Proces powstawania łuku elektrycznego i metody jego gaszenia

Kiedy obwód elektryczny jest otwarty, następuje wyładowanie elektryczne w postaci łuku elektrycznego. Do pojawienia się łuku elektrycznego wystarczy, aby napięcie styków było powyżej 10 V przy prądzie w obwodzie rzędu 0,1 A lub większym. Przy znacznych napięciach i prądach temperatura wewnątrz łuku może osiągnąć 3-15 tysięcy ° C, w wyniku czego topią się styki i części pod napięciem.

Przy napięciach 110 kV i wyższych długość łuku może sięgać kilku metrów. Dlatego łuk elektryczny, zwłaszcza w obwodach dużej mocy, dla napięć powyżej 1 kV jest dużym zagrożeniem, chociaż poważne konsekwencje mogą być również w instalacjach dla napięć poniżej 1 kV. W rezultacie w obwodach napięć zarówno powyżej, jak i poniżej 1 kV należy w jak największym stopniu ograniczyć i szybko wygasić łuk elektryczny.

Przyczyny wyładowań elektrycznych

Proces tworzenia łuku elektrycznego można uprościć w następujący sposób.Kiedy styki rozchodzą się, nacisk styku najpierw maleje, a powierzchnia styku odpowiednio wzrasta, rezystancja przejścia (gęstość prądu i temperatura — rozpoczyna się miejscowe (w niektórych obszarach powierzchni styku) przegrzewanie, co dodatkowo przyczynia się do promieniowania termionowego, gdy pod wpływem wysokiej temperatury zwiększa się prędkość elektronów i odrywają się one od powierzchni elektrody.

W momencie rozwarcia styków, czyli przerwania obwodu, napięcie w szczelinie stykowej zostaje szybko przywrócone. Ponieważ w tym przypadku odległość między stykami jest niewielka, jest pole elektryczne wysokie napięcie, pod wpływem którego elektrony są usuwane z powierzchni elektrody. Przyspieszają w polu elektrycznym, a kiedy zderzają się z obojętnym atomem, przekazują mu swoją energię kinetyczną. Jeśli ta energia jest wystarczająca do oderwania przynajmniej jednego elektronu z powłoki obojętnego atomu, wówczas zachodzi proces jonizacji.

Utworzone wolne elektrony i jony tworzą plazmę pnia łuku, czyli zjonizowany kanał, w którym łuk się pali i zapewniony jest ciągły ruch cząstek. W tym przypadku cząstki naładowane ujemnie, głównie elektrony, poruszają się w jednym kierunku (w kierunku anody), a atomy i cząsteczki gazów pozbawionych jednego lub więcej elektronów — cząstek naładowanych dodatnio — w kierunku przeciwnym (w kierunku katody).

Przewodność plazmy jest zbliżona do przewodnictwa metali.

W trzonie łuku płynie duży prąd i powstaje wysoka temperatura.Taka temperatura cylindra łuku prowadzi do jonizacji termicznej — procesu powstawania jonów w wyniku zderzenia cząsteczek i atomów o dużej energii kinetycznej przy dużych prędkościach ich ruchu (cząsteczki i atomy ośrodka, w którym płonie łuk, rozpadają się na elektrony i dodatnio naładowane jony). Intensywna jonizacja termiczna utrzymuje wysoką przewodność plazmy. Dlatego spadek napięcia wzdłuż łuku jest mały.

W łuku elektrycznym stale zachodzą dwa procesy: oprócz jonizacji, także dejonizacja atomów i cząsteczek. To ostatnie zachodzi głównie poprzez dyfuzję, czyli przenoszenie naładowanych cząstek do otoczenia oraz rekombinację elektronów i dodatnio naładowanych jonów, które ponownie łączą się w neutralne cząstki wraz ze zwrotem energii zużytej na ich rozpad. W takim przypadku ciepło jest odprowadzane do otoczenia.

Można zatem wyróżnić trzy etapy rozpatrywanego procesu: zajarzenie łuku, gdy na skutek jonizacji szokowej i emisji elektronów z katody rozpoczyna się wyładowanie łukowe, a intensywność jonizacji jest większa niż dejonizacja, stabilne palenie łuku wspomagane przez jonizacja termiczna w cylindrze łukowym, gdy intensywność jonizacji i dejonizacji są takie same, zanik łuku, gdy intensywność dejonizacji jest większa niż intensywność jonizacji.

