Электрическая дуга.

Отключение цепи контактным аппаратом характеризуется возникновением плазмы, которая проходит разные стадии газового разряда в процессе преобразования межконтактного промежутка из проводника электрического тока в изолятор.

При токах выше 0,5-1 А возникает стадия дугового разряда (область 1 )(рис. 1.); при снижении тока возникает стадия тлеющего разряда у катода (область 2 ); следующая стадия (область 3 ) – таунсендовский разряд, и наконец, область 4 – стадия изоляции, в которой носители электричества – электроны и ионы – не образуются за счет ионизации, а могут поступать только из окружающей среды.

Рис. 1. Вольтамперная характеристика стадий электрического разряда в газах

Первый участок кривой – дуговой разряд (область 1) – характе­ризуется малым падением напряжения у электродов и большой плотностью тока. С ростом тока напряжение на дуговом промежутке сначала резко падает, а затем изменяется незначительно.

Второй участок (область 2 ) кривой, представляющий собой область тлеющего разряда, характеризуется высоким падением напряжения у катода (250 – 300 В) и малыми токами. С ростом тока возрастет падение напряжения на разрядном промежутке.

Таунсендовский разряд (область 3 ) характеризуется чрезвычайно малыми значениями тока при высоких напряжениях.

Электрическая дуга сопровождается высокой температурой и связана с этой температурой. Поэтому дуга – явление не только электрическое, но и тепловое.

В обычных условиях воздух является хорошим изолятором. Так, для пробоя воздушного промежутка в 1 см требуется приложить напряжение не менее 30 кВ. Для того чтобы воздушный промежуток стал проводником, необходимо создать в нем определенную концентрацию заряженных частиц: отрицатель­ных – в основном свободных электронов, и положительных – ионов. Процесс отделения от нейтральной частицы одного или нескольких электронов с обра­зованием свободных электронов и ионов называется ионизацией.

Ионизация газа может происходить под действием света, рентгеновских лучей, высокой температуры, под влиянием электрического поля и ряда дру­гих факторов. Для дуговых процессов в электрических аппаратах наибольшее значение имеют: из процессов, происходящих у электродов, – термоэлектрон­ная и автоэлектронная эмиссии, а из процессов, происходящих в дуговом промежутке, – термическая ионизация и ионизация толчком.

В коммутационных электрических аппаратах, предна­значенных для замыкания и размыкания цепи с током, при отключении возникает разряд в газе либо в виде тлеющего разряда, либо в виде дуги. Тлеющий разряд возникает тогда, когда отключаемый ток ниже 0,1 А, а напряжение на контактах достигает величины 250 – 300 В. Такой разряд встречается либо на контактах ма­ломощных реле, либо как переходная фаза к разряду в виде электрической дуги.

Основные свойства дугового разряда.

1) Дуговой разряд имеет место только при токах большой величины; минимальный ток дуги для металлов со­ставляет примерно 0,5 А;

2) Температура центральной части дуги очень вели­ка и в аппаратах может достигать 6000 – 18000 К;

3) Плотность тока на катоде чрезвычайно велика и достигает 10 2 – 10 3 А/мм 2 ;

4) Падение напряжения у катода составляет всего 10 – 20 В и практически не зависит от тока.

В дуговом разряде можно различить три характер­ные области: околокатодную, область столба дуги (ствол дуги) и околоанодную (рис. 2.).

В каждой из этих областей процессы ионизации и деионизации протекают по-разному в зависимо­сти от условий, которые там существуют. Поскольку ре­зультирующий ток, проходящий через эти три области, одинаков, в каждой из них происходят процессы, обес­печивающие возникновение необходимого количества за­рядов.

Рис. 2. Распределение напряжения и напряжённости электрического поля в стационарной дуге постоянного тока

Термоэлектронная эмиссия. Термоэлектронной эмиссией называется явление испускания электронов из накаленной поверхности.

При расхождении контактов резко возрастают переходное сопротивление контакта и плотность тока в последней площадке контактирования. Эта площадка нагревается до температуры плавления и образования контактного перешейка из расплавленного металла, который при дальнейшем расхождении контактов рвется. Здесь происходит испарение металла контактов. На отрицательном электроде образуется так назы­ваемое катодное пятно (раскаленная площадка), которое служит основа­нием дуги и очагом излучения элект­ронов в первый момент расхождения контактов. Плотность тока термо­электронной эмиссии зависит от тем­пературы и материала электрода. Она невелика и может быть достаточной для возникновения электрической ду­ги, но она недостаточна для ее го­рения.

Автоэлектронная эмиссия. Это –явление испускания электронов из катода под воздействием сильного электрического поля.

Место разрыва электрической цепи может быть представлено как конденсатор переменной емкости. Емкость в начальный момент равна бесконеч­ности, затем убывает по мере расхождения контактов. Через сопротивление цепи этот конденсатор заряжается, и напряжение на нем растет постепенно от нуля до напряжения сети. Одновременно увеличивается расстояние между контактами. Напряженность поля между контактами во время нарастания напряжения проходит через значения, превышающие 100 МВ/см. Такие значения напряженности электрического поля достаточны для вырывания электронов из холодного катода.

Ток автоэлектронной эмиссии также весьма мал и может служить только началом развития дугового разряда.

Таким образом, возникновение дугового разряда на расходящихся контактах объясняется наличием термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий. Преобладание того или иного фактора зависит от значения отключаемого тока, материала и чистоты поверхности контактов, скорости их расхождения и от ряда других факторов.

Ионизация толчком. Если свободный электрон будет обладать достаточной скоростью, то при столкновении с нейтральной частицей (атом, а иногда и молекула) он может выбить из неё электрон. В результате получатся новый свободный электрон и положительный ион. Вновь полученный электрон может, в свою очередь, ионизировать следующую частицу. Такая ионизация носит название ионизации толчком.

Для того чтобы электрон мог ионизировать частицу газа, он должен двигаться с некоторой определенной скоростью. Скорость электрона зависит от разности потенциалов на длине его свободного пробега. Поэтому обычно указывается не скорость движения электрона, а то минимальное значение разности потенциалов, какое необходимо иметь на длине свободного пути, чтобы электрон к концу пути приобрел необходимую скорость. Эта разность потенциалов носит название потенциала ионизации .

Потенциал ионизации для газов составляет 13 – 16 В (азот, кислород, водород) и до 24,5 В (гелий), для паров металла он примерно в два раза ниже (7,7 В для паров меди).

Термическая ионизация. Это – процесс ионизации под воздействием высокой температуры. Поддержание дуги после ее возникновения, т.е. обеспечение возникшего дугового разряда достаточным числом свободных зарядов, объяс­няется основным и практически единственным видом ионизации – термической ионизацией.

Температура столба дуги с среднем равна 6000 – 10000 К, но может достигать и более высоких значений – до 18000 К. При такой температуре сильно возрастает как число быстро движущихся частиц газа, так и скорость их движения. При столкновении быстро движущихся атомов или молекул большая часть их разрушается, образуя заряженные частицы, т.е. происходит иони­зация газа. Основной характеристикой термической ионизации является сте­пень ионизации , представляющая собой отношение числа ионизированных атомов в дуговом промежутке к общему числу атомов в этом промежутке. Одновременно с процессами ионизации в дуге происходят обратные процессы, т. е. воссоединение заряженных частиц и образование нейтральных частиц. Эти процессы носят название деионизации .

Деионизация происходит главным образом за счет рекомбинации и диф­фузии .

