Elektrický oblouk: vlastnosti. Ochrana proti elektrickému oblouku

Elektrický oblouk může být extrémně destruktivní pro zařízení a hlavně ohrožuje lidi. Dojde k alarmujícímu počtu nehod, k němuž dochází každoročně, což často vede k těžkým popáleninám nebo smrti. Naštěstí bylo v elektrotechnickém průmyslu dosaženo významného pokroku, pokud jde o vytváření nástrojů a metod ochrany proti účinkům oblouku.

Příčiny a místa

Elektrický oblouk je jedním z nejsmrtelnějších a nejméně studovaných rizik elektrického proudu a převažuje ve většině průmyslových odvětví. Je obecně uznáváno, že čím vyšší je napětí elektrického systému, tím větší je riziko pro osoby pracující v drátech nebo v jejich blízkosti a zařízení, které jsou pod napětím.

Tepelná energie z obloukového blesku však může být skutečně větší a vyskytuje se častěji při nižších napětích se stejnými ničivými důsledky.

Elektrický oblouk se obvykle vyskytuje, když dochází k náhodnému kontaktu mezi vodivým vodičem, jako je například trolejbusový nebo tramvajový vodič s jiným vodičem nebo uzemněný povrch. Když k tomu dojde, výsledné zkratový proud roztaví vodiče, ionizuje vzduch a vytvoří ohnivý vodivý plazmový kanál charakteristického obloukového tvaru (odtud název) a teplota elektrického oblouku v jeho jádru může dosáhnout více než 20 000 ° C.

Co je elektrický oblouk?

Ve skutečnosti se v běžném životě běžně označuje jako výboj oblouku, který je ve fyzice a elektrotechnice dobře znám, což je typ nezávislého elektrického výboje v plynu. Jaké jsou fyzikální vlastnosti elektrického oblouku? Spaluje v širokém rozsahu tlaku plynu při konstantním nebo střídavém (do 1000 Hz) napětí mezi elektrodami v rozmezí od několika voltů (svařovací oblouk) po desítky kilovoltů. Maximální proudová hustota oblouku je pozorována na katodě (10 ² -10 ⁸ A / cm ² ), kde je vytažena do katodového místa, velmi světlá a malá. Náhodně a plynule se pohybuje po celé ploše elektrody. Jeho teplota je taková, že materiál katody v ní klesá. Proto vzniknou ideální podmínky pro termionickou emisi elektronů do katodového prostoru. Nad ním je vytvořena malá vrstva, která je kladně nabitá a zajišťuje zrychlení vyzařovaných elektronů rychlostí, s níž úměrně ionizují atomy a molekuly média v mezeře mezi elektrodami.

Stejné místo, ale poněkud větší a méně pohyblivé, se také vytváří na anodě. Teplota v ní je blízká katodovému bodu.

Pokud je obloukový proud řádově několik desítek ampérů, pak plazmové elektrody nebo hořáky normálně proudí z obou elektrod při vysokých rychlostech na jejich povrchy (viz foto níže).

Při vysokých proudech (100-300 A) vznikají další plazