Электрическая дуга – определение, примеры возникновения


СОДЕРЖАНИЕ:

Электрическая дуга – определение, примеры возникновения

Электрическая дуга — это

А. из­лу­че­ние света электродами, присоединёнными к ис­точ­ни­ку тока.

Б. элек­три­че­ский разряд в газе.

Электрическая дуга — это один из видов газового разряда. Получить её можно следующим образом. В штативе закрепляют два угольных стержня заострёнными концами друг к другу и присоединяют к источнику тока. Когда угли приводят в соприкосновение, а затем слегка раздвигают, между концами углей образуется яркое пламя, а сами угли раскаляются добела. Дуга горит устойчиво, если через неё проходит постоянный электрический ток. В этом случае один электрод является всё время положительным (анод), а другой — отрицательным (катод). Между электродами находится столб раскалённого газа, хорошо проводящего электричество. Положительный уголь, имея более высокую температуру, сгорает быстрее, и в нём образуется углубление — положительный кратер. Температура кратера в воздухе при атмосферном давлении доходит до 4 000 °С.

Дуга может гореть и между металлическими электродами. При этом электроды плавятся и быстро испаряются, на что расходуется большая энергия. Поэтому температура кратера металлического электрода обычно ниже, чем угольного (2 000—2 500 °С). При горении дуги в газе при высоком давлении (около 2 ·10 6 Па) температуру кратера удалось довести до 5 900 °С, т. е. до температуры поверхности Солнца. Столб газов или паров, через которые идёт разряд, имеет ещё более высокую температуру — до 6 000—7 000 °С. Поэтому в столбе дуги плавятся и обращаются в пар почти все известные вещества.

Для поддержания дугового разряда нужно небольшое напряжение, дуга горит при напряжении на её электродах 40 В. Сила тока в дуге довольно значительна, а сопротивление невелико; следовательно, светящийся газовый столб хорошо проводит электрический ток. Ионизацию молекул газа в пространстве между электродами вызывают своими ударами электроны,испускаемые катодом дуги. Большое количество испускаемых электронов обеспечивается тем, что катод нагрет до очень высокой температуры. Когда для зажигания дуги вначале угли приводят в соприкосновение, то в месте контакта, обладающем очень большим сопротивлением, выделяется огромное количество теплоты. Поэтому концы углей сильно разогреваются, и этого достаточно для того, чтобы при их раздвижении между ними вспыхнула дуга. В дальнейшем катод дуги поддерживается в накалённом состоянии самим током, проходящим через дугу.

Ионизацию мо­ле­кул газа в про­стран­стве между элек­тро­да­ми вызывает

1) электрическое на­пря­же­ние между электродами

2) тепловое све­че­ние анода

3) удары мо­ле­кул газа электронами, ис­пус­ка­е­мы­ми катодом

4) электрический ток, про­хо­дя­щий через элек­тро­ды при их соединении

Из тек­ста мы видим, что иони­за­цию молекул газа в про­стран­стве между элек­тро­да­ми вызывают сво­и­ми ударами электроны,испускаемые ка­то­дом дуги.

Учебные материалы

Электрическая дуга – это мощный, длительно существующий между находящимися под напряжением электродами, электрический разряд в сильно ионизированной смеси газов и паров. Характеризуется высокой температурой газов и большим током в зоне разряда.

Электроды подключаются к источникам переменного (сварочный трансформатор) или постоянного тока (сварочный генератор или выпрямитель) при прямой и обратной полярности.

При сварке постоянным током электрод подсоединенный к положительному полюсу называется анодом, а к отрицательному – катодом. Промежуток между электродами называется областью дугового промежутка или дуговым промежутком (рисунок 3.4). Дуговой промежуток обычно разделяют на 3 характерные области:

  1. анодная область, примыкающая к аноду;
  2. катодная область;
  3. столб дуги.

Любое зажигание дуги начинается с короткого замыкания, т.е. с замыкания электрода с изделием. При этом Uд = 0, а ток Imax = Iкор.замык. В месте замыкания появляется катодное пятно, которое является непременным (необходимым) условием существования дугового разряда. Образующийся жидкий металл при отводе электрода растягивается, перегревается и температура достигает, до температуры кипения – возбуждается (зажигается) дуга.

Зажигание дуги можно производить и без соприкосновения электродов за счет ионизации, т.е. пробоя диэлектрического воздушного (газового) промежутка за счет повышения напряжения осцилляторами (аргонодуговая сварка).

Дуговой промежуток является диэлектрической средой, которое необходимо ионизировать.

Для существования дугового разряда достаточно Uд = 16÷60 В. Прохождение электрического тока через воздушный (дуговой) промежуток возможно только при наличии в нем электронов (элементарных отрицательных частиц) и ионов: положительные (+) ионы – все молекулы и атомы элементов (легче образуют металлы Ме); отрицательные (–) ионы – легче образуют F, Cr, N2, O2 и другие элементы обладающие сродством к электронам е.

Рисунок 3.4 – Схема горения дуги

Катодная область дуги является источником электронов, ионизирующих газы в дуговом промежутке. Электроны выделившиеся из катода ускоряются электрическим полем и удаляются от катода. Одновременно под воздействием этого поля к катоду направляются +ионы:

Анодная область имеет значительно больший объем Ua Qк; Ua при требовании большого количества тепла для прогрева кромок больших толщин металла применяется прямая полярность (например, при наплавке);

  • при тонкостенных и не допускающих перегрева свариваемых металлов обратная полярность (+ на электроде).
  • §92. Электрическая дуга и методы ее гашения

    Физические основы горения дуги. 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.

    Для ионизации и образования дуги необходимо, чтобы напряжение между контактами было примерно 15—30 В и ток цепи 80—100 мА.

    При ионизации пространства между контактами заполняющие его атомы газа (воздуха) распадаются на заряженные частицы — электроны и положительные ионы. Поток электронов, излучаемых с поверхности контакта, находящегося под отрицательным потенциалом (катода), движется по направлению к положительно заряженному контакту (аноду); поток же положительных ионов движется к катоду (рис. 303,а).

    Главными носителями тока в дуге являются электроны, так как положительные ионы, имея большую массу, движутся значительно медленнее электронов и переносят поэтому в единицу времени 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. Это явление называется автоэлектронной эмиссией (рис. 303,б). Кроме того, положительные ионы непрерывно бомбардируют катод и отдают ему свою энергию, которая переходит в тепло; при этом температура катода достигает 3000—5000 °С.

    При увеличении 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. 303, 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 электронов и положительных ионов 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 друг с другом 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 электроноз и ионов из межэлектродного пространства — происходит его деионизация. Если рекомбинация осуществляется на стенке камеры, то она сопровождается выделением энергии в виде тепла; при рекомбинации в межэлектродном пространстве энергия выделяется в виде излучения.

    Рис. 303. Направление движения электронов и положительных ионов в электрической дуге (о), возникновение автоэлектронной эмиссии из катода (б) и ударной ионизации атомов газа в пространстве между контактами (в): 1,2 — первичные и вторичный электроны; 3— атом газа; 4 — положительный ион

    При соприкосновении со стенками камеры, в которой находятся контакты, дуга охлаждается, что. приводит к усилению деиони-зации. Деионизация происходит также в результате движения заряженных частиц из центральных областей дуги с более высокой концентрацией в периферийные области с низкой концентрацией. Этот процесс называется диффузией электронов и положительных ионов.

    Зону горения дуги условно делят на три участка: катодную зону, ствол дуги и анодную зону. 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 компенсирует суммарный отрицательный заряд 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 ее 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.

    Зависимость падения напряжения Uдг, действующего между контактами, от тока I, проходящего через электрическую дугу, называется вольт-амперной характеристикой дуги (рис. 304,а). Напряжение Uз, при котором возможно зажигание дуги при токе I = 0, называется напряжением зажигания. Значение напряжения зажигания определяется материалом контактов, расстоянием между ними, температурой и окружающей средой. После возникновения

    Рис. 304. Вольт-амперные характеристики дуги постоянного тока (а) и кривые изменения напряжения и тока (б) при горении дуги переменного тока

    электрической дуги ее ток увеличивается до значения, близкого к току нагрузки, который протекал через контакты до отключения. При этом сопротивление межконтактного промежутка падает быстрее, чем увеличивается ток, что приводит к уменьшению падения напряжения Uдг. Режим горения дуги, соответствующий кривой а, называется статическим.

    При снижении тока до нуля процесс соответствует кривой b и дуга прекращается при меньшем падении напряжения, чем напряжение зажигания. Напряжение Uг, при котором дуга гаснет, называют напряжением гашения. Оно всегда меньше напряжения зажигания вследствие повышения температуры контактов и увеличения проводимости межконтактного промежутка. Чем больше скорость снижения тока, тем меньше напряжение гашения дуги в момент прекращения тока. Вольт-амперные характеристики b и с соответствуют снижению тока с различной скоростью (для кривой с больше, чем для кривой b), а прямая d соответствует практически мгновенному снижению тока. Такой характер вольт-амперных характеристик объясняется тем, что при быстром изменении тока ионизационное состояние межконтактного промежутка не успевает следовать за изменением тока. Для деионизации промежутка требуется определенное время, и поэтому, несмотря на то, что ток в дуге упал, проводимость промежутка осталась прежней, соответствующей большому току.

    Вольт-амперные характеристики b — d, полученные при быстром изменении тока до нуля, называются динамическими. Для каждого межконтактного промежутка, материала электродов и среды имеются одна статическая характеристика дуги и множество динамических, заключенных между кривыми а и d.

    При горении дуги переменного тока в течение каждого полупериода имеют место такие же физические процессы, что и в дуге постоянного тока. В начале полупериода напряжение на дуге возрастает по синусоидальному закону до значения напряжения зажигания Uз — участок 0—а (рис. 304,б), а затем после возникновения дуги падает по мере возрастания тока — участок а — b. Во вторую часть полупериода, когда ток начинает снижаться, напряжение на дуге вновь возрастает до значения напряжения гашения Uг при спаде тока до нуля — участок b — с.

    В течение следующего полупериода напряжение меняет знак и по синусоидальному закону возрастает до значения напряжения зажигания, соответствующего точке а’ вольт-амперной характеристики. По мере роста тока напряжение снижается, а затем вновь повышается при снижении тока. Кривая напряжения дуги, как видно из рис. 304, б, имеет форму срезанной синусоиды. Процесс деионизации заряженных частиц в промежутке между контактами продолжается лишь незначительную долю периода (участки 0 — а и с —а’) и, как правило, за это время не заканчивается, в результате чего дуга возникает снова. Окончательное гашение дуги будет иметь место только после ряда повторных зажиганий во время одного из последующих переходов тока через нуль.

    Возобновление дуги после перехода тока через нуль объясняется тем, что после спада тока к нулевому значению ионизация, существующая в стволе дуги, исчезнет не сразу, так как она зависит от температуры плазмы в остаточном стволе дуги. По мере уменьшения температуры возрастает электрическая прочность межконтактного промежутка. Однако если в какой-то момент времени мгновенное значение приложенного напряжения будет больше пробивного напряжения промежутка, то произойдет его пробой, возникнет дуга и потечет ток другой полярности.

    Условия гашения дуги. Условия гашения дуги постоянного тока зависят не только от ее вольт-амперной характеристики, но и от параметров электрической цепи (напряжение, ток, сопротивление и индуктивность), которую включают и отключают контакты аппарата. На рис. 305, а показана вольт-амперная характеристика дуги

    Рис. 305. Вольт-амперные характеристики дуги при устойчивом горении (а) и гашении (б)

    (кривая 1) и зависимость падения напряжения на резисторе R, включенном в данную цепь (прямая 2). В установившемся режиме напряжение Uи источника тока равно сумме падений напряжения в дуге Uдг и IR на резисторе R. При изменении тока в цепи к ним добавляется э. д. с. самоиндукции ±eL (изображена заштрихованными ординатами). Длительное горение дуги возможно только в режимах, соответствующих точкам А и В, когда напряжение Uи — IR, приложенное к промежутку между контактами, равно падению напряжения Uдг. При этом в режиме, соответствующем точке А, горение дуги неустойчиво. Если при горении дуги в этой точке характеристики ток по каким-то причинам увеличился, то напряжение Uдг станет меньше приложенного напряжения Uи — IR. Избыток приложенного напряжения вызовет увеличение тока, который будет расти до тех пор, пока не достигнет значения Iв.

    Если в режиме, соответствующем точке А, ток уменьшится, приложенное напряжение Uи — IR станет меньше Uдг и ток будет продолжать уменьшаться, пока дуга не погаснет. В режиме, соответствующем точке В, дуга горит устойчиво. При увеличении тока свыше Iв падение напряжения в дуге Uдг станет больше приложенного напряжения Uи — IR и ток начнет уменьшаться. Когда ток в цепи станет меньше Iв, приложенное напряжение Uи — IR станет больше Uдг и ток начнет увеличиваться.

    Очевидно, чтобы обеспечить гашение дуги во всем заданном диапазоне изменения тока I от наибольшего значения до нуля при отключении цепи, нужно, чтобы вольт-амперная характеристика 1 располагалась выше прямой 2 для отключаемой цепи (рис. 305,б). При этом условии падение напряжения в дуге Uдг будет всегда больше приложенного к ней напряжения Uи — IR и ток в цепи будет уменьшаться.

    Основным средством повышения падения напряжения в дуге является увеличение длины дуги. При размыкании цепей низкого напряжения со сравнительно небольшими токами гашение обеспечивается соответствующим выбором раствора контактов, между которыми возникает дуга. В этом случае дуга гаснет без каких-либо дополнительных устройств.

    Для контактов, разрывающих силовые цепи, необходимая для гашения длина дуги настолько велика, что практически осуществить такой раствор контактов уже не представляется возможным. В таких электрических аппаратах устанавливают специальные дугогасительные устройства.

    Дугогасительные устройства. Способы гашения дуги могут быть различные, но все они основываются на следующих принципах: принудительное удлинение дуги; охлаждение межконтактного промежутка посредством воздуха, паров или газов; разделение дуги на ряд отдельных коротких дуг.

    При удлинении дуги и удалении ее от контактов происходит увеличение падения напряжения в столбе дуги и напряжение, приложенное к контактам, становится недостаточным для поддержания дуги.

    Рис. 306. Дугогасительное устройство с защитными рогами (а) и гашение дуги (б)

    Охлаждение межконтактного промежутка вызывает повышенную теплоотдачу столба дуги в окружающее пространство, вследствие чего заряженные частицы, перемещаясь из внутренней части дуги на ее поверхность, ускоряют процесс деионизации.

    Разделение дуги на ряд отдельных коротких дуг приводит к повышению суммарного падения напряжения в них и приложенное к контактам напряжение становится недостаточным для устойчивого поддерживания дуги, поэтому происходит ее гашение.

    Принцип гашения путем удлинения дуги используется в аппаратах с защитными рогами и в рубильниках. Электрическая дуга, возникающая между контактами 1 и 2 (рис. 306, а) при их размыкании, поднимается вверх под действием силы FB, создаваемой потоком нагретого ею воздуха, растягивается и удлиняется на расходящихся неподвижных, рогах, что приводит к ее гашению. Удлинению и гашению дуги способствует также электродинамическое усилие создаваемое в результате взаимодействия тока дуги с возникающим вокруг нее магнитным полем. При этом дуга ведет себя как проводник с током, находящийся в магнитном поле (рис. 307, а), которое, как было показано в главе III, стремится вытолкнуть его из пределов поля.

