Электрическая дуга

Дуговой разряд в воздухе

Электрическая дуга — физическое явление, один из видов электрического разряда в газе.

Впервые была описана в 1802 году русским учёным В. В. Петровым, однако большой вклад в развитие данного раздела внес ученый Никола Тесла. Электрическая дуга является частным случаем четвёртой формы состояния вещества — плазмы — и состоит из ионизированного, электрически квазинейтрального газа. Присутствие свободных электрических зарядов обеспечивает проводимость электрической дуги.

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.

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 и масляных выключателей, а также методы отвода тока на временную нагрузку, самостоятельно разрывающую электрическую цепь.

Полезное применение

Электрическая дуга используется при электросварке металлов, для выплавки стали (Дуговая сталеплавильная печь) и в освещении (в дуговых лампах). Иногда используется свойство нелинейной вольт - амперной характеристики дуги.

Борьба с электрической дугой

Электрическая дуга является газообразным проводником тока

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. При отключении нагрузок вышеуказанными аппаратами между размыкающимися контактами возникает дуга. Механизм возникновения дуги в данном случае следующий:

• 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 распределятся по телу контакта ). Для выполнения вышеуказанных требований применяются следующие методы борьбы с дугой:

• охлаждение дуги потоком охлаждающей среды - жидкости ( масляный выключатель ); 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 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 распределению 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.