z neprevlečenimi elektrodami, majhne kapljice (do 0,1 mm) - pri varjenju s prevlečenimi elektrodami in visokim tokom. Finokapljični postopek zagotavlja stabilno zgorevanje obloka in daje prednost pogojem za prenos staljene elektrodne kovine v obloku.

riž. 2. Shema prenosa kovine z elektrode na kovino, ki jo varimo

riž. 3. Odklon električnega obloka z magnetnimi polji (a-g)

Gravitacija lahko pomaga ali ovira prenos kapljic v loku. Med stropnim in delno navpičnim varjenjem gravitacija kapljice prepreči njen prenos na izdelek. Toda zahvaljujoč sili površinske napetosti tekoči bazen kovine prepreči iztekanje pri varjenju v stropnem in navpičnem položaju.

Prehod električnega toka skozi elemente varilnega tokokroga, vključno z izdelkom, ki ga varimo, ustvarja magnetno polje, katerega moč je odvisna od jakosti varilnega toka. Plinski steber električnega obloka je upogljiv prevodnik električnega toka, zato je podvržen rezultantnemu magnetnemu polju, ki nastane v varilnem krogu. IN normalne razmere Plinski stolpec obloka, ki odprto gori v atmosferi, se nahaja simetrično glede na os elektrode. Pod vplivom elektromagnetnih sil se oblok odkloni od osi elektrode v prečni ali vzdolžni smeri, kar je po videzu podobno premikanju odprtega plamena pod močnimi zračnimi tokovi. Ta pojav imenujemo magnetni udar.

Pristop varilna žica v neposredni bližini obloka močno zmanjša njegov odklon, saj lastno krožno magnetno polje toka enakomerno vpliva na steber obloka. Dovod toka v izdelek na razdalji od loka bo privedel do njegovega odklona zaradi kondenzacije električnih vodov krožnega magnetnega polja s strani tokovnega vodnika.

Ko gre za značilnosti voltaičnega obloka, je treba omeniti, da ima nižjo napetost kot žareča razelektritev in se opira na termionsko sevanje elektronov iz elektrod, ki podpirajo oblok. V angleško govorečih državah izraz velja za arhaičnega in zastarelega.

Za zmanjšanje trajanja ali verjetnosti nastanka obloka je mogoče uporabiti tehnike zadušitve obloka.

V poznih 19. stoletjih se je voltaični lok široko uporabljal za javno razsvetljavo. Nekaj ​​električnih oblokov nizek pritisk se uporabljajo v številnih aplikacijah. Na primer, za razsvetljavo, ki jo uporabljajo fluorescenčne sijalke, živosrebrne, natrijeve in metalhalogenidne sijalke. Ksenon obločne svetilke uporablja za filmske projektorje.

Odpiranje voltaičnega loka

Menijo, da je pojav prvi opisal Sir Humphry Davy v članku iz leta 1801, objavljenem v Journal of Natural Philosophy, Chemistry and Arts Williama Nicholsona. Vendar pa pojav, ki ga je opisal Davy, ni bil električni oblok, temveč le iskra. Kasnejši raziskovalci so zapisali: »To očitno ni opis loka, ampak iskre. Bistvo prvega je, da mora biti neprekinjen in se njegova pola po nastanku ne smeta dotikati. Iskra, ki jo je proizvedel sir Humphry Davy, očitno ni bila neprekinjena, in čeprav je po stiku z atomi ogljika še nekaj časa ostala nabita, verjetno ni bila obločna povezava potrebna za njeno razvrstitev kot voltaična.«

Istega leta je Davy pred Kraljevo družbo javno demonstriral učinek tako, da je spustil električni tok skozi dve dotikajoči se karbonski palici in ju nato potegnil na kratko narazen. Demonstracija je pokazala "šibek" lok, ki se komajda razlikuje od trajne iskre, med konicami oglja. Znanstvena skupnost mu je zagotovila več močna baterija 1000 plošč, leta 1808 pa je prikazal nastanek voltaičnega loka v velikem obsegu. Njemu pripisujejo tudi poimenovanje angleščina(električni oblok). Imenoval ga je lok, ker dobi obliko naraščajočega loka, ko se razdalja med elektrodama približa. To je posledica prevodnih lastnosti vročega plina.

Kako se je pojavil voltaični lok? Prvi neprekinjeni lok je leta 1802 neodvisno opazil in leta 1803 ruski znanstvenik Vasilij Petrov opisal kot "posebno tekočino z električnimi lastnostmi", ko je eksperimentiral z bakreno-cinkovo ​​baterijo, sestavljeno iz 4200 diskov.

Nadaljnja študija

V poznem devetnajstem stoletju se je voltaični lok široko uporabljal za javno razsvetljavo. Nagnjenost električnih oblokov k utripanju in sikanju je bila resen problem. Leta 1895 je Hertha Marx Ayrton napisala serijo člankov o elektriki, v katerih je pojasnila, da je voltaični oblok posledica stika kisika z ogljikovimi palicami, ki so bile uporabljene za ustvarjanje obloka.

