Что такое электрическая дуга и какие ее свойства

Запрос «Дуговой разряд» перенаправляется сюда; см. также другие значения.

Электрическая дуга в воздухе (лестница Иакова, трансформатор на 2кВ 0,5А)

Электри́ческая дуга́ (во́льтова дуга́, дугово́й разря́д) — один из видов электрического разряда в газе.

Впервые была описана в 1802 году русским учёным В. Петровым в книге «Известие о гальвани-вольтовских опытах посредством огромной батареи, состоявшей иногда из 4200 медных и цинковых кружков» (Санкт-Петербург, 1803). Электрическая дуга является частным случаем четвёртой формы состояния вещества — плазмы — и состоит из ионизированного, электрически квазинейтрального газа. Присутствие свободных электрических зарядов обеспечивает проводимость электрической дуги.

Физические явления[править | править код]

Электрическая дуга между двумя электродами в воздухе при атмосферном давлении образуется следующим образом:

При увеличении напряжения между двумя электродами до определённого уровня в воздухе между электродами возникает электрический пробой. Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния между электродами и других факторов. Потенциал ионизации первого электрона атомов металлов составляет приблизительно 4,5 — 5 В, а напряжение дугообразования — в два раза больше (9 — 10 В). Требуется затратить энергию на выход электрона из атома металла одного электрода и на ионизацию атома второго электрода. Процесс приводит к образованию плазмы между электродами и горению дуги (для сравнения: минимальное напряжение для образования искрового разряда немногим превышает потенциал выхода электрона — до 6 В).

Для инициирования пробоя при имеющемся напряжении электроды приближают друг к другу. Во время пробоя между электродами обычно возникает искровой разряд, импульсно замыкая электрическую цепь. Электроны в искровых разрядах ионизируют молекулы в воздушном промежутке между электродами. При достаточной мощности источника напряжения в воздушном промежутке образуется достаточное количество плазмы для значительного падения напряжения пробоя или сопротивления воздушного промежутка. При этом искровые разряды превращаются в дуговой разряд — плазменный шнур между электродами, являющийся плазменным тоннелем. Возникающая дуга является, по сути, проводником и замыкает электрическую цепь между электродами. В результате средний ток увеличивается ещё больше, нагревая дугу до 5000-50000 K. При этом считается, что поджиг дуги завершён. После поджига устойчивое горение дуги обеспечивается термоэлектронной эмиссией с катода, разогреваемого током и ионной бомбардировкой.

После поджига дуга может оставаться устойчивой при разведении электрических контактов до некоторого расстояния.

Взаимодействие электродов с плазмой дуги приводит к их нагреву, частичному расплавлению, испарению, окислению и другим видам коррозии.

Строение дуги[править | править код]

Строение электрической дуги при дуговой сварке. 1-анодная область, 2-область дуги и защитного газа, 3-дуга, 4-катодные пятна, 5-катодная область

Электрическая дуга состоит из катодной и анодной областей, столба дуги, переходных областей. Толщина анодной области составляет 0,001 мм, катодной области — около 0,0001 мм.

Температура в анодной области при сварке плавящимся электродом составляет около 2500 … 4000°С, температура в столбе дуги — от 7 000 до 18 000°С, в области катода — 9000 — 12000°С.

Столб дуги электрически нейтрален. В любом его сечении находятся одинаковое количество заряженных частиц противоположных знаков. Падение напряжения в столбе дуги пропорционально его длине[1].

Сварочные дуги классифицируют по:

Материалам электрода — с плавящимся и неплавящимся электродом;
Степени сжатия столба — свободную и сжатую дугу;
По используемому току — дуга постоянного и дуга переменного тока;
По полярности постоянного электрического тока — прямой полярности («-» на электроде, «+» — на изделии) и обратной полярности;
При использовании переменного тока — дуги однофазная и трехфазная.

Саморегулирование дуги[править | править код]

При возникновении внешнего возмущения — изменения напряжения на дуге, скорости подачи электрода и др. — возникает нарушение в установившемся равновесии между скоростью подачи и скоростью плавления. При увеличении длины дуги увеличивается её сопротивление и уменьшается сварочный ток. Это приводит к уменьшению выделяемого тепла и уменьшению скорости плавления электрода. При этом, скорость подачи, оставаясь постоянной, становится больше скорости плавления, что приводит к восстановлению длины дуги. При уменьшении длины дуги скорость плавления проволоки становится больше скорости подачи, это приводит к восстановлению нормальной длины дуги[2].

На эффективность процесса саморегулирования дуги значительно влияет форма вольт-амперной характеристики источника питания. Большое быстродействие колебания длины дуги отрабатывается автоматически при жестких ВАХ цепи.

Применение[править | править код]

Электрическая дуга, как мощный и концентрированный источник тепла, используется при электродуговой сварке и плазменной резке металлов, для выплавки стали в дуговых печах, инициировании взрывчатого вещества в электродетонаторах. Также дуга может быть использована для нагрева рабочего тела в электроракетных двигателях.

Совместное действие нагрева от дуги и ударных волн, возникающих при схлопывании дугового канала, используется при электроэрозионной обработки. Объёмные пульсациии плазменного канала высокочастотной дуги используется для звуковоспроизведения в ионофонах.

Яркое излучение дуги используется для освещения. Дуговыми были первые серийные источники электрического света — свечи Яблочкова. Определённое распространение получили мощные источники света на основе электрической дуги — дуговые электролампы. В зависимости от состава среды в которой горит дуга такие лампы могут быть как прямого излучения (ксеноновая дуговая лампа, угольная дуговая лампа, натриевая газоразрядная лампа), так и косвенного, с помощью люминофоров — ртутная газоразрядная лампа.

Влияние на состав плазмы дугу материала электродов используют в вакуумно-дуговом нанесении покрытий и в спектроскопии, например, в стилоскопах, для получения спектра излучения исследуемого образца.

Особенности физики зажигания дуги (необходимость катодного пятна) используют в ртутных выпрямителях.

Иногда используется свойство нелинейной вольт-амперной характеристики дуги (см. автомат гашения поля, разрядники).

Борьба с электрической дугой[править | править код]

В ряде устройств явление электрической дуги является вредным. Это, в первую очередь, контактные коммутационные устройства,
используемые в электроснабжении и электроприводе: высоковольтные выключатели, автоматические выключатели, контакторы, секционные изоляторы на контактной сети электрифицированных железных дорог и городского электротранспорта. При отключении нагрузок вышеуказанными аппаратами, между размыкающимися контактами возникает дуга.

Механизм возникновения дуги в данном случае следующий:

Уменьшение контактного давления — количество контактных точек уменьшается, растёт сопротивление в контактном узле;
Начало расхождения контактов — образование «мостиков» из расплавленного металла контактов (в местах последних контактных точек);
Разрыв и испарение «мостиков» из расплавленного металла;
Образование электрической дуги в парах металла (что способствует большей ионизации контактного промежутка и трудности при гашении дуги);
Устойчивое горение дуги с быстрым выгоранием контактов.

Для минимального повреждения контактов необходимо погасить дугу в минимальное время, прилагая все усилия по недопущению нахождения дуги на одном месте (при движении дуги, теплота выделяющаяся в ней будет равномерно распределяться по телу контакта).

Для выполнения вышеуказанных требований применяются следующие методы борьбы с дугой:

охлаждение дуги потоком охлаждающей среды — жидкости (масляный выключатель); газа — (воздушный выключатель, автогазовый выключатель, масляный выключатель, элегазовый выключатель), причём поток охлаждающей среды может проходить как вдоль ствола дуги (продольное гашение), так и поперёк (поперечное гашение); иногда применяется продольно-поперечное гашение;
использование дугогасящей способности вакуума — известно, что при уменьшении давления газов, окружающих коммутируемые контакты до определённого значения, приводит к эффективному гашению дуги (в связи с отсутствием носителей для образования дуги) вакуумный выключатель.
использование более дугостойкого материала контактов;
применение материала контактов с более высоким потенциалом ионизации;
применение дугогасительных решёток (автоматический выключатель, электромагнитный выключатель). Принцип применения дугогашения на решётках основан на применении эффекта околокатодного падения в дуге (большая часть падения напряжения в дуге — это падение напряжения на катоде; дугогасительная решётка — фактически ряд последовательных контактов для попавшей туда дуги).
использование дугогасительных камер — попадая в камеру из дугостойкого материала, например слюдопласта, с узкими, иногда зигзагообразными каналами, дуга растягивается, сжимается и интенсивно охлаждается от соприкосновения со стенками камеры.
использование «магнитного дутья» — поскольку дуга сильно ионизирована, то её в первом приближении можно полагать как гибкий проводник с током; создавая специальными электромагнитами (включённых последовательно с дугой) магнитное поле можно создавать движение дуги для равномерного распределения тепла по контакту, так и для загона её в дугогасительную камеру или решётку. В некоторых конструкциях выключателей создаётся радиальное магнитное поле, придающее дуге вращательный момент.
шунтирование контактов в момент размыкания силовым полупроводниковым ключом тиристором или симистором, включеным параллельно контактам, после размыкания контактов полупроводниковый ключ отключается в момент перехода напряжения через ноль (гибридный контактор, тирикон).

Воздействие на организм человека[править | править код]

Электрическая дуга создает сильное излучение в широком диапазоне волн. При горении в воздухе около 70 % энергии излучения приходится на ультрафиолет, 15 % — на видимое излучение и 15 % — на инфракрасное[3]. Воздействие на глаза может привести к электроофтальмии, а на кожу — к ожогам. Для защиты глаз и лица сварщики используют специальные сварочные маски с тёмным светофильтром. Для защиты тела — термостойкую спецодежду.

Учитывая то, что дуговой разряд по сути является открытым проводником, то прямое воздействие дуги на человека приведет к электротравме.

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

Дуга электрическая — статья из Большой советской энциклопедии.
Искровой разряд — статья из Большой советской энциклопедии.
Райзер Ю. П. Физика газового разряда. — 2-е изд. — М.: Наука, 1992. — 536 с. — ISBN 5-02014615-3.
Родштейн Л. А. Электрические аппараты, Л 1981 г.
Clerici, Matteo; Hu, Yi; Lassonde, Philippe; Milián, Carles; Couairon, Arnaud; Christodoulides, Demetrios N.; Chen, Zhigang; Razzari, Luca; Vidal, François (2015-06-01). «Laser-assisted guiding of electric discharges around objects». Science Advances 1 (5): e1400111. Bibcode:2015SciA….1E0111C. doi:10.1126/sciadv.1400111. ISSN 2375—2548.

Ссылки[править | править код]

Дуга. Условия возникновения и горения дуги. Способы гашения дуги.
Свойства электрической (сварочной) дуги.
Что такое электрическая дуга, как она возникает и где применяется?

Источник

Во время коммутационных операций, а также при таком явлении как перенапряжение между токоведущими частями вполне может сформироваться электрическая дуга. Помимо разрушительного и негативного воздействия это явление так же научились использовать во благо. В этой статье я расскажу о том, что такое электрическая дуга и каким образом ее сейчас используют. Итак, приступим.

yandex.ru

Как формируется электрическая дуга и какими свойствами обладает

Если взять два электрода, закрепить их на небольшом расстоянии друг от друга, причем таким образом, чтобы острые концы были направлены друг к другу, и подключить их к регулируемому источнику питания, то при постепенном повышении напряжения мы увидим, что при достижении определенного напряжения сначала возникнут искры, а потом сформируется устойчивое горение дуги.

Образовавшееся свечение – это не что иное как плазма. По факту это и есть электрическая дуга или по-другому протекание электрического тока через газовую среду (воздух).

yandex.ru

На рисунке выше показана вольт амперная характеристика и строение дуги.

А температура горения (в примерном диапазоне) такова:

yandex.ru

Причины возникновения дуги

Теперь давайте разберемся, почему же возникает электрическая дуга (продолжим рассматривать все тот же пример с электродами). На самом деле все очень просто. Если абсолютно любой объект, имеющий определенную проводимость, поместить в электрическое поле, то на его поверхности начнут формироваться и скапливаться заряды.

При этом, чем меньшим радиусом изгиба будет обладать тело, тем больший заряд будет формироваться в этом месте.

Проще говоря, заряд копится на острых гранях. Так как между электродами у нас воздух (смесь газов), то под действием все того же электромагнитного поля начинается процесс ионизации. Тем самым создаются условия для формирования электрической дуги.

yandex.ru

При этом величина напряжения, при котором осуществляется пробой воздушного промежутка, зависит от многих факторов.

Помимо увеличения напряжения между электродами, еще одним условием формирования дуги является разрыв электрической сети контактами. Если в цепи присутствует большая индуктивность, то по закону коммутации, ток не может прерваться в один момент. А это значит, что дуга между разъединенными контактами будет гореть до тех пор, пока не пропадет напряжение или не будет рассеяна накопленная энергия в магнитном поле катушки индуктивности.

yandex.ru

Условия зажигания и горения дуги

Итак с тем как формируется дуга вроде бы разобрались, теперь давайте скажем тезисно об условиях зажигания и горения дуги.

Для того, чтобы сформировалась дуга, нужно чтобы между электродами пространство было заполнено газом. Ведь чтобы осуществить пробой газа, напряжение должно возрасти до нескольких тысяч Вольт, а для поддержания горения достаточно напряжение в 50-60 Вольт, ну, а величина тока при этом должна быть не меньше 10 Ампер.

Чем вредна электрическая дуга и как с ней борются

Электрическая дуга вредна в первую очередь тем, что она разрушает контакты, между которыми она формируется. Все это происходит из-за того, что во время горения выделяется очень большой объем тепла, который просто напросто расплавляет контакты.

Для минимизации пагубного воздействия электрической дуги в коммутационных аппаратах используют различные приспособления. Так, например, в сетях 0,4 кВ для гашения дуги используются специальные дугогасительные камеры.

yandex.ru

Принцип работы такой камеры таков: при отключении сформировавшаяся дуга изгибаясь касается пластин дугогасительной камеры, тем самым разделяясь на несколько более мелких дуг, в результате они быстро остывают и пропадают.

В сетях выше 1 кВ используются специальные выключатели:

– масляные;

– вакуумные;

– элегазовые.

В масляном выключателе гашение дуги происходит следующим образом: коммутируемые контакты находятся в масляной среде, поэтому при разрыве соединения дуга начинает гореть в масле, которое разлагается на водород и сопутствующие газы.

yandex.ru

При этом сформировавшийся пузырь стремиться как можно быстрее вырваться из камеры. Тем самым происходит растяжение дуги, а так как водород обладает отличной теплопроводностью, то одновременно дуга охлаждается. И таким образом она просто потухает.

В вакуумных же выключателях контакты находятся в безвоздушной среде, то есть процесс ионизации в принципе невозможен, так как нет среды.

В элегазовых же выключателях все наоборот: газ (элегаз) находится под высоким давлением. Сформированное давление препятствует ионизации.

Электрическая дуга и ее полезное применение

Разрушительную силу электрической дуги научились использовать и во благо.

И, пожалуй, первое, что приходит на ум – это электросварка. Как раз в сварочных аппаратах и используется принцип стабильного горения дуги при низком напряжении.

yandex.ru

Так же дуга используется в виде источника света в дуго разрядных лампах.

yandex.ru

Кроме этого существуют специальные дугоплавильные печи.

Заключение

Это все, что я хотел вам рассказать об электрической дуге, ее разрушительной силе и мирном применении. Если статья оказалась вам полезна, то оцените ее лайком. Спасибо за ваше внимание!

Источник

Наблюдать искровые разряды приходилось каждому, в том числе и людям, далёким от познаний в электротехнике. Гигантскими искровыми разрядами сопровождаются грозы. Высвобождение огромной энергии, сконцентрированной в электрическом разряде молнии (см. рис. 1), сопровождается ослепительной вспышкой раскалённого ствола. Одним из видов искровых разрядов, созданных человечеством, является дуговой разряд, или попросту, электрическая дуга.

Рис. 1. Грозовой разряд

На сегодняшний день причины возникновение и свойства электрической дуги детально изучено наукой. Физики установили, что в области её горения возникает огромная концентрация зарядов, которые образуют плазму ствола. Температуры столба достигает нескольких тысяч градусов.

Что такое электрическая дуга?

Это загадочное явление впервые описал русский учёный В. Петров. Он создавал электрическую дугу, используя батарею, состоящую из тысяч медных и цинковых пластин. Изучая процесс зажигания дуги постоянным током, учёный пришёл к выводу, что воздушный промежуток между электродами при определённых условиях приобретает электропроводимость.