    Для увеличения электродинамического усилия Fэ, действующего на дугу, в цепь одного из контактов 1 в ряде случаев включают специальную дугогасительную катушку 2 (рис. 307,б), создающую в зоне дугообразования сильное магнитное поле, маг-

    Рис. 307. Принцип магнитного дутья (а) и дугогасительное устройство с дугогасительной катушкой (б)

    Рис. 308. Дугогасительные камеры

    нитный поток которого Ф, взаимодействуя с током I дуги, обеспечивает интенсивное выдувание и гашение дуги. Быстрое перемещение дуги по рогам 3, 4 вызывает ее интенсивное охлаждение, что также способствует ее деионизации в камере 5 и гашению.

    В некоторых аппаратах применяют методы принудительного охлаждения и растягивания дуги сжатым воздухом или другим газом.

    При размыкании контактов 1 и 2 (см. рис. 306, б) возникшая дуга охлаждается и выдувается из зоны контактов струей сжатого воздуха или газа с силой FB.

    Эффективным средством охлаждения электрической дуги с последующим ее гашением являются дугогасительные камеры различной конструкции (рис. 308). Электрическая дуга под действием магнитного поля, потока воздуха или иными средствами загоняется в узкие щели или лабиринт камеры (рис. 308, а и б), где она тесно соприкасается с ее стенками 1, перегородками 2, отдает им тепло и гаснет. Широкое применение в электрических аппаратах э. п. с. находят лабиринтно-щелевые камеры, где дуга удлиняется не только путем растягивания между контактами, но и путем ее зигзагообразного искривления между перегородками камеры (рис. 308, в). Узкая щель 3 между стенками камеры способствует охлаждению и деионизации дуги.

    К дугогасительным устройствам, действие которых основано на разделении дуги на ряд коротких дуг, относят деионную решетку (рис. 309, а), встроенную внутрь дугогасительной камеры.

    Деионная решетка представляет собой набор ряда отдельных стальных пластин 3, изолированных друг относительно друга. Электрическая дуга, возникшая между размыкающимися контактами 1 и 2, разделяется решеткой на ряд более коротких дуг, соединенных последовательно. Для поддержания горения дуги без ее разделения требуется напряжение U, равное сумме околоэлектродного (анодного и катодного) падения напряжения Uэ и падения напряжения в столбе дуги Uст.

    При разделении одной дуги на п коротких дуг суммарное падение напряжения в столбе всех коротких дуг по-прежнему будет равно nUэ как и у одной общей дуги, но суммарное околоэлектродное падение напряжения во всех дугах будет равно nUэ. Поэтому для поддержания горения дуги в этом случае потребуется напряжение

    Число дуг n равно числу пластин решетки и может быть выбрано таким, чтобы возможность устойчивого горения дуги при данном напряжении U была полностью исключена. Действие такого принципа гашения эффективно как при постоянном, так и при переменном токе. При переходе переменного тока через нулевое значение для поддержания дуги требуется напряжение 150—250 В. В связи с этим число пластин может быть выбрано значительно меньшим, чем при постоянном токе.

    В плавких предохранителях с заполнителем при плавлении вставки и возникновении электрической дуги вследствие повышенного давления газов в патроне ионизированные частицы перемещаются в поперечном направлении. При этом они попадают между зернами заполнителя, остывают и деионизируются. Зерна заполнителя, передвигаясь под действием избыточного давления, разбивают дугу на большое число микродуг, чем и обеспечивается их гашение.

    В предохранителях без заполнителя нередко корпус делают из материала, обильно выделяющего газ при нагревании. К таким материалам относится, например, фибра. При соприкосновении с дугой корпус нагревается и выделяет газ, способствующий гашению дуги. Аналогично гасится дуга в масляных выключателях переменного тока (рис. 309, б) с той лишь разницей, что вместо сухого заполнителя здесь используется негорючее масло. При возникновении дуги в момент размыкания подвижных 1, 3 и неподвижного 2 контактов ее гашение происходит под действием двух факторов: выделения большого количества водорода, не поддерживающего горение (в применяемом для этой цели масле содержание водорода 70—75 %), и интенсивного охлаждения дуги маслом вследствие его высокой теплоемкости. Дуга гаснет в момент, когда ток равен нулю. Масло не только способствует ускоренному гашению дуги, но и служит изоляцией токоведущих и заземленных частей конструкции. Для гашения дуги в цепи постоянного тока масло не применяют, так как под действием дуги оно быстро разлагается и теряет свои изоляционные качества.

    В современных электрических аппаратах гашение дуги часто осуществляется путем сочетания двух или нескольких рассмотрен-

    Рис. 309. Гашение дуги в деионной решетке (а) и в масле (б)

    Рис. 310. Кривая изменения тока при отключении аварийного тока автоматическим выключателем

    ных выше способов (например, с помощью дугогасительной катушки, защитных рогов и деионной решетки).

    Условия гашения электрической дуги определяют отключающую способность защитных аппаратов. Она характеризуется наибольшим током, который может отключить аппарат с определенным временем гашения дуги.

    При коротком замыкании электрической цепи, подключенной к источнику электрической энергии, ток в цепи возрастает по кривой 1 (рис. 310). В момент t1, когда он достигает значения, на которое отрегулирован защитный аппарат (тока уставки Iу), аппарат срабатывает и отключает защищаемую цепь, вследствие чего ток уменьшается по кривой 2.

    Время, отсчитываемое от момента подачи сигнала на отключение (или включение) аппарата до момента начала размыкания (или замыкания) контактов, называют собственным временем срабатывания аппарата tс. При отключении момент начала размыкания контактов соответствует возникновению дуги между расходящимися контактами. В автоматических выключателях это время измеряется от момента достижения током значения уставки t1 до момента появления дуги между контактами t2. Временем горения дуги tдг называется время от момента появления дуги t2 до момента прекращения прохождения тока t3. Полное время отключения tп представляет собой сумму собственного времени и времени горения дуги.

    Определение сварочной дуги, ее строение, условия зажигания и горения

    Определение сварочной дуги, ее строение, условия зажигания и горения

    Электрической сварочной дугой называют устойчивый электрический разряд в сильно ионизированной смеси газов и паров материалов, происходящий при давлении, близком к атмосферному, используемом при сварке, и характеризуемый высокой плотностью тока и высокой температурой.

    Температура в столбе сварочной дуги достигает 5 000–12000 °C и зависит от плотности тока, состава газовой среды дуги, материала и диаметра электрода. А потому сварочная дуга является мощным концентрированным источником теплоты. Электрическая энергия, потребляемая дугой, в основном превращается в тепловую энергию.

    В столбе сварочной дуги протекают следующие процессы:

    1. Столб дуги заполнен заряженными частицами – электронами и ионами. В нем присутствуют также и нейтральные частицы – атомы и даже молекулы паров веществ, из которых сделаны электроды. Под действием электродинамических сил частицы перемещаются. Скорость их перемещения различна. Быстрее всего перемещаются электроны. Они легко разгоняются и, сталкиваясь с атомами и ионами, передают им свою энергию. Столкновения электронов с атомами могут быть упругими и неупругими. При упругих столкновениях атомы начинают двигаться быстрее – увеличивается их кинетическая энергия. В результате повышается температура плазмы дуги.

    2. Электрон, который в электрическом поле приобрел достаточно большую энергию, является источником неупругих столкновений. Столкнувшись с атомом, он возбуждает его, а когда удар достаточно силен, то и выбивает из атома его собственные электроны.

    Энергию, которая должна быть сообщена электрону для ионизации какого-либо атома, выражают в электронвольтах (эВ) и называют потенциалом ионизации. Величина потенциала ионизации зависит от строения атома. Чем меньше номер группы и больше номер периода в таблице элементов Менделеева, тем меньше энергии необходимо затратить для ионизации. Наименьшим потенциалом ионизации (3,9 эВ) обладает атом цезия, поскольку он самый тяжелый из всех щелочных металлов. Самый легкий из инертных газов – элемент последней, нулевой группы – гелий обладает наивысшим потенциалом ионизации (24,5 эВ).

    Энергия, расходуемая на диссоциацию (разделение) различных молекул, также различна. Так, например, для диссоциации молекулы водорода необходимо затратить 4,48 эВ, фтора – 1,6 эВ, а углекислого газа – 9,7 эВ. Эти величины имеют для сварщиков особое значение. При разработке электродных покрытий, флюсов и проволок приходится учитывать, молекулы каких веществ диссоциируют раньше, а каких – позже, какие элементы ионизируются легче, а какие – труднее, и сколько для этого потребуется энергии.

    В зависимости от числа электродов и способов включения электродов и свариваемой детали в электрическую цепь различают следующие виды сварочных дуг (рис. 46):

    1. Прямого действия, когда дуга горит между электродом и изделием.

    2. Косвенного действия, когда дуга горит между двумя электродами, а свариваемое изделие не включено в электрическую цепь.

    3. Трехфазную дугу, возбуждаемую между двумя электродами, а также между каждым электродом и основным металлом.

    Рис. 46.

    Виды сварочных дуг:

    а – прямого; б – косвенного; в – комбинированного действия (трехфазная)

    По роду тока различают дуги, питаемые переменным и постоянным током. При использовании постоянного тока различают сварку на прямой и обратной полярности.

    При прямой полярности электрод подключается к отрицательному полюсу и служит катодом, а изделие – к положительному полюсу и служит анодом.

    При обратной полярности электрод подключается к положительному полюсу и служит анодом, а изделие – к отрицательному и служит катодом.

    В зависимости от материала электрода различают дуги между неплавящимися электродами (угольными, вольфрамовыми) и плавящимися металлическими электродами.

    Сварочная дуга обладает рядом физических и технологических свойств, от которых зависит эффективность использования дуги при сварке.

    К физическим свойствам относятся электрические, электромагнитные, кинетические, температурные, световые.

    К технологическим свойствам относятся мощность дуги, пространственная устойчивость, саморегулирование.

    Электрическим разрядом в газе называют электрический ток, проходящий через газовую среду благодаря наличию в ней свободных электронов, а также отрицательных и положительных ионов, способных перемещаться между электродами под действием приложенного электрического поля (разности потенциалов между электродами.

    Сварка дугой переменного тока имеет некоторые особенности. Вследствие того, что мгновенные значения тока переходят через нуль 100 раз в 1 с, меняет свое положение катодное пятно, являющееся источником электронов, ионизация дугового промежутка менее стабильна и сварочная дуга менее устойчива по сравнению с дугой постоянного тока.

    Общепринятой мерой повышения стабилизации сварочной дуги переменного тока является включение в сварочную цепь последовательно с дугой индуктивного сопротивления. Последовательное включение в сварочную цепь катушек со стальным сердечником (дросселей) позволяет вести сварочные работы металлическими электродами на переменном токе при напряжении сварочного трансформатора 60–65 В.

    Процесс, при котором из нейтральных атомов и молекул образуются положительные и отрицательные ионы, называют ионизацией. При обычных температурах ионизацию можно вызвать, если уже имеющимся в газе электронам и ионам сообщить при помощи электрического поля большие скорости. Обладая большой энергией, эти частицы могут разбивать нейтральные атомы и молекулы на ионы. Кроме того, ионизацию можно вызвать световыми, ультрафиолетовыми, рентгеновскими лучами, а также излучением радиоактивных веществ.

    В обычных условиях воздух, как и все газы, обладает весьма слабой электропроводностью. Это объясняется малой концентрацией свободных электронов и ионов в газах. Поэтому, чтобы вызвать в газе мощный электрический ток, т. е. образовать электрическую дугу, необходимо ионизировать воздушный промежуток (или другую газообразную среду) между электродами.

    Ионизацию можно произвести, если приложить к электродам достаточно высокое напряжение, тогда имеющиеся в газе свободные электроны и ионы будут разгоняться электрическим полем и, получив энергию, смогут разбить нейтральные молекулы на ионы.

    Однако при сварке, исходя из правил техники безопасности, нельзя пользоваться высокими напряжениями. Поэтому применяют другой способ. Так как в металлах имеется большая концентрация свободных электронов, то надо извлечь эти электроны из объема металла в газовую среду и затем использовать для ионизации молекул газа.

    Существует несколько способов извлечения электронов из металлов. Из них для процесса сварки имеют значения два: термоэлектронная и автоэлектронная эмиссии.

    Во время термоэлектронной эмиссии происходит «испарение» свободных электронов с поверхности металла благодаря высокой температуре. Чем выше температура металла, тем большее число свободных электронов приобретают энергии, достаточные для преодоления «потенциального барьера» в поверхностном слое и выхода из металла.

    Во время автоэлектронной эмиссии извлечение электронов из металла производится при помощи внешнего электрического поля, которое несколько изменяет потенциальный барьер у поверхности металла и облегчает выход тех электронов, которые внутри металла имеют достаточно большую энергию и могут преодолеть этот барьер.

    Ионизацию, вызванную в некотором объеме газовой среды, принято называть объемной.

    Объемная ионизация, полученная благодаря нагреванию газа до очень высоких температур, называется термической. При высоких температурах значительная часть молекул газа обладает достаточной энергией для того, чтобы при столкновениях могло произойти разбиение нейтральных молекул на ионы. Кроме того, с повышением температуры увеличивается общее число столкновений между молекулами газа. При очень высоких температурах в процессе ионизации начинает также играть заметную роль излучение газа и раскаленных электродов.

    Ионизация газовой среды характеризуется степенью ионизации, т. е. отношением числа заряженных частиц в данном объеме к первоначальному числу частиц (до начала ионизации). При полной ионизации степень ионизации будет равна единице.

    При температуре 6000–8000 °C такие вещества, как калий, натрий, кальций, обладают достаточно высокой степенью ионизации. Пары этих элементов, находясь в дуговом промежутке, обеспечивают легкость возбуждения и устойчивое горение дуги. Это свойство щелочных металлов объясняется тем, что атомы этих металлов обладают малым потенциалом ионизации. Поэтому для повышения устойчивости горения электрической дуги эти вещества вводят в зону дуги в виде электродных покрытий или флюсов.

    Электрическая дуга постоянного тока возбуждается при соприкосновении торца электрода и кромок свариваемой детали. Контакт в начальный момент осуществляется между микровыступами поверхностей электрода и свариваемой детали. Высокая плотность тока способствует мгновенному расплавлению этих выступов и образованию пленки жидкого металла, которая замыкает сварочную цепь на участке «электрод – свариваемая деталь». При последующем отводе электрода от поверхности детали на 2–4 мм пленка жидкого металла растягивается, а сечение уменьшается, вследствие чего возрастает плотность тока и повышается температура металла.

    Эти явления приводят к разрыву пленки и испарению вскипевшего металла. Возникшие при высокой температуре интенсивные термоэлектронная и автоэлектронная эмиссии обеспечивают ионизацию паров металла и газов межэлектродного промежутка. В образовавшейся ионизированной среде возникает электрическая сварочная дуга. Процесс возбуждения дуги кратковременен и осуществляется в течение долей секунды.

    В установившейся сварочной дуге различают три зоны: катодную, анодную и столба дуги.

    Катодная зона начинается с раскаленного торца катода, на котором расположено так называемое катодное пятно. Отсюда вылетает поток свободных электронов, осуществляющих ионизацию дугового промежутка. Плотность тока на катодном пятне достигает 60–70 А/мм 2 к катоду устремляются потоки положительных ионов, которые бомбардируют и отдают ему свою энергию, вызывая нагрев до температуры 2500–3000 °C.

    Анодная зона расположена у торца положительного электрода, в котором выделяется небольшой участок, называемый анодным пятном. К анодному пятну устремляются и отдают свою энергию потоки электронов, разогревая его до температуры 2500–4000 °C.

    Столб дуги, расположенный между катодной и анодной зонами, состоит из раскаленных ионизированных частиц. Температура в этой зоне достигает 6000–7000 °C в зависимости от плотности сварочного тока.

    Для возбуждения дуги в начальный момент необходимо несколько большее напряжение, чем при ее последующем горении. Это объясняется тем, что при возбуждении дуги воздушный зазор недостаточно нагрет, степень ионизации недостаточно высокая и необходимо большее напряжение, способное сообщить свободным электронам достаточно большую энергию, чтобы при их столкновении с атомами газового промежутка могла произойти ионизация.

    Увеличение концентрации свободных электронов в объеме дуги приводит к интенсивной ионизации дугового промежутка, а отсюда к повышению его электропроводности. Вследствие этого напряжение тока падает до значения, которое необходимо для устойчивого горения дуги. Зависимость напряжения дуги от тока в сварочной цепи называют статической вольт-амперной характеристикой дуги.

    Вольт-амперная характеристика дуги имеет три области: падающую, жесткую и возрастающую.

    В первой (до 100 А) с увеличением тока напряжение значительно уменьшается. Это происходит в связи с тем, что при повышении тока увеличивается поперечное сечение, а следовательно, и проводимость столба дуги.

    Во второй области (100–1000 А) при увеличении тока напряжение сохраняется постоянным, так как сечение столба дуги и площади анодного и катодного пятен увеличиваются пропорционально току. Область характеризуется постоянством плотности тока.

    Каждый электрик должен знать:  Тахогенераторы переменного тока

    В третьей области увеличение тока вызывает возрастание напряжения вследствие того, что увеличение плотности тока выше определенного значения не сопровождается увеличением катодного пятна ввиду ограниченности сечения электрода.

    Дуга первой области горит неустойчиво и поэтому имеет ограниченное применение. Дуга второй области горит устойчиво и обеспечивает нормальный процесс сварки.

    Необходимое напряжение для возбуждения дуги зависит от рода тока (постоянный или переменный), материала электрода и свариваемых кромок, дугового промежутка, покрытия электродов и ряда других факторов. Значения напряжений, обеспечивающих возникновение дуги в дуговых промежутках, равных 2–4 мм, находятся в пределах 40–70 В.

    Напряжение для установившейся сварочной дуги определяется по формуле:

    где: а – коэффициент, по своей физической сущности составляющий сумму падений напряжений в зонах катода и анода, В;

    b – коэффициент, выражающий среднее падение напряжения на единицу длины дуги, В/мм;

    1 – длина дуги, мм.

    Рис. 47.

    Схема сварочной дуги и падения напряжений в ней:

    1 – электрод; 2 – изделие; 3 – анодное пятно;

    4 – анодная область дуги; 5 – столб дуги;

    6 – катодная область дуги; 7 – катодное пятно

    Длиной дуги называется расстояние между торцом электрода и поверхностью сварочной ванны. Короткой дугой называют дугу длиной 2–4 мм. Длина нормальной дуги составляет 4–6 мм. Дугу длиной более 6 мм называют длинной.

    Оптимальный режим сварки обеспечивается при короткой дуге. При длинной дуге процесс протекает неравномерно, дуга горит неустойчиво – металл, проходя через дуговой промежуток, больше окисляется и азотируется, увеличиваются угар и разбрызгивание металла.

    При помощи магнитных полей, создаваемых вокруг дуги и в свариваемой детали, электрическая сварочная дуга может быть отклонена от своего нормального положения. Эти поля действуют на движущиеся заряженные частицы и тем самым оказывают воздействие на всю дугу. Такое явление называют магнитным дутьем. Воздействие магнитных полей на дугу прямо пропорционально квадрату силы тока и достигает заметного значения при сварочных токах более 300 А.

    Магнитные поля оказывают отклоняющее действие на дугу при неравномерном и несимметричном расположении поля относительно дуги. Наличие вблизи сварочной дуги значительных ферромагнитных масс нарушает симметричность магнитного поля дуги и вызывает отклонение дуги в сторону этих масс.

    В некоторых случаях магнитное дутье затрудняет процесс сварки, и поэтому принимаются меры по снижению его действия на дугу. К таким мерам относятся:

    • сварка короткой дугой;

    • подвод сварочного тока в точке, максимально близкой к дуге;

    • наклон электрода в сторону действия магнитного дутья;

    • размещение у места сварки ферромагнитных масс.

    При использовании переменного тока анодное и катодное пятна меняются местами с частотой, равной частоте тока. С течением времени напряжение и ток периодически изменяются от нулевого значения до наибольшего. При переходе значения тока через нуль и перемене полярности в начале и в конце каждого полупериода дуга гаснет, температура активных пятен и дугового промежутка снижается. Вследствие этого происходят деионизация газов и уменьшение электропроводности столба дуги. Интенсивнее падает температура активного пятна, расположенного на поверхности сварочной ванны, в связи с отводом теплоты в массу основного металла.

    Повторное зажигание дуги в начале каждого полупериода возможно только при повышенном напряжении, называемом пиком зажигания. При этом установлено, что пик зажигания несколько выше, когда катодное пятно находится на основном металле.

    Для облегчения повторного зажигания, снижения пика зажигания дуги и повышения устойчивости ее горения применяют меры, позволяющие снизить эффективный потенциал ионизации газов в дуге. В этом случае электропроводность дуги после ее угасания сохраняется дольше, пик зажигания снижается, дуга легче возбуждается и горит устойчивее.

    Применение различных стабилизирующих элементов (калий, натрий, кальций и др.), вводимых в зону дуги в виде электродных покрытий или в виде флюсов, относится к этим мерам.

    Электрическая дуга и электробезопасность

    • Опасности электрической дуги
    • СИЗ для электробезопасности
    • Травмы, вызванные вспышкой дуги
    • Правильные стратегии спасения
    • Постоянное обучение электробезопасности

    Одним из самых опасных элементов современных рабочих мест является большое количество электроэнергии, протекающей через него в любой момент времени. Все, от больших машин до небольших инструментов, использует электричество, и удивительно маленький ток может привести к серьезным травмам.

    В дополнение к элементам, которые используют электричество самостоятельно, есть также провода и линии высокого напряжения, которые проходят по всей территории. Хотя электрооборудование обычно работает без каких-либо проблем, они по-прежнему представляют собой серьезную опасность, которую необходимо понять.

    Опасности электрической дуги

    При изучении электрических опасностей наибольший риск возникает при появлении электрической дуги. Вспышка дуги возникает, когда электрический разряд, перемещается из одной области по воздуху к земле или другому месту.

    Причины электрической дуги

    Исправная машина минимизирует риск возникновения дуговой вспышки. Однако есть много вещей, которые могут привести к дуге. Понимание наиболее распространенные причины электрической дуги могут дать представление о том, как её предотвратить.

    Пыль. Пыльные участки могут обеспечить путь к низкому сопротивлению электричеству. Когда пыль густая в воздухе, риск возникновения дуги значительно возрастает. Устранение пыли (включая опилки) очень важно для обеспечения электробезопасности.

    Выпавшие предметы — при работе в электрической системе кто-то может вынуть инструмент или другой предмет на оборудование. Это может создать альтернативный путь для электричества, который может привести к дуговой вспышке. Это особенно опасно, если инструмент может проколоть, вырезать или иным образом повредить высоковольтную проводку.

    Люди, входящие в контакт с оборудованием — при выполнении работ по чистке, техническому обслуживанию, ремонту или другим задачам важно обеспечить, чтобы никто не контактировал с электрическими проводами или другими компонентами.


    Конденсация. Когда в воздухе имеется большая влажность, конденсация может образовываться на электрооборудовании и вокруг него. Вода может проводить электричество, которое может создать путь низкого сопротивления, что приведет к дуговой вспышке.

    Утечки воды. Подобно проблеме конденсации, если вода вытекает из трубы над электрической машиной, она может вызвать дуговую вспышку.

    Коррозия. Коррозия на проводах или других частях машины может привести может вызвать открытие защитных покрытий, в которых содержится электричество.

    Разрушение изоляции. Если провода перемещены, согнуты, на них наступили, это может привести к их разрыву.

    Неправильная установка. Если электрооборудование установлено неправильно, существует повышенный риск широкого спектра проблем, в том числе дуговой вспышки.

    СИЗ для электробезопасности

    Одна вещь, которую люди должны оставаться в безопасности от электричества (дуговая вспышка или нет), — это средства индивидуальной защиты. Любой сотрудник, который работает с электрооборудованием, должен быть обязан носить надлежащие СИЗ. Конкретный тип необходимого СИЗ будет зависеть от ряда факторов, включая риск травмирования, уровни напряжения электричества и близость к опасности.

    В некоторых случаях достаточно просто носить не проводящие перчатки. В областях, где существует более высокий уровень опасности, может понадобится носить костюм для всего тела, кожаную обувь, средства защиты глаз и многое другое. Купить костюм для защиты от термических рисков электрической дуги можно здесь http://legio.ua. Изучение различных видов средств индивидуальной защиты для электробезопасности является важной частью всех программ безопасности на объектах, где используется электрооборудование.

    Наличие личного защитного снаряжения для сотрудников — отличное начало. В дополнение к тому, чтобы оно было доступно, работодатели должны сделать обязательным, чтобы сотрудники использовали его надлежащим образом во многих ситуациях.

    Травмы, вызванные вспышкой дуги

    Когда люди думают о травмах, вызванных вспышкой дуги, они часто полагают, что электрошок — единственный риск. В то время как электрошока, безусловно, является главной опасностью, это действительно только начало потенциальных проблем. Ниже приведены некоторые из других способов, как электрическая дуга может нанести вред людям.

    Ожоги — Даже если дуга не вступает в непосредственный контакт с человеком, она все равно может причинить ожог. Температура дуговой вспышки может достигать 20 000 градусов по Цельсию, что может привести к серьезным ожогам.

    Огонь. Существует опасность попадания в огонь. Если в области есть какие-либо огнеопасные предметы, их следует удалить.

    Разлет предметов — дуговая вспышка может создавать много давления, которое может раскидать объекты по воздуху. Такие вещи, как расплавленный металл и части машин, могут стать очень опасными снарядами.

    Давление взрыва — давление от взрыва может достигать 2000 фунтов на квадратный фут. Это может подбросить людей в воздух. Это также то, что вызывает упомянутые выше снаряды.

    Слуховой ущерб — вспышки дуги очень громкие. Фактически, они могут достигать 140 дБ в некоторых случаях. Это примерно тот же уровень звука, что и выстрел пистолета. Так как это происходит быстро, это может нанести серьезный ущерб слуху тех, кто находится в этом районе.

    Тяжесть потенциальной травмы

    Существует много способов вспышки дуги, которые могут привести к травмам людей и окружающего объекта. Тяжесть травмы будет зависеть от ряда факторов. Понимание того, насколько опасна ситуация, может помочь учреждениям и сотрудникам правильно подготовиться при входе в зону, где возможна дуговая вспышка.

    Следующие факторы могут повлиять на то, насколько серьезной может быть травма:

    Электрический ток. Сила электричества, создающая дуговую вспышку, окажет существенное влияние на потенциальную травму. Чем выше ток, тем больше будет риска.

    Близость. Чем ближе кто-то к фактической вспышке дуги, тем больше опасности у них. Поэтому важно держать людей, которые не обучены и не подготовлены для работы с электрическим оборудованием, вдали от любой области, где есть потенциал для дуговой вспышки.

    Длина — дуговая вспышка обычно будет продолжаться до тех пор, пока цепь не разорвется. Когда автоматические выключатели работают правильно, это займет всего доли секунды. Однако даже небольшое увеличение длины дуговой вспышки может привести к увеличению вероятности травмы.

    Температура. Температура вспышки дуги также может вызывать повышенный риск ожогов и других травм.

    Окрестности. Объекты, находящиеся в районе, где происходит вспышка дуги, могут быть ключевым показателем того, насколько потенциально может быть травма. Если вокруг склада возникает вспышка дуги, эти объекты могут разлетаться по всему району, что приводит к серьезной травме.

    Область воздействия. Место на теле, в которое ударяет дуга, также влияет на потенциальную травму. В то время как само электричество может проходить через тело из любой точки входа, места, где он входит и выходит из организма, подвержены более сильным ожогам.

    Правила безопасности

    В то время как вспышки дуги являются наиболее опасной электрической опасностью, существует множество других рисков, связанных с работой вблизи электрических систем. Даже работа с оборудованием с низким напряжением ставит людей под угрозу серьезных травм, если они не будут осторожны.

    Внедрение стандартов электробезопасности в объекте является важным способом обеспечения безопасности сотрудников и минимизации риска повреждения объекта. Общая политика в области электробезопасности должна быть отдельной (хотя и связанной) с политикой безопасности дуговой вспышки, поскольку каждый из них требует другого подхода.

    Обучение сотрудников тому, как безопасно работать с электрическим оборудованием, может помочь снизить риск шока или поражения электрическим током. Даже работники, которые непосредственно не работают на большом электрооборудовании, могут получить по крайней мере некоторые базовые стандарты безопасности. Например, при работе с электрическим ручным инструментом важно избегать работы вблизи воды. Есть много других программ обучения электробезопасности, чтобы обеспечить сотрудников безопасностью.

    Осознание — один из лучших способов защитить людей при работе вблизи электрооборудования. Если есть высоковольтная машина, то может быть очень полезно размещать знаки безопасности, предупреждающие людей о ее присутствии.

    В зонах с ограниченным доступом из-за опасностей рекомендуется использовать напольную маркировочную ленту или другую визуальную маркировку, чтобы напомнить людям, что они не могут зайти в этот район без надлежащего одобрения, обучения и оборудования.

    Использование стратегий визуальной коммуникации — эффективный способ повышения безопасности любого объекта. Однако важно убедиться, что стратегия визуальной коммуникации хорошо спланирована и соответствует другим усилиям в области визуальной коммуникации.

    Правильные стратегии предотвращения опасности

    Если происходит вспышка дуги, люди часто испытывают желание спешить в этот район, чтобы помочь жертве. Это может привести к тому, что дополнительные люди получают травму. Вместо того, чтобы спешить, чтобы помочь, лучше подождать и подтвердить, что электричество было отключено, поэтому больше нет риска получения дополнительных травм.

    Постоянное обучение электробезопасности

    Такие вещи, как индивидуальное защитное снаряжение и удержание машин в хорошем рабочем состоянии, будут иметь большое значение для обеспечения безопасности объекта от электрических опасностей. Тем не менее, так как многие люди работают с электрооборудованием и вокруг него, важно также обеспечить всем сотрудникам уровень подготовки, необходимый для их работы.

