Доатегорія:
Складання металоконструкцій
Електрична дугата її властивості
Електрична дуга є тривалим електричним розрядом, що відбувається в газовому проміжку між двома провідниками - електродом і металом, що зварюється при значній силі струму. Безперервно виникає під дією стрімкого потоку позитивних і негативних іонів і електронів у дузі іонізація повітряного прошарку створює необхідні умовидля тривалого стійкого горіння зварювальної дуги.
Мал. 1. Електрична дуга між металевим електродом і металом, що зварюється: а - схема дуги, б - графік напруг дуги довжиною 4 мм; 1 - електрод, 2 - ореол полум'я, 3 - стовп дуги, 4 - метал, що зварюється, 5 - анодна пляма, 6 - розплавлена ванна, 7 - кратер, 8 - катодна пляма; h – глибина проплавлення в дузі, А – момент запалення дуги, Б – момент стійкого горіння
Дуга складається зі стовпа, основа якого знаходиться в поглибленні (кратері), що утворюється на поверхні розплавленої ванни. Дуга оточена ореолом полум'я, що утворюється парами і газами, що надходять зі стовпа дуги. Стовп має форму конуса і є основною частиною дуги, тому що в ньому зосереджується основна кількість енергії, що відповідає найбільшій щільності електричного струму, що проходить через дугу. Верхня частина стовпа, розташована на електроді 1 (катоді), має невеликий діаметр і утворює катодна пляма 8. Через катодна пляма випромінюється найбільша кількість електродів. Основа конуса стовпа дуги розташована на металі, що зварюється (аноді) і утворює анодна пляма. Діаметр анодної плями при середніх значеннях зварювального струму більше діаметракатодної плями приблизно в 1,5...2 рази.
Для зварювання застосовують постійний та змінний струм. При використанні постійного струму мінус джерела струму підключають до електрода (пряма полярність) або до виробу, що зварюється “” (зворотна полярність). Зворотну полярність застосовують у тих випадках, коли потрібно зменшити виділення теплоти на виробі, що зварюється: при зварюванні тонкого або легкоплавкого металу, чутливих до перегріву легованих, нержавіючих і високовуглецевих сталей, а також при користуванні деякими видами електродів.
Виділяючи велику кількість теплоти та маючи високу темп-оатуру. електрична дуга водночас дає дуже зосереджений нагрів металу. Тому метал під час зварювання залишається порівняно мало нагрітим уже на відстані кількох сантиметрів від зварювальної дуги.
Дія дуги метал розплавляється на деяку глибину h звану глибиною проплавлення або проваром.
Порушення дуги відбувається при наближенні електрода до металу, що зварюється і замиканні ним зварювального ланцюга накоротко. Завдяки високому опору в точці дотику електрода з металом, кінець електрода швидко нагрівається і починає випромінювати потік електронів. Коли кінець електрода швидко відводять від металу на відстань 2-4 мм, виникає електрична дуга.
Напруга в дузі, тобто напруга між електродом та основним металом, залежить в основному від її довжини. При тому самому струмі напруга в короткій дузі нижче, ніж у довгій. Це пов'язано з тим, що з довгою дузі опір її газового проміжку більше. Зростання ж опору в електричного ланцюгапри постійній силі струму вимагає збільшення напруги ланцюга. Чим вищий опір, тим вище має бути напруга для того, щоб забезпечити проходження в ланцюгу того ж струму.
Дуга між металевим електродом і металом горить при напрузі 18 ... 28 В. Для збудження дуги потрібна більш висока напруга, ніж та, яка необхідна для підтримки її нормального горіння. Це тим, що у початковий момент повітряний проміжок ще недостатньо нагрітий і необхідно надати електронам велику швидкість для розчеплення молекул і атомів повітря. Цього можна досягти лише при вищій напрузі в момент запалення дуги.
Графік зміни струму I в дузі при її запаленні і стійкому горінні (рис. 1, б) називається статичною характеристикою дуги і відповідає горіння дуги, що встановилося. Точка А характеризує момент запалення дуги. Напруга дуги V швидко падає по кривій АБ до нормальної величини, що відповідає точці Б стійкого горіння дуги. Подальше збільшення струму (праворуч від точки Б) збільшує нагрівання електрода та швидкість його плавлення, але не впливає на стійкість горіння дуги.
Стійкою називається дуга, що горить рівномірно, без довільних урвищ, що вимагають повторного запалення. Якщо дуга горить нерівномірно, часто обривається і гасне, така дуга називається нестійкою. Стійкість дуги залежить багатьох причин, основними з яких є рід струму, склад покриття електрода, вид електрода, полярність і довжина дуги.
При змінному струмі дуга горить менш стійко, ніж за постійному. Це тим, що у момент, коли струм п, дає нуля, іонізація дугового проміжку зменшується і дуга може гаснути. Щоб підвищити стійкість дуги змінного струму, доводиться наносити на металевий електрод іо-критий. Пари елементів, що входять у покриття, підвищують іонізацію дугового проміжку і тим самим сприяють стійкому горінню дуги при змінному струмі.
Довжину дуги визначають відстанню між торцем електрода і поверхнею розплавленого металу виробу, що зварюється. Зазвичай нормальна довжина дуги має перевищувати 3…4 мм для сталевого електрода. Така дуга називається короткою. Коротка дуга горить стійко і забезпечується нормальне протікання процесу зварювання. Дуга довжиною більше 6 мм називається довгою. За неї процес плавлення металу електрода йде нерівномірно. Краплі металу, що стікають з кінця електрода в цьому випадку більшою мірою можуть окислюватися киснем і збагачуватися азотом повітря. Наплавлений метал виходить пористим, шов має нерівну поверхню, а дуга горить нестійко. При довгій дузі знижується продуктивність зварювання, збільшується розбризкування металу та кількість місць непровару або неповного сплавлення наплавленого металу з основним.
Перенесення електродного металу на виріб при дуговому зварюванні електродом, що плавиться, є складним процесом. Після запалення дуги (положення /) на поверхні торця електрода утворюється шар розплавленого металу, який під дією сил тяжіння та поверхневого натягу збирається у краплю (положення //). Краплі можуть досягати великих розмірів і перекривати стовп дуги (становище III), створюючи на нетривалий час коротке замикання зварювального ланцюга, після чого місток, що утворився, з рідкого металу розривається, дуга виникає знову, і процес краплеутворення повторюється.
Розміри та кількість крапель, що проходять через дугу в одиницю часу, залежать від полярності та сили струму, хімічного складу та фізичного стану металу електрода, складу покриття та інших умов. Великі краплі, що досягають 3 ... 4 мм, зазвичай утворюються при зварюванні непокритими електродами, дрібні краплі (до 0,1 мм) - при зварюванні покритими електро пологами і великий силі струму. Дрібно-крапельний процес забезпечує стабільність горіння дуги та сприяє умовам перенесення в дузі розплавленого металу електрода.
Мал. 2. Схема перенесення металу з електрода на метал, що зварюється
Мал. 3. Відхилення електричної дуги магнітними полями (а-ж)
Сила тяжкості може сприяти чи перешкоджати перенесенню крапель у дузі. При стельовому та частково при вертикальному зварюванні сила тяжкості краплі протидіє перенесенню її на виріб. Але завдяки силі поверхневого натягу рідка ванна металу утримується від витікання при зварюванні у стельовому та вертикальному положеннях.
Проходження електричного струму по елементах зварювального ланцюга, у тому числі по виробу, що зварюється, створює магнітне поле, напруженість якого залежить від сили зварювального струму. Газовий стовп електричної дуги є гнучким провідником електричного струму, тому він схильний до дії результуючого магнітного поля, яке утворюється в зварювальному контурі. У нормальних умовахгазовий стовп дуги, що відкрито горить в атмосфері, розташований симетрично осі електрода. Під дією електромагнітних сил відбувається відхилення дуги від осі електрода в поперечному або поздовжньому напрямку, що за зовнішніми ознаками подібно до зміщення факела відкритого полум'я при сильних повітряних потоках. Це називають магнітним дмухом.
Приєднання зварювального дротув безпосередній близькості до дуги різко знижує її відхилення, так як власне кругове магнітне поле струму рівномірно впливає на стовп дуги. Підведення струму до виробу на відстані від Дуги призведе до відхилення її внаслідок згущення силових ліній кругового магнітного поля з боку струмопроводу.
Якщо говорити про характеристики вольтової дуги, то варто згадати, що вона відрізняється нижчою напругою, ніж розряд, що тліє, і покладається на термоелектронне випромінювання електронів від електродів, що підтримують дугу. В англомовних країнах цей термін вважається архаїчним та застарілим.
Методи придушення дуги можна використовуватиме зменшення її тривалості чи ймовірності освіти.
Наприкінці 1800-х вольтова дуга широко використовувалася для громадського висвітлення. Деякі електричні дуги низького тискувикористовуються у багатьох додатках. Наприклад, для освітлення застосовуються люмінісцентні лампи, ртутні, натрієві та металогалогенні лампи. Ксенонові дугові лампивикористовувалися для кінопроекторів.
Відкриття вольтової дуги
Вважається, що це явище вперше було описане сером Хамфрі Деві у статті 1801 року, опублікованій у Journal of Natural Philosophy, Chemistry and Arts Вільяма Ніколсона. Проте явище, описане Деві, був електричної дугою, але лише іскрою. Пізні дослідники писали: «Це, зрозуміло, опис не дуги, а іскри. Суть першої полягає в тому, що вона має бути безперервною, і її полюси не повинні стикатися після того, як вона виникла. Іскра, створена сером Хамфрі Деві, була явно не безперервною, і хоча протягом деякого часу після контакту з атомами вуглецю залишалася зарядженою, швидше за все, не було з'єднання дуги, яке необхідне для її класифікації як вольтової».
У тому ж році Деві публічно продемонстрував ефект перед Королівським товариством, передавши електричний струм через два вугільні стрижні, що стикалися, а потім відтягнувши їх на невелику відстань один від одного. Демонстрація показала «слабку» дугу, насилу відмінну від стійкої іскри, між точками деревного вугілля. Наукове співтовариство надало йому більше потужну батареюз 1000 пластин, і в 1808 він продемонстрував виникнення вольтової дуги у великих масштабах. Йому також приписують її назву на англійською(Electric arc). Він назвав її дугою, тому що вона набуває форми висхідної цибулі, коли відстань між електродами стає близькою. Це з провідними властивостями розпеченого газу.
Як з'явилася вольтова дуга? Перша безперервна дуга була зафіксована незалежно в 1802 і описана в 1803 як «спеціальна рідина з електричними властивостями» російським вченим Василем Петровим, що експериментує з мідно-цинковою батареєю, що складається з 4200 дисків.
Подальше вивчення
Наприкінці ХІХ століття вольтова дуга широко використовувалася для громадського висвітлення. Тенденція електричних дуг до мерехтіння та шипіння була серйозною проблемою. В 1895 Герта Маркс Айртон написала серію статей про електрику, пояснивши, що вольтова дуга була результатом контакту кисню з вуглецевими стрижнями, що використовуються для створення дуги.
У 1899 році вона була першою жінкою, яка коли-небудь читала свою власну доповідь перед Інститутом інженерів-електриків (IEE). Її доповідь була озаглавлена як «Механізм електричної дуги». Незабаром після цього Айртон була обрана першою жінкою-членом Інституту інженерів-електриків. Наступна жінка була прийнята до інституту аж у 1958 році. Айртон подала прохання прочитати доповідь перед Королівським науковим товариством, але їй не дозволили зробити це через її стать, і «Механізм електричної дуги» був прочитаний Джоном Перрі замість неї в 1901 році.
Опис
Електрична дуга є видом з найбільшою щільністю струму. Максимальна сила струму, що проводиться по дузі, обмежена лише довкіллям, а не самою дугою.
Дуга між двома електродами може бути ініційована іонізацією і тліючим розрядом, коли струм через електроди збільшується. Пробивна напруга електродного зазору є комбінованою функцією тиску, відстані між електродами і типу газу, що оточує електроди. Коли починається дуга, її напруга на клемах набагато менше, ніж у тліючого розряду, а струм вищий. Дуга в газах поблизу атмосферного тиску характеризується видимим світлом, високою щільністюструму та високою температурою. Вона відрізняється від тліючого розряду приблизно однаковими ефективними температурами як електронів, так і позитивних іонів, і в тліючому розряді іони мають набагато меншу теплову енергію, Чим електрони.
При зварюванні
Витягнута дуга може бути ініційована двома електродами, що спочатку знаходяться в контакті і рознесеними в процесі експерименту. Ця дія може ініціювати дугу без високовольтного розряду, що тліє. Це спосіб, яким зварювальник починає зварювати з'єднання, миттєво торкаючись зварювальним електродом до предмета.
Іншим прикладом є поділ електричних контактів на перемикачах, реле або автоматичних вимикачах. У високоенергетичних схемах може знадобитися придушення дуги, щоб запобігти пошкодженню контактів.
Вольтова дуга: характеристики
Електричний опірвздовж безперервної дуги створює тепло, яке іонізує більше молекул газу (де ступінь іонізації визначається температурою), і відповідно до цієї послідовності газ поступово перетворюється на теплову плазму, яка знаходиться в тепловій рівновазі, оскільки температура відносно однорідно розподіляється по всіх атомах, молекулах, іонах. та електронам. Енергія, що передається електронами, швидко диспергується з більш важкими частинками за рахунок пружних зіткнень через їхню велику рухливість і великих чисел.
Струм у дузі підтримується термоелектронною та польовою емісією електронів на катоді. Струм може бути сконцентрований у дуже малій гарячій точці на катоді - близько мільйона ампер на квадратний сантиметр. На відміну від розряду, що тліє, дуга має мало помітну структуру, оскільки позитивний стовпець досить яскравий і простягається майже до електродів з обох кінців. Падіння катода та падіння анода в кілька вольт відбувається в межах частки міліметра кожного електрода. Позитивний стовпець має нижчий градієнт напруги і може бути відсутнім у дуже коротких дугах.
Низькочастотна дуга
Низькочастотна (менше 100 Гц) дуга змінного струму нагадує дугу постійного струму. На кожному циклі дуга ініціюється пробоєм, і електроди змінюють ролі, коли струм змінює напрямок. У міру збільшення частоти струму не вистачає часу для іонізації при розбіжності на кожному напівперіоді, і пробій більше не потрібен для підтримки дуги - характеристика напруги та струму стає більш омічною.
Місце серед інших фізичних явищ
Різні формиелектричних дуг є властивостями нелінійних моделей струму і електричного поля. Дуга зустрічається в заповненому газом просторі між двома провідними електродами (часто з вольфраму або вуглецю), що призводить до виникнення дуже високої температури, здатної плавити або випаровувати більшість матеріалів. Електрична дуга є безперервним розрядом, у той час як аналогічний електричний іскровий розряд є миттєвим. Вольтова дуга може виникати або в ланцюгах постійного струму, або в ланцюгах змінного. В останньому випадку вона може повторно ударятися про кожен напівперіод виникнення струму. Електрична дуга відрізняється від розряду, що тліє, тим, що щільність струму досить велика, а падіння напруги всередині дуги низьке. На катоді щільність струму може досягати одного мегаампера на квадратний сантиметр.
Руйнівний потенціал
Електрична дуга має нелінійну залежність між струмом та напругою. Як тільки дуга буде створена (або шляхом прогресування з тліючого розряду, або шляхом миттєвого торкання електродів, а потім поділу їх), збільшення струму призводить до більш низької напруги між дуговими терміналами. Цей ефект негативного опору вимагає, щоб якусь позитивну форму імпедансу (як електричного баласту) було поміщено в ланцюг для підтримки стабільної дуги. Ця властивість є причиною того, що неконтрольовані електричні дуги в апараті стають настільки руйнівними, адже після виникнення дуга споживатиме все більше струму від джерела. постійної напругидоки пристрій не буде знищено.
Практичне застосування
У промисловому масштабіелектричні дуги використовуються для зварювання, плазмового різання, механічної обробки електричним розрядом, як дугова лампа в кінопроекторах і у освітленні. Електродугові печі використовуються для виробництва сталі та інших речовин. Карбід кальцію отримують саме таким чином, оскільки для досягнення ендотермічної реакції (при температурах 2500 ° С) потрібна велика кількість енергії.
Вуглецеві дугові вогні були першими електричними вогнями. Вони використовувалися для вуличних ліхтарів у XIX столітті та для створення спеціалізованих пристроїв, таких як прожектори, до Другої світової війни. Сьогодні електричні дуги низького тиску використовують у багатьох областях. Наприклад, для освітлення використовуються люмінесцентні лампи, ртутні, натрієві та металогалогенні лампи, а ксенонові дугові лампи використовуються для кінопроекторів.
Формування інтенсивної електричної дуги, подібно до дрібномасштабного дугового спалаху, є основою вибухонебезпечних детонаторів. Коли вчені дізналися, що таке вольтова дуга і як її можна використати, різноманітність світового озброєння поповнилася ефективною вибухівкою.
Основним застосуванням, що залишилося, є високовольтне розподільний пристрійдля мереж передачі. Сучасні пристроїтакож використовують гексафторид сірки під високим тиском.
Висновок
Незважаючи на частоту опіків вольтовою дугою, вона вважається дуже корисним фізичним явищем, яке досі широко використовується в промисловості, виробництві та створенні декоративних предметів. Вона має свою естетику, і її образ часто миготить у науково-фантастичних фільмах. Поразка вольтовою дугою перестав бути смертельним.
Електрична дуга (волтова дуга, дуговий розряд) - фізичне явище, один із видів електричного розряду в газі.
Будова дуги
Електрична дуга складається з катодної та анодної областей, стовпа дуги, перехідних областей. Товщина анодної області становить 0,001 мм, катодної області – близько 0,0001 мм.
Температура в анодній області при зварюванні електродом, що плавиться, становить близько 2500 ... 4000 ° С, температура в стовпі дуги - від 7 000 до 18 000 ° С, в області катода - 9000 - 12000 ° С.
Стовп дуги електрично нейтральний. У будь-якому його перерізі є однакова кількість заряджених частинок протилежних знаків. Падіння напруги в стовпі дуги пропорційне його довжині.
Зварювальні дуги класифікують за:
- Матеріалам електрода - з електродом, що плавиться і неплавиться;
- Ступені стиснення стовпа - вільну та стислу дугу;
- По струму, що використовується - дуга постійного і дуга змінного струму;
- По полярності постійного електричного струму - прямої полярності ("-" на електроді, "+" - на виробі) та зворотної полярності;
- При використанні змінного струму - дуги однофазна та трифазна.
Саморегулювання дуги при електрозварюванні
При виникненні зовнішнього відшкодування - зміни напруги мережі, швидкості подачі дроту та ін - виникає порушення в рівновазі, що встановилася між швидкістю подачі і швидкістю плавлення. При збільшенні довжини дуги в ланцюзі зменшуються зварювальний струм і швидкість плавлення електродного дроту, а швидкість подачі, залишаючись постійною, стає більшою за швидкість плавлення, що призводить до відновлення довжини дуги. При зменшенні довжини дуги швидкість плавлення дроту стає більшою за швидкість подачі, це призводить до відновлення нормальної довжини дуги .
На ефективність процесу саморегулювання дуги значно впливає форма вольт-амперної характеристики джерела живлення. Велика швидкодія коливання довжини дуги відпрацьовується автоматично при жорстких ланцюгах ВАХ.
Боротьба з електричною дугою
У ряді пристроїв явище електричної дуги є шкідливим. Це в першу чергу контактні комутаційні пристрої, що використовуються в електропостачанні та електроприводі: високовольтні, вимикачі, автоматичні вимикачі, контактори, секційні ізолятори на контактній мережі електрифікованих залізницьта міського електротранспорту. При відключенні навантажень вищевказаними апаратами між контактами, що розмикаються, виникає дуга.
Механізм виникнення дуги в даному випадкунаступний:
- Зменшення контактного тиску – кількість контактних точок зменшується, зростає опір у контактному вузлі;
- Початок розходження контактів – утворення «містків» із розплавленого металу контактів (у місцях останніх контактних точок);
- Розрив та випаровування «містків» з розплавленого металу;
- Утворення електричної дуги в парах металу (що сприяє більшій іонізації контактного проміжку та труднощі під час гасіння дуги);
- Стійке горіння дуги зі швидким вигорянням контактів.
Для мінімального пошкодження контактів необхідно погасити дугу в мінімальний час, докладаючи всіх зусиль щодо недопущення знаходження дуги на одному місці (при русі дуги теплота, що виділяється в ній, буде рівномірно розподілятися по тілу контакту).
Для виконання вищезгаданих вимог застосовуються такі методи боротьби з дугою:
- охолодження дуги потоком охолоджуючого середовища - рідини (масляний вимикач); газу - (повітряний вимикач , автогазовий вимикач , масляний вимикач , елегазовий вимикач), причому потік охолоджуючого середовища може проходити як вздовж стовбура дуги (поздовжнє гасіння), так і поперек (поперечне гасіння); іноді застосовується поздовжньо-поперечне гасіння;
- використання дугогасної здатності вакууму - відомо, що при зменшенні тиску газів, що оточують комутовані контакти до певного значення, призводить до ефективного гасіння дуги (у зв'язку з відсутністю носіїв для утворення дуги) вакуумний вимикач .
- використання дугостійкого матеріалу контактів;
- застосування матеріалу контактів із вищим потенціалом іонізації;
- застосування дугогасних решіток (автоматичний вимикач, електромагнітний вимикач). Принцип застосування дугогасіння на решітках заснований на застосуванні ефекту околокатодного падіння в дузі (більша частина падіння напруги в дузі - це падіння напруги на катоді; дугогасна решітка - фактично ряд послідовних контактів для дуги, що потрапила туди).
- використання
1. Умови виникнення та горіння дуги
Розмикання електричного ланцюга за наявності струму супроводжується електричним розрядом між контактами. Якщо в ланцюгу, що відключається, струм і напруга між контактами більше, ніж критичні для даних умов, то між контактами виникає дуга, тривалість горіння якої залежить від параметрів ланцюга та умов деіонізації дугового проміжку. Утворення дуги при розмиканні мідних контактів можливе вже при струмі 0,4-0,5 А та напрузі 15 Ст.
Мал. 1. Розташування в стаціонарній дузі постійного струму напруги U(a) та напруженостіЕ(б).
У дузі розрізняють навколокатодний простір, стовбур дуги та навколоанодний простір (рис. 1). Вся напруга розподіляється між цими областями Uдо, Uсд, Uа. Катодне падіння напруги в дузі постійного струму 10-20, а довжина цієї ділянки становить 10-4-10-5 см, таким чином, біля катода спостерігається висока напруженість електричного поля (105-106 В / см). За таких високих напруженостей відбувається ударна іонізація. Суть її полягає в тому, що електрони, вирвані з катода силами електричного поля (автоелектронна емісія) або за рахунок нагрівання катода (термоелектронна емісія), розганяються в електричному поліі за ударі в нейтральний атом віддають йому свою кінетичну енергію. Якщо цієї енергії достатньо, щоб відірвати один електрон з нейтрального оболонки атома, то відбудеться іонізація. Вільні електрони та іони, що утворилися, складають плазму стовбура дуги.
Мал. 2. .
Провідність плазми наближається до провідності металів у= 2500 1/(Ом×см)]/ У стовбурі дуги проходить великий струм і створюється висока температура. Щільність струму може досягати 10 000 А/см2 і більше, а температура - від 6000 До при атмосферному тиску до 18000 До і більше підвищених тисках.
Високі температури у стовбурі дуги призводять до інтенсивної термоіонізації, яка підтримує велику провідність плазми.
Термоіонізація - процес утворення іонів за рахунок зіткнення молекул і атомів, що володіють великою кінетичною енергією при високих швидкостяхїхнього руху.
Чим більший струм у дузі, тим менший її опір, а тому потрібна менша напруга для горіння дуги, тобто дугу з великим струмом погасити важче.
При змінному струмі напруга джерела живлення u cд змінюється синусоїдально, так само змінюється струм у ланцюгу i(Рис. 2), причому струм відстає від напруги приблизно на 90 °. Напруга на дузі uд, що горить між контактами вимикача, непостійно. При малих струмах напруга зростає до величини uз (напруги запалювання), потім у міру збільшення струму в дузі та зростання термічної іонізації напруга падає. Наприкінці напівперіоду, коли струм наближається до нуля, дуга гасне при напрузі гасіння uг. У наступний напівперіод явище повторюється, якщо не вжито заходів для деіонізації проміжку.
Якщо дуга погашена тими чи іншими способами, то напруга між контактами вимикача повинна відновитися до напруги мережі живлення - uвз (рис. 2, точка А). Однак оскільки в ланцюзі є індуктивні, активні та ємнісні опори, виникає перехідний процес, з'являються коливання напруги (рис. 2), амплітуда яких Uв,max може значно перевищувати нормальна напруга. Для апаратури, що відключає, важливо, з якою швидкістю відновлюється напруга на ділянці АВ. Підсумовуючи, можна відзначити, що дуговий розряд починається за рахунок ударної іонізації та емісії електронів з катода, а після запалення дуга підтримується термоіонізацією в стовбурі дуги.
У комутаційних апаратах необхідно не тільки розімкнути контакти, а й погасити дугу, що виникла між ними.
У ланцюгах змінного струму струм у дузі кожен напівперіод проходить через нуль (рис. 2), у ці моменти дуга гасне мимовільно, але наступного напівперіод вона може виникнути знову. Як показують осцилограми, струм у дузі стає близьким до нуля трохи раніше природного переходу через нуль (рис. 3, а). Це тим, що при зниженні струму енергія, що підводиться до дуги, зменшується, отже, зменшується температура дуги і припиняється термоіонізація. Тривалість безструмової паузи tп невелика (від десятків до кількох сотень мікросекунди), але відіграє важливу роль у гасінні дуги. Якщо розімкнути контакти в павузу без струму і розвести їх з достатньою швидкістю на таку відстань, щоб не стався електричний пробій, то ланцюг буде відключений дуже швидко.