Рекомбинация. Процесс, при котором различно заряженные частицы, при­ходя во взаимное соприкосновение, образуют нейтральные частицы, называется рекомбинацией.

В электрической дуге отрицательными частицами являются в основном электроны. Непосредственное соединение электронов с положительным ионом ввиду большой разности скоростей маловероятно. Обычно рекомбинация происходит при помощи нейтральной частицы, которую электрон заряжает. При соударении этой отрицательно заряженной частицы с положительным ионом образуется одна или две нейтральные частицы.

Диффузия. Диффузия заряженных частиц представляет собой процесс выноса заряженных частиц из дугового промежутка в окружающее пространство, что уменьшает проводимость дуги.

Диффузия обусловлена как электрическими, так и тепловыми факторами. Плотность зарядов в столбе дуги возрастает от периферии к центру. Ввиду этого создается электрическое поле, заставляющее ионы двигаться от центра к периферии и покидать область дуги. В этом же направлении действует и разность температур столба дуги и окружающего пространства. В стабилизированной и свободно горящей дуге диффузия играет ничтожно малую роль.

Падение напряжения на стационарной дуге распределяется неравномерно вдоль дуги. Картина изменения падения напряжения U Д и напряжённости электрического поля (продольного градиента напряжения) Е Д = dU/dx вдоль дуги приведена на рисунке (рис. 2). Под градиентом напряжения Е Д по­нимается падение напряжения на единицу длины дуги. Как видно из рисунка, ход харак­теристик U Д и Е Д в приэлектродных областях резко отличается от хода характе­ристик на остальной части дуги. У электродов, в прикатодной и прианодной об­ластях, на промежутке дли­ны порядка 10 – 4 см имеет место резкое падение напря­жения, называемое катод­ным U к и анодным U а. Значение этого падения на­пряжения зависит от мате­риала электродов и окружа­ющего газа. Суммарное зна­чение прианодного и прикатодного падений напряжений составляет 15 – 30 В, градиент напряжения достигает 10 5 – 10 6 В/см.

В остальной части дуги, называемой столбом дуги, падение напряжения U Д практически прямо пропорционально длине дуги. Градиент здесь приблизительно постоянен вдоль ствола. Он зависит от многих факторов и может изменяться в широких пределах, достигая 100 – 200 В/см.

Околоэлектродное падение напряжения U Э не зависит от длины дуги, падение напряжения в столбе дуги пропорционально длине дуги. Таким образом, падение напряжения на дуговом промежутке

U Д = U Э + Е Д l Д,

где: Е Д – напряжённость электрического поля в столбе дуги;

l Д – длина дуги; U Э = U к + U а.

В заключение следует ещё раз отметить, что в стадии дугового разряда преобладает термическая ионизация – разбиение атомов на электроны и положительные ионы за счёт энергии теплового поля. При тлеющем – возникает ударная ионизация у катода за счет соударения с электронами, разгоняемыми электри­ческим полем, а при таунсендовском разряде ударная ионизация пре­обладает на всём промежутке газового разряда.

Статическая вольтамперная характеристика электрической

дуги постоянного тока.

Важнейшей характеристикой дуги является зависимость напряжения на ней от величины тока. Эта характерис­тика называется вольтамперной. С ростом тока i уве­личивается температура дуги, усиливается термическая ионизация, возрастает число ионизированных частиц в разряде и падает электрическое сопротивление дуги r д.

Напряжение на дуге равно ir д.При увеличении тока сопротивление дуги уменьшается так резко, что напря­жение на дуге падает, несмотря на то, что ток в це­пи возрастает. Каждому значению тока в установившем­ся режиме соответствует свой динамический баланс числа заряженных частиц.

При переходе от одного значения тока к другому тепловое состояние дуги не изменяется мгновенно. Дуго­вой промежуток обладает тепловой инерцией . Если ток изменяется во времени медленно, то тепловая инерция разряда не сказывается. Каждому значению тока со­ответствует однозначное значение сопротивления дуги или напряжения на ней.

Зависимость напряжения на дуге от тока при мед­ленном его изменении называется статической вольтамперной характеристикой дуги.

Статическая характеристика дуги зависит от рас­стояния между электродами (длины дуги), материала электродов и параметров среды, в которой горит дуга.

Статические вольтамперные характеристи­ки дуги имеют вид кривых, изображенных на рис. 3.

Рис. 3. Статические вольтамперные характеристики дуги

Чем больше длина дуги, тем выше лежит ее статическая вольтамперная характеристика. С ростом давления среды, в которой горит дуга, также увеличивается на­пряженность Е Д и поднимается вольтамперная характеристика аналогично рис. 3.

Охлаждение дуги существенно влияет на эту ха­рактеристику. Чем интенсивнее охлаждение дуги, тем больше от нее отводится мощность. При этом должна возрасти мощность, выделяемая дугой. При заданном токе это возможно за счет увеличения напряжения на дуге. Таким образом, с ростом охлаждения вольтампер­ная характеристика располагается выше. Этим широко поль­зуются в дугогасительных устройствах аппаратов.

Динамическая вольтамперная характеристика электрической

дуги постоянного тока.

Если ток в цепи изменяется медленно, то току i 1 со­ответствует сопротивление дуги r Д1 ,абольшему току i 2 соответствует меньшее сопротивление r Д2 , что отражено на рис. 4. (см. статичес­кую характеристику дуги – кривая А ).

Рис. 4. Динамическая вольтамперная характеристика дуги.

В реальных установках ток может меняться довольно быстро. Вследствие тепловой инерции дугового столба изменение сопротивления дуги отстает от изменения то­ка.

Зависимость напряжения на дуге от тока при быст­ром его изменении называется динамической вольтамперной характеристикой .

При резком возрастании тока динамическая характеристика идет выше статической (кривая В ), так как при быстром росте тока сопротивление дуги падает мед­леннее, чем растет ток. При уменьшении – ниже, по­скольку в этом режиме сопротивление дуги меньше, чем при медленном изменении тока (кривая С ).

Динамическая характеристика в значительной степе­ни определяется скоростью изменения тока в дуге. Если в цепь ввести очень большое сопротивление за время, бес­конечно малое по сравнению с тепловой постоянной вре­мени дуги, то в течение времени спада тока до нуля со­противление дуги останется постоянным. В этом случае динамическая характеристика изобразится прямой, про­ходящей из точки 2 в начало координат (прямая D ),т. е. дуга ведет себя как металлический проводник, так как напряжение на дуге пропорционально току.

Условия гашения дуги постоянного тока.

Чтобы погасить электрическую дугу постоянного тока, необходимо создать такие условия, чтобы в дуговом промежутке при всех значениях тока процессы деионизации протекали бы интенсивнее, чем процессы ионизации.

Рис. 5. Баланс напряжений в цепи с электрической дугой.

Рассмотрим электрическую цепь, содержащую сопротивление R , индуктивность L и дуговой промежуток с падением напряжения U Д, к которой приложено напряжение U (рис. 5, а ). При дуге, имеющей неизменную длину, для любого момента времени будет справедливо уравнение баланса напряжений в этой цепи:

где падение напряжения на индуктивности при изменении тока.

Стационарным режимом будет такой, при котором ток в цепи не меняется, т.е. а уравнение баланса напряжений примет вид:

Для погасания электрической дуги необходимо, чтобы ток в ней всё время уменьшался, т.е. , а

Графическое решение уравнения баланса напряжений представлено на рис. 5, б . Здесь прямая 1 представляет собой напряжение источника U ; наклонная прямая 2 – падение напряжения на сопротивлении R (реостатная характеристика цепи), вычитаемое из напряжения U , т.е. U – iR ; кривая 3 – вольтамперную характеристику дугового промежутка U Д.

Особенности электрической дуги переменного тока.

Если для гашения дуги постоянного тока необходимо создать такие усло­вия, при которых ток упал бы до нуля, то при переменном токе ток в дуге независимо от степени ионизации дугового промежутка переходит через нуль каждый полупериод, т.е. каждый полупериод дуга гаснет и зажигается вновь. Задача гашения дуги существенно облегчается. Здесь необходимо создать условия, при которых ток не восстановился бы после прохождения через нуль.

Вольтамперная характеристика дуги переменного тока за один период приведена на рис. 6. Поскольку, даже при промышленной частоте 50 Гц, ток в дуге меняется достаточно быстро, то представленная характеристика является динамической. При синусоидальном токе напряжение на дуге сначала увеличивается на участке 1, а затем, в связи с ростом тока, падает на участке 2 (участки 1 и 2 относятся к первой половине полупериода). После прохождения тока через максимум динамическая ВАХ возрастает по кривой 3 в связи с уменьшением тока, а затем уменьшается на участке 4 в связи с приближением напряжения к нулю (участки 3 и 4 относятся ко второй половине этого же полупериода).

Рис. 6. Вольтамперная характеристика дуги переменного тока

При переменном токе температура дуги является величиной переменной. Однако тепловая инерция газа оказывается довольно значительной, и к моменту перехода тока через нуль температура дуги хотя и уменьшается, но остаётся достаточно высокой. Всё же имеющее место снижение температуры при переходе тока через нуль способствует деионизации промежутка и облегчает гашение электрической дуги переменного тока.

Электрическая дуга в магнитном поле.

Электрическая дуга является газообразным про­водником тока. На этот проводник, так же как на метал­лический, действует магнитное поле, создавая силу, про­порциональную индукции поля и току в дуге. Магнитное поле, действуя на дугу, увеличивает ее длину и переме­щает элементы дуги в пространстве. Поперечное перемещение элементов дуги создает ин­тенсивное охлаждение, что приводит к повышению гради­ента напряжения на столбе дуги. При движении дуги в среде газа с большой скоро­стью возникает расслоение дуги на отдельные парал­лельные волокна. Чем длиннее дуга, тем сильнее проис­ходит расслоение дуги.

Дуга является чрезвычайно подвижным проводником. Известно, что на токоведущую часть действуют такие силы, которые стремятся увеличить электромагнит­ную энергию контура. Поскольку энергия пропорцио­нальна индуктивности, то дуга под действием своего собственного поля стремится образовывать витки, петли, так как при этом возрастает индуктивность цепи. Эта способность дуги тем сильнее, чем больше ее длина.

Движущаяся в воздухе дуга преодолевает аэродина­мическое сопротивление воздуха, которое зависит от ди­аметра дуги, расстояния между электродами, плотности газа и скорости движения. Опыт показывает, что во всех случаях в равномерном магнитном поле дуга движется с постоянной скоростью. Следовательно, электродинами­ческая сила уравновешивается силой аэродинамического сопротивления.

С целью создания эффективного охлаждения дуга с помощью магнитного поля втягивается в узкую (диаметр дуги больше ширины щели) щель между стен­ками из дугостойкого материала с высокой теплопровод­ностью. Из-за увеличения теплоотдачи стенкам щели гра­диент напряжения в столбе дуги при наличии узкой щели значительно выше, чем у дуги, свободно перемещающей­ся между электродами. Это дает возможность сократить необходимую для гашения длину и время гашения.

Способы воздействия на электрическую дугу в коммутационных аппаратах.

Цель воздействия на столб возникающей в аппарате дуги состоит в увеличении её активного электрического сопротивления вплоть до бесконечности, когда коммутационный орган переходит в изоляционное состояние. Практически всегда это достигается путем интенсивного охлаждения столба дуги, уменьшения её температуры и теплосодержания, в результате чего снижается степень ионизации и количество носителей электричества и ионизированных частиц и повышается электрическое сопротивление плазмы.

Для успешного гашения электрической дуги в коммутационных низковольтных аппаратах необходимо выполнить следующие условия:

1) увеличить длину дуги путем её растяжения или увели­чения числа разрывов на полюс выключателя;

2) переместить дугу на металлические пластины дугогасительной решётки, которые являются как радиаторами, поглощающими тепловую энергию столба дуги, так и разбивают её на ряд последовательно соединённых дуг;

3) переместить столб дуги магнитным полем в щелевую камеру из дугостойкого изоляционного материала с большой теплопроводностью, где дуга интенсивно охлаж­дается, соприкасаясь со стенками;

4) образовывать дугу в закрытой трубке из газогенерирующего материала – фибры; выделяемые под воздействием температуры газы создают высокое давление, что способствует гашению дуги;

5) уменьшить концентрацию паров металлов в дуге, для чего на этапе проектирования аппаратов использовать соответствующие материалы;

6) гасить дугу в вакууме; при очень низком давлении газа недо­статочно атомов газа, чтобы ионизировать их и поддержать проведение тока в дуге; электрическое сопротивление канала столба дуги стано­вится очень высоким и дуга гаснет;

7) размыкать контакты синхронно перед переходом переменно­го тока через нуль, что существенно снижает выделение тепловой энергии в образовавшейся дуге, т.е. способствует гашению дуги;

8) применять чисто активные сопротивления, шунтирующие дугу и облегчающие условия её гашения;

9) применять шунтирующие межконтактный промежуток полу­проводниковые элементы, переключающие на себя ток дуги, что практиче­ски исключает образование дуги на контактах.

Электрическая дуга представляет собой дуговой разряд, который возникает между двумя электродами или же электродом и заготовкой и который позволяет произвести соединение двух и более деталей посредством сваривания.

Сварочная дуга в зависимости от среды, в которой она возникает, делится на несколько групп. Она может быть открытой, закрытой, а также в среде защитных газов.

Открытая дуга протекает на открытом воздухе посредством ионизации частиц в области горения, а также за счет паров металла свариваемых деталей и материала электродов. Закрытая дуга, в свою очередь, горит под слоем флюса. Это позволяет изменить состав газовой среды в области горения и обезопасить металл заготовок от окисления. Электрическая дуга в таком случае протекает по парам металла и ионам флюсовой присадки. Дуга, которая горит в среде защитных газов, протекает по ионам этого газа и парам металла. Это также позволяет предотвратить окисление деталей, а, следовательно, повысить надежность образуемого соединения.

Электрическая дуга различается по роду подводимого тока - переменный или постоянный - и по продолжительности горения - импульсная или же стационарная. Кроме того, дуга может иметь прямую или же обратную полярность.

По типу используемого электрода различают неплавящиеся и плавящиеся. Применение того или иного электрода напрямую зависит от характеристик, которыми обладает сварочный аппарат. Дуга, возникающая при использовании неплавящегося электрода, как видно из названия, не деформирует его. При сварке плавящимся электродом ток дуги расплавляет материал и он наплавляется на исходную заготовку.

Дуговой промежуток можно условно разделить на три характерных участка: прикатодный, прианодный, а также ствол дуги. При этом последний участок, т.е. ствол дуги, обладает наибольшей длиной, однако, характеристики дуги, а также возможность ее возникновения определяются именно околоэлектродными областями.

В целом же, характеристики, которыми обладает электрическая дуга, можно объединить в следующий список:

1. Длина дуги. Имеется в виду суммарное расстояние прикатодной и прианодной области, а также ствола дуги.

2. Напряжение дуги. Состоит из суммы на каждой из областей: ствол, прикатодная и прианодная. При этом изменение напряжения в околоэлектродных областях значительно больше, чем в оставшейся области.

3. Температура. Электрическая дуга в зависимости от состава газовой среды, материала электродов и может развивать температуру вплоть до 12 тысяч градусов Кельвина. Тем не менее, подобные пики расположены не по всей плоскости торца электрода. Поскольку даже при самой лучшей обработке на материале токопроводящей части имеются различные неровности и бугорки, благодаря которым возникает множество разрядов, которые воспринимаются как один. Конечно же, температура дуги во многом зависит от среды, в которой она горит, а также от параметров подводимого тока. К примеру, если увеличить величину тока, то, соответственно, увеличится и значение температуры.

И, наконец, вольт-амперная характеристика или ВАХ. Представляет собой зависимость напряжения от длины и величины тока.

При размыкании электрической цепи возникает электрический разряд в виде электрической дуги. Для появления электрической дуги достаточно, чтобы напряжение на контактах было выше 10 В при токе в цепи порядка 0,1А и более. При значительных напряжениях и токах температура внутри дуги может достигать 3 - 15 тыс. °С, в результате чего плавятся контакты и токоведущие части.

При напряжениях 110 кВ и выше длина дуги может достигать нескольких метров. Поэтому электрическая дуга, особенно в мощных силовых цепях, на напряжение выше 1 кВ представляет собой большую опасность, хотя серьезные последствия могут быть и в установках на напряжение ниже 1 кВ. Вследствие этого электрическую дугу необходимо максимально ограничить и быстро погасить в цепях на напряжение как выше, так и ниже 1 кВ.

Процесс образования электрической дуги может быть упрощенно представлен следующим образом. При расхождении контактов вначале уменьшается контактное давление и соответственно контактная поверхность, увеличиваются (плотность тока и температура - начинаются местные (на отдельных участках площади контактов) перегревы, которые в дальнейшем способствуют термоэлектронной эмиссии, когда под воздействием высокой температуры увеличивается скорость движения электронов и они вырываются с поверхности электрода.

В момент расхождения контактов, то есть разрыва цепи, на контактном промежутке быстро восстанавливается напряжение. Поскольку при этом расстояние между контактами мало, возникает высокой напряженности, под воздействием которого с поверхности электрода вырываются электроны. Они разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать хотя бы один электрон с оболочки нейтрального атома, то происходит процесс ионизации.

Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги, то есть ионизированного канала, в котором горит дуга и обеспечивается непрерывное движение частиц. При этом отрицательно заряженные частицы, в первую очередь электроны, движутся в одном направлении (к аноду), а атомы и молекулы газов, лишенные одного или нескольких электронов, - положительно заряженные частицы - в противоположном направлении (к катоду). Проводимость плазмы близка к проводимости металлов.

В стволе дуги проходит большой ток и создается высокая температура. Такая температура ствола дуги приводит к термоионизации - процессу образования ионов вследствие соударения молекул и атомов, обладающих большой кинетической энергией при высоких скоростях их движения (молекулы и атомы среды, где горит дуга, распадаются на электроны и положительно заряженные ионы). Интенсивная термоионизация поддерживает высокую проводимость плазмы. Поэтому падение напряжения по длине дуги невелико.

В электрической дуге непрерывно протекают два процесса: кроме ионизации, также деионизация атомов и молекул. Последняя происходит в основном путем диффузии, то есть переноса заряженных частиц в окружающую среду, и рекомбинации электронов и положительно заряженных ионов, которые воссоединяются в нейтральные частицы с отдачей энергии, затраченной на их распад. При этом происходит теплоотвод в окружающую среду.

Таким образом, можно различить три стадии рассматриваемого процесса: зажигание дуги, когда вследствие ударной ионизации и эмиссии электронов с катода начинается дуговой разряд и интенсивность ионизации выше, чем деионизации, устойчивое горение дуги, поддерживаемое термоионизацией в стволе дуги, когда интенсивность ионизации и деионизации одинакова, погасание дуги, когда интенсивность деионизации выше, чем ионизации.

Способы гашения дуги в коммутационных электрических аппаратах

Для того чтобы отключить элементы электрической цепи и исключить при этом повреждение коммутационного аппарата, необходимо не только разомкнуть его контакты, но и погасить появляющуюся между ними дугу. Процессы гашения дуги, так же как и горения, при переменном и постоянном токе различны. Это определяется тем, что в первом случае ток в дуге каждый полупериод проходит через нуль. В эти моменты выделение энергии в дуге прекращается и дуга каждый раз самопроизвольно гаснет, а затем снова загорается.

Практически ток в дуге становится близким нулю несколько раньше перехода через нуль, так как при снижении тока энергия, подводимая к дуге, уменьшается, соответственно снижается температура дуги и прекращается термоионизация. При этом в дуговом промежутке интенсивно идет процесс деионизации. Если в данный момент разомкнуть и быстро развести контакты, то последующий электрический пробой может не произойти и цепь будет отключена без возникновения дуги. Однако практически это сделать крайне сложно, и поэтому принимают специальные меры ускоренного гашения дуги, обеспечивающие охлаждение дугового пространства и уменьшение числа заряженных частиц.

В результате деионизации постепенно увеличивается электрическая прочность промежутка и одновременно растет восстанавливающееся напряжение на нем. От соотношения этих величин и зависит, загорится ли на очередную половину периода дуга или нет. Если электрическая прочность промежутка возрастает быстрее и оказывается больше восстанавливающего напряжения, дуга больше не загорится, в противном же случае будет обеспечено устойчивое горение дуги. Первое условие и определяет задачу гашения дуги.

В коммутационных аппаратах используют различные способы гашения дуги.

Удлинение дуги

При расхождении контактов в процессе отключения электрической цепи возникшая дуга растягивается. При этом улучшаются условия охлаждения дуги, так как увеличивается ее поверхность и для горения требуется большее напряжение.

Деление длинной дуги на ряд коротких дуг

Если дугу, образовавшуюся при размыкании контактов, разделить на К коротких дуг, например затянув ее в металлическую решетку, то она погаснет. Дуга обычно затягивается в металлическую решетку под воздействием электромагнитного поля, наводимого в пластинах решетки вихревыми токами. Этот способ гашения дуги широко используется в коммутационных аппаратах на напряжение ниже 1 кВ, в частности в автоматических воздушных выключателях.

Охлаждение дуги в узких щелях

Гашение дуги в малом объеме облегчается. Поэтому в широко используют дугогасительные камеры с продольными щелями (ось такой щели совпадает по направлению с осью ствола дуги). Такая щель обычно образуется в камерах из изоляционных дугостойких материалов. Благодаря соприкосновению дуги с холодными поверхностями происходят ее интенсивное охлаждение, диффузия заряженных частиц в окружающую среду и соответственно быстрая деионизация.

Кроме щелей с плоскопараллельными стенками, применяют также щели с ребрами, выступами, расширениями (карманами). Все это приводит к деформации ствола дуги и способствует увеличению площади соприкосновения ее с холодными стенками камеры.

