Что такое электрическая дуга, как она возникает и где применяется?

Электрическая дуга, ее свойства и способы гашения

При размыкании контактов электрического аппарата, вследствие ионизации пространства между ними возникает электрическая дуга. Промежуток между контактами при этом остается проводящим, и прохождение тока по цепи не прекращается.

Электрическая дуга — это процесс прохождения тока в среде ионизированных газов при термическом характере их ионизации. Для ионизации и образования дуги необходимо, чтобы напряжение между контактами было примерно 15—30 В и ток цепи 80—100 мА.

Возникновение дуги связано с тем, что в момент начала расхождения контактов контактное нажатие уменьшается почти до нуля, а контактное сопротивление и плотность тока значительно увеличиваются. Это приводит к выделению большого количества тепла, которое вызывает сильный нагрев контактов в месте их разрыва. Между контактами возникает мостик расплавленного металла. В результате появляется поток электронов, ионизирующий окружающий воздух; ток при этом не разрывается, а поддерживается через среду, которая по мере прохождения тока раскаляется, что способствует дальнейшей ее ионизации.

При ионизации пространства между контактами заполняющие его атомы газа (воздуха) распадаются на две заряженные части:

Рис. 4.6. Направление движения электронов и ионов в дуге (а); возникновение автоэлектронной эмиссии из катода (б) и ударной ионизации атомов газа в пространстве между контактами (в); состав электрической дуги (г)

электроны и ионы. Поток электронов, излучаемых с поверхности контакта, находящегося под отрицательным потенциалом (катода), движется по направлению к положительному заряженному контакту (аноду), поток же положительных ионов движется к катоду (рис. 4.6, а).

Главными носителями тока в дуге являются электроны, так как положительные ионы, имея большую массу, движутся значительно медленнее электронов и поэтому в единицу времени переносят гораздо меньше электрических зарядов. Однако положительные ионы играют большую роль в процессе горения дуги. Подходя к катоду, они создают вблизи него сильное электрическое поле, которое воздействует на электроны, имеющиеся в металлическом катоде, и вырывают их с его поверхности (рис. 4.6, б). Это явление называется автоэлектронной эмиссией. Кроме того, положительные ионы непрерывно бомбардируют катод и отдают ему свою энергию, которая переходит в тепло; при этом температура катода достигает 3000—5000 °С. С увеличением температуры движение электронов в металле катода ускоряется, они приобретают большую энергию и начинают покидать катод, вылетая в окружающую среду. Это явление носит название термоэлектронной эмиссии. Таким образом, под действием авто- и термоэлектронной эмиссии в электрическую дугу поступают с катода все новые и новые электроны.

При своем перемещении от катода к аноду электроны, сталкиваясь на своем пути с нейтральными атомами газа, расщепляют их на электроны и положительные ионы (рис. 4.6, в). Этот процесс называется ударной ионизацией. Появившиеся в результате ударной ионизации новые, так называемые вторичные электроны, начинают двигаться к аноду и при своем движении расщепляют все новые атомы газа. Рассмотренный процесс ионизации газа носит лавинообразный характер подобно тому, как один камень, брошенный с горы, захватывает на своем пути все новые и новые камни, порождая лавину. В результате промежуток между двумя контактами заполняется большим количеством электронов и положительных ионов — эта смесь называется плазмой. В образовании плазмы значительную роль играет термическая ионизация, которая происходит в результате повышения температуры, вызывающей увеличение скорости движения заряженных частиц газа.

Электроны, ионы и нейтральные атомы, образующие плазму, непрерывно сталкиваются между собой и обмениваются энергией; при этом некоторые атомы под ударами электронов приходят в возбужденное состояние и испускают избыток энергии в виде светового излучения. Однако электрическое поле, действующее между контактами, заставляет основную массу положительных ионов двигаться к катоду, а основную массу электронов — к аноду.

В электрической дуге постоянного тока в установившемся режиме определяющей является термическая ионизация. В дуге переменного тока при переходе тока через нуль существенную роль играет ударная ионизация, а в течение остального времени горения дуги — термическая ионизация.

При горении дуги одновременно с ионизацией промежутка между контактами происходит обратный процесс. Положительные ионы и электроны, взаимодействуя друг с другом в межконтактном пространстве или при попадании на стенки камеры, в которой горит дуга, образуют нейтральные атомы. Этот процесс называется рекомбинацией; при прекращении ионизации рекомбинация приводит к исчезновению электронов и ионов из межэлектродного пространства — происходит его деионизация. Если рекомбинация осуществляется на стенке камер, то она сопровождается выделением энергии в виде тепла; при рекомбинации в межэлектродном пространстве энергия выделяется в виде излучения. При соприкосновении со стенками камеры, в которой находятся контакты, дуга охлаждается, что приводит к усилению деионизации.

Зону горения дуги условно делят на три участка (рис. 4.6, г): катодную зону 3, ствол дуги 2 и анодную зону 1.

В катодной зоне происходит интенсивная эмиссия электронов из отрицательного контакта, падение напряжения в этой зоне составляет около 10 В.

В стволе дуги образуется плазма с приблизительно одинаковой концентрацией электронов и положительных ионов. Поэтому в каждый момент времени суммарный заряд положительных ионов плазмы компенсируется суммарным отрицательным зарядом ее электронов. Большая концентрация заряженных частиц в плазме и отсутствие в ней электрического заряда обусловливают высокую электропроводность ствола дуги, которая близка к электропроводности металлов. Падение напряжения в стволе дуги приблизительно пропорционально длине.

Анодная зона заполнена главным образом электронами, подходящими из ствола дуги к положительному контакту. Падение напряжения в этой зоне зависит от тока в дуге и размеров положительного контакта. Суммарное падение напряжения в дуге составляет 15—30 В.

Представление об электрической дуге как о неизбежном зле при коммутации электрической цепи не вполне оправдано. В ряде случаев неблагоприятные воздействия дуги значительно менее опасны, чем те явления — коммутационные перенапряжения, которые возникают при ее отсутствии. Устройства дугогашения следует рассматривать как средства управления электрической дугой, для чего необходимо знать ее свойства и характеристики.

Особенности цепей ЭПС определяются значительными индуктивностями L, что вызвано наличием в них тяговых машин, магнитные системы которых обладают большим запасом электромагнитной энергии. При сравнительно небольших активных сопротивлениях R коммутируемая цепь, в которую входят L и R, шунтируется цепью с емкостью С (в основном обмотки и провода), которая сравнительно невелика и к тому же рассредоточена.

Рассмотрим схемы замещения такой цепи (рис. 4.7, а, б), где активные сопротивления, индуктивности и емкости считаются сконцентрированными. Если бы в цепи с током / при размыкании ее контактором К не образовалась дуга и разрыв тока произошел практически мгновенно, то в отключаемом контуре возник бы пе

Рис. 4.7. Схемы замещения выключаемой цепи и диаграммы напряжений и токов при выключении цепи без дуги (а) и с дугой (б)

реходный процесс, при котором почти вся запасенная в нем энергия (за малым исключением) перешла в энергию заряда емкости. Энергетический баланс при завершении процесса отключения без учета энергии, поступающей через дугу (мгновенное выключение), можно выразить как

Для обычных параметров ЭПС расчеты показывают, что, по сравнению с Uq — напряжением на зажимах цепи перед ее выключением, коммутационные перенапряжения U_Q в зависимости от исходного режима могут превышать 40—90 кВ. Такие перенапряжения для изоляции электрооборудования недопустимы. Даже в более легких случаях, например при слишком быстром гашении дуги в быстродействующих выключателях при номинальном напряжении на токоприемнике 3 кВ, перенапряжения достигали 21—28 кВ.

Рассмотрим схему замещения цепи (рис. 4.7, б), в которой возникает дуга при выключении. Дуга замещена переменным сопротивлением

где / — развернутая длина дуги; Е — градиент ее падения напряжения.

