アークの形成と特性。電気アーク: 動作中の放電電力

通電部品間の回路で電化製品またはサージを切り替えると、電気アークが発生することがあります。有用な技術的目的に使用される可能性があると同時に、機器に有害である可能性があります。現在、技術者は電気アークに対抗し、有用な目的で使用するための多くの方法を開発しています。この記事では、それがどのように発生するか、その結果、およびその範囲を見ていきます。

アークの形成、その構造と性質

研究室で実験をしていると想像してください。金属製の釘など、2 つの導体があります。それらを短い距離で互いに先端を合わせて配置し、調整可能な電圧源のリードを釘に接続します。電源の電圧を徐々に上げると、特定の値で火花が発生し、その後、稲妻に似た安定した輝きが形成されます。

このように、その形成過程を観察することができます。電極間で形成されるグローはプラズマです。実際、これは電気アークまたは流れです電流電極間の気体媒体を通して。下の図では、その構造と電流-電圧特性を示しています。

そして、おおよその温度は次のとおりです。

電気アークはなぜ発生するのですか？

すべてが非常に単純です。導電体（スチールネイルなど）が導入された場合についての記事と記事で検討しました。電界- 表面に電荷が蓄積し始めます。また、曲面の曲げ半径が小さいほど蓄積します。簡単に言えば、電荷は爪の先端に蓄積されます。

私たちの電極の間では、空気は気体です。電界の作用下で、イオン化します。このすべての結果として、電気アークが形成される条件が生じます。

アークが発生する電圧は、特定の媒体とその条件 (圧力、温度、その他の要因) によって異なります。

面白い：あるバージョンによると、この現象はその形状からそう呼ばれています。実際のところ、放電を燃焼させる過程で、周囲の空気やその他のガスが加熱されて上昇し、その結果、直線的な形状が歪んで弧やアーチが見えます。

アークを点火するには、電極間の媒体の破壊電圧を克服するか、または破壊する必要があります電子回路. 回路に大きなインダクタンスがある場合、転流の法則によれば、電流を即座に遮断することはできず、流れ続けます。この点で、切断された接点間の電圧が増加し、電圧が消えてインダクタの磁場に蓄積されたエネルギーが消散するまでアークが燃えます。

着火と燃焼の条件を考慮してください。

電極間に空気または他のガスが存在する必要があります。媒体の破壊電圧を克服するには、数万ボルトの高電圧が必要です。これは、電極間の距離やその他の要因によって異なります。アークを維持するには、50 ～ 60 ボルトと 10 アンペア以上の電流で十分です。特定の値は以下に依存します環境、電極の形状とそれらの間の距離。

害を与え、それと戦う

電気アークが発生する原因を調べたので、それがどのような害を及ぼし、どのように消火するかを考えてみましょう。電気アークスイッチング機器の損傷。ネットワーク内の強力な電化製品の電源を入れ、しばらくしてからプラグをソケットから引き抜くと、小さな閃光が発生することに気づきましたか。このアークは、電気回路の断線の結果として、プラグとソケットの接点間に形成されます。

重要！電気アークの燃焼中、多くの熱が放出され、その燃焼温度は摂氏3000度以上の値に達します。高電圧回路では、アーク長はメートル以上に達します。人の健康と機器の状態の両方に害を及ぼす危険性があります。

同じことが、照明スイッチやその他のスイッチング機器でも起こります。

自動スイッチ;
磁気スターター;
コンタクタなど。

通常の 220 V を含む 0.4 kV ネットワークで使用されるデバイスでは、特別な手段保護 - アークシュート。それらは、接触による害を減らすために必要です。

一般に、アークシュートは、誘電体の壁で固定された、特別な構成と形状の導電性パーティションのセットです。

接点が開くと、形成されたプラズマはアーク消弧室に向かって曲がり、そこで小さなセクションに分離されます。その結果、冷却されて消火します。

高電圧ネットワークでは、オイル、真空、ガスの遮断器が使用されます。オイルサーキットブレーカでは、オイルバス内で接点を切り替えることによりダンピングが発生します。電気アークが油中で燃焼すると、水素とガスに分解します。水素は熱伝導率が良いため、コンタクトの周囲に気泡が形成され、チャンバーから高速で逃げ、アークが冷却されます。

真空遮断器はガスをイオン化せず、アーク放電の条件はありません。下にはガスで満たされた遮断器もあります高圧. 電気アークが形成されると、それらの温度が上昇せず、圧力が上昇するため、ガスのイオン化が減少するか、脱イオンが発生します。それらは有望な方向性と考えられています。

ゼロACでのスイッチングも可能です。

便利なアプリケーション

考慮された現象が発見され、全線便利なアプリケーション、例えば：

これで、電気アークとは何か、原因は何かがわかりますこの現象そして適用可能な分野。提供された情報が明確で役立つことを願っています。

材料

電気アーク (ボルタアーク、アーク放電) - 物理現象、ガス中の放電の一種。
それは、1802 年にロシアの科学者 V. ペトロフによって、「4200 個の銅と亜鉛の円で構成される巨大な電池によるガルバニックボルタ実験のニュース」という本の中で初めて説明されました (サンクトペテルブルク、1803 年)。電気アークは、物質の状態の第 4 形態であるプラズマの特殊なケースであり、イオン化された電気的に準中性のガスで構成されています。フリーの存在電気料金電気アークの伝導性を保証します。
大気圧の空気中の 2 つの電極間の電気アークは、次のように形成されます。
空気中で 2 つの電極間の電圧が一定のレベルまで上昇すると、電極間で絶縁破壊が発生します。絶縁破壊電圧は、電極間の距離などに依存します。金属原子の最初の電子のイオン化ポテンシャルは約 4.5 ～ 5 V で、アーク電圧はその 2 倍 (9 ～ 10 V) です。一方の電極の金属原子からの電子の放出と、もう一方の電極の原子のイオン化にエネルギーを消費する必要があります。このプロセスにより、電極間にプラズマが形成され、アークが燃焼します（比較のために、火花放電を形成するための最小電圧は、電子出力電位をわずかに超えます-最大6 V）。
利用可能な電圧でブレークダウンを開始するには、電極を互いに近づけます。ブレークダウン中、通常、火花放電が電極間で発生し、電気回路をパルス閉鎖します。
火花放電の電子は、電極間の空隙で分子をイオン化します。空隙内の電圧源の十分な電力により、十分な量のプラズマが形成され、空隙の絶縁破壊電圧または抵抗が大幅に低下する。この場合、火花放電はアーク放電に変わります - プラズマトンネルである電極間のプラズマコード。結果として生じるアークは、実際には導体であり、電極間の電気回路を閉じます。その結果、平均電流はさらに増加し、アークは 5000 ～ 50000 K まで加熱されます。この場合、アークの点火は完了したと見なされます。着火後は、電流とイオン衝撃で加熱されたカソードからの熱電子放出により、安定したアーク燃焼が保証されます。
電極とアークプラズマとの相互作用により、電極の加熱、部分溶融、蒸発、酸化、その他の種類の腐食が発生します。
点火後、電気接点が一定の距離まで離れていると、アークは安定したままになります。
電気アークの出現が避けられない高電圧電気設備の動作中、アークシュートと組み合わせた電磁コイルを使用して、それとの戦いが行われます。他の方法の中でも、真空、空気、SF6、および油遮断器の使用、ならびに電気回路を独立して遮断する活電負荷に電流を迂回させる方法が知られています。

電気アーク (ボルタアーク, アーク放電) は物理現象であり、ガス中の放電の一種です。

アーク構造

電気アークは、陰極領域と陽極領域、アーク柱、遷移領域で構成されます。アノード領域の厚さは 0.001 mm、カソード領域は約 0.0001 mm です。

消耗電極溶接中の陽極領域の温度は約2500 ... 4000°C、アーク柱の温度は7000〜18000°C、陰極領域では9000〜12000°Cです。

アーク柱は電気的に中性です。そのセクションのいずれにも、反対の符号の荷電粒子が同じ数あります。アーク柱の電圧降下は、その長さに比例します。

溶接アークは次のように分類されます。

電極材料 - 消耗電極と非消耗電極を使用。
柱の圧縮度 - 自由弧と圧縮弧。
使用される電流によると - 直流のアークと交流のアーク。
直流の極性によると - 直流極性（電極では「 - 」、製品では「 + 」）と逆極性。
交流電流を使用する場合 - 単相および三相アーク。

電気溶接におけるアーク自己調整

主電源電圧、ワイヤ供給速度などの変化などの外部補償が発生すると、供給速度と溶融速度の間で確立された平衡に違反が生じます。回路内のアーク長が増加すると、溶接電流と電極ワイヤの溶融速度が低下し、一定のままの送給速度が溶融速度よりも大きくなり、アーク長が回復します。アーク長が減少すると、ワイヤの溶融速度が送り速度よりも大きくなり、これが通常のアーク長の回復につながります。

アーク自己調整プロセスの効率は、電源の電流-電圧特性の形状に大きく影響されます。アーク長の高速振動は、回路の厳密な電流-電圧特性によって自動的に計算されます。

電気アーク戦

多くのデバイスでは、電気アークの現象は有害です。これらは主に、電源および電気駆動に使用される接点開閉装置です。高電圧スイッチ、自動スイッチ、接触器、電化鉄道および都市電気輸送の接点ネットワークの部分絶縁体です。上記のデバイスによって負荷が切断されると、遮断接点間にアークが発生します。

におけるアーク開始のメカニズムこの場合次：

接触圧力を下げる - 接触点の数が減少し、接触ノードの抵抗が増加します。
接点の発散の始まり - 接点の溶融金属からの「ブリッジ」の形成（最後の接点の場所）;
溶融金属からの「ブリッジ」の破裂と蒸発。
金属蒸気内での電気アークの形成（接触ギャップのイオン化が大きくなり、アークを消すのが困難になります）;
接点の高速バーンアウトによる安定したアーク放電。

接点への損傷を最小限に抑えるには、アークを最小限の時間で消して、アークが 1 か所にならないようにあらゆる努力をする必要があります (アークが移動すると、アークで放出される熱が接点本体全体に均等に分散されます)。）。

上記の要件を満たすために、次のアーク抑制方法が使用されます。

冷却媒体の流れによるアーク冷却 - 液体（オイルスイッチ）; ガス - (エアブレーカー、オートガススイッチ、オイルスイッチ、SF6 スイッチ)、および冷却媒体の流れは、アークシャフトに沿って (縦方向の減衰) および横方向に (横方向の減衰) 通過できます。縦横減衰が使用されることもあります。
真空のアーク消弧能力の使用 - スイッチ接点を取り巻くガスの圧力が特定の値まで低下すると、真空遮断器が効果的なアーク消弧につながることが知られています（アーク形成のためのキャリアがないため））。
耐アーク性の高い接点材料の使用。
より高いイオン化ポテンシャルを持つ接触材料の使用;
アークグリッドの適用（自動スイッチ、電磁スイッチ）。グレーティングにアーク抑制を適用する原理は、アークのカソード付近の電圧降下の影響を適用することに基づいています (アークの電圧降下のほとんどは、カソードでの電圧降下です。アークシュートは、実際には一連の直列接点です。そこに到達した弧）。
使用法

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金属構造物の組み立て

電気アークとその特性

電気アークは、2 つの導体 (電極と溶接時に溶接される金属) の間のガスギャップで発生する長期の放電です。大きな力現在。アーク内の正と負のイオンと電子の急速な流れの作用で継続的に発生する空気層のイオン化により、必要な条件溶接アークの長時間安定燃焼に。

米。 1. 金属電極と溶接される金属との間の電気アーク: a - アーク図、b - 長さ 4 mm のアーク電圧グラフ。 1 - 電極、2 - フレームハロー、3 - アークカラム、4 - 溶接金属、5 - アノードスポット、6 - 溶融プール、7 - クレーター、8 - カソードスポット。 h はアークの溶込み深さ、A はアークの着火の瞬間、B は安定燃焼の瞬間

アークは柱で構成されており、その基部は溶融池の表面に形成されたくぼみ（クレーター）にあります。アークは、アーク柱から来る蒸気とガスによって形成された炎のハローに囲まれています。柱は円錐形をしており、アークを通過する電流の最高密度に対応して、主な量のエネルギーが柱に集中しているため、アークの主要部分です。電極１（カソード）上に位置するカラムの上部は、小さな直径を有し、カソードスポット８を形成する。最大数の電極は、カソードスポットを通して放出される。アークコラムのコーンの基部は、溶接金属 (アノード) にあり、アノードスポットを形成します。溶接電流の平均値での陽極スポットの直径は、陰極スポットの直径よりも約1.5 ... 2倍大きくなります。

溶接には、直流電流と交流電流が使用されます。直流電流を使用する場合、電流源のマイナスは電極（極性が正）またはワークピース「」（逆極性）に接続されます。逆極性は、溶接されるワークピースへの熱の放出を減らす必要がある場合に使用されます: 薄いまたは低融点の金属、過熱に敏感な合金、ステンレス鋼および高炭素鋼を溶接する場合、および特定のタイプを使用する場合電極の。

大量の熱を放出し、高温になる。同時に電気アークが金属を非常に集中的に加熱します。したがって、溶接中の金属は、溶接アークから数センチの距離ですでに比較的わずかに加熱されたままです。

アークの作用により、金属は特定の深さ h まで溶融し、浸透深さまたは浸透と呼ばれます。

アークは、電極が溶接される金属に近づき、溶接回路を短絡させるときに点火されます。電極と金属の接触点の抵抗が高いため、電極の端は急速に加熱され、電子の流れを放出し始めます。電極の端が金属から 2 ～ 4 mm の距離ですばやく引き離されると、電気アークが発生します。

アーク内の電圧、つまり電極と母材間の電圧は、主にその長さに依存します。同じ電流では、短いアークの電圧は長いアークよりも低くなります。これは、アークが長いと、ガスギャップの抵抗が大きくなるためです。一定の電流強度で電気回路の抵抗が増加すると、回路内の電圧が増加する必要があります。抵抗が高いほど、同じ電流が回路に流れるようにするために電圧を高くする必要があります。

金属電極と金属の間のアークは 18 ～ 28 V の電圧で燃焼します。アークを開始するには、通常の燃焼を維持するために必要な電圧よりも高い電圧が必要です。これは、最初の瞬間にエアギャップがまだ十分に加熱されておらず、空気の分子と原子を切り離すために電子に高速を与える必要があるという事実によって説明されます. これは、アークの点火の瞬間により高い電圧でのみ達成できます。

アークの点火および安定燃焼中の電流Iの変化のグラフ（図1、b）は、アークの静的特性と呼ばれ、アークの定常燃焼に対応します。ポイント A は、アークの点火の瞬間を特徴付けます。アーク電圧 V は、AB 曲線に沿って、点 B での安定したアークに対応する通常の値まで急速に低下します。電流がさらに増加すると (点 B の右側)、電極の加熱とその溶融速度が増加しますが、アークの安定性には影響しません。

再点火を必要とする任意の中断がなく、均一に燃焼する場合、アークは安定していると見なされます。アークが不均一に燃え、しばしば壊れて消える場合、そのようなアークは不安定と呼ばれます。アークの安定性は多くの要因に依存します。主な要因は、電流の種類、電極コーティングの組成、電極の種類、アークの極性と長さです。

