Электрическая дуга и ее характеристики. Электрическая дуга: описание и характеристики

2.1. ПРИРОДА СВАРОЧНОЙ ДУГИ

Электрическая дуга представляет собой один из видов электриче­ских разрядов в газах, при котором наблюдается прохождение электри­ческого тока через газовый промежуток под воздействием электрическо­го поля. Электрическую дугу, используемую для сварки металлов, назы­вают сварочной дугой. Дуга является частью электрической сварочной цепи, и на ней происходит падение напряжения. При сварке на постоян­ном токе электрод, подсоединенный к положительному полюсу источ­ника питания дуги, называют анодом, а к отрицательному — катодом. Если сварка ведется на переменном токе, каждый из электродов является попеременно то анодом, то катодом.

Промежуток между электродами называют областью дугового разряда или дуговым промежутком. Длину дугового промежутка на­зывают длиной дуги. В обычных условиях при низких температурах га­зы состоят из нейтральных атомов и молекул и не обладают электриче­ской проводимостью. Прохождение электрического тока через газ воз­можно только при наличии в нем заряженных частиц — электронов и ионов. Процесс образования заряженных частиц газа называют иониза­цией, а сам газ — ионизованным. Возникновение заряженных частиц в дуговом промежутке обусловливается эмиссией (испусканием) элек­тронов с поверхности отрицательного электрода (катода) и ионизацией находящихся в промежутке газов и паров. Дуга, горящая между элек­тродом и объектом сварки, является дугой прямого действия. Такую дугу принято называть свободной дугой в отличие от сжатой, попереч­ное сечение которой принудительно уменьшено за счет сопла горелки, потока газа, электромагнитного поля. Возбуждение дуги происходит следующим образом. При коротком замыкании электрода и детали в местах касания их поверхности разогреваются. При размыкании элек­тродов с нагретой поверхности катода происходит испускание электро­нов — электронная эмиссия. Выход электронов в первую очередь связы­вают с термическим эффектом (термоэлектронная эмиссия) и наличием у катода электрического поля высокой напряженности (автоэлектронная эмиссия). Наличие электронной эмиссии с поверхности катода является непременным условием существования дугового разряда.

По длине дугового промежутка дуга разделяется на три области (рис. 2.1): катодную, анодную и находящийся между ними столб дуги.

Катодная область включает в себя нагретую поверхность катода, называемую катодным пятном, и часть дугового промежутка, примы­кающую к ней. Протяженность катодной области мала, но она характе­ризуется повышенной напряженностью и протекающими в ней процес­сами получения электронов, являющимися необходимым условием для существования дугового разряда. Температура катодного пятна для стальных электродов достигает 2400-2700 °С. На нем выделяется до 38 % общей теплоты дуги. Основным физическим процессом в этой об­ласти является электронная эмиссия и разгон электронов. Падение на­пряжения в катодной области ик составляет порядка 12-17 В.

Анодная область состоит из анодного пятна на поверхности анода и части дугового промежутка, примыкающего к нему. Ток в анодной области определяется потоком электронов, идущих из столба дуги. Анодное пятно является местом входа и нейтрализации свободных электронов в материале анода. Оно имеет примерно такую же темпера­туру, как и катодное пятно, но в результате бомбардировки электронами на нем выделяется больше теплоты, чем на катоде. Анодная область также характеризуется повышенной напряженностью. Падение напря­жения в ней Ua составляет порядка 2-11 В. Протяженность этой области также мала.

Столб дуги занимает наибольшую протяженность дугового проме­жутка, расположенную между катодной и анодной областями. Основ­ным процессом образования заряженных частиц здесь является иониза­ция газа. Этот процесс происходит в результате соударения заряженных (в первую очередь электронов) и нейтральных частиц газа. При доста­точной энергии соударения из частиц газа происходит выбивание элек­тронов и образование положительных ионов. Такую ионизацию назы­вают ионизацией соударением. Соударение может произойти и без ио­низации, тогда энергия соударения выделяется в виде теплоты и идет на повышение температуры дугового столба. Образующиеся в столбе дуги заряженные частицы движутся к электродам: электроны — к аноду, ионы — к катоду. Часть положительных ионов достигает катодного пятна, другая же часть не достигает и, присоединяя к себе отрицательно заря­женные электроны, ионы становятся нейтральными атомами.

Такой процесс нейтрализации частиц называют рекомбинацией. В столбе дуги при всех условиях горения ее наблюдается устойчивое равновесие между процессами ионизации и рекомбинации. В целом столб дуги не имеет заряда. Он нейтрален, так как в каждом сечении его одновременно находятся равные количества противоположно заряжен­ных частиц. Температура столба дуги достигает 6000-8000 °С и более. Падение напряжения в нем (Uc) изменяется практически линейно по длине, увеличиваясь с увеличением длины столба. Падение напряжения зависит от состава газовой среды и уменьшается с введением в нее лег­ко ионизующихся компонентов. Такими компонентами являются ще­лочные и щелочно-земельные элементы (Са, Na, К и др.). Общее паде­ние напряжения в дуге Uд=Uк+Ua+Uc. Принимая падение напряжения в столбе дуги в виде линейной зависимости, его можно представить формулой Uc=Elc, где Е — напряженность по длине, lc — длина столба. Значения ик, Ua, E практически зависят лишь от материала электродов и состава среды дугового промежутка и при их неизменности остаются постоянными при разных условиях сварки. В связи с малой протяжен­ностью катодной и анодной областей можно считать практически 1с=1д. Тогда получается выражение

II}{ = а + Ы}{, (2.1)

показывающее, что напряжение дуги прямым образом зависит от ее длины, где а=ик+иа; b=E. Непременным условием получения качест­венного сварного соединения является устойчивое горение дуги (ее ста­бильность). Под этим понимают такой режим ее существования, при ко­тором дуга длительное время горит при заданных значениях силы тока и напряжения, не прерываясь и не переходя в другие виды разрядов. При устойчивом горении сварочной дуги основные ее параметры — сила тока и напряжение — находятся в определенной взаимозависимости. По­этому одной из основных характеристик дугового разряда является за­висимость ее напряжения от силы тока при постоянной длине дуги. Графическое изображение этой зависимости при работе в статическом режиме (в состоянии устойчивого горения дуги) называют статической вольтамперной характеристикой дуги (рис. 2.2).

С увеличением длины дуги ее напряжение возрастает и кривая ста­тической вольтамперной характеристики поднимается, выше с уменьше­нием длины дуги опускается ниже, качественно сохраняя при этом свою форму. Кривую статической характеристики можно разделить на три области: падающую, жесткую и возрастающую. В первой области уве­личение тока приводит к резкому падению напряжения дуги. Это обу­словлено тем, что с увеличением силы тока увеличивается площадь сечения столба дуги и его электропроводность. Горение дуги на режимах в этой области отличается малой устойчивостью. Во второй области увеличение силы тока не связано с изменением напряжения дуги. Это объясняется тем, что пло­щадь сечения столба дуги и активных пятен изменяется пропорциональ­но силе тока, в связи с чем плотность тока и падение напряжения в дуге сохраняются постоянными. Сварка дугой с жесткой статической харак­теристикой находит широкое применение в сварочной технологии, осо­бенно при ручной сварке . В третьей области с увеличением силы тока напряжение возрастает. Это связано с тем, что диаметр катодного пятна становится равным диаметру электрода и увеличиваться далее не может, при этом в дуге возрастает плотность тока и падает напряжение. Дуга с возрастающей статической характеристикой широко используется при автоматической и механизированной сварке под флюсом и в защитных газах с применением тонкой сварочной проволоки.

Рис. 2.3. Статистическая вольтамперная характеристика дуги при разных скоростях подачи электродной проволоки: а — малая скорость; б — средняя скорость, в — большая скорость

При механизированной сварке плавящимся электродом иногда применяют статическую вольтамперную характеристику дуги, снятую не при постоянной ее длине, а при постоянной скорости подачи элек­тродной проволоки (рис. 2.3).

Как видно из рисунка, каждой скорости подачи электродной про­волоки соответствует узкий диапазон токов с устойчивым горением ду­ги. Слишком малый сварочный ток может привести к короткому замы­канию электрода с изделием, а слишком большой — к резкому возраста­нию напряжения и ее обрыву.

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

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

Что такое электрическая дуга

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

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

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

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

Как образуется сварочная дуга

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

Гашение электрической дуги в коммутационной аппаратуре

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

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

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

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

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

Основные способы гашения дуги

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

1.

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

2.

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

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

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

Другие методы гашения

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

Увеличение сопротивления дуги достигается разными способами:

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

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

Последствия действия электрической дуги

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

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

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

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

Дуговой разряд отличается от других:

1 - высокой температурой 4000 - 50 ООО К

2 - высокой силой тока 50-10 000 А

3 - слабым электрическим полем 10 - 60 В.

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

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

Положительный электрод - анод.

Отрицательный электрод - катод

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Энергетическая ёмкость различных областей дуги

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

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

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

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

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

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

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

Сварочные дуги подразделяют (классифицируют):

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

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

Плавящимся или неплавящимся электродом и т. п.

Физические процессы в катодной области

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

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

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

Плотность тока (А/см2):

I = eo-rvWe’i© = e0n©W&

е0 - заряд электрона;

л© - количество электронов;

W© - скорость движения (дрейфа) электронов.