Одним из условий возникновения электрического пробоя является достаточно высокая разность потенциалов на концах электродов. Чем выше напряжение, тем больший газовый промежуток может преодолеть разряд. При этом образуется электропроводный газовый столб, который сильно разогревается во время горения дуги.

Рис. 2. Электрическая дуга

Возникает резонный вопрос: «Почему воздух, являющийся отличным изолятором в обычном состоянии, вдруг становится проводником?».

Объяснение может быть только одно – в стволе дуги образуются носители зарядов, способные перемещаться под действием электрического поля. Поскольку в воздухе, в отличие от металлов, нет свободных электронов, то вывод напрашивается только один – ионизация газов (см. рис. 3). То есть, запуск процесса насыщения газа ионами, являющимися носителями электрического заряда.

Рис. 3. Физика электрической дуги

Ионизация воздуха происходит под действием различного вида излучений, включая рентгеновское и космическое облучение. Поэтому в воздухе всегда находятся небольшое количество ионов. Но поскольку ионы почти сразу рекомбинируются (превращаются в нейтральные атомы и молекулы), то концентрация заряженных частиц всегда мизерная. Получить вспышку дуги при такой концентрации невозможно.

Для возникновения дугового разряда нужен лавинообразный процесс ионизации. Его можно вызвать путём сильного нагревания газа, которое происходит при зажигании.

При размыкании контактов происходит эмиссия электронов, скапливающихся на очень маленьком пространстве. Под действием напряжённости электрического поля отрицательные заряды устремляются к электроду с положительным знаком.

При достижении напряжения пробоя, между электродами возникает искровой разряд, разогревающий область между электродами. Если ток достаточно большой, то количество тепла будет достаточно для запуска лавинообразного процесса ионизации воздуха.

На участке, который называют дуговым промежутком, образуется ствол, называемый столбом дуги и состоящий из горячей проводимой плазмы. По этому стволу протекает ток, поддерживающий разогревание плазмы. Так происходит процесс зажигания дугового разряда.

Насыщение плазменного ствола ионами разных знаков приводит к значительному увеличению плотности тока, а также к рекомбинации части ионов. Разогревание плазмы приводит также к увеличению давления в стволе. Поэтому часть ионов улетучивает в окружающее пространство.

Если не поддерживать образование новых зарядов, то произойдёт гашение дуги. Как мы уже выяснили, устойчивому горению сопутствуют 2 фактора: наличие напряжения между электродами и поддержание высокой температуры плазмы. Исключение одного из них, приведёт к гашению дуги.

Таким образом, можем сформулировать определение электрической дуги. А именно электрическая дуга — это вид искрового разряда, сопровождающегося большой плотностью тока, длительностью горения, малым падением напряжения на промежутке ствола, характеризующегося повышенным давлением газа, в котором поддерживается высокая температура.

Электрическая дуга отличается от обычного разряда большей длительностью горения.

Строение

Электрическая дуга состоит из трёх основных зон:

катодной;
анодной;
плазменного столба.

В сварочных дугах размеры катодной и анодной зоны незначительные, по сравнению с длиной столба. Толщина этих зон составляет тысячные доли миллиметра. В зоне катодного падения напряжения (на конце отрицательного электрода) наблюдается наличие катодных пятен, которые образуются в результате сильного нагревания.

На рисунке 4 изображена схема строения дуги, создаваемой сварочным аппаратом.

Рис. 4. Строение сварочной дуги

Обратите внимание: с целью достижения наглядности, на картинке сильно преувеличены электродные зоны. В действительности их толщина измеряется в микронах.

Свойства

Высокая плотность тока в стволе электрической дуги определяет её главные свойства:

Чрезвычайно
высокую температуру плазменного ствола и околоэлектродных зон.
Длительное
горение, при поддержании условий образования ионов.

Эти свойства необходимо учитывать при борьбе с возникновением электрической дуги, так и при её применении в некоторых сферах.

Полезное применение

Как это ни странно, но физики нашли применение этому электрическому явлению ещё на этапе развития науки об электричестве. Пример тому – лампочка Яблочкова. Она состояла из двух угольных электродов, между которыми зажигалась электрическая дуга.