交流では、アークは直流よりも安定して燃焼しません。これは、電流 n がゼロになる瞬間に、アークギャップのイオン化が減少し、アークが消えるという事実によって説明されます。交流アークの安定性を高めるには、金属電極にイオコーティングを施す必要があります。コーティングに含まれる元素のペアは、アークギャップのイオン化を増加させ、それによって交流での安定したアーク放電に貢献します。

アークの長さは、電極の端と溶接されるワークピースの溶融金属の表面との間の距離によって決まります。通常、鋼製電極の通常のアーク長は 3 ～ 4 mm を超えてはなりません。このようなアークはショートアークと呼ばれます。短いアークは着実に燃焼し、溶接プロセスの正常な経過を保証します。 6 mm を超えるアークは、ロングアークと呼ばれます。それに伴い、電極の金属を溶かす過程が不均一になります。この場合、電極の端から流れ落ちる金属の滴は、酸素でより多く酸化され、大気中の窒素で濃縮される可能性があります。溶接金属は多孔質で、溶接面は凹凸があり、アーク燃焼は不安定です。アークが長いと、溶接の生産性が低下し、金属の飛散や、溶着金属と母材との溶込み不足や不完全融合の箇所が増えます。

消耗電極式アーク溶接でのワークへの電極金属の移行は、複雑なプロセスです。アークの点火後（位置/）、溶融金属の層が電極の端の表面に形成され、重力と表面張力の作用下で液滴に集められます（位置//）。飛沫が届く大きいサイズ円弧列を重ねて (位置 III)、短時間作成します。短絡その後、形成された液体金属ブリッジが切断され、アークが再び現れ、ドロップ形成プロセスが繰り返されます。

単位時間あたりにアークを通過する液滴のサイズと数は、極性と電流の強さに依存します。化学組成と体調電極金属、コーティング組成、およびその他の多くの条件。 3 ... 4 mmに達する大きな滴は、通常、裸の電極で溶接すると形成され、小さな滴（最大0.1 mm） - コーティングされた電極と高電流強度で溶接すると形成されます。ファインドロッププロセスは、アーク燃焼の安定性を保証し、アーク内の電極の溶融金属の移動の条件に有利に働きます。

米。 2. 電極から溶接金属への金属移動のスキーム

米。 3. 磁場による電気アークのたわみ (a-g)

重力は、アーク内の液滴の移動を助けたり妨げたりする可能性があります。頭上および部分的に垂直溶接では、液滴の重力が製品への伝達を打ち消します。でも表面張力のせいで液体浴上向き、立向きでの溶接時に金属の流出を防ぎます。

溶接されるワークピースを含む溶接回路の要素に電流が流れると、磁場が発生します。磁場の強さは、溶接電流の強さに依存します。電気アークのガス柱は電流の柔軟な導体であるため、結果の作用を受けます。磁場、溶接回路で形成されます。通常の状態では、大気中で公然と燃焼しているアークのガス柱は、電極軸に対して対称に配置されています。電磁力の作用下で、アークは電極の軸から横方向または縦方向にずれます。外向きの兆候強い気流による裸火の移動に似ています。この現象は磁気ブローと呼ばれます。

溶接ワイヤをアークのすぐ近くに取り付けると、電流の独自の円形磁場がアーク柱に均一な影響を与えるため、偏差が大幅に減少します。アークから離れた製品に電流を供給すると、導体の側面からの円形磁場の力線が太くなるため、偏差が生じます。

手動または機械化されたアーク溶接は、実際には放電である電気アークのおかげで実行されます。溶接電気アークは解放によって特徴付けられます多数暖かさと光。アークの温度は摂氏 6,000 度に達する可能性があることに注意してください。

アークによって放出される光と熱が人間の健康に有害である可能性があるという事実に注意を払う価値があります。したがって、アーク溶接によるすべての溶接作業は、オーバーオールと溶接工の目を保護するマスクまたはゴーグルでのみ行われます。

