Характеристика электрической дуги

Контрольные вопросы

 

Электронно-лучевые эффекты и их применение в промышленности

Рассмотрим электродуговой нагрев, используемый в промышленности

Характеристика электрической дуги

Электрическая дуга (дуговой разряд), представляющая собой самостоятельный электрический разряд в смеси газов или паров металла между электродами, находящимися под напряжением, характеризуется малым анодно-катодным падением напряжения (10...20 В) и высокой плотностью тока (100...1000 А/см²). Электрический ток, протекающий в дуге, являющейся своеобразным проводником, в соответствии с законом Ленца - Джоуля преобразуется в теплоту, которую в условиях сельского хозяйства используют главным образом для расплавления металлов при сварке, резке и наплавлении.

Рис.  4.1 Электрическая дуга (а) постоянного тока и распределение напряжения (б) на ее элементах: 1-анодный кратер; 2 - столб дуги; 3- светящаяся оболочка; 4 - катодное пятно.

Известно, что в обычных условиях газы не проводят электрический ток, т. е. являются диэлектриками. Поэтому для горения электрической дуги необходимо наличие в газовом промежутке заряженных частиц - электронов или ионов. Электроны, развивая огромные скорости в дуге, сталкиваются с атомами и молекулами газа, превращают их в ионы и тем самым увеличивают его проводимость. Процесс образования электрически заряженных частиц в межэлектродном пространстве называют ионизацией. В электрической дуге ионизацию относят к типу самостоятельных разрядов, так как она происходит за счет энергии источника тока. В пространстве, где происходит разряд, выделяют катодную область 4 (катодное пятно) (рис. 4.0 а), столб 2 дуги, анодную область 1 (анодный кратер). Боковой поверхностью разрядного промежутка являются раскаленные газы 3 (светящаяся оболочка), не принимающие участия в прохождении тока. Материал электрода переносится от анода к катоду, поэтому на поверхности анода появляется углубление, а на поверхности катода - выступ, представляющий собой яркий светящийся участок.

На катоде происходит эмиссия электронов, дающая начало электрической дуге. Эмиссия электронов с поверхности катода может осуществляться за счет его нагревания (термоэлектронная эмиссия), а также за счет высокой напряженности (10⁶ В/см) электрического поля в катодной области (автоэлектронная эмиссия). Плотность тока в катодном пятне очень высокая. В зависимости от материала электродов она составляет 1500...7000 А/см², в анодном же кратере, имеющем по сравнению с катодным пятном большую поверхность, плотность тока снижается примерно в 10 раз.

Столб дуги, представляющий собой ярко светящуюся смесь электронов, положительных ионов и возбужденных нейтральных атомов, называемую плазмой, имеет температуру до нескольких тысяч градусов. Он непрерывно теряет заряженные частицы вследствие их рекомбинации, приводящей к образованию нейтральных атомов, и диффузии в окружающую среду. При стационарном процессе убыль заряженных частиц компенсируется ионизацией в столбе дуги.

Напряжение на дуге складывается из падений напряжений на отдельных ее областях - приэлектродных и столбе дуги. Длина катодной области порядка 10^-5 см, а падение напряжения Uк на ней составляет 10...20 В, что объясняет высокую напряженность в данной зоне (рис.3.1 б). Напряженность электрического поля практически постоянна по всей длине столба дуги, а падение напряжения в нем зависит от протяженности участка. Длина анодной области 10^-4 см, анодное падение напряжения Uа и напряженность электрического поля несколько меньше, чем в катодной области.

Напряжение на дуге и проводимость столба дуги зависят от значения тока. Эту зависимость при медленном изменении тока называют статической вольт-амперной характеристикой (ВАХ) дуги. ВАХ дуги при постоянных ее длине и диаметре электродов показана на рисунке 3.2.

Характеристика состоит из трех участков токов: малых I, средних II и больших III. На первом участке увеличение тока приводит к снижению напряжения дуги, так как при этом возрастают площадь поперечного сечения столба дуги и интенсификация процессов ионизации. Это способствует росту электропроводности канала дугового разряда.

На втором участке наступает равновесие процессов ионизации и деионизации в разрядном промежутке, площадь поперечного сечения столба дуги увеличивается и напряжение ее стабилизируется, т.е. становится независящим от значения тока. На третьем участке увеличение тока приводит к росту напряжения на дуге, так как катодное пятно занимает всю площадь торцов электродов, а сопротивление канала разряда стабилизируется.

Рис3.2  4.2 Статическая вольт-амперная характеристика дуги постоянного тока

Связь общего падения напряжения UД на дуге с падением напряжения на отдельных ее элементах в области малых токов устанавливает формула Г. Айртон:

,

(4.1)

где α - суммарное анодно-катодное падение напряжения, В; β - градиент потенциала в столбе дуги, В/м; l - длина дуги, м; γ и δ - мощности, затрачиваемые на вырывание электродов из катодного пятна, Вт/А, и на продвижение электронов в межэлектродном промежутке на единицу расстояния, Вт/(А.м); Iд - сила тока дуги, А.

В формуле (4.1) падение напряжения

зависит от силы тока, что соответствует падающему характеру ВАХ. Для средних токов это слагаемое мало:

(4.2)

Среда, в которой дуга горит, влияет на форму статической ВАХ. Так, в среде инертных газов даже при небольших токах характеристика дуги возрастающая. Ее применяют при сварке в среде защитных газов, плазменно-дуговых процессах.

Рассмотренные явления происходят в электрической дуге постоянного и переменного тока. Статическая ВАХ на переменном токе соответствует действующим значениям тока и напряжения. При этом катодная и анодная области дуги меняются местами в зависимости от полярности приложенного напряжения. На рисунке 3.3 а, показано изменение тока и напряжения при отсутствии индуктивности в цепи дуги. При напряжении uист источника питания меньше напряжения Uз зажигания дуги она не может загореться. В обычной атмосфере напряжение Uз для стальных электродов составляет 30...35 В, а для угольных - 45...55 В. Через промежуток времени t1 напряжение источника увеличивается до Uз дуга зажигается и по ней протекает ток iД. достигнув амплитудного значения Uт, напряжение источника уменьшается и становится через промежуток времени t₂ меньше напряжения UП погасания дуги, она гаснет, и ток через нее прекращается. На отрезке времени t3 +t1 дуга не горит, а затем происходят повторное ее зажигание, горение и погасание в отрицательной полуволне питающего напряжения.

Для маломощных дуг напряжение UП погасания несколько меньше напряжения Uз зажигания. При силе тока дуги более 100 А напряжение UП мало отличается от Uз и яжение Uд горения практически не зависит от тока дуги, т.е. Uз ~ UП= Uд (рис. 3.3).

При включении индуктивноти последовательно с дугой сдвигается ток относительно напряжения на угол φ (рис. 3.3, в). Изменяя значение индуктивности, можно получить такой угол сдвига фаз, что при уменьшении напряжения источника ниже напряжения горения дуги ЭДС самоиндукции, складывающаяся с напряжением источника, обеспечит напряжение, достаточное для поддержания горения дуги до тех пор, пока ток не перейдет через нулевое значение. В этот момент напряжение источника будет иметь другой знак и увеличится до значения, достаточного для зажигания дуги, т.е. ток в дуге возникает без всякого перерыва. При малом значении индуктивности появляются перерывы в горении дуги и кривая тока существенно искажается.

Рис.3.4  4.3. Изменение тока iд и напряжения Uд в контуре с активным сопротивлением маломощных (а) и мощных (б) дуг, в контуре дуги с индуктивным (в) сопротивлением