Электрическая дуга: причины возникновения и воздействие на человека. Как защитится от разряда тока ?

Причины и места возникновения

Электрическая дуга является одной из самых смертоносных и наименее изученных опасностей электроэнергии и преобладает в большинстве отраслей промышленности. Широко признается, что чем выше напряжение электрической системы, тем больше риск для людей, работающих на территории или вблизи проводов и оборудования, находящихся под напряжением.

Тепловая энергия от вспышки дуги, однако, может на самом деле быть больше и возникать чаще при более низких напряжениях с теми же разрушительными последствиями.

Возникновение электрической дуги, как правило, происходит при случайном контакте между токоведущим проводником, таким как контактный провод троллейбусной или трамвайной линии с другим проводником, или заземленной поверхностью.

возникновение электрической дуги
Когда это происходит, возникающий ток короткого замыкания плавит провода, ионизирует воздух и создает огненный канал проводящей плазмы характерной дугообразной формы (отсюда и название), причем температура электрической дуги в ее сердцевине может достигать свыше 20000 °С.

Электрическая дуга история происхождения

В 1801 году британский химик и изобретатель сэр Хэмфри Дэви продемонстрировал электрическую дугу своим товарищам в Лондонском королевском обществе и предложил название — электрическая дуга. Эти электрические дуги, выглядят как неровные удары молнии. За этой демонстрацией последовали дальнейшие исследования электрической дуги, показал русский ученый Василий Петров в 1802 году. Дальнейшие успехи в ранних исследованиях электрической дуги позволили получить такие важные в отрасли изобретения, как дуговая сварка.

По сравнению с искрой, которая является только мгновенной, дуговой разряд представляет собой непрерывный электрический ток, который выделяет так много тепла от несущих зарядов ионов или электронов, что он может испарять или плавить что-либо в пределах диапазона дуги. Дуга может поддерживаться в электрических цепях постоянного или переменного тока, и она должна включать в себя некоторое сопротивление, чтобы повышенный ток не оставался без контроля и полностью разрушал фактический источник цепи с его потреблением тепла и энергии.

Образование дуги, её строение и свойства

Представим, что мы в лаборатории проводим эксперимент. У нас есть два проводника, например, металлических гвоздя. Расположим их острием друг к другу на небольшом расстоянии и подключим к гвоздям выводы регулируемого источника напряжения. Если постепенно увеличивать напряжение источника питания, то при определенном его значении мы увидим искры, после чего образуется устойчивое свечение подобное молнии.

Таким образом можно наблюдать процесс её образования. Свечение, которое образуется между электродами — это плазма. Фактически это и есть электрическая дуга или протекание электрического тока через газовую среду между электродами. На рисунке ниже вы видите её строение и вольт-амперную характеристику:

Распределение напряжения и напряженности электрического поля

Вольт-амперная характеристика

А здесь – приблизительные величины температур:

Температура

Что такое сварочная дуга

Генерируемая сварочным аппаратом электрическая дуга представляет собой ни что иное, как состоящий из ионизированных частиц проводник. Он существует в определенном временном промежутке благодаря тому, что поддерживается электрическим полем. Такой разряд образуется в способной к ионизации газовой среде, характеризуется непрерывной формой и высокой температурой.

В учебных пособиях по сварочному делу данное явление определяется как электрический разряд в плазме длительного характера. Плазма является смесью защитных, ионизированных атмосферных газов в сочетании с испарениями от металлов, которые образуются под воздействием высокой температуры.

Что же такое электрическая дуга?

По сути, так в обиходе именуют хорошо известный в физике и электротехнике дуговой разряд – вид самостоятельного электроразряда в газе. Каковы же физические свойства электрической дуги? Она горит в широком диапазоне давления газа, при постоянном или переменном (до 1000 Гц) напряжении между электродами в диапазоне от нескольких вольт (сварочная дуга) до десятков киловольт. Максимальная плотность тока дуги наблюдается на катоде (102-108 А/см2), где она стягивается в катодное пятно, очень яркое и малое по размерам. Оно беспорядочно и непрерывно перемещается по всей площади электрода. Температура его такова, что материал катода в нем кипит. Поэтому возникают идеальные условия для термоэлектронной эмиссии электронов в прикатодное пространство. Над ним образуется небольшой слой, заряженный положительно и обеспечивающий ускорение эмитируемых электронов до скоростей, при которых они ударно ионизируют атомы и молекулы среды в межэлектродном промежутке.

температура электрической дуги

Такое же пятно, но несколько большее и малоподвижное, формируется и на аноде. Температура в нем близкая к катодному пятну.

Если ток дуги порядка нескольких десятков ампер, то из обоих электродов вытекают с большой скоростью нормально к их поверхностям плазменные струи или факелы (см. на фото ниже).

При больших токах (100-300 А) возникают добавочные плазменные струи, и дуга становится похожей на пучок плазменных нитей (см. на фото ниже).

Практическое применение

При правильном использовании электрические дуги могут иметь полезные цели. На самом деле, каждый из нас выполняет ряд ежедневных задач благодаря ограниченному применению электрических дуг.

Электрические дуги используются в:

  • вспышках камер
  • прожекторах для освещения сцены
  • люминесцентного освещения
  • дуговой сварки
  • дуговых печах (для производства стали и таких веществ, как карбид кальция)
  • плазменных резаках (в которых сжатый воздух объединяется с мощной дугой и преобразуется в плазму, которая имеет способность мгновенно разрезать сталь).

Возникновение электрической дуги

Процесс образования вольтовой дуги представляется в следующем виде. В момент соприкосновения электродов проходящий ток выделяет большое количество тепла в месте стыка, так как здесь имеется большое электрическое сопротивление (закон Джоуля).

Благодаря этому концы проводников раскаляются до светлого накала, и после разъединения электродов катод начинает испускать электроны, которые, пролетая через воздушный промежуток между электродами, расщепляют молекулы воздуха на положительно и отрицательно заряженные частички (катионы и» а н и о н ы).

Вследствие этого воздух становится электропроводным.

В сварочной технике наибольшее применение имеет разряд между металлическими электродами, причем одним электродом являйся металлический стержень, который в то же время служит и присадочным материалом, а вторым электродом является сама свариваемая деталь.

Процесс остается тот же, что и в случае угольных электродов, но здесь появляется новый фактор. Если в угольной дуге проводники постепенно испарялись (сгорали), то в металлической дуге электроды весьма интенсивно плавятся и частично испаряются. Благодаря наличию металлических паров между электродами сопротивление (электрическое) металлической дуги ниже, чем угольной.

Угольный разряд горит при напряжении в среднем 40—60 в, тогда как напряжение металлической дуги в среднем 18—22 в (при длине 3 мм).

Природа и строение

При зажигании дуги создается электрическая цепь. В ней участвуют два электрода — анод и катод, а также участок ионизированного газа. Протекая сквозь газовое облако, электрический ток вызывает его нагрев и интенсивное свечение, связанное с излучением фотонов.

Соответственно участкам цепи, строение сварочной дуги включает в себя три основные области:

  • анодная — толщиной 10-4 см;
  • катодная 10-5 см;
  • столб дуги, длиной 4-6 мм.

В первых двух зонах возникают активные пятна, в них происходит максимальное падение напряжения и максимальный нагрев.

Падение же напряжения в самом сварочном столбе невелико.

При действии электродуги, кроме повышенной температуры, действует еще один важный фактор — весьма интенсивное ультрафиолетовое излучение. Оно оказывает вредное воздействие на человеческий организм, прежде всего – на органы зрения и кожные покровы.

Строение сварочной дуги

Во избежание вреда для здоровья при работе с электросваркой обязательно применение средств индивидуальной защиты: сварочной маски, рукавиц и плотной одежды и обуви из негорючих материалов.

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.

Свойства

Высокая плотность тока в стволе электрической дуги определяет её главные свойства:

  1. Чрезвычайно
    высокую температуру плазменного ствола и околоэлектродных зон.
  2. Длительное
    горение, при поддержании условий образования ионов.

Эти свойства необходимо учитывать при борьбе с возникновением электрической дуги, так и при её применении в некоторых сферах.

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).