Втягивание дуги в узкие щели обычно происходит под действием магнитного поля, взаимодействующего с дугой, которая может рассматриваться как проводник с током.

Внешнее для перемещения дуги наиболее часто обеспечивают за счет катушки, включаемой последовательно с контактами, между которыми возникает дуга. Гашение дуги в узких щелях используют в аппаратах на все напряжения.

Гашение дуги высоким давлением

При неизменной температуре степень ионизации газа падает с ростом давления, при этом возрастает теплопроводность газа. При прочих равных условиях это приводит к усиленному охлаждению дуги. Гашение дуги при помощи высокого давления, создаваемого самой же дугой в плотно закрытых камерах, широко используется в плавких предохранителях и ряде других аппаратов.

Гашение дуги в масле

Если помещены в масло, то возникающая при их размыкании дуга приводит к интенсивному испарению масла. В результате вокруг дуги образуется газовый пузырь (оболочка), состоящий в основном из водорода (70...80 %), а также паров масла. Выделяемые газы с большой скоростью проникают непосредственно в зону ствола дуги, вызывают перемешивание холодного и горячего газа в пузыре, обеспечивают интенсивное охлаждение и соответственно деионизацию дугового промежутка. Кроме того, деионизирующую способность газов повышает создаваемое при быстром разложении масла давление внутри пузыря.

Интенсивность процесса гашения дуги в масле тем выше, чем ближе соприкасается дуга с маслом и быстрее движется масло по отношению к дуге. Учитывая это, дуговой разрыв ограничивают замкнутым изоляционным устройством - дугогасительной камерой . В этих камерах создается более тесное соприкосновение масла с дугой, а при помощи изоляционных пластин и выхлопных отверстий образуются рабочие каналы, по которым происходит движение масла и газов, обеспечивая интенсивное обдувание (дутье) дуги.

Дугогасительные камеры по принципу действия разделяют на три основные группы: с автодутьем, когда высокие давление и скорость движения газа в зоне дуги создаются за счет выделяющейся в дуге энергии, с принудительным масляным дутьем при помощи специальных нагнетающих гидравлических механизмов, с магнитным гашением в масле, когда дуга под действием магнитного поля перемещается в узкие щели.

Наиболее эффективны и просты дугогасительные камеры с автодутьем . В зависимости от расположения каналов и выхлопных отверстий различают камеры, в которых обеспечивается интенсивное обдувание потоками газопаровой смеси и масла вдоль дуги (продольное дутье) или поперек дуги (поперечное дутье). Рассмотренные способы гашения дуги широко используются в выключателях на напряжение выше 1 кВ.

Другие способы гашения дуги в аппаратах на напряжение выше 1 кВ

Кроме указанных выше способов гашения дуги, используют также: сжатый воздух, потоком которого вдоль или поперек обдувается дуга, обеспечивая ее интенсивное охлаждение (вместо воздуха применяются и другие газы, часто получаемые из твердых газогенерирующих материалов - фибры, винипласта и т. п. - за счет их разложения самой горящей дугой), обладающий более высокой электрической прочностью, чем воздух и водород, в результате чего дуга, горящая в этом газе, даже при атмосферном давлении достаточно быстро гасится, высокоразреженный газ (вакуум), при размыкании контактов в котором дуга не загорается вновь (гаснет) после первого прохождения тока через нуль.

В процессе эксплуатации электрические цепи постоянно замыкаются и размыкаются. Давно замечено, что в момент размыкания между контактами образуется электрическая дуга. Для ее появления вполне достаточно напряжения более 10 вольт и силы тока - свыше 0,1 ампер. При более высоких значениях тока и напряжения внутренняя температура дуги нередко достигает 3-15 тысяч градусов. Это становится основной причиной расплавленных контактов и токоведущих частей.

Если же напряжение составляет 110 киловольт и выше, в этом случае длина дуги может достичь длины более одного метра. Подобная дуга представляет серьезную опасность для лиц, работающих с мощными силовыми установками, поэтому требуется ее максимальное ограничение и быстрое гашение в любых цепях, независимо от величины напряжения.

Что такое электрическая дуга

Наиболее характерным примером является электрическая сварочная дуга, проявляющаяся в виде продолжительного электрического разряда в плазме. В свою очередь плазма - это смешанные между собой ионизированные газы и пары составляющих защитной атмосферы, основного и присадочного металла.

Таким образом, электрическая дуга это горение электрического разряда между двумя электродами, расположенными в горизонтальной плоскости. Под действием нагретых газов, стремящихся к верху, этот разряд изгибается и становится виден как дуга или арка.

Эти свойства позволили использовать дугу на практике в качестве газового проводника, с помощью которого электрическая энергия преобразуется в тепловую, создавая высокую интенсивность нагрева. Данный процесс может сравнительно легко управляться изменяющимися электрическими параметрами.

В обычных условиях газы не проводят ток. Однако, если возникают благоприятные условия, они могут быть ионизированы. Их атомы или молекулы становятся положительными или отрицательными ионами. Под действием высокой температуры и внешнего электрического поля с высокой напряженностью газы изменяются и переходят в состояние плазмы, обладающей всеми свойствами проводника.

Как образуется сварочная дуга

• Вначале между концом электрода и деталью появляется контакт, затрагивающий обе поверхности.
• Под действием тока с высокой плотностью, частицы поверхностей быстро расплавляются, образуя прослойку жидкого металла. Она постоянно увеличивается в направлении электрода, после чего наступает ее разрыв.
• В этот момент металл очень быстро испаряется и промежуток разряда начинают заполнять ионы и электроны. Приложенное напряжение заставляет их двигаться к аноду и катоду, в результате происходит возбуждение сварочной дуги.
• Начинается процесс термической ионизации, при котором положительные ионы и свободные электроны продолжают концентрироваться, газ дугового промежутка еще более ионизируется и сама дуга становится устойчивой.
• Под ее влиянием металлы заготовки и электрода расплавляются и, находясь в жидком состоянии, смешиваются между собой.
• После остывания, в этом месте образуется сварочный шов.

Гашение электрической дуги в коммутационной аппаратуре

Отключение элементов электрической цепи должно производиться очень осторожно, без повреждений коммутационной аппаратуры. Одного лишь размыкания контактов будет недостаточно, требуется правильно погасить дугу, возникающую между ними.

Процессы горения и гашения дуги существенно различаются между собой в зависимости от использования в сети . Если с постоянным током нет особых проблем, то при наличии переменного тока следует учитывать ряд факторов. Прежде всего, ток дуги проходит нулевую отметку на каждом полупериоде. В этот момент прекращается выделение энергии, в результате дуга самопроизвольно гаснет, и вновь загорается. На практике ток приближается к нулю еще до перехода через нулевую отметку. Это связано со снижением тока и уменьшением энергии, подводимой к дуге.

Соответственно понижается и ее температура, что вызывает прекращение термической ионизации. В самом промежутке дуги происходит интенсивная деионизация. Если в этот момент сделать быстрое размыкание и разводку контактов, то пробоя может и не случиться, цепь отключится без появления дуги.

На практике создать подобные идеальные условия очень сложно. В связи с этим были разработаны специальные мероприятия по ускоренному гашению дуги. Различные технические решения позволяют быстро охладить дуговой промежуток и снизить количество заряженных частиц. В результате, наступает постепенное увеличение электрической прочности данного промежутка и одновременный рост на нем восстанавливающего напряжения.

Обе величины находятся в зависимости между собой и влияют на зажигание дуги в очередном полупериоде. Если электрическая прочность превысит восстанавливающее напряжение, то дуга уже не загорится. В противном случае она будет устойчиво гореть.

Основные способы гашения дуги

Довольно часто используется метод удлинения дуги, когда в процессе расхождения контактов при отключении цепи происходит ее растяжение (рис.1). За счет увеличения поверхности условия охлаждения существенно улучшаются, а для поддержки горения требуется большее значение напряжения.

1.

В другом случае общая электрическая дуга разделяется на отдельные короткие дуги (рис.2). Для этого может использоваться специальная металлическая решетка. В ее пластинах под действием наводится электромагнитное поле, затягивающее дугу для разделения. Данный способ широко применяется в коммутационной аппаратуре напряжением менее 1 кВ. Типичным примером являются воздушные автоматические выключатели.

2.

Довольно эффективным считается гашение в небольших объемах, то есть, внутри дугогасительных камер. В этих устройствах имеются продольные щели, совпадающие по осям с направлением ствола дуги. В результате соприкосновения с холодными поверхностями, дуга начинает интенсивно охлаждаться, активно выделяя заряженные частицы в окружающую среду.

Использование высокого давления. В этом случае температура остается неизменной, давление возрастает, а ионизация уменьшается. В таких условиях дуга усиленно охлаждается. Для создания высокого давления используются плотно закрывающиеся камеры. Способ особенно эффективен для плавких предохранителей и другой аппаратуры.

Гашение дуги может происходить с помощью масла, куда помещаются контакты. При их размыкании появляется дуга, под действием которой масло начинает активно испаряться. Она оказывается покрыта газовым пузырем или оболочкой, состоящей на 70-80% из водорода и масляных паров. Под влиянием выделяемых газов, попадающих прямо в зону ствола, холодный и горячий газ внутри пузыря перемешивается, интенсивно охлаждая дуговой промежуток.

Другие методы гашения

Гашение электрической дуги может выполняться за счет роста ее сопротивления. Оно постепенно возрастает, а ток снижается до значения, недостаточного для поддержания горения. Основным недостатком данного метода считается продолжительное время гашения, в течение которого в дуге рассеивается большое количество энергии.

Увеличение сопротивления дуги достигается разными способами:

• Удлинение дуги, поскольку ее сопротивление находится в прямой пропорциональной зависимости с длиной. Для этого нужно изменить зазор между контактами в сторону увеличения.
• Охлаждение среды между контактами, где расположена дуга. Чаще всего применяется обдув, направляемые вдоль дуги.
• Контакты помещаются в газовую среду с низкой степенью ионизации или в вакуумную камеру. Данный метод используется в газовых и вакуумных выключателях.
• Поперечное сечение дуги можно снизить, пропуская ее через узкое отверстие или уменьшая площадь контактов.

В цепях с переменным напряжением для гашения дуги используется метод нулевого тока. В этом случае сопротивление сохраняется на низком уровне, пока значение тока не снизится до нуля. В результате, гашение происходит естественным путем, а зажигание не повторяется вновь, хотя напряжение на контактах может и увеличиться. Падение до нулевой отметки происходит в конце каждого полупериода и дуга гаснет на короткое время. Если увеличить диэлектрическую прочность промежутка между контактами, то дуга так и останется погасшей.

Последствия действия электрической дуги

Разрушительное воздействие дуги представляет серьезную опасность не только для оборудования, но и для работающих людей. При неблагоприятном стечении обстоятельств можно получить серьезные ожоги. Иногда поражение дугой заканчивается летальным исходом.

Как правило, электрическая дуга возникает в момент случайного контакта с токоведущими частями или проводниками. Под действием тока короткого замыкания плавятся провода, ионизируется воздух, создаются другие благоприятные условия для образования плазменного канала.

В настоящее время в области электротехники удалось добиться существенных положительных результатов с помощью современных защитных средств, разработанных против электрической дуги.

Электрическая дуга - один из видов электрического разряда в газах. Всякое направ­ленное движение заряженных частиц между электродами в газах называется разрядом. Ме­сто дуги среди других видов разрядов в газах:

Дуговой разряд отличается от других:

1 - высокой температурой 4000 - 50 ООО К

2 - высокой силой тока 50-10 000 А

3 - слабым электрическим полем 10 - 60 В.

Называется дугой из-за характерной формы, которая возникает от взаимодействия за­ряженных частиц дуги с магнитным полем самой дуги. При увеличении тока магнитное поле может разрывать дуговой разряд

Ток в дуговом процессе протекает между электродами (полюсами дуги) через газ дуго­вого пространства.

Положительный электрод - анод.

Отрицательный электрод - катод

Различают дугу свободную (свободно расширяющуюся) и сжатую. Свободной (свобод­но расширяющейся) называется дуга оадиус которой, не ограничен ни в одном её сечении;

сжатой называется дуга радиус которой, ограничен хотя бы в одном сечении.

Распределение падения напряжения в дуге. В межэлектродном пространстве на­блюдается неравномерное распределение электрического поля (скачки потенциала в при - электродных областях) и в соответствии с зтим неравномерно падение напряжения по длине дуги.

Свободные электроны, которые есть в металлах под действием электрического поля при высокой температуре катода покидают его Потенциалом катодной области разгоняются и ионизуют атомы столба дуги Атомы столба могут ионизироваться и от высокой темпера­туры (соударением, фотоионизация) Электроны перемещаются в столбе дуги в сторону анода Приблизившись к аноду, попадают на него под действием электрического поля анод­ной области Ионы двигаются в противоположную сторону, бомбардируя катод

Сопротивление газового проводника является нелинейным и поэтому дуга не подчиня­ется Закону Ома

Статическая вольт-амперная характеристика дуги. В зависимости от плотности тока вольтамперная характеристика может быть падающей, пологой и возрастающей

При малых токах с увеличением тока интенсивно возрастает количество заряженных частиц, главным образом, из-за нагрева и увеличения эмиссии электронов с поверхности катода, а, значит, и соответствующего ей увеличения объемной ионизации в столбе дуги.

Сопротивление столба дуги при этом уменьшается и падает необходимое для поддержки разряда напряжение. Характе­ристика дуги - падающая.

При дальнейшем увеличении тока и ограниченном сечении электродов столб дуги немного сжимается и объем газа, ко­торый берет участие в переносе зарядов уменьшается. Это приводит к меньшей скорости роста числа заряженных частиц.

Напряжение дуги становится мало зависи­мым от тока. Характеристика - пологая.

В первых двух областях электрическое сопротивление дуги отрицательно (негативно). Эти области характерные для дуг со сравнительно малой плотностью тока. Дальнейший рост тока приводить к исчерпанию термоэмиссионной способности ка­тода. Количество заряженных частиц не увеличивается и сопротивление дуги становится положительным и почти постоянным. Появляется высокоионизованна» сжатая плазма, кото­рая по свойствам близка к металлическим проводникам. Такая дуга подчиняется закону Ома.

Энергетическая ёмкость различных областей дуги

Для приведенных цифр падение напряжения в областях дуги (дуга в парах железа) и характерных для ручной дуговой сварки значений тока:

В катодной области 14Вх100А=1,4 кВт на длине *10"5 см

В столбе дуги 25 В/см х 0,6 см х 100 А = 1,5 кВт на длине ^0.6 см

В анодной области 2,5 В х 100 А = 250 Вт на длине ^Ю"4 см.