    Электрикам понадобится обширная подготовка для правильной и безопасной работы с этим типом оборудования. К счастью, большинство электриков выходят на работу со знаниями и опытом, в которых они нуждаются.

    Генеральный обслуживающий персонал также будет тесно сотрудничать с электрооборудованием, но у них может не быть углубленного обучения электрика. Работодатели должны всегда предоставлять этому типу сотрудника подробное обучение, чтобы они знали, как правильно выполнять свою работу, не подвергая себя и других сотрудников повышенному риску.

    Другие сотрудники, которые обычно не имеют прямого воздействия на электрооборудование, должны по-прежнему получать как минимум базовый уровень обучения, чтобы они знали, как реагировать в чрезвычайных ситуациях. Есть много ресурсов для онлайн-обучения или личной подготовки по вопросам электробезопасности, доступных для сотрудников.

    Электрическая дуга

    Структура и характеристики электрической дуги

    Электрическая сварочная дуга – это длительный электрический разряд в плазме, которая представляет собой смесь ионизированных газов и паров компонентов защитной атмосферы, присадочного и основного металла.

    Дуга получила свое название от характерной формы, которую она принимает при горении между двумя горизонтально расположенными электродами; нагретые газы стремятся подняться вверх и этот электрический разряд изгибается, принимая форму арки или дуги.

    С практической точки зрения дугу можно рассматривать как газовый проводник, который преобразует электрическую энергию в тепловую. Она обеспечивает высокую интенсивность нагрева и легко управляема посредством электрических параметров.

    Общей характеристикой газов является то, что они в нормальных условиях не являются проводниками электрического тока. Однако, при благоприятных условиях (высокая температура и наличие внешнего электрического поля высокой напряженности) газы могут ионизироваться, т.е. их атомы или молекулы могут освобождать или, для электроотрицательных элементов наоборот, захватывать электроны, превращаясь соответственно в положительные или отрицательные ионы. Благодаря этим изменениям газы переходят в четвертое состояние вещества называемого плазмой, которая является электропроводной.

    Возбуждение сварочной дуги происходит в несколько этапов. Например, при сварке МИГ/МАГ, при соприкосновении конца электрода и свариваемой детали возникает контакт между микро выступами их поверхностей. Высокая плотность тока способствует быстрому расплавлению этих выступов и образованию прослойки жидкого металла, которая постоянно увеличивается в сторону электрода, и в конце концов разрывается.

    В момент разрыва перемычки происходит быстрое испарение металла, и разрядный промежуток заполняется ионами и электронами возникающими при этом. Благодаря тому, что к электроду и изделию приложено напряжение электроны и ионы начинают двигаться: электроны и отрицательно заряженные ионы — к аноду, а положительно заряженные ионы – к катоду, и таким образом возбуждается сварочная дуга. После возбуждения дуги концентрация свободных электронов и положительных ионов в дуговом промежутке продолжает увеличиваться, так как электроны на своем пути сталкиваются с атомами и молекулами и «выбивают» из них еще больше электронов (при этом атомы, потерявшие один и более электронов, становятся положительно заряженными ионами). Происходит интенсивная ионизация газа дугового промежутка и дуга приобретает характер устойчивого дугового разряда.

    Через несколько долей секунды после возбуждения дуги на основном металле начинает формироваться сварочная ванна, а на торце электрода – капля металла. И спустя еще примерно 50 – 100 миллисекунд устанавливается устойчивый перенос металла с торца электродной проволоки в сварочную ванну. Он может осуществляться либо каплями, свободно перелетающими дуговой промежуток, либо каплями, которые сначала образуют короткое замыкание, а затем перетекают в сварочную ванну.

    Электрические свойства дуги определяются процессами, протекающими в ее трех характерных зонах – столбе, а также в приэлектродных областях дуги (катодной и анодной), которые находятся между столбом дуги с одной стороны и электродом и изделием с другой.

    Для поддержания плазмы дуги при сварке плавящимся электродом достаточно обеспечить ток от 10 до 1000 ампер и приложить между электродом и изделием электрическое напряжение порядка 15 – 40 вольт. При этом падение напряжения на собственно столбе дуги не превысит нескольких вольт. Остальное напряжение падает на катодной и анодной областях дуги. Длина столба дуги в среднем достигает 10 мм, что соответствует примерно 99% длины дуги. Таким образом, напряженность электрического поля в столбе дуги лежит в пределах от0,1 до 1,0 В/мм. Катодная и анодная области, напротив, характеризуются очень короткой протяженностью (около 0.0001 мм для катодной области, что соответствует длине свободного пробега иона, и 0.001 мм для анодной, что соответствует длине свободного пробега электрона). Соответственно, эти области имеют очень высокую напряженность электрического поля (до 104 В/мм для катодной области и до 103 В/мм для анодной).

    Экспериментально установлено, что для случая сварки плавящимся электродом падение напряжения в катодной области превышает падение напряжения в анодной области: 12 – 20 В и 2 – 8 В соответственно. Учитывая то, что выделение тепла на объектах электрической цепи зависит от тока и напряжения, то становится понятным, что при сварке плавящимся электродом больше тепла выделяется, в той области, на которой падает больше напряжения, т.е. в катодной. Поэтому при сварке плавящимся электродом используется, в основном, обратная полярность подключения тока сварки, когда катодом служит изделие для обеспечения глубокого проплавления основного металла (при этом положительный полюс источника питания подключают к электроду). Прямую полярность используют иногда при выполнении наплавок (когда проплавление основного металла, напротив, желательно чтобы было минимальным).

    В условиях сварки ТИГ (сварка неплавящимся электродом) катодное падение напряжения, напротив, значительно ниже анодного падения напряжения и, соответственно, в этих условиях больше тепла выделяется уже на аноде. Поэтому при сварке неплавящимся электродом для обеспечения глубокого проплавления основного металла изделие подключают к положительной клемме источника питания (и оно становится анодом), а электрод подключают к отрицательной клемме (таким образом, обеспечивая еще и защиту электрода от перегрева).

    При этом, независимо от типа электрода (плавящийся или неплавящийся) тепло выделяется, в основном, в активных областях дуги (катодной и анодной), а не в столбе дуги. Это свойство дуги используется для того, чтобы плавить только те участки основного металла, на которые направляется дуга.

    Те части электродов, через которые проходит ток дуги, называют активными пятнами (на положительном электроде – анодным, а на отрицательном – катодным пятном). Катодное пятно является источником свободных электронов, которые способствуют ионизации дугового промежутка. В то же время к катоду устремляются потоки положительных ионов, которые его бомбардируют и передают ему свою кинетическую энергию. Температура на поверхности катода в области активного пятна при сварке плавящимся электродом достигает 2500 … 3000 °С.

    Строение дуги
    Lк — катодная область; Lа — анодная область (Lа = Lк = 10 -5 -10 -3 см); Lст — столб дуги; Lд — длина дуги; Lд = Lк + Lа + Lст

    К анодному пятну устремляются потоки электронов и отрицательно заряженных ионов, которые передают ему свою кинетическую энергию. Температура на поверхности анода в области активного пятна при сварке плавящимся электродом достигает 2500 … 4000°С. Температура столба дуги при сварке плавящимся электродом составляет от 7 000 до 18 000°С (для сравнения: температура плавления стали равна примерно 1500°С).

    Влияние на дугу магнитных полей

    При выполнении сварки на постоянном токе часто наблюдается такое явление как магнитное. Оно характеризуется следующими признаками:

    — столб сварочной дуги резко откланяется от нормального положения;
    — дуга горит неустойчиво, часто обрывается;
    — изменяется звук горения дуги — появляются хлопки.

    Магнитное дутье нарушает формирование шва и может способствовать появлению в шве таких дефектов как непровары и несплавления. Причиной возникновения магнитного дутья является взаимодействие магнитного поля сварочной дуги с другими расположенными близко магнитными полями или ферромагнитными массами.

    Столб сварочной дуги можно рассматривать как часть сварочной цепи в виде гибкого проводника, вокруг которого существует магнитное поле.

    В результате взаимодействия магнитного поля дуги и магнитного поля, возникающего в свариваемой детали при прохождении тока, сварочная дуга отклоняется в сторону противоположную месту подключению токопровода.

    Влияние ферромагнитных масс на отклонение дуги обусловлено тем, что вследствие большой разницы в сопротивлении прохождению магнитных силовых линий поля дуги через воздух и через ферромагнитные материалы (железо и его сплавы) магнитное поле оказывается более сгущенным со стороны противоположной расположению массы, поэтому столб дуги смещается в сторону ферромагнитного тела.

    Магнитное поле сварочной дуги увеличивается с увеличением сварочного тока. Поэтому действие магнитного дутья чаще проявляется при сварке на повышенных режимах.

    Уменьшить влияние магнитного дутья на сварочный процесс можно:

    — выполнением сварки короткой дугой;
    — наклоном электрода таким образом, чтобы его торец был направлен в сторону действия магнитного дутья;
    — подведением токоподвода ближе к дуге.

    Уменьшить эффект магнитного дутья можно также заменой постоянного сварочного тока на переменный, при котором магнитное дутье проявляется значительно меньше. Однако необходимо помнить, что дуга переменного тока менее стабильна, так как из-за смены полярности она погасает и зажигается вновь 100 раз в секунду. Для того, чтобы дуга переменного тока горела стабильно необходимо использовать стабилизаторы дуги (легкоионизируемые элементы), которые вводят, например, в покрытие электродов или во флюс.

    Что такое электрическая дуга определение. Вольтова дуга — определение, возникновение и характеристики

    Наш сайт сварак.ру публикует сатью по данной теме. Впервые явление вольтовой дуги наблюдал русский академик Петров, получив искровой разряд.

    Вольтова дуга характеризуется двумя свойствами:

    • выделением большого количества теплоты
    • сильным лучеиспусканием.

    И то и другое свойство электрической дуги использовано в технике.

    Для сварочной техники первое свойство является- положи-тельным фактором, второе — отрицательным.

    В качестве электропроводов для электрического разряда могут служить любые электропроводные материалы. Чаще всего в качестве проводников употребляют угольные и графитные стержни круглого сечения (дуговые фонари).

    Типичный вариант между двумя углями изображена на рисунке.

    Верхний электрод присоединен к положительному полюсу машины (анод). Второй уголь соединен с отрицательным полюсом (катод).

    Электрическая сварочная дуга

    Температура электрической дуги, ее воздействие.

    Выделение теплоты неодинаково в различных точках дуги. У положительного электрода выделяется 43% всего количества, у отрицательного 36% и в самой дуге (между электродами) остальные 21%.

    Схема зон и их температуры в сварочной дуге

    В связи с этим и температура на электродах неодинакова. Анод имеет около 4000° С , а катод 3400°. В среднем считают температуру электрической дуги 3500° С.

    Благодаря различной температуре на полюсах вольтовой дуги угольные проводники

    берутся различной толщины. Положительный уголь берется толще, отрицательный —

    тоньше. Стержень дуги (средняя часть) состоит из потока электронов, выбрасываемых катодом, которые с огромной скоростью несутся к аноду. Обладая большой кинетической энергией, они ударяются о поверхность анода, преобразуя кинетическую энергию в тепловую.

    Окружающий его зеленоватый ореол является местом химических реакций, происходящих между парами вещества электродов и атмосферой, в которой горит вольтова дуга.

    Процесс возникновения сварочной дуги

    Возникновение электрической дуги

    Процесс образования вольтовой дуги представляется в следующем виде. В момент соприкосновения электродов проходящий ток выделяет большое количество тепла в месте стыка, так как здесь имеется большое электрическое сопротивление (закон Джоуля).

    Благодаря этому концы проводников раскаляются до светлого накала, и после разъединения электродов катод начинает испускать электроны, которые, пролетая через воздушный промежуток между электродами, расщепляют молекулы воздуха на положительно и отрицательно заряженные частички (катионы и» а н и о н ы).

    Вследствие этого воздух становится электропроводным.

    В сварочной технике наибольшее применение имеет разряд между металлическими электродами, причем одним электродом являйся металлический стержень, который в то же время служит и присадочным материалом, а вторым электродом является сама свариваемая деталь.

    Процесс остается тот же, что и в случае угольных электродов, но здесь появляется новый фактор. Если в угольной дуге проводники постепенно испарялись (сгорали), то в металлической дуге электроды весьма интенсивно плавятся и частично испаряются. Благодаря наличию металлических паров между электродами сопротивление (электрическое) металлической дуги ниже, чем угольной.

    Угольный разряд горит при напряжении в среднем 40-60 в, тогда как напряжение металлической дуги в среднем 18-22 в (при длине 3 мм).

    Длина дуги, кратер, провар.

    Сам процесс дуговой электросварки протекает следующим образом.

    Как только мы коснемся находящимся под напряжением электродом изделия и тотчас же отведем его на некоторое расстояние, образуется вольтова дуга и сейчас же начинается плавление основного металла и металла проводника. Следовательно, конец электрода все время находится в расплавленном состоянии, и жидкий металл с него в виде капель переходит на свариваемый шов, где металл электрода смешивается с расплавленным металлом свариваемого изделия.

    Исследования показали, что таких капель переходит, с электрода около 20-30 в секунду, т. е. процесс этот совершается очень быстро.

    Хотя вольтова дуга и развивает очень высокую температуру, выделение тепла ею производится на очень небольшом пространстве как раз под дугой.

    Схема длинны дуги

    Если мы будем рассматривать через темные стекла дугу, возбужденную металлическим электродом, то убедимся, что в месте образования дуги между электродом и основным металлом на основном металле выделяется добела нагретая поверхность, которая непосредственно под дутой имеет вид углубления, заполненного жидким металлом. Получается такое впечатление, что это углубление образовано как бы выдуванием жидкого металла дугой. Это углубление называется сварочной ванной. Она окружена металлом, нагретым до белого каления, причем температура нагрева области, прилегающей, быстро падает до красного цвета и уже на небольшом расстоянии, величина которой колеблется в зависимости от диаметра электрода и силы тока, температура сравнивается с температурой самого свариваемого предмета.

    Хорошая и плохая сварочная дуга, как отличить? Полезные советы.

    Расстояние между концом электрода и дном ванны, т. е. поверхностью расплавленного металла, называется длиной дуги. Эта величина имеет очень большое значение в технике сварки. Для получения хорошей сварки необходимо длину дуги брать как можно меньше, т. е. держать дугу короче, причем длина ее не должна превосходить 3-4 мм. Конечно, длина дуги не является величиной постоянной, так как конец электрода все время плавится и, следовательно, расстояние между ним и кратером увеличивалось бы; если бы электрод держать неподвижно до тех пор, пока связь не оборвалась. Поэтому при сварке необходимо все время электрод приближать по мере его плавления к основному металлу, чтобы поддержать длину дуги приблизительно постоянной в пределах 2-4 мм.

    Необходимость поддержать короткую дугу (т. е. не длиннее 3-4 мм) вызывается тем, что расплавленный металл электрода поглощает при своем переходе с электрода в кратер кислород и азот из окружающего дугу воздуха, что ухудшает его механические качества (относительное удлинение и сопротивление удару). Понятно, что вредное действие воздуха будет тем меньше, чем меньше времени жидкий металл будет проходить через воздух.

