Łuk elektryczny: właściwości. Zabezpieczenie łukiem elektrycznym

Łuk elektryczny może być wyjątkowo niszczący dla sprzętu i, co ważniejsze, stanowić zagrożenie dla ludzi. Nadchodzi alarmująca liczba wypadków z powodu jej występowania w ciągu roku, często powodując poważne oparzenia lub śmierć. Na szczęście w przemyśle elektrycznym dokonano znacznego postępu w zakresie tworzenia narzędzi i metod ochrony przed skutkami łuku.

Przyczyny i lokalizacje

Łuk elektryczny jest jednym z najbardziej śmiercionośnych i najmniej zbadanych zagrożeń związanych z elektrycznością i dominuje w większości branż. Powszechnie wiadomo, że im wyższe napięcie w instalacji elektrycznej, tym większe ryzyko dla osób pracujących w lub w pobliżu przewodów i urządzeń znajdujących się pod napięciem.

Energia cieplna z łuku elektrycznego może jednak być większa i występować częściej przy niższych napięciach z tymi samymi niszczącymi konsekwencjami.

Łuk elektryczny występuje zwykle w przypadku przypadkowego kontaktu przewodu przewodzącego, takiego jak przewód jezdny z trolejbusu lub linii tramwajowej z innym przewodnikiem lub uziemiona powierzchnia. Kiedy tak się stanie, wynik prąd zwarcia topi druty, jonizuje powietrze i tworzy ognisty, przewodzący kanał plazmowy o charakterystycznym łukowatym kształcie (stąd nazwa), a temperatura łuku elektrycznego w jego rdzeniu może sięgać ponad 20 000 ° C.

Co to jest łuk elektryczny?

W rzeczywistości tak często określa się ją w życiu codziennym jako wyładowanie łukowe, dobrze znane w fizyce i elektrotechnice, rodzaj niezależnego wyładowania elektrycznego w gazie. Jakie są właściwości fizyczne łuku elektrycznego? Pali się w szerokim zakresie ciśnienia gazu, przy stałym lub przemiennym (do 1000 Hz) napięciu między elektrodami w zakresie od kilku woltów (łuk spawalniczy) do kilkudziesięciu kilowoltów. Maksymalna gęstość prądu łuku jest obserwowana na katodzie (10 ² -10 ⁸ A / cm ² ), gdzie jest wciągnięta do miejsca katodowego, bardzo jasna i niewielka. Losowo i ciągle porusza się po całym obszarze elektrody. Jego temperatura jest taka, że ​​powstaje w niej materiał katody. Dlatego powstają idealne warunki dla termonowej emisji elektronów do przestrzeni katodowej. Uformowana jest mała warstwa, która jest naładowana dodatnio i zapewnia przyspieszenie emitowanych elektronów do prędkości, przy których w znacznym stopniu jonizują one atomy i cząsteczki ośrodka w szczelinie międzylektrowej.

To samo miejsce, ale nieco większe i mniej ruchliwe, powstaje również na anodzie. Temperatura w nim jest zbliżona do punktu katodowego.

Jeżeli prąd łuku jest rzędu kilkudziesięciu amperów, elektrody plazmowe lub pochodnie zwykle płyną z obu elektrod przy dużych prędkościach do ich powierzchni (patrz zdjęcie poniżej).

Przy wysokich prądach (100-300 A) pojawiają się dodatkowe strumienie plazmy, a łuk staje się podobny do wiązki włókien plazmy (patrz zdjęcie poniżej).

Jak łuk objawia się w sprzęcie elektrycznym

Jak wspomniano powyżej, katalizatorem jego występowania jest silne wydzielanie ciepła w plamie katodowej. Temperatura łuku elektrycznego, jak już wspomniano, może osiągnąć 20 000 ° C, około cztery razy więcej niż na powierzchni Słońca. To ciepło może szybko stopić lub nawet odparować miedź z przewodników, która ma temperaturę topnienia około 1084 ° C, znacznie niższą niż w łuku. Dlatego często tworzy opary miedzi i rozpryski stopionego metalu. Kiedy miedź przechodzi z ciała stałego w parę, rozszerza się kilkadziesiąt tysięcy razy w stosunku do pierwotnej objętości. Jest to równoważne z tym, że kawałek miedzi w jednym centymetrze sześciennym zmieni się na 0,1 metra sześciennego w ułamku sekundy. Spowoduje to nacisk o wysokiej intensywności i fale dźwiękowe rozprzestrzenia się z dużą prędkością (która może wynosić ponad 1100 km na godzinę).

Efekt łuku elektrycznego

Ciężkie obrażenia, a nawet śmiertelne, w przypadku ich wystąpienia mogą być odbierane nie tylko przez osoby pracujące na sprzęcie elektrycznym, ale także przez osoby znajdujące się w pobliżu. Urazy łuku mogą obejmować zewnętrzne oparzenia skóry, oparzenia wewnętrzne spowodowane wdychaniem gorących gazów i odparowanego metalu, uszkodzenie słuchu, widzenie, takie jak ślepota przed błyskiem światła ultrafioletowego, a także wiele innych szkodliwych uszkodzeń.

Kiedy szczególnie silny łuk może również wystąpić w takim zjawisku, jak jego eksplozja, wytwarzając ciśnienie przekraczające 100 kilopaskali (kPa) z uwolnieniem cząstek gruzu, takich jak szrapnele, z prędkością do 300 metrów na sekundę.

Osoby dotknięte prąd elektryczny elektryczny może wymagać poważnego leczenia i rehabilitacji, a cena obrażeń może być ekstremalna - fizycznie, emocjonalnie i finansowo. Chociaż prawodawstwo wymaga od przedsiębiorstw przeprowadzania oceny ryzyka dla wszystkich rodzajów pracy, ryzyko łuku elektrycznego jest często pomijane, ponieważ większość ludzi nie wie, jak ocenić i skutecznie zarządzać tym zagrożeniem. Ochrona przed skutkami łuku elektrycznego wiąże się z wykorzystaniem całej gamy narzędzi, w tym stosowania specjalnego elektrycznego sprzętu ochronnego, odzieży roboczej, a także samego sprzętu, w szczególności wysokonapięciowych aparatów przełączających zaprojektowanych z wykorzystaniem urządzeń wygaszających łuk podczas pracy z urządzeniami elektrycznymi pod napięciem.

Łuk w aparaturze elektrycznej

W tej klasie urządzeń elektrycznych (wyłączniki, styczniki, startery magnetyczne) walka z tym zjawiskiem ma szczególne znaczenie. Kiedy kontakty przełącznika, który nie jest wyposażony w specjalne urządzenia zapobiegające łukowi, otwierają się, to na pewno zapali się on między nimi.

W momencie, gdy styki zaczynają się oddzielać, powierzchnia tego ostatniego zmniejsza się gwałtownie, co prowadzi do wzrostu gęstości prądu, a w konsekwencji do wzrostu temperatury. Ciepło wytwarzane w szczelinie pomiędzy stykami (zwykłe medium to olej lub powietrze) jest wystarczające do jonizacji lub odparowania powietrza i jonizacji oleju. Zjonizowane powietrze lub para działa jako przewodnik dla prądu łuku między stykami. Potencjalna różnica między nimi jest niewielka, ale wystarcza do utrzymania łuku. W konsekwencji prąd w obwodzie pozostaje ciągły, dopóki łuk nie zostanie wyeliminowany. Nie tylko opóźnia proces rozbijania prądu, ale także generuje ogromną ilość ciepła, które może uszkodzić sam przełącznik. Zatem głównym problemem wyłącznika (przede wszystkim wysokiego napięcia) jest jak najszybsze wygaszanie łuku elektrycznego, aby wytworzone w nim ciepło nie mogło osiągnąć niebezpiecznej wartości.

Czynniki utrzymują łuk między stykami przełączników

Należą do nich:

1. Napięcie łuku elektrycznego, równe różnicy potencjałów między stykami.

2. Zjonizowane cząsteczki między nimi.

Biorąc to pod uwagę, dodatkowo:

• Gdy między stykami jest niewielka przerwa, nawet mała różnica potencjału wystarcza do utrzymania łuku. Jednym ze sposobów jego ugaszenia jest podzielenie kontaktów na taką odległość, aby różnica potencjałów stała się niewystarczająca do utrzymania łuku. Niemniej jednak ta metoda jest praktycznie niewykonalna w urządzeniach wysokonapięciowych, gdzie może być wymagane rozdzielenie na wiele liczników.
• Zjonizowane cząstki między kontaktami z reguły podtrzymują łuk. Jeśli jej ścieżka jest dejonizowana, wówczas proces hartowania zostanie ułatwiony. Można to osiągnąć chłodząc łuk lub usuwając zjonizowane cząstki z przestrzeni między stykami.
• Istnieją dwa sposoby ochrony przed łukiem elektrycznym w przełącznikach:

- metoda wysokiej rezystancji;

- metoda zerowego prądu.

Wygaszenie łuku poprzez zwiększenie jego odporności

W tym sposobie opór wzdłuż ścieżki łuku zwiększa się z upływem czasu tak, że prąd zmniejsza się do wartości niewystarczającej do utrzymania go. W związku z tym jest on przerywany, a łuk elektryczny gaśnie. Główną wadą tej metody jest to, że czas gaszenia jest wystarczająco duży, a ogromna energia jest rozproszona w łuku.

Odporność na łuk może zostać zwiększona przez:

• Rozszerzenia łuku - odporność na łuk jest wprost proporcjonalna do jego długości. Długość łuku można zwiększyć, zmieniając odstęp między stykami.
• Chłodzenie łuku, a raczej otoczenie między stykami. Skuteczne chłodzenie przez dmuchanie powinno być kierowane wzdłuż łuku.
• Umieszczenie styków w trudno podatnym na jonizację medium gazowym (przełączniki gazowe) lub w komorze próżniowej (przełączniki próżniowe).
• Zmniejszając przekrój łuku, przepuszczając go przez wąski otwór lub zmniejszając obszar styku.
• Separacja łuku - jej wytrzymałość można zwiększyć dzieląc ją na szereg małych łuków połączonych szeregowo. Każdy z nich odczuwa efekt wydłużania i chłodzenia. Łuk można podzielić, umieszczając między stykami kilka przewodzących płyt.

Wygaszenie łuku za pomocą metody prądu zerowego

Ta metoda jest używana tylko w obwodach prądu przemiennego. W nim opór łuku jest utrzymywany na niskim poziomie, aż prąd spadnie do zera, gdzie w naturalny sposób zostanie wygaszony. Zapobiega to ponownemu zapłonowi pomimo wzrostu napięcia na stykach. Wszystkie nowoczesne przełączniki wysokich prądów przemiennych wykorzystują tę metodę wygaszenia łuku.

W systemie AC, ten ostatni spada do zera po każdym półokresie. W każdym takim zerowaniu łuk gaśnie na krótki czas. Jednocześnie medium pomiędzy stykami zawiera jony i elektrony, dzięki czemu jego wytrzymałość dielektryczna jest niewielka i może być łatwo zniszczona przez rosnące napięcie na stykach.

Jeśli tak się stanie, łuk zostanie spalony podczas następnej połowy cyklu prądu. Jeśli natychmiast po wyzerowaniu dielektryczna wytrzymałość medium między stykami wzrasta szybciej niż napięcie na nich, łuk nie zapala się, a prąd zostaje przerwany. Szybki wzrost wytrzymałości dielektrycznej ośrodka w pobliżu prądu zerowego można osiągnąć poprzez:

• rekombinacja zjonizowanych cząstek w przestrzeni między kontaktami w obojętne cząsteczki;
• usunięcie zjonizowanych cząstek i zastąpienie ich neutralnymi cząstkami.

Tak więc prawdziwym problemem w przerywającym prądzie przemiennym łuku jest szybka dejonizacja ośrodka między stykami, gdy tylko prąd stanie się zerowy.

Sposoby dezjonizacji medium między kontaktami

1. Wydłużenie szczeliny: wytrzymałość dielektryczna ośrodka jest proporcjonalna do długości przerwy między stykami. W ten sposób, dzięki szybkiemu otwarciu styków, można uzyskać wyższą wytrzymałość dielektryczną ośrodka.

2. Wysokie ciśnienie. Jeśli znajduje się w pobliżu łuku, wzrasta, gęstość cząstek tworzących kanał wyładowania łukowego również wzrasta. Zwiększona gęstość cząstek prowadzi do wysokiego poziomu ich dejonizacji, a w konsekwencji wzrasta wytrzymałość dielektryczna ośrodka między stykami.

3 Chłodzenie. Naturalna rekombinacja zjonizowanych cząstek pojawia się szybciej, gdy się schłodzą. W ten sposób wytrzymałość dielektryczną medium między stykami można zwiększyć chłodząc łuk.

4. Skutek wybuchu. Jeśli zjonizowane cząsteczki między stykami zostaną usunięte i zastąpione niezjonizowanymi, wówczas wytrzymałość dielektryczna ośrodka może wzrosnąć. Można to osiągnąć za pomocą wybuchu gazu kierowanego do strefy wyładowczej lub poprzez wtryskiwanie oleju do przestrzeni kontaktowej.

W takich przełącznikach jako środek gaszący łuk stosowany jest gaz sześciofluorek siarki (SF6). Ma silną tendencję do absorbowania wolnych elektronów. Styki przełącznika otwierają się w strumieniu wysokiego ciśnienia (SF6) między nimi (patrz rysunek poniżej). Gaz wychwytuje wolne elektrony w łuku i tworzy nadmiar siedzących jonów ujemnych. Liczba elektronów w łuku szybko maleje i gaśnie.