溶接電気アークは常に同じではなく、溶接が行われる環境、金属製品、およびその他の要因に応じて、いくつかのタイプがあります。

溶接電気アークの種類。

媒体とアークの依存性について話すと、次のタイプの放電を区別できます。

電気アークを開きます。金属製品の溶接が行われます屋外、保護のための特別なガスを使用せずに。アークは、周囲の空気と、金属製品の溶接、電極またはワイヤの溶融、それらのコーティング中に現れる蒸気によって形成された媒体で燃焼します。
閉じた電気アーク。このタイプのアークは、サブマージアーク溶接中に形成されます。ガス混合物は、溶接中のアークを保護します。アークは、溶接される金属製品、消耗電極、および実際にはフラックスからの蒸気が混合された結果として形成されます。
シールドガスでのアーク。この場合、いわゆるシールドガスの環境での溶接について話しています：不活性ガスまたは活性ガス（純粋なガスとそれらの混合物の両方が使用されます）。溶接の結果、保護ガス、金属蒸気、および電極からなるガス状媒体が形成されます。

溶接アーク用電源。

溶接アークは、電流が印加されると形成されます。アークは、交流電源と直流電源の両方から給電できることに注意してください。異なる電源他の種類円弧。

直流を使用する場合、2 種類のアークを得ることができます。溶接機は、直流極性と逆極性の両方のアークを使用します。これら 2 つのタイプの違いは、電源接続です。したがって、直接極性では、マイナスは電極に直接適用され、プラスは溶接される金属製品に適用されます。逆極性では、接続が逆になります。プラスが電極に供給され、マイナスが溶接される金属製品に適用されます。

また、溶接金属製品が電気回路に含まれていない場合があることにも注意してください。そのような場合、彼らは間接アークが使用される、つまり電流が電極にのみ供給されると言います。電極と金属製品の両方が電源に接続されている場合、この場合、それらは直接アークについて話します。最も頻繁に使用されるのはこの電気アークであることは注目に値します. 溶接工はめったに間接作用のアークを使用しません.

溶接アークの電流密度値。

金属製品を電気アークで溶接する場合、電流密度インジケーターも重要な役割を果たします。従来の手動アーク溶接のモードでは、電流密度は標準、つまり10-20 A / mm 2です。溶接工は、特定のガス環境で溶接する場合にも同じ値を設定します。高電流密度、つまり80〜120 A / mm 2以上は、ガスまたはフラックスの保護下で行われる半自動またはその他のタイプの溶接で使用されます。

電流密度はアーク電圧に影響します。この依存性は通常、アークの静的特性と呼ばれます (グラフで表されます)。電流密度が小さい場合、この特性は低下することに注意してください。つまり、電流が逆に増加すると、電圧降下が発生します。この現象は、電流値が増加すると、電流密度が減少する一方で、電気の伝導率とアーク柱の断面積が増加するという事実によるものです。

手溶接の通常の電流密度を使用すると、電圧は電流の大きさに依存しなくなります。この場合、カラムの面積は電流に比例して増加します。また、電気伝導率は実質的に変化せず、カラム内の電流密度も一定のままであることにも注意してください。

溶接アークはどのように形成されますか?

溶接アークは、金属製品と電極の間にあるガス柱が十分にイオン化されている場合にのみ発生します (つまり、適量電子とイオン)。通常レベルのイオン化を達成するために、電気がガス分子に伝達されます。このプロセスの結果として、電子が放出され始めます。実際、アーク媒体はガス電流導体であり、丸い円筒形をしています。

実際の電気アークは 3 つのコンポーネントで構成されていることに注意してください。

陽極部分;
電気アーク柱;
カソード部分。

溶接プロセス中の電気アークの安定性の指標は、開回路電圧、電流の種類、大きさ、極性など、多くの要因の影響を受けます。溶接プロセス中、これらすべてのインジケータを注意深く監視し、溶接モードを正しく設定する必要があります。違う方法各種金属製品に。

アークの形成と特性。 電気アーク: 動作中の放電電力