Основные потребители энергии - катодная область и столб дуги, очевидно, что в них и происходят основные процессы, которые характеризуют физические явление, результатом которых является дуговой разряд.

При постоянных диаметрах электрода и расстояниях между ними электрические пара­метры дуги будут зависеть от материала электродов (эмиссия, пары металлов в столбе), состава газов в дуге, температуры электродов, состава газа в дуге (в столбе дуги).

То есть, электрические параметры дуги зависят от физических и геометрических фак­торов. Изменение размеров электродов и расстояния между ними влияет на электрические характеристики дуги

Сварочные дуги подразделяют (классифицируют):

По материалам электродов (Fe, W, Си и т. д.)

По составу газов (в воздухе, в парах металлов, в потоке защитных газов;

Плавящимся или неплавящимся электродом и т. п.

Физические процессы в катодной области

Электроны покидают поверхность катода и двигаются к аноду. Путь, который они про­ходят до первого столкновения с атомами газов дуги ограничивает катодную область. Рас­четы показывают, что это является * Ю"ь см для нормального давления и дуги в воздухе и в парах железа.

К катодной области принято относить эту область дуги (1C)"5 см) и саму поверхност­ность катода.

1) Общий электрический ток в катодной области состоит из электронного и ионного тока

Плотность тока (А/см2):

I = eo-rvWe’i© = e0n©W&

е0 - заряд электрона;

л© - количество электронов;

W© - скорость движения (дрейфа) электронов.

Если предположить равенство ппотности то­ков ионного и электронного (на самом I, > 1в), то

Ионы и электроны, которые проходят катодную область, накапливают кинетическую энергию:

Р _ П1фУф - _ тсЛЧэ.

где те, т© - соответствующие массы.

Поскольку они разгоняются электрическим полем, то энергия, которую они получают, будет Єо-ІЛ (произведение зарядов на разницу потенциалов):

Еф = Ее=Єо. ик

тогда скорости движения заряженных частиц:

w* = ; we = №., тогда

пе _ W9 _ у гпе _ I гп(

Масса электрона mQ, = 9,106-10"28 г

Масса протона mn = 1,66-10"24 г

1,66-10"24-55,84 _з19

Для иона железа AFe = 55,84; в этом случае:

о катод, отдают ему свою энергию, разогревая его, захватывают электрон, превращаясь в нейтральные атомы. Электроны из катода разгоняются до энергии eo U* ударяются в атомы столба дуги и ионизируют их.

Катодная эмиссия

Различают такие виды эмиссии электронов с поверхности катода:

Термоэлектронная;

Автоэлектронная (электростатическая);

Фотоэлектронная (внешний фотоэффект);

Вторичная (бомбардировка поверхности атомами, ионами, тяжелыми частицами, электронами и др.);

При сварке дуговыми способами наиболее часто встречается термо - и авто­электронная эмиссия.

Интенсивность эмиссии оценивают плотностью тока j [А/см2] (для сварки 102 ... 105 А/мм2).

Термоэлектронная эмиссия.

Свободным электронам, которые есть в твердом теле, не дает покинуть его электриче­ское поле - поверхностный потенциальный барьер.

Величина наименьшей энергии, которую необходимо придать электрону, чтобы он мог выйти из поверхности тела и удалиться на расстояние, при котором между ним и телом не­возможно взаимодействие называется работа выхода.

Всегда найдутся такие электроны, которые случайно наберут эту энергию и выйдут из тела. Но под действием электрического поля они сразу же возвращаются назад.

С ростом температуры тела количество электронов, которые имеют энергию, доста­точную для выхода из тела, увеличивается.

В электростатических расчетах работа выхода А* = е0 ф, где <р - потенциал выхода. Е0 = 1, А, = ф в эктрон-вольтах.

Плотность тока для термоэлектронной эмиссии определяется уравнением Ричардсона - Дештмена:

jT=AT2e“kf; jT = AT2e"^

А - постоянная, зависит от материала катода

Т - температура

к: - постоянная Больцмана к = 8,62 10‘5 эв/К = 1,38-10"23 ДжЖ

Ток термоэлектронной эмиссии оказывается на несколько порядков (в 100.... 10000 раз) меньше чем необходимый для катода при сварке, например, стали.

Но 8 катодной области есть объемный положи­тельный ионный заряд, который создает напряжен­ность поля 1-Ю6 В/см и больше. Электрическое по­ле такой напряженности изменяет условия эмиссии электронов из катода.

Работа выхода электронов уменьшается в со­ответствии с величиной напряженности поля в при - электродной (прикатодной) области. Это явление на­зывается эффект Шоттки. Работа выхода при нали­чии электрического поля е приповерхностной области катода уменьшается на величину: ДАв=е"2Е,/2 ДАВ =3,8-10“*Е

Е - напряженность электрического поляОсобую роль в объяснении явлений катодной эмиссии для аномально больших плот­ностей тока, характерных для сварки плавящимся электродом, играет электростатическая гипотеза (автоэлектронная эмиссия) Ленгмюра (1923 г). Поток электронов имеет волновые свойства Электрон - волна может проникнуть из катода в анод, не поднимаясь до потен­циального уровня, необходимого для эмиссии, а обходя его. Это называется туннельный переход Он происходит без расходования энергии.

При этом величина потенциального барьера должна быть меньше чем длина волны электрона в потоке. Длина волны потока электронов:

Ft - постоянная Планка ft =4,13-10"15 е-в с m - масса электрона V - скорость потока электронов.

у и в - константы, которые зависят от материала катода.

Фотоэмиссия (внешний фотоэффект, эффект Эйнштейна). При поглощении катодом квантов света могут появиться электроны, которые имеют энергию намного большую от ра­боты выхода. Условие возникновения фотоэмиссии (закон Эйнштейна)

Fi v £ ф + Уз mv2

fi - постоянная Планка F> = 6,626176 (36)- 10 м Дж-сек; v - частота световой волны;

m - масса электро. на

v - скорость электрона после эмиссии.

с - скорость светла в вакууме равна 299792458,0 (1,2) м/сек;

vo, *о - граничные частота и длина волны света, которые могут вызвать фотоэмиссию.

Смесь газов ионизуется иначе, чем каждый отдельный газ из-за того, что электронный газ, который создается в результате ионизации будет совместным для всех составных газо­вой смеси. Степень ионизации смеси:

■Л-тс п-д Р’

п - количество частиц;

S - диаметр взаимодействия частиц (диаметр Рамзауэра);

Р - внешнее давление.

Средняя квадратическая скорость определяется из средней энергии теплового движе­ния.

к - постоянная Больцмана.

Свободный пробег иона - X* свободный пробег нейтрального атома. Свободный пробег электрона Л*о * 4ІЛп (эффект Рамзауэра).

Расчёты показывают, что при массах иона железа и электрона: пір** = 56-1,66-1 O"2* г, me0 = 9,106 10’28 г,

соотношение их подвижностей составит:

Очевидно, что и ток ионный в 1830 раз меньше чем ток электронный. Из приведенных зависимостей с учетом давления подвижность электронов будет:

ь. =й-Ц-Ц - ■Jt ps

В = 3,62-10‘13 - безразмерная величина;

5 - диаметр взаимодействия частиц (Рамзауэра).

Скорость дрейфа электрона в столбе дуги:

В расчетах столб дуги принимаемая цилиндрическим по Форме, однородным с посто­янной по сечению плотностью тока - каналовая модель К. К. Хренова.