    Короткая:

    При короткой дуге это время будет меньше, чем при длинной и, следовательно, металл электрода не успеет поглотить столько кислорода и азота, сколько могли бы, проходя большой путь из-за длинной дуги. Так как стремление каждого сварщика должно всегда заключаться в том, чтобы получить наилучший по своим качествам шов, то поэтому подержанно короткой дуги является Обязательным условием хорошей сварки. Короткую дугу можно отличить не только по виду, но также и по слуху, так как короткая дуга издает характерное сухое потрескивание, напоминающее по звуку треск масла, вылитого на раскаленную сковороду. Этот звук короткой дуги каждый сварщик должен хорошо знать.

    Длинная:

    При длинной дуге (т. е. при длине больше 4 мм) мы никогда не получим хорошего шва. Не говоря уже о том, что при длинной дуге будет происходить сильное окисление металла шва, сам шов также имеет очень неровный вид. Происходит это оттого, что длинный разряд является менее устойчивым, чем короткий, искра имеет стремление как бы блуждать и отклоняться в стороны от места сварки, вследствие чего нагрев от нее создается не такой, как при короткой дуге, а распространяется на большую площадь. Благодаря этому тепло, излучаемое дугой, не все идет на расплавление металла в месте сварки, а рассеивается частично напрасно по большой поверхности.

    При длинной дуге получается поэтому плохой провар, и, кроме того, капли с электрода, : падая на плохо прогретое место, не сплавляются с основным металлом, а разбрызгиваются в стороны.

    По внешнему виду всегда можно сразу отличить шов, сваренной короткой или длинной дугой. Правильно проваренный короткой дугой шов имеет правильные очертания, гладкую выпуклую поверхность и чистый, блестящий вид. Шов, сваренный длинной дугой, имеет неровный бесформенный вид и окружен многочисленными каплями и брызгами застывшего металла с электрода. Такой шов, конечно, совершенно негоден.

    Защита от электрической дуги

    Примеры защитных костюмов против электрической дуги

    Если сварочные аппараты применяют дугу, то многие другие аппараты и кроме того человек должен ее избегать. Риск появления дуги на оборудовании зависит от не скольких параграфов:

    • частотностью использования оборудования работником;
    • опыт и знаниями работников имеющих дело с аппаратной частью
    • уровень износа оборудования;

    Если на человеке нет необходимого индивидуально-защитного костюма и он попадает в зону действия электрической дуги, шансы выжить довольно резко уменьшаются. Возможность получить тяжелые ожоги крайне высока.

    Таблица: степень воздействия электрической дуги

    Какие возможности защиты от эл. Дуги?

    1. соблюдайте все необходимые правила и нормы безопасности;
    2. в случае длительного использования защитного материала, частых стирок, костюм не должен ухудшаться; (все зависит от модели);
    3. ткань должна иметь максимум 2 секунды остаточного возгорания;
    4. вы должны надевать специальную обувь, обладающих антистатическим действием а также иметь костюм для защиты от электрической дуги .

    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.

    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.

    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.

    Каждый электрик должен знать:  Сценарии работы освещения в умном доме

    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.

    Возникновение и физические процессы в электрической дуге. Размыкание электрической цепи при значительных токах и напряжениях сопровождается электрическим разрядом между расходящимися контактами. Воздушный промежуток между контактами иони­зируется и становится проводящим, в нем горит дуга. Процесс отключения состоит в деионизации воздушного промежутка между контактами, т. е. в прекращении электрического разряда и восстановлении диэлектрических свойств. При особых условиях: малых токах и напряжениях, разрыве цепи переменного тока в момент перехода тока через нуль, может произойти без электрического разряда. Такое отключение называется безыскровым разрывом.

    Зависимость падения напряжения на разрядном промежутке от тока электрического разряда в газах приведена на рис. 1.

    Электрическая дуга сопровождается высокой температурой. Поэтому дуга – явление не только электрическое, но и тепловое. В обычных условиях воздух хороший изолятор. Для пробоя 1см воздушного промежутка требуется напряжение 30кВ. Чтобы воздушный промежуток стал проводником, необходимо создать в нем определенную концентрацию заряженных частиц: свободных электронов и положительных ионов. Процесс отделения от нейтральной частицы электронов и обра­зования свободных электронов и положительно заряженных ионов называется ионизацией . Ионизация газа происходит под действием высокой температуры и электрического поля. Для дуговых процессов в электрических аппаратах наибольшее значение имеют процессы у электродов (термоэлектрон­ная и автоэлектронная эмиссии) и процессы в дуговом промежутке (термическая и ударная ионизация).

    Термоэлектронной эмиссией называется испускание электронов с накаленной поверхности. При расхождении контактов резко возрастают переходное сопротивление контакта и плотность тока в площадке контактирования. Площадка разогревается, расплавляется и образуется контактный перешеек из расплавленного металла. Перешеек при дальнейшем расхождении контактов разрывается и происходит испарение металла контактов. На отрицательном электроде образуется раскаленная площадка (катодное пятно), которая служит основа­нием дуги и очагом излучения элект­ронов. Термоэлектронная эмиссия является причиной возникновения электрической дуги при размыкании контактов. Плотность тока термоэлектронной эмиссии зависит от тем­пературы и материала электрода.

    Автоэлектронной эмиссией называется явление испускания электронов с ка­тода под воздействием сильного электрического поля. При разомкнутых контактах к ним приложено напряжение сети. При замыкании контактов, по мере приближения подвижного контакта к неподвижному растет напряженность электрического поля между контактами. При критическом расстоянии между контактами напряженность поля достигает 1000 кВ/мм. Такой напряженности электрического поля достаточно для вырывания электронов из холодного катода. Ток автоэлектронной эмиссии мал служит только началом дугового разряда.

    Таким образом, возникновение дугового разряда на расходящихся контак­тах объясняется наличием термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий. Возникновения электрической дуги при замыкании контактов происходит по причине автоэлектронной эмиссия.

    Ударной ионизацией называется возникновение свободных электронов и положительных ионов при столкновении электронов с нейтральной частицей. Свободный электрон разбивает нейтральную частицу. В результате получатся новый свободный электрон и положительный ион. Новый электрон, в свою очередь, ионизирует следующую частицу. Чтобы электрон мог ионизировать частицу газа, он должен двигаться с определенной скоростью. Скорость электрона зависит от разности потенциалов на длине свободного пробега. Поэтому обычно указывается не скорость движения электрона, а минимальную разность потенциалов на длине свободного пути, чтобы электрон приобрел необходимую скорость. Эта разность потенциалов называется потенциал ионизации. Потенциал ионизации газовой смеси определяется самым низким из потенциалов ионизации входящих в газовую смесь компонентов и мало зависит от концентрации компонентов. Потенциал ионизации для газов составляет 13÷16В (азот, кислород, водород), для паров металла примерно в два раза ниже: 7,7В для паров меди.

    Термическая ионизация происходит под воздействием высокой температуры. Температура ствола дуги достигает 4000÷7000 К, а иногда 15000 К. При такой температуре резко возрастает количество и скорость движущихся частиц газа. При столкновении атомы и молекулы разрушаются, образуя заряженные частицы. Основной характеристикой термической ионизации является сте­пень ионизации, представляющая собой отношение числа ионизированных атомов к общему числу атомов в дуговом промежутке. Поддержание возникшего дугового разряда достаточным числом свободных зарядов обеспечивается термической ионизацией.

    Одновременно с процессами ионизации в дуге происходят обратные процессы деионизации – воссоединения заряженных частиц и образование нейтральных молекул. При возникновении дуги преобла­дают процессы ионизации, в устойчиво горящей дуге процессы ионизации и деионизации одинаково интенсивны, при преобладании процессов деиониза­ции дуга гаснет.

    Деионизация происходит главным образом за счет рекомбинации и диф­фузии. Рекомбинацией называется процесс, при котором различно заряженные частицы, при­ходя в соприкосновение, образуют нейтральные частицы. 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 стволе 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 ствола дуги и окружающего пространства. В стабилизированной и свободно горящей дуге диффузия играет ничтожную роль. В дуге, обдуваемой сжатым воздухом, а также в быстро движущейся открытой дуге деионизация за счет диффузии может по значению быть близкой к рекомбинации. В дуге, горящей в узкой щели или закрытой камере, деионизация происходит за счет рекомби­нации.


    ПАДЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГЕ

    Падение напряжения вдоль стационарной дуги распределяется неравномерно. Картина изменения падения напряжения U д и продольного градиента напряжения (падение напряжения на единицу длины дуги) Е д вдоль дуги приведена на рис. 2.

    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 порядка 10 -3 мм имеет место резкое падение напря­жения, называемое прикатод­ным U к и прианодным U а .

    В прикатодной области образуется дефицит электронов из-за высокой их подвижности. В этой области образуется объемный положительный заряд, который обуславливает разность потенциалов U к , порядка 10÷20В. Напряженность поля в прикатодной области достигает 10 5 В/см и обеспечивает выход электронов с катода за счет автоэлектронной эмиссии. Кроме того, напряжение у катода обеспечивает выделение необходимой энергии для подогрева катода и обеспечения термоэлектронной эмиссии.

    Рис. 2. Распределение напряжения на

    стационарной дуге постоянного тока

    В прианодной области образуется отрицательный объемный заряд, обуславливающий разность потенциалов U а . Направляющиеся к аноду электроны, ускоряются и выбивают из анода вторичные электроны, которые существуют вблизи анода.

    Суммарное зна­чение прианодного и прикатодного падений напряжений называют приэлектродным падением напряжения:
    и составляет 20-30В.

    В остальной части дуги, называемой стволом дуги, падение напряжения U д прямо пропорционально длине дуги:

    где E СТ – продольный градиент напряжения в стволе дуги, l СТ – длина ствола дуги.

    Градиент здесь постоянен вдоль ствола. Он зависит от многих факторов и может изменяться в широких пределах, достигая 100÷200 В/см.

    Таким образом, падение напряжения на дуговом промежутке:

    УСТОЙЧИВОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

    Чтобы погаситьэлектрическую дугу постоянного тока, необходимо создать условия, при которых в дуговом промежутке процессы деионизации превосходили бы процессы ионизации при всех значениях тока.

    Для цепи (рис. 3), содержащей сопротивление R , индуктивность L , дуговой промежуток с падением напряжения U д , источник постоянного тока напряжением U , в переходном режиме (
    ) справедливо уравнение Кирхгофа:

    где – падение напряжения на ин­дуктивности при изменении тока.

    При устойчиво горящей дуге (стационарное состояние
    ) выражение (1) принимает вид:

    Для погасания дуги необходимо, чтобы ток в ней все время уменьшался. Это означает, что
    :

      Электри́ческая дуга́ (во́льтова дуга́, дугово́й разря́д) — 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 иногда из 4200 медных и цинковых кружков» (Санкт-Петербург, 1803). Электрическая дуга является частным случаем четвёртой формы состояния вещества — плазмы — и состоит из ионизированного, электрически квазинейтрального газа. Присутствие свободных электрических зарядов обеспечивает проводимость электрической дуги.

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

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

    Для инициирования пробоя при имеющемся напряжении электроды приближают друг к другу. Во время пробоя между электродами обычно возникает искровой разряд, импульсно замыкая электрическую цепь.

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

    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.

    Электрическая дуга может быть крайне разрушительной для оборудования и, что более важно, представлять опасность для людей. Тревожное количество вызванных ею несчастных случаев происходит ежегодно, часто приводя к серьезным ожогам или смерти. К счастью, в электротехнической промышленности достигнут значительный прогресс в части создания средств и методов защиты от воздействия дуги.

    Причины и места возникновения

    Электрическая дуга является одной из самых смертоносных и наименее изученных опасностей электроэнергии и преобладает в большинстве отраслей промышленности. Широко признается, что чем выше напряжение электрической системы, тем больше риск для людей, работающих на территории или вблизи проводов и оборудования, находящихся под напряжением.

    Тепловая энергия от вспышки дуги, однако, может на самом деле быть больше и возникать чаще при более низких напряжениях с теми же разрушительными последствиями.

    Возникновение электрической дуги, как правило, происходит при случайном контакте между токоведущим проводником, таким как контактный провод троллейбусной или трамвайной линии с другим проводником, или заземленной поверхностью.

    Когда это происходит, возникающий ток короткого замыкания плавит провода, ионизирует воздух и создает огненный канал проводящей плазмы характерной дугообразной формы (отсюда и название), причем температура электрической дуги в ее сердцевине может достигать свыше 20000 °С.

    Что же такое электрическая дуга?

    По сути, так в обиходе именуют хорошо известный в физике и электротехнике дуговой разряд — вид самостоятельного электроразряда в газе. Каковы же физические свойства электрической дуги? Она горит в широком диапазоне давления газа, при постоянном или переменном (до 1000 Гц) напряжении между электродами в диапазоне от нескольких вольт (сварочная дуга) до десятков киловольт. Максимальная плотность тока дуги наблюдается на катоде (10 2 -10 8 А/см 2), где она стягивается в катодное пятно, очень яркое и малое по размерам. Оно беспорядочно и непрерывно перемещается по всей площади электрода. Температура его такова, что материал катода в нем кипит. Поэтому возникают идеальные условия для термоэлектронной эмиссии электронов в прикатодное пространство. Над ним образуется небольшой слой, заряженный положительно и обеспечивающий ускорение эмитируемых электронов до скоростей, при которых они ударно ионизируют атомы и молекулы среды в межэлектродном промежутке.

    Такое же пятно, но несколько большее и малоподвижное, формируется и на аноде. Температура в нем близкая к катодному пятну.

    Если ток дуги порядка нескольких десятков ампер, то из обоих электродов вытекают с большой скоростью нормально к их поверхностям плазменные струи или факелы (см. на фото ниже).

    При больших токах (100-300 А) возникают добавочные плазменные струи, и дуга становится похожей на пучок плазменных нитей (см. на фото ниже).

    Как проявляет себя дуга в электрооборудовании

    Как было сказано выше, катализатором ее возникновения является сильное тепловыделение в катодном пятне. Температура электрической дуги, как уже упоминалось, может достигать 20 000 °С, примерно в четыре раза выше, чем на поверхности солнца. Этот зной может быстро расплавить или даже испарить медь проводников, которая имеет температуру плавления около 1084 °С, намного ниже, чем в дуге. Поэтому в ней часто образуются пары меди и брызги расплавленного металла. Когда медь переходит из твердого состояния в пар, она расширяется в несколько десятков тысяч раз от своего первоначального объема. Это эквивалентно тому, что кусочек меди в один кубический сантиметр изменится до размера 0,1 кубометра в доли секунды. При этом возникнет давление высокой интенсивности и звуковые волны, распространяющиеся вокруг с большой скоростью (которая может быть свыше 1100 км в час).

    Воздействие электрической дуги

    Тяжелые травмы, и даже со смертельным исходом, при ее возникновении могут получить не только лица, работающие на электрооборудования, но и люди, находящиеся поблизости. Дуговые травмы могут включать в себя внешние ожоги кожи, внутренние ожоги от вдыхания горячих газов и испаренного металла, повреждения слуха, зрения, такие как слепота от ультрафиолетового света вспышки, а также многие другие разрушительные повреждения.

    При особо мощной дуге может также произойти такое явление, как ее взрыв, создающий давление более 100 килопаскалей (кПа) с выбросом частиц мусора, подобных шрапнели, со скоростью до 300 метров в секунду.