Защита от электрической дуги

Какие бывают меры защиты от электрической дуги, что могло меня защитить? Проанализировав интернет, увидел, что самым популярным средством защиты людей в электроустановках от электрической дуги является термостойкий костюм. В северной Америке большой популярностью пользуются специальные автоматы фирмы Siemens, которые защищают как от электрической дуги, так и от максимального тока. В России, на данный момент, подобные автоматы используются только на высоковольтных подстанциях. В моем случае мне бы хватило диэлектрической перчатки, но сами подумайте, как в них подключать светильники? Это очень неудобно. Также рекомендую использовать защитные очки, чтобы защитить глаза.

zaschita-ot-elektricheskoi-dugi

В электроустановках борьба с электрической дугой осуществляется с помощью вакуумных и масляных выключателей, а также при помощи электромагнитных катушек совместно с дугогасительными камерами.

Это все? Нет! Самым надежным способом обезопасить себя от электрической дуги, на мой взгляд, являются работы со снятием напряжения. Не знаю как вы, а я под напряжением работать больше не буду…

Сегодня без анекдотов и новостей. Рекомендую прочитать статью средства защиты в электроустановках, все они созданы для нашей с вами защиты. Но от несчастного случая никто не застрахован, берегите себя.

На этом моя статья электрическая дуга и защита от электрической дуги заканчивается. Есть что дополнить? Оставь комментарий.

Воздействие на организм человека[править | править код]

Электрическая дуга создает сильное излучение в широком диапазоне волн. При горении в воздухе около 70 % энергии излучения приходится на ультрафиолет, 15 % — на видимое излучение и 15 % — на инфракрасное[3]. Воздействие на глаза может привести к электроофтальмии, а на кожу — к ожогам. Для защиты глаз и лица сварщики используют специальные сварочные маски с тёмным светофильтром. Для защиты тела — термостойкую спецодежду.

Учитывая то, что дуговой разряд по сути является открытым проводником, то прямое воздействие дуги на человека приведет к электротравме.

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.

Как образуется электрическая дуга

Сварочная дуга является ничем иным, как электрическим разрядом. Возникает она в случае замыкания цепи. В тот момент, когда электрод прикасается к поверхности свариваемого металла, начинает вырабатываться тепловая энергия в большом количестве. В точке соприкосновения металл начинает плавиться. Расплав притягивается к окончанию расходника, образуя тонкую шейку. Она почти что мгновенно распыляется под влиянием сильного электрического поля. В это время молекулы газа ионизируются, образуется защитное облако и обеспечивается свободное перемещение электродов.

Вид тока определяет направленность потока. Поджечь дугу можно на токе прямой и обратной полярности, переменном или постоянном. Частота, с какой дуга гаснет и разжигается напрямую зависит от выбранных сварщиком параметров тока.

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.

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.

Особенности электрической дуги

Благодаря широкому диапазону значений, электродуга совместима как с тугоплавкими, так и с привычными плавящимися электродами. Под ее воздействием металл быстро разогревается, после чего образуется ванна расплава. Преобразование электроэнергии в тепловую происходит с минимальными потерями.

По своей природе электрическая дуга сопоставима с другими видами зарядов. Ее отличительные особенности:

  • созданная плотным током высокая температура;
  • небольшое снижение катодного и анодного напряжения, которое в малой степени зависит от изначально заданного вольтажа;
  • электрическое поле между полюсами распределяется неравномерно;
  • устойчивость электрической дуги в пространстве;
  • мощность и вольтамперные характеристики саморегулируются;
  • границы электродуги четко очерчены.

Зажечь дугу можно одним из двух способом: чирканьем или коротким прикасанием.

Видео по теме

https://www.youtube.com/watch?v=wuIIgOvi-EI

Надлежащая маркировка

В любом месте на объекте, где могут существовать высокие электрические токи, должны быть надлежащим образом отмечены предупреждающими метками дуги. Они могут быть приобретены предварительно изготовленными или распечатаны на любом промышленном принтере этикеток по мере необходимости. В статье 110.16 Национального электротехнического кодекса четко указано, что этот тип оборудования должен иметь маркировку для предупреждения людей о рисках.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...