قوس الکتریکی می تواند بسیار مخرب برای تجهیزات و مهمتر از آن برای افراد خطرناک باشد. تعداد نگران کننده ای از تصادفات ناشی از آن هر ساله رخ می دهد که اغلب منجر به سوختگی یا مرگ جدی می شود. خوشبختانه پیشرفت های قابل توجهی در صنعت برق در زمینه ایجاد وسایل و روش های محافظت در برابر قرار گرفتن در معرض قوس الکتریکی حاصل شده است.

علل و مکان وقوع

قوس الکتریکی یکی از کشنده ترین و کم درک ترین خطرات الکتریکی است و در بیشتر صنایع رایج است. به طور گسترده پذیرفته شده است که هر چه ولتاژ سیستم الکتریکی بالاتر باشد، خطر بیشتری برای افرادی که روی سیم‌ها و تجهیزات برق یا نزدیک آن کار می‌کنند، بیشتر می‌شود.

با این حال، انرژی حرارتی ناشی از فلاش قوس در واقع می‌تواند بیشتر باشد و در ولتاژهای پایین‌تر با همان پیامدهای مخرب بیشتر اتفاق بیفتد.

قوس الکتریکی معمولاً زمانی اتفاق می‌افتد که به طور تصادفی بین یک هادی برقی، مانند سیم تماس ترالی‌بوس یا خط تراموا با هادی دیگر، یا یک سطح زمین، تماس برقرار شود.

هنگامی که این اتفاق می‌افتد، جریان اتصال کوتاه حاصل، سیم‌ها را ذوب می‌کند، هوا را یونیزه می‌کند و یک کانال آتشین از پلاسما رسانا با شکل مشخصه‌ای به شکل قوس (از این رو نام آن) ایجاد می‌کند و دمای قوس الکتریکی در هسته آن می‌تواند به بیش از حد برسد. 20000 درجه سانتیگراد

قوس الکتریکی چیست؟

در واقع، این نام رایج برای تخلیه قوس است که در فیزیک و مهندسی برق به خوبی شناخته شده است - نوعی تخلیه الکتریکی مستقل در گاز. چه هستند مشخصات فیزیکیقوس الکتریکی؟ در محدوده وسیعی از فشار گاز، در ولتاژ ثابت یا متناوب (تا 1000 هرتز) بین الکترودها در محدوده از چند ولت (قوس جوش) تا ده ها کیلو ولت می سوزد. حداکثر چگالی جریان قوس در کاتد (10 2 -10 8 A/cm 2) مشاهده می شود، جایی که به یک نقطه کاتدی، بسیار روشن و کوچک منقبض می شود. به طور تصادفی و پیوسته در کل ناحیه الکترود حرکت می کند. دمای آن به گونه ای است که ماده کاتد در آن می جوشد. بنابراین، وجود دارد شرایط ایده آلبرای گسیل ترمیونی الکترون ها به فضای کاتد. لایه کوچکی در بالای آن تشکیل شده است که بار مثبت دارد و باعث شتاب الکترون‌های ساطع شده به سرعتی می‌شود که در آن اتم‌ها و مولکول‌های یونیزه‌کننده محیط در شکاف بین الکترودی را تحت تأثیر قرار می‌دهند.

همان نقطه، اما تا حدودی بزرگتر و کمتر متحرک، روی آند تشکیل می شود. درجه حرارت در آن نزدیک به نقطه کاتد است.

اگر جریان قوس در حد چند ده آمپر باشد، جت‌های پلاسما یا مشعل‌ها با سرعت بالا از هر دو الکترود خارج می‌شوند (عکس زیر را ببینید).

در جریان های بالا (100-300 A)، جت های پلاسما اضافی ظاهر می شوند و قوس شبیه به دسته ای از رشته های پلاسما می شود (عکس زیر را ببینید).

چگونه قوس در تجهیزات الکتریکی خود را نشان می دهد؟

همانطور که در بالا ذکر شد، کاتالیزور برای وقوع آن، تولید گرمای قوی در نقطه کاتد است. دمای قوس الکتریکی همانطور که قبلاً ذکر شد می تواند به 20000 درجه سانتیگراد برسد که تقریباً چهار برابر بیشتر از سطح خورشید است. این گرما می تواند مس هادی ها را که دارای نقطه ذوب حدود 1084 درجه سانتیگراد است، به سرعت ذوب یا حتی تبخیر کند، بسیار کمتر از یک قوس. بنابراین اغلب بخارات مس و پاشش فلز مذاب در آن ایجاد می شود. هنگامی که مس از جامد به بخار تبدیل می شود، تا چند ده هزار برابر حجم اولیه خود منبسط می شود. این معادل یک قطعه مس یک سانتی متری است که در کسری از ثانیه به اندازه 0.1 متر مکعب تغییر می کند. این باعث ایجاد فشار و امواج صوتی با شدت بالا می شود که با سرعت بالا (که می تواند بیش از 1100 کیلومتر در ساعت باشد) منتشر می شود.

قرار گرفتن در معرض قوس الکتریکی

اگر این اتفاق بیفتد، صدمات جدی و حتی مرگ، نه تنها برای افرادی که روی تجهیزات الکتریکی کار می کنند، بلکه برای افراد نزدیک نیز می تواند رخ دهد. صدمات قوس می تواند شامل سوختگی پوست خارجی، سوختگی داخلی ناشی از استنشاق گازهای داغ و فلز تبخیر شده، آسیب شنوایی، آسیب بینایی مانند کوری ناشی از نور فلاش فرابنفش و بسیاری آسیب های مخرب دیگر باشد.

یک قوس بسیار قوی نیز ممکن است باعث انفجار آن شود و فشاری بیش از 100 کیلو پاسکال (کیلو پاسکال) ایجاد کند و با سرعت 300 متر بر ثانیه، ترکش‌های مانند ترکش را آزاد کند.

