Явление электрической дуги

Предотвращение вспышек электрической дуги

Первый шаг в безопасности вспышки дуги сводит к минимуму риск возникновения. Это можно сделать, выполнив оценку электрического риска, которая может помочь определить, где находятся самые большие опасности на объекте. IEEE 1584 является хорошим вариантом для большинства объектов и поможет выявить общие проблемы.

Регулярные проверки всего высоковольтного оборудования и всей проводки являются еще одним важным шагом. Если есть какие-либо признаки коррозии, повреждения проводов или другие проблемы, их следует устранить как можно скорее. Это поможет безопасно хранить электрические токи внутри машин и проводов.

Некоторые конкретные области, которые должны быть проверены, включают в себя любые электрические распределительные щиты, щиты управления, панели управления, корпуса розеток и центры управления двигателями.

Условия горения

В нормальных условиях, при обычном давлении и температуре 20 °С газы, и прежде всего — воздух не являются проводниками. Чтобы они смогли проводить электричество, нужно создать особые условия: высвободить с атомных орбит большое количество ионов. Такой процесс называют ионизацией.

Работу, затрачиваемую на высвобождение одного электрона, называют потенциалом ионизации. Для различных материалов она составляет он 3,5 до 20 электрон-вольт. Наименьший потенциал характерен для щелочных элементов: калия, кальция и их соединений. Эти вещества добавляют в обмазку электродов или сварочную проволоку с целью поддержания стабильных параметров разряда. Добавляют их и в состав флюсового порошка для закрытого типа сварки.

Для обеспечения высокого качества сварного соединения необходимо поддерживать стабильные параметры электродуги, такие, как сила тока, напряжение, температура.

Температура определяется следующими факторами:

• Материал катода.
• Размеры катода.
• Условия окружающей среды.

Распределение температуры дуги

Постоянство параметров тока — напряжение и сила — обеспечивается источником тока. Для сварочных работ разработано большое количество конструкций таких источников – от устаревших громоздких сварочных трансформаторов и выпрямителей до современных инверторов и полуавтоматов.

Продолжительность разряда

В практических применениях чаще используется непрерывный режим разряда. Однако импульсный режим также распространен. Его используют при контактной сварке.

Сварка заготовок проводится не сплошным швом, а в нескольких точках. Такое соединение не обеспечивает герметичности, но обладает достаточной прочностью для выполнения тонкостенных конструкций, таких, как корпуса бытовой техники, различных приборов и установок, корпуса автомобилей.

Процесс осуществляется неплавящимся массивным электродом, который с большой силой прижимается к заготовке. Через электрод пропускается кратковременный ток очень большой силы — до нескольких тысяч ампер. В месте контакта металл обеих заготовки расплавляется, а по окончании импульса охлаждается и кристаллизуется как единое целое.

Далее электрод (или заготовка) перемещается вдоль линии шва к новой точке, прижимается к ней и подается новый импульс.

Электроды-ролики для контактной сварки

Существует разновидность такого метода, позволяющая получать и герметичные соединения. Электрод в этом случае выполняется в виде ролика, катящегося по поверхности заготовки. Импульсы подаются с небольшими промежутками, зоны оправления вдоль линии качения частично перекрываются и образуют сплошной материал шва. Такая технология применяется при автоматической сварке трубопроводов.

Применение[править | править код]

Электрическая дуга, как мощный и концентрированный источник тепла, используется при электродуговой сварке и плазменной резке металлов, для выплавки стали в дуговых печах, инициировании взрывчатого вещества в электродетонаторах. Также дуга может быть использована для нагрева рабочего тела в электроракетных двигателях.

Совместное действие нагрева от дуги и ударных волн, возникающих при схлопывании дугового канала, используется при электроэрозионной обработки. Объёмные пульсациии плазменного канала высокочастотной дуги используется для звуковоспроизведения в ионофонах.

Яркое излучение дуги используется для освещения. Дуговыми были первые серийные источники электрического света — свечи Яблочкова. Определённое распространение получили мощные источники света на основе электрической дуги — дуговые электролампы. В зависимости от состава среды в которой горит дуга такие лампы могут быть как прямого излучения (ксеноновая дуговая лампа, угольная дуговая лампа, натриевая газоразрядная лампа), так и косвенного, с помощью люминофоров — ртутная газоразрядная лампа.

Влияние на состав плазмы дугу материала электродов используют в вакуумно-дуговом нанесении покрытий и в спектроскопии, например, в стилоскопах, для получения спектра излучения исследуемого образца.

Особенности физики зажигания дуги (необходимость катодного пятна) используют в ртутных выпрямителях.

Иногда используется свойство нелинейной вольт-амперной характеристики дуги (см. автомат гашения поля, разрядники).

Другие способы гашения дуги в аппаратах на напряжение выше 1 кВ

Кроме указанных выше способов гашения дуги, используют также: сжатый воздух, потоком которого вдоль или поперек обдувается дуга, обеспечивая ее интенсивное охлаждение (вместо воздуха применяются и другие газы, часто получаемые из твердых газогенерирующих материалов — фибры, винипласта и т. п. — за счет их разложения самой горящей дугой), элегаз (шестифтористая сера), обладающий более высокой электрической прочностью, чем воздух и водород, в результате чего дуга, горящая в этом газе, даже при атмосферном давлении достаточно быстро гасится, высокоразреженный газ (вакуум), при размыкании контактов в котором дуга не загорается вновь (гаснет) после первого прохождения тока через нуль.

4350

Закладки

Последние публикации

Светодиодный прожектор LS-500-W-ХX

Сегодня, в 12:02

17

ГК «АНТРАКС» примет участие в международном форуме «Электрические сети»

Вчера, в 13:20

19

Новая котельная в Уфе будет работать в автоматизированном режиме

Вчера, в 12:24

25

Светодиодная лампа LS-T8 LED 30W- 1200 мм

15 марта в 15:23

46

Россети Центр» и «Россети Центр и Приволжье» проводят учения по повышению надежности электросетевого комплекса и борьбе с хищениями

15 марта в 13:36

41

IPPON: двадцать лет вместе с вами

15 марта в 09:35

50

Игорь Маковский поставил задачи по обеспечению безопасности и устойчивого функционирования электросетевого комплекса в новых реалиях

14 марта в 23:27

56

Курскэнерго оказало помощь детям Донбасса

14 марта в 12:00

53

В приграничный с Украиной Трубчевский РЭС филиала «Россети Центр Брянскэнерго» доставлен автогидроподъемник

11 марта в 22:41

78

Игорь Маковский: наша задача сохранить надежность электроснабжения и 45 тысяч рабочих мест в производственных организациях партнеров

10 марта в 22:56

88

Самые интересные публикации

Новая газотурбинная ТЭЦ в Касимове выдаст в энергосистему Рязанской области более 18 МВт мощности

4 июня 2012 в 11:00

223919

Выключатель элегазовый типа ВГБ-35, ВГБЭ-35, ВГБЭП-35

12 июля 2011 в 08:56

47712

Выключатели нагрузки на напряжение 6, 10 кВ

28 ноября 2011 в 10:00

37772

Распределительные устройства 6(10) Кв с микропроцессорными терминалами БМРЗ-100

16 августа 2012 в 16:00

22809

Элегазовые баковые выключатели типа ВЭБ-110II

21 июля 2011 в 10:00

20991

Признаки неисправности работы силовых трансформаторов при эксплуатации

29 февраля 2012 в 10:00

19380

Оформляем «Ведомость эксплуатационных документов»

24 мая 2017 в 10:00

17281

Правильная утилизация батареек

14 ноября 2012 в 10:00

14401

Проблемы в системе понятий. Отсутствие логики

25 декабря 2012 в 10:00

12512

Порядок переключений в электроустановках 0,4 — 10 кВ распределительных сетей

31 января 2012 в 10:00

12069

Строение

Электрическая дуга состоит из трёх основных зон:

• катодной;
• анодной;
• плазменного столба.

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

Что происходит во время вспышки дуги

Вспышка дуги начинается, когда электричество покидает намеченный путь, и начинает распространяться по воздуху в направлении заземленной зоны. Как только это происходит, он ионизирует воздух, что еще больше снижает общее сопротивление вдоль пути, по которому идет дуга. Это помогает привлечь дополнительную электрическую энергию.

Дуга будет двигаться таким образом, чтобы найти ближайшее расстояние к земле. Точное расстояние, которое может пройти вспышка дуги, называется границей вспышки дуги. Это определяется потенциальной энергией и множеством других факторов, таких как температура воздуха и влажность.

