Електрическа дъга: свойства. Електрическа защита

Електрическата дъга може да бъде изключително разрушителна за оборудването и, което е по-важно, да застраши хората. Алармиращ брой инциденти се случват поради това, че се случват всяка година, което често води до тежки изгаряния или смърт. За щастие, в електротехническата промишленост е постигнат значителен напредък по отношение на създаването на инструменти и методи за защита срещу въздействието на дъга.

Причини и местоположения

Електрическата дъга е една от най-смъртоносните и най-малко проучени опасности от електричество и преобладава в повечето индустрии. Широко признато е, че колкото по-високо е напрежението на електрическата система, толкова по-голям е рискът хората да работят в или близо до проводниците и оборудването, което е под напрежение.

Топлинната енергия от дъгова светкавица обаче може да бъде по-голяма и да се появява по-често при по-ниски напрежения със същите опустошителни последствия.

Електрическа дъга обикновено възниква, когато е налице случайно контактуване между проводящ проводник, като контактния проводник от тролейбус или трамвайна линия с друг проводник или заземена повърхност. Когато това се случи, резултатът ток на късо съединение топи проводниците, йонизира въздуха и създава огнено проводим плазмен канал с характерна дъгообразна форма (оттук и името), а температурата на електрическата дъга в нейната сърцевина може да достигне над 20,000 ° C.

Какво е електрическа дъга?

Всъщност, това е начинът, по който в ежедневието обичайно се говори като за дъгов разряд, известен във физиката и електротехниката, тип независим електрически разряд в газ. Какви са физичните свойства на електрическата дъга? Той изгаря в широк диапазон от налягане на газ, при постоянно или променливо (до 1000 Hz) напрежение между електродите в диапазона от няколко волта (дъга на заваряване) до десетки киловолта. Максималната плътност на тока на дъгата се наблюдава при катода (10 ² -10 ⁸ A / cm ² ), където се изтегля в катодното петно, много светло и малко по размер. Случайно и непрекъснато се движи по цялата площ на електрода. Неговата температура е такава, че материалът на катода в него кипи. Затова възникват идеални условия за термично излъчване на електрони в пространството на катода. Над него се оформя малък слой, който е положително зареден и осигурява ускорение на излъчените електрони до скоростите, при които те силно йонизират атомите и молекулите на средата в междуелектродната пролука.

На анода се оформя същото място, но малко по-голямо и по-малко подвижно. Температурата в нея е близо до катодното място.

Ако токът на дъгата е от порядъка на няколко десетки ампера, тогава плазмените електроди или горелките обикновено преминават от двата електрода при високи скорости към техните повърхности (виж на снимката по-долу).

При високи токове (100-300 А) възникват допълнителни плазмени струи и дъгата става подобна на сноп от плазмени нишки (виж снимката по-долу).

Как се проявява дъгата в електрическото оборудване

Както е споменато по-горе, катализаторът за неговото възникване е силно отделяне на топлина в катодното петно. Температурата на електрическата дъга, както вече споменахме, може да достигне 20,000 ° C, около четири пъти по-висока, отколкото на повърхността на слънцето. Тази топлина може бързо да се стопи или дори да се изпари медта на проводниците, която има точка на топене около 1084 ° С, много по-ниска, отколкото в дъгата. Следователно, той често образува медни изпарения и пръски от разтопен метал. Когато медът премине от твърдо към пара, той се разширява няколко десетки хиляди пъти от първоначалния си обем. Това е еквивалентно на факта, че парче мед в един кубичен сантиметър ще се промени на размер от 0.1 кубически метра за част от секундата. Това ще предизвика високо напрежение и звукови вълни разпръскване на висока скорост (което може да бъде над 1100 км / ч).

Ефект на електрическата дъга

Тежки наранявания и дори фатални, в случай на възникване, могат да бъдат получени не само от хора, работещи с електрическо оборудване, но и от хора наблизо. Нараняванията на дъгата могат да включват външни изгаряния на кожата, вътрешни изгаряния от вдишване на горещи газове и изпарен метал, увреждане на слуха, зрение, като слепота от ултравиолетова светкавица, както и много други увреждания.

Когато една особено мощна дъга може да възникне и такова явление като експлозията, което създава налягане от повече от 100 килопаскала (kPa) с освобождаването на частици отломки, като шрапнел, при скорости до 300 метра в секунда.

Засегнати лица електрически ток дъга, може да се нуждаят от сериозно лечение и рехабилитация, а цената на техните наранявания може да бъде крайно - физически, емоционално и финансово. Въпреки че законодателството изисква от предприятията да извършват оценки на риска за всички видове работа, рискът от електрическа дъга често се пренебрегва, тъй като повечето хора не знаят как да оценяват и ефективно управляват тази опасност. Защитата от въздействието на електрическата дъга включва използването на цяла гама от инструменти, включително използването на специално електрическо защитно оборудване, работно облекло, както и самото оборудване, по-специално високоволтови комутационни устройства, проектирани с използване на дъгообразуващо оборудване при работа с електрическо оборудване под напрежение.

Дъгата в електрическия апарат

В този клас електрически уреди (прекъсвачи, контактори, магнитни стартери) борбата срещу това явление е от особено значение. Когато контактите на превключвателя, който не е оборудван със специални устройства за предотвратяване на дъгата, се отварят, то тогава със сигурност ще се запали между тях.

В момента, когато контактите започнат да се разделят, площта на последната намалява бързо, което води до увеличаване на плътността на тока и следователно до повишаване на температурата. Топлината, генерирана в процепа между контактите (обичайната среда е масло или въздух), е достатъчна за йонизация на въздуха или изпаряване и ионизация на маслото. Йонизираният въздух или пара действа като проводник за тока на дъгата между контактите. Потенциалната разлика между тях е доста малка, но е достатъчна за поддържане на дъгата. Следователно, токът във веригата остава непрекъснат, докато дъгата не се елиминира. Той не само забавя процеса на счупване на тока, но и генерира огромно количество топлина, която може да повреди самото превключвател. По този начин, основният проблем в прекъсвача (предимно високо напрежение) е гасене на електрическата дъга възможно най-скоро, така че генерираната в него топлина да не може да достигне опасна стойност.

Факторите поддържат дъгата между контактите на превключвателите

Те включват:

1. Напрежение на електрическата дъга, равно на потенциалната разлика между контактите.

2. Йонизирани частици между тях.

Като вземаме това, отбелязваме в допълнение:

• Когато има малко разстояние между контактите, дори и малка потенциална разлика е достатъчна за поддържане на дъгата. Един от начините за гасене е да се разделят контактите на такова разстояние, че разликата в потенциала става недостатъчна за поддържане на дъгата. Независимо от това, този метод е практически неприложим при оборудване с високо напрежение, където може да се изисква разделяне на много метри.
• Йонизираните частици между контактите, като правило, поддържат дъгата. Ако нейният път е дейонизиран, тогава процесът на охлаждане ще бъде улеснен. Това може да се постигне чрез охлаждане на дъгата или отстраняване на йонизираните частици от пространството между контактите.
• Съществуват два начина, по които се извършва защита срещу електрическа дъга в ключовете:

- метод с висока устойчивост;

- метод на нулев ток.

Изчезване на дъгата чрез увеличаване на неговата устойчивост

При този метод съпротивлението по протежение на пътя на дъгата нараства с времето, така че токът намалява до стойност, недостатъчна за поддържането му. Следователно тя се прекъсва и електрическата дъга изгасва. Основният недостатък на този метод е, че времето за охлаждане е достатъчно голямо и огромната енергия се разпръсква в дъгата.

Съпротивлението на дъгата може да се увеличи чрез:

• Удълженията на дъгата - съпротивлението на дъгата е право пропорционално на неговата дължина. Дължината на дъгата може да се увеличи, като се промени разстоянието между контактите.
• Охлаждане на дъгата, или по-скоро средата между контактите. Ефективното охлаждане чрез продухване трябва да бъде насочено по дъгата.
• Поставяне на контакти в трудно йонизируема газова среда (газови превключватели) или във вакуумна камера (вакуумни превключватели).
• Чрез намаляване на напречното сечение на дъгата чрез преминаване през тесен отвор или чрез намаляване на контактната област.
• Разделяне на дъгата - съпротивлението му може да се увеличи, като се раздели на серия от малки дъги, свързани последователно. Всеки от тях изпитва ефекта на удължаване и охлаждане. Дъгата може да бъде разделена чрез вмъкване на някои проводими плочи между контактите.

Изчезване на дъгата чрез нулев токов метод

Този метод се използва само в електрически вериги. В него съпротивлението на дъгата се запазва ниско, докато токът падне до нула, където се изгасва естествено. Неговото повторно запалване се предотвратява въпреки увеличаването на напрежението в контактите. Всички съвременни ключове с високи променливи токове използват този метод за изчезване на дъгата.

В системата АС последната намалява до нула след всеки половин период. При всяко такова нулиране дъгата се погасява за кратко време. Средата между контактите съдържа йони и електрони, така че нейната диелектрична сила е малка и може лесно да бъде разрушена от нарастващото напрежение върху контактите.

Ако това се случи, дъгата ще изгори през следващия половин цикъл на тока. Ако веднага след нейното нулиране диелектричната якост на средата между контактите нараства по-бързо от напрежението върху тях, тогава дъгата няма да се запали и токът ще бъде прекъснат. Бързото нарастване на диелектричната якост на средата близо до нулевия ток може да се постигне чрез:

• рекомбинация на йонизирани частици в пространството между контактите в неутрални молекули;
• отстраняване на йонизираните частици и заместването им с неутрални частици.

Следователно, истинският проблем при прекъсването на променливия ток на дъгата е бързото деионизиране на средата между контактите, веднага щом токът стане нула.

Начини за дейонизиране на средата между контактите

1. Удължение на междината: диелектричната якост на средата е пропорционална на дължината на междината между контактите. По този начин, чрез бързо отваряне на контактите, може да се постигне по-висока диелектрична якост на средата.

2. Високо налягане. Ако тя е в непосредствена близост до дъгата, тя се увеличава, плътността на частиците, които образуват канала на дъговия разряд, също се увеличава. Повишената плътност на частиците води до високо ниво на тяхната деионизация и следователно диелектричната якост на средата между контактите се увеличава.

3. Охлаждане. Естествената рекомбинация на йонизираните частици настъпва по-бързо, ако се охлади. Така диелектричната якост на средата между контактите може да бъде увеличена чрез охлаждане на дъгата.

4. Ефектът от експлозията. Ако йонизираните частици между контактите са пометени и заменени с нейонизирани, тогава диелектричната якост на средата може да се увеличи. Това може да се постигне чрез използване на газ, взривен в зоната на изпускане, или чрез инжектиране на масло в контактното пространство.

При такива превключватели се използва газ серен хексафлуорид (SF6) като средство за гасене на дъгата. Той има силна тенденция да абсорбира свободните електрони. Превключващите контакти се отварят в потока с високо налягане (SF6) между тях (виж фигурата по-долу). Газът улавя свободните електрони в дъгата и образува излишък от заседнали отрицателни йони. Броят на електроните в дъгата бързо намалява и той изгасва.