    Лица, перенесшие воздействия электрического тока электрической дуги, могут нуждаться в серьезном лечения и реабилитации, а цена их травм может быть экстремальной — физически, эмоционально и финансово. Хотя законодательство требует от предприятий проведения оценки рисков для всех видов трудовой деятельности, однако риск поражения электрической дугой часто упускается из виду, потому что большинство людей не знают, как оценивать и эффективно управлять этой опасностью. Защита от воздействия электрической дуги предполагает использование целого комплекса средств, включая применение при работе с электрооборудованием, находящимся под напряжением, специальных электрозащитных средств, спецодежды, а также самого оборудования, прежде всего высоко- низковольтных коммутационных электроаппаратов, сконструированных с применением средств гашения дуги.

    Дуга в электрических аппаратах

    В этом классе электротехнических устройств (автоматические выключатели, контакторы, магнитные пускатели) борьба с данным явлением имеет особое значение. Когда контакты выключателя, не оборудованного специальными устройствами для предотвращения дуги, размыкаются, то она обязательно зажигается между ними.

    В момент, когда контакты начинают отделяться, площадь последних уменьшается быстро, что приводит к увеличению плотности тока и, следовательно, к повышению температуры. Выделяемого тепла в промежутке между контактами (обычная среда масло или воздух) достаточно для ионизации воздуха или испарения и ионизации масла. Ионизированный воздух или пар действует как проводник для тока дуги между контактами. Разность потенциалов между ними весьма мала, но ее достаточно для поддержания дуги. Следовательно, ток в цепи остается непрерывным тех пор, пока дуга не устранена. Она не только задерживает процесс прерывания тока, но также генерирует огромное количество теплоты, которое может привести к повреждению самого выключателя. Таким образом, главная проблема в выключателе (прежде всего высоковольтном) — это гашение электрической дуги в кратчайшие сроки для того, чтобы выделяемое в ней тепло не могло достичь опасного значения.

    Факторы поддержания дуги между контактами выключателей

    К ним относятся:

    2. Ионизированные частицы между ними.

    Принимая это, отметим дополнительно:

    • Когда между контактами имеется небольшой промежуток, даже небольшой разности потенциалов достаточно для поддержания дуги. Одним из способов ее гашения является разделение контактов на такое расстояние, что разность потенциалов становится недостаточной для поддержания дуги. Тем не менее этот метод является практически неосуществимым в высоковольтном оборудовании, где может потребоваться разделение на многие метры.
    • Ионизированные частицы между контактами, как правило, поддерживают дугу. Если ее путь деионизирован, то процесс гашения будет облегчен. Это может быть достигнуто путем охлаждения дуги или удаления ионизированного частиц из пространства между контактами.
    • Есть два способа, посредством которых осуществляется защита от электрической дуги в выключателях:

    Метод высокого сопротивления;

    Метод нулевого тока.

    Гашение дуги увеличением ее сопротивления

    В этом методе сопротивление на пути дуги растет с течением времени так, что ток уменьшается до значения, недостаточного для ее поддержания. Следовательно, он прерывается, и электрическая дуга гаснет. Основной недостаток этого метода состоит в том, что время гашения достаточно велико, и в дуге успевает рассеиваться огромная энергия.

    Сопротивление дуги может быть увеличена путем:

    • Удлинения дуги — сопротивление дуги прямо пропорциональна ее длине. Длина дуги может быть увеличена за счет изменения зазора между контактами.
    • Охлаждением дуги, точнее среды между контактами. Эффективное охлаждение обдувом должно быть направлено вдоль дуги.
    • Помещением контактов в трудноионизируемую газовую среду (газовые выключатели) или в вакуумную камеру (вакуумные выключатели).
    • Снижением поперечного сечения дуги путем ее пропускания через узкое отверстие, или снижением площади контактов.
    • Разделением дуги — ее сопротивление может быть увеличено путем разделения на ряд небольших дуг, соединенных последовательно. Каждая из них испытывает действие удлинения и охлаждения. Дуга может быть разделена путем введения некоторых проводящих пластин между контактами.

    Гашение дуги методом нулевого тока

    Этот метод используется только в цепях переменного тока. В нем сопротивление дуги сохраняется низким, пока ток не снижается до нуля, где она гаснет естественным путем. Ее повторное зажигание предотвращается несмотря на увеличение напряжения на контактах. Все современные выключатели больших переменных токов используют этот метод гашения дуги.

    В системе переменного тока последний падает до нуля после каждого полупериода. В каждое такое обнуление дуга гаснет на короткое время. При этом среда между контактами содержит ионы и электроны, так что ее диэлектрическая прочность небольшая и может быть легко разрушена растущим напряжением на контактах.

    Если это происходит, электрическая дуга будет гореть в течение следующего полупериода тока. Если сразу же после его обнуления диэлектрическая прочность среды между контактами растет быстрее, чем напряжение на них, то дуга не зажжется и ток будет прерван. Быстрое увеличение диэлектрической прочности среды вблизи нуля тока может быть достигнуто путем:

    • рекомбинации ионизированных частиц в пространстве между контактами в нейтральные молекулы;
    • удалением ионизированных частиц прочь и заменой их нейтральными частицами.

    Таким образом, реальной проблемой в прерывании переменного тока дуги является быстрая деионизация среды между контактами, как только ток становится равным нулю.

    Способы деионизация среды между контактами

    1. Удлинение зазора: диэлектрическая прочность среды пропорциональна длине зазора между контактами. Таким образом, при быстром размыкании контактов может быть достигнута и более высокая диэлектрическая прочность среды.

    2. Высокое давление. Если оно в непосредственной близости от дуги, увеличивается, плотность частиц, составляющих канал дугового разряда, также растет. Повышенная плотность частиц приводит к высокому уровню их деионизации и, следовательно, диэлектрическая прочность среды между контактами увеличивается.

    3. Охлаждения. Естественная рекомбинация ионизированных частиц происходит быстрее, если они остывают. Таким образом, диэлектрическая прочность среды между контактами может быть увеличена путем охлаждения дуги.

    4. Эффект взрыва. Если ионизированные частицы между контактами сметены прочь и заменены неионизированными, то диэлектрическая прочность среды может быть увеличена. Это может быть достигнуто с помощью газового взрыва, направленного в зону разряда, или впрыскиванием масла в межконтактное пространство.

    В таких выключателях в качестве среды гашения дуги используется газ гексафторид серы (SF6). Он имеет сильную тенденцию поглощать свободные электроны. Контакты выключателя открываются в потоке высокого давления SF6) между ними (см. рисунок ниже).

    Газ захватывает свободные электроны в дуге и формирует избыток малоподвижных отрицательных ионов. Число электронов в дуге быстро сокращается, и она гаснет.

    Электрическая дуга и причины ее возникновения – » :

    определения, причина возникновения и как обезопасить себя

    В статье узнаете что такое электрическая дуга, вспышка, как она появляется, историю происхождения, а также ее опасность, что происходит во время электрической дуги и как себя обезопасить.

    Электробезопасность имеет первостепенное значение для поддержания любого эффективного и производительного объекта, и одной из самых серьезных угроз для безопасности работников является электрическая дуга и вспышка дуги. Советуем вам статье предотвращение поражения электрическим током.

    Электрические пожары приводят к катастрофическим повреждениям, а в промышленных условиях они часто бывают вызваны электрическими дугами того или иного типа. В то время как некоторые типы электрических дуг трудно не заметить, «вспышка дуги громкая и сопровождается большим ярким взрывом», некоторые электрические дуги, такие как дуговой разряд, более тонкие, но могут быть столь же разрушительными. Неисправности дуги часто являются причиной электрических пожаров в жилых и коммерческих зданиях.

    Проще говоря, электрическая дуга — это электрический ток, который намеренно или непреднамеренно разряжается через зазор между двумя электродами через газ, пар или воздух и создает относительно низкое напряжение на проводниках. Тепло и свет, производимые этой дугой, обычно интенсивны и могут использоваться для специальных применений, таких как дуговая сварка или освещения. Непреднамеренные дуги могут иметь разрушительные последствия, такие как: пожары, опасность поражения электрическим током и повреждение имущества.

    Электрическая дуга история происхождения

    В 1801 году британский химик и изобретатель сэр Хэмфри Дэви продемонстрировал электрическую дугу своим товарищам в Лондонском королевском обществе и предложил название — электрическая дуга. Эти электрические дуги, выглядят как неровные удары молнии. За этой демонстрацией последовали дальнейшие исследования электрической дуги, показал русский ученый Василий Петров в 1802 году. Дальнейшие успехи в ранних исследованиях электрической дуги позволили получить такие важные в отрасли изобретения, как дуговая сварка.

    По сравнению с искрой, которая является только мгновенной, дуговой разряд представляет собой непрерывный электрический ток, который выделяет так много тепла от несущих зарядов ионов или электронов, что он может испарять или плавить что-либо в пределах диапазона дуги. Дуга может поддерживаться в электрических цепях постоянного или переменного тока, и она должна включать в себя некоторое сопротивление, чтобы повышенный ток не оставался без контроля и полностью разрушал фактический источник цепи с его потреблением тепла и энергии.

    Практическое применение

    При правильном использовании электрические дуги могут иметь полезные цели. На самом деле, каждый из нас выполняет ряд ежедневных задач благодаря ограниченному применению электрических дуг.

    Электрические дуги используются в:

    • вспышках камер
    • прожекторах для освещения сцены
    • люминесцентного освещения
    • дуговой сварки
    • дуговых печах (для производства стали и таких веществ, как карбид кальция)
    • плазменных резаках (в которых сжатый воздух объединяется с мощной дугой и преобразуется в плазму, которая имеет способность мгновенно разрезать сталь).

    Опасность электрической дуги

    Электрические дуги также могут быть чрезвычайно опасными, если они не преднамеренны в использовании. Ситуации, когда электрическая дуга создается в неконтролируемой среде, как в случае вспышки дуги, могут привести к травмам, смерти, пожару, повреждению оборудования и потере имущества.

    Чтобы защитить работников от электрических дуг, компании должны использовать следующие продукты дуговой вспышки, чтобы уменьшить вероятность возникновения электрических дуг и уменьшить ущерб в случае их возникновения лучше использовать

    Перчатки с защитным дуговым разрядом — эти перчатки предназначены для защиты рук от поражения электрическим током и сведения к минимуму травм в случае электрического проишествия.

    Дуговая вспышка определение

    Определение дуговых вспышек — нежелательный электрический разряда, который проходит через воздух между проводниками или из проводника к земле. Вспышка дуги является частью дугового разряда, который является примером электрического взрыва, вызванного соединением с низким импедансом, которое проходит через воздух к земле.

    Когда возникает дуговая вспышка, она создает очень яркий свет и интенсивное тепло. Кроме того, он может создать дугу, которая может вызвать травмирующую силу, которая может серьезно ранить кого-либо в этом районе или повредить что-либо поблизости.

    Что происходит во время вспышки дуги

    Вспышка дуги начинается, когда электричество покидает намеченный путь, и начинает распространяться по воздуху в направлении заземленной зоны. Как только это происходит, он ионизирует воздух, что еще больше снижает общее сопротивление вдоль пути, по которому идет дуга. Это помогает привлечь дополнительную электрическую энергию.

    Дуга будет двигаться таким образом, чтобы найти ближайшее расстояние к земле. Точное расстояние, которое может пройти вспышка дуги, называется границей вспышки дуги. Это определяется потенциальной энергией и множеством других факторов, таких как температура воздуха и влажность.

    При работе по повышению безопасности вспышки дуги, установка будет часто отмечать границу вспышки дуги, используя клейкую ленту для пола. Любой, кто работает в этой области, должен будет носить средства индивидуальной защиты (СИЗ).

    Потенциальная температура дуговой вспышки

    Одной из самых больших опасностей, связанных с вспышкой дуги, является чрезвычайно высокая температура, которую она может создать. В зависимости от ситуации, они могут достигать высоких температур в 35000 градусов по Фаренгейту или 19426.667 градусов Цельсия. Это одна из самых высоких температур в мире, которая примерно в 4 раза выше, чем на поверхности Солнца.

    Даже если фактическое электричество не касается человека, тело человека получит колоссальные повреждения, если он находится рядом с ним. В дополнение к прямым ожогам, эти температуры могут что-то поджечь в этом районе.

    Как выглядит вспышка электрической дуги

    Следующее видео показывает, насколько быстрой и взрывной может быть вспышка дуги. На этом видео показана управляемая вспышка дуги с «испытательным манекеном»:

    Как долго длится вспышка электрической дуги

    Вспышка дуги может длиться где-то от доли секунды до нескольких секунд, в зависимости от ряда факторов. Большинство вспышек дуги не длятся очень долго, потому что источник электричества быстро отключается автоматическими выключателями или другим защитным оборудованием.

    Самые современные системы в настоящее время используют устройства, известные как элиминаторы дуги, которые обнаруживают и гасят дугу всего за несколько миллисекунд.

    Однако, если система не имеет какого-либо типа защиты, вспышка дуги будет продолжаться до тех пор, пока поток электричества не прекратится физически. Это может произойти, когда работник физически отключает электричество от зоны или когда повреждение, вызванное вспышкой дуги, становится достаточно серьезным, чтобы каким-то образом остановить поток электричества.

    Посмотрите на реальный пример дуговой вспышки, которая продолжается в течение длительного периода времени, в следующем видео. К счастью, люди на видео были одеты в свои средства индивидуальной защиты и остались без травм. Мощный взрыв, громкий шум, яркий свет и огромная температура — все это чрезвычайно опасно.

    Потенциал повреждения от вспышки электрической дуги

    Из-за высоких температур, интенсивных взрывов и других результатов дуговой вспышки, дуговые вспышки могут очень быстро нанести большой ущерб. Понимание различных типов повреждений, которые могут возникнуть, может помочь предприятиям планировать свои обязанности по обеспечению безопасности.

    Потенциальный ущерб собственности

    • Тепло — тепло от дуговой вспышки может легко расплавить металл, что может повредить дорогостоящие машины и другое оборудование.
    • Пожар — тепло от этих вспышек может быстро привести к пожару, который может распространиться через объект, если его не остановить.
    • Взрывы — дуговой удар, который может возникнуть в результате дуговой вспышки, может разбить окна, расколоть дерево в этой области, погнуть металл и многое другое. Все, что хранится в радиусе взрыва дуги, может быть повреждено или уничтожено за считанные секунды.

    Потенциальная травмы человека от вспышки электрической дуги

    • Ожоги — ожоги второй и третьей степени могут возникнуть в доли секунды, когда кто-то находится вблизи вспышки дуги.
    • Удар током — если вспышка дуги проходит через человека, он получит удар, как на электрическом стуле. В зависимости от силы тока, этот удар может быть смертельным.
    • Слуховое повреждение — дуговые вспышки могут вызывать очень громкие шумы, которые могут привести к необратимому повреждению слуха тех, кто находится в этом районе.
    • Повреждение зрения — Дуговые вспышки могут быть очень яркими, что может привести к временному или даже долговременному повреждению глаз.
    • Ущерб от взрыва дуги — Взрыв дуги может создать силу, которая составляет тысячи фунтов на метр. Это может сбить человека с ног на несколько метров. Это также может вызвать переломы костей, коллапс легких, сотрясение мозга и многое другое.