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

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

Р _ П1фУф - _ тсЛЧэ.

где те, т© - соответствующие массы.

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

Еф = Ее=Єо. ик

тогда скорости движения заряженных частиц:

w* = ; we = №., тогда

пе _ W9 _ у гпе _ I гп(

Масса электрона mQ, = 9,106-10"28 г

Масса протона mn = 1,66-10"24 г

1,66-10"24-55,84 _з19

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

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

Катодная эмиссия

Различают такие виды эмиссии электронов с поверхности катода:

Термоэлектронная;

Автоэлектронная (электростатическая);

Фотоэлектронная (внешний фотоэффект);

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

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

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

Термоэлектронная эмиссия.

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

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

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

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

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

Плотность тока для термоэлектронной эмиссии определяется уравнением Ричардсона - Дештмена:

jT=AT2e“kf; jT = AT2e"^

А - постоянная, зависит от материала катода

Т - температура

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Fi v £ ф + Уз mv2

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

m - масса электро. на

v - скорость электрона после эмиссии.

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

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

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

■Л-тс п-д Р’

п - количество частиц;

S - диаметр взаимодействия частиц (диаметр Рамзауэра);

Р - внешнее давление.

Средняя квадратическая скорость определяется из средней энергии теплового движе­ния.

к - постоянная Больцмана.

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

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

соотношение их подвижностей составит:

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

ь. =й-Ц-Ц - ■Jt ps

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

5 - диаметр взаимодействия частиц (Рамзауэра).

Скорость дрейфа электрона в столбе дуги:

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

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

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

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

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

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

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

Рассматривать будем статические характеристики столба дуги.

Предположения (Каналовая модель К. К. Хренова):

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

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

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

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

Принцип минимума Штейнбека.

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

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

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

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

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

Баланс энергии в областях дуги

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

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

ист - падение напряжения на столбе дуги.

Ионизация нейтральных атомов:

Ц - потенциал ионизации газов дугового промежутка.

Тепловые потери на излучение - RCT

Тепловые потери на конвекцию - R^*,

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

Тепловые потери на эндотермические химические реакции - RXMt

Уравнение баланса:

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

Q* + R* или, в упрощённой форме:

Q* = lc*(UK - <р)

отсюда вывод:

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

причём: 2 - характерно для неплавящихся катодов;

10 - характерно для плавящихся катодов.

3. Баланс энергии на аноде.

Уравнение баланса:

Р + А ■ Rem - Qt + R*

или, в упрощённой форме:

Q« = l~(U, + <р)

Опытные данные показывают:

Сжатая дуга.

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

рі/2,2 3 гст = С2 -гг - д

ЬЗ,!9Л2 а0 Uj

С увеличением тока увеличивается радиус дуги.

drCT „ Р12 2,-13 . Р12 Дід

Ид Стд3и{912 3 ИЛИ 2а‘3и!9,2",Ц

Дгст - темп увеличения радиуса дуги.

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

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

I = ЛГап " Urn-

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

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

В реальных условиях на величину прироста Дгет могут влиять:

1. Радиус электродов, между которыми горит дуга.

2. Потенциал ионизации газа, в котором горит дуга.

3. Теплоотдача с боковой поверхности столба дуги.

Способы получения сжатой дуги

Исходя из этого, есть такие способы получения сжатой дуги:

Ограничение диаметра хотя бы одного из электродов;

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

Внешнее продольное магнитное поле (в технике не применяется).

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

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

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

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

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

В 1802 г. русский физик Василий Владимирович Петров (1761-1834) установил, что если присоединить к полюсам большой электрической батареи два кусочка древесного угля и, приведя угли в соприкосновение, слегка их раздвинуть, то между концами углей образуется яркое пламя, а сами концы углей раскаляются добела, испуская ослепительный свет (электрическая дуга). Это явление семь лет спустя независимо наблюдал английский химик Г. Дэви, который предложил в честь А. Вольты назвать эту дугу «вольтовой».

На рис. 159 изображен простейший способ получения электрической дуги. В регулирующем штативе закреплены два угля, в качестве которых лучше брать не обычный древесный уголь, а специально изготовляемые стержни, получаемые прессованием смеси графита, сажи и связующих веществ (дуговые угли). Источником тока может служить осветительная сеть. Чтобы в момент соединения углей не получилось короткого замыкания, последовательно с дугой следует включить реостат.

