Význam frázy „elektrický oblúk. Vznik a vlastnosti oblúka Elektrický oblúk a príčiny jeho vzniku

Zhášanie oblúka uľahčujú plyny s vysokým výbojom alebo plyny používané ako vnútorná izolácia zariadení pre napätie nad 1000V. vysoký tlak.

Zhášanie oblúka vo vákuu. Vysoko vybitý plyn má elektrickú silu desaťkrát väčšiu ako plyn pri atmosférickom tlaku; používa sa vo vákuových stykačoch a spínačoch.

Zhášanie oblúka vo vysokotlakových plynoch. Vzduch pri tlaku 2 MPa a viac má vysokú elektrickú pevnosť, čo umožňuje vytvárať kompaktné hasiace zariadenia vo vzduchových ističoch. Použitie fluoridu sírového SF 6 (SF6) je účinné na hasenie oblúka.

Podmienky zhášania oblúka striedavým prúdom.

Nechajte kontakty oddelené v bode a. Medzi nimi sa zapáli oblúk. Na konci polcyklu sa v dôsledku poklesu prúdu zvyšuje odpor hriadeľa oblúka a podľa toho sa zvyšuje napätie na oblúku. Keď sa prúd priblíži k nule, do oblúka sa dodáva malý výkon, teplota oblúka sa zníži, tepelná ionizácia sa primerane spomalí a deionizačné procesy sa zrýchlia - oblúk zhasne (bod 0 ). Prúd v obvode sa preruší pred jeho prirodzeným prechodom cez nulu. Napätie zodpovedajúce prerušeniu prúdu - tlmiaca špička U g.

Ryža. 22. Zhasnutie AC oblúka s aktívnou záťažou

Po zhasnutí oblúka nastáva proces obnovy elektrickej pevnosti oblúkovej medzery (krivka a 1 - b 1). Pod elektrickou silou oblúkovej medzery sa rozumie napätie, pri ktorom dôjde k elektrickému prerušeniu oblúkovej medzery. Počiatočná elektrická pevnosť (bod a 1) a rýchlosť jej nárastu závisia od vlastností zhášacieho zariadenia. V momente t1 krivka napätia na oblúkovej medzere sa pretína s krivkou obnovenia elektrickej pevnosti oblúkovej medzery - oblúk sa zapáli. Napätie zapaľovania oblúka - vrchol zapaľovania U s. Krivka napätia oblúka má sedlový tvar.

Na mieste 0 1 oblúk opäť zhasne a nastanú procesy podobné tým, ktoré boli opísané skôr. Na moment 0 1 v dôsledku divergencie kontaktov sa zväčšuje dĺžka oblúka, zvyšuje sa odvod tepla z oblúka a počiatočná elektrická pevnosť (bod a 2) a rýchlosť jej nárastu (krivka a 2 - v 2) zodpovedajúcim spôsobom zvýšiť. V súlade s tým sa zvyšuje aj mŕtvy čas. 0 1 - t2 > 0 -t1 .

V momente t2 oblúk sa znova zapáli. Na mieste 0 11 oblúk zhasne. Počiatočná elektrická sila sa opäť zvyšuje (bod a 3) a rýchlosť jej nárastu (krivka a 3 -b 3). Krivka napätia sa nepretína s krivkou zvýšenia dielektrickej pevnosti. Oblúk sa počas tohto polovičného cyklu nezapáli.

V otvorenom oblúku pri vysokom napätí(medzera rohoviny), určujúcim faktorom je aktívny odpor silne napnutého drieku oblúka Podmienky zhášania oblúka striedavého prúdu sa približujú podmienkam zhášania oblúka jednosmerného a procesy po prechode prúdu nulou majú na zhasnutie malý vplyv. oblúka.

Pri indukčnej záťaži je doba necitlivosti veľmi malá (približne 0,1 µs), to znamená, že oblúk horí takmer nepretržite. Odpojenie indukčnej záťaže je náročnejšie ako odporovej. Nie je tu žiadne prerušenie.

Vo všeobecnosti je proces oblúka na striedavý prúd jednoduchší ako na jednosmerný prúd. Racionálna podmienka na zhasnutie oblúka striedavého prúdu by sa mala považovať za takú, keď sa zhášanie vykonáva pri prvom prechode prúdu nulou po otvorení kontaktov.

Otázky na samovyšetrenie:

· Oblasti oblúkového výboja.

· Statická charakteristika prúd-napätie.

· Dynamická prúdovo-napäťová charakteristika.

· Podmienky pre stabilné horenie a uhasenie jednosmerného oblúka.

Aké javy sa používajú na zhasnutie oblúka?

· Podmienky hasenia elektrického oblúka.

1. Podmienky pre zapálenie a zapálenie oblúka

Otvorenie elektrického obvodu v prítomnosti prúdu v ňom je sprevádzané elektrickým výbojom medzi kontaktmi. Ak v odpojenom obvode sú prúd a napätie medzi kontaktmi väčšie ako kritické pre tieto podmienky, potom a oblúk, ktorého doba horenia závisí od parametrov obvodu a podmienok deionizácie oblúkovej medzery. Vytvorenie oblúka pri otváraní medených kontaktov je možné už pri prúde 0,4-0,5 A a napätí 15 V.

Ryža. jeden. Umiestnenie v stacionárnom jednosmernom oblúku napätie U(a) a intenzitaE(b).

V oblúku sa rozlišuje blízky katódový priestor, hriadeľ oblúka a blízky anódový priestor (obr. 1). Všetok stres je rozdelený medzi tieto oblasti U do, U SD, U a. Pokles katódového napätia v jednosmernom oblúku je 10–20 V a dĺžka tohto úseku je 10–4–10–5 cm, takže v blízkosti katódy je pozorovaná vysoká intenzita elektrického poľa (105–106 V/cm). . Pri takýchto vysokých intenzitách dochádza k nárazovej ionizácii. Jeho podstata spočíva v tom, že elektróny vytrhnuté z katódy silami elektrického poľa (emisia poľa) alebo zahrievaním katódy (termionická emisia) sú v elektrickom poli urýchlené a pri dopade na neutrálny atóm , dať mu svoju kinetickú energiu. Ak je táto energia dostatočná na odtrhnutie jedného elektrónu z obalu neutrálneho atómu, dôjde k ionizácii. Výsledné voľné elektróny a ióny tvoria plazmu hriadeľa oblúka.

Ryža. 2. .

Vodivosť plazmy sa blíži vodivosti kovov [ pri\u003d 2500 1 / (Ohm × cm)] / Veľký prúd prechádza hriadeľom oblúka a vytvára sa vysoká teplota. Prúdová hustota môže dosiahnuť 10 000 A/cm2 alebo viac a teplota sa môže pohybovať od 6 000 K pri atmosférickom tlaku do 18 000 K alebo viac pri zvýšených tlakoch.

Vysoké teploty v drieku oblúka vedú k intenzívnej tepelnej ionizácii, ktorá udržuje vysokú vodivosť plazmy.

Tepelná ionizácia je proces tvorby iónov v dôsledku kolízie molekúl a atómov s vysokou kinetickou energiou pri vysokých rýchlostiach ich pohybu.

Čím väčší je prúd v oblúku, tým menší je jeho odpor, a preto je na vyhorenie oblúka potrebné menšie napätie, t.j. je ťažšie uhasiť oblúk veľkým prúdom.

Pri striedavom prúde napájacie napätie u cd sa mení sínusovo, mení sa aj prúd v obvode i(obr. 2) a prúd zaostáva za napätím asi o 90°. Oblúkové napätie u e, horiace medzi kontaktmi spínača, prerušovane. Pri nízkych prúdoch sa napätie zvyšuje na hodnotu u h (napätie zapaľovania), potom pri zvyšovaní prúdu v oblúku a zvyšovaní tepelnej ionizácie napätie klesá. Na konci polcyklu, keď sa prúd blíži k nule, oblúk zhasne pri zhášacom napätí u d) V ďalšom polcykle sa jav opakuje, ak sa neprijmú opatrenia na deionizáciu medzery.

Ak oblúk tak či onak zhasne, musí sa napätie medzi kontaktmi spínača obnoviť na sieťové napätie - u vz (obr. 2, bod A). Keďže sa však v obvode nachádzajú indukčné, aktívne a kapacitné odpory, dochádza k prechodnému procesu, objavujú sa výkyvy napätia (obr. 2), ktorých amplitúda U c,max môže výrazne prekročiť normálne napätie. Pre odpojenie zariadenia je dôležité, akou rýchlosťou sa obnoví napätie v sekcii AB. Súhrnne možno poznamenať, že výboj oblúka začína v dôsledku nárazovej ionizácie a emisie elektrónov z katódy a po zapálení je oblúk udržiavaný tepelnou ionizáciou v drieku oblúka.

V spínacích zariadeniach je potrebné nielen otvoriť kontakty, ale aj uhasiť oblúk, ktorý medzi nimi vznikol.

V striedavých obvodoch prúd v oblúku prechádza cez nulu každú polperiódu (obr. 2), v týchto momentoch oblúk samovoľne zhasne, no v ďalšom polcykle sa môže znovu objaviť. Ako ukazujú oscilogramy, prúd v oblúku sa blíži k nule o niečo skôr ako prirodzený prechod nulou (obr. 3, a). Vysvetľuje to skutočnosť, že keď prúd klesá, energia dodávaná do oblúka klesá, preto sa teplota oblúka znižuje a tepelná ionizácia sa zastaví. Trvanie mŕtveho času t n je malé (od desiatok do niekoľkých stoviek mikrosekúnd), ale hrá dôležitú úlohu pri zhášaní oblúka. Ak v mŕtvom čase otvoríte kontakty a oddelíte ich dostatočnou rýchlosťou na takú vzdialenosť, aby nedošlo k elektrickému výpadku, obvod sa veľmi rýchlo rozpojí.

Počas bezprúdovej pauzy intenzita ionizácie prudko klesá, pretože nedochádza k tepelnej ionizácii. V spínacích zariadeniach sa okrem toho vykonávajú umelé opatrenia na chladenie priestoru oblúka a zníženie počtu nabitých častíc. Tieto deionizačné procesy vedú k postupnému zvyšovaniu dielektrickej pevnosti medzery u pr (obr. 3, b).

Prudký nárast elektrickej pevnosti medzery po prechode prúdu cez nulu nastáva najmä v dôsledku zvýšenia pevnosti blízkeho katódového priestoru (v striedavých obvodoch 150-250V). Súčasne sa zvyšuje zotavovacie napätie u v. Ak v ktorejkoľvek chvíli u pr > u medzera sa nepreruší, oblúk sa po prechode prúdu nulou znova nezapáli. Ak v určitom okamihu u pr = u c, potom sa oblúk znova zapáli v medzere.

Ryža. 3. :

a- zhasnutie oblúka pri prirodzenom prechode prúdu cez nulu; b– zvýšenie elektrickej pevnosti oblúkovej medzery pri prechode prúdu nulou

Úloha hasenia oblúka sa teda redukuje na také podmienky, aby bola dielektrická pevnosť medzery medzi kontaktmi u pr bolo medzi nimi väčšie napätie u v.

Proces nárastu napätia medzi kontaktmi vypínaného zariadenia môže mať rôzny charakter v závislosti od parametrov spínaného obvodu. Ak je obvod s prevahou aktívneho odporu vypnutý, potom sa napätie obnoví podľa aperiodického zákona; ak v obvode dominuje indukčný odpor, potom vznikajú kmity, ktorých frekvencie závisia od pomeru kapacity a indukčnosti obvodu. Oscilačný proces vedie k významným rýchlostiam obnovy napätia, a tým je rýchlosť vyššia du v/ dt, tým pravdepodobnejší je rozpad medzery a opätovné zapálenie oblúka. Na uľahčenie podmienok na zhasnutie oblúka sa do obvodu vypnutého prúdu zavádzajú aktívne odpory, potom bude charakter obnovy napätia aperiodický (obr. 3, Obr. b).

3. Spôsoby zhášania oblúka v spínacích zariadeniach do 1000AT

V spínacích zariadeniach do 1 kV sa široko používajú tieto metódy zhášania oblúka:

Predĺženie oblúka pri rýchlej divergencii kontaktov.

Čím dlhší je oblúk, tým väčšie napätie je potrebné na jeho existenciu. Ak je napätie zdroja energie nižšie, oblúk zhasne.

Rozdelenie dlhého oblúka na sériu krátkych (obr. 4, a).
Ako je znázornené na obr. 1 je napätie oblúka súčtom katódy U do a anóda U a poklesy napätia a napätie hriadeľa oblúka U SD:

U d= U k+ U a+ U sd= U e+ U SD.

Ak sa dlhý oblúk, ktorý vznikol pri otvorení kontaktov, vtiahne do mriežky zhášajúcej oblúk z kovových dosiek, potom sa rozdelí na N krátke oblúky. Každý krátky oblúk bude mať vlastnú katódu a poklesy anódového napätia. U e. Oblúk zhasne, ak:

U n U uh,

kde U- sieťové napätie; U e - súčet poklesov katódového a anódového napätia (20-25 V v jednosmernom oblúku).

Oblúk AC možno tiež rozdeliť na N krátke oblúky. V okamihu, keď prúd prechádza cez nulu, priestor blízko katódy okamžite získa elektrickú silu 150-250 V.

Oblúk zhasne, ak

Oblúk zhášajúci v úzkych medzerách.

Ak oblúk horí v úzkej štrbine tvorenej oblúkom odolným materiálom, dochádza v dôsledku kontaktu so studenými povrchmi k intenzívnemu ochladzovaniu a difúzii nabitých častíc do okolia. Výsledkom je rýchla deionizácia a zhášanie oblúka.

Ryža. štyri.

a- rozdelenie dlhého oblúka na krátke; b– natiahnutie oblúka do úzkej štrbiny zhášacej komory; v– rotácia oblúka v magnetickom poli; G- zhášanie oblúka v oleji: 1 - pevný kontakt; 2 - oblúkový kmeň; 3 – vodíkový plášť; 4 – plynová zóna; 5 – zóna olejových pár; 6 - pohyblivý kontakt

Pohyb oblúka v magnetickom poli.

Elektrický oblúk možno považovať za vodič nesúci prúd. Ak je oblúk v magnetickom poli, potom naň pôsobí sila určená pravidlom ľavej ruky. Ak vytvoríte magnetické pole nasmerované kolmo na os oblúka, dostane translačný pohyb a bude vtiahnuté do štrbiny zhášacej komory (obr. 4, b).

V radiálnom magnetickom poli bude oblúk prijímať rotačný pohyb(obr. 4, v). Magnetické pole môže byť vytvorené permanentnými magnetmi, špeciálnymi cievkami alebo samotným prúdovým obvodom. Rýchla rotácia a pohyb oblúka prispieva k jeho ochladzovaniu a deionizácii.

Posledné dva spôsoby zhášania oblúka (v úzkych štrbinách a v magnetickom poli) sa používajú aj v spínacích zariadeniach s napätím nad 1 kV.

4. Hlavné spôsoby hasenia oblúka v zariadeniach nad 1kV.

V spínacích zariadeniach nad 1 kV sú metódy 2 a 3 opísané v str. 1.3. a široko sa používajú tieto metódy hasenia oblúka:

1. Zhášanie oblúka v oleji .

Ak sú kontakty odpojovacieho zariadenia umiestnené v oleji, potom oblúk vznikajúci pri otváraní vedie k intenzívnej tvorbe plynu a odparovaniu oleja (obr. 4, G). Okolo oblúka sa vytvorí plynová bublina pozostávajúca hlavne z vodíka (70-80%); rýchly rozklad oleja vedie k zvýšeniu tlaku v bubline, čo prispieva k jej lepšiemu chladeniu a deionizácii. Vodík má vysoké vlastnosti zhášania oblúka. V priamom kontakte s hriadeľom oblúka prispieva k jeho deionizácii. Vo vnútri plynovej bubliny je nepretržitý pohyb plynových a olejových pár. Zhášanie oblúka v oleji je široko používané v ističoch.

2. Plyn-vzduch výbuch .

Chladenie oblúka sa zlepší, ak sa vytvorí usmernený pohyb plynov - výbuch. Fúkanie pozdĺž alebo naprieč oblúka (obr. 5) prispieva k prenikaniu častíc plynu do jeho hriadeľa, intenzívnej difúzii a ochladzovaniu oblúka. Plyn vzniká, keď sa ropa rozkladá oblúkom (olejové spínače) alebo pevnými materiálmi vytvárajúcimi plyn (výbuch autoplynu). Je efektívnejšie fúkať studeným neionizovaným vzduchom pochádzajúcim zo špeciálnych tlakových fliaš (vzduchových spínačov).

3. Viacnásobné prerušenie prúdového obvodu .

Vypnutie vysokého prúdu pri vysokých napätiach je ťažké. Vysvetľuje to skutočnosť, že pri veľké hodnoty vstup energie a obnovovacie napätie, deionizácia oblúkovej medzery sa stáva komplikovanejšou. Preto sa vo vysokonapäťových ističoch používa viacnásobné prerušenie oblúka v každej fáze (obr. 6). Takéto ističe majú niekoľko hasiacich zariadení navrhnutých pre časť menovitého prúdu. priadza. Počet prerušení na fázu závisí od typu ističa a jeho napätia. V ističoch 500-750 kV môže byť 12 prerušení alebo viac. Aby sa uľahčilo zhášanie oblúka, musí byť obnovovacie napätie rovnomerne rozdelené medzi prerušenia. Na obr. 6 schematicky znázorňuje olejový istič s dvoma prerušeniami na fázu.

Keď sa vypne jednofázový skrat, obnovovacie napätie sa rozdelí medzi prerušenia takto:

U 1/U 2 = (C 1+C 2)/C 1

kde U 1 ,U 2 - napätia aplikované na prvú a druhú diskontinuitu; OD 1 - kapacita medzi kontaktmi týchto medzier; C 2 - kapacita kontaktného systému vzhľadom na zem.

Ryža. 6. Rozloženie napätia pri prestávkach v ističi: a - rozloženie napätia pri prestávkach v olejovom ističi; b - kapacitné rozdeľovače napätia; c - aktívne rozdeľovače napätia.

Pretože OD 2 podstatne viac C 1, potom napätie U 1 > U 2 a následne hasiace zariadenia budú fungovať za iných podmienok. Na vyrovnanie napätia sú paralelne s hlavnými kontaktmi spínača (GK) zapojené kondenzátory alebo aktívne odpory (obr. 16, Obr. b, v). Hodnoty kapacít a aktívnych odporov skratu sú zvolené tak, aby bolo napätie na prestávkach rozložené rovnomerne. V ističoch s bočníkovými odpormi sa po zhasnutí oblúka medzi GC preruší sprievodný prúd, limitovaný hodnotou odpormi, pomocnými kontaktmi (AC).

Bočné odpory znižujú rýchlosť nárastu zotavovacieho napätia, čím uľahčujú uhasenie oblúka.

4. Kalenie oblúka vo vákuu .

Vysoko riedky plyn (10-6-10-8 N/cm2) má elektrickú silu desaťkrát väčšiu ako plyn pri atmosférickom tlaku. Ak sa kontakty otvoria vo vákuu, potom sa ihneď po prvom prechode prúdu v oblúku cez nulu obnoví sila medzery a oblúk sa znova nezapáli.

5. Zhášanie oblúka vo vysokotlakových plynoch .

Vzduch pri tlaku 2 MPa alebo viac má vysokú elektrickú pevnosť. To umožňuje vytvoriť pomerne kompaktné zariadenia na zhášanie oblúka v atmosfére stlačeného vzduchu. Ešte efektívnejšie je použitie plynov s vysokou pevnosťou, ako je fluorid sírový SF6 (SF6). SF6 má nielen väčšiu elektrickú pevnosť ako vzduch a vodík, ale aj lepšie vlastnosti zhášania oblúka aj pri atmosférickom tlaku.

Vypnutie obvodu kontaktným zariadením sa vyznačuje výskytom plazmy, ktorá prechádza rôznymi fázami výboja plynu v procese premeny medzikontaktnej medzery z vodiča. elektrický prúd do izolátora.

Pri prúdoch nad 0,5-1 A nastáva stupeň oblúkového výboja (reg 1 )(obr. 1); keď sa prúd zníži, na katóde (oblasti) nastane doutnavý výboj 2 ); ďalšia fáza (oblasť 3 ) je Townsendovo absolutórium a nakoniec región 4 - štádium izolácie, v ktorom sa vďaka ionizácii nevytvárajú nosiče elektriny - elektróny a ióny, ale môžu pochádzať len z prostredia.

Ryža. 1. Prúdová charakteristika elektrických výbojových stupňov v plynoch

Prvá časť krivky je oblúkový výboj (reg 1) - vyznačuje sa malým poklesom napätia na elektródach a vysokou prúdovou hustotou. Keď sa prúd zvyšuje, napätie v oblúkovej medzere najprv prudko klesá a potom sa mierne mení.

Druhá časť (región 2 ) krivka, ktorá je oblasťou žeravého výboja, je charakterizovaná vysokým poklesom napätia na katóde (250–300 V) a nízkymi prúdmi. So zvyšujúcim sa prúdom sa bude úbytok napätia cez výbojovú medzeru zvyšovať.

Townsendov výboj (oblasť 3 ) sa vyznačuje extrémne nízkymi hodnotami prúdu pri vysokých napätiach.

Elektrický oblúk je sprevádzaná vysokou teplotou a je s ňou spojená. Oblúk preto nie je len elektrickým javom, ale aj tepelným.

Za normálnych podmienok je vzduch dobrým izolantom. Takže na prerušenie vzduchovej medzery 1 cm je potrebné použiť napätie najmenej 30 kV. Aby sa vzduchová medzera stala vodičom, je potrebné v nej vytvoriť určitú koncentráciu nabitých častíc: negatívnych - väčšinou voľných elektrónov a pozitívnych - iónov. Proces oddeľovania jedného alebo viacerých elektrónov od neutrálnej častice za vzniku voľných elektrónov a iónov sa nazýva ionizácia.

Ionizácia plynu sa môže vyskytnúť pod vplyvom svetla, röntgenového žiarenia, vysokej teploty, pod vplyvom elektrického poľa a mnohých ďalších faktorov. Pre oblúkové procesy v elektrických prístrojoch najvyššia hodnota majú: z procesov prebiehajúcich na elektródach - termionická a emisia poľa az procesov prebiehajúcich v oblúkovej medzere - tepelná ionizácia a ionizácia tlakom.

Pri spínaní elektrických zariadení určených na uzatváranie a otváranie okruhu prúdom dochádza pri odpojení k výboju v plyne buď vo forme žeravého výboja alebo vo forme oblúka. Žiarivý výboj nastáva, keď je vypínaný prúd nižší ako 0,1 A a napätie na kontaktoch dosiahne 250 – 300 V. K takémuto výboju dochádza buď na kontaktoch relé s nízkym výkonom, alebo ako prechodná fáza k výboju. vo forme elektrického oblúka.

Hlavné vlastnosti oblúkového výboja.

1) Oblúkový výboj prebieha iba pri vysokých prúdoch; minimálny oblúkový prúd pre kovy je približne 0,5 A;

2) Teplota strednej časti oblúka je veľmi vysoká a v prístrojoch môže dosiahnuť 6000 - 18000 K;

3) Prúdová hustota na katóde je extrémne vysoká a dosahuje 10 2 - 10 3 A / mm 2;

4) Úbytok napätia na katóde je len 10 - 20 V a prakticky nezávisí od prúdu.

Pri oblúkovom výboji možno rozlíšiť tri charakteristické oblasti: blízku katódu, oblasť stĺpca oblúka (oblúkový hriadeľ) a blízku anódu (obr. 2.).

V každej z týchto oblastí prebiehajú procesy ionizácie a deionizácie odlišne v závislosti od podmienok, ktoré tam existujú. Keďže výsledný prúd cez tieto tri oblasti je rovnaký, v každej z nich prebiehajú procesy, ktoré zabezpečujú výskyt požadované množstvo poplatky.

Ryža. 2. Rozloženie napätia a intenzity elektrického poľa v stacionárnom jednosmernom oblúku

Termionická emisia. Termionická emisia je fenomén emisie elektrónov z vyhrievaného povrchu.

Keď sa kontakty rozchádzajú, kontaktný odpor kontaktu a hustota prúdu v poslednej kontaktnej oblasti sa prudko zvyšujú. Táto oblasť sa zahreje na teplotu topenia a vytvorenie kontaktnej šírky roztaveného kovu, ktorá sa rozbije s ďalšou divergenciou kontaktov. Tu sa kontaktný kov odparí. Na negatívnej elektróde sa vytvorí takzvaná katódová škvrna (horúca podložka), ktorá slúži ako základ oblúka a zdroj elektrónového žiarenia v prvom momente kontaktnej divergencie. Hustota termionického emisného prúdu závisí od teploty a materiálu elektródy. Je malý a môže stačiť na vznik elektrického oblúka, ale na jeho spálenie nepostačuje.

Autoelektronické vyžarovanie. Ide o jav emisie elektrónov z katódy pod vplyvom silného elektrického poľa.

Miesto, kde je elektrický obvod prerušený, môže byť reprezentované ako variabilný kondenzátor. Kapacita v počiatočnom momente sa rovná nekonečnu, potom klesá, keď sa kontakty rozchádzajú. Prostredníctvom odporu obvodu sa tento kondenzátor nabíja a napätie na ňom postupne stúpa z nuly na sieťové napätie. Zároveň sa zväčšuje vzdialenosť medzi kontaktmi. Intenzita poľa medzi kontaktmi počas nárastu napätia prechádza cez hodnoty presahujúce 100 MV/cm. Takéto hodnoty intenzity elektrického poľa sú dostatočné na vyvrhnutie elektrónov zo studenej katódy.

Emisný prúd poľa je tiež veľmi malý a môže slúžiť len ako začiatok vývoja oblúkového výboja.

Výskyt oblúkového výboja na divergentných kontaktoch sa teda vysvetľuje prítomnosťou termionických a autoelektronických emisií. Prevaha jedného alebo druhého faktora závisí od hodnoty vypínaného prúdu, materiálu a čistoty kontaktnej plochy, rýchlosti ich divergencie a množstva ďalších faktorov.

Tlačová ionizácia. Ak má voľný elektrón dostatočnú rýchlosť, potom keď sa zrazí s neutrálnou časticou (atómom a niekedy molekulou), môže z nej vyradiť elektrón. Výsledkom je nový voľný elektrón a kladný ión. Novo získaný elektrón môže zase ionizovať ďalšiu časticu. Táto ionizácia sa nazýva tlaková ionizácia.

Aby elektrón mohol ionizovať časticu plynu, musí sa pohybovať určitou určitou rýchlosťou. Rýchlosť elektrónu závisí od rozdielu potenciálu na jeho strednej voľnej dráhe. Preto sa zvyčajne neudáva rýchlosť elektrónu, ale minimálna hodnota rozdielu potenciálov, ktorá musí byť na dĺžke voľnej dráhy, aby elektrón nadobudol potrebnú rýchlosť do konca dráhy. Tento potenciálny rozdiel sa nazýva ionizačný potenciál.

Ionizačný potenciál pre plyny je 13 - 16 V (dusík, kyslík, vodík) a do 24,5 V (hélium), pre pary kovov je približne dvakrát nižší (7,7 V pre pary medi).

Tepelná ionizácia. Ide o proces ionizácie pod vplyvom vysokej teploty. Udržiavanie oblúka po jeho vzniku, t.j. poskytnutie vzniknutého oblúkového výboja dostatočným počtom voľných nábojov sa vysvetľuje hlavným a prakticky jediným typom ionizácie - tepelnou ionizáciou.

Teplota oblúkového stĺpca je v priemere 6000 - 10000 K, ale môže dosiahnuť aj vyššie hodnoty - až 18000 K. Pri tejto teplote sa výrazne zvyšuje počet rýchlo sa pohybujúcich častíc plynu a rýchlosť ich pohybu. Pri zrážke rýchlo sa pohybujúcich atómov alebo molekúl sa väčšina z nich zničí, pričom vznikajú nabité častice, t.j. plyn je ionizovaný. Hlavnou charakteristikou tepelnej ionizácie je stupeň ionizácie, čo je pomer počtu ionizovaných atómov v oblúkovej medzere k celkovému počtu atómov v tejto medzere. Súčasne s ionizačnými procesmi v oblúku dochádza k reverzným procesom, teda k opätovnému zjednocovaniu nabitých častíc a tvorbe neutrálnych častíc. Tieto procesy sú tzv deionizácia.

K deionizácii dochádza najmä v dôsledku rekombinácia a difúzia.

Rekombinácia. Proces, pri ktorom rôzne nabité častice prichádzajúce do vzájomného kontaktu vytvárajú neutrálne častice, sa nazýva rekombinácia.

V elektrickom oblúku negatívne častice sú väčšinou elektróny. Priame spojenie elektrónov s kladným iónom je nepravdepodobné kvôli veľkému rozdielu v rýchlostiach. Zvyčajne k rekombinácii dochádza pomocou neutrálnej častice, ktorú elektrón nabíja. Keď sa táto záporne nabitá častica zrazí s kladným iónom, vytvorí sa jedna alebo dve neutrálne častice.

Difúzia. Difúzia nabitých častíc je proces vynášania nabitých častíc z oblúkovej medzery do okolitého priestoru, čo znižuje vodivosť oblúka.

Difúzia je spôsobená elektrickými aj tepelnými faktormi. Hustota náboja v stĺpci oblúka sa zvyšuje od okraja k stredu. Vzhľadom na to vytvára elektrické pole, čo spôsobuje, že ióny sa pohybujú od stredu k okraju a opúšťajú oblasť oblúka. V rovnakom smere pôsobí aj teplotný rozdiel medzi oblúkovým stĺpom a okolitým priestorom. V stabilizovanom a voľne horiacom oblúku hrá difúzia zanedbateľnú úlohu.

Pokles napätia na stacionárnom oblúku je rozdelený nerovnomerne pozdĺž oblúka. Vzor poklesu napätia U D a intenzita elektrického poľa (pozdĺžny gradient napätia) E D = dU/dx pozdĺž oblúka je znázornené na obrázku (obr. 2). Pod stresovým gradientom E D označuje pokles napätia na jednotku dĺžky oblúka. Ako je zrejmé z obrázku, priebeh charakteristík U D a E D v oblastiach blízkych elektróde sa výrazne líši od správania charakteristík vo zvyšku oblúka. Na elektródach v oblasti blízkej katódy a blízkej anódy v dĺžkovom intervale rádovo 10 - 4 cm dochádza k prudkému poklesu napätia, tzv. katódové U do a anóda U a. Hodnota tohto poklesu napätia závisí od materiálu elektród a okolitého plynu. Celková hodnota poklesu anódového a katódového napätia je 15–30 V, gradient napätia dosahuje 105–106 V/cm.

Vo zvyšku oblúka, ktorý sa nazýva stĺpec oblúka, pokles napätia U D je takmer priamo úmerné dĺžke oblúka. Gradient je tu pozdĺž stonky približne konštantný. Závisí od mnohých faktorov a môže sa značne líšiť, dosahujúc 100–200 V/cm.

Pokles napätia v blízkosti elektródy U E nezávisí od dĺžky oblúka, úbytok napätia v stĺpci oblúka je úmerný dĺžke oblúka. Teda pokles napätia cez oblúkovú medzeru

U D = U E + E D l D,

kde: E D je intenzita elektrického poľa v stĺpci oblúka;

l D je dĺžka oblúka; U E = U na + U a.

Na záver treba ešte raz podotknúť, že v štádiu oblúkového výboja prevláda tepelná ionizácia – štiepenie atómov na elektróny a kladné ióny vplyvom energie tepelného poľa. Pri žeravej - nárazovej ionizácii na katóde dochádza v dôsledku kolízie s elektrónmi urýchlenými elektrickým poľom a pri Townsendovom výboji prevláda nárazová ionizácia po celej medzere plynového výboja.

Statická prúdovo-napäťová charakteristika elektro

DC oblúky.

Najdôležitejšou charakteristikou oblúka je závislosť napätia na ňom od veľkosti prúdu. Táto charakteristika sa nazýva prúdové napätie. So zvyšujúcim sa prúdom i teplota oblúka sa zvyšuje, tepelná ionizácia sa zvyšuje, počet ionizovaných častíc vo výboji stúpa a klesá elektrický odpor oblúky r d.

Napätie oblúka je ir e) Keď sa prúd zvyšuje, odpor oblúka klesá tak rýchlo, že napätie na oblúku klesá, aj keď sa prúd v obvode zvyšuje. Každá hodnota prúdu v ustálenom stave zodpovedá jej vlastnej dynamickej bilancii počtu nabitých častíc.

Pri prechode z jednej aktuálnej hodnoty na druhú sa tepelný stav oblúka nemení okamžite. Oblúková medzera má tepelná zotrvačnosť. Ak sa prúd mení pomaly v čase, potom tepelná zotrvačnosť výboja nemá vplyv. Každá hodnota prúdu zodpovedá jednej hodnote odporu oblúka alebo napätia na nej.

Závislosť napätia oblúka od prúdu s jeho pomalou zmenou je tzv charakteristika statického prúdu oblúky.

Statická charakteristika oblúka závisí od vzdialenosti medzi elektródami (dĺžka oblúka), materiálu elektród a parametrov prostredia, v ktorom oblúk horí.

Statické prúdovo-napäťové charakteristiky oblúka majú tvar kriviek znázornených na obr. 3.

Ryža. 3. Statické prúdovo-napäťové charakteristiky oblúka

Čím dlhší je oblúk, tým vyššia je jeho charakteristika statického prúdu a napätia. So zvyšovaním tlaku média, v ktorom horí oblúk, sa zvyšuje aj intenzita E D a prúdovo-napäťová charakteristika stúpa podobne ako na obr. 3.

Oblúkové chladenie výrazne ovplyvňuje túto charakteristiku. Čím intenzívnejšie je ochladzovanie oblúka, tým viac energie sa z neho odoberá. To by malo zvýšiť výkon generovaný oblúkom. Pre daný prúd je to možné zvýšením napätia oblúka. S rastúcim chladením je teda charakteristika prúdového napätia umiestnená vyššie. Toto je široko používané v zariadeniach na zhášanie oblúka prístrojov.

Dynamická prúdovo-napäťová charakteristika elektriky

DC oblúky.

Ak sa prúd v obvode mení pomaly, potom prúd i 1 zodpovedá oblúkovému odporu r D1, vyšší prúd i 2 zodpovedá menšiemu odporu r D2, ktorý je znázornený na obr. 4. (pozri statickú charakteristiku oblúka - krivka ALE).

Ryža. 4. Dynamická prúdovo-napäťová charakteristika oblúka.

V skutočných inštaláciách sa prúd môže meniť pomerne rýchlo. V dôsledku tepelnej zotrvačnosti stĺpca oblúka zmena odporu oblúka zaostáva za zmenou prúdu.

Závislosť napätia oblúka od prúdu s jeho rýchlou zmenou je tzv dynamická prúdovo-napäťová charakteristika.

Pri prudkom náraste prúdu dynamická charakteristika stúpa vyššie ako statická (krivka AT), pretože pri rýchlom náraste prúdu odpor oblúka klesá pomalšie, ako sa zvyšuje prúd. Pri znižovaní je nižší, keďže v tomto režime je odpor oblúka menší ako pri pomalej zmene prúdu (krivka OD).

Dynamická odozva je do značnej miery určená rýchlosťou zmeny prúdu v oblúku. Ak sa do obvodu zavedie veľmi veľký odpor na čas nekonečne malý v porovnaní s tepelnou časovou konštantou oblúka, potom počas doby, keď prúd klesne na nulu, odpor oblúka zostane konštantný. V tomto prípade bude dynamická charakteristika znázornená ako priamka prechádzajúca z bodu 2 k začiatku (priamka D), t. e) Oblúk sa správa ako kovový vodič, pretože napätie na oblúku je úmerné prúdu.

Podmienky zhášania jednosmerného oblúka.

Na uhasenie jednosmerného elektrického oblúka je potrebné vytvoriť také podmienky, aby v oblúkovej medzere pri všetkých prúdových hodnotách prebiehali deionizačné procesy intenzívnejšie ako ionizačné.

Ryža. 5. Rovnováha napätia v obvode s elektrickým oblúkom.

Zvážte elektrický obvod obsahujúci odpor R, indukčnosť L a oblúková medzera s poklesom napätia U D, na ktoré je privedené napätie U(obr. 5, a). Pri oblúku s konštantnou dĺžkou pre akýkoľvek časový okamih bude rovnica rovnováhy napätia v tomto obvode platná:

kde je pokles napätia na indukčnosti pri zmene prúdu.

Stacionárny režim bude taký, v ktorom sa prúd v obvode nemení, t.j. a rovnica stresovej rovnováhy bude mať tvar:

Na uhasenie elektrického oblúka je potrebné, aby prúd v ňom neustále klesal, t.j. , a

Grafické riešenie rovnice rovnováhy napätia je na obr. 5, b. Tu je priamka 1 je napätie zdroja U; šikmá čiara 2 - pokles napätia na odpore R(reostatická charakteristika obvodu) odpočítaná od napätia U, t.j. U-iR; krivka 3 – prúdovo-napäťová charakteristika oblúkovej medzery U D.

Vlastnosti elektrického oblúka striedavého prúdu.

Ak na zhasnutie jednosmerného oblúka je potrebné vytvoriť podmienky, pri ktorých by prúd klesol na nulu, potom pri striedavom prúde prúd v oblúku, bez ohľadu na stupeň ionizácie oblúkovej medzery, prechádza nulou každú polovicu- cyklus, t.j. každý polcyklus oblúk zhasne a znova sa zapáli. Úloha uhasiť oblúk je značne uľahčená. Tu je potrebné vytvoriť podmienky, pri ktorých by sa prúd po prechode nulou neobnovil.

Prúdovo-napäťová charakteristika oblúka striedavého prúdu pre jednu periódu je znázornená na obr. 6. Keďže aj pri priemyselnej frekvencii 50 Hz sa prúd v oblúku mení pomerne rýchlo, prezentovaná charakteristika je dynamická. Pri sínusovom prúde sa najskôr v úseku zvýši napätie oblúka 1, a potom v dôsledku zvýšenia prúdu klesá v oblasti 2 (sekcie 1 a 2 sa vzťahujú na prvú polovicu polcyklu). Po prechode prúdu maximom sa dynamická I–V charakteristika pozdĺž krivky zväčšuje 3 v dôsledku poklesu prúdu a potom klesá v oblasti 4 v dôsledku priblíženia sa napätia k nule (sekcie 3 a 4 patria do druhej polovice tej istej polovice periódy).

Ryža. 6. Prúdová charakteristika oblúka striedavého prúdu

Pri striedavom prúde je teplota oblúka premenlivá. Ukazuje sa však, že tepelná zotrvačnosť plynu je pomerne významná a v čase, keď prúd prechádza nulou, teplota oblúka, aj keď klesá, zostáva dosť vysoká. Napriek tomu pokles teploty, ku ktorému dochádza pri prechode prúdu nulou, prispieva k deionizácii medzery a uľahčuje uhasenie elektrického oblúka striedavého prúdu.

Elektrický oblúk v magnetickom poli.

Elektrický oblúk je vodičom plynného prúdu. Na tento vodič, podobne ako na kovový, pôsobí magnetické pole, ktoré vytvára silu úmernú indukcii poľa a prúdu v oblúku. Magnetické pole, pôsobiace na oblúk, zväčšuje jeho dĺžku a posúva prvky oblúka v priestore. Priečny pohyb oblúkových prvkov vytvára intenzívne chladenie, čo vedie k zvýšeniu gradientu napätia na stĺpci oblúka. Keď sa oblúk pohybuje v plynnom médiu vysokou rýchlosťou, oblúk sa rozdelí na samostatné paralelné vlákna. Čím dlhší je oblúk, tým silnejšia je delaminácia oblúka.

Oblúk je mimoriadne mobilný vodič. Je známe, že na časť nesúcu prúd pôsobia také sily, ktoré majú tendenciu zvyšovať elektromagnetickú energiu obvodu. Pretože energia je úmerná indukčnosti, oblúk má pod vplyvom svojho vlastného poľa tendenciu vytvárať závity, slučky, pretože to zvyšuje indukčnosť obvodu. Táto schopnosť oblúka je tým silnejšia, čím väčšia je jeho dĺžka.

Oblúk pohybujúci sa vo vzduchu prekonáva aerodynamický odpor vzduchu, ktorý závisí od priemeru oblúka, vzdialenosti medzi elektródami, hustoty plynu a rýchlosti pohybu. Skúsenosti ukazujú, že vo všetkých prípadoch v rovnomernom magnetickom poli sa oblúk pohybuje s konštantná rýchlosť. Preto je elektrodynamická sila vyvážená aerodynamickou odporovou silou.

Aby sa vytvorilo efektívne chladenie, oblúk sa pomocou magnetického poľa vtiahne do úzkej (priemer oblúka väčší ako šírka štrbiny) medzi stenami z materiálu odolného voči oblúku s vysokou tepelnou vodivosťou. V dôsledku zvýšenia prenosu tepla na steny štrbiny je gradient napätia v stĺpci oblúka v prítomnosti úzkej štrbiny oveľa vyšší ako v prípade oblúka, ktorý sa voľne pohybuje medzi elektródami. To umožňuje skrátiť dĺžku a čas hasenia potrebný na hasenie.

Spôsoby ovplyvňovania elektrického oblúka v spínacích zariadeniach.

Účelom vplyvu na stĺpec oblúka vznikajúceho v aparáte je zvýšiť jeho aktívny elektrický odpor až do nekonečna, kedy spínací prvok prechádza do izolačného stavu. Takmer vždy sa to dosiahne intenzívnym chladením stĺpca oblúka, znížením jeho teploty a obsahu tepla, v dôsledku čoho sa znižuje stupeň ionizácie a počet nosičov elektriny a ionizovaných častíc a zvyšuje sa elektrický odpor plazmy.

Pre úspešné uhasenie elektrického oblúka v nízkonapäťových spínacích zariadeniach musia byť splnené tieto podmienky:

1) zväčšite dĺžku oblúka jeho natiahnutím alebo zvýšením počtu prestávok na pól spínača;

2) posuňte oblúk na kovové platne oblúkovej komory, čo sú obidva radiátory, ktoré absorbujú tepelnú energiu oblúkového stĺpca a rozdeľujú ho na sériu oblúkov zapojených do série;

3) posuňte stĺpec oblúka magnetické pole do štrbinovej komory z izolačného materiálu odolného voči oblúku s vysokou tepelnou vodivosťou, kde sa oblúk pri styku so stenami intenzívne ochladzuje;

4) vytvorte oblúk v uzavretej trubici z materiálu generujúceho plyn - vlákna; plyny uvoľnené pod vplyvom teploty vytvárajú vysoký tlak, ktorý prispieva k uhaseniu oblúka;

5) znížiť koncentráciu kovových pár v oblúku, na tento účel vo fáze navrhovania zariadení použiť vhodné materiály;

6) uhasiť oblúk vo vákuu; pri veľmi nízkom tlaku plynu nie je dostatok atómov plynu na ich ionizáciu a podporu vedenia prúdu v oblúku; elektrický odpor kanála stĺpca oblúka je veľmi vysoký a oblúk zhasne;

7) otvárať kontakty synchrónne pred prechodom striedavého prúdu cez nulu, čo výrazne znižuje uvoľňovanie tepelnej energie vo výslednom oblúku, t.j. prispieva k zániku oblúka;

8) používať čisto aktívne odpory, posúvajúce oblúk a uľahčujúce podmienky na jeho zhasnutie;

9) používajú polovodičové prvky, ktoré posúvajú medzikontaktnú medzeru, čím prepínajú oblúkový prúd na seba, čo prakticky eliminuje tvorbu oblúka na kontaktoch.

Elektrický oblúk môže byť extrémne deštruktívny pre zariadenia a, čo je dôležitejšie, nebezpečný pre ľudí. Každoročne sa stane alarmujúci počet nehôd spôsobených ňou, ktoré často vedú k ťažkým popáleninám alebo smrti. Našťastie v elektrotechnickom priemysle došlo k výraznému pokroku, pokiaľ ide o vytváranie prostriedkov a metód ochrany pred elektrickým oblúkom.

Príčiny a miesta výskytu

Elektrický oblúk je jedným z najnebezpečnejších a najmenej pochopených elektrických rizík a je rozšírený vo väčšine priemyselných odvetví. Všeobecne sa uznáva, že čím vyššie je napätie elektrický systém, tým väčšie je riziko pre ľudí pracujúcich na alebo v blízkosti živých káblov a zariadení.

Tepelná energia z oblúkového blesku však môže byť v skutočnosti väčšia a vyskytuje sa častejšie pri nižších napätiach s rovnakými ničivými účinkami.

K vzniku elektrického oblúka spravidla dochádza vtedy, keď dôjde k náhodnému kontaktu medzi vodičom s prúdom, ako je trolejbus alebo električkový trolej, s iným vodičom alebo uzemneným povrchom.

Keď k tomu dôjde, vzniknutý skratový prúd roztaví drôty, ionizuje vzduch a vytvorí ohnivý kanál vodivej plazmy s charakteristickým tvarom oblúka (odtiaľ názov), pričom teplota elektrického oblúka v jeho jadre môže dosiahnuť viac ako 20 000 °C

Čo je elektrický oblúk?

V skutočnosti sa to bežne nazýva známy oblúkový výboj vo fyzike a elektrotechnike - typ nezávislého elektrického výboja v plyne. Aké sú fyzikálne vlastnosti elektrického oblúka? Horí v širokom rozsahu tlaku plynu, pri konštantnom alebo striedavom (do 1000 Hz) napätí medzi elektródami v rozsahu od niekoľkých voltov (zvárací oblúk) až po desiatky kilovoltov. Maximálna hustota oblúkového prúdu sa pozoruje na katóde (10 2 -10 8 A/cm 2), kde sa zmršťuje do veľmi jasného a malého katódového bodu. Náhodne a nepretržite sa pohybuje po celej ploche elektródy. Jeho teplota je taká, že materiál katódy v ňom vrie. Preto vznikajú ideálne podmienky pre termionickú emisiu elektrónov do priestoru blízkej katóde. Nad ním sa vytvorí malá vrstva, ktorá je kladne nabitá a zabezpečuje zrýchlenie emitovaných elektrónov na rýchlosti, pri ktorých nárazovo ionizujú atómy a molekuly prostredia v medzielektródovej medzere.

Rovnaký bod, ale o niečo väčší a menej pohyblivý, je vytvorený aj na anóde. Teplota v ňom je blízka katódovému bodu.

Ak je prúd oblúka rádovo niekoľko desiatok ampérov, potom prúdy plazmy alebo horáky prúdia z oboch elektród vysokou rýchlosťou normálne k ich povrchu (pozri fotografiu nižšie).

Pri vysokých prúdoch (100-300 A) sa objavujú ďalšie plazmové prúdy a oblúk sa stáva podobným lúču plazmových vlákien (pozri fotografiu nižšie).

Ako sa oblúk prejavuje v elektrických zariadeniach

Ako bolo uvedené vyššie, katalyzátorom jeho výskytu je silné uvoľňovanie tepla v katódovej škvrne. Teplota elektrického oblúka, ako už bolo spomenuté, môže dosiahnuť 20 000 ° C, asi štyrikrát viac ako na povrchu slnka. Toto teplo môže rýchlo roztaviť alebo dokonca vypariť medené vodiče, ktoré majú teplotu topenia asi 1084 °C, oveľa nižšiu ako pri oblúku. Preto sa v ňom často tvoria medené pary a striekance roztaveného kovu. Keď meď prechádza z pevnej látky do pary, expanduje na niekoľko desaťtisícnásobok svojho pôvodného objemu. To sa rovná 1 kubickému kúsku medi, ktorý sa za zlomok sekundy zmení na veľkosť 0,1 kubického metra. V tomto prípade dôjde k vysokej intenzite tlaku a zvukových vĺn, ktoré sa budú šíriť vysokou rýchlosťou (čo môže byť viac ako 1100 km za hodinu).

Účinok elektrického oblúka

Ťažké poranenia a dokonca aj smrť, ak k nim dôjde, môžu utrpieť nielen osoby pracujúce na elektrickom zariadení, ale aj osoby, ktoré sú v blízkosti. Oblúkové poranenia môžu zahŕňať vonkajšie popáleniny kože, vnútorné popáleniny vdýchnutím horúcich plynov a odpareného kovu, poškodenie sluchu, poškodenie zraku, ako je slepota v dôsledku bleskového ultrafialového svetla a mnoho ďalších ničivých zranení.

Pri obzvlášť silnom oblúku môže dôjsť aj k javom, ako je jeho explózia, ktorá vytvorí tlak viac ako 100 kilopascalov (kPa) s vymrštením častíc úlomkov, ako sú šrapnel, rýchlosťou až 300 metrov za sekundu.

Jednotlivci, ktorí boli vystavení elektrickým oblúkovým prúdom, môžu potrebovať vážnu liečbu a rehabilitáciu a náklady na ich zranenia môžu byť extrémne - fyzicky, emocionálne a finančne. Zákon vyžaduje, aby podniky vykonávali hodnotenia rizík pre všetky typy pracovná činnosť riziko vzniku elektrického oblúka sa však často prehliada, pretože väčšina ľudí nevie, ako toto nebezpečenstvo efektívne posúdiť a riadiť. Ochrana pred účinkami elektrického oblúka zahŕňa použitie celej škály prostriedkov, vrátane použitia špeciálnych elektrických ochranných prostriedkov, ochranného odevu a samotného zariadenia, najmä nízkonapäťových spínacích elektrických zariadení konštruovaných s použitím prostriedkov na zhášanie oblúka pri práca s elektrickými zariadeniami pod napätím.

