Что такое электрическая дуга

Явление электрической дуги

Электрическая дуга представляет собой электрический разряд в среде (воздух, вакуум, элегаз, трансформаторное масло) с большим током, низким напряжением, высокой температурой. Это явление как электрическое, так и тепловое.

Может возникать между двумя контактами при их размыкании.

Обратимся к ВАХ-диаграмме:

На данном графике у нас зависимость тока от напряжения, немного не в масштабе, но так нагляднее. Значит, есть три области:

в первой области у нас высокое падение напряжения у катода и малые токи — это область тлеющего разряда
во второй области у нас падение напряжения резко снижается, а ток продолжает увеличиваться — это переходная область между тлеющим и дуговым разрядом
третья область характеризует дуговой разряд — малое падение напряжения и высокая плотность тока и следовательно высокая температура.

Механизм возникновения дуги может быть следующий: контакты размыкаются и между ними возникает разряд. В процессе размыкания воздух между контактами ионизируется, обретая свойства проводника, затем возникает дуга. Зажигание дуги — это процессы ионизации воздушного промежутка, гашение дуги — явления деионизации воздушного промежутка.

Явления ионизации и деионизации

В начале горения дуги преобладают процессы ионизации, когда дуга устойчива, то процессы ионизации и деионизации происходят одинаково часто, как-только процессы деионизации начинают преобладать над процессами ионизации — дуга гаснет.

ионизация:

термоэлектронная эмиссия — электроны отрываются от раскаленной поверхности катодного пятна;
автоэлектронная эмиссия — электроны вырываются с поверхности из-за высокой напряженности электрического поля.
ионизация толчком — электрон вылетает с достаточной скоростью и в пути сталкивается с нейтральной частицей, в результате образуется электрон и ион.
термическая ионизация — основной вид ионизации, поддерживает дугу после её зажигания. Температура дуги может достигать тысяч кельвинов, а в такой среде увеличивается число частиц и их скорости, что способствует активным процессам ионизации.

деионизация:

рекомбинация — образование нейтральных частиц из противоположно заряженных при взаимодействии
диффузия — положительно заряженные частицы отправляются “за борт”, из-за действия электрического поля дуги от середины к границе

Бывают ситуации, когда при размыкании контактов дуга не загорается, тогда говорят о безыскровом разрыве. Такое возможно при малых значениях тока и напряжения, или при отключении в момент, когда значение тока проходит через ноль.

Свойства дуги постоянного тока

Дуга может возникать как при постоянном токе-напряжении, так и при переменном. Начнем рассмотрение с постоянки:

Анодная и катодная области — размер=10-4см; суммарное падение напряжения=15-30В; напряженность=105-106В/см; в катодной области происходит процесс ударной ионизации из-за высокой напряженности, образовавшиеся в результате ионизации электроны и ионы образуют плазму дуги, которая обладает высокой проводимостью, данная область отвечает за разжигание дуги.

Ствол дуги — падение напряжения пропорционально длине дуги; плотность тока порядка 10кА на см2, за счет чего и температура порядка 6000К и выше. В данной области дуги происходят процессы термоионизации, данная область отвечает за поддержание горения.

ВАХ дугового разряда постоянного тока

Эта кривая соответствует кривой 3 на самом верхнем рисунке. Тут есть:

Uз — напряжение зажигания
Uг — напряжение гашения

Если ток уменьшить от Io до 0 мгновенно, то получится прямая, которая лежит снизу. Эти кривые характеризуют дуговой промежуток как проводник, показывают какое напряжение нужно приложить, чтобы создать в промежутке дугу.

Чтобы погасить дугу постоянного тока, необходимо, чтобы процессы деионизации преобладали над процессами ионизации.

Сопротивление дуги:

можно определить из ВАХ дуги
активное, независимо от рода тока
переменная величина
падает с ростом тока

Если разорвать цепь амперметра под нагрузкой, то тоже можно увидеть дугу.

Если не отображается плеер (значит у вас старый браузер), можете скачать видео в формате mp4 по этой ссылке

Свойства дуги переменного тока

Особенностью дуги переменного тока является её поведение во времени. Если посмотреть на график ниже, то видно, что дуга каждый полупериод проходит через ноль.

Видно, что ток отстает от напряжения примерно на 90 градусов. Вначале появляется ток и резко повышается напряжение до величины зажигания (Uз). Далее ток продолжает расти, а падение напряжения снижается.

В точке максимального амплитудного значения тока, значение напряжения дуги минимальное. Далее ток стремится к нулю, а падение напряжения опять возрастает до значения гашения (Uг), которое соответствует моменту, когда ток переходит через ноль. Далее всё повторяется опять.

Слева от временной характеристики приведена вольт-амперная характеристика.

Особенностью переменной дуги, кроме её зажигания и гашения на протяжении полупериода, является то, как ток пересекает ноль. Это происходит не по форме синусоиды, а более резко. Образуется бестоковая пауза, во время которой происходят знакомые нам процессы деионизации. То есть возрастает сопротивление дугового промежутка. И чем больше возрастет сопротивление, тем сложнее будет дуге обратно зажечься.

Если дуге дать гореть достаточно долго, то уничтожению подлежат не только контакты, но и само электрооборудование. Условия для гашения дуги заложены на стадии проектирования, постоянно внедряются новые методы борьбы с этим вредным явлением в коммутационных аппаратах.

Само по себе явление дуги не является полезным для электрооборудования, так как ведет к ухудшению эксплуатационных свойств контактов: выгорание, коррозия, механическое повреждение.

Но не всё так печально, потому что светлые умы нашли полезное применение дуговому разряду — использование в дуговой сварке, металлургии, осветительной технике, ртутных выпрямителях.

Сохраните в закладки или поделитесь с друзьями

Последние статьи

Расчет тока трансформатора по мощности и напряжению

Выпрямительные диоды: расшифровка, обозначение, ВАХ

Применение линейки в ворде

Где используется трансформаторное масло

Самое популярное

Единицы измерения физвеличин

Напряжение смещения нейтрали

Источник: https://pomegerim.ru/electrobezopasnost/elektricheskaya-duga.php

Способы гашения электрической дуги

При разрыве электрической цепи, находящейся под током, между контактами возникает дуговой разряд, представляющий собой поток заряженных частиц — электронов и ионов, перемещающихся с большой скоростью между контактами.

Высокая температура дуги (около 10 000° С в стволе дуги и до 2000-3000° С на ее поверхности) может привести к плавлению металлов и разрушению контактов, а ионизация окружающей среды — к пробою и перекрытию изоляции.

Поэтому необходимо быстро прервать ток, который после размыкания контактов идет в цепи через электрическую дугу.

В тяговых аппаратах применяют следующие способы гашения дуги: механическое, роговое и электромагнитное.

Механическое гашение электрической дуги осуществляется удлинением ее посредством увеличения расстояния между контактами. Этот способ нашел применение в аппаратах с ручным приводом, например в выключателях управления, контроллерах управления, а также реле и др. Недостатком этого способа является малая скорость гашения дуги, большая длина дуги, повышенное подгорание и оплавление контактов.

Роговое гашение электрической дуги происходит при ее удлинении под действием силы воздушной тяги, появляющейся в результате поднимания нагретого дугой воздуха вверх и электродинамических усилий между элементами дуги и рогами, направленных также снизу вверх. Под действием этих сил электрическая дуга быстро перемещается кверху, увеличиваясь по длине, и разрывается. Роговое гашение электрической дуги используют в роговых разрядниках и в дугогасящих устройствах тяговой электроаппаратуры.

Электромагнитное гашение дуги вызывается взаимодействием магнитного потока, создаваемого специальной дугогасительной катушкой, и тока электрической дуги.

При конструировании дугогасительных устройств обычно одновременно принимают несколько способов гашения дуги. Дугогасительное устройство контактора с электромагнитным (основным) и роговым (вспомогательным) гашением (рис. 32) состоит из катушки 5, камеры 1 с полюсными наконечниками 2 и рогов Зкб.

Дугогасительную катушку выполняют из шинной меди, намотанной на ребро, и укрепляют ее на сердечнике 4. В аппаратах, осуществляющих коммутацию цепей со сравнительно небольшим током, катушку наматывают из изолированного медного провода круглого сечения.

Дугогасительную катушку устанавливают непосредственно за верхним дугогасительным рогом и включают последовательно с контактами. Дугогасительную камеру выполняют из асбоцементных листов, пропитанных льняным маслом для улучшения изоляционных свойств, или из специальной дугостойкой керамики. Камеру закрепляют в полюсных наконечниках из листовой стали.

Полюсные наконечники, соединяясь с сердечником дугогасительной катушки, образуют магнитопровод, благодаря которому сокращается рассеивание магнитного поля и магнитные потоки сосредоточиваются в дугогасящем пространстве камеры.

В электрической цепи аппарата ток идет в следующем направлении: от провода I, через дугогасительную катушку, неподвижный 7 и подвижный 8 контакты к проводу //. При данном направлении тока в дугогасительной катушке (против часовой стрелки) направление магнитного поля внутри камеры указано стрелкой

(см. рис. 32). Одновременно вокруг дуги образуется магнитное поле, направленное против часовой стрелки. Магнитное поле дуги, взаимодействуя с магнитным полем дугогасительной катушки, создает силу заставляющую дугу перемещаться внутрь камеры. Направление вилы В определяется по правилу левой руки. Дуга, перемещаясь по рогам внутрь дугогасительной камеры, все более удлиняется, охлаждается о стенки камеры, сопротивление ее резко возрастает и дуга гаснет.

Изменение направления тока в электрической цепи приводит к изменению направления линий магнитной индукции вокруг электрической дуги. Одновременно изменяется направление тока в дугогасительной катушке, последовательно соединенной с цепью, а это вызывает изменение направления магнитных линий поля гашения. Таким образом, направление выдувания электрической дуги остается прежним — внутрь камеры.

Сила взаимодействия между магнитным потоком дугогасящего устройства при однородном поле гашения, перпендикулярно направленном к электрической дуге (при а=90°),

= ?/дЛ (12)

где /д — длина дуги, см;

В — магнитная индукция, Тл; 1 — отключаемый ток, А,

В соответствии с законом Ома для магнитной цепи

(13)

если пренебречь магнитным сопротивлением стали и учитывать только расстояние между полюсами, сопротивление

где /да — намагничивающая сила катушки дугогашения, А, создающая магнитный поток Ф в пространстве гашения электрической дуги;

б — расстояние между полюсами магнитной системы, см: а — площадь поперечного сечения поля гашения, см2; ро=0,4я10-8 — магнитная проницаемость воздуха, Гн/см. Подставляя данные в уравнение (12), получим

Из уравнения (15) следует, что сила, действующая на дугу, пропорциональна квадрату отключаемого тока. Поэтому при последовательном включении дугогасительной катушки с контактами аппарата увеличение тока в электрической цепи повысит эффективность гашения дуги при выключении дуги.

⇐Контактные соединения, контактные материалы | Электрооборудование трамваев и троллейбусов | Расчет обмоток электромагнита⇒

Электрическая дуга переменного тока и ее гашение

Подробности Категория: Оборудование

Общие сведения об электрической дуге переменного тока

Отключение электрических цепей коммутационными аппаратами сопровождается возникновением и последующим гашением электрической дуги. Процесс гашения дуги чрезвычайно труден, так как всякая электрическая цепь обладает индуктивностью и емкостью С (емкость проводов, токоведущих частей и пр.). Когда по такой цепи проходит ток, то в ее индуктивности запасается электромагнитная энергия WэM = 0,5PL.

Если при размыкании цепи переменного тока ток принудительно прерывается ранее естественного перехода его через нуль, например при значении I обр, то освобождается запасенная в ней электромагнитная энергия Wэм = 0,5Lioбp.

Эта энергия не может мгновенно исчезнуть, а будет плавно, без скачков уменьшаться, переходя в другой вид энергии, например в энергию электростатического поля WэC = 0,5CU2, и расходоваться на заряд емкости С и нагрев проводников. При этом напряжение на емкости, равное U— I LiC, может оказаться очень большим.

ЭТО ИНТЕРЕСНО: Гальваническая развязка что это такое

Например, если в цепи 110 кВ произойдет принудительное прерывание тока при его значении ioбp =1000 А и при L — 0,022 Гн и С = 4- 10-9 Ф, то напряжение на емкости будет V = 1000= 2,3- 103 кВ. Это напряжение вызовет пробой изоляции и нарушение работы цепи. В действительности не вся электромагнитная энергия, запасенная в индуктивности, переходит в электростатическую.

Часть электромагнитной энергии переходит в тепловую энергию, и результирующее напряжение на индуктивности будет меньше того, что следует из примера, приведенного выше. Для успешного отключения цепи постоянного тока без существенного повышения напряжения электромагнитная энергия, запасенная в ней, должна быть рассеяна в дугогасительном (коммутирующем) устройстве аппарата.

В коммутирующих аппаратах таким элементом является электрическая дуга, возникающая при их отключении. Электромагнитная энергия цепи преобразуется в дуге в тепловую энергию, которая в процессе отключения рассеивается в окружающую среду. Таким образом, дуга и окружающая ее среда являются энергопоглотительным элементом аппарата.

Количество электромагнитной энергии, запасенное в цепи переменного тока, кроме как от 1 и L, зависит еще и от момента прерывания тока (в начале полупериода, в середине или близко к концу) и может составлять несколько сотен или тысяч джоулей. В конце каждого полупериода ток становится равным нулю.

Если контакты аппарата мгновенно развести на необходимое расстояние непосредственно при прохождении тока через нуль, то дуга на контактах не возникает. Такое отключение называется идеальным — синхронным (синхронизированным) отключением цепей переменного тока. Мгновенное отключение практически невозможно осуществить. Поэтому под синхронным отключением понимают отключение, производимое непосредственно перед переходом тока через нуль, например за 1 мс. При таком времени ток, проходящий через дугу, будет составлять всего лишь 0,1—0,05 своей амплитуды. Энергия, выделяющаяся при этом в дуге, будет в 20—100 раз меньше энергии, которая выделилась бы при отключении амплитудного тока. Хотя принцип синхронного отключения является весьма прогрессивным, однако при создании выключателей высокого напряжения он пока еще не получил

сколько-нибудь широкого практического применения из-за большой сложности и недостаточной надежности таких аппаратов.

Плазма.

Электрическая дуга является одним из видов разряда в газах или парах, который характеризуется большой плотностью тока, катодным падением напряжения порядка минимального потенциала возбуждения газа, небольшим падением напряжения в стволе дуги и высокой его температурой. В дуге одновременно проходят как электрические, так и тепловые процессы.

Тепловые процессы в дуге и теплообмен между дугой и окружающей средой играют очень большую роль и накладывают свой отпечаток на электрические процессы в дуге. Электрическая дуга визуально представляет собой светящийся канал, заполненный плазмой. Плазмой называется газ, в котором значительная часть атомов и молекул ионизирована и плотность электронов па и положительных ионов, т. е.

число их в единице объема, настолько велика, что даже небольшое изменение пэ по отношению к па оказывается невозможным из-за сильных электрических полей, возникающих между электронами и ионами при нарушении равенства между пэ и па. Область, занимаемая плазмой, должна значительно превосходить так называемый дебаевский радиус где Θэ — температура электронов. Например, при Θа = 12000 К и — 1015 1/см3 гд = 1,73· 10-5 см.

При значительном отклонении плотности электронов пэ от плотности положительных ионов в плазме возникает электрическое поле, которое способно выталкивать избыточные заряженные частицы в ту область, где их меньше. Таким образом, в плазме не наблюдается разницы между плотностями положительно и отрицательно заряженных частиц в условиях их непрерывного возникновения и исчезновения. Это свойство называется квазинейтральностью.

Плазма состоит из электронов, положительных ионов и нейтральных молекул и атомов, равномерно перемешанных между собой, но неодинаково нагретых. Из-за различия в средней кинетической энергии этих частиц в плазме при низком давлении вместо одной общей температуры следует различать три: электронную, ионную и атомную.

Отличительное свойство плазмы заключается в том, что траектории движения заряженных частиц в ней отличаются от тех, какие свойственны обычному тепловому движению, когда при соударении частиц резко изменяется направление их движения. В плазме изменение траектории движения заряженных частиц происходит плавно, под воздействием электростатических сил, возникающих между противоположно заряженными частицами.

Понятие о длине свободного пробега электрона λ3 в плазме отличается от обычно принятого — от столкновения до столкновения. Свойства плазмы в электрической дуге зависят от давления. При низких давлениях длина свободного пробега электронов относительно большая и они приобретают в электрическом поле значительную кинетическую энергию, которая существенно превышает кинетическую энергию положительных ионов и нейтральных частиц газа.