Рис. 159. Установка для получения электрической дуги: 1 и 2 – угольные электроды

Обычно осветительная сеть питается током переменного направления. Дуга, однако, горит устойчивее, если через нее пропускают ток постоянного направления, так что один из ее электродов является все время положительным (анод), а другой отрицательным (катод). Фотография накаленных электродов такой дуги приведена на рис. 160. Между электродами находится столб раскаленного газа, хорошо проводящего электричество. В обычных дугах этот столб испускает значительно меньше света, нежели раскаленные угли, и поэтому на фотографии не виден. Положительный уголь, имея более высокую температуру, сгорает быстрее отрицательного. Вследствие сильной возгонки угля на нем образуется углубление – положительный кратер, являющийся самой горячей частью электродов. Температура кратера в воздухе при атмосферном давлении доходит до 4000° С.

Рис. 160. Электроды электрической дуги (фотография)

98.1. В дуговых лампах употребляют специальные регуляторы – часовые механизмы, сближающие с одинаковой скоростью оба угля по мере их сгорания. Однако толщина положительного угля всегда бывает больше, чем отрицательного. Почему так делают?

Дуга может гореть и между металлическими электродами (железо, медь и т. д.). При этом электроды плавятся и быстро испаряются, на что расходуется много тепла. Поэтому температура кратера металлического электрода обычно ниже, чем угольного (2000-2500° С).

Заставляя гореть дугу между угольными электродами в сжатом газе (около 20 атм), удалось довести температуру положительного кратера до 5900° С, т. е. до температуры поверхности Солнца. При этом наблюдалось плавление угля. Еще более высокой температурой обладает столб газов и паров, через который идет электрический разряд. Энергичная бомбардировка этих газов и паров электронами и ионами, подгоняемыми электрическим полем дуги, доводит температуру газов в столбе до 6000-7000° С. Поэтому в столбе дуги почти все известные вещества плавятся и обращаются в пар, и делаются возможными многие химические реакции, которые не идут при более низких температурах. Нетрудно, например, расплавить в пламени дуги тугоплавкие фарфоровые палочки.

Для поддержания дугового разряда нужно небольшое напряжение: дуга хорошо горит при напряжении на ее электродах 40-45 В. Ток в дуге довольно значителен. Так, например, даже в небольшой дуге, в опыте, изображенном на рис. 159, идет ток около 5 А, а в больших дугах, употребляющихся в промышленности, ток достигает сотен ампер. Это показывает, что сопротивление дуги невелико; следовательно, и светящийся газовый столб хорошо проводит электрический ток.

98.2. Дуговая лампа требует ток 300 А при напряжении на углях 60 В. Какое количество теплоты выделяется в такой дуге за 1 мин? Чему равно сопротивление такой дуги?

Такая сильная ионизация газа возможна только благодаря тому, что катод дуги испускает очень много электронов, которые своими ударами ионизуют газ в разрядном пространстве. Сильная электронная эмиссия с катода обеспечивается тем, что катод дуги сам накален до очень высокой температуры (от 2200 до 3500°С в зависимости от материала). Когда для зажигания дуги мы вначале приводим угли в соприкосновение, то в месте контакта, обладающем очень большим сопротивлением, выделяется почти все джоулево тепло проходящего через угли тока (§ 59). Поэтому концы углей сильно разогреваются, и этого достаточно для того, чтобы при их раздвижении между ними вспыхнула дуга. В дальнейшем катод дуги поддерживается в накаленном состоянии самим током, проходящим через дугу. Главную роль в этом играет бомбардировка катода падающими на него положительными ионами.

Вольтамперная характеристика дуги, т. е. зависимость между силой тока в дуге и напряжением между ее электродами , носит совершенно своеобразный характер. До сих пор мы встречались с двумя формами такой зависимости: в металлах и электролитах ток возрастает пропорционально напряжению (закон Ома), при несамостоятельной проводимости газов ток сначала возрастает с увеличением напряжения, а затем достигает насыщения и от напряжения не зависит. В дуговом разряде при увеличении тока напряжение на зажимах дуги уменьшается. Говорят, что дуга имеет падающую вольтамперную характеристику.

Таким образом, в случае дугового разряда увеличение тока приводит к уменьшению сопротивления дугового промежутка и уменьшению напряжения на нем. Именно поэтому, для того чтобы дуга горела устойчиво, необходимо включать последовательно с ней реостат (рис. 159) или другое так называемое балластное сопротивление.

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

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

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

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

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

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

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

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

Способы гашения дуги в коммутационных электрических аппаратах

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

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

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

В коммутационных аппаратах используют различные способы гашения дуги.

Удлинение дуги

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

Деление длинной дуги на ряд коротких дуг

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

Охлаждение дуги в узких щелях

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

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

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

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

Гашение дуги высоким давлением

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

Гашение дуги в масле

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

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

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

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

Другие способы гашения дуги в аппаратах на напряжение выше 1 кВ

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