После размыкания контактов через дугу продолжает протекать ток /_в, который зависит от изменения падения напряжения Е-1_д. Дуга играет роль регулируемого резистора с изменяющимся сопротивлением /?_д, включенным последовательно в выключаемую цепь. Она снижает интенсивность изменения токов в коммутационном процессе и несколько уменьшает разрывную мощность, необходимую при размыкании цепи. Характер изменения условного сопротивления /?_д зависит от процесса дугогашения и, в основном от изменения длины дуги, а следовательно, от конструкции и параметров дугогасительных устройств аппарата. Для снижения коммутационных перенапряжений U_max необходимо увеличивать время горения дуги t .

Известно несколько способов гашения электрической дуги:

• — естественное гашение — растягивание столба дуги расходящимися контактами за счет большого разрыва контактов;
• — перемещение и удлинение столба дуги, представляющей из себя проводник с током, внешним магнитным полем, создаваемым специальными системами магнитного дутья — постоянным магнитом или дугогасительной катушкой;
• — охлаждение дуги в щелевых камерах, выполненных из термостойкого изоляционного материала, куда дуга загоняется внешним магнитным полем;
• — разделение столба дуги металлическими пластинами на ряд коротких участков, в результате чего растет напряжение на дуге и улучшаются условия теплоотвода от нее;
• — повышение давления газовой среды, в которой горит дуга, что способствует улучшению теплоотвода;
• — помещение контактов в трансформаторное масло;
• — воздушное дугогашение — выдувание дуги с контактов струей сжатого воздуха повышенного давления;
• — помещение контактов в вакуум;
• — помещение контактов в среду шестифтористой серы SFобладающей способностью захватывать электроны из столба дуги;
• — образование потока газов, возникающих при разложении дугой твердого газогенерирующего материала фибры или оргстекла.

В конструкции аппаратов для различных электрических цепей могут применяться несколько из вышеперечисленных способов.

Воздушное гашение дуги применяется на ЭПС переменного тока в главных выключателях и в контактах с дугогашением ЭКГ-8Ж. Это вызвано тем, что в режиме короткого замыкания приходится отключать такие токи и мощности, при которых выключатели других типов оказываются неприемлемы.

Принцип действия воздушного дугогасительного устройства (рис. 4.8) заключается в том, что дуга 2, образующаяся между контактами 3 и 5, подвергается интенсивному охлаждению потоком сжатого воздуха 4, вытекающего в атмосферу и выдувающему дугу на тугоплавкий наконечник 1 и разрывая ее. При прохождении тока через ноль температура дуги снижается и сопротивление промежутка увеличивается. Одновременно происходит механическое разрушение дугового столба и вынос заряженных частиц из промежутка. Формы подвижного контакта 5, а также атмосферное отверстие в неподвижном контакте 3 выполняют в виде сопла с целью получения оптимальной скорости воздуха для восстановления электрической прочности воздушного зазора. При отключении в воздушном дугогашении в большинстве случаев неизбежно появление срезов тока или резких его снижений, близким к срезам. Для снижения коммутационных перенапряжений контакты выключателя шунтируют нелинейным резистором.

Воздушное гашение дуги нельзя смешивать с применяемой в линейных контакторах типа 3SVAD4, 3SVAD6 и SVAD11 (для электровоза серии ЧС7) продувкой дугогасительной камеры, которая служит для деионизации камеры после погасания дуги и не оказывает влияния на процесс гашения, так как при этом недостаточна скорость воздуха и поток направлен неоптимально по отношению к дуге.

Принцип электромагнитного гашения дуги основан на движении проводника с током в магнитном поле. Магнитное поле можно создать с помощью постоянного магнита или специальной дугогасительной катушкой. Постоянные магниты в системе дугогашения применяют сравнительно редко: в контакторах типа КМВ-104 электропоезда ЭР2 и контакторах 2SMD7 вспомогательных машин электровозов серии ЧС7 поставок Е7-Е8.

Что такое электрическая дуга, как она формируется и где используется

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.

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).

На рисунке выше показана вольт амперная характеристика и строение дуги.

А температура горения (в примерном диапазоне) такова:

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.

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.

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.

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:

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.

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.

Что такое электрическая дуга, как она возникает и где применяется?

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:

1. Чрезвычайно высокую температуру плазменного ствола и околоэлектродных зон.
2. 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.

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).

Электрическая дуга и ее характеристики

Электрическая дуга — прохождение электричества через газ между двумя электродами, один из которых является источником электронов (катодом). Электрод — проводник, которым заканчивается какой-либо участок электрической цепи.

Электроны, испускаемые катодом в большом количестве, вызывают сильную ионизацию газа между электродами и тем самым делают возможным прохождение тока большой силы между электродами.

Характерной особенностью электрической дуги в отличие от обычного газового разряда является то, что она может гореть при небольших напряжениях.

Электрическая дуга была открыта петербургским физиком В. В. Петровым в 1802 г. и получила важное применение в технике.

Электрическая дуга представляет собой вид разряда, характеризующийся большой плотностью тока, высокой температурой, повышенным давлением газа и малым падением напряжения на дуговом промежутке. При этом имеет место интенсивное нагревание электродов (контактов), на которых образуются так называемые катодные и анодные пятна. Катодное свечение концентрируется в небольшом ярком пятне, раскаленная часть противоположного электрода образует анодное пятно.

В дуге можно отметить три области, весьма различные по характеру протекающих в них процессов. Непосредственно к отрицательному электроду (катоду) дуги прилегает область катодного падения напряжения. Далее идет плазменный ствол дуги. Непосредственно к положительному электроду (аноду) прилегает область анодного падения напряжения. Эти области схематично показаны на рис. 1.

Рис. 1. Строение электрической дуги

Размеры областей катодного и анодного падения напряжении на рисунке сильно преувеличены. В действительности их протяженность очень мала Например, протяженность катодного падения напряжения имеет величину порядка пути свободного движения электрона (меньше 1 мк). Протяженность области анодного падения напряжения обычно несколько больше этой величины.

В обычных условиях воздух является хорошим изолятором. Так, необходимое для пробоя воздушного промежутка в 1 см напряжение составляет 30 кВ. Чтобы воздушный промежуток стал проводником, необходимо создать в нем определенную концентрацию заряженных частиц (электронов и ионов).

Как возникает электрическая дуга

Электрическая дуга, представляющая собой поток заряженных частиц, в начальный момент расхождения контактов возникает в результате наличия свободных электронов газа дугового промежутка и электронов, излучаемых с поверхности катода. Свободные электроны, находящиеся в промежутке между контактами перемещаются с большой скоростью по направлению от катода к аноду под действием сил электрического поля.

Напряженность поля в начале расхождения контактов может достигать нескольких тысяч киловольт на сантиметр. Под действием сил этого поля вырываются электроны с поверхности катода и перемещаются к аноду выбивая из него электроны, которые образуют электронное облако. Созданный таким путем первоначальный поток электронов образует в дальнейшем интенсивную ионизацию дугового промежутка.

Наряду с ионизационными процессами, в дуге параллельно и непрерывно идут процессы деионизации. Процессы деионизации состоят а том, что при сближении двух ионов разных знаков или положительного иона и электрона они притягиваются и, сталкиваясь, нейтрализуются, кроме того, наряженные частицы перемещаются из области горения душ с большей концентрацией зарядов в окружающую среду с меньшей концентрацией зарядов. Все эта факторы приводят к понижению температуры дуги, к ее охлаждению и погасанию.

Рис. 2. Электрическая дуга

Дуга после зажигания

В установившемся режиме горения дут ионизационные и деионизационные процессы в ней находятся в равновесии. Ствол дуги с равным количеством свободных положительных и отрицательных зарядов характеризуется высокой степенью ионизации газа.

Вещество, степень ионизации которого близка к единице, т.е. в котором нет нейтральных атомов и молекул, называют плазмой.

Электрическая дуга характеризуется следующими особенностями:

1. Ясно очерченной границей между стволом дуги и окружающей средой.