Кинетическая энергия, которой обладает электрон, характеризуется температурой электронов в плазме. Эта температура отличается от температуры плазмы. При низком давлении температура электронов в плазме достигает тысяч и десятков тысяч градусов, в то время как температура плазмы может составлять всего лишь несколько сотен градусов. С увеличением давления температура электронов уменьшается, а температура плазмы повышается. При атмосферном давлении эти температуры становятся примерно одинаковыми. В соответствии с этим различают: 1) дугу высокого давления, горящую в газе при давлении от атмосферного и более; 2) дугу низкого давления, горящую в газе при давлении, меньшем атмосферного; 3) дугу вакуумную, горящую в газе при давлении, меньшем 0,01 Па.

В плазме непрерывно совершаются процессы возбуждения, ионизации и деионизации ионов, атомов и молекул.

Возбуждение атома.

Упрощенно атом можно представить в виде ядра, несущего положительный электрический заряд, и электронов, вращающихся вокруг ядра по определенным орбитам, радиусы которых различны. На каждой орбите может находиться один или несколько электронов. Каждый атом имеет определенную внутреннюю энергию, определяемую числом электронов и их расположением по орбитам.

Энергия атома минимальна, когда электроны находятся на орбитах, расположенных наиболее близко к ядру. При определенных условиях электрон может перейти с одной орбиты на другую. Если электрон переходит с орбиты, ближайшей к ядру, на орбиту, более удаленную от него, то энергия атома увеличивается, и наоборот.

Энергия атома при переходе электрона с одной орбиты на другую может изменяться только на строго определенное, дискретное значение. Переход электрона на более удаленную орбиту называется возбуждением атома. В возбужденном состоянии атом может оставаться лишь небольшой промежуток времени (менее 10-8 с).

Затем электрон возвращается в первоначальное положение, выделяя при этом энергию в виде фотона. Возбужденный атом электрически нейтрален. Для возбуждения атома необходимо затратить некоторое количество энергии, называемой энергией возбуждения, измеряемое в электрон-вольтах (табл. 2-1).

Один электрон-вольт равен энергии, которую необходимо затратить на перемещение одного электрона против сил электрического поля с разностью потенциалов одни вольт (1 эВ = 1,6· 10-13 Дж). Часто употребляется термин «потенциал возбуждения», численно равный энергии возбуждения, но для простоты измеряемый в вольтах.

Ионизация — процесс возникновения в промежутке между электродами самостоятельных заряженных частиц (электронов и положительных ионов). Основными видами ионизации дугового промежутка АВН являются термоэлектронная и автоэлектронная эмиссии и ионизация столкновением.

Термоэлектронная эмиссия.

Атомы в металле расположены так близко друг к другу, что орбиты внешних электронов перекрываются и электроны становятся способными перемещаться от одного атома к другому.

Узлы кристаллической решетки металла образованы положительными ионами, создающими электрическое поле. Потенциал этого поля положительный и не выходит за пределы металла.

Внутри кристаллической решетки находятся свободные электроны, осуществляющие перенос тока и теплоты в металле. Положительное поле ионов препятствует выходу электронов за пределы металла.

Таблица 1. Характеристики некоторых газов и паров металлов

Примечание. В скобках приведены вторичные потенциалы возбуждения и ионизации.

Для выхода электронов из металла в окружающее пространство необходимо, чтобы они преодолели силу взаимодействия с полем положительных ионов, т, е. прошли через потенциальный барьер на поверхности металла. На преодоление потенциального барьера должна быть затрачена определенная работа, называемая работой выхода, которая зависит от рода металла и для каждого металла является постоянной величиной, не зависящей от его температуры (табл. 1).

Работа выхода уменьшается при наличии на поверхности металла адсорбированной пленки газа, примесей некоторых других металлов, диффундирующих на поверхность, различных загрязнений и т. п.
При нагреве металла скорости свободных электронов увеличиваются, и если их кинетическая энергия при подходе к поверхности металла окажется больше работы выхода, то электроны могут выйти из металла. Чем меньше работа выхода, тем интенсивнее выход электронов из металла.

Попадая в область дуги, такие электроны увеличивают ее проводимость.

Ионизация столкновением — процесс распада атома, находящегося в газе, на положительный ион и электрон в результате столкновения атома с быстродвижущимся электроном или же столкновения двух атомов (первичная ионизация). При последующих столкновениях образовавшегося положительного иона с другим электроном из этого иона могут быть выбиты еще один или несколько электронов (вторичная ионизация).

На ионизацию газа затрачивается определенная энергия, называемая энергией (работой или потенциалом) ионизации и измеряемая в электрон-вольтах (в вольтах). Не значение см. в табл. 1. На вторичную ионизацию затрачивается значительно большая энергия, чем на первичную. Чем больше энергия ионизации газа, тем труднее поддержание в нем дуги и легче ее гашение при размыкании цепи.

Ионизация газа может происходить н в том случае, когда энергия электрона меньше энергии ионизации, например при соударении электрона с возбужденным атомом. Такая ионизация называется ступенчатой. На ступенчатую ионизацию затрачивается энергия, равная разности энергии ионизации и энергии возбуждения. Приводим ее значения: 8; 5; 15,6 и 15,8 эВ соответственно для Н2, Ο1, Ν2 и SF6.

Примесь в газе паров металла значительно увеличивает степень ионизации газа.

Ударная ионизация — процесс ионизации газа, обусловленный соударением электронов, ускоряемых электрическим полем, с атомами или ионами. В результате такого соударения в газе появляются новые ионизированные частицы.

Электрическое поле сильно увеличивает скорость движения электронов по сравнению с той, какую они имеют при данной температуре дуги, но без электрического поля. Кроме того, движение электрона не будет хаотическим, а определится конфигурацией электрического поля. Таким образом, направленное движение накладывается на хаотическое.

Если энергия электронов в момент соударения окажется меньше энергии ионизации, то ионизация газа практически происходить не будет (если пренебрегать ступенчатой ионизацией). С увеличением энергии электронов вероятность ионизации соударением возрастает, достигая максимума при энергии, равной для большинства газов приблизительно 100 эВ.

При дальнейшем увеличении энергии электронов вероятность ударной ионизации постепенно уменьшается, так как электроны очень быстро проходят мимо атомов и процесс ионизации на успевает совершиться.

Источник: https://leg.co.ua/knigi/oborudovanie/elektricheskaya-duga-peremennogo-toka-i-ee-gashenie.html

Электрическая дуга: что это такое, причины возникновения, свойства

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.

ЭТО ИНТЕРЕСНО: Как выбрать электрический полотенцесушитель

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:

Чрезвычайновысокую температуру плазменного ствола и околоэлектродных зон.
Длительноегорение, 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.

Источник: https://www.asutpp.ru/elektricheskaya-duga.html

Природа электрической дуги и её применение

Сейчас существует множество теорий о том, что можно использовать вспыхнувшую дугу в качестве проводника. Это очень удобно, но достаточно опасно. Можно делать это только в замкнутых системах. Зато одна подобная система, согласно мнемоническим расчётам, может передавать гигаватты электроэнергии по воздуху в течение короткого промежутка времени, с чем не сможет справиться материальный проводник.

Порождаемое тепло в будущем также планируется использовать для обогрева в особо сложных условиях. Можно будет быстро нагреть воздух или любую другую газообразную среду в считанные секунды. Сейчас наиболее частым использованием является электрическая сварка.

Электрическая дуга кажется достаточно новым явлением, но ему уже намного более 200 лет! Русский физик Владимир Петров стал первооткрывателем, поэтому мы можем гордиться своим соотечественником. Он собрал гигантский аккумулятор, состоящий из 8000 плоских кружков из меди и цинка, а затем начал приближать пару контактов. Между ними к его удивлению загорелась яркая искра, просуществовавшая с гулом в воздухе около 5-10 секунд. Он неоднократно демонстрировал данное явление.

Трудно поверить, что только через 10 лет началось вторжение Наполеона, а пушки стреляли ядрами и картечью. Это явление до сих пор будоражит умы физиков и писателей из жанра научной фантастики. На самом деле мы имеем дело с чистой плазмой в особой форме. Газ, через который проходит разряд, сильно ионизируется. Это приводит к яркому свету, а также свободные электроны способствуют поджиганию дуги.

Разговоры об электричестве шли достаточно давно, но при этом его никто не мог увидеть. Постоянно демонстрировались мелкие искорки, которые создавали возможность визуализировать это необычное явление. Позже эти опасные разряды погубили множество неосторожных учёных, не понимавших до конца всей опасности. Сейчас же это лучший друг человечества и остаточное явление в высоковольтных линиях.

Объяснение с точки зрения физики

Она обязательно должна возникать между парой электродов при наличии нормального атмосферного давления. В особых условиях она также может существовать, но их необходимо создать. Мы рассмотрим первичные критерии возникновения. Между электродной парой обязательно должен возникнуть пробой.