У этой лампы были два недостатка. Электроды быстро изнашивались (выгорали), а спектр света смещался в ультрафиолетовую зону, что негативно влияло на зрение. По этим причинам дуговые лампы не нашли широкого применения и их быстро вытеснили лампы накаливания, существующие до сегодняшнего дня.

Исключение составляют дугоразрядные лампы, а также мощные прожектора, используемые преимущественно в военных целях.
Дуговой разряд стал массово применяться на практике с момента изобретения сварочного аппарата. Дуговую сварку применяют для сварки металлов. (см. рис. 5)

Рис. 5. Дуговая сварка

Используя проводимость плазмы, включая в сварочную цепь специальные сварочные электроды, достигают высокой температуры в сосредоточенном пятне. Регулируя сварочный ток, сварщик имеет возможность настроить аппарат на нужную температуру дугового разряда. Для защиты ствола от тепловых потерь, металлические электроды покрыты специальной смесью, обеспечивающей стабильность горения.

Электрическую дугу применяют в доменных печах для плавки металлов. Дуговая плавка удобна тем, что можно регулировать её температуру путём изменения параметров тока.

Наряду с полезным применением, в электротехнике часто приходится бороться с дуговыми разрядами. Не контролированный дуговой разряд может нанести существенный вред на линиях электропередач, в промышленных и бытовых сетях.

Рис. 6. Дуговой разряд на ЛЭП

Причины возникновения

Исходя из определения, можем назвать условия возникновения электрической дуги:

наличие разнополярных электродов с большими токами;
создание искрового разряда;
поддержание напряжения на электродах;
обеспечение условий для сохранения температуры ствола.

Искровой разряд возникает в двух случаях: при кратковременном соприкосновении электродов или при приближении к параметрам пробоя. Мощный электрический пробой всегда зажигает ствол.

При сохранении оптимальной длины дуги температура плазмы поддерживается самостоятельно. Однако, с увеличением промежутка между электродами, происходит интенсивный теплообмен ствола с окружающим воздухом. В конце концов, в стволе, вследствие падения температуры, образование ионов лавинообразно прекратится, в результате чего произойдёт гашение пламени.

Пробои часто случаются на высоковольтных ЛЭП. Они могут привести к разрушению изоляторов и к другим негативным последствиям. Длинная электрическая дуга довольно быстро гаснет, но даже за короткое время горения её разрушительная сила огромна.

Дуга имеет склонность к образованию при размыкании контактов. При этом контакты выключателя быстро выгорают, электрическая цепь остаётся замкнутой до момента исчезновения ствола. Это опасно не только для сетей, но и для человека.

Способы гашения

Следует отметить, что гашение дуги происходит и по разным причинам. Например, в результате остывания столба, падения напряжения или когда воздух между электродами вытесняется сторонними испарениями, препятствующими ионизации.

С целью недопущения образования дуг на высоковольтных проводах ЛЭП, их разносят на большое расстояние, что исключает вероятность пробоя. Если же пробой между проводами всё-таки случится, то длинный ствол быстро охладится и произойдёт гашение.

Для охлаждения ствола его иногда разбивают на несколько составляющих. Данный принцип часто используют в конструкциях воздушных выключателей, рассчитанных на напряжения до 1кВ.

Некоторые модели выключателей состоят из множества дугогасительных камер, способствующих быстрому охлаждению.

Быстрой ионизации можно достигнуть путём испарения некоторых материалов, окружающих пространство подвижных ножей. Испарение под высоким давлением сдувает плазму ствола, что приводит к гашению.

Существуют и другие способы: помещение контактов в масло, автодутьё, применение электромагнитного гашения и др.

Воздействие на человека и электрооборудование

Электрическая дуга представляет опасность для человека своим термическим воздействием, а также ультрафиолетовым действием излучающего света. Огромную опасность таит в себе высокое напряжение переменных токов. Если незащищённый человек окажется на критически близком расстоянии от токоведущих частей приборов, может произойти пробой электричества с образованием дуги. Тогда на тело, кроме воздействия тока, окажет действие термической составляющей.

Распространение дугового разряда по конструктивным частям оборудования грозит выжиганием электронных элементов, плат и соединений.

Видео по теме

Источник