2. Высокой температурой внутри ствола дуга, достигающей 6000 – 25000K.

3. Высокой плотностью тока и стволе дуги (100 – 1000 А/мм 2 ).

4. Малыми значениями анодного и катодного падения напряжения и практически не зависит от тока (10 – 20 В).

Вольт-амперная характеристика электрической дуги

Основной характеристикой дуги постоянного тока является зависимость напряжения дуги от тока, которая называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ).

Дуга возникает между контактами при некотором напряжении (рис. 3), называемом напряжением зажигания Uз и зависящим от расстояния между контактами, от температуры и давления среды и от скорости расхождения контактов. Напряжение гашения дуги Uг всегда меньше напряжения U з.

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика дуги постоянного тока (а) и ее схема замещения (б)

Кривая 1 представляет собой статическую характеристику дуги, т.е. получаемую при медленном изменении тока. Характеристика имеет падающий характер. С ростом тока напряжение на дуге уменьшается. Это означает, что сопротивление дугового промежутка уменьшается быстрее, чей увеличивается ток.

Если с той или иной скоростью уменьшать ток в дуге от I1 до нуля и при этом фиксировать падение напряжения на дуге, то получатся кривые 2 и 3. Эти кривые носят название динамических характеристик.

Чем быстрее уменьшать ток, тем ниже будут лежать динамические ВАХ. Это объясняется тем, что при снижении тока такие параметры дуги, как сечение ствола, температура, не успевают быстро измениться и приобрести значения, соответствующие меньшему значению тока при установившемся режиме.

Падение напряжения на дуговом промежутке:

где U з = U к + U а – околоэлектродное падение напряжения, Ed – продольный градиент напряжения в дуге, Id – дина дуги.

Из формулы следует, что с увеличением длины дуги падение напряжения на дуге будет увеличиваться, и ВАХ будет располагаться выше.

С электрической дугой борются при конструировании коммутационных электрических аппаратов. Свойства электрической дуги используются в установках электродуговой сварки и в дуговых плавильных печах.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Что такое электрическая дуга, как она возникает и где применяется?

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.

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.

Полезное применение

Рассмотренное явление нашло и целый ряд полезных применений, например:

1. Осветительные приборы. Например, дугоразрядные лампы (ДРЛ, ксеноновые и другие виды). Если добавить на электроды соли определенных металлов — цвет электрической дуги изменится.
2. Электродуговая сварка. При касании электродом поверхности металла протекает высокий ток, который разогревает металл. Когда вы отрываете электрод, ток не может прерваться, разогретые поверхности эмитируют электроды и возникает дуга. При оплавлении металлических свариваемых поверхностей и расплавлении самого электрода возможно соединение двух частей или их разрезание. Есть различные виды сварки, например, с использованием электродов или газа — углекислого или аргона. Она используется повсеместно и внесла огромный вклад в жилое и промышленное строительство.
3. Дуговая плавка. Электрическая дуга зависит от электрических параметров источников питания, таким образом можно регулировать её горение. Благодаря высокой температуре удается расплавить большое число металлов.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме статьи:

Теперь вы знаете, что такое электрическая дуга, какие причины возникновения данного явления и возможные сферы применения. Надеемся, предоставленная информация была для вас понятной и полезной!

Материалы по теме:

Опубликовано 23.07.2018 Обновлено 23.07.2018 Пользователем Александр (администратор)

Электрическая дуга: причины возникновения и воздействие на человека. Как защитится от разряда тока ?

Из этой статьи вы узнаете что такое электродуга, какие существуют виды защиты от электродуги, характеристики и области применения СИЗ, какое воздействие оказывает электродуга на тело человека.

Работа с оборудованием, находящимся под напряжением, всегда требует соблюдения техники безопасности. Поражение электрическим током или внезапно возникшая электродуга может оказать губительное действие на человека. Важно знать, при каких условиях возникает электродуговой разряд, какие повреждения он может нанести и как защититься от вредного воздействия.