Metody gaszenia łuku elektrycznego w elektrycznych aparatach łączeniowych

Aby odłączyć elementy obwodu elektrycznego i wykluczyć uszkodzenie urządzenia przełączającego, konieczne jest nie tylko otwarcie jego styków, ale także zgaszenie łuku, który pojawia się między nimi. Procesy gaszenia łuku, a także spalania, prądem przemiennym i stałym są różne.Decyduje o tym fakt, że w pierwszym przypadku prąd w łuku przechodzi przez zero co pół cyklu. W tych momentach uwalnianie energii w łuku zatrzymuje się, a łuk spontanicznie gaśnie, a następnie zapala się ponownie za każdym razem.

W praktyce prąd w łuku zbliża się do zera nieco wcześniej niż przejście przez zero, ponieważ wraz ze spadkiem prądu zmniejsza się energia dostarczana do łuku, a temperatura łuku odpowiednio spada i jonizacja termiczna ustaje. W tym przypadku proces dejonizacji przebiega intensywnie w przerwie łukowej. Jeśli w tym czasie otworzysz i szybko otworzysz styki, późniejsza przerwa elektryczna może nie wystąpić, a obwód zostanie odłączony bez wyładowania łukowego. W praktyce jest to jednak niezwykle trudne, dlatego też podejmuje się specjalne działania mające na celu przyspieszenie wygaszania łuku, zapewnienie chłodzenia przestrzeni łuku oraz zmniejszenie liczby naładowanych cząstek.

W wyniku dejonizacji stopniowo zwiększa się wytrzymałość dielektryczna szczeliny i jednocześnie wzrasta w niej napięcie powrotne. Stosunek tych wartości zależy od tego, czy tęcza zaświeci się w następnej połowie okresu, czy nie. Jeśli wytrzymałość dielektryczna szczeliny rośnie szybciej i jest większa niż napięcie powrotne, łuk nie będzie się już zapalał, w przeciwnym razie zapewniony będzie stabilny łuk. Pierwszy warunek definiuje problem gaszenia łuku.

W rozdzielnicach stosuje się różne metody gaszenia łuku.

Wydłużenie łuku

Jeśli styki rozchodzą się podczas odłączania obwodu elektrycznego, powstały łuk jest rozciągany.Jednocześnie poprawiają się warunki chłodzenia łuku, ponieważ zwiększa się jego powierzchnia, a do spalania potrzebne jest większe napięcie.

Dzielenie długiego łuku na serię krótkich łuków

Jeśli łuk powstający przy rozwarciu styków zostanie podzielony na K krótkich łuków, na przykład przez wciągnięcie w metalową kratkę, zgaśnie. Zazwyczaj łuk jest wprowadzany do siatki metalowej pod wpływem pola elektromagnetycznego indukowanego w płytach siatki przez prądy wirowe. Ta metoda gaszenia łuku jest szeroko stosowana w rozdzielnicach na napięcia poniżej 1 kV, w szczególności w automatycznych wyłącznikach powietrznych.

Chłodzenie łuku w wąskich szczelinach

Ułatwione gaszenie małych łuków. Dlatego w urządzenia przełączające szeroko stosowane są komory łukowe ze szczelinami podłużnymi (oś takiej szczeliny pokrywa się w kierunku z osią cylindra łukowego). Szczelina taka powstaje zwykle w komorach wykonanych z materiałów izolacyjnych łukoodpornych. Ze względu na kontakt łuku z zimnymi powierzchniami następuje jego intensywne chłodzenie, dyfuzja naładowanych cząstek w środowisku i odpowiednio szybka dejonizacja.

Oprócz szczelin o płaskich równoległych ścianach stosuje się również szczeliny z żebrami, występami, przedłużeniami (kieszonkami). Wszystko to prowadzi do deformacji cylindra łuku i zwiększa powierzchnię jego kontaktu z zimnymi ścianami komory.

Łuk jest wciągany w wąskie szczeliny, zwykle przez pole magnetyczne oddziałujące z łukiem, który można traktować jako przewodnik przewodzący prąd.

Zewnętrzny pole magnetyczne przemieszczanie łuku zapewnia najczęściej cewka połączona szeregowo ze stykami, pomiędzy którymi występuje łuk.Gaszenie łuku w wąskich szczelinach stosowane jest w urządzeniach dla wszystkich napięć.

Gaszenie łuku pod wysokim ciśnieniem

W stałej temperaturze stopień jonizacji gazu maleje wraz ze wzrostem ciśnienia, podczas gdy przewodność cieplna gazu wzrasta. Przy niezmienionych pozostałych parametrach skutkuje to lepszym chłodzeniem łuku. Gaszenie łuku przez wysokie ciśnienie, wytwarzane przez sam łuk w szczelnie zamkniętych komorach, jest szeroko stosowane w bezpiecznikach i wielu innych urządzeniach.

Gaszenie łuku w oleju

Jeśli przełączanie styków umieszczone w oleju, łuk powstający podczas ich otwierania prowadzi do intensywnego odparowania oleju. W rezultacie wokół łuku tworzy się pęcherzyk gazu (koperta), składający się głównie z wodoru (70 ... 80%), a także oparów oleju. Emitowane gazy wnikają bezpośrednio w obszar cylindra łuku z dużą prędkością, powodują mieszanie się zimnego i gorącego gazu w bańce, zapewniają intensywne chłodzenie i odpowiednio dejonizację szczeliny łukowej. Ponadto zdolność dejonizująca gazów zwiększa ciśnienie wewnątrz bańki powstałej podczas szybkiego rozkładu oleju.

Intensywność procesu gaszenia łuku w oleju jest tym większa, im bliżej łuk styka się z olejem i im szybciej olej porusza się względem łuku. Biorąc to pod uwagę, szczelina łukowa jest ograniczona zamkniętym urządzeniem izolacyjnym - komora łukowa... W tych komorach powstaje bliższy kontakt oleju z łukiem, a za pomocą płyt izolacyjnych i otworów wyładowczych powstają kanały robocze przez które przepływa olej i gazy, zapewniając intensywne wydmuch (wydmuch) łuku.

Komory łukowe zgodnie z zasadą działania dzielą się na trzy główne grupy: z samodmuchającymi, gdy w obszarze łuku powstaje wysokie ciśnienie i prędkość ruchu gazu na skutek energii uwalnianej w łuku, z wymuszone wdmuchiwanie oleju za pomocą specjalnych pompujących mechanizmów hydraulicznych, z hartowaniem magnetycznym w oleju, gdy łuk jest pod działaniem pola magnetycznego, przesuwa się w wąskie szczeliny.

Najskuteczniejsze i najprostsze samonapełniające się komory łukowe... W zależności od umiejscowienia kanałów i otworów wylotowych wyróżnia się komory, w których następuje intensywne przedmuchiwanie mieszaniny gazowo-parowej i oleju wzdłuż prądu łuku (przedmuch wzdłużny) lub przez łuk (dmuchanie poprzeczne). Rozważane metody gaszenia łuku są szeroko stosowane w wyłącznikach na napięcia powyżej 1 kV.

Inne metody gaszenia łuku w urządzeniach na napięcia powyżej 1 kV

Poza powyższymi metodami gaszenia łuku wykorzystują również: sprężone powietrze, którego przepływ rozdmuchuje łuk wzdłuż lub w poprzek, zapewniając jego intensywne chłodzenie (zamiast powietrza stosuje się inne gazy, często otrzymywane z gazów stałych wytwarzających materiały — włókna, plastik winylowy itp. — kosztem ich rozkładu przez sam płonący łuk), SF6 (sześciofluorek siarki), który ma większą wytrzymałość elektryczną niż powietrze i wodór, w wyniku czego łuk palący się w tym gazie, nawet przy ciśnieniu atmosferycznym, szybko gaśnie, gaz silnie rozrzedzony (próżnia) przy rozwarciu styków, w którym łuk nie nie zapala się (gaśnie) po pierwszym przejściu prądu przez zero.