Під час безструмової паузи інтенсивність іонізації сильно падає, тому що не відбувається термоіонізації. У комутаційних апаратах, крім того, вживаються штучні заходи охолодження дугового простору та зменшення кількості заряджених частинок. Ці процеси деіонізації призводять до поступового збільшення електричної міцності проміжку. uпр (рис. 3, б).
Різке збільшення електричної міцності проміжку після переходу струму через нуль відбувається головним чином рахунок збільшення міцності околокатодного простору (в ланцюгах змінного струму 150-250В). Одночасно зростає напруга, що відновлюється. uв. Якщо будь-якої миті uпр > uв проміжок не буде пробито, дуга не загориться знову після переходу струму через нуль. Якщо в якийсь момент uпр = uв, відбувається повторне запалювання дуги в проміжку.
Мал. 3. :
а- згасання дуги при природному переході струму через нуль; б- Зростання електричної міцності дугового проміжку при переході струму через нуль
Таким чином, завдання гасіння дуги зводиться до створення таких умов, щоб електрична міцність проміжку між контактами uпр була більша напруга між ними uв.
Процес наростання напруги між контактами апарату, що відключається, може носити різний характер залежно від параметрів комутованого ланцюга. Якщо відключається ланцюг з величезним переважанням активного опору, то напруга відновлюється за аперіодичним законом; якщо в ланцюзі переважає індуктивний опір, виникають коливання, частоти яких залежать від співвідношення ємності та індуктивності ланцюга. Коливальний процес призводить до значних швидкостей відновлення напруги, а чим більша швидкість duв/ dt, тим швидше пробою проміжку і повторне запалювання дуги. Для полегшення умов гасіння дуги в ланцюг струму, що відключається, вводяться активні опори, тоді характер відновлення напруги буде аперіодичним (рис. 3, б).
3. Способи гасіння дуги в комутаційних апаратах до 1000У
У комутаційних апаратах до 1 кВ широко використовуються такі способи гасіння дуги:
Подовження дуги при швидкій розбіжності контактів.
Чим довша дуга, тим більша напруга необхідна її існування. Якщо напруга джерела живлення виявиться меншою, то дуга гасне.
Поділ довгої дуги на ряд коротких (рис. 4, а).
Як показано на рис. 1, напруга на дузі складається з катодного Uдо і анодного Uа падінь напруги і напруги стовбура дуги Uсд:
Uд= Uдо+ Uа+ Uсд= Uе+ Uсд.
Якщо довгу дугу, що виникла при розмиканні контактів, затягнути в дугогасну решітку з металевих пластин, вона розділиться на Nкороткі дуги. Кожна коротка дуга матиме своє катодне та анодне падіння напруг. Uе. Дуга гасне, якщо:
U n Uе.,
де U- Напруга мережі; Uе - сума катодного та анодного падінь напруги (20-25 В у дузі постійного струму).
Дугу змінного струму також можна розділити на Nкороткі дуги. У момент проходження струму через нуль навколокатодний простір миттєво набуває електричної міцності 150-250 В.
Дуга гасне, якщо
Гасіння дуги у вузьких щілинах.
Якщо дуга горить у вузькій щілині, утвореній дугостійким матеріалом, то завдяки зіткненню з холодними поверхнями відбувається інтенсивне охолодження та дифузія заряджених частинок навколишнє середовище. Це призводить до швидкої деіонізації та гасіння дуги.
Мал. 4.
а– розподіл довгої дуги на короткі; б– затягування дуги у вузьку щілину дугогасної камери; в– обертання дуги у магнітному полі; г- Гасіння дуги в маслі: 1 - нерухомий контакт; 2 – ствол дуги; 3 – воднева оболонка; 4 – зона газу; 5 – зона парів олії; 6 – рухливий контакт
Рух дуги в магнітному полі.
Електрична дуга може розглядатися як провідник із струмом. Якщо дуга знаходиться у магнітному полі, то на неї діє сила, яка визначається за правилом лівої руки. Якщо створити магнітне поле, спрямоване перпендикулярно осі дуги, вона отримає поступальний рух і буде затягнута всередину щілини дугогасної камери (рис. 4, б).
У радіальному магнітному полі дуга отримає обертальний рух(Рис. 4, в). Магнітне поле може бути створене постійними магнітамиспеціальними котушками або самим контуром струмопровідних частин. Швидке обертання та переміщення дуги сприяє її охолодженню та деіонізації.
Останні два способи гасіння дуги (у вузьких щілинах і магнітному полі) застосовуються також у відключаючих апаратах напругою вище 1 кВ.
4. Основні способи гасіння дуги в апаратах вище 1кВ.
У комутаційних апаратах понад 1 кВ застосовуються способи 2 та 3 описані в п.п. 1.3. а також широко застосовуються такі способи гасіння дуги:
1. Гасіння дуги в олії .
Якщо контакти відключаючого апарату помістити в масло, то дуга, що виникає при розмиканні, призводить до інтенсивного газоутворення і випаровування масла (рис. 4, г). Навколо дуги утворюється газовий міхур, що складається переважно з водню (70-80 %); швидке розкладання олії призводить до підвищення тиску в міхурі, що сприяє її кращому охолодженню та деіонізації. Водень має високі дугогасні властивості. Доторкаючись безпосередньо до стовбура дуги, він сприяє її деіонізації. Усередині газового міхура відбувається безперервний рух газу та парів олії. Гасіння дуги в маслі широко застосовується у вимикачах.