Характеристика и причины возникновения явления

Электродуга – это электрический разряд, возникающий между двумя проводниками, при резком разрыве, коротком контакте проводов между собой или с заземлённой поверхностью. Резкое размыкание цепи, находящейся под напряжением, может создать электрическую дугу. Ярким примером является вспышка или искра, вызванная отключением мощного электроприбора из розетки. Или молния, которая визуально показывает, как возникает и ведёт себя электродуговой разряд.

Появление вспышек рядом с силовым оборудованием контролировать невозможно. Но зная факторы, провоцирующие их появление, можно защититься заранее. Причинами возникновения электродугового разряда являются:

• резкий приток воздуха в силовой шкаф при открытии двери;
• приближение проводников друг к другу;
• разрыв высоковольтных проводов, падение линии на землю;
• перекрещивание фаз и неправильно подключённые проводники;
• случайное падение инструмента или контакт с токопроводящими элементами;
• нарушение изоляции, коррозия соединений и спаек.

Больше половины причин связано с человеческим фактором, когда в зоне поражения находятся люди, которые могут пострадать.

Воздействие электродуги на человека

Возникновение электрического разряда сопровождается яркой вспышкой, которая ослепляет и вызывает ожог роговицы глаза ультрафиолетом. Электроофтальмия сопровождается покраснением, слезотечением, болями и другими неприятными симптомами. В худшем случае, больной просто не может открыть глаз и теряет зрение. Взрывы, которые сопутствуют особо мощным пробоям оглушают и наносят вред разлетающимися осколками и деталями.

Температура в области разряда колеблется от 2500 до 18000 0 С. Что может вызвать сильные ожоги частей тела, вплоть до летального исхода. Если электрическая дуга возникает внутри распределительного шкафа или трансформатора, то происходит расплавление изолирующих материалов и кипение металлических частей. Процесс сопровождается выделением вредных испарений и горячих газов. Это провоцирует отравление и ожоги органов дыхания.

Как защитится от электродугового разряда

Ношение специализированной одежды является основным способом защиты от электродуги. Материалы, из которых изготавливаются комплекты должны отвечать следующим требованиям:

• защищать от высоких температур;
• не проводить электрический ток;
• снижать воздействие ультрафиолетового излучения;
• исключить возгорание и тление одежды;
• уменьшить воздействие механических повреждений.

Спецодеждой обязательно обеспечиваются работники, взаимодействующие с электричеством, обслуживающие высоковольтные сети электроснабжения и промышленное оборудование. К защитной одежде относятся:

• сварочные маски и шлемы со щитками;
• диэлектрические перчатки, калоши и боты;
• костюмы, комбинезоны и плащи;
• ботинки, подшлемники, фуфайки.

Костюм выбирается с учётом времени года и погодных условий, должен максимально закрывать открытые участки тела, защищать от возгораний и ударов тока. Кроме этого, существуют вспомогательные приспособления, которые помогут защитить от пробоя. К ним относятся: изолирующие коврики, накладки, штанги, подставки и колпаки.

Модели спецодежды для защиты от электродуги

Костюм с защитой от электродуги 90 кал/см2 выполнен из огнестойкой ткани WORKER. Комплект включает куртку и брюки/полукомбинезон, а также нательное бельё. Класс защиты 7. Исключает возгорание и прохождение электрического тока.

Костюм ЭНЕРГО ЛЮКС с защитой от электродуги от 9 до 81 кал/см 2 в зависимости от плотности термо и огнестойкой ткани Термол. Состоит из куртки и брюк или полукомбинезона. Имеет накладки из специального дискретного покрытия для уменьшения трения.

КОСТЮМ ЭЛЕКТРА ЗН-24 с защитой от электродуги 65,5 кал/см². Выполнен из огнестойкой ткани Номекс-Комфорт. Обладает антистатичными свойствами. Состоит из куртки и полукомбинезона.

остюм для защиты от электродуги выполненный из ткани Индура Ультра Софт. Включает куртку и брюки или полукомбинезон. Застёжки потайные. Накладные карманы для дополнительной защиты. Исключает удар током и возгорание.