Leta 1899 je bila prva ženska, ki je prebrala svoj članek pred Institution of Electrical Engineers (IEE). Njeno poročilo je bilo naslovljeno "Mehanizem električnega obloka". Kmalu zatem je bila Ayrtonova izvoljena kot prva ženska članica Institution of Electrical Engineers. Naslednja ženska je bila sprejeta na inštitut leta 1958. Ayrtonova se je prijavila za branje prispevka pred Kraljevo družbo, vendar ji tega zaradi njenega spola ni bilo dovoljeno, Mehanizem električnega obloka pa je leta 1901 namesto nje prebral John Perry.

Opis

Električni oblok je vrsta z največjo gostoto toka. Največja količina toka, ki jo prenaša oblok, je omejena samo z zunanjim okoljem in ne s samim oblokom.

Obk med dvema elektrodama se lahko sproži z ionizacijo in žarečo razelektritvijo, ko se tok skozi elektrodi poveča. Prebojna napetost elektrodne reže je kombinirana funkcija tlaka, razdalje med elektrodama in vrste plina, ki obdaja elektrodi. Ko se oblok začne, je njegova priključna napetost veliko nižja kot pri žareči razelektritvi, tok pa višji. Za lok v plinih blizu atmosferskega tlaka je značilna vidna svetloba, visoka gostota tok in visoka temperatura. Od žareče razelektritve se razlikuje po približno enakih efektivnih temperaturah tako elektronov kot pozitivnih ionov, pri žareči razelektritvi pa imajo ioni veliko nižjo toplotna energija kot elektroni.

Pri varjenju

Podaljšan oblok lahko sprožita dve elektrodi, ki sta prvotno v stiku in se med poskusom ločita. To dejanje lahko sproži oblok brez visokonapetostne žareče razelektritve. To je način, na katerega varilec začne variti spoj tako, da se varilno elektrodo takoj dotakne predmeta.

Drug primer je ločitev električnih kontaktov na stikalih, relejih ali odklopnikih. Visokoenergijska vezja lahko zahtevajo dušenje obloka, da se prepreči poškodba kontakta.

Voltaični lok: značilnosti

Električni upor vzdolž neprekinjenega loka ustvarja toploto, ki ionizira več molekul plina (kjer je stopnja ionizacije določena s temperaturo), in v skladu s tem zaporedjem se plin postopoma spremeni v toplotno plazmo, ki je v toplotnem ravnovesju, saj je temperatura razmeroma enakomerno porazdeljena po vsi atomi, molekule, ioni in elektroni. Energija, ki jo prenašajo elektroni, se hitro razprši s težjimi delci zaradi elastičnih trkov zaradi njihove visoke mobilnosti in velike številke.

Tok v obloku se vzdržuje s termionsko in poljsko emisijo elektronov na katodi. Tok se lahko koncentrira v zelo majhno vročo točko na katodi - reda milijona amperov na kvadratni centimeter. Za razliko od žareče razelektritve ima oblok subtilno strukturo, saj je pozitivni stolpec precej svetel in sega skoraj do elektrod na obeh koncih. Katodni in anodni padec za nekaj voltov se pojavi znotraj delčka milimetra vsake elektrode. Pozitivni stolpec ima nižji gradient napetosti in je lahko odsoten v zelo kratkih lokih.

Nizkofrekvenčni lok

Nizkofrekvenčni (manj kot 100 Hz) izmenični oblok je podoben enosmernemu obloku. Pri vsakem ciklu se oblok sproži z razpadom in elektrode zamenjajo vloge, ko tok spremeni smer. Ko se frekvenca toka poveča, ni dovolj časa za ionizacijo ob razhajanju vsakega pol cikla in razgradnja ni več potrebna za vzdrževanje obloka - napetostne in tokovne karakteristike postanejo bolj ohmske.

Mesto med drugimi fizikalnimi pojavi

Različne oblike električni obloki so pojavne lastnosti nelinearnih tokovnih vzorcev in električno polje. Oblok nastane v s plinom napolnjenem prostoru med dvema prevodnima elektrodama (pogosto volframovo ali ogljikovo), kar povzroči zelo visoke temperature, ki lahko stopijo ali uparijo večino materialov. Električni oblok je neprekinjena razelektritev, medtem ko je podobna električna iskra trenutna. Voltaični oblok se lahko pojavi v tokokrogih enosmernega ali v tokokrogih izmeničnega toka. V slednjem primeru lahko znova udari vsako polovico cikla trenutne generacije. Električni oblok se od žareče razelektritve razlikuje po tem, da je gostota toka precej visoka, padec napetosti v obloku pa nizek. Na katodi lahko gostota toka doseže en megaamper na kvadratni centimeter.