افرادی که دچار آسیب قوس الکتریکی شده اند ممکن است به درمان و توانبخشی پزشکی گسترده نیاز داشته باشند و هزینه صدمات آنها می تواند بسیار زیاد باشد - از نظر جسمی، عاطفی و مالی. اگرچه کسب‌وکارها طبق قانون ملزم به انجام ارزیابی ریسک برای همه فعالیت‌های کاری هستند، خطر خطرات قوس الکتریکی اغلب نادیده گرفته می‌شود زیرا اکثر مردم نمی‌دانند چگونه خطر را ارزیابی و به طور مؤثر مدیریت کنند. حفاظت در برابر اثرات قوس الکتریکی شامل استفاده از طیف وسیعی از ابزارها، از جمله استفاده در هنگام کار با تجهیزات الکتریکی پرانرژی، تجهیزات حفاظتی الکتریکی ویژه، لباس‌های ویژه، و همچنین خود تجهیزات، به‌ویژه سوئیچینگ برق با ولتاژ بالا است. دستگاه هایی که با استفاده از وسایل خاموش کننده قوس طراحی شده اند.

قوس در دستگاه های الکتریکی

در این دسته از وسایل برقی ( قطع کننده مدار، کنتاکتورها، استارترهای مغناطیسی) مبارزه با این پدیده از اهمیت ویژه ای برخوردار است. هنگامی که کنتاکت های کلیدی که مجهز به دستگاه های خاصی برای جلوگیری از ایجاد قوس نیست باز می شود، مطمئناً بین آنها مشتعل می شود.

در لحظه ای که کنتاکت ها شروع به جدا شدن می کنند، مساحت دومی به سرعت کاهش می یابد که منجر به افزایش چگالی جریان و در نتیجه افزایش دما می شود. گرمای ایجاد شده در شکاف بین کنتاکت ها (محیط معمول روغن یا هوا است) برای یونیزه شدن هوا یا تبخیر و یونیزه شدن روغن کافی است. هوا یا بخار یونیزه شده به عنوان رسانایی برای جریان قوس بین کنتاکت ها عمل می کند. اختلاف پتانسیل بین آنها بسیار کم است، اما برای حفظ قوس کافی است. در نتیجه، جریان در مدار تا زمانی که قوس از بین برود پیوسته باقی می ماند. نه تنها فرآیند وقفه را به تاخیر می اندازد، بلکه مقدار زیادی گرما تولید می کند که می تواند به خود شکن آسیب برساند. بنابراین مشکل اصلی در یک کلید (در درجه اول یک کلید فشار قوی) خاموش کردن قوس الکتریکی در کوتاه ترین زمان ممکن است تا گرمای تولید شده در آن نتواند به مقدار خطرناکی برسد.

عوامل حفظ قوس بین کنتاکت های سوئیچ

این شامل:

2. ذرات یونیزه شده بین آنها.

با پذیرفتن این موضوع، علاوه بر این متذکر می شویم:

• هنگامی که یک شکاف کوچک بین کنتاکت ها وجود دارد، حتی یک اختلاف پتانسیل کوچک برای حفظ قوس کافی است. یکی از راه های خاموش کردن آن جدا کردن کنتاکت ها در فاصله ای است که اختلاف پتانسیل برای حفظ قوس کافی نباشد. با این حال، این روش در کاربردهای ولتاژ بالا که ممکن است نیاز به جداسازی بیش از چندین متر باشد، عملی نیست.
• ذرات یونیزه شده بین تماس ها تمایل به حمایت از قوس دارند. اگر مسیر آن دیونیزه شود، فرآیند کوئنچ تسهیل می شود. این را می توان با خنک کردن قوس یا حذف ذرات یونیزه شده از فضای بین تماس ها به دست آورد.
• حفاظت قوس الکتریکی در کلیدهای مدار به دو روش انجام می شود:

روش مقاومت بالا؛

روش جریان صفر

خاموش کردن قوس با افزایش مقاومت آن

در این روش، مقاومت در طول مسیر قوس به مرور زمان افزایش می‌یابد به طوری که جریان به مقداری کاهش می‌یابد که برای پشتیبانی از آن کافی نیست. در نتیجه قطع می شود و قوس الکتریکی خاموش می شود. عیب اصلی این روش این است که زمان انقراض بسیار طولانی است و انرژی عظیمی زمان دارد تا در قوس تلف شود.

مقاومت قوس را می توان با موارد زیر افزایش داد:

• ازدیاد طول قوس - مقاومت قوس با طول آن نسبت مستقیم دارد. طول قوس را می توان با تغییر فاصله بین کنتاکت ها افزایش داد.
• خنک کردن قوس یا به طور دقیق تر محیط بین مخاطبین. خنک کننده کارآمدجریان هوا باید در امتداد قوس هدایت شود.
• با قرار دادن کنتاکت ها در محیط گازی که یونیزاسیون دشواری دارد (کلیدهای گاز) یا در محفظه خلاء (کلیدهای خلاء).
• کاهش سطح مقطع قوس با عبور از یک سوراخ باریک، یا کاهش سطح تماس.
• با تقسیم قوس - مقاومت آن را می توان با تقسیم آن به تعدادی قوس کوچک به صورت سری افزایش داد. هر یک از آنها عمل ازدیاد طول و خنک شدن را تجربه می کنند. قوس را می توان با معرفی چند صفحه رسانا بین کنتاکت ها تقسیم کرد.

خاموش شدن قوس با استفاده از روش جریان صفر

این روش فقط در مدارهای AC استفاده می شود. مقاومت قوس را تا زمانی که جریان به صفر برسد پایین نگه می دارد و در آنجا به طور طبیعی خاموش می شود. با وجود افزایش ولتاژ در کنتاکت ها از احتراق مجدد آن جلوگیری می شود. تمام مدارشکن های مدرن با جریان متناوب بالا از این روش خاموش کردن قوس استفاده می کنند.

در یک سیستم جریان متناوب، جریان دوم پس از هر نیم سیکل به صفر می رسد. در هر تنظیم مجدد، قوس برای مدت کوتاهی خاموش می شود. در این حالت، محیط بین کنتاکت ها حاوی یون ها و الکترون ها است، بنابراین قدرت دی الکتریک آن کم است و به راحتی با افزایش ولتاژ در کنتاکت ها از بین می رود.

اگر این اتفاق بیفتد، قوس الکتریکی برای نیم سیکل بعدی جریان می سوزد. اگر بلافاصله پس از تنظیم مجدد به صفر، قدرت دی الکتریک محیط بین کنتاکت ها سریعتر از ولتاژ دو طرف آنها افزایش یابد، قوس مشتعل نمی شود و جریان قطع می شود. افزایش سریع قدرت دی الکتریک محیط نزدیک به صفر جریان را می توان با موارد زیر به دست آورد:

• ترکیب مجدد ذرات یونیزه شده در فضای بین تماس ها به مولکول های خنثی.
• با حذف ذرات یونیزه شده و جایگزینی آنها با ذرات خنثی.

بنابراین، مشکل واقعی در قطع جریان قوس متناوب، یونیزاسیون سریع محیط بین کنتاکت ها به محض صفر شدن جریان است.

روش‌های یونیزاسیون محیط بین تماس‌ها

1. افزایش طول شکاف: استحکام دی الکتریک محیط با طول شکاف بین کنتاکت ها متناسب است. بنابراین، با باز کردن سریع کنتاکت ها، می توان به استحکام دی الکتریک بالاتری از محیط دست یافت.

2. فشار خون بالا. اگر در مجاورت قوس افزایش یابد، چگالی ذرات تشکیل دهنده کانال تخلیه قوس نیز افزایش می یابد. افزایش چگالی ذرات منجر به سطح بالادیونیزاسیون آنها و در نتیجه قدرت دی الکتریک محیط بین کنتاکت ها افزایش می یابد.

3. خنک کننده. بازترکیب طبیعی ذرات یونیزه با سرد شدن سریعتر اتفاق می افتد. بنابراین، قدرت دی الکتریک محیط بین کنتاکت ها را می توان با خنک کردن قوس افزایش داد.

4. اثر انفجار. اگر ذرات یونیزه شده بین کنتاکت ها از بین رفته و با ذرات غیریونیزه شده جایگزین شوند، قدرت دی الکتریک محیط را می توان افزایش داد. این را می توان با استفاده از یک انفجار گاز که به منطقه تخلیه هدایت می شود، یا با تزریق روغن به فضای تماس حاصل شد.

این سوئیچ ها از گاز هگزا فلوراید گوگرد (SF6) به عنوان رسانه خاموش کننده قوس استفاده می کنند. تمایل زیادی به جذب الکترون آزاد دارد. کنتاکت های سوئیچ با جریان فشار بالای SF6 بین آنها باز می شود (تصویر زیر را ببینید).

این گاز الکترون های آزاد را در قوس جذب می کند و یون های منفی کم تحرک اضافی را تشکیل می دهد. تعداد الکترون های قوس به سرعت کاهش می یابد و خاموش می شود.

قوس الکتریکی (قوس ولتایی, تخلیه قوس) - یک پدیده فیزیکی، یکی از انواع تخلیه الکتریکی در گاز.

ساختار قوسی

قوس الکتریکی از نواحی کاتد و آند، ستون قوس و نواحی انتقال تشکیل شده است. ضخامت ناحیه آند 0.001 میلی متر، ناحیه کاتد حدود 0.0001 میلی متر است.

دما در ناحیه آندی هنگام جوشکاری با الکترود مصرفی حدود 2500 ... 4000 درجه سانتیگراد است، دما در ستون قوس از 7000 تا 18000 درجه سانتیگراد، در منطقه کاتد - 9000 - 12000 درجه سانتیگراد است.

ستون قوس الکتریکی خنثی است. در هر یک از بخش های آن به همان تعداد ذرات باردار با علائم مخالف وجود دارد. افت ولتاژ در ستون قوس متناسب با طول آن است.

قوس های جوشکاری بر اساس موارد زیر طبقه بندی می شوند:

• مواد الکترود - با الکترود مصرفی و غیر مصرفی.
• درجات فشرده سازی ستون - قوس آزاد و فشرده.
• با توجه به جریان استفاده شده - قوس DC و قوس AC.
• با توجه به قطبیت ثابت جریان الکتریسیته- قطبیت مستقیم ("-" روی الکترود، "+" - روی محصول) و قطبیت معکوس؛
• هنگام استفاده از جریان متناوب - قوس تک فاز و سه فاز.

خود تنظیم قوس در حین جوشکاری الکتریکی

هنگامی که جبران خارجی رخ می دهد - تغییر در ولتاژ شبکه، سرعت تغذیه سیم و غیره - اختلالی در تعادل برقرار شده بین سرعت تغذیه و سرعت ذوب رخ می دهد. با افزایش طول قوس در مدار، جریان جوشکاری و سرعت ذوب سیم الکترود کاهش می یابد و سرعت تغذیه در حالی که ثابت می ماند، از سرعت ذوب بیشتر می شود که منجر به بازیابی طول قوس می شود. با کاهش طول قوس، سرعت ذوب سیم از سرعت تغذیه بیشتر می شود، این منجر به بازیابی طول قوس طبیعی می شود.

کارایی فرآیند خود تنظیم قوس به طور قابل توجهی تحت تأثیر شکل مشخصه جریان-ولتاژ منبع تغذیه است. سرعت بالای نوسانات طول قوس به طور خودکار با مشخصه های جریان-ولتاژ صلب مدار پردازش می شود.

مبارزه با قوس الکتریکی

در تعدادی از دستگاه ها پدیده قوس الکتریکی مضر است. اینها عمدتاً دستگاه های سوئیچینگ تماسی هستند که در منبع تغذیه و درایوهای الکتریکی استفاده می شوند: قطع کننده های مدار ولتاژ بالا، قطع کننده های مدار، کنتاکتورها، عایق های مقطعی در شبکه تماس برق دار راه آهنو حمل و نقل برق شهری هنگامی که بارها توسط دستگاه های فوق قطع می شوند، یک قوس بین کنتاکت های باز کننده ایجاد می شود.

مکانیسم وقوع قوس در در این موردبعد:

• کاهش فشار تماس - تعداد نقاط تماس کاهش می یابد، مقاومت در واحد تماس افزایش می یابد.
• آغاز واگرایی تماس - تشکیل "پل" از فلز مذاب مخاطبین (در آخرین نقاط تماس).
• پارگی و تبخیر "پل ها" از فلز مذاب؛
• تشکیل قوس الکتریکی در بخار فلز (که به یونیزاسیون بیشتر شکاف تماس و مشکل در خاموش کردن قوس کمک می کند).
• سوزاندن قوس پایدار با فرسودگی سریع مخاطبین.

برای به حداقل رساندن آسیب به کنتاکت ها، باید قوس را در حداقل زمان خاموش کرد و تمام تلاش خود را برای جلوگیری از باقی ماندن قوس در یک مکان انجام داد (با حرکت قوس، گرمای آزاد شده در آن به طور یکنواخت بر روی بدنه تماس پخش می شود. ).

برای برآوردن الزامات فوق، از روش های کنترل قوس زیر استفاده می شود:

• خنک کننده قوس الکتریکی توسط جریان مایع خنک کننده - مایع (سوئیچ روغن)؛ گاز - (شکن مدار هوا، قطع کننده مدار اتوگاز، قطع کننده مدار روغن، قطع کننده مدار گاز SF6)، و جریان محیط خنک کننده می تواند هم از امتداد شفت قوس (خاموش شدن طولی) و هم از عرض (خاموش شدن عرضی) عبور کند. گاهی اوقات از میرایی طولی - عرضی استفاده می شود.
• استفاده از قابلیت خاموش کردن قوس خلاء - مشخص است که وقتی فشار گازهای اطراف کنتاکت های سوئیچ شده به مقدار معینی کاهش می یابد، یک قطع کننده مدار خلاء منجر به خاموش شدن موثر قوس می شود (به دلیل عدم وجود حامل برای تشکیل قوس).
• استفاده از مواد تماسی مقاوم در برابر قوس؛
• استفاده از مواد تماس با پتانسیل یونیزاسیون بالاتر؛
• استفاده از شبکه های خاموش کننده قوس (شکن مدار، کلید الکترومغناطیسی). اصل استفاده از خاموش کردن قوس بر روی توری ها بر اساس استفاده از اثر افت نزدیک به کاتد در قوس است (بیشتر افت ولتاژ در قوس افت ولتاژ در کاتد است؛ توری خاموش کننده قوس در واقع یک سری از افت ولتاژ در قوس است. مخاطبین سریال برای قوسی که به آنجا می رسد).
• استفاده

2.1. ماهیت قوس جوش

قوس الکتریکی یکی از انواع تخلیه های الکتریکی در گازها است که در آن عبور جریان الکتریکی از شکاف گاز تحت تاثیر میدان الکتریکی مشاهده می شود. قوس الکتریکی که برای جوشکاری فلزات استفاده می شود قوس جوش نامیده می شود. قوس بخشی از مدار جوشکاری الکتریکی است و افت ولتاژ در آن را تجربه می کند. هنگام جوشکاری با جریان مستقیم، الکترود متصل به قطب مثبت منبع قدرت قوس را آند و به قطب منفی را کاتد می نامند. اگر جوشکاری با جریان متناوب انجام شود، هر یک از الکترودها به طور متناوب یک آند و یک کاتد هستند.

فضای بین الکترودها را ناحیه قوس یا شکاف قوس می نامند. طول شکاف قوس را طول قوس می گویند. که در شرایط عادیدر دماهای پایین، گازها از اتم ها و مولکول های خنثی تشکیل شده اند و رسانایی الکتریکی ندارند. عبور جریان الکتریکی از گاز تنها در صورتی امکان پذیر است که دارای ذرات باردار - الکترون ها و یون ها باشد. فرآیند تشکیل ذرات گاز باردار را یونیزاسیون و خود گاز را یونیزه می نامند. ظهور ذرات باردار در شکاف قوس در اثر انتشار (گسیل) الکترون ها از سطح الکترود منفی (کاتد) و یونیزاسیون گازها و بخارات واقع در شکاف ایجاد می شود. قوسی که بین الکترود و جسم جوش می سوزد یک قوس مستقیم است. معمولاً چنین قوسی را قوس آزاد می نامند، برخلاف قوس فشرده که سطح مقطع آن به دلیل نازل مشعل، جریان گاز و میدان الکترومغناطیسی به اجبار کاهش می یابد. قوس به شرح زیر برانگیخته می شود. هنگامی که یک اتصال کوتاه وجود دارد، الکترود و قسمت هایی که سطوح را لمس می کنند گرم می شوند. هنگامی که الکترودها از سطح گرم شده کاتد باز می شوند، الکترون ها ساطع می شوند - انتشار الکترون. بازده الکترون ها در درجه اول با اثر حرارتی (گسیل گرمایی) و وجود میدان الکتریکی با شدت بالا در کاتد (گسیل میدان) مرتبط است. وجود گسیل الکترون از سطح کاتد یک شرط ضروری برای وجود تخلیه قوس است.

در طول شکاف قوس، قوس به سه ناحیه تقسیم می شود (شکل 2.1): کاتد، آند و ستون قوس واقع بین آنها.

ناحیه کاتد شامل سطح گرم شده کاتد به نام نقطه کاتد و قسمتی از شکاف قوس در مجاورت آن است. طول ناحیه کاتد کوچک است، اما با افزایش کشش و فرآیندهای بدست آوردن الکترون در آن مشخص می شود. یک شرط ضروریبرای وجود تخلیه قوس. دمای نقطه کاتد برای الکترودهای فولادی به 2400-2700 درجه سانتیگراد می رسد. تا 38 درصد برجسته است گرمای کلقوس ها فرآیند فیزیکی اصلی در این ناحیه گسیل الکترون و شتاب الکترون است. افت ولتاژ در ناحیه کاتد IR حدود 12-17 ولت است.

ناحیه آند از یک نقطه آند در سطح آند و بخشی از شکاف قوس مجاور آن تشکیل شده است. جریان در ناحیه آند توسط جریان الکترون هایی که از ستون قوس می آیند تعیین می شود. نقطه آند محل ورود و خنثی شدن الکترون های آزاد در ماده آند است. دمای آن تقریباً برابر با نقطه کاتد است، اما در نتیجه بمباران الکترونی، گرمای بیشتری نسبت به کاتد روی آن آزاد می شود. ناحیه آند نیز با افزایش کشش مشخص می شود. افت ولتاژ Ua در آن در حد 2-11 ولت است. وسعت این ناحیه نیز کم است.

ستون قوس بیشترین میزان شکاف قوس را که بین ناحیه کاتد و آند قرار دارد، اشغال می کند. فرآیند اصلی تشکیل ذرات باردار در اینجا یونیزاسیون گاز است. این فرآیند در نتیجه برخورد ذرات باردار (در درجه اول الکترون ها) و گاز خنثی رخ می دهد. با انرژی برخورد کافی، الکترون ها از ذرات گاز خارج می شوند و یون های مثبت تشکیل می شوند. به این یونیزاسیون یونیزاسیون برخوردی می گویند. برخورد می تواند بدون یونیزاسیون رخ دهد، سپس انرژی برخورد به صورت گرما آزاد می شود و به سمت افزایش دمای ستون قوس می رود. ذرات باردار تشکیل شده در ستون قوس به سمت الکترودها حرکت می کنند: الکترون ها به آند، یون ها به کاتد. برخی از یون های مثبت به نقطه کاتد می رسند، در حالی که قسمت دیگر نمی رسد و با افزودن الکترون های با بار منفی به خود، یون ها به اتم های خنثی تبدیل می شوند.

این فرآیند خنثی سازی ذرات را نوترکیبی می نامند. در ستون قوس، در تمام شرایط احتراق، تعادل پایدار بین فرآیندهای یونیزاسیون و نوترکیب مشاهده می شود. به طور کلی، ستون قوس بدون شارژ است. خنثی است، زیرا در هر بخش از آن به طور همزمان تعداد مساوی از ذرات باردار مخالف وجود دارد. دمای ستون قوس به 6000-8000 درجه سانتیگراد یا بیشتر می رسد. افت ولتاژ در آن (Uc) تقریباً به صورت خطی در طول طول تغییر می کند و با افزایش طول ستون افزایش می یابد. افت ولتاژ به ترکیب محیط گازی بستگی دارد و با وارد شدن اجزایی که به راحتی یونیزه می شوند به آن کاهش می یابد. چنین اجزایی عناصر قلیایی و قلیایی خاکی (Ca، Na، K و غیره) هستند. کل افت ولتاژ در قوس Ud=Uk+Ua+Uc است. با در نظر گرفتن افت ولتاژ در ستون قوس به شکل یک وابستگی خطی، می توان آن را با فرمول Uc=Elc نشان داد، که در آن E کشش در طول طول، lc طول ستون است. مقادیر IR، Ua، E عملا فقط به مواد الکترودها و ترکیب محیط شکاف قوس بستگی دارد و اگر بدون تغییر باقی بمانند، ثابت می‌مانند. شرایط مختلفجوشکاری با توجه به وسعت کم مناطق کاتد و آند، عملاً می توان آن را 1s = 1d در نظر گرفت. سپس عبارت را دریافت می کنیم

II)( = a + Н)(، (2.1)

نشان می دهد که ولتاژ قوس به طور مستقیم به طول آن بستگی دارد، جایی که a = ik + ia. b=E. یک شرط ضروری برای به دست آوردن یک اتصال جوشی با کیفیت بالا، سوزاندن قوس پایدار (پایداری آن) است. منظور ما از این چنین حالتی از وجود آن است که در آن قوس مدت زمان طولانیدر مقادیر مشخص شده جریان و ولتاژ، بدون وقفه یا انتقال به انواع دیگر تخلیه می سوزد. با احتراق ثابت قوس جوشکاریپارامترهای اصلی آن - جریان و ولتاژ - وابستگی متقابل خاصی دارند. بنابراین، یکی از ویژگی های اصلی تخلیه قوس، وابستگی ولتاژ آن به قدرت جریان در طول قوس ثابت است. یک نمایش گرافیکی از این وابستگی هنگام کار در حالت استاتیک (در حالت سوختن قوس پایدار) مشخصه جریان-ولتاژ ساکن قوس نامیده می شود (شکل 2.2).

با افزایش طول قوس، ولتاژ آن افزایش می‌یابد و منحنی مشخصه جریان-ولتاژ ساکن افزایش می‌یابد؛ بالاتر، با کاهش طول قوس، پایین‌تر می‌آید، در حالی که از نظر کیفی شکل خود را حفظ می‌کند. منحنی مشخصه استاتیک را می توان به سه منطقه تقسیم کرد: سقوط، سخت و بالا رفتن. در ناحیه اول، افزایش جریان منجر به افت شدید ولتاژ قوس می شود. این به این دلیل است که با افزایش قدرت جریان، سطح مقطع ستون قوس و هدایت الکتریکی آن افزایش می یابد. سوزاندن قوس در رژیم های این منطقه با ثبات کم مشخص می شود. در ناحیه دوم، افزایش قدرت جریان با تغییر ولتاژ قوس همراه نیست. این با این واقعیت توضیح داده می شود که سطح مقطع ستون قوس و نقاط فعال متناسب با قدرت جریان تغییر می کند و بنابراین چگالی جریان و افت ولتاژ در قوس ثابت می ماند. جوشکاری قوس الکتریکی با مشخصه استاتیکی صلب به طور گسترده در فناوری جوشکاری، به ویژه در جوشکاری دستی استفاده می شود. در ناحیه سوم با افزایش جریان، ولتاژ افزایش می یابد. این به این دلیل است که قطر نقطه کاتد برابر با قطر الکترود می شود و نمی تواند بیشتر افزایش یابد، در حالی که چگالی جریان در قوس افزایش می یابد و ولتاژ کاهش می یابد. یک قوس با ویژگی های استاتیکی فزاینده به طور گسترده در جوشکاری قوس الکتریکی اتوماتیک و مکانیزه زیردریایی و گاز محافظ با استفاده از سیم جوش نازک استفاده می شود.

برنج. 2.3. مشخصات آماری جریان-ولتاژ قوس در سرعت های تغذیه مختلف سیم الکترود: a - سرعت کم. ب - سرعت متوسط، ج - سرعت بالا

هنگام جوشکاری مکانیزه با یک الکترود مصرفی، گاهی اوقات از مشخصه جریان-ولتاژ ساکن قوس استفاده می شود که نه در طول ثابت، بلکه با سرعت تغذیه ثابت سیم الکترود گرفته می شود (شکل 2.3).

همانطور که از شکل مشاهده می شود، سرعت تغذیه سیم الکترود مربوط به محدوده باریکی از جریان ها با سوزاندن قوس پایدار است. جریان جوش بسیار کم می تواند منجر به اتصال کوتاه بین الکترود و قطعه کار شود و بیش از حد می تواند منجر به افزایش شدید ولتاژ و شکستگی شود.

هنگام تعویض لوازم الکتریکییا اضافه ولتاژ در مدار بین قطعات برق دار، ممکن است قوس الکتریکی ظاهر شود. می توان از آن برای اهداف فنی مفید استفاده کرد و در عین حال به تجهیزات آسیب برساند. در حال حاضر، مهندسان تعدادی روش را برای مبارزه و استفاده از قوس الکتریکی برای اهداف مفید توسعه داده اند. در این مقاله به چگونگی بروز آن، پیامدهای آن و دامنه کاربرد آن خواهیم پرداخت.

تشکیل قوس، ساختار و خواص آن

بیایید تصور کنیم که در حال انجام آزمایشی در آزمایشگاه هستیم. ما دو هادی داریم، به عنوان مثال، میخ های فلزی. بیایید آنها را با نوک آنها رو به روی هم در فاصله کوتاهی قرار دهیم و سرهای منبع ولتاژ قابل تنظیم را به میخ ها وصل کنیم. اگر به تدریج ولتاژ منبع تغذیه را افزایش دهیم، در یک مقدار مشخص جرقه هایی را خواهیم دید که پس از آن یک درخشش پایدار شبیه رعد و برق تشکیل می شود.

به این ترتیب می توانید روند شکل گیری آن را مشاهده کنید. درخششی که بین الکترودها ایجاد می شود پلاسما است. در واقع، این یک قوس الکتریکی یا جریان الکتریکی از طریق یک محیط گازی بین الکترودها است. در شکل زیر ساختار و مشخصات جریان-ولتاژ آن را مشاهده می کنید:

و این هم دماهای تقریبی:

چرا قوس الکتریکی ایجاد می شود؟

همه چیز بسیار ساده است، ما در مقاله در مورد، و همچنین در مقاله در مورد، بحث کردیم که اگر هر جسم رسانا (مثلاً یک میخ فولادی) وارد شود میدان الکتریکی- بارها روی سطح آن انباشته می شوند. علاوه بر این، هرچه شعاع انحنای سطح کوچکتر باشد، بیشتر تجمع می کنند. به زبان ساده، بارها روی نوک ناخن جمع می شوند.

بین الکترودهای ما هوا یک گاز است. تحت تأثیر میدان الکتریکی، یونیزاسیون آن رخ می دهد. در نتیجه همه اینها شرایط برای تشکیل قوس الکتریکی به وجود می آید.

ولتاژی که در آن قوس ایجاد می شود به محیط خاص و شرایط آن بستگی دارد: فشار، دما و عوامل دیگر.

جالب هست:طبق یک نسخه، این پدیده به دلیل شکل آن به این نام خوانده می شود. واقعیت این است که در حین احتراق تخلیه، هوا یا سایر گازهای اطراف آن گرم می شود و بالا می رود که در نتیجه شکل مستطیل به هم می خورد و قوس یا قوس می بینیم.

برای مشتعل کردن قوس، یا باید بر ولتاژ شکست محیط بین الکترودها غلبه کنید یا مدار الکتریکی را بشکنید. اگر یک اندوکتانس بزرگ در مدار وجود داشته باشد، طبق قوانین کموتاسیون، جریان موجود در آن نمی تواند فوراً قطع شود، به جریان خود ادامه می دهد. در این راستا، ولتاژ بین کنتاکت های قطع شده افزایش می یابد و قوس تا زمانی که ولتاژ ناپدید شده و انرژی انباشته شده در میدان مغناطیسی سلف هدر می رود، می سوزد.

شرایط اشتعال و احتراق را در نظر بگیرید:

بین الکترودها باید هوا یا گاز دیگری وجود داشته باشد. برای غلبه بر ولتاژ شکست رسانه لازم است ولتاژ بالاده ها هزار ولت - این بستگی به فاصله بین الکترودها و سایر عوامل دارد. برای حفظ قوس، 50-60 ولت و جریان 10 آمپر یا بیشتر کافی است. مقادیر خاص بستگی دارد محیط، شکل الکترودها و فاصله بین آنها.

آسیب و مبارزه با آن

ما به علل قوس الکتریکی نگاه کردیم، اکنون بیایید بفهمیم که چه آسیبی ایجاد می کند و چگونه آن را خاموش کنیم. قوس الکتریکی باعث آسیب به تجهیزات سوئیچینگ می شود. آیا دقت کرده اید که اگر یک وسیله برقی قدرتمند را به برق وصل کنید و پس از مدتی دوشاخه را از پریز جدا کنید، فلاش کوچکی رخ می دهد. این قوسی است که بین تماس های دوشاخه و پریز در نتیجه قطع شدن مدار الکتریکی ایجاد می شود.

مهم!هنگامی که یک قوس الکتریکی می سوزد، گرمای زیادی آزاد می شود، دمای احتراق آن به مقادیر بیش از 3000 درجه سانتیگراد می رسد. در مدارهای فشار قوی، طول قوس به یک متر یا بیشتر می رسد. خطر آسیب به سلامت انسان و وضعیت تجهیزات وجود دارد.

همین اتفاق در کلیدهای روشنایی و سایر تجهیزات سوئیچینگ، از جمله:

• قطع کننده مدار؛
• استارت مغناطیسی؛
• کنتاکتورها و غیره

در دستگاه هایی که در شبکه های 0.4 کیلو ولت استفاده می شوند، از جمله ولتاژ معمول 220 ولت، استفاده می کنند وسایل خاصحفاظت - محفظه های خاموش کننده قوس. آنها برای کاهش آسیب وارده به مخاطبین مورد نیاز هستند.

که در نمای کلیکانال قوس مجموعه ای از پارتیشن های رسانا با پیکربندی و شکل خاص است که توسط دیوارهای ساخته شده از مواد دی الکتریک محکم شده است.

هنگامی که کنتاکت ها باز می شوند، پلاسمای حاصل به سمت محفظه خاموش کننده قوس خم می شود، جایی که به بخش های کوچکی تقسیم می شود. در نتیجه سرد و خاموش می شود.

کلیدهای روغن، خلاء و گاز در شبکه های فشار قوی استفاده می شود. در سوئیچ روغن، خاموش شدن با تعویض کنتاکت ها در حمام روغن اتفاق می افتد. هنگامی که یک قوس الکتریکی در روغن می سوزد، به هیدروژن و گاز تجزیه می شود. حباب گازی در اطراف کنتاکت ها شکل می گیرد که تمایل دارد با سرعت زیاد از محفظه خارج شود و قوس خنک شود، زیرا هیدروژن هدایت حرارتی خوبی دارد.

در کلیدهای خلاء گازها یونیزه نمی شوند و شرایطی برای ایجاد قوس وجود ندارد. همچنین کلیدهای پر از گاز در زیر وجود دارد فشار بالا. هنگامی که یک قوس الکتریکی تشکیل می شود، دما در آنها افزایش نمی یابد، فشار افزایش می یابد و به همین دلیل یونیزاسیون گازها کاهش می یابد یا یونیزاسیون اتفاق می افتد. آنها یک جهت امیدوار کننده در نظر گرفته می شوند.

سوئیچ در جریان AC صفر نیز امکان پذیر است.

برنامه مفید

پدیده در نظر گرفته شده نیز یافت شد کل خط برنامه های کاربردی مفید، مثلا:

اکنون می دانید قوس الکتریکی چیست، چه چیزی باعث این پدیده می شود و زمینه های احتمالی کاربرد آن چیست. امیدواریم اطلاعات ارائه شده برای شما واضح و مفید بوده باشد!

مواد

اصل جوشکاری قوس الکتریکی مبتنی بر استفاده از دمای تخلیه الکتریکی است که بین الکترود جوشکاری و قطعه کار فلزی ایجاد می شود.

یک تخلیه قوس الکتریکی به دلیل شکستگی الکتریکی شکاف هوا تشکیل می شود. هنگامی که این پدیده رخ می دهد، مولکول های گاز یونیزه می شوند، دما و هدایت الکتریکی آن افزایش می یابد و به حالت پلاسما تبدیل می شود.

سوختن قوس جوش با رها شدن همراه است مقدار زیادنور و به ویژه انرژی حرارتی که در نتیجه دما به شدت افزایش می یابد و ذوب موضعی فلز قطعه کار رخ می دهد. این جوشکاری است.

در حین کار، برای شروع تخلیه قوس، قطعه کار به طور خلاصه توسط الکترود لمس می شود، یعنی ایجاد مدار کوتاهبه دنبال آن تماس فلزی شکسته شده و شکاف هوای مورد نیاز ایجاد می شود. به این ترتیب انتخاب می شود طول بهینهقوس جوشکاری

با تخلیه بسیار کوتاه، الکترود ممکن است به قطعه کار بچسبد، ذوب بسیار شدید رخ می دهد، که می تواند منجر به تشکیل افتادگی شود. یک قوس بلند با ناپایداری احتراق و دمای ناکافی بالا در ناحیه جوش مشخص می شود.

ناپایداری و خمش قابل مشاهده شکل قوس جوش اغلب در حین کار واحدهای جوشکاری صنعتی با قطعات نسبتاً حجیم قابل مشاهده است. این پدیده دمیدن مغناطیسی نامیده می شود.

ماهیت آن در این واقعیت نهفته است که جریان قوس جوشکاری میدان مغناطیسی خاصی ایجاد می کند که با میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط جریان عبوری از قطعه کار عظیم در تعامل است.

یعنی انحراف قوس توسط نیروهای مغناطیسی ایجاد می شود. این فرآیند دمیدن نامیده می شود زیرا قوس منحرف می شود، گویی تحت تأثیر باد است.

هیچ راه اساسی برای مبارزه با این پدیده وجود ندارد. برای کاهش تأثیر انفجار مغناطیسی، از جوشکاری با قوس کوتاه شده استفاده می شود و الکترود نیز در یک زاویه خاص قرار می گیرد.

محیط احتراق

چندین فناوری جوشکاری مختلف وجود دارد که از تخلیه قوس الکتریکی استفاده می کنند که در خواص و پارامترها متفاوت است. قوس الکتریکی دارای انواع زیر است:

• باز کن. تخلیه مستقیماً در جو رخ می دهد.
• بسته دمای بالای تولید شده در حین احتراق باعث آزاد شدن فراوان گازها از شار احتراق می شود. شار در پوشش الکترودهای جوشکاری وجود دارد.
• در یک محیط گاز محافظ در این گزینه، گاز به منطقه جوشکاری، اغلب هلیوم، آرگون یا دی اکسید کربن عرضه می شود.

حفاظت از ناحیه جوش برای جلوگیری از اکسیداسیون فعال فلز در حال ذوب تحت تأثیر اکسیژن اتمسفر ضروری است.

لایه اکسیدی از تشکیل یک جوش پیوسته جلوگیری می کند؛ فلز در محل اتصال متخلخل می شود و در نتیجه استحکام و سفتی اتصال کاهش می یابد.

تا حدودی، قوس به دلیل تشکیل یک منطقه، قادر به ایجاد ریزاقلیم در منطقه احتراق است. فشار خون بالا، از جریان هوای جوی جلوگیری می کند.

استفاده از شار امکان فشردن فعال تر هوا از ناحیه جوش را فراهم می کند. استفاده از گازهای محافظی که تحت فشار عرضه می شوند این مشکل را تقریباً به طور کامل حل می کند.

مدت زمان تخلیه

علاوه بر معیارهای حفاظتی، تخلیه قوس بر اساس مدت زمان طبقه بندی می شود. فرآیندهایی وجود دارد که در آن احتراق قوس الکتریکی در حالت پالسی رخ می دهد.

در چنین دستگاه هایی، جوشکاری در فواصل کوتاه انجام می شود. در طول فلاش، دما به مقدار کافی برای ذوب موضعی منطقه کوچکی که در آن یک اتصال نقطه ای ایجاد می شود، افزایش می یابد.

بیشتر فناوری های جوشکاری مورد استفاده از زمان سوزاندن قوس نسبتا طولانی استفاده می کنند. در طول فرآیند جوشکاری، الکترود به طور مداوم در امتداد لبه های در حال اتصال حرکت می کند.

منطقه درجه حرارت بالا، ایجاد، پس از الکترود حرکت می کند. پس از حرکت الکترود جوشکاریدر نتیجه، تخلیه قوس، دمای ناحیه پیموده شده کاهش می یابد، تبلور حوضچه جوش رخ می دهد و یک جوش قوی تشکیل می شود.

ساختار تخلیه قوس

منطقه تخلیه قوس به طور معمول به سه بخش تقسیم می شود. نواحی بلافاصله مجاور قطب ها (آند و کاتد) به ترتیب آند و کاتد نامیده می شوند.

قسمت مرکزی تخلیه قوس که بین ناحیه آند و کاتد قرار دارد، ستون قوس نامیده می شود. دما در ناحیه قوس جوش می تواند به چندین هزار درجه (تا 7000 درجه سانتیگراد) برسد.

اگرچه گرما به طور کامل به فلز منتقل نمی شود، اما برای ذوب شدن کافی است. بنابراین، نقطه ذوب فولاد، برای مقایسه، 1300-1500 درجه سانتیگراد است.

برای اطمینان از احتراق پایدار یک تخلیه قوس، لازم است شرایط زیر: وجود جریانی از مرتبه 10 آمپر (این حداقل مقدار است، حداکثر می تواند به 1000 آمپر برسد)، در حالی که ولتاژ قوس را از 15 تا 40 ولت حفظ می کند.

این افت ولتاژ در تخلیه قوس رخ می دهد. توزیع ولتاژ در مناطق قوس ناهموار است. بیشتر افت ولتاژ اعمال شده در مناطق آندی و کاتدی رخ می دهد.

به طور تجربی ثابت شده است که در , بیشترین افت ولتاژ در ناحیه کاتد مشاهده می شود. در همان قسمت کمان بیشترین گرادیان دما مشاهده می شود.

بنابراین، هنگام انتخاب قطبیت فرآیند جوشکاری، کاتد زمانی به الکترود متصل می شود که می خواهند به بیشترین ذوب آن دست یابند و دمای آن را افزایش دهند. برعکس، برای نفوذ عمیق تر قطعه کار، کاتد به آن متصل می شود. کوچکترین قسمت ولتاژ در ستون قوس کاهش می یابد.

هنگام جوشکاری با الکترود غیر مصرفی، افت ولتاژ کاتد کمتر از آندی است، یعنی ناحیه دمای بالا به سمت آند منتقل می شود.

بنابراین با استفاده از این فناوری قطعه کار به آند متصل می شود که گرمایش خوب و محافظت از الکترود غیر مصرفی را در برابر دمای بیش از حد تضمین می کند.

مناطق دما

لازم به ذکر است که با هر نوع جوشکاری اعم از الکترود مصرفی و غیر مصرفی، ستون قوس (مرکز آن) بیشترین میزان را دارد. درجه حرارت بالا- حدود 5000-7000 درجه سانتیگراد و گاهی اوقات بالاتر.

پایین ترین مناطق دما در یکی از مناطق فعال، کاتد یا آند قرار دارند. در این مناطق، 60-70 درصد از گرمای قوس را می توان آزاد کرد.

علاوه بر افزایش شدید دمای قطعه کار و الکترود جوشکاری، تخلیه امواج مادون قرمز و ماوراء بنفش ساطع می کند که می تواند باعث شود. نفوذ بدروی بدن جوشکار این امر مستلزم استفاده از اقدامات حفاظتی است.

در مورد جوشکاری AC، مفهوم قطبیت در آنجا وجود ندارد، زیرا موقعیت آند و کاتد در فرکانس صنعتی 50 ارتعاش در ثانیه تغییر می کند.

قوس در این فرآیند پایداری کمتری نسبت به دی سی، دمای او در حال جهش است. از مزایای فرآیندهای جوشکاری با استفاده از جریان متناوب می توان به تجهیزات ساده تر و ارزان تر و حتی به صورت عملی اشاره کرد غیبت کاملپدیده ای مانند انفجار مغناطیسی که در بالا ذکر شد.

ویژگی های ولت آمپر

نمودار وابستگی ولتاژ منبع تغذیه به جریان جوشکاری را نشان می دهد که ویژگی های جریان-ولتاژ فرآیند جوشکاری نامیده می شود.

منحنی های قرمز تغییر ولتاژ بین الکترود و قطعه کار را در مراحل تحریک قوس جوش و احتراق پایدار آن نشان می دهند. نقاط شروع منحنی ها با ولتاژ مدار باز منبع تغذیه مطابقت دارد.

در لحظه ای که جوشکار تخلیه قوس الکتریکی را شروع می کند، ولتاژ به شدت کاهش می یابد تا زمانی که پارامترهای قوس تثبیت شوند، مقدار جریان جوش تنظیم شود، بسته به قطر الکترود مورد استفاده، قدرت منبع تغذیه و مجموعه. طول کمان.

با شروع این دوره، ولتاژ قوس و دما تثبیت می شود و کل فرآیند پایدار می شود.