Он чаще всего зависит от состава воздуха и наличия электродной пары. Для начала ионизации и поджига нужно сначала подать не более 5В, а потом увеличить значение до 10В. Нужно просто заставить атом оторваться от электрода и пробить пространство.

По нему пойдёт дальнейшая искровая реакция, а потом сформируется стабильный разряд.

Пробой можно инициировать, если приблизить электроды на минимальное расстояние. Так процесс пойдёт намного проще. Вы просто можете разжигать дугу в кратчайшие сроки, более безопасно. Это опасное явление станет управляемым. Посмотрите, как работает сварщик. Он сначала потихоньку подносит электрод к заготовке, а потом начинает процесс. Ещё одним сопровождающим явлением является термоэлектронная эмиссия.

Именно это свойство используется в старых телевизорах и люминесцентных лампах. Небольшая дуга в разреженном газе даёт яркое свечение. Если не делать такой ограничение, то тогда температура может дорасти до 50 000К, что является недопустимым значением. Образуется мощный шнур из плазмы, ведущий себя непредсказуемо.

Также существует понятие так называемого тоннеля, что даёт возможность дуге гореть в течение длительного периода времени без угасания.

Подходит к электрическим дугам крайне опасно, ведь вы являетесь лакомой мишенью для бомбардировки. Тело человека полностью является ёмкостью с электролитами, которая соприкасается с землей. Несложно догадаться, куда потянется поток плазмы, а также какими будут последствия такого контакта. В лучшем случае можно отделаться тяжелыми ожогами.

Высоковольтные электрические установки регулярно порождают дуги, поэтому для гашения используются специализированные камеры, а также ёмкости с диэлектрическим маслом. Цепь может полностью выгореть, если не побороть это остаточное явление в электрической линии.

Источник: https://shop.p-el.ru/blog/pro-elektrichestvo-i-svet/priroda-elektricheskoy-dugi/

Что такое электрическая дуга и как она возникает

При коммутации электрических приборов или перенапряжений в цепи между токоведущими частями может появится электрическая дуга. Она может использоваться в полезных технологических целях и в то же время нести вред оборудованию. В настоящее время инженеры разработали ряд методов борьбы и использования в полезных целях электрической дуги. В этой статье мы рассмотрим, как она возникает, ее последствия и область применения.

ЭТО ИНТЕРЕСНО: Как обозначается постоянное напряжение

Образование дуги, её строение и свойства

Представим, что мы в лаборатории проводим эксперимент. У нас есть два проводника, например, металлических гвоздя. Расположим их острием друг к другу на небольшом расстоянии и подключим к гвоздям выводы регулируемого источника напряжения. Если постепенно увеличивать напряжение источника питания, то при определенном его значении мы увидим искры, после чего образуется устойчивое свечение подобное молнии.

Таким образом можно наблюдать процесс её образования. Свечение, которое образуется между электродами — это плазма. Фактически это и есть электрическая дуга или протекание электрического тока через газовую среду между электродами. На рисунке ниже вы видите её строение и вольт-амперную характеристику:

А здесь – приблизительные величины температур:

Почему возникает электрическая дуга

Всё очень просто, мы рассматривали в статье об электрическом поле, а также в статье о распределении зарядов в проводнике, что если любое проводящее тело (стальной гвоздь, например) внести в электрическое поле — на его поверхности начнут скапливаться заряды. При том, чем меньше радиус изгиба поверхности, тем их больше скапливается. Говоря простым языком — заряды скапливаются на острие гвоздя.

Между нашими электродами воздух — это газ. Под действием электрического поля происходит его ионизация. В результате всего этого возникают условия для образования электрической дуги.

Напряжение, при котором возникает дуга, зависит от конкретной среды и её состояния: давления, температуры и прочих факторов.

Интересно: по одной из версий это явление так называется из-за её формы. Дело в том, что в процессе горения разряда воздух или другой окружающий её газ разогревается и поднимается вверх, в результате чего происходит искажение прямолинейной формы и мы видим дугу или арку.

Для зажигания дуги нужно либо преодолеть напряжение пробоя среды между электродами, либо разорвать электрическую цепь. Если в цепи есть большая индуктивность, то, согласно законам коммутации, ток в ней не может прерваться мгновенно, он будет протекать и далее. В связи с этим будет возрастать напряжение между разъединенными контактами, а дуга будет гореть пока не исчезнет напряжение и не рассеется энергия, накопленная в магнитном поле катушки индуктивности.