Destruktivni potencial

Električni oblok ima nelinearno razmerje med tokom in napetostjo. Ko je oblok ustvarjen (bodisi z napredovanjem žarilne razelektritve bodisi s trenutnim dotikom elektrod in njihovim ločevanjem), povečanje toka povzroči nižjo napetost med sponkama obloka. Ta učinek negativnega upora zahteva, da se v tokokrog vgradi neka pozitivna oblika impedance (kot je električni balast), da se ohrani stabilen oblok. Ta lastnost je razlog, zakaj postanejo nenadzorovani električni obloki v napravi tako uničujoči, saj bo po nastanku oblok porabljal vedno več toka iz vira enosmerna napetost dokler naprava ni uničena.

Praktična uporaba

IN industrijsko merilo električni oblok se uporablja za varjenje, rezanje s plazmo, mehanska obdelava z električnim praznjenjem, kot obločna svetilka v filmskih projektorjih in pri razsvetljavi. Elektroobločne peči se uporabljajo za proizvodnjo jekla in drugih snovi. Kalcijev karbid se pridobiva na ta način, ker je za doseganje endotermne reakcije (pri temperaturah 2500 °C) potrebna velika količina energije.

Ogljikove luči so bile prve električne luči. Uporabljali so jih za ulične svetilke v 19. stoletju in za specializirane naprave, kot so reflektorji, do druge svetovne vojne. Danes se nizkotlačni električni oblok uporablja na številnih področjih. Za razsvetljavo se na primer uporabljajo fluorescenčne sijalke, živosrebrne sijalke, natrijeve sijalke in metalhalogenidne sijalke, medtem ko se ksenonske sijalke uporabljajo za filmske projektorje.

Tvorba intenzivnega električnega obloka, podobnega blisku majhnega obloka, je osnova eksplozivnih detonatorjev. Ko so znanstveniki izvedeli, kaj je voltaični lok in kako ga je mogoče uporabiti, se je raznolikost svetovnega orožja dopolnila z učinkovitimi eksplozivi.

Glavna preostala uporaba je visoka napetost stikalne naprave za prenosna omrežja. Sodobne naprave Uporablja se tudi žveplov heksafluorid pod visokim pritiskom.

Zaključek

Kljub pogostnosti izgorevanja voltaičnega obloka velja za zelo uporaben fizikalni pojav, ki se še vedno pogosto uporablja v industriji, proizvodnji in ustvarjanju okrasnih predmetov. Ima svojo estetiko in njena podoba se pogosto pojavlja v znanstvenofantastičnih filmih. Poškodba z voltaičnim oblokom ni smrtna.

Električni lok (voltaični lok, obločna razelektritev) je fizikalni pojav, ena od vrst električne razelektritve v plinu.

Struktura loka

Električni oblok je sestavljen iz katodnih in anodnih območij, stolpca obloka in prehodnih območij. Debelina anodnega območja je 0,001 mm, katodnega območja je približno 0,0001 mm.

Temperatura v anodnem območju pri varjenju s potrošno elektrodo je približno 2500 ... 4000 ° C, temperatura v stolpcu obloka je od 7.000 do 18.000 ° C, v katodnem območju - 9.000 - 12.000 ° C.

Steber obloka je električno nevtralen. V katerem koli njegovem delu je enako število nabitih delcev nasprotnih znakov. Padec napetosti v stolpcu obloka je sorazmeren z njegovo dolžino.

Varilni obloki so razvrščeni glede na:

• Materiali za elektrode - s potrošno in neporabljivo elektrodo;
• Stopnje stiskanja kolone - prosti in stisnjeni lok;
• Glede na uporabljeni tok - enosmerni oblok in izmenični oblok;
• Glede na polarnost enosmernega električnega toka - direktna polarnost ("-" na elektrodi, "+" - na izdelku) in obratna polarnost;
• Pri uporabi izmeničnega toka - enofazni in trifazni loki.

Samoregulacija obloka med električnim varjenjem

Ko nastopi zunanja kompenzacija – spremembe omrežne napetosti, hitrost podajanja žice itd. – pride do motenj v vzpostavljenem ravnovesju med hitrostjo podajanja in hitrostjo taljenja. Ko se dolžina obloka v tokokrogu poveča, se varilni tok in hitrost taljenja elektrodne žice zmanjšata, hitrost podajanja, medtem ko ostane konstantna, postane večja od hitrosti taljenja, kar vodi do ponovne vzpostavitve dolžine obloka. Ko se dolžina obloka zmanjša, postane hitrost taljenja žice večja od hitrosti podajanja, kar vodi do ponovne vzpostavitve normalne dolžine obloka.

Na učinkovitost procesa samoregulacije obloka pomembno vpliva oblika tokovno-napetostne karakteristike vira energije. Visoka hitrost nihanj dolžine obloka se samodejno obdela s togimi tokovno-napetostnimi karakteristikami vezja.

Boj proti električnemu obloku

V številnih napravah je pojav električnega obloka škodljiv. To so predvsem kontaktne stikalne naprave, ki se uporabljajo v napajanju in električnih pogonih: visokonapetostni odklopniki, odklopniki, kontaktorji, sekcijski izolatorji na kontaktnem omrežju elektrificiranih železnice in mestni električni promet. Ko so obremenitve odklopljene z zgornjimi napravami, se med odprtimi kontakti pojavi lok.

Mehanizem nastanka obloka v v tem primeru naslednji:

• Zmanjšanje kontaktnega tlaka - število kontaktnih točk se zmanjša, upor v kontaktni enoti se poveča;
• Začetek kontaktne divergence - nastanek "mostov" iz staljene kovine kontaktov (na zadnjih kontaktnih točkah);
• Raztrganje in izhlapevanje "mostov" iz staljene kovine;
• Nastanek električnega obloka v kovinskih parah (kar prispeva k večji ionizaciji kontaktne reže in težavam pri gašenju obloka);
• Stabilno gorenje obloka s hitrim izgorevanjem kontaktov.

Da bi čim bolj zmanjšali poškodbe kontaktov, je treba oblok ugasniti v najkrajšem možnem času, pri čemer si prizadevamo preprečiti, da bi oblok ostal na enem mestu (ko se oblok premika, se toplota, ki se sprosti v njem, enakomerno porazdeli po kontaktnem telesu). ).

Za izpolnjevanje zgornjih zahtev se uporabljajo naslednje metode nadzora obloka:

• hlajenje obloka s tokom hladilnega medija - tekočine (oljno stikalo); plin - (zračni odklopnik, avtoplinski odklopnik, oljni odklopnik, plinski odklopnik SF6), pretok hladilnega medija pa lahko poteka tako vzdolž gredi obloka (vzdolžno kaljenje) kot čez (prečno kaljenje); včasih se uporablja vzdolžno-prečno dušenje;
• uporaba zmožnosti gašenja obloka vakuuma - znano je, da ko se tlak plinov, ki obdajajo preklopne kontakte, zmanjša na določeno vrednost, vakuumski odklopnik povzroči učinkovito ugasnitev obloka (zaradi odsotnosti nosilcev za nastanek loka).
• uporaba bolj obločno odpornega kontaktnega materiala;
• uporaba kontaktnega materiala z višjim ionizacijskim potencialom;
• uporaba rešetk za gašenje obloka (odklopnik, elektromagnetno stikalo). Načelo uporabe gašenja obloka na rešetkah temelji na uporabi učinka prikatodnega padca v obloku (večji del padca napetosti v obloku je padec napetosti na katodi; gasilna rešetka je pravzaprav niz serijski kontakti za oblok, ki pride tja).
• uporaba

1. Pogoji za nastanek in gorenje obloka

Odpiranje električnega tokokroga, ko je v njem tok, spremlja električna razelektritev med kontakti. Če sta v odklopljenem tokokrogu tok in napetost med kontakti večja od kritične za dane pogoje, potem a lok, katerega trajanje zgorevanja je odvisno od parametrov vezja in pogojev deionizacije obločne reže. Tvorba obloka pri odpiranju bakrenih kontaktov je možna že pri toku 0,4-0,5 A in napetosti 15 V.

riž. 1. Lokacija napetosti U(a) in napetosti v mirujočem enosmernem oblokuE(b).

V obloku ločimo prikatodni prostor, gred obloka in obanodni prostor (slika 1). Ves stres se porazdeli med ta področja U za, U sd, U A. Padec katodne napetosti v enosmernem obloku je 10-20 V, dolžina tega odseka pa je 10-4-10-5 cm, zato opazimo visoko električno poljsko jakost v bližini katode (105-106 V / cm) . Pri tako visokih napetostih pride do udarne ionizacije. Njegovo bistvo je v tem, da se elektroni, ki jih iztrgajo iz katode sile električnega polja (poljska emisija) ali zaradi segrevanja katode (termionska emisija), pospešijo v električno polje in ko zadenejo nevtralni atom, mu dajo svojo kinetično energijo. Če je ta energija dovolj za odstranitev enega elektrona iz lupine nevtralnega atoma, bo prišlo do ionizacije. Nastali prosti elektroni in ioni tvorijo plazmo soda obloka.

riž. 2. .

Prevodnost plazme se približa prevodnosti kovin [ pri= 2500 1/(Ohm×cm)]/ V cevi obloka teče velik tok in nastane visoka temperatura. Gostota toka lahko doseže 10.000 A/cm2 ali več, temperatura pa se lahko giblje od 6.000 K pri atmosferskem tlaku do 18.000 K ali več pri povišanem tlaku.

Visoke temperature v sodu obloka vodijo do intenzivne toplotne ionizacije, ki ohranja visoko prevodnost plazme.

Toplotna ionizacija je proces nastajanja ionov zaradi trkov molekul in atomov z visoko kinetično energijo pri visoke hitrosti njihova gibanja.

Višji kot je tok v obloku, manjši je njegov upor, zato je za gorenje obloka potrebna manjša napetost, to je težje je ugasniti oblok z velikim tokom.

Z AC napajalno napetostjo u cd spreminja sinusno, spreminja se tudi tok v tokokrogu i(slika 2), tok pa zaostaja za napetostjo za približno 90 °. Obločna napetost u d, gorenje med kontakti stikala, občasno. Pri nizkih tokovih se napetost poveča na vrednost u h (napetost vžiga), nato pa z naraščanjem toka v obloku in povečanjem toplotne ionizacije napetost pada. Na koncu polcikla, ko se tok približa ničli, oblok ugasne pri napetosti gašenja u d. V naslednjem polciklu se pojav ponovi, če se ne sprejmejo ukrepi za deionizacijo vrzeli.

Če je oblok na tak ali drugačen način ugasnjen, je treba napetost med kontakti stikala obnoviti na napajalno napetost - u vz (slika 2, točka A). Ker pa vezje vsebuje induktivne, aktivne in kapacitivne upore, pride do prehodnega procesa, pojavijo se napetostna nihanja (slika 2), katerih amplituda U in,max lahko znatno preseže normalna napetost. Za stikalno opremo je pomembno, kako hitro se ponovno vzpostavi napetost v odseku AB. Če povzamemo, se razelektritev obloka sproži z udarno ionizacijo in emisijo elektronov iz katode, po vžigu pa se oblok vzdržuje s toplotno ionizacijo v sodu obloka.

V stikalnih napravah je potrebno ne le odpreti kontakte, ampak tudi ugasniti lok, ki nastane med njimi.

V tokokrogih z izmeničnim tokom gre tok v obloku skozi ničlo vsako polovico cikla (slika 2), v teh trenutkih oblok spontano ugasne, vendar se lahko v naslednjem polciklu ponovno pojavi. Kot kažejo oscilogrami, postane tok v obloku blizu ničle nekoliko prej kot naravni prehod skozi nič (slika 3, A). To je razloženo z dejstvom, da ko se tok zmanjša, se energija, dovedena v oblok, zmanjša, zato se temperatura obloka zmanjša in termična ionizacija se ustavi. Trajanje mrtvega časa t n je majhen (od deset do nekaj sto mikrosekund), vendar ima pomembno vlogo pri ugasnitvi obloka. Če kontakte med mrtvim časom odprete in jih z zadostno hitrostjo razmaknete na tolikšno razdaljo, da ne pride do električnega izpada, se tokokrog zelo hitro izklopi.

Med mrtvim premorom intenzivnost ionizacije močno pade, saj do toplotne ionizacije ne pride. V stikalnih napravah se poleg tega izvajajo umetni ukrepi za hlajenje prostora obloka in zmanjšanje števila nabitih delcev. Ti procesi deionizacije vodijo do postopnega povečanja električne jakosti reže u pr (slika 3, b).

Močno povečanje električne jakosti reže po prehodu toka skozi ničlo se pojavi predvsem zaradi povečanja jakosti prikatodnega prostora (v AC tokokrogih 150-250V). Hkrati se obnovitvena napetost poveča u V. Če kadarkoli u pr > u vrzel ne bo prekinjena, oblok ne bo ponovno zasvetil, ko tok preide skozi ničlo. Če v nekem trenutku u pr = u c, potem se oblok ponovno vžge v reži.

riž. 3. :

A– ugasnitev obloka, ko tok naravno prehaja skozi ničlo; b– povečanje električne trdnosti obločne reže, ko tok prehaja skozi nič

Tako se naloga gašenja obloka zmanjša na ustvarjanje takšnih pogojev, da električna trdnost reže med kontakti u med njima je bilo več napetosti u V.

Postopek povečanja napetosti med kontakti izklopljene naprave je lahko drugačne narave, odvisno od parametrov preklopnega vezja. Če je vezje s prevlado aktivnega upora izklopljeno, se napetost obnovi po aperiodičnem zakonu; če v tokokrogu prevladuje induktivna reaktanca, se pojavijo nihanja, katerih frekvence so odvisne od razmerja kapacitivnosti in induktivnosti vezja. Oscilacijski proces vodi do znatnih hitrosti obnovitve napetosti in večja je hitrost du V/ dt, večja je verjetnost, da se bo vrzel zlomila in se bo oblok ponovno vžgal. Da bi olajšali pogoje za gašenje obloka, se v odklopljen tokovni tokokrog vnesejo aktivni upori, nato pa bo narava obnovitve napetosti aperiodična (sl. 3, b).

3. Metode gašenja oblokov v stikalnih napravah do 1000IN

V stikalnih napravah do 1 kV se široko uporabljajo naslednje metode gašenja obloka:

Podaljšanje loka s hitrim odstopanjem kontaktov.

Daljši kot je lok, večja je napetost, potrebna za njegov obstoj. Če je napetost vira nižja, oblok ugasne.

Razdelitev dolgega loka na več kratkih (sl. 4, A).
Kot je prikazano na sl. 1 je napetost obloka vsota katodne napetosti U k in anoda U in padce napetosti ter napetost gredi obloka U sd:

U d= U k+ U a+ U sd= U e+ U sd.

