Электрическая дуга - Electric arc

Электрическая дуга между двумя гвоздями
Демонстрация лестницы Иакова

Электрическая дуга или дуговой разряд , является электрическим пробоем из газа , который производит длительный электрический разряд . Тока через нормально непроводящую среду , такую как воздух производит плазму ; плазма может производить видимый свет . Дуговый разряд характеризуется более низким напряжением, чем тлеющий разряд, и основан на термоэлектронной эмиссии электронов от электродов, поддерживающих дугу. Архаичный термин - гальваническая дуга , используемый во фразе «гальваническая дуговая лампа».

Методы гашения дуги могут использоваться для уменьшения продолжительности или вероятности образования дуги.

В конце 1800-х годов электрическое дуговое освещение широко использовалось для освещения общественных мест . Некоторые электрические дуги низкого давления используются во многих приложениях. Например, для освещения используются люминесцентные лампы , ртутные, натриевые и металлогалогенные лампы ; ксеноновые дуговые лампы использовались в кинопроекторах . Электрическая дуга может использоваться в производственных процессах, например в электродуговой сварке и в электродуговых печах для переработки стали.

История

Естественная молния теперь считается электрической искрой , а не дугой.

Сэр Хамфри Дэви открыл короткоимпульсную электрическую дугу в 1800 году. В 1801 году он описал это явление в статье, опубликованной в « Журнале естественной философии, химии и искусств» Уильяма Николсона . Согласно современной науке, описание Дэви было искрой, а не дугой. В том же году Дэви публично продемонстрировал этот эффект перед Королевским обществом , пропустив электрический ток через два соприкасающихся углеродных стержня, а затем отодвинув их на небольшое расстояние друг от друга. Демонстрация произвела «слабую» дугу, не легко отличить от устойчивой искры , между угольными точками. Общество подписалось на более мощную батарею из 1000 пластин, и в 1808 году он продемонстрировал крупномасштабную дугу. Ему приписывают название дуги. Он назвал это дугой, потому что она принимает форму направленной вверх дуги, когда расстояние между электродами невелико. Это происходит из-за выталкивающей силы, действующей на горячий газ.

Первая непрерывная дуга была открыта независимо в 1802 году и описана в 1803 году как «особая жидкость с электрическими свойствами» Василием Петровым , русским ученым, проводившим эксперименты с медно-цинковой батареей, состоящей из 4200 дисков.

В конце девятнадцатого века электрическое дуговое освещение широко использовалось для освещения общественных мест . Склонность электрической дуги к мерцанию и шипению была серьезной проблемой. В 1895 году Герта Маркс Айртон написала серию статей для журнала « Электрик» , объяснив, что эти явления были результатом контакта кислорода с угольными стержнями, используемыми для создания дуги. В 1899 году она была первой женщиной, прочитавшей свою статью перед Институтом инженеров-электриков (IEE). Ее статья называлась «Шипение электрической дуги». Вскоре после этого Айртон была избрана первой женщиной-членом IEE; следующая женщина была допущена к IEE в 1958 году. Она подала прошение представить доклад перед Королевским обществом, но ей не разрешили из-за ее пола, и «Механизм электрической дуги» был прочитан Джоном Перри в ее книге. место в 1901 году.

Обзор

Электрические дуги между ЛЭП и пантографами электропоезда после обледенения контактной сети
Электрические дуги между шиной питания и "башмаком" электрического пикапа в поезде лондонского метрополитена.

Электрическая дуга - это форма электрического разряда с наибольшей плотностью тока. Максимальный ток через дугу ограничен только внешней цепью, а не самой дугой.

Дуга между двумя электродами может быть инициирована ионизацией и тлеющим разрядом, когда ток через электроды увеличивается. Напряжение пробоя межэлектродного зазора является комбинированной функцией давления, расстояния между электродами и типа газа, окружающего электроды. Когда начинается дуга, ее напряжение на клеммах намного меньше, чем у тлеющего разряда, а сила тока выше. Дуга в газах, близких к атмосферному, характеризуется излучением видимого света, высокой плотностью тока и высокой температурой. Дуга отличается от тлеющего разряда отчасти одинаковыми температурами электронов и положительных ионов; в тлеющем разряде ионы намного холоднее электронов.

Затянутая дуга может быть инициирована двумя электродами, которые изначально находятся в контакте и разводятся в стороны; это может вызвать дугу без высоковольтного тлеющего разряда. Таким образом сварщик начинает сваривать соединение, на мгновение прикасаясь сварочным электродом к заготовке, а затем отводя его, пока не образуется стабильная дуга. Другой пример - разделение электрических контактов в переключателях, реле или автоматических выключателях; в высокоэнергетических цепях может потребоваться гашение дуги для предотвращения повреждения контактов.