Рассмотрим условия зажигания и горения:

Между электродами должен быть воздух или другой газ. Для преодоления напряжения пробоя среды потребуется высокое напряжение в десятки тысяч вольт – это зависит от расстояния между электродами и других факторов. Для поддержания горения дуги достаточно 50-60 Вольт и тока в 10 и больше Ампер. Конкретные величины зависят от окружающей среды, формы электродов и расстояния между ними.

Вред и борьба с ней

Мы рассмотрели причины возникновения электрической дуги, теперь давайте разберемся какой вред она наносит и способы её гашения. Электрическая дуга наносит вред коммутационной аппаратуре. Вы замечали, что, если включить мощный электроприбор в сеть и через какое-то время выдернуть вилку из розетки — происходит небольшая вспышка. Это дуга образуется между контактами вилки и розетки в результате разрыва электрической цепи.

Важно! Во время горения электрической дуги выделяется много тепла, температура её горения достигает значений более 3000 градусов Цельсия. В высоковольтных цепях длина дуги достигает метра и более. Возникает опасность как нанесения вреда здоровью людей, так и состоянию оборудования.

Тоже самое происходит и в выключателях освещения, другой коммутационной аппаратуре среди которых:

автоматические выключатели;
магнитные пускатели;
контакторы и прочее.

В аппаратах, которые используются в сетях 0,4 кВ, в том числе и привычные 220 В, используют специальные средства защиты – дугогасительные камеры. Они нужны чтобы уменьшить вред, наносимый контактам.

В общем виде дугогасительная камера представляет собой набор проводящих перегородок особой конфигурации и формы, скрепленных стенками из диэлектрического материала.

При размыкании контактов образовавшаяся плазма изгибается в сторону камеры дугогашения, где разъединяется на небольшие участки. В результате она охлаждается и гасится.

В высоковольтных сетях используют масляные, вакуумные, газовые выключатели. В масляном выключателе гашение происходит коммутацией контактов в масляной ванне. При горении электрической дуги в масле оно разлагается на водород и газы. Вокруг контактов образуется газовый пузырь, который стремиться вырваться из камеры с большой скоростью и дуга охлаждается, так как водород обладает хорошей теплопроводностью.

В вакуумных выключателях не ионизируются газы и нет условий для горения дуги. Также есть выключатели, заполненные газом под высоким давлением. При образовании электрической дуги температура в них не повышается, повышается давление, а из-за этого уменьшается ионизация газов или происходит деионизация. Перспективным направлением считаются элегазовые выключатели.

Также возможна коммутация при нулевом значении переменного тока.

Электрическая дуга

Электрическая дуга — явление электрического разряда в газе (газовой среде). Электрический ток, протекающий по ионизированному каналу в газе (воздухе).

Образование электрической дуги в воздухе

При увеличении напряжения между двумя электродами до уровня электрического пробоя в воздухе между ними возникает электрическая дуга. Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния между электродами, давления окружающего газа, температуры окружающей среды, влажности и других факторов, потенциально сказывающихся на начало развития процесса..

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 4700-49700 С. При этом считается, что поджиг дуги завершён.

После поджига устойчивое горение дуги обеспечивается термоэлектронной эмиссией с катода, разогреваемого током и ионной бомбардировкой.

Взаимодействие электродов с плазмой дуги приводит к их нагреву, частичному расплавлению, испарению, окислению и другим видам коррозии.
После поджига дуга может оставаться устойчивой при разведении электрических контактов до некоторого расстояния.

При эксплуатации высоковольтных электроустановок, в которых неизбежно появление электрической дуги, борьба с ней осуществляется при помощи электромагнитных катушек, совмещённых с дугогасительными камерами. Среди других способов известны использование вакуумных, воздушных, элегазовых и масляных выключателей, а также методы отвода тока на временную нагрузку, самостоятельно разрывающую электрическую цепь.

Строение электрической дуги

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

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

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

Влияние электрической дуги на электрооборудование

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

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).

Методы борьбы с электрической дугой

охлаждение дуги потоком охлаждающей жидкости (масляный выключатель);
охлаждение дуги потоком охлаждающего 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).

Примечания

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.

Просмотров всего: 428, Просмотров за день: 2

Источник: https://www.el-info.ru/biblioteka/enciklopediya/elektricheskaya-duga/