Электрическая дуга Электрическая

Электрическая дуга

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

Электрическая дуга между двумя электродами в воздухе при атмосферном давлении образуется следующим образом: при увеличении напряжения между двумя электродами до определённого уровня в воздухе между электродами возникает электрический пробой . (Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния между электродами и других факторов. ) Потенциал ионизации первого электрона атомов металлов составляет приблизительно 4, 5 - 5 В, а напряжение дугообразования - в два раза больше (9 - 10 В).

Требуется затратить энергию на выход электрона из атома металла одного электрода и на ионизацию атома второго электрода. Процесс приводит к образованию плазмы между электродами и горению дуги (для сравнения: минимальное напряжение для образования искрового разряда немногим превышает потенциал выхода электрона - до 6 В). Для инициирования пробоя при имеющимся напряжении электроды приближают друг к другу. Во время пробоя между электродами обычно возникает искровой разряд, импульсно замыкая электрическую цепь.

Электроны в искровых разрядах ионизируют молекулы в воздушном промежутке между электродами. При достаточной мощности источника напряжения в воздушном промежутке образуется достаточное количество плазмы для значительного падения напряжения пробоя или сопротивления воздушного промежутка. При этом искровые разряды превращаются в дуговой разряд — плазменный шнур между электродами, являющийся плазменным тоннелем.

Возникающая дуга является, по сути, проводником и замыкает электрическую цепь между электродами. В результате средний ток увеличивается ещё больше, нагревая дугу до 5000– 50000 K. При этом считается, что поджиг дуги завершён. После поджига устойчивое горение дуги обеспечивается термоэлектронной эмиссией с катода, разогреваемого током и ионной бомбардировкой.

1. Дуговой разряд имеет место только при относительно больших токах. (Imin~0, 5 А); 2. Плотность тока на катоде достигает 102 … 103 А/мм 2. 3. Падение напряжение у катода составляет 10… 20 В и не зависит от тока. 4. Температура в дуговом столбе достигает 6 000… 18 000 К. Особенности дугового разряда

В дуговом разряде различают три характерные области: околокатодную, область столба дуги и околоанодную. Области дугового разряда.

Около катода возникает положительный объемный заряд, создаваемый положительными ионами. Между этим положительным зарядом и катодом создается электрическое поле с напряженностью до 107 В/м, в котором движутся электроны, вышедшие из катода и создающие электрический ток. Образующиеся электроны не создают около катода отрицательного объемного заряда, так как их скорость значительно больше скорости тяжелых положительных ионов. Околокатодная область занимает пространство длиной не более 10 -6 м. Околокатодная область

Энергия, приобретенная заряженными частями в электрическом поле дугового столба ничтожно мала и ионизация толчком не происходит. При большой температуре, которая имеет место в области дугового столба, скорость частицы возрастает до значения, при котором удар в нейтральный атом приводит к его ионизации. Такая ионизация называется термической. Основным источником ионов и электронов в столбе дуги является термическая ионизация. Степень ионизации зависит от давления газа Р в столбе дуги: Х≈ 1/ √Р Область дугового столба.

Из формулы следует что с ростом давления степень ионизации Х уменьшается. Так как степень ионизации определяется температурой, во всех ДУ стремятся отводить тепло от дуги за счет охлаждения движущимся воздухом или газом (воздушные, масляные выключатели) либо отдачи тепла стенкам дугогасительной камеры.

Поток электронов из столба дуги устремляется к положительному электроду – аноду. Анод при дуговом разряде не излучает положительных ионов, которые могли бы нейтрализовать электроны. Поэтому вблизи анода создается отрицательный объемный заряд, что и вызывает появление околоанодного падения напряжения и повышения напряженности электрического поля. Электроны разгоняются в поле образованном отрицательным объемным зарядом и анодом. Околокатодная область.

Энергия, приобретенная электронами, отдается аноду. Благодаря большой энергии электронов, анод нагревается до очень высокой температуры, которая выше температуры катода. Высокая температура анода и околоанодная область не оказывают существенного влияния на возникновение и условия существования дугового разряда. Роль анода сводится к приему электронного потока из дугового столба.

Электрическая дуга в воздухе

Электрическая дуга используется при электросварке металлов, для выплавки стали (Дуговая сталеплавильная печь) и в освещении (в дуговых лампах). Полезное применение

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 различных способов.

- воздействие на столб электрической дуги; - перемещение дуги под воздействием магнитного поля; - гашение дуги с помощью дугогасительной решетки; - гашение дуги высоким давлением; - гашение дуги в потоке сжатого газа; - гашение дуги в трансформаторном масле; - гашение дуги с помощью полупроводниковых приборов и т. д. Способы гашения электрической дуги.

В ряде устройств явление электрической дуги является вредным. Это в первую очередь контактные коммутационные устройства, используемые в электроснабжении и электро-приводе : высоковольтные выключатели, автоматические выключатели, контакторы. При отключении нагрузок вышеуказанными аппаратами между размыкающимися контактами возникает дуга. Механизм возникновения дуги в данном случае следующий: Уменьшение контактного давления — количество контактных точек уменьшается, растёт сопротивление в контактном узле ; Начало расхождения контактов — образование «мостиков» из расплавленного металла контактов (в местах последних контактных точек);

Разрыв и испарение «мостиков» из расплавленного металла; Образование электрической дуги в парах металла (что способствует большей ионизации контактного промежутка и трудности при гашении дуги); Устойчивое горение дуги с быстрым выгоранием контактов. Для минимального повреждения контактов необходимо погасить дугу в минимальное время, прилагая все усилия по недопущению нахождения дуги на одном месте (при движении дуги теплота, выделяющаяся в ней будет равномерно распределятся по телу контакта).

Для выполнения вышеуказанных требований применяются следующие методы борьбы с дугой: охлаждение дуги потоком охлаждающей среды — жидкости (масляный выключатель); газа — (воздушный выключатель, автогазовый выключатель, масляный выключатель, элегазовый выключатель), причём поток охлаждающей среды может проходить как вдоль ствола дуги (продольное гашение), так и поперёк (поперечное гашение); иногда применяется продольно-поперечное гашение; использование более дугостойкого материала контактов;

использование дугогасящей способности вакуума — известно, что при уменьшении давления газов, окружающих коммутируемые контакты до определённого значения, приводит к эффективному гашению дуги (в связи с отсутствием носителей для образования дуги) вакуумный выключатель; применение материала контактов с более высоким потенциалом ионизации ; применение дугогасительных решёток (автоматический выключатель, электромагнитный выключатель).

Принцип применения дугогашения на решётках основан на применении эффекта околокатодного падения в дуге (большая часть падения напряжения в дуге — это падение напряжения на катоде; дугогасительная решётка — фактически ряд последовательных контактов для попавшей туда дуги); использование дугогасительных камер — попадая в камеру из дугостойкого материала, например слюдопласта, с узкими, иногда зигзагообразными каналами, дуга растягивается, сжимается и интенсивно охлаждается от соприкосновения со стенками камеры.

использование «магнитного дутья» — поскольку дуга сильно ионизирована, то её в первом приближении можно полагать как гибкий проводник с током; создавая специальными электромагнитами (включённых последовательно с дугой) магнитное поле можно создавать движение дуги для равномерного распределению тепла по контакту, так и для загона её в дугогасительную камеру или решётку. В некоторых конструкциях выключателей создаётся радиальное магнитное поле, придающее дуге вращательный момент.