Электрическое сопротивление вдоль непрерывной электрической дуги создает тепло, которое ионизирует большее количество молекул газа (где степень ионизации определяется температурой), и в соответствии с этой последовательностью: твердое тело-жидкость-газ-плазма; газ постепенно превращается в тепловую плазму. Тепловая плазма находится в тепловом равновесии; температура относительно однородна по всем атомам, молекулам, ионам и электронам. Энергия, передаваемая электронам, быстро распространяется на более тяжелые частицы за счет упругих столкновений из-за их большой подвижности и большого числа.

Ток в дуге поддерживается термоэлектронной эмиссией и автоэлектронной эмиссией электронов на катоде. Ток может быть сконцентрирован в очень маленьком горячем пятне на катоде; Можно найти плотность тока порядка одного миллиона ампер на квадратный сантиметр. В отличие от тлеющего разряда , дуга имеет плохо различимую структуру, поскольку положительный столб довольно яркий и простирается почти до электродов с обоих концов. Катодное и анодное падение в несколько вольт происходит в пределах доли миллиметра от каждого электрода. Положительный столбец имеет более низкий градиент напряжения и может отсутствовать на очень коротких дугах.

Низкочастотная (менее 100 Гц) дуга переменного тока напоминает дугу постоянного тока; в каждом цикле дуга инициируется пробоем, и электроды меняются ролями анода или катода, когда ток меняется на противоположное. По мере увеличения частоты тока не хватает времени для рассеивания всей ионизации в каждом полупериоде, и пробой больше не требуется для поддержания дуги; зависимость напряжения от тока становится более близкой к омической.

Электрическая дуга между прядями проволоки.

Различные формы электрических дуг - это возникающие свойства нелинейных моделей тока и электрического поля . Дуга возникает в заполненном газом пространстве между двумя проводящими электродами (часто из вольфрама или углерода) и приводит к очень высокой температуре , способной плавить или испарять большинство материалов. Электрическая дуга - это непрерывный разряд, а подобный электрический искровой разряд - мгновенный. Электрическая дуга может происходить либо при постоянном токе (DC) цепей или переменного тока цепей (AC). В последнем случае дуга может повторно зажигаться на каждом полупериоде тока. Электрическая дуга отличается от тлеющего разряда тем, что плотность тока достаточно высока, а падение напряжения внутри дуги невелико; на катоде плотность тока может достигать одного мегампера на квадратный сантиметр.

Электрическая дуга имеет нелинейную зависимость между током и напряжением. Как только возникает дуга (либо в результате тлеющего разряда, либо при кратковременном прикосновении к электродам с последующим их разделением), увеличение тока приводит к более низкому напряжению между выводами дуги. Этот эффект отрицательного сопротивления требует, чтобы в цепи был установлен некоторый положительный импеданс (в качестве электрического балласта ) для поддержания стабильной дуги. Это свойство является причиной того, что неконтролируемые электрические дуги в устройстве становятся настолько разрушительными, поскольку после возникновения дуга будет потреблять все больше и больше тока от источника постоянного напряжения до тех пор, пока устройство не выйдет из строя.

Использует

Электрическая дуга может расплавить оксид кальция

В промышленности электрические дуги используются для сварки , плазменной резки , для электроэрозионной обработки , в качестве дуговых ламп в кинопроекторах и в качестве световых пятен в сценическом освещении . Электродуговые печи используются для производства стали и других веществ. Карбид кальция производится таким образом, поскольку для протекания эндотермической реакции требуется большое количество энергии (при температуре 2500 ° C).

Углеродные дуговые лампы были первыми электрическими лампами. Они использовались для уличных фонарей в 19 веке и для специализированных приложений, таких как прожекторы, до Второй мировой войны. Сегодня электрические дуги низкого давления используются во многих областях. Например, для освещения используются люминесцентные лампы , ртутные, натриевые и металлогалогенные лампы ; ксеноновые дуговые лампы используются в кинопроекторах.

Формирование интенсивной электрической дуги, похожей на вспышку небольшой дуги , лежит в основе взрывающихся детонаторов .

Основное остающееся применение - распределительные устройства высокого напряжения для сетей передачи высокого напряжения. В современных устройствах используется гексафторид серы под высоким давлением в сопловом потоке между отдельными электродами внутри сосуда высокого давления. Переменный ток короткого замыкания прерывается при нулевом токе сильно электроотрицательными ионами SF6, поглощающими свободные электроны из распадающейся плазмы. Аналогичная воздушная технология была в значительной степени заменена, потому что требовалось много шумных блоков, подключенных последовательно, для предотвращения повторного зажигания тока в аналогичных условиях суперсети.

Изучены электрические дуги для электрического движения космических аппаратов.

Они используются в лаборатории для спектроскопии для создания спектрального излучения за счет интенсивного нагрева образца вещества .

Направляя дугу

Ученые открыли метод управления траекторией дуги между двумя электродами, направляя лазерные лучи на газ между электродами. Газ превращается в плазму и направляет дугу. Путем создания плазменного пути между электродами с помощью различных лазерных лучей дуга может быть сформирована в изогнутые и S-образные пути. Дуга также может поразить препятствие и перестроиться на другой стороне препятствия. Технология дуги с лазерным наведением может быть полезна в приложениях для подачи электрической искры в определенное место.

Нежелательная дуга

Ожог в вилке, вызванный электрической дугой при коротком замыкании .

Нежелательная или непреднамеренная электрическая дуга может иметь пагубные последствия для передачи электроэнергии , систем распределения и электронного оборудования. К устройствам, которые могут вызвать искрение, относятся переключатели, автоматические выключатели, контакты реле, предохранители и плохие заделки кабелей. Когда индуктивная цепь отключена, ток не может мгновенно перейти к нулю: на разделительных контактах образуется переходная дуга. Коммутационные устройства, чувствительные к возникновению дуги, обычно предназначены для сдерживания и гашения дуги, а демпфирующие цепи могут обеспечивать путь для переходных токов, предотвращая образование дуги. Если в цепи достаточно тока и напряжения для поддержания дуги, образованной вне переключающего устройства, дуга может вызвать повреждение оборудования, например оплавление проводов, разрушение изоляции и возгорание. Дуговые описывает взрывоопасное электрическое событие , которое представляет опасность для людей и оборудования.

Нежелательное искрение в электрических контактах контакторов , реле и переключателей можно уменьшить с помощью таких устройств, как контактные дугогасящие устройства и демпферы RC, или с помощью таких методов, как:

Искра может также возникнуть, когда канал с низким сопротивлением (посторонний предмет, токопроводящая пыль , влага ...) образуется между местами с разным напряжением. Таким образом, проводящий канал может способствовать образованию электрической дуги. Ионизированный воздух имеет высокую электропроводность, приближающуюся к электропроводности металлов, и может проводить чрезвычайно высокие токи, вызывая короткое замыкание и срабатывая защитные устройства ( предохранители и автоматические выключатели ). Аналогичная ситуация может возникнуть, когда лампочка перегорает, и фрагменты нити накала создают электрическую дугу между выводами внутри лампы, что приводит к перегрузке по току, которая размыкает выключатели.

Электрическая дуга на поверхности пластмасс вызывает их разрушение. На пути дуги имеет тенденцию образовываться токопроводящая дорожка с высоким содержанием углерода, называемая «углеродным следом», что отрицательно влияет на их изоляционные свойства. Восприимчивость к дуге или «сопротивление дорожки» проверяется в соответствии с ASTM D495 с помощью точечных электродов и непрерывных и прерывистых дуг; он измеряется в секундах, необходимых для формирования проводящей дорожки в условиях высокого напряжения и слабого тока. Некоторые материалы менее подвержены разрушению, чем другие. Например, политетрафторэтилен имеет сопротивление дуге около 200 секунд (3,3 минуты). Из термореактивных пластмасс , алкидных и меламиновых смол лучше , чем фенольные смолы . Полиэтилены имеют сопротивление дуге около 150 секунд; полистиролы и поливинилхлориды имеют относительно низкое сопротивление - около 70 секунд. Пластмассы могут быть изготовлены так, чтобы выделять газы с дугогасящими свойствами; они известны как дугогасящие пластмассы .

Возникновение дуги на некоторых типах печатных плат , возможно, из-за трещин на следах или разрушения припоя, делает поврежденный изолирующий слой проводящим, поскольку диэлектрик сгорает из-за высоких температур. Эта проводимость продлевает искрение из-за каскадного разрушения поверхности.

Подавление дуги

Подавление дуги - это метод попытки уменьшить или устранить электрическую дугу. Существует несколько возможных областей использования методов гашения дуги, среди них осаждение и напыление металлической пленки , защита от дугового разряда , электростатические процессы, в которых электрические дуги нежелательны (например, порошковая покраска , очистка воздуха , полировка пленки PVDF ) и гашение дуги контактным током. . В промышленной, военной и бытовой электронике последний метод обычно применяется к таким устройствам, как электромеханические силовые переключатели, реле и контакторы. В этом контексте гашение дуги использует защиту контактов .

Часть энергии электрической дуги образует новые химические соединения из воздуха, окружающего дугу: в их число входят оксиды азота и озона , второй из которых можно определить по его характерному резкому запаху. Эти химические вещества могут образовываться в контактах высокой мощности в реле и коммутаторах двигателей, и они вызывают коррозию близлежащих металлических поверхностей. Электрическая дуга также разъедает поверхности контактов, изнашивая их и создавая высокое сопротивление контакта при замыкании.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки