Что такое дуга в электрике
Электрическая дуга и ее характеристики
Электрическая дуга — прохождение электричества через газ между двумя электродами, один из которых является источником электронов (катодом). Электрод — проводник, которым заканчивается какой-либо участок электрической цепи.
Электроны, испускаемые катодом в большом количестве, вызывают сильную ионизацию газа между электродами и тем самым делают возможным прохождение тока большой силы между электродами.
Характерной особенностью электрической дуги в отличие от обычного газового разряда является то, что она может гореть при небольших напряжениях.
Электрическая дуга была открыта петербургским физиком В. В. Петровым в 1802 г. и получила важное применение в технике.
Электрическая дуга представляет собой вид разряда, характеризующийся большой плотностью тока, высокой температурой, повышенным давлением газа и малым падением напряжения на дуговом промежутке. При этом имеет место интенсивное нагревание электродов (контактов), на которых образуются так называемые катодные и анодные пятна. Катодное свечение концентрируется в небольшом ярком пятне, раскаленная часть противоположного электрода образует анодное пятно.
Рис. 1. Строение электрической дуги
Размеры областей катодного и анодного падения напряжении на рисунке сильно преувеличены. В действительности их протяженность очень мала Например, протяженность катодного падения напряжения имеет величину порядка пути свободного движения электрона (меньше 1 мк). Протяженность области анодного падения напряжения обычно несколько больше этой величины.
В обычных условиях воздух является хорошим изолятором. Так, необходимое для пробоя воздушного промежутка в 1 см напряжение составляет 30 кВ. Чтобы воздушный промежуток стал проводником, необходимо создать в нем определенную концентрацию заряженных частиц (электронов и ионов).
Как возникает электрическая дуга
Электрическая дуга, представляющая собой поток заряженных частиц, в начальный момент расхождения контактов возникает в результате наличия свободных электронов газа дугового промежутка и электронов, излучаемых с поверхности катода. Свободные электроны, находящиеся в промежутке между контактами перемещаются с большой скоростью по направлению от катода к аноду под действием сил электрического поля.
Напряженность поля в начале расхождения контактов может достигать нескольких тысяч киловольт на сантиметр. Под действием сил этого поля вырываются электроны с поверхности катода и перемещаются к аноду выбивая из него электроны, которые образуют электронное облако. Созданный таким путем первоначальный поток электронов образует в дальнейшем интенсивную ионизацию дугового промежутка.
Наряду с ионизационными процессами, в дуге параллельно и непрерывно идут процессы деионизации. Процессы деионизации состоят а том, что при сближении двух ионов разных знаков или положительного иона и электрона они притягиваются и, сталкиваясь, нейтрализуются, кроме того, наряженные частицы перемещаются из области горения душ с большей концентрацией зарядов в окружающую среду с меньшей концентрацией зарядов. Все эта факторы приводят к понижению температуры дуги, к ее охлаждению и погасанию.
Рис. 2. Электрическая дуга
Дуга после зажигания
Вещество, степень ионизации которого близка к единице, т.е. в котором нет нейтральных атомов и молекул, называют плазмой.
Электрическая дуга характеризуется следующими особенностями:
1. Ясно очерченной границей между стволом дуги и окружающей средой.
Вольт-амперная характеристика электрической дуги
Основной характеристикой дуги постоянного тока является зависимость напряжения дуги от тока, которая называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ).
Дуга возникает между контактами при некотором напряжении (рис. 3), называемом напряжением зажигания Uз и зависящим от расстояния между контактами, от температуры и давления среды и от скорости расхождения контактов. Напряжение гашения дуги Uг всегда меньше напряжения U з.
Рис. 3. Вольт-амперная характеристика дуги постоянного тока (а) и ее схема замещения (б)
Кривая 1 представляет собой статическую характеристику дуги, т.е. получаемую при медленном изменении тока. Характеристика имеет падающий характер. С ростом тока напряжение на дуге уменьшается. Это означает, что сопротивление дугового промежутка уменьшается быстрее, чей увеличивается ток.
Если с той или иной скоростью уменьшать ток в дуге от I1 до нуля и при этом фиксировать падение напряжения на дуге, то получатся кривые 2 и 3. Эти кривые носят название динамических характеристик.
Чем быстрее уменьшать ток, тем ниже будут лежать динамические ВАХ. Это объясняется тем, что при снижении тока такие параметры дуги, как сечение ствола, температура, не успевают быстро измениться и приобрести значения, соответствующие меньшему значению тока при установившемся режиме.
Падение напряжения на дуговом промежутке:
Из формулы следует, что с увеличением длины дуги падение напряжения на дуге будет увеличиваться, и ВАХ будет располагаться выше.
С электрической дугой борются при конструировании коммутационных электрических аппаратов. Свойства электрической дуги используются в установках электродуговой сварки и в дуговых плавильных печах.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Электрическая дуга: терминология и причины появления, чем грозит и какие последствия несет
Электрическая дуга это серьезная проблема, которая возникает при перегрузке кабелей между подстанциями или трансформаторами. Однако, несмотря на свое негативное влияние, ее можно использовать в технологических целях.
На данный момент узкопрофильные специалисты разработали эффективные методы устранения явления, и в тоже время способы его применения.
В этой статье мы подробнее разберем эту тему.
Появление «микро молнии» на наглядном примере и схема строения
Для наглядности и лучшего понимания мы приведем простой пример. Представьте, что мы находимся в условиях лаборатории и проводим физическое исследование.
Для этого мы располагаем металлические шурупы наконечниками напротив друг друга на небольшой дистанции.
С помощью жилы мы подключим шурупы к источнику электропитания. По ходу увеличения силы тока, мы сможем проследить за возникновением небольших искр между шурупами, которое напоминание «микромолнию».
Благодаря такому воображаемому эксперименту, можно представить себе появление электрической дуги. Научным языком «микромолния» называется плазмой.
Практически именно эта искра и является электрической дугой. Простыми словами это поток электричества через воздушную среду между заряженными электродами.
Рекомендуем ознакомиться с детальными изображениями приведенными выше. На них вы сможете увидеть строение.
Причины и условия появления
Как известно, если любое тело, проводящее электричество, например, гвоздь, шуруп и т.д., расположить в активном электрическом поле, то на его поверхности будут накапливаться заряженные частицы.
Более того, чем больше изгиб или искривление поверхности проводника, тем меньше их будет накапливаться. Если упростить терминологию – электрический заряд будет накапливаться на остром конце шурупа или гвоздя.
Пространство между, вышеприведенными в эксперименте, шурупами выступает в роли проводящего воздуха или газа.
Из-за влияния электрического поля происходит ионное заряжение, в результате которого появляются искры или «микромолния» или электрическая дуга.
Все эти термины подразумевают одно и тоже, потому рекомендуем использовать то, что для вас легче всего визуализировать и понять.
Напряжение тока во время которого появляется электрическая дуга, зависит от нескольких факторов внешней среды: давление, температура, влажность воздуха и т.д.
На заметку. Некоторые специалисты утверждают, что явление именно такой формы, поскольку в действительности траектория заряженных частиц искажается от воздействия внешней температуры, напоминая полукруг.
Чтобы зажечь электрическую дугу необходимо разорвать напряжение электроцепи. Для наглядности рекомендуем ознакомиться с иллюстрацией ниже.
Подробнее о зажигании и условиях горения.
Негативное влияние
Электрическая дуга нещадно влияет на все электрооборудование, в том числе на целые подстанции и коммутационные сети.
Для наглядности, представьте, что резко выдергиваете вилку электроустройства во время его работы из розетки. Не трудно догадаться, что произойдет, как минимум – искра, а хуже даже вспышка электросети.
Точно такой же процесс происходит и с коммутационным оборудованием, только в сотни раз масштабнее и опаснее.
Чаще всего электрические дуги образуются на:
В некоторых устройствах рассчитанных на сети 220 В обязательно применяют камеры дугового гашения для защиты сети.
Рекомендуем ознакомиться с иллюстрацией выше.
Простыми словами камеры дугового гашения напоминает устройство с небольшим лабиринтом из разных перегородок из диэлектрического металла.
Принцип действия камеры заключается в том, что плазма попадает в область камеры и разрывается на маленькие фрагменты, в результате чего, она теряет температуру и дуга исчезает.
Кроме того, в высоковольтных сетях, трансформаторах и подстанциях активно используются переключатели вакуумного, газового и масляного действия.
В масляном варианте процесс гашения происходит в результате коммутации проводников в масле, в котором дуга распадается на газ и водород.
Также вокруг «микромолнии» образуется газовая оболочка, которая охлаждает искру и в итоге ее разрушает.
В переключателях с вакуумным способом действия, в принципе нивелируется возникновение электрической духи из-за отсутствия газовой среды.
Не менее популярны стали полугазовые переключатели, которые используют в современных высоковольтных сетях. Также можно погасить дугу, применив нулевое значение тока.
Как применить «микромолнию» с пользой
Ниже мы опишем, где можно использовать ее с пользой и приведем понятные схемы и иллюстрации.
Уверены, что данное объяснение в это статья углубит ваши профессиональные познания.
Что такое электрическая дуга, как она возникает и где применяется?
Наблюдать искровые разряды приходилось каждому, в том числе и людям, далёким от познаний в электротехнике. Гигантскими искровыми разрядами сопровождаются грозы. Высвобождение огромной энергии, сконцентрированной в электрическом разряде молнии (см. рис. 1), сопровождается ослепительной вспышкой раскалённого ствола. Одним из видов искровых разрядов, созданных человечеством, является дуговой разряд, или попросту, электрическая дуга.
На сегодняшний день причины возникновение и свойства электрической дуги детально изучено наукой. Физики установили, что в области её горения возникает огромная концентрация зарядов, которые образуют плазму ствола. Температуры столба достигает нескольких тысяч градусов.
Что такое электрическая дуга?
Это загадочное явление впервые описал русский учёный В. Петров. Он создавал электрическую дугу, используя батарею, состоящую из тысяч медных и цинковых пластин. Изучая процесс зажигания дуги постоянным током, учёный пришёл к выводу, что воздушный промежуток между электродами при определённых условиях приобретает электропроводимость.
Одним из условий возникновения электрического пробоя является достаточно высокая разность потенциалов на концах электродов. Чем выше напряжение, тем больший газовый промежуток может преодолеть разряд. При этом образуется электропроводный газовый столб, который сильно разогревается во время горения дуги.
Возникает резонный вопрос: «Почему воздух, являющийся отличным изолятором в обычном состоянии, вдруг становится проводником?».
Объяснение может быть только одно – в стволе дуги образуются носители зарядов, способные перемещаться под действием электрического поля. Поскольку в воздухе, в отличие от металлов, нет свободных электронов, то вывод напрашивается только один – ионизация газов (см. рис. 3). То есть, запуск процесса насыщения газа ионами, являющимися носителями электрического заряда.
Рис. 3. Физика электрической дуги
Ионизация воздуха происходит под действием различного вида излучений, включая рентгеновское и космическое облучение. Поэтому в воздухе всегда находятся небольшое количество ионов. Но поскольку ионы почти сразу рекомбинируются (превращаются в нейтральные атомы и молекулы), то концентрация заряженных частиц всегда мизерная. Получить вспышку дуги при такой концентрации невозможно.
Для возникновения дугового разряда нужен лавинообразный процесс ионизации. Его можно вызвать путём сильного нагревания газа, которое происходит при зажигании.
При размыкании контактов происходит эмиссия электронов, скапливающихся на очень маленьком пространстве. Под действием напряжённости электрического поля отрицательные заряды устремляются к электроду с положительным знаком.
При достижении напряжения пробоя, между электродами возникает искровой разряд, разогревающий область между электродами. Если ток достаточно большой, то количество тепла будет достаточно для запуска лавинообразного процесса ионизации воздуха.
Насыщение плазменного ствола ионами разных знаков приводит к значительному увеличению плотности тока, а также к рекомбинации части ионов. Разогревание плазмы приводит также к увеличению давления в стволе. Поэтому часть ионов улетучивает в окружающее пространство.
Если не поддерживать образование новых зарядов, то произойдёт гашение дуги. Как мы уже выяснили, устойчивому горению сопутствуют 2 фактора: наличие напряжения между электродами и поддержание высокой температуры плазмы. Исключение одного из них, приведёт к гашению дуги.
Таким образом, можем сформулировать определение электрической дуги. А именно электрическая дуга — это вид искрового разряда, сопровождающегося большой плотностью тока, длительностью горения, малым падением напряжения на промежутке ствола, характеризующегося повышенным давлением газа, в котором поддерживается высокая температура.
Электрическая дуга отличается от обычного разряда большей длительностью горения.
Строение
Электрическая дуга состоит из трёх основных зон:
В сварочных дугах размеры катодной и анодной зоны незначительные, по сравнению с длиной столба. Толщина этих зон составляет тысячные доли миллиметра. В зоне катодного падения напряжения (на конце отрицательного электрода) наблюдается наличие катодных пятен, которые образуются в результате сильного нагревания.
На рисунке 4 изображена схема строения дуги, создаваемой сварочным аппаратом.