2. Газоповітряне дуття .
Охолодження дуги покращується, якщо створити спрямований рух газів – дуття. Дуття вздовж або впоперек дуги (рис. 5) сприяє проникненню газових частинок у її стовбур, інтенсивній дифузії та охолодженню дуги. Газ створюється при розкладанні олії дугою (масляні вимикачі) або твердих газогенеруючих матеріалів (автогазове дуття). Більш ефективно дуття холодним неіонізованим повітрям, що надходить із спеціальних балонів зі стисненим повітрям (повітряні вимикачі).
3. Багаторазовий розрив ланцюга струму .
Вимкнення великого струму при високих напругах важко. Це пояснюється тим, що за великих значенняхенергії, що підводиться, і відновлюється напруги деіонізація дугового проміжку ускладнюється. Тому у вимикачах високої напруги застосовують багаторазовий розрив дуги у кожній фазі (рис. 6). Такі вимикачі мають кілька пристроїв гасіння, розрахованих на частину номінального на 
напруги. Число розривів на фазу залежить від типу вимикача та його напруги. У вимикачах 500-750 кВ може бути 12 і більше розривів. Щоб полегшити гасіння дуги, напруга, що відновлюється, повинна рівномірно розподілятися між розривами. На рис. 6 схематично показаний масляний вимикач із двома розривами на фазу.
При відключенні однофазного КЗ напруга, що відновлюється, розподілиться між розривами наступним чином:
U 1/U 2 = (C 1+C 2)/C 1
де U 1 ,U 2 - напруги, прикладені до першого та другого розривів; З 1 – ємність між контактами цих розривів; C 2 – ємність контактної системи щодо землі.
Мал. 6. Розподіл напруги з розривів вимикача: а – розподіл напруги з розривів масляного вимикача; б - ємнісні дільники напруги; в – активні дільники напруги.
Так як З 2 значно більше C 1, то напруга U 1 > U 2 і, отже, гасильні пристрої працюватимуть у різних умовах. Для вирівнювання напруги паралельно головним контактам вимикача (ГК) включають ємності або активні опори (рис. 16, б, в). Значення ємностей та активних шунтуючих опорів підбирають так, щоб напруга на розривах розподілялася рівномірно. У вимикачах із шунтуючими опорами після гасіння дуги між ГК супроводжуючий струм, обмежений за значенням опорами, розривається допоміжними контактами (ВК).
Шунтуючі опори зменшують швидкість наростання напруги, що відновлюється, що полегшує гасіння дуги.
4. Гасіння дуги у вакуумі .
Високорозріджений газ (10-6-10-8 Н/см2) має електричну міцність, в десятки разів більшу, ніж газ при атмосферному тиску. Якщо контакти розмикаються у вакуумі, відразу після першого проходження струму в дузі через нуль міцність проміжку відновлюється і дуга не спалахує знову.
5. Гасіння дуги в газах високого тиску .
Повітря при тиску 2 МПа і більше має високу електричну міцність. Це дозволяє створювати досить компактні пристрої для гасіння дуги в атмосфері повітря. Ще ефективніше застосування високоміцних газів, наприклад шестифторісгою сірки SF6 (елегаз). Елегаз має не тільки більшу електричну міцність, ніж повітря і водень, але і кращі властивості, що дугогасять, навіть при атмосферному тиску.
Принцип електродугового зварювання заснований на використанні температури електричного розряду, що виникає між зварювальним електродом та металевою заготівлею.
Дуговий розряд утворюється внаслідок електричного пробою повітряного проміжку. У разі цього явища відбувається іонізація молекул газу, підвищення його температури та електропровідності, перехід у стан плазми.
Горіння зварювальної дуги супроводжується виділенням великої кількостісвітлової та особливо теплової енергії, внаслідок чого різко підвищується температура, і відбувається локальне плавлення металу заготовки. Це і є зварювання.
У процесі роботи, щоб порушити дуговий розряд, проводиться короткочасне торкання заготівлі електродом, тобто, створення короткого замиканняз наступним розривом металевого контакту та встановленням необхідного повітряного зазору. У такий спосіб вибирається оптимальна довжина зварювальної дуги.
При дуже короткому розряді електрод може прилипати до заготівлі, плавлення відбувається дуже інтенсивно, що може призвести до утворення напливів. Довга дуга відрізняється нестійкістю горіння та недостатньо високою температурою в зоні зварювання.
Нестійкість та видиме викривлення форми зварювальної дуги часто можна спостерігати під час роботи промислових зварювальних агрегатів із досить масивними деталями. Це називається магнітним дмухом.
Суть його полягає в тому, що зварювальний струм дуги створює деяке магнітне поле, яке взаємодіє з магнітним полем, створюваним струмом, що протікає через масивну заготівлю.
Тобто відхилення дуги викликається магнітними силами. Дуттям процес названий тому, що дуга відхиляється, начебто під впливом вітру.
Радикальних способів боротьби із цим явищем немає. Для зменшення впливу магнітного дуття застосовують зварювання укороченою дугою, а також мають електрод під певним кутом.
Середовище горіння
Існує кілька різних зварювальних технологій, що використовують електродугові розряди, що відрізняються властивостями та параметрами. Електрична зварювальна дуга має такі різновиди:
- відкрита. Горіння розряду відбувається у атмосфері;
- закрита. Висока температура, що утворюється при горінні, викликає рясне виділення газів від згоряючого флюсу. Флюс міститься в обмазуванні зварювальних електродів;
- серед захисних газів. У цьому варіанті в зону зварювання подається газ, найчастіше, це гелій, аргон або вуглекислий газ.
Захист зони зварювання необхідний для запобігання активному окисленню металу, що плавиться під впливом кисню повітря.
Шар оксиду перешкоджає утворенню суцільного зварного шва, метал у місці з'єднання набуває пористості, в результаті чого знижується міцність і герметичність стику.
Якоюсь мірою дуга сама здатна створювати мікроклімат у зоні горіння за рахунок утворення області підвищеного тискуперешкоджає припливу атмосферного повітря.
Застосування флюсу дозволяє активніше видавлювати повітря із зони зварювання. Використання середовища захисних газів, що подаються під тиском, вирішує це практично повністю.
Тривалість розряду
Крім критеріїв захищеності, дуговий розряд класифікується за тривалістю. Існують процеси, у яких горіння дуги відбувається у імпульсному режимі.
У таких пристроях зварювання здійснюється короткими спалахами. За час спалаху температура встигає зрости до величини, достатньої для локального розплавлення невеликий зони, У якій утворюється точкове з'єднання.
Більшість застосовуваних зварювальних технологій використовує відносно тривале за часом горіння дуги. Протягом зварювального процесу відбувається постійне переміщення електрода вздовж кромок, що з'єднуються.
Область підвищеної температури, що створює , переміщається за електродом. Після переміщення зварювального електрода, отже, і дугового розряду, температура пройденої ділянки знижується, відбувається кристалізація зварювальної ванни та утворення міцного зварного шва.
Структура дугового розряду
Область дугового розряду умовно прийнято ділити втричі ділянки. Ділянки, безпосередньо прилеглі до полюсів (аноду та катоду), називають відповідно анодним і катодним.
Центральну частину дугового розряду, розташовану між анодною та катодною областями, називають стовпом дуги. Температура в зоні зварювальної дуги може сягати кількох тисяч градусів (до 7000 °C).
Хоча тепло не повністю передається металу, його вистачає для розплавлення. Так, температура плавлення сталі порівняння становить 1300-1500 °C.
Для забезпечення стійкого горіння дугового розряду потрібні наступні умови: наявність струму порядку 10 Ампер (це мінімальне значення, максимум може досягати 1000 Ампер), за підтримки напруги дуги від 15 до 40 Вольт .
Падіння цієї напруги відбувається у дуговому розряді. Розподіл напруги зонами дуги відбувається нерівномірно. Падіння більшої частини прикладеної напруги відбувається в анодній та катодній зонах.
Експериментальним шляхом встановлено, що при найбільше падіння напруги спостерігається в катодній зоні. У цій частині дуги спостерігається найвищий градієнт температури.
Тому, при виборі полярності зварювального процесу, катод з'єднують з електродом, коли хочуть досягти найбільшого його плавлення, підвищивши його температуру. Навпаки, для глибшого проварювання заготовки, катод приєднують до неї. У стовпі дуги падає найменша частина напруги.
При виробництві зварювальних робіт електродом, що не плавиться, катодне падіння напруги менше анодного, тобто, зона підвищеної температури зміщена до анода.
Тому, при цій технології, заготівля підключається до анода, чим забезпечується хороший її прогрів і захист електрода, що не плавиться від зайвої температури.
Температурні зони
Слід зауважити, що при будь-якому вигляді зварювання, як плавиться, так і електродом, що не плавиться, стовп дуги (його центр) має саму високу температуру– близько 5000-7000 °C, інколи ж і вище.
Зони найнижчої температури розташовуються в одній із активних областей, катодної чи анодної. У цих зонах може виділятись 60-70% тепла дуги.
Крім інтенсивного підвищення температури заготівлі та зварювального електрода, розряд випромінює інфрачервоні та ультрафіолетові хвилі, здатні надавати шкідливий вплив на організм зварювальника. Це зумовлює необхідність застосування захисних заходів.
Що ж до зварювання змінним струмом, поняття полярності там немає, оскільки становище анода і катода змінюється з промислової частотою 50 коливань на секунду.
Дуга в цьому процесі має меншу стійкість у порівнянні з постійним струмом, її температура скаче. До переваг зварювальних процесів на змінному струмі можна віднести тільки більш просте і дешеве обладнання, та ще практично повну відсутність такого явища, як магнітне дуття, про яке сказано вище.
Вольт-амперна характеристика
На графіці представлені криві залежності напруги джерела живлення від величини зварювального струму, які називаються вольт-амперними характеристиками зварювального процесу.
Криві червоного кольору відображають зміну напруги між електродом та заготівлею у фазах збудження зварювальної дуги та стійкого її горіння. Початкові точки кривих відповідають напрузі холостого ходуджерела живлення.
У момент збудження зварником дугового розряду, напруга різко знижується аж до того періоду, коли параметри дуги стабілізуються, встановлюється значення струму зварювання, що залежить від діаметра електрода, що застосовується, потужності джерела живлення і встановленої довжини дуги.
З настанням цього періоду, напруга і температура дуги стабілізуються, і весь процес набуває стійкого характеру.