При работе по повышению безопасности вспышки дуги, установка будет часто отмечать границу вспышки дуги, используя клейкую ленту для пола. Любой, кто работает в этой области, должен будет носить средства индивидуальной защиты (СИЗ).

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».

Рекомендуем ознакомиться с детальными изображениями приведенными выше. На них вы сможете увидеть строение.

Сварочные аппараты «Дуга»

Надежность соединения зависит от следующих особенностей оборудования:

• качества сборки;
• встроенной электроники;
• используемой оснастки.

Хороший аппарат стоит дорого, а дешевый не позволяет получить аккуратный и прочный шов. Оборудование марки «Дуга» лишено обоих недостатков. Оно имеет доступную стоимость, но только за счет упрощения конструкции, а не потери качества. Производитель не стал оснащать аппараты дорогим инвертором. Он взял за основу трансформаторное изделие и внес ряд усовершенствований, назвав конечный результат «сварочным выпрямителем». Получился простой в использовании агрегат средней мощности, предназначенный для работ в быту на постоянном токе.

Наиболее востребованы 2 модели:

• 318МА;
• 318М1.

Первая характеризуется следующим образом:

1. Сварочный ток – до 160 А.
2. Тип электрода – плавящийся или вольфрамовый с подачей аргона и других защитных газов.
3. Питание – от сети 220 В или генератора.

Модель «Дуга 318М1» позиционируется как полупрофессиональная.

Ее параметры:

1. Сварочный ток – до 300 А со ступенчатой регулировкой.
2. Разновидность расходников – плавящиеся с покрытием, диаметром до 6 мм.
3. Питание – сеть 220 В (включается в розетку).
4. Охлаждение – принудительное.

Возможно производство следующих видов работ:

1. Сварка деталей из нержавеющей стали.
2. Резка металлов.
3. Наплавка.

Недостаток аппаратов «Дуга» – большие габариты и вес (50 кг).

Вред и борьба с ней

Физические параметры разряда могут нести угрозу как здоровью человека, так и оборудованию. Особенно высокий риск возникновения несут высоковольтные сети – длина такого разряда может достигать полутора метров.

Важно! Горение дуги сопровождается выделением огромного количества тепла. Средняя температура может достигать значения 2500-3000 Сº.. Но даже в быту, выдернув шнур питания мощного электрообогревателя, можно увидеть небольшую вспышку, которая образовалась в момент прерывания контакта

Но даже в быту, выдернув шнур питания мощного электрообогревателя, можно увидеть небольшую вспышку, которая образовалась в момент прерывания контакта.

В качестве средств защиты контактов применяют специальные дугогасительные камеры – корпус из диэлектрического материала с набором из нескольких проводящих перегородок. Они принимают на себя разряд, разделяя его на несколько частей, что способствует его охлаждению.

Строение вакуумного выключателя.

Эксплуатация высоковольтных сетей предусматривает использование различных типов выключателей:

• масляный;
• вакуумный;
• газовый;

Физические явления[править | править код]

Электрическая дуга между двумя электродами в воздухе при атмосферном давлении образуется следующим образом:

При увеличении напряжения между двумя электродами до определённого уровня в воздухе между электродами возникает электрический пробой. Напряжение электрического пробоя зависит от расстояния между электродами и других факторов. 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 5000-50000 K. При этом считается, что поджиг дуги завершён. После поджига устойчивое горение дуги обеспечивается термоэлектронной эмиссией с катода, разогреваемого током и ионной бомбардировкой.

После поджига дуга может оставаться устойчивой при разведении электрических контактов до некоторого расстояния.

Взаимодействие электродов с плазмой дуги приводит к их нагреву, частичному расплавлению, испарению, окислению и другим видам коррозии.

Строение дуги

Строение электрической дуги при дуговой сварке. 1-анодная область, 2-область дуги и защитного газа, 3-дуга, 4-катодные пятна, 5-катодная область

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.

Сварочные дуги классифицируют по:

• Материалам электрода — с плавящимся и неплавящимся электродом;
• Степени сжатия столба — свободную и сжатую дугу;
• По используемому току — дуга постоянного и дуга переменного тока;
• По полярности постоянного электрического тока — прямой полярности («-» на электроде, «+» — на изделии) и обратной полярности;
• При использовании переменного тока — дуги однофазная и трехфазная.

Саморегулирование дуги

При возникновении внешнего возмущения — изменения напряжения на дуге, скорости подачи электрода и др. — возникает нарушение в установившемся равновесии между скоростью подачи и скоростью плавления. При увеличении длины дуги увеличивается её сопротивление и уменьшается сварочный ток. Это приводит к уменьшению выделяемого тепла и уменьшению скорости плавления электрода. При этом, скорость подачи, оставаясь постоянной, становится больше скорости плавления, что приводит к восстановлению длины дуги. При уменьшении длины дуги скорость плавления проволоки становится больше скорости подачи, это приводит к восстановлению нормальной длины дуги.

На эффективность процесса саморегулирования дуги значительно влияет форма вольт-амперной характеристики источника питания. Большое быстродействие колебания длины дуги отрабатывается автоматически при жестких ВАХ цепи.

Чем определяется мощность сварочной дуги

Основные факторы, оказывающие влияние на параметры мощности:

• напряжение. Увеличение мощности сварки достигается за счет увеличения питающего напряжения. Но в сравнительно небольшом диапазоне значений. Есть определенные ограничения и по размеру расходных материалов;
• сила тока. Прямая зависимость: чем больше показатель – тем стабильнее горит дуга;
• величина напряжения плазмы находится в прямой зависимости от мощности.

Длиной дуги принято называть расстояние от электрода доя рабочей поверхности в момент выполнения сварочных работ. От данного показателя зависит величина продуцированного тепла.

Мощность дуги определяет скорость плавления металла. Данная характеристика имеет большое значение, поскольку от нее зависит скорость выполнения операций по соединению металлов. Силой тока меняется рабочая температура в зоне плавления. Даже длинная электрическая дуга не будет затухать при большой силе тока. Во время сварочных работ изменение настроек ампеража требуется очень редко.

При постоянном токе

Для лучшего восприятия информации рассмотрим свойства дуги на примере сварочных процессов. Источники питания сварочной дуги могут различаться по типу тока. При постоянном токе выделяют три основные зоны:

• анодная область;
• катодная область;
• столб дуги.

Зоны анода и катода, которые поддаются наиболее интенсивному температурному воздействию, называют активными пятнами. Через них проходит весь разряд дуги. При сварочном токе в 300 А размер катодного пятна в два раза меньше анодного. Распределение выделения тепловой энергии выглядит следующим образом:

• анодная область – 43 %;
• катодная область – 36 %;
• столб дуги – 21 %.

При этом наибольшей температурой отличается столб дуги. При сварке неплавящимися электродом температура столба может быть в диапазоне 5000-6000 Сº.

Искровой разряд

Искровой разряд представляет собой ионные и электронные лавины, вызванные ударной ионизацией. При этом в газе возникают каналы ионизированного газа — стриммеры, по которым распространяется искровой разряд. Газ в стриммерах сильно нагревается, давление в нем повышается. Искра имеет зигзагообразный характер с ответвлениями вследствие неоднородности среды, стриммеры в которой образуются в меняющемся направлении наиболее легкой ионизации. Искра возникает в том случае, когда мощность источника недостаточна для поддержания непрерывного разряда.
 

Электрическая схема выпрямительного устройства В-140-5 и искропредупреждающего устройства.

Искровой разряд в некоторых случаях вызывает загорание краски на изделии, поэтому искропредупреждаю-щее устройство должно быть сверхбыстродействующим.
 

Искровой разряд всем известен.
 

Искровой разряд подается на вторую свечу на 6 поворота коленчатого вала раньше, чем на центральную свечу: Это ускоряет сгорание топлива и улучшает антидетонационные характеристики двигателя.
 

Искровой разряд возникает при больших давлениях газа и при большой разности потенциалов на электродах. Представляет собой пучок ярких зигзагообразных полосок, совокупность которых называют искровым каналом. Во всех трех видах разрядов образуется типичное плазменное состояние. Положительный столб тлеющего и дугового разрядов и искровой канал искрового разряда состоят из плазмы.
 

Искровые разряды в электрофильтре, к — ток короны. UK — напряжение.| Дуговой разряд в электрофильтре. / — рабочее напряжение. 2 — нулевая линия напряжения. 3 — ток короны. 4 — нулевая линия тока короны. — 5 — отметчик времени 500 гц.

Искровые разряды в электрофильтре ( рис. 4 — 2) представляют собой апериодические пробои длительностью порядка 10 — 3 сек и не вызывают заметных перегрузок в системе.
 

Схема включения газоразрядного прибора с холодными электродами ( а. вольт-амперная характеристика электрического разряда ( б.

Искровой разряд проявляется как пучок ярких зигзагообразных полосок, пронизывающих разрядный промежуток за очень короткий отрезок времени. Примером искрового разряда являются грозовые разряды — молнии, часто наблюдаемые в земной атмосфере.
 

Искровой разряд возникает при давлениях газа, близких к атмосферному, при приложении к электродам высокого напряжения от маломощного источника тока. Искровой разряд представляет собой зигзагообразный ( разветвленный) светящийся канал, идущий от одного электрода к другому.
 

Искровой разряд возникает при большом давлении газа. При этом условии имеет место высокое напряжение зажигания разряда, но после того, как разрядный промежуток пробит искровым каналом, сопротивление этого промежутка делается очень малым, в цепи возникает сильный ток, приводящий к такому перераспределению потенциала, что на разрядный промежуток приходится лишь незначительное напряжение.
 

Искровые разряды и воспламенение ими паров горючих жидкостей и газо-воздушных смесей хорошо воспроизводятся в лабораторных условиях при заряжении жидкостей в трубах и их прокачивания через фильтры. Обычно наблюдаемые разряды в емкостях, заполняемых жидкостью, имеют вид короны.
 

Искровые разряды могут проходить между металлическими предметами, находящимися в электростатическом поле, либо между поверхностью заряженной жидкости и заземленной стенкой.
 

Искровой разряд есть форма нестационарного самостоятельного разрядного процесса, переводящего среду из состояния диэлектрика в состояние существенной проводимости. Быстрое нарастание тока в промежутке сопровождается яркими световыми явлениями и сильными звуковыми эффектами, а также электромагнитными процессами. Для искры характерен отшнурованный канал.
 

Внешняя характеристика источников питания сварочной дуги

Внешняя характеристика источников питания (сварочного трансформатора, выпрямителя и генератора) — это зависимость напряжения на выходных зажимах от величины тока нагрузки. Зависимость между напряжением и током дуги в установившемся (статическом) режиме называется вольт-амперной характеристикой дуги.

Внешние характеристики сварочных генераторов, показанные на рис. 1 (кривые 1 и 2), являются падающими. Длина дуги связана с ее напряжением: чем длиннее сварочная дуга, тем выше напряжение. При одинаковом падении напряжения (изменении длины дуги) изменение сварочного тока неодинаково при неодинаковых внешних характеристиках источника. Чем круче характеристика, тем меньше влияет длина сварочной дуги на сварочный ток. При изменении напряжения на величину δ при крутопадающей характеристике изменение тока равно а1, при пологопадающей — а2.

Рис. 1. Внешняя характеристика источников питания: 1 — крутопадающая внешняя характеристика; 2 — пологопадающая; 3 — жёсткая; 4 — пологовозрастающая

Рис. 2. Внешняя характеристика источников питания и сварочной дуги: а — сплошная линия — генератора, штрихованная — дуги в момент возбуждения; штрихпунктирная — дуги при горении; б — характеристика источников питания сварочной дуги.

Для обеспечения стабильного горения дуги необходимо, чтобы характеристика сварочной дуги пересекалась с характеристикой источника питания (рис. 2).

В момент зажигания дуги (рис. 2, а) напряжение падает по кривой от точки 1 до точки 2 — до пересечения с характеристикой генератора, т. е. до положения, когда электрод отводится от поверхности основного металла. При удлинении дуги до 3 — 5 мм напряжение возрастает по кривой 2—3 (в точке 3 осуществляется устойчивое горение дуги). Обычно ток короткого замыкания  превышает рабочий ток,   но  не более чем в 1,5 раза. Время восстановления напряжения после короткого замыкания до напряжения дуги не должно превышать 0,05 с, этой величиной оцениваются динамические свойства источника.

На рис. 2,6 показаны падающие характеристики 1 и 2 источника питания при жесткой характеристике дуги 3, наиболее приемлемой при ручной дуговой сварке.

Напряжение холостого хода (без нагрузки в сварочной цепи) при падающих внешних характеристиках всегда больше рабочего напряжения дуги, что способствует значительному облегчению первоначального и повторного зажигания дуги. Напряжение холостого хода не должно превышать 75 В при номинальном рабочем напряжении 30 В (повышение напряжения облегчает зажигание дуги, но одновременно увеличивается опасность поражения сварщика током). Для постоянного тока напряжение зажигания должно быть не менее 30 — 35 В, а для переменного тока 50 — 55 В. Согласно ГОСТ 7012 —77Е для трансформаторов, рассчитанных на сварочный ток 2000 А, напряжение холостого хода не должно превышать 80 В.

Повышение напряжения холостого хода источника переменного тока приводит к снижению косинуса «фи». Иначе говоря, увеличение напряжения холостого хода снижает коэффициент полезного действия источника питания.

Источник питания для ручной дуговой сварки плавящимся электродом и автоматической сварки под флюсом должен иметь падающую внешнюю характеристику. Жесткая характеристика источников питания (рис. 1, кривая 3) необходима при выполнении сварки в защитных газах (аргоне, углекислом газе, гелии) и некоторыми видами порошковых проволок, например СП-2. Для сварки в защитных газах применяются также источники питания с пологовозрастающими внешними характеристиками (рис. 1, кривая 4).

Относительная продолжительность работы (ПР) и относительная продолжительность включения (ПВ) в прерывистом режиме сварочной дуги

Относительная продолжительность работы (ПР) и относительная продолжительность включения (ПВ) в прерывистом режиме характеризуют повторно-кратковременный режим работы источника питания.

Величина ПР определяется как отношение продолжительности рабочего периода источника питания к длительности полного цикла работы и выражается в процентах

где tp — непрерывная работа под нагрузкой; tц — длительность полного цикла. Условно принято, что в среднем tp = 3 мин, а tц = 5 мин, следовательно, оптимальная величина ПР %  принята 60%.

Различие между ПР% и ПВ% состоит в том, что в первом случае источник питания во время паузы не отключается от сети и при разомкнутой сварочной цепи работает на холостом ходу, а во втором случае источник питания полностью отключается от сети. 

Природа возникновения явления

Процесс формирования дуги выглядит следующим образом:

1. Сварщик на долю секунды касается электродом металлической заготовки.
2. В момент контакта происходит короткое замыкание, сопровождающееся протеканием тока большой силы и, как следствие, мощным выделением тепла.
3. Металл в точке прикосновения плавится. Он становится вязким, тягучим.
4. В момент отрыва расходника от заготовки за ним тянется капля расплава.
5. Удлиняясь, она утоньшается с образованием т.н. шейки. В какой-то момент та испаряется и превращается в облако заряженных частиц. Одновременно вследствие высокой температуры в данной зоне ионизируется воздух или защитный газ.
6. Под действием электрического поля носители отрицательного заряда устремляются к аноду, положительного — к катоду. Начинается процесс протекания тока в плазме.

В момент контакта происходит короткое замыкание, металл в точке прикосновения плавится. Каждый этап длится миллисекунды, разряд возникает практически мгновенно. Далее ток поддерживается эмиссией электронов на катоде. По пути к аноду они ионизируют газ и пары металла, увеличивая число свободных носителей заряда.

При каких условиях начинается горение

Электрическая сварочная дуга возникает при силе тока от 10 до 1000 А и разности потенциалов 15-40 В. В холодном воздухе розжиг затрудняется, поскольку тот слабо ионизируется. В таких условиях прогревают заготовку либо подают теплый защитный газ.

Источники питания дуги

Для создания разряда используют и постоянное, и переменное напряжение. В первом случае сварной шов получается более качественным, а металл разбрызгивается меньше.

Ток из сети 220 В преобразуется трансформатором, дающим на выходе 15-40 В.

С целью уменьшения его габаритов в современных сварочных аппаратах используют схему, состоящую из таких узлов:

1. Входного выпрямителя.
2. Инвертора — электронного устройства с быстропереключающимися транзисторами, управляемого микросхемой.
3. Трансформатора.
4. Выходного выпрямителя.

Инвертор является источником питания дуги.

Инвертор превращает постоянный ток в переменный с частотой до 80 кГц. Это позволяет не только уменьшить размеры трансформатора, но и повысить КПД аппарата.

Параметры источника подбирают с учетом способа выполнения работ. Например, при ручной сварке длина дуги колеблется, поэтому нужен аппарат с крутопадающей вольт-амперной характеристикой. Благодаря ему разряд при растягивании не гаснет, а при его укорочении ток не становится слишком большим.

При сварке плавящимся электродом с него стекают на заготовку капли металла. В такие моменты возникает ток короткого замыкания, превышающий дуговой на 20%-50%. Он пережигает образовавшийся металлический мостик, и плазменный разряд образуется снова. Эти колебания происходят в короткие моменты времени, поэтому источник должен быстро реагировать на них, стабилизируя разность потенциалов.

Чем и как определяется мощность

Плазма представляет собой проводник с протекающим по нему электрическим током. Значит, на вопрос о том, чем определяется мощность сварочной дуги, дается тот же ответ, что и для любого резистора: напряжением и амперажем. Скорость выделения тепла равна произведению этих величин.

Мощность варьируют силой тока, которая зависит от длины дуги.

Чаще мощность варьируют силой тока, которая, в свою очередь, зависит от длины дуги. Одновременно меняется и температура нагрева металла, а с ней и скорость выполнения работ.

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.

С целью недопущения образования дуг на высоковольтных проводах ЛЭП, их разносят на большое расстояние, что исключает вероятность пробоя. Если же пробой между проводами всё-таки случится, то длинный ствол быстро охладится и произойдёт гашение.

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.

Почему возникает?

По теории в нормальных условиях газы являются диэлектриками. При возникновении подходящих условий они могут поддаваться ионизации, наделяя свои элементы положительными или отрицательными зарядами.

Внешнее электрическое поле, обладающее заданными параметрами, и высокая температура влияют на газ, преобразуя его в плазму, которая обладает всем свойствами проводника электричества.

Данное свойство получило широкое распространение в промышленности, используя дугу в качестве газового проводника.

Алгоритм образования электрической сварочной дуги следующий:

1. Контакт. Он соединяет электрод и металл.
2. Разрыв контакта. Под влиянием тока поверхность электрода и металла начинает плавиться, образуя прослойку жидкого металла. В течение некоторого времени, с увеличением слоя расплава происходит разрыв контакта.
3. Возбуждение дуги. Пространство между анодом и катодом заполняют ионы и электроны испарений расплавленного металла, которые под действием напряжения притягиваются противоположным полюсам, возбуждая дугу.
4. Стабилизация дуги. С ростом концентрации заряженных частиц дуговое соединение подвергается интенсивной ионизации, в этой точке достигается полная стабилизация горения.
5. Образование сварочной ванны. Под действием дуги металлы электрода и поверхности переходят в жидкое агрегатное состояние, образуя смесь.
6. Кристаллизация. После отключения источника питания для сварки поверхность остывает, образуя сварное соединение.

Явления ионизации и деионизации

Внутренними процессами, которые способствуют возникновению и гашению дуги, являются ионизация и деионизация. Изучение данных явлений позволяет разобраться с факторами, влияющими на внешние процессы. Преобладание процессов ионизации характерно для причин возникновения дуги. При ее стабилизации явления происходят с равной периодичностью. С превалированием явлений деионизации дуга потухнет.

Виды ионизации:

1. Термическая. Наиболее распространенный процесс, который способствует сохранению дуги после ее образования. Благодаря значительному температурному воздействию возрастает количество и скорость элементов, что благотворно сказывается на ионизации.
2. Ударная. При перемещении на высокой скорости электрон неизбежно сталкивается с нейтральной частицей. После взаимодействия образуется новая заряженная частица – ион.
3. Полевая электронная эмиссия. Под действием внешнего электрического поля с высокой напряженностью электроны покидают поверхность без предварительного возбуждения.
4. Эффект Эдисона или термоэлектронная эмиссия. Под воздействием высокой температуры уровень энергии электронов увеличивается. При достижении определенного показателя они способные преодолеть потенциальный барьер на границе с металлом.

К явлениям деионизации относятся:

1. Рекомбинация. Процесс взаимодействия частиц с противоположными зарядами сопровождается образованием нейтрально заряженных элементов.
2. Диффузия. Процесс переноса заряженных частиц в окружающую среду, сопровождающийся выводом тепловой энергии.