Рис. 4. Строение сварочной дуги
Обратите внимание: с целью достижения наглядности, на картинке сильно преувеличены электродные зоны. В действительности их толщина измеряется в микронах.
Свойства
Высокая плотность тока в стволе электрической дуги определяет её главные свойства:
Эти свойства необходимо учитывать при борьбе с возникновением электрической дуги, так и при её применении в некоторых сферах.
Полезное применение
Как это ни странно, но физики нашли применение этому электрическому явлению ещё на этапе развития науки об электричестве. Пример тому – лампочка Яблочкова. Она состояла из двух угольных электродов, между которыми зажигалась электрическая дуга.
У этой лампы были два недостатка. Электроды быстро изнашивались (выгорали), а спектр света смещался в ультрафиолетовую зону, что негативно влияло на зрение. По этим причинам дуговые лампы не нашли широкого применения и их быстро вытеснили лампы накаливания, существующие до сегодняшнего дня.
Исключение составляют дугоразрядные лампы, а также мощные прожектора, используемые преимущественно в военных целях.
Дуговой разряд стал массово применяться на практике с момента изобретения сварочного аппарата. Дуговую сварку применяют для сварки металлов. (см. рис. 5)
Рис. 5. Дуговая сварка
Используя проводимость плазмы, включая в сварочную цепь специальные сварочные электроды, достигают высокой температуры в сосредоточенном пятне. Регулируя сварочный ток, сварщик имеет возможность настроить аппарат на нужную температуру дугового разряда. Для защиты ствола от тепловых потерь, металлические электроды покрыты специальной смесью, обеспечивающей стабильность горения.
Электрическую дугу применяют в доменных печах для плавки металлов. Дуговая плавка удобна тем, что можно регулировать её температуру путём изменения параметров тока.
Наряду с полезным применением, в электротехнике часто приходится бороться с дуговыми разрядами. Не контролированный дуговой разряд может нанести существенный вред на линиях электропередач, в промышленных и бытовых сетях.
Рис. 6. Дуговой разряд на ЛЭП
Причины возникновения
Исходя из определения, можем назвать условия возникновения электрической дуги:
При сохранении оптимальной длины дуги температура плазмы поддерживается самостоятельно. Однако, с увеличением промежутка между электродами, происходит интенсивный теплообмен ствола с окружающим воздухом. В конце концов, в стволе, вследствие падения температуры, образование ионов лавинообразно прекратится, в результате чего произойдёт гашение пламени.
Пробои часто случаются на высоковольтных ЛЭП. Они могут привести к разрушению изоляторов и к другим негативным последствиям. Длинная электрическая дуга довольно быстро гаснет, но даже за короткое время горения её разрушительная сила огромна.
Дуга имеет склонность к образованию при размыкании контактов. При этом контакты выключателя быстро выгорают, электрическая цепь остаётся замкнутой до момента исчезновения ствола. Это опасно не только для сетей, но и для человека.
Способы гашения
Следует отметить, что гашение дуги происходит и по разным причинам. Например, в результате остывания столба, падения напряжения или когда воздух между электродами вытесняется сторонними испарениями, препятствующими ионизации.
Для охлаждения ствола его иногда разбивают на несколько составляющих. Данный принцип часто используют в конструкциях воздушных выключателей, рассчитанных на напряжения до 1кВ.
Некоторые модели выключателей состоят из множества дугогасительных камер, способствующих быстрому охлаждению.
Быстрой ионизации можно достигнуть путём испарения некоторых материалов, окружающих пространство подвижных ножей. Испарение под высоким давлением сдувает плазму ствола, что приводит к гашению.
Существуют и другие способы: помещение контактов в масло, автодутьё, применение электромагнитного гашения и др.
Воздействие на человека и электрооборудование
Электрическая дуга представляет опасность для человека своим термическим воздействием, а также ультрафиолетовым действием излучающего света. Огромную опасность таит в себе высокое напряжение переменных токов. Если незащищённый человек окажется на критически близком расстоянии от токоведущих частей приборов, может произойти пробой электричества с образованием дуги. Тогда на тело, кроме воздействия тока, окажет действие термической составляющей.
Распространение дугового разряда по конструктивным частям оборудования грозит выжиганием электронных элементов, плат и соединений.
Явление электрической дуги
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:
Явления ионизации и деионизации
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:
ВАХ дугового разряда постоянного тока
Эта кривая соответствует кривой 3 на самом верхнем рисунке. Тут есть:
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.
Если разорвать цепь амперметра под нагрузкой, то тоже можно увидеть дугу.
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.