Če dolg oblok, ki nastane, ko se kontakti odprejo, potegnemo v mrežo za gašenje obloka iz kovinskih plošč, se razcepi na N kratki loki. Vsak kratek lok bo imel lastne katodne in anodne padce napetosti U e. Oblok ugasne, če:

U n U uh,

kje U- omrežna napetost; U e - vsota katodnih in anodnih padcev napetosti (20-25 V v enosmernem obloku).

AC lok lahko razdelimo tudi na N kratki loki. V trenutku, ko tok prehaja skozi nič, obkatodni prostor takoj pridobi električno moč 150-250 V.

Oblok ugasne, če

Gašenje loka v ozkih režah.

Če oblok gori v ozki reži, ki jo tvori material, odporen na oblok, potem zaradi stika s hladnimi površinami pride do intenzivnega ohlajanja in difuzije nabitih delcev v okolju. To vodi do hitre deionizacije in ugasnitve obloka.

riž. 4.

A– delitev dolgega loka na kratke; b– vlečenje obloka v ozko režo v komori za gašenje obloka; V– vrtenje loka v magnetnem polju; G– gašenje obloka v olju: 1 – fiksni kontakt; 2 – deblo loka; 3 – vodikova lupina; 4 – plinska cona; 5 – cona oljnih hlapov; 6 – premični kontakt

Gibanje loka v magnetnem polju.

Električni oblok lahko obravnavamo kot prevodnik, po katerem teče tok. Če je oblok v magnetnem polju, potem nanj deluje sila, ki jo določa pravilo leve roke. Če ustvarite magnetno polje, usmerjeno pravokotno na os obloka, bo le-to prejelo translacijsko gibanje in se bo potegnilo v režo komore za gašenje obloka (slika 4, b).

V radialnem magnetnem polju bo lok prejel rotacijsko gibanje(slika 4, V). Lahko se ustvari magnetno polje trajni magneti, posebne tuljave ali samo vezje delov pod napetostjo. Hitro vrtenje in gibanje obloka prispeva k njegovemu ohlajanju in deionizaciji.

Zadnja dva načina gašenja obloka (v ozkih režah in v magnetnem polju) se uporabljata tudi pri odklopnih napravah z napetostmi nad 1 kV.

4. Glavne metode gašenja obloka v napravah nad 1kV.

V stikalnih napravah nad 1 kV se uporabljajo metode 2 in 3, opisane v odstavkih. 1.3. pogosto se uporabljajo tudi naslednje metode gašenja obloka:

1. Gašenje obloka v olju .

Če so kontakti odklopne naprave v olju, potem oblok, ki nastane med odpiranjem, povzroči intenzivno nastajanje plina in izhlapevanje olja (slika 4, G). Okoli obloka nastane plinski mehurček, ki je sestavljen predvsem iz vodika (70-80%); hitra razgradnja olja vodi do povečanja tlaka v mehurčku, kar prispeva k njegovemu boljšemu ohlajanju in deionizaciji. Vodik ima visoke lastnosti gašenja obloka. V neposrednem stiku z gredjo obloka prispeva k njegovi deionizaciji. Znotraj plinskega mehurčka poteka neprekinjeno gibanje plina in oljnih hlapov. Gašenje obloka v olju se pogosto uporablja v odklopnikih.

2. Plin-zrak pihanje .

Hlajenje obloka se izboljša, če se ustvari usmerjeno gibanje plinov - peskanje. Pihanje vzdolž ali čez oblok (slika 5) spodbuja prodiranje delcev plina v njegov sod, intenzivno difuzijo in hlajenje obloka. Plin nastaja med razgradnjo nafte z oblokom (oljna stikala) ali trdnimi snovmi, ki proizvajajo plin (avtoplin). Učinkovitejše je pihanje s hladnim, neioniziranim zrakom, ki prihaja iz posebnih jeklenk s stisnjenim zrakom (zračnih stikal).

3. Večtokovni prekinitev tokokroga .

Izklop velikih tokov pri visokih napetostih je težaven. To pojasnjuje dejstvo, da ko velike vrednosti Z dodano energijo in obnovitveno napetostjo postane deionizacija obločne reže bolj zapletena. Zato se v visokonapetostnih odklopnikih v vsaki fazi uporablja več obločnih prekinitev (slika 6). Takšna stikala imajo več naprav za gašenje, zasnovanih za del nazivne vrednosti. preja. Število prelomov na fazo je odvisno od vrste stikala in njegove napetosti. V odklopnikih 500-750 kV je lahko 12 prekinitev ali več. Da bi olajšali gašenje obloka, mora biti obnovitvena napetost enakomerno porazdeljena med odmori. Na sl. Slika 6 shematično prikazuje oljno stikalo z dvema prekinitvama na fazo.

Ko je enofazni kratek stik odklopljen, se obnovitvena napetost porazdeli med prekinitve na naslednji način:

U 1/U 2 = (C 1+C 2)/C 1

kje U 1 ,U 2 - napetosti na prvem in drugem prelomu; Z 1 – kapacitivnost med kontakti teh vrzeli; C 2 – nosilnost kontaktnega sistema glede na tla.

riž. 6. Porazdelitev napetosti po prelomih v stikalu: a – porazdelitev napetosti po prelomih v oljnem stikalu; b – kapacitivni napetostni delilniki; c – aktivni napetostni delilniki.