Oblúk v elektrickom zariadení

V tejto triede elektrických zariadení (ističe, stýkače, magnetické štartéry) má boj proti tomuto javu mimoriadny význam. Keď sa kontakty spínača, ktorý nie je vybavený špeciálnymi zariadeniami na zabránenie otvoreniu oblúka, nevyhnutne zapáli medzi nimi.

V okamihu, keď sa kontakty začnú oddeľovať, ich plocha rýchlo klesá, čo vedie k zvýšeniu hustoty prúdu a následne k zvýšeniu teploty. Teplo generované v medzere medzi kontaktmi (zvyčajné médium olej alebo vzduch) je dostatočné na ionizáciu vzduchu alebo odparovanie a ionizáciu oleja. Ionizovaný vzduch alebo para pôsobí ako vodič oblúkového prúdu medzi kontaktmi. Potenciálny rozdiel medzi nimi je veľmi malý, ale na udržanie oblúka stačí. Preto prúd v obvode zostáva nepretržitý, pokiaľ sa oblúk neodstráni. Nielenže oneskoruje proces prerušenia prúdu, ale vytvára aj obrovské množstvo tepla, ktoré môže poškodiť samotný istič. Hlavným problémom spínača (predovšetkým vysokonapäťového) je teda čo najskôr uhasiť elektrický oblúk, aby teplo v ňom vytvorené nemohlo dosiahnuť nebezpečnú hodnotu.

Faktory udržiavania oblúka medzi kontaktmi ističa

Tie obsahujú:

2. Ionizované častice medzi nimi.

Berúc do úvahy túto skutočnosť, okrem toho poznamenávame:

• Keď je medzi kontaktmi malá medzera, na udržanie oblúka stačí aj malý potenciálny rozdiel. Jedným zo spôsobov, ako ho uhasiť, je oddeliť kontakty na takú vzdialenosť, že potenciálny rozdiel nebude dostatočný na udržanie oblúka. Táto metóda však nie je praktická vo vysokonapäťových aplikáciách, kde môže byť potrebné oddelenie mnohých meračov.
• Ionizované častice medzi kontaktmi majú tendenciu podporovať oblúk. Ak je jeho cesta deionizovaná, uľahčí sa proces kalenia. To sa dá dosiahnuť ochladením oblúka alebo odstránením ionizovaných častíc z priestoru medzi kontaktmi.
• Existujú dva spôsoby ochrany pred oblúkom v ističoch:

Metóda vysokej odolnosti;

Metóda nulového prúdu.

Zhasnutie oblúka zvýšením jeho odporu

Pri tejto metóde sa odpor v dráhe oblúka časom zvyšuje, takže prúd klesá na hodnotu, ktorá nie je dostatočná na jeho udržanie. V dôsledku toho sa preruší a elektrický oblúk zhasne. Hlavnou nevýhodou tejto metódy je, že čas zhášania je pomerne dlhý a obrovské množstvo energie má čas rozptýliť sa v oblúku.

Odolnosť proti oblúku možno zvýšiť:

• Predĺženie oblúka – odpor oblúka je priamo úmerný jeho dĺžke. Dĺžka oblúka sa môže zväčšiť zmenou medzery medzi kontaktmi.
• Chladenie oblúka, presnejšie média medzi kontaktmi. Účinné chladenie vzduchom musí smerovať pozdĺž oblúka.
• Umiestnením kontaktov do ťažko ionizovateľného plynového média (plynové spínače) alebo do vákuovej komory (vákuové spínače).
• Znížiť prierez oblúk jeho prechodom cez úzky otvor, alebo zmenšením kontaktnej plochy.
• Rozdelením oblúka - jeho odpor možno zvýšiť rozdelením na množstvo malých oblúkov zapojených do série. Každý z nich zažije efekt predĺženia a chladenia. Oblúk možno rozdeliť vložením niekoľkých vodivých dosiek medzi kontakty.

Zhášanie oblúka metódou nulového prúdu

Táto metóda sa používa iba v obvodoch striedavého prúdu. V ňom je odpor oblúka udržiavaný na nízkej úrovni, kým prúd neklesne na nulu, kde prirodzene zhasne. Jeho opätovnému vznieteniu je zabránené napriek zvýšeniu napätia na kontaktoch. Všetky moderné vysokoprúdové ističe používajú túto metódu zhášania oblúka.

V systéme striedavého prúdu tento klesne na nulu po každom polcykle. Pri každom takomto resete sa oblúk na krátky čas zhasne. V tomto prípade médium medzi kontaktmi obsahuje ióny a elektróny, takže jeho dielektrická pevnosť je malá a môže byť ľahko zničená rastúcim napätím na kontaktoch.

Ak k tomu dôjde, elektrický oblúk bude horieť počas ďalšej polovice cyklu prúdu. Ak bezprostredne po jeho vynulovaní rastie dielektrická pevnosť média medzi kontaktmi rýchlejšie ako napätie na nich, oblúk sa nezapáli a prúd sa preruší. Rýchly nárast dielektrickej pevnosti média v blízkosti nulového prúdu možno dosiahnuť:

• rekombinácia ionizovaných častíc v priestore medzi kontaktmi na neutrálne molekuly;
• odstránenie ionizovaných častíc a ich nahradenie neutrálnymi časticami.

Skutočným problémom pri prerušení striedavého prúdu oblúka je teda rýchla deionizácia média medzi kontaktmi, akonáhle sa prúd stane nulovým.

Spôsoby deionizácie média medzi kontaktmi

1. Predĺženie medzery: Dielektrická pevnosť média je úmerná dĺžke medzery medzi kontaktmi. Vyššiu dielektrickú pevnosť média možno teda dosiahnuť aj rýchlym otvorením kontaktov.

2. Vysoký tlak. Ak sa zvýši v bezprostrednej blízkosti oblúka, zvýši sa aj hustota častíc, ktoré tvoria výbojový kanál oblúka. Zvýšená hustota častíc vedie k vysoký stupeň ich deionizácia a následne sa zvyšuje dielektrická pevnosť média medzi kontaktmi.

3. Chladenie. Prirodzená rekombinácia ionizovaných častíc je rýchlejšia, ak sa ochladia. Dielektrická pevnosť média medzi kontaktmi sa teda môže zvýšiť ochladzovaním oblúka.

4. Efekt výbuchu. Ak sú ionizované častice medzi kontaktmi zmetené a nahradené neionizovanými, potom je možné zvýšiť dielektrickú pevnosť média. To sa dá dosiahnuť výbuchom plynu nasmerovaným do zóny výboja alebo vstreknutím oleja do medzikontaktného priestoru.

Tieto ističe používajú ako médium na zhášanie oblúka plynný fluorid sírový (SF6). Má silnú tendenciu absorbovať voľné elektróny. Kontakty spínača sa otvoria vo vysokotlakovom toku SF6) medzi nimi (pozri obrázok nižšie).

Plyn zachytáva voľné elektróny v oblúku a vytvára nadbytok záporných iónov s nízkou pohyblivosťou. Počet elektrónov v oblúku sa rýchlo zníži a zhasne.