Почему возникает дуга при замыкании контактов. Электрическая дуга (вольтова дуга, дуговой разряд)

Возникновение электрической дуги и её свойства, процессы вызывающие рождение и поддерживающие горение, а также конструктивные решения в коммутационных аппаратах для гашения дугового разряда.

Краткое содержание статьи:

Свойства электрической дуги или дугового разряда

В электротехнике (автоматические выключатели, рубильники, контакторы) при выключении нагруженной цепи рождается электрическая дуга.

Установим ограничения: далее описываются процессы характерные для аппаратов с номинальными токами от 1 до 2000 ампер и предназначенных для работы в сетях с напряжением до 1000 вольт (низковольтная аппаратура). Для высоковольтной аппаратуры существуют другие условия возникновения и горения дуги.

Важные параметры электрической дуги:

дуговой разряд способен развиться исключительно при высоких токах (для металла этот ток составляет 0,5 ампера);
температура в стволе дуги значительная и составляет порядка 6-18 тысяч кельвинов (зачастую 6-10 тысяч кельвинов);
снижение напряжения у катода незначительно и равно 10-20 вольтам.

Дуговой разряд условно разделяют на три зоны:

околокатодную;
ствол дуги (основная часть);
околоанодную.

В выделенных зонах ионизация и деионизация проходят различно:

ионизация - процесс распадения нейтрального атома на отрицательный электрон и положительный ион;
деионизация - процесс противоположный ионизации (антоним), при котором происходит слияние электрона и иона в нейтральную частицу.

В 2-минутном видеоролике представлена замедленная съёмка гашения электрической дуги в модульном автоматическом выключателе производства ABB:

Процессы сопутствующие рождению электрической дуги

На начальном этапе разведения главных контактов дуга зарождается при следующих процессах:

термоэлектронная эмиссия (освобождение отрицательных электронов из разогретой поверхности контакта);
автоэлектронная эмиссия (отрыв электронов из катода под влиянием значительного электрического поля).

Термоэлектронная эмиссия . При разрыве контактов в районе последней площадки контакта образуется зона с расплавленной медью с соответствующей температурой. Медь испаряется на отрицательном электроде из так называемого катодного пятна, которое является источником свободных электронов. На данный процесс оказывают влияние: температура и металл контактных поверхностей; он является достаточным для рождения электрической дуги, но не достаточным для поддержания её горения.

Автоэлектронная эмиссия . Воздушное пространство между контактами можно рассматривать как своеобразный конденсатор, ёмкость которого в первое мгновение неограниченна, а далее сокращается в зависимости от растущего разрыва между подвижным и неподвижным контактом. Описанный конденсатор постепенно подзаряжается и напряжение в нём сравнивается с напряжением главной цепи. Напряжённость электрического поля доходит до величин, при которых возникают условия для выхода электронов из поверхности не нагретого катода.

Соотношение влияния описанных процессов на зарождение дуги зависит от силы выключаемого тока, металла контактной группы, чистоты контактной поверхности, скорости разъединения контактов и иных факторов. Доминирование одного вида эмиссии над другим индивидуально.

Процессы поддерживающие горение дуги.

При помощи следующих механизмов взаимодействия частиц создаются условия для горения разряда:

ионизация толчком (разогнанный электрон врезается в нейтральную частицу и «выбивает» и неё электрон);
тепловая ионизация (разрушение нейтральных атомов значительными температурами).

Ионизация толчком . Свободный электрон с определённой скоростью способен разбить нейтральную частицу на электрон и ион. Вновь полученный электрон способен разорвать внутренние связи у следующей частицы, в результате получается цепная реакция. Скорость электрона является функцией от разности потенциалов на участке движения (достаточный потенциал для выбивания электрона: 13 - 16 вольт для кислорода, водорода, азота; 24 вольта для гелия; 7,7 вольта для медных паров).

Тепловая ионизация . При высоких температурах увеличиваются скорости движения частиц в плазме, что ведёт к разрушению нейтральных атомов по принципу ионизации толчком.

Единовременно с процессами ионизации проходят процессы деионизации за счёт рекомбинации (взаимный контакт «-» и «+» частиц ведёт к слиянию их в нейтральный атом) и диффузии (выход из ствола дуги электронов во внешнюю среду, где в нормальных условиях происходит их поглощение).

Существенным фактором для продолжения горения дуги в нашем случае является тепловая ионизация, поэтому для гашения разряда применяется охлаждение его ствола (контакт с материалом высокой теплопроводности), а также удлинение самой дуги в отведённом ей пространстве.

Методы гашения электрической дуги

Чтобы ограничить негативное воздействие электрической дуги на контакты коммутационного аппарата и его узлы, следует за кратчайшее время погасить дугу. К отрицательным воздействиям относят:

высокие температуры (оплавление, испарение контактного материала);
создание перешейков-проводников электрического тока (дуга легко проводит ток, поэтому может провести его на участки, которые не проводят ток при нормальной работе);
нарушение нормальной электрической схемы аппарата (разрушение изоляции).

Дуга - это частное проявление, одного из состояний вещества, называемого плазмой . Ствол дуги имеет высокие температуры и большое количество свободных ионов. Так как основным фактором, продлевающим горение, является тепловая ионизация , то нужно интенсивно охладить ствол электрической дуги. Для этих целей в коммутационных аппаратах применяются следующие конструктивные решения :

магнитное дутьё или нагнетание охлаждающёй жидкости или газа для того, чтобы удлинить дугу (бо льшая поверхность, больше отдаёт тепла);
деионная решётка или набор профилированных стальных пластин, которые единовременно работают радиаторами и расчленяют дугу на отдельные составляющие;
дугогасительная камера щелевого типа , выполненная из материала с большой теплопроводностью и стойкостью к высоким температурам (электрическая дуга, контактируя с материалом камеры, отдаёт тепловую энергию);
создание закрытого пространства из материала, выделяющего газ под воздействием температуры (высокое давление газов препятствует горению дуги);
специальные контактные сплавы для снижения содержания металлов в плазме;
откачивать воздух из околоконтактного пространства для создания вакуума (нет вещества - нет ионизации);
в аппаратах на переменный ток производить размыкание в момент перехода тока через ноль (меньше энергии для рождения дуги);
вводить в промежуток, между расходящимися контактами, полупроводники, которые воспримут ток и не дадут дуге разгореться;
применять двойной разрыв в цепи (исключая из цепи часть проводника, мгновенно и значительно увеличивается расстояние между катодом и анодом).

Список литературы

Марков А. М. Электрические и электронные аппараты. Часть 1. Электромеханические аппараты. - Псков: Издательство Псков ГУ, 2013 год - 128 с (ссылка на книгу на странице «Прайс-лист »).

Электрическая дуга представляет собой дуговой разряд, который возникает между двумя электродами или же электродом и заготовкой и который позволяет произвести соединение двух и более деталей посредством сваривания.

Сварочная дуга в зависимости от среды, в которой она возникает, делится на несколько групп. Она может быть открытой, закрытой, а также в среде защитных газов.

Открытая дуга протекает на открытом воздухе посредством ионизации частиц в области горения, а также за счет паров металла свариваемых деталей и материала электродов. Закрытая дуга, в свою очередь, горит под слоем флюса. Это позволяет изменить состав газовой среды в области горения и обезопасить металл заготовок от окисления. Электрическая дуга в таком случае протекает по парам металла и ионам флюсовой присадки. Дуга, которая горит в среде защитных газов, протекает по ионам этого газа и парам металла. Это также позволяет предотвратить окисление деталей, а, следовательно, повысить надежность образуемого соединения.

Электрическая дуга различается по роду подводимого тока - переменный или постоянный - и по продолжительности горения - импульсная или же стационарная. Кроме того, дуга может иметь прямую или же обратную полярность.

По типу используемого электрода различают неплавящиеся и плавящиеся. Применение того или иного электрода напрямую зависит от характеристик, которыми обладает сварочный аппарат. Дуга, возникающая при использовании неплавящегося электрода, как видно из названия, не деформирует его. При сварке плавящимся электродом ток дуги расплавляет материал и он наплавляется на исходную заготовку.

Дуговой промежуток можно условно разделить на три характерных участка: прикатодный, прианодный, а также ствол дуги. При этом последний участок, т.е. ствол дуги, обладает наибольшей длиной, однако, характеристики дуги, а также возможность ее возникновения определяются именно околоэлектродными областями.

В целом же, характеристики, которыми обладает электрическая дуга, можно объединить в следующий список:

1. Длина дуги. Имеется в виду суммарное расстояние прикатодной и прианодной области, а также ствола дуги.

2. Напряжение дуги. Состоит из суммы на каждой из областей: ствол, прикатодная и прианодная. При этом изменение напряжения в околоэлектродных областях значительно больше, чем в оставшейся области.

3. Температура. Электрическая дуга в зависимости от состава газовой среды, материала электродов и может развивать температуру вплоть до 12 тысяч градусов Кельвина. Тем не менее, подобные пики расположены не по всей плоскости торца электрода. Поскольку даже при самой лучшей обработке на материале токопроводящей части имеются различные неровности и бугорки, благодаря которым возникает множество разрядов, которые воспринимаются как один. Конечно же, температура дуги во многом зависит от среды, в которой она горит, а также от параметров подводимого тока. К примеру, если увеличить величину тока, то, соответственно, увеличится и значение температуры.

И, наконец, вольт-амперная характеристика или ВАХ. Представляет собой зависимость напряжения от длины и величины тока.

Электрическая дуга - явление электрического разряда в газе (газовой среде). Электрический ток, протекающий по ионизированному каналу в газе (воздухе).

При увеличении напряжения между двумя электродами до уровня электрического пробоя в воздухе между ними возникает электрическая дуга. Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния между электродами, давления окружающего газа, температуры окружающей среды, влажности и других факторов, потенциально сказывающихся на начало развития процесса.. 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 4700-49700 С. 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.

Строение электрической дуги

Электрическая дуга состоит из катодной и анодной областей, столба дуги, переходных областей. Толщина анодной области составляет 0,001 мм, катодной области - около 0,0001 мм.

Температура в анодной области при сварке плавящимся электродом составляет около 2500 … 4000°С, температура в столбе дуги - от 7 000 до 18 000°С, в области катода - 9000 - 12000°С.

Столб дуги электрически нейтрален. В любом его сечении находятся одинаковое количество заряженных частиц противоположных знаков. Падение напряжения в столбе дуги пропорционально его длине.

Влияние электрической дуги на электрооборудование

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, секционные изоляторы на контактной сети электрифицированных железных дорог и городского электротранспорта. При отключении нагрузок вышеуказанными аппаратами между размыкающимися контактами возникает дуга.

Механизм возникновения дуги

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 распределяться по телу контакта).

Методы борьбы с электрической дугой

охлаждение дуги потоком охлаждающей жидкости (масляный выключатель);
охлаждение дуги потоком охлаждающего 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 распределения 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.
шунтирование контактов в момент размыкания силовым полупроводниковым ключом тиристором или симистором, включеным параллельно контактам, после размыкания контактов полупроводниковый ключ отключается в момент перехода напряжения через ноль (гибридный контактор, тирикон).

Примечания

Дуга электрическая - статья из Большой советской энциклопедии.
Искровой разряд - статья из Большой советской энциклопедии.
Райзер Ю. П. Физика газового разряда. - 2-е изд. - М.: Наука, 1992. - 536 с. - ISBN 5-02014615-3.
Родштейн Л. А. Электрические аппараты, Л 1981 г.

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:

анодная область, примыкающая к аноду;
катодная область;
столб дуги.

Любое зажигание дуги начинается с короткого замыкания, т.е. с замыкания электрода с изделием. При этом U д = 0, а ток I max = I кор.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 U д = 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, N 2 , O 2 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:

U д = U к + U с + U а;

Анодная область имеет значительно больший объем U a < U к.

Столб дуги – основная доля дугового промежутка представляет смесь электронов, + и – ионов и нейтральных атомов (молекул). Столб дуги нейтрален:

∑зар.отр. = ∑зарядов положит.частиц.

Энергия для поддержания стационарной дуги поступает от источника питания ИП.

Разная температура, размеров анодных и катодных зон и разное количество тепла выделяющейся – обуславливает существование при сварке на постоянном токе прямой и обратной полярности:

Q a > Q к; U a < U к.

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).

Привет всем посетителям моего блога. Тема сегодняшней статьи электрическая дуга и защита от электрической дуги. Тема не случайная, пишу из больницы имени Склифосовского. Догадываетесь почему?

Что такое электрическая дуга

Это один из видов электрического разряда в газе (физическое явление). Также ее называют – Дуговой разряд или Вольтова дуга. Состоит из ионизированного, электрически квазинейтрального газа (плазмы).

Может возникнуть между двумя электродами при увеличении напряжения между ними, либо приближении друг к другу.

Вкратце о свойствах : температура электрической дуги, от 2500 до 7000 °С. Не маленькая температура, однако. Взаимодействие металлов с плазмой, приводит к нагреву, окислению, расплавлению, испарению и другим видам коррозии. Сопровождается световым излучением, взрывной и ударной волной, сверхвысокой температурой, возгоранием, выделением озона и углекислого газа.

В интернете есть немало информации о том, что такое электрическая дуга, каковы ее свойства, если интересно подробнее, посмотрите. Например, в ru.wikipedia.org.

Теперь о моем несчастном случае. Трудно поверить, но 2 дня назад я напрямую столкнулся с этим явлением, причем неудачно. Дело было так: 21 ноября, на работе, мне было поручено сделать разводку светильников в распаечной коробке, после чего подключить их в сеть. С разводкой проблем не возникло, а вот когда полез в щит, возникли некоторые трудности. Жаль андройд свой дома забыл, не сделал фото электрощита, а то было бы более ясно. Возможно сделаю еще, как выйду на работу. Итак, щит был очень старый — 3 фазы, нулевая шина (она же заземление), 6 автоматов и пакетный выключатель (вроде все просто), состояние изначально не вызывало доверия. Долго боролся с нулевой шиной, так как все болты были ржавые, после чего без труда посадил фазу на автомат. Все хорошо, проверил светильники, работают.

После, вернулся к щиту, чтобы аккуратно уложить провода, закрыть его. Хочу заметить, электрощит находился на высоте ~2 метра, в узком проходе и чтобы добраться до него, использовал стремянку (лестницу). Укладывая провода, обнаружил искрения на контактах других автоматов, что вызывало моргание ламп. Соответственно я протянул все контакты и продолжил осмотр остальных проводов (чтобы 1 раз сделать и не возвращаться больше к этому). Обнаружив, что один контакт на пакетнике имеет высокую температуру, решил протянуть его тоже. Взял отвертку, прислонил к винту, повернул, бах! Раздался взрыв, вспышка, меня отбросило назад, ударившись об стену, я упал на пол, ничего не видно (ослепило), щит не переставал взрываться и гудеть. Почему не сработала защита мне не известно. Чувствуя на себе падающие искры я осознал, что надо выбираться. Выбирался на ощупь, ползком. Выбравшись из этого узкого прохода, начал звать напарника. Уже на тот момент я почувствовал, что с моей правой рукой (ей я держал отвертку) что-то не так, ужасная боль ощущалась.

Вместе с напарником мы решили, что нужно бежать в медпункт. Что было дальше, думаю не стоит рассказывать, всего обкололи и в больницу. Никогда походу не забуду этот ужасный звук долгого короткого замыкания – зуд с жужжанием.

Сейчас лежу в больнице, на коленке у меня ссадина, врачи думают, что меня било током, это выход, поэтому наблюдают за сердцем. Я же считаю, что током меня не било, а ожег на руке, был нанесен электрической дугой, которая возникла при замыкании.

Что там случилось, почему произошло замыкание мне пока не известно, думаю, при повороте винта, сдвинулся сам контакт и произошло замыкание фаза-фаза, либо сзади пакетного выключателя находился оголенный провод и при приближении винта возникла электрическая дуга . Узнаю позже, если разберутся.

Блин, сходил на перевязку, так руку замотали, что пишу одной левой теперь)))

Фото без бинтов делать не стал, очень не приятное зрелище. Не хочу пугать начинающих электриков….

Какие бывают меры защиты от электрической дуги, что могло меня защитить? Проанализировав интернет, увидел, что самым популярным средством защиты людей в электроустановках от электрической дуги является термостойкий костюм. В северной Америке большой популярностью пользуются специальные автоматы фирмы Siemens, которые защищают как от электрической дуги, так и от максимального тока. В России, на данный момент, подобные автоматы используются только на высоковольтных подстанциях. В моем случае мне бы хватило диэлектрической перчатки, но сами подумайте, как в них подключать светильники? Это очень неудобно. Также рекомендую использовать защитные очки, чтобы защитить глаза.

В электроустановках борьба с электрической дугой осуществляется с помощью вакуумных и масляных выключателей, а также при помощи электромагнитных катушек совместно с дугогасительными камерами.

Это все? Нет! Самым надежным способом обезопасить себя от электрической дуги, на мой взгляд, являются работы со снятием напряжения . Не знаю как вы, а я под напряжением работать больше не буду…

На этом моя статья электрическая дуга и защита от электрической дуги заканчивается. Есть что дополнить? Оставь комментарий.