Ker Z 2 je veliko več C 1, nato napetost U 1 > U 2 in bodo zato gasilne naprave delovale pod drugačnimi pogoji. Za izenačitev napetosti so kapacitivnosti ali aktivni upori povezani vzporedno z glavnimi kontakti odklopnika (MC) (slika 16, b, V). Vrednosti kapacitivnosti in aktivnih šantnih uporov so izbrane tako, da se napetost na prelomih enakomerno porazdeli. Pri stikalih s shuntnimi upornostmi se po ugasnitvi obloka med glavnimi vezji pomožni kontakti (AC) prekinejo spremljajoči tok, katerega vrednost je omejena z upornostjo.

Shunt upori zmanjšajo hitrost dviga obnovitvene napetosti, kar olajša gašenje obloka.

4. Gašenje obloka v vakuumu .

Zelo redek plin (10-6-10-8 N/cm2) ima več desetkrat večjo električno trdnost kot plin pri atmosferskem tlaku. Če se kontakti odprejo v vakuumu, se takoj po prvem prehodu toka v loku skozi nič obnovi moč reže in lok se ne prižge več.

5. Gašenje obloka v plinih visok pritisk .

Zrak pri tlaku 2 MPa ali več ima visoko električno trdnost. To omogoča ustvarjanje dokaj kompaktnih naprav za gašenje obloka v atmosferi stisnjenega zraka. Še učinkovitejša je uporaba plinov z visoko trdnostjo, kot je žveplov heksafluorid SF6 (plin SF6). Plin SF6 nima le večje električne trdnosti kot zrak in vodik, ampak tudi boljše lastnosti gašenja obloka tudi pri atmosferskem tlaku.

Načelo elektroobločnega varjenja temelji na uporabi temperature električne razelektritve, ki nastane med varilno elektrodo in kovinskim obdelovancem.

Obločna razelektritev nastane zaradi električnega preboja zračne reže. Ko pride do tega pojava, se molekule plina ionizirajo, njegova temperatura in električna prevodnost se povečata ter preide v stanje plazme.

Gorenje varilnega obloka spremlja sproščanje velika količina svetlobna in predvsem toplotna energija, zaradi česar temperatura močno naraste in pride do lokalnega taljenja kovine obdelovanca. To je varjenje.

Med delovanjem se za sprožitev obločne razelektritve elektroda na kratko dotakne obdelovanca, to je ustvarjanje kratek stik sledi prekinitev kovinskega kontakta in vzpostavitev potrebne zračne reže. Na ta način se izbere optimalna dolžina varilnega obloka.

Pri zelo kratkem praznjenju se lahko elektroda prilepi na obdelovanec, taljenje se pojavi preveč intenzivno, kar lahko povzroči nastanek povešenosti. Za dolg lok je značilna nestabilnost zgorevanja in premalo visoka temperatura v območju varjenja.

Med delovanjem industrijskih varilnih enot z dokaj masivnimi deli je pogosto mogoče opaziti nestabilnost in vidno ukrivljenost varilnega obloka. Ta pojav imenujemo magnetno pihanje.

Njegovo bistvo je v tem, da tok varilnega obloka ustvarja določeno magnetno polje, ki medsebojno deluje z magnetno polje, ki ga ustvari tok, ki teče skozi masivni obdelovanec.

To pomeni, da odklon loka povzročijo magnetne sile. Proces se imenuje pihanje, ker se lok odkloni, kot da bi bil pod vplivom vetra.

Radikalnih načinov za boj proti temu pojavu ni. Za zmanjšanje vpliva magnetnega peskanja se uporablja varjenje s skrajšanim oblokom, prav tako je elektroda nameščena pod določenim kotom.

Sredstvo zgorevanja

Obstaja več različnih tehnologij varjenja, ki uporabljajo razelektritve električnega obloka, ki se razlikujejo po lastnostih in parametrih. Električni varilni oblok ima naslednje vrste:

• odprto. Izpust se pojavi neposredno v atmosferi;
• zaprto. Visoka temperatura, ki nastane med zgorevanjem, povzroči obilno sproščanje plinov iz gorečega toka. Flux je vsebovan v prevleki varilnih elektrod;
• v okolju zaščitnega plina. Pri tej možnosti se v varilno cono dovaja plin, najpogosteje helij, argon ali ogljikov dioksid.

Zaščita območja varjenja je potrebna, da se prepreči aktivna oksidacija talilne kovine pod vplivom atmosferskega kisika.

Oksidna plast preprečuje nastanek neprekinjenega zvariti, kovina na stičišču postane porozna, kar povzroči zmanjšanje trdnosti in tesnosti spoja.

Do neke mere je lok sam sposoben ustvariti mikroklimo v območju zgorevanja zaradi oblikovanja območja visok krvni tlak, ki preprečuje pretok atmosferskega zraka.

Uporaba fluksa omogoča bolj aktivno stiskanje zraka iz območja varjenja. Uporaba zaščitnih plinov, ki se dovajajo pod pritiskom, skoraj v celoti reši ta problem.

Trajanje odvajanja

Poleg zaščitnih kriterijev je obločna razelektritev razvrščena tudi po trajanju. Obstajajo procesi, pri katerih se zgorevanje obloka pojavi v impulznem načinu.

V takih napravah se varjenje izvaja v kratkih izbruhih. Med izbruhom se temperatura uspe dvigniti na vrednost, ki zadostuje za lokalno taljenje majhna cona, v katerem se oblikuje točkovna povezava.

Večina uporabljenih varilnih tehnologij uporablja relativno dolg čas gorenja obloka. Med postopkom varjenja se elektroda nenehno premika vzdolž robov, ki jih spajamo.

Regija povišana temperatura, ustvarjanje, se premika za elektrodo. Po selitvi varilna elektroda Posledično se zmanjša razelektritev obloka, temperatura prehodnega območja, pride do kristalizacije zvarnega bazena in tvorbe močnega zvara.

Struktura praznjenja obloka

Območje praznjenja obloka je konvencionalno razdeljeno na tri dele. Območja neposredno ob polih (anoda in katoda) se imenujejo anoda oziroma katoda.

Osrednji del obločne razelektritve, ki se nahaja med območji anode in katode, se imenuje stolpec obloka. Temperatura v območju varilnega obloka lahko doseže več tisoč stopinj (do 7000 °C).

Čeprav se toplota ne prenese v celoti na kovino, je povsem dovolj za taljenje. Tako je tališče jekla za primerjavo 1300-1500 °C.

Da bi zagotovili stabilno izgorevanje obločnega praznjenja, je potrebno naslednje pogoje: prisotnost toka reda 10 amperov (to je najmanjša vrednost, največja lahko doseže 1000 amperov), medtem ko se vzdržuje napetost obloka od 15 do 40 voltov.

Ta padec napetosti se pojavi pri obločni razelektritvi. Porazdelitev napetosti po območjih obloka je neenakomerna. Večina uporabljenega padca napetosti se pojavi v anodnem in katodnem območju.

Eksperimentalno je bilo ugotovljeno, da je pri največji padec napetosti opazen v katodnem območju. V istem delu loka opazimo največji temperaturni gradient.

Zato pri izbiri polarnosti varilnega postopka katodo priključimo na elektrodo, ko želimo doseči njeno največje taljenje, povečati njeno temperaturo. Nasprotno, za globlje prodiranje obdelovanca je nanj pritrjena katoda. Najmanjši del napetosti pade v stolpcu obloka.

Pri varjenju z neuporabno elektrodo je katodni padec napetosti manjši od anodne, kar pomeni, da se območje visoke temperature premakne proti anodi.

Zato je pri tej tehnologiji obdelovanec povezan z anodo, kar zagotavlja dobro segrevanje in zaščito nepotrošne elektrode pred previsoko temperaturo.

Temperaturna območja

Upoštevati je treba, da ima pri kateri koli vrsti varjenja, tako s potrošno kot z neprebavljivo elektrodo, stolpec obloka (njegovo središče) največ visoka temperatura- okoli 5000-7000 °C, včasih tudi višje.

Najnižje temperaturne cone se nahajajo v enem od aktivna področja, katodno ali anodno. V teh conah se lahko sprosti 60-70 % toplote obloka.

Razelektritev poleg tega, da močno poveča temperaturo obdelovanca in varilne elektrode, oddaja infrardeče in ultravijolično valovanje, ki lahko škodljivo vpliva na telo varilca. To zahteva uporabo zaščitnih ukrepov.

Kar zadeva varjenje z izmeničnim tokom, koncept polarnosti ne obstaja, saj se položaj anode in katode spreminja pri industrijski frekvenci 50 nihajev na sekundo.

Oblok v tem procesu je manj stabilen v primerjavi z enosmernim tokom, njegova temperatura niha. Prednosti varilnih procesov z uporabo izmeničnega toka vključujejo enostavnejšo in cenejšo opremo ter celo skoraj popolno odsotnost takega pojava, kot je zgoraj omenjeni magnetni udar.

Tokovno-napetostna karakteristika

Graf prikazuje odvisnost napetosti vira energije od varilnega toka, ki se imenuje tokovno-napetostna karakteristika varilnega procesa.

Rdeče krivulje prikazujejo spremembo napetosti med elektrodo in obdelovancem v fazah vzbujanja varilnega obloka in njegovega stabilnega gorenja. Začetne točke krivulj ustrezajo napetosti število vrtljajev v prostem teku napajanje.

V trenutku, ko varilec sproži razelektritev obloka, napetost močno pade do trenutka, ko se parametri obloka stabilizirajo in se vzpostavi vrednost varilnega toka, odvisno od premera uporabljene elektrode, moči vira energije in nastavljenega dolžina loka.

Z nastopom tega obdobja se napetost in temperatura obloka stabilizirata in celoten proces postane stabilen.