Что такое электрическая дуга
Содержание
Название электрическая дуга (ЭД) используется для разновидности электрического разряда, возникающего в газовой среде между 2-мя электродами (катодом и анодом). Наравне с этим названием применяются и такие термины, как вольтова дуга и дуговой разряд. Возникновение ЭД связано с термоэлектронной эмиссией зарядов, вызванной высокой температурой электрода. В результате ионизации газовый промежуток становится проводящим и излучающим в видимом диапазоне. При этом форма разряда выглядит как светящаяся дуга. Явление ЭД нашло своё применение в таких технических приложениях, как сварка, плавка и резка металлов, осветительные приборы.
Историческая справка
Появление искр при приближении электродов друг к другу было известно учёным ещё в ХVIII веке. Но первым, кто получил стационарный, постоянно действующий разряд, был российский физик Петров В. В. Для этого он применил источник электрического тока (гальваническую батарею) с рекордными на тот момент параметрами. Батарея состояла из 2100 медно-цинковых пластин, позволивших получить большое напряжение между угольными электродами. Высокую яркость излучения ЭД и высокую температуру в приконтактных областях разряда в дальнейшем стали применять в промышленных разработках.
Источник электрического тока из набора медных и цинковых пластин изобрёл итальянский учёный Алессандро Вольта. Поэтому его имя также используется для данного явления. Вольтова дуга — вот как в справочниках по-другому называется электрическая дуга.
Физический механизм образования ЭД
Электродуга возникает в результате пробоя газового промежутка, разделяющего электроды. Чем больше величина поданного напряжения, тем больший зазор между катодом и анодом сможет «пробить» разряд. В результате возникает стационарный проводящий столб газа, который разогревается до значительных температур в процессе возникновения дуги. Поскольку воздух является диэлектриком, то изначально в нём отсутствуют свободные электроны, необходимые для создания тока. Чтобы образовался дуговой разряд, необходим лавинообразный процесс ионизации молекул воздуха, который возникает в момент подачи напряжения (поджига), инициирующего термоэлектронную эмиссию, способствующую резкому разогреву газа и увеличению эмиссии носителей заряда.
Дугообразный светящийся промежуток представляет собой горячую плазму. Для долговременного существования электропроводной плазменной дуги требуется:
- Достаточно высокое значение напряжения между электродами.
- Наличие плазмы высокой температуры.
ЭД состоит из катодно-анодных областей, столба дуги и примыкающих областей.
Типичное температурное строение дуги, например, в процессе сварки показано на картинке ниже.
Показатели температуры в каждой части дуги следующие:
- В области анода — 2500–4000 градусов.
- В столбе ЭД — 7000–18000.
- В катодной зоне — 9000–12000.
На практике используют такие свойства электрической дуги, как:
- Четкая граница между окружающим пространством и стволом.
- Большая плотность электротока в стволе дуги — 100–1000 А/кв. мм.
- Незначительные падения напряжения вблизи электродов — 10–20 В.
ЭД — это искровой разряд в газах, который характеризуется:
- Большой плотностью электротока.
- Значительным временем горения.
- Относительно невысоким напряжением в зоне дуги.
- Большим давлением газа.
- Высокой температурой дуги.
Основное отличие между дугой и типичным разрядом — намного большее время горения.
Области применения
После того как Петров открыл явление электродуги, первым применением этого эффекта была лампочка Яблочкова, состоявшая из 2-х угольных электродов, между которыми светилась ЭД. Но электроды быстро выгорали, а спектр излучения перемещался в область ультрафиолета, что неблагоприятно отражалось на зрении людей. Поэтому дуговые лампочки были вытеснены лампами накаливания. В исключительных, военных целях используются дугоразрядные лампы в прожекторах.
Массовое применение дугового разряда началось с момента создания сварочного аппарата, принцип действия которого хорошо известен. Электродуговую сварку используют для соединения металлических изделий между собой.
В сварочных аппаратах используются проводящие свойства плазмы. Высокая температура в точке сваривания двух металлов достигается с помощью специальных электродов. При этом сварщик может настраивать аппарат на требуемую температуру электродуги и учитывать ее свойства.
Дуга переменного тока находит своё применение в доменных печах для плавки различных металлов. Преимущества такой плавки состоят в том, что имеется возможность управления температурным режимом с помощью регулировки токовых характеристик.
Гашение дуги
Помимо полезных свойств электродуга может создавать и большие проблемы. Тогда возникает необходимость гашения дугового разряда. Неконтролируемые электрические разряды способны нанести огромный вред на линиях электропередач, в бытовых и промышленных сетях.
Типичным случаем является возникновение электрического разряда в виде ЭД при размыкании электрической цепи с помощью различных коммутационных устройств. Для возникновения ЭД достаточно, чтобы напряжение на контактах было более 10 В при токе в цепи порядка 0.1 А. При значительных напряжениях и токах температура внутри дуги может достигать 3–15 тыс. градусов, в результате чего плавятся контакты и токоведущие части.
Для решения данной проблемы разработаны различные способы гашения электрической дуги:
- Применение дугогасительных камер с узкой щелью (в электрических аппаратах низкого напряжения).
- Перемещение дуги под воздействием магнитного поля.
- Гашение электрической дуги с помощью дугогасительной решетки.
- Гашение дуги высоким давлением.
- В потоке сжатого газа.
- В трансформаторном масле.
- В вакуумной среде.
- С помощью полупроводниковых приборов.
Это самые распространенные способы гашения дуги при ее возникновении в низковольтных коммутаторах. При использовании высоковольтных выключателей эффективными являются несколько иные методы решения проблемы:
- Дуга не образуется в вакуумных устройствах, поскольку в них нет газа и, следовательно, ионизации — основной причины появления ЭД.
- При размыкании контактов в масляных выключателях происходит и размыкание дуги, а при охлаждении ее гашение.
Отличной альтернативой вышеназванным методам являются элегазовые выключатели. В них в качестве рабочей среды используется сера или элегаз. Особенно эффективные условия гашения дуги постоянного тока или переменного создаются при наличии элегаза. Такие выключатели позволяют минимизировать вредное воздействие электродуги при отключении нагрузки на подстанции или при использовании высокомощного электрооборудования на производстве.