    Ношение средств индивидуальной защиты может обеспечить значительную степень защиты, но не может устранить все риски. Сотрудники, которые присутствуют при возникновении дуговой вспышки, всегда находятся под угрозой, независимо от того, какие СИЗ они носят.

    Потенциальные причины вспышки электрической дуги

    Вспышки дуги могут возникать по разным причинам. В большинстве случаев основной причиной будет поврежденный элемент оборудования, такой как провод. Это также может быть результатом того, что кто-то работает над оборудованием, что позволяет электричеству выходить с пути, к которому он обычно привязан.

    Даже когда есть потенциальный путь за пределами проводки, электричество будет идти по пути наименьшего сопротивления. Вот почему вспышка дуги не обязательно произойдет, как только что-то будет повреждено или появится альтернативный путь. Вместо этого электричество будет продолжать идти по намеченному пути, пока не станет доступен другой вариант с меньшим сопротивлением.

    Вот некоторые вещи, которые могут создать путь с меньшим сопротивлением и, следовательно, вызвать вспышку дуги:

    • Пыль — в пыльных местах электричество может начать проходить через проводку или другое оборудование через пыль.
    • Уроненные инструменты — например, если инструмент упал на провод, он может повредить его и пропустить электричество в инструмент. Оттуда он должен найти другой путь, чтобы продолжить свое движение.
    • Случайное прикосновение — если человек касается поврежденной области, электричество может распространяться через его тело.
    • Конденсация — когда образуется конденсат, электричество может выходить из проводки через воду, и тогда возникнет дуга.
    • Отказ материала — Если провод поврежден до точки, в которой возникли проблемы с прохождением электричества, путь может быть более устойчивым, чем выход за пределы провода.
    • Коррозия — Коррозия может создать путь за пределами проволоки, после чего возникает вспышка дуги.
    • Неправильная установка — Если оборудование установлено неправильно, это может затруднить или сделать невозможным для электричества следовать по намеченному пути, что может вызвать вспышку дуги.

    Предотвращение вспышек электрической дуги

    Первый шаг в безопасности вспышки дуги сводит к минимуму риск возникновения. Это можно сделать, выполнив оценку электрического риска, которая может помочь определить, где находятся самые большие опасности на объекте. IEEE 1584 является хорошим вариантом для большинства объектов и поможет выявить общие проблемы.

    Регулярные проверки всего высоковольтного оборудования и всей проводки являются еще одним важным шагом. Если есть какие-либо признаки коррозии, повреждения проводов или другие проблемы, их следует устранить как можно скорее. Это поможет безопасно хранить электрические токи внутри машин и проводов.

    Некоторые конкретные области, которые должны быть проверены, включают в себя любые электрические распределительные щиты, щиты управления, панели управления, корпуса розеток и центры управления двигателями.

    Надлежащая маркировка

    В любом месте на объекте, где могут существовать высокие электрические токи, должны быть надлежащим образом отмечены предупреждающими метками дуги. Они могут быть приобретены предварительно изготовленными или распечатаны на любом промышленном принтере этикеток по мере необходимости. В статье 110.16 Национального электротехнического кодекса четко указано, что этот тип оборудования должен иметь маркировку для предупреждения людей о рисках.

    Обесточивающее оборудование при выполнении технического обслуживания

    Всякий раз, когда машина требует какой-либо работы, она должна быть полностью обесточена. Обесточивание машины — это больше, чем просто выключение. Все машины должны быть отключены и физически отключены от любого источника питания. После отсоединения следует также проверить напряжение, чтобы убедиться, что скрытая энергия не накапливалась.

    В идеале должна существовать политика блокировки, которая установит физическую блокировку источника питания, чтобы его нельзя было случайно подключить обратно, пока кто-то работает на машине.

    Предохранители

    По возможности, автоматические выключатели должны быть установлены на всех машинах. Эти автоматические выключатели быстро обнаружат внезапный скачок напряжения и немедленно остановят поток. Даже при использовании автоматических выключателей может возникнуть дуговая вспышка, но она будет длиться лишь часть времени, так как электрический ток будет отключен.

    Однако даже очень короткая вспышка дуги может привести к смертельному исходу, поэтому автоматические выключатели не должны рассматриваться как достаточная программа обеспечения безопасности вспышки дуги.

    Стандарты безопасности

    Все объекты должны учитывать различные стандарты безопасности при использовании дуговых вспышек, которые были установлены государственными и частными учреждениями. Определение того, какие стандарты должны соблюдаться, может помочь обеспечить соответствие объекта местным правилам и нормам, а также обеспечить безопасность объекта.

    Ниже приведены наиболее распространенные стандарты безопасности дуговой электрической вспышки:

    • OSHA — OSHA имеет несколько стандартов, в том числе 29 CFR частей 1910 и 1926. Эти стандарты охватывают требования для производства, передачи и распределения электроэнергии.
    • Национальная ассоциация противопожарной защиты (NFPA) — стандарт NFPA 70-2014 , Национальный электротехнический кодекс (NEC) относится к безопасной электрической установке и практике. Стандарт NFPA 70E , Стандарт электробезопасности на рабочем месте, детализирует различные требования к предупредительным надписям, включая предупредительные надписи, касающиеся дуговых вспышек и дуговых взрывов. Он также предлагает рекомендации по внедрению лучших практик на рабочем месте, чтобы помочь сотрудникам, работающим с высоковольтным оборудованием, быть в безопасности.
    • Канадская ассоциация стандартов Z462 — Это очень похоже на стандарты NFPA 70E, но применимо для канадских компаний.
    • Лаборатории страховщиков Канады — этот набор стандартов предназначен для любой ситуации, когда производится, передается или распределяется электроэнергия, и охватывает требования безопасности. Аналогично стандартам OSHA, но для Канады.
    • IEEE 1584 — это набор руководящих принципов для точного расчета опасности дуговых вспышек.
    Каждый электрик должен знать:  Как определить совместимость блока питания и устройства

    причины возникновения и способы применения

    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:

    Электрическая дуга — причины, свойства, ВАХ

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

    Может возникать между двумя контактами при их размыкании.

    Обратимся к ВАХ-диаграмме:

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

      в первой области у нас высокое падение напряжения у катода и малые токи — это область тлеющего разряда

    во второй области у нас падение напряжения резко снижается, а ток продолжает увеличиваться — это переходная область между тлеющим и дуговым разрядом

    третья область характеризует дуговой разряд — малое падение напряжения и высокая плотность тока и следовательно высокая температура.

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

    Явления ионизации и деионизации

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

      термоэлектронная эмиссия — электроны отрываются от раскаленной поверхности катодного пятна;

    автоэлектронная эмиссия — электроны вырываются с поверхности из-за высокой напряженности электрического поля.

    ионизация толчком — электрон вылетает с достаточной скоростью и в пути сталкивается с нейтральной частицей, в результате образуется электрон и ион.

    термическая ионизация — основной вид ионизации, поддерживает дугу после её зажигания. Температура дуги может достигать тысяч кельвинов, а в такой среде увеличивается число частиц и их скорости, что способствует активным процессам ионизации.

      рекомбинация — образование нейтральных частиц из противоположно заряженных при взаимодействии

    диффузия — положительно заряженные частицы отправляются “за борт”, из-за действия электрического поля дуги от середины к границе

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

    Свойства дуги постоянного тока

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

    Анодная и катодная области — размер=10 -4 см; суммарное падение напряжения=15-30В; напряженность=10 5 -10 6 В/см; в катодной области происходит процесс ударной ионизации из-за высокой напряженности, образовавшиеся в результате ионизации электроны и ионы образуют плазму дуги, которая обладает высокой проводимостью, данная область отвечает за разжигание дуги.

    Ствол дуги — падение напряжения пропорционально длине дуги; плотность тока порядка 10кА на см 2 , за счет чего и температура порядка 6000К и выше. В данной области дуги происходят процессы термоионизации, данная область отвечает за поддержание горения.

    ВАХ дугового разряда постоянного тока

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

      Uз — напряжение зажигания

    Uг — напряжение гашения

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

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

      можно определить из ВАХ дуги

    активное, независимо от рода тока

    падает с ростом тока

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

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

    Свойства дуги переменного тока

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

    Видно, что ток отстает от напряжения примерно на 90 градусов. Вначале появляется ток и резко повышается напряжение до величины зажигания (Uз). Далее ток продолжает расти, а падение напряжения снижается. В точке максимального амплитудного значения тока, значение напряжения дуги минимальное. Далее ток стремится к нулю, а падение напряжения опять возрастает до значения гашения (Uг), которое соответствует моменту, когда ток переходит через ноль. Далее всё повторяется опять. Слева от временной характеристики приведена вольт-амперная характеристика.

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

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

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

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

    Сохраните статью или поделитесь с друзьями

    Подробности Опубликовано 07.04.2020 15:49

      Опасности электрической дуги

    СИЗ для электробезопасности

    Травмы, вызванные вспышкой дуги

    Правильные стратегии спасения

    Постоянное обучение электробезопасности

    Одним из самых опасных элементов современных рабочих мест является большое количество электроэнергии, протекающей через него в любой момент времени. Все, от больших машин до небольших инструментов, использует электричество, и удивительно маленький ток может привести к серьезным травмам.

    В дополнение к элементам, которые используют электричество самостоятельно, есть также провода и линии высокого напряжения, которые проходят по всей территории. Хотя электрооборудование обычно работает без каких-либо проблем, они по-прежнему представляют собой серьезную опасность, которую необходимо понять.

    Опасности электрической дуги

    При изучении электрических опасностей наибольший риск возникает при появлении электрической дуги. Вспышка дуги возникает, когда электрический разряд, перемещается из одной области по воздуху к земле или другому месту.

    Причины электрической дуги

    Исправная машина минимизирует риск возникновения дуговой вспышки. Однако есть много вещей, которые могут привести к дуге. Понимание наиболее распространенные причины электрической дуги могут дать представление о том, как её предотвратить.

    Пыль. Пыльные участки могут обеспечить путь к низкому сопротивлению электричеству. Когда пыль густая в воздухе, риск возникновения дуги значительно возрастает. Устранение пыли (включая опилки) очень важно для обеспечения электробезопасности.

    Выпавшие предметы — при работе в электрической системе кто-то может вынуть инструмент или другой предмет на оборудование. Это может создать альтернативный путь для электричества, который может привести к дуговой вспышке. Это особенно опасно, если инструмент может проколоть, вырезать или иным образом повредить высоковольтную проводку.

    Люди, входящие в контакт с оборудованием — при выполнении работ по чистке, техническому обслуживанию, ремонту или другим задачам важно обеспечить, чтобы никто не контактировал с электрическими проводами или другими компонентами.

    Конденсация. Когда в воздухе имеется большая влажность, конденсация может образовываться на электрооборудовании и вокруг него. Вода может проводить электричество, которое может создать путь низкого сопротивления, что приведет к дуговой вспышке.

    Утечки воды. Подобно проблеме конденсации, если вода вытекает из трубы над электрической машиной, она может вызвать дуговую вспышку.

    Коррозия. Коррозия на проводах или других частях машины может привести может вызвать открытие защитных покрытий, в которых содержится электричество.

    Разрушение изоляции. Если провода перемещены, согнуты, на них наступили, это может привести к их разрыву.

    Неправильная установка. Если электрооборудование установлено неправильно, существует повышенный риск широкого спектра проблем, в том числе дуговой вспышки.

    СИЗ для электробезопасности

    Одна вещь, которую люди должны оставаться в безопасности от электричества (дуговая вспышка или нет), — это средства индивидуальной защиты. Любой сотрудник, который работает с электрооборудованием, должен быть обязан носить надлежащие СИЗ. Конкретный тип необходимого СИЗ будет зависеть от ряда факторов, включая риск травмирования, уровни напряжения электричества и близость к опасности.

    В некоторых случаях достаточно просто носить не проводящие перчатки. В областях, где существует более высокий уровень опасности, может понадобится носить костюм для всего тела, кожаную обувь, средства защиты глаз и многое другое. Купить костюм для защиты от термических рисков электрической дуги можно здесь http://legio.ua. Изучение различных видов средств индивидуальной защиты для электробезопасности является важной частью всех программ безопасности на объектах, где используется электрооборудование.

    Наличие личного защитного снаряжения для сотрудников — отличное начало. В дополнение к тому, чтобы оно было доступно, работодатели должны сделать обязательным, чтобы сотрудники использовали его надлежащим образом во многих ситуациях.

    Травмы, вызванные вспышкой дуги

    Когда люди думают о травмах, вызванных вспышкой дуги, они часто полагают, что электрошок — единственный риск. В то время как электрошока, безусловно, является главной опасностью, это действительно только начало потенциальных проблем. Ниже приведены некоторые из других способов, как электрическая дуга может нанести вред людям.

    Ожоги — Даже если дуга не вступает в непосредственный контакт с человеком, она все равно может причинить ожог. Температура дуговой вспышки может достигать 20 000 градусов по Цельсию, что может привести к серьезным ожогам.

    Огонь. Существует опасность попадания в огонь. Если в области есть какие-либо огнеопасные предметы, их следует удалить.

    Разлет предметов — дуговая вспышка может создавать много давления, которое может раскидать объекты по воздуху. Такие вещи, как расплавленный металл и части машин, могут стать очень опасными снарядами.

    Давление взрыва — давление от взрыва может достигать 2000 фунтов на квадратный фут. Это может подбросить людей в воздух. Это также то, что вызывает упомянутые выше снаряды.

    Слуховой ущерб — вспышки дуги очень громкие. Фактически, они могут достигать 140 дБ в некоторых случаях. Это примерно тот же уровень звука, что и выстрел пистолета. Так как это происходит быстро, это может нанести серьезный ущерб слуху тех, кто находится в этом районе.

    Тяжесть потенциальной травмы

    Существует много способов вспышки дуги, которые могут привести к травмам людей и окружающего объекта. Тяжесть травмы будет зависеть от ряда факторов. Понимание того, насколько опасна ситуация, может помочь учреждениям и сотрудникам правильно подготовиться при входе в зону, где возможна дуговая вспышка.

    Следующие факторы могут повлиять на то, насколько серьезной может быть травма:

    Электрический ток. Сила электричества, создающая дуговую вспышку, окажет существенное влияние на потенциальную травму. Чем выше ток, тем больше будет риска.

    Близость. Чем ближе кто-то к фактической вспышке дуги, тем больше опасности у них. Поэтому важно держать людей, которые не обучены и не подготовлены для работы с электрическим оборудованием, вдали от любой области, где есть потенциал для дуговой вспышки.

    Длина — дуговая вспышка обычно будет продолжаться до тех пор, пока цепь не разорвется. Когда автоматические выключатели работают правильно, это займет всего доли секунды. Однако даже небольшое увеличение длины дуговой вспышки может привести к увеличению вероятности травмы.

    Температура. Температура вспышки дуги также может вызывать повышенный риск ожогов и других травм.

    Окрестности. Объекты, находящиеся в районе, где происходит вспышка дуги, могут быть ключевым показателем того, насколько потенциально может быть травма. Если вокруг склада возникает вспышка дуги, эти объекты могут разлетаться по всему району, что приводит к серьезной травме.

    Область воздействия. Место на теле, в которое ударяет дуга, также влияет на потенциальную травму. В то время как само электричество может проходить через тело из любой точки входа, места, где он входит и выходит из организма, подвержены более сильным ожогам.

    Правила безопасности

    В то время как вспышки дуги являются наиболее опасной электрической опасностью, существует множество других рисков, связанных с работой вблизи электрических систем. Даже работа с оборудованием с низким напряжением ставит людей под угрозу серьезных травм, если они не будут осторожны.

    Внедрение стандартов электробезопасности в объекте является важным способом обеспечения безопасности сотрудников и минимизации риска повреждения объекта. Общая политика в области электробезопасности должна быть отдельной (хотя и связанной) с политикой безопасности дуговой вспышки, поскольку каждый из них требует другого подхода.

    Обучение сотрудников тому, как безопасно работать с электрическим оборудованием, может помочь снизить риск шока или поражения электрическим током. Даже работники, которые непосредственно не работают на большом электрооборудовании, могут получить по крайней мере некоторые базовые стандарты безопасности. Например, при работе с электрическим ручным инструментом важно избегать работы вблизи воды. Есть много других программ обучения электробезопасности, чтобы обеспечить сотрудников безопасностью.

    Осознание — один из лучших способов защитить людей при работе вблизи электрооборудования. Если есть высоковольтная машина, то может быть очень полезно размещать знаки безопасности, предупреждающие людей о ее присутствии.

    В зонах с ограниченным доступом из-за опасностей рекомендуется использовать напольную маркировочную ленту или другую визуальную маркировку, чтобы напомнить людям, что они не могут зайти в этот район без надлежащего одобрения, обучения и оборудования.

    Использование стратегий визуальной коммуникации — эффективный способ повышения безопасности любого объекта. Однако важно убедиться, что стратегия визуальной коммуникации хорошо спланирована и соответствует другим усилиям в области визуальной коммуникации.

    Правильные стратегии предотвращения опасности

    Если происходит вспышка дуги, люди часто испытывают желание спешить в этот район, чтобы помочь жертве. Это может привести к тому, что дополнительные люди получают травму. Вместо того, чтобы спешить, чтобы помочь, лучше подождать и подтвердить, что электричество было отключено, поэтому больше нет риска получения дополнительных травм.

    Постоянное обучение электробезопасности

    Такие вещи, как индивидуальное защитное снаряжение и удержание машин в хорошем рабочем состоянии, будут иметь большое значение для обеспечения безопасности объекта от электрических опасностей. Тем не менее, так как многие люди работают с электрооборудованием и вокруг него, важно также обеспечить всем сотрудникам уровень подготовки, необходимый для их работы.

    Электрикам понадобится обширная подготовка для правильной и безопасной работы с этим типом оборудования. К счастью, большинство электриков выходят на работу со знаниями и опытом, в которых они нуждаются.

    Генеральный обслуживающий персонал также будет тесно сотрудничать с электрооборудованием, но у них может не быть углубленного обучения электрика. Работодатели должны всегда предоставлять этому типу сотрудника подробное обучение, чтобы они знали, как правильно выполнять свою работу, не подвергая себя и других сотрудников повышенному риску.

    Другие сотрудники, которые обычно не имеют прямого воздействия на электрооборудование, должны по-прежнему получать как минимум базовый уровень обучения, чтобы они знали, как реагировать в чрезвычайных ситуациях. Есть много ресурсов для онлайн-обучения или личной подготовки по вопросам электробезопасности, доступных для сотрудников.

    Электрическая дуга

    · Для защиты аппаратов и приборов от прохождения по ним слишком больших токов применяют предохранительные устройства, которые автоматически прерывают цепь тока, как только величина последнего превзойдет допустимую норму.

    · Наиболее широко распространены в домовых установках так называемые пробковые предохранители, в которых собственно пре­дохранителем — плавкой вставкой служит свинцовая проволока того или иного диаметра, выбираемого в зависимости от номиналь­ной силы тока данной установки.

    · § 26. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА

    · Электрическая дуга впервые была открыта В. В. Петровым в 1802 г.

    · Если к полюсам источника электрической энергии присоеди­нить угольные стержни-электроды и сблизить их, то образуется замкнутая электрическая цепь, по которой начнет протекать ток. Уголь плохо проводит электрический ток, т. е. обладает боль­шим сопротивлением, поэтому в угольных электродах при про­хождении тока выделяется значительное количество тепла.

    · В месте контакта, т. е. в точке соприкосновения угольных элек­тродов, сопротивление увеличивается. В результате сближенные кон­цы угольных стержней нагреваются до очень высокой температуры и начинают светиться.

    · Если электроды раздвинуть так, чтобы концы их не соприкаса­лись, то ток в цепи прекратится и между концами электродов по­явится сильное свечение — возникнет электрическая дуга.

    · Возникновение электрической дуги объясняется следующим. С повышением температуры угольных стержней увеличивается скорость движения электронов, находящихся в угле. При сильном нагреве скорость движения свободных электронов возрастает на­столько, что при раздвижении углей электроны из стержней выле­тают в межэлектродное пространство. Наступает так называемая электронная эмиссия, т. е. выход свободных электронов из уголь­ного стержня во внешнюю среду. При повышении температуры электродов эмиссия увеличивается.

    · В воздухе свободные электроны с очень большой скоростью летят от отрицательного электрода (катода) к положительному (аноду). Они обладают большой энергией и, сталкиваясь с ней­тральными атомами воздуха, расщепляют их на положительно и от­рицательно заряженные частицы — ионы. Этот процесс называется ионизацией вследствие соударения.

    · Если энергия электронов недостаточна для ионизации нейтральных атомов, то в результате соударений электронов с нейт­ральными атомами последние начинают двигаться быстрее и нагре­вают воздух между электродами. Температура воздуха между электродами достигает несколько тысяч градусов, вследствие чего наступает другой процесс ионизации — тепловой.

    · Интенсивное излучение света нагретыми концами электродов также создает электрически заряженные частицы, т. е. происходит фотоионизация.

    · В итоге всех процессов воздух между электродами ионизируется и перестает быть электрически ней­тральным. Наличие раскаленных газов (например, углерода, выделяемого нагретыми до высокой темпе­ратуры углями) повышает электропроводность про­странства между электродами. Таким образом, между раздвинутыми электродами создается газовый проме­жуток, хорошо проводящий электрический ток — воз­никает дуговой разряд.

    · Светящийся промежуток между электродами, за­полненный ионами воздуха, электронами и парами углерода, называется столбом, а светящиеся участки поверхности концов электродов — пятнами.

    · Свободные электроны, находящиеся в пространстве между электродами, с большой скоростью направля­ются к положительному электроду, подвергая его бом­бардировке и нагревая до высокой температуры. На конце электрода, соединенного с положительным полю­сом источника энергии (на аноде), возникает раска­ленное добела анодное пятно, в центре которого находится воронкообразное углубление или «кратер».

    · Конец электрода, соединенного с отрицательным полюсом источника энергии (катод), имеет заостренную форму и на нем возникает небольшое светящееся катодное пятно.

    · Схема дугового разряда показана на рис. 23. Основным источ­ником света является «кратер». Световое излучение катодного пят­на не превышает 10%, а излучение столба — не более 5% от всего светового потока, создаваемого дуговым разрядом.

    · Помимо ионизации, в междуэлектродном пространстве проте­кают обратные процессы рекомбинации и нейтрализации. Электро­ны и положительные ионы соединяются между собой, образуя нейтральные атомы. При этом выделяется энергия, которую затра­тили электроны для расщепления нейтральных частиц. Выделен­ная энергия проявляется в виде теплоты и электромагнитных ко­лебаний.

    · В процессе дугового разряда угольные электроды постепенно сгорают и вследствие химического соединения с воздухом образуют углекислый газ С02.

    · Так как электрод, соединенный с положительным зажимом источника энергии, сгорает быстрее, чем электрод, соединенный с отрицательным зажимом, для анода используется угольный стер­жень с большим диаметром, чем для катода.

    · В настоящее время дуговой разряд применяют для освещения в прожекторах дальнего действия и в кинопроекторах.

    · Использование электрической дуги для сварки металлов впер­вые было предложено в 1882 г. русским ученым Н. И. Бенардосом. Сущность этого способа сварки состоит в том, что один зажим источника электрической энергии присоединяется к свариваемому предмету, а второй — к угольному электроду, помещенному в ру­коятку (которую держит сварщик).

    · Электрическая дуга может образоваться не только между дву­мя угольными электродами, но и между стержнями из других про­водящих материалов.

    · Если прикоснуться угольным стержнем, соединенным с источ­ником тока, к тому месту предмета, которое желательно сварить, то между этим стержнем и предметом возникает электрическая дуга. Если погрузить в пламя дуги металлический стержень из так назы­ваемого присадочного металла, то он под действием высокой тем­пературы начнет плавиться и отдельными каплями стекать в сварочную ванночку. Расплавленный металл застывает в виде сплошного шва — валика, который скрепляет отдельные части свариваемого предмета.

    · Этот способ сварки был очень несовершенным и требовал зна­чительных улучшений. Надо было предохранить расплавленный металл шва от соприкосновения с воздухом, так как кислород, вхо­дящий в состав воздуха, попадая в шов, делал его хрупким. При сгорании угольного стержня в шов проникало излишнее количество углерода, который так же, как и кислород, делает металл хрупким. Кроме того, угольный стержень создавал очень высокую темпера­туру, вследствие чего металл перегревался и ослаблялся. Также необходимо было усовершенствовать подачу присадочного метал­ла в пламя дуги, так как сварщику было трудно долгое время удерживать металлический пруток на весу в руке.

    · В 1888 г. Н. Г. Славяновым был предложен иной, более совершен­ный способ электросварки. Чтобы избежать науглероживания и пере­грева металла, Н. Г. Славянов вместо угольного стержня применил металлический, который, создавая дугу, расплавлялся и жидкий металл служил для заполнения шва. Для защиты расплавленного металла от кислорода воздуха Н. Г. Славянов предложил посыпать место сварки толченым стеклом. Часть толченого стекла расплав­ляется и покрывает тонким слоем шлака металл шва, предохраняя его от вредного воздействия воздуха.

    · Н. Г. Славяновым был изобретен электрический плавильник, автоматически регулирующий длину дуги, которая по способу Бенардоса регулировалась вручную. Расстояние между электродами при дуговой сварке составляет 3—10 мм.

    · В настоящее время электросварка широко применяется при сооружении каркасов промышленных и жилых зданий, гидростан­ций, судов, трубопроводов, котлов и. т. д. Она является основным способом соединения элементов металлических конструкций и почти совершенно вытеснила клепку. Электрическая дуга используется и для сварки металлов под водой. Для этого на стальной электрод носят водонепроницаемое защитное покрытие из мела, железного сурика, титановой руды, полевого шпата и жидкого стекла. При образовании дугового разряда плавится конец стального стержня. Наружное покрытие стержня, окруженное холодной водой, плавит­ся медленнее стального стержня, поэтому на конце электрода всег­да будет кольцеобразный выступ, являющийся защитным козырь­ком. Под этим козырьком под действием высокой температуры дуги образуются пары расплавленного металла, газы и пары минераль­ных веществ, входящих в покрытие, водород и кислород, являю­щиеся продуктами разложения воды. Эти вещества образуют газовый пузырь, защищающий пространство под козырьком от воды.

    · Электрическая сварка, осуществляется как на постоянном, так и на переменном токе.

    · Каждое прикосновение угольного или металлического стержня к свариваемому предмету для источника электрической энергии ведет К короткому замыканию. Поэтому для питания сварочных устано­вок применяют специальные источники электрической энергии (ге­нераторы, трансформаторы), которые переносят короткие замыка­ния, не выходя из строя.

    · Тепловое действие электрической дуги используют также в электромартенах или дуговых печах, предназначенных для выплав­ки стали и цветных металлов. Дуговая печь сложена из огнеупор­ного кирпича и защищена снаружи стальным кожухом. Верхнюю ее часть (свод) снимают и через нее в рабочее пространство печи пропускают угольные или графитовые электроды. Температура между электродами в печи достигает 6000—8000°.

    · Дуговая печь позволяет очень просто регулировать температу­ру изменением величины тока. Она экономична, так как исключает потери энергии, неизбежные при передаче тепла металлу от топлива, сгорающего в обособленном помещении.

    Электрическая дуга и ее свойства.

    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 иногда из 4200 медных и цинковых кружков» (Санкт-Петербург, 1803). Электрическая дуга является частным случаем четвёртой формы состояния вещества — плазмы — и состоит из ионизированного, электрически квазинейтрального газа. Присутствие свободных электрических зарядов обеспечивает проводимость электрической дуги.

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

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

    Для инициирования пробоя при имеющемся напряжении электроды приближают друг к другу. Во время пробоя между электродами обычно возникает искровой разряд, импульсно замыкая электрическую цепь.

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

    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 электромагнитныхкатушек, 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.

    Электрическая дуга используется при электросварке металлов, для выплавки стали (Дуговая сталеплавильная печь) и в освещении (в дуговых лампах). Иногда используется свойство нелинейной вольт-амперной характеристики дуги (см. Автомат гашения поля).

    Борьба с электрической дугой[править | править вики-текст]

    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. 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 дугогасящей способности вакуума — известно, что при уменьшении давления газов, окружающих коммутируемые контакты до определённого значения, приводит к эффективному гашению дуги (в связи с отсутствием носителей для образования дуги) вакуумный выключатель.

    · использование более дугостойкого материала контактов;

    · применение материала контактов с более высоким потенциалом ионизации;

    · применение дугогасительных решёток (автоматический выключатель, электромагнитный выключатель). Принцип применения дугогашения на решётках основан на применении эффекта околокатодного падения в дуге (большая часть падения напряжения в дуге — это падение напряжения на катоде; дугогасительная решётка — фактически ряд последовательных контактов для попавшей туда дуги).

    · использование дугогасительных камер — попадая в камеру из дугостойкого материала, например слюдопласта, с узкими, иногда зигзагообразными каналами, дуга растягивается, сжимается и интенсивно охлаждается от соприкосновения со стенками камеры.

    · использование «магнитного дутья» — поскольку дуга сильно ионизирована, то её в первом приближении можно полагать как гибкий проводник с током; создавая специальными электромагнитами (включённых последовательно с дугой) магнитное поле можно создавать движение дуги для равномерного 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.

    9.Эффективная и полная мощность дуги. Физические и энергетические основы электролиза.

    Тепловая характеристика дуги. Электрическая дуга выделяет значительное количество тепла, которое образуется вследствие превращения энергии движения частиц в тепловую энергию при столкновении их с анодом, катодом и друг с другом.

    Под действием тепла дуги основной металл расплавляется на некоторую глубину, называемую глубиной проплавления или проваром.

    Основное количество тепла дуги выделяется в катодной и анодной зонах. В самой дуге выделяется меньшая часть тепла, расходуемого на испарение расплавленного металла и покрытия электрода и частично теряемого в окружающую среду.

    Например, при сварке на постоянном токе угольной дугой выделяется на аноде — около 42%, на катоде — около 38% и в столбе — около 20% общего тепла дуги. Анод подвергается более сильной бомбардировке частицами, поэтому на нем выделяется больше тепла.

    Температура дуги также различна и составляет: при использовании угольных электродов — для катода около 3200° С, для анода около 3900° С; при использовании стальных электродов — для катода около 2400° С, для анода около 2600° С.

    Добавить комментарий