Длина столба дуги практически равняется длине дуги (в пределах 0.1 - 15 мм). Паде­ние напряжения в столбе дуги пропорционально длине столба:

Электрическое поле анода отбрасывает положительные ионы в столб дуги, вместо этого притягивая электроны. Создается объемный отрицательный заряд. Из поверхностного анода не происходит эмиссии положительных ионов (за случаем отдельных видов угольной дуги). В связи с этим ток анодной области - это чисто электронный ток га = /«<>.

Длина анодной области приблизительно равна длине свободного пробега электронов от последнего соударения с атомом. Объемный отрицательный заряд анодной области вы­зывает анодное падение напряжения, которое мало зависит от материала анода, газов дуги, тока через дугу и равняется 2 ... 3 В. Электрон, достигая анода, отдает ему свою кинетиче­скую энергию, а также работу выхода, которая была потрачена на отрыв электрона от като­да.

Вольт-амперная характеристика дуги, которая свободно расширяется (свободная)

Дуговой разряд - устойчивая система. При постоянном питании энергией поддержива­ет себя в широком интервале режимов. Всякое нарушения равновесия вызывает такое из­менение параметров дуги, чтобы дуговой процесс остался (не прерывался). Границы. в ко­торых возможны дуговые процессы и характер изменения параметров дуги в ответ на нару­шения равновесия, определяют вольт-амперные характеристики.

Статические -1 - ос; динамические -1 - 0.

Рассматривать будем статические характеристики столба дуги.

Предположения (Каналовая модель К. К. Хренова):

Рассматриваем устойчивый дуговой процесс. Энергия подводится в дугу в неограни-ченном количестве и как угодно длительное время. Никакие внешние факторы не влияют на диаметр дуги.

Во всех зонах дуги строго поддерживается термодинамическое равновесие. При этом дуговая плазма подчиняется закону Саха.

Столб дуги представляет собой цилиндр, поверхность которого резко отделяет плазму дуги с температурой Тд от окружающей среды Т = 0.

Все тепповые потери столба дуги это потери на излучение внешней цилиндрической оболочки дуги и подчиняются закону Стефана-Больцмана.

Принцип минимума Штейнбека.

В Дуге, которая свободно расширяется, физические процессы устанавливаются таким образом, чтобы £-> min.

При устойчивом дуговом процессе тепловые потери столба дуги являются минимально возмож­ными для данных условий. Для заданного состояния газовой фазы и постоянных 1Я и Р электрическое поле будет зависеть только от 1^.

1. При увеличении температуры столба от Т6 увеличивается степень ионизации, подвижность электронов, плотность тока, напряженность электри­ческого поля, одновременно увеличиваются и потери на излучение.

2. С уменьшением температуры столба от ТБ уменьшается степень ионизации, плотность тока, но увеличивается напряженность поля. Расходы энер­гии увеличиваются.

При условии отсутствия ограничений на диаметр дуги, дуга в широких пределах явля­ется саморегулируемой системой. В дуге автоматически поддерживается минимально воз­можная напряженность поля. То есть, при постоянных значениях физических параметров среды и Ід в дуге устанавливается такие значения Т^ и гст, при которых напряженность поля в столбе будет минимальной.

Баланс энергии в областях дуги

Баланс энергии в столбе дуги f - доля электронного тока, |а - сварочный ток.

Энергия источника (тепло Джоуля-Ленца, выделяемое на сопротивлении плазмы столба дуги проходящему току):

ист - падение напряжения на столбе дуги.

Ионизация нейтральных атомов:

Ц - потенциал ионизации газов дугового промежутка.

Тепловые потери на излучение - RCT

Тепловые потери на конвекцию - R^*,

Тепловые потери на диффузию, заря­женных частиц в окружающую среду - RAWt>

Тепловые потери на эндотермические химические реакции - RXMt

Уравнение баланса:

(1 - f)l*U* + (1- f)l*Ui+ 4г - Rem = f-lu

Q* + R* или, в упрощённой форме:

Q* = lc*(UK - <р)

отсюда вывод:

чем лучше эмиссия электронов с поверхности катода (чем меньше работа выхода <р) - тем больше теплоты выделяется на катоде. Опытные данные показывают:

причём: 2 - характерно для неплавящихся катодов;

10 - характерно для плавящихся катодов.

3. Баланс энергии на аноде.

Уравнение баланса:

Р + А ■ Rem - Qt + R*

или, в упрощённой форме:

Q« = l~(U, + <р)

Опытные данные показывают:

Сжатая дуга.

Радиус столба дуги гет есть, прежде всего, функция тока в дуге:

рі/2,2 3 гст = С2 -гг - д

ЬЗ,!9Л2 а0 Uj

С увеличением тока увеличивается радиус дуги.

drCT „ Р12 2,-13 . Р12 Дід

Ид Стд3и{912 3 ИЛИ 2а‘3и!9,2",Ц

Дгст - темп увеличения радиуса дуги.

Темп изменения радиуса столба дуги (Дгст - темп) зависит от абсолютного значения то­ка. При малых токах радиус чувствителен к изменению тока, при больших токах - мало чув­ствителен. Предельно, когда I» -*«, Дгет = 0.

Когда Дгст = const, ток дуги определяется плотностью тока "і"

I = ЛГап " Urn-

Дуга, которая имеет такие свойства, называется сжатой. Если радиус хотя бы в одном сечении является величиной постоянной^Д^га называется сжатой.

Граница перехода от свободной к сжатой дуге зависит от потенциала ионизации U,. При малой величине U, нужен большой ток для перехода в сжатую дугу. Ограничение радиу­са может быть по площади одного из электродов, или через увеличение теплоотдачи из бо­ковой поверхности столба. Обдувая дугу потоком холодного газа, можно перевести ее в сжа­тую при малых значениях тока.

В реальных условиях на величину прироста Дгет могут влиять:

1. Радиус электродов, между которыми горит дуга.

2. Потенциал ионизации газа, в котором горит дуга.

3. Теплоотдача с боковой поверхности столба дуги.

Способы получения сжатой дуги

Исходя из этого, есть такие способы получения сжатой дуги:

Ограничение диаметра хотя бы одного из электродов;

Обдув дуги газом с высоким потенциалом ионизации и высокой теплопроводностью (Аг. Не);

Внешнее продольное магнитное поле (в технике не применяется).

Общее описание вольт-амперной характеристики дуги, исходя из изложенного может быть выполнено следующим образом:

1) Свободная дуга (свободно расширяющаяся). Радиус столба дуги гст увеличивается с

ростом ток^Ід. Температура дуги остаётся постоянной Т = const, степень ионизации х - очень малая. Падающую характеристику имеют и столб дуги и катодная область.

2) Сжатая слабоионизированая дуга. Радиус столба дуги гет - не увеличивается с рос­том т. ока^начинает заметно увеличиваться степень ионизации х и температура стопба дуги Та. Столб дуги имеет еще падающую характеристику. Катодная область - возрастающую

3) Си^т^ в^юок£ионизированая дуга. Степень ионизации х-*1 ВАХ столба дуги и ка­тодной области - возрастающие. Процессы в дуге перестают зависеть от полярности, мате­риалов электродов и свойств газов столба дуги. Дуга становится обычным проводником на уровне металлов (при 10 ООО К удельное сопротивление р = 1,5-1 O"4 Ом см), превращаясь в высококонцентрированный весьма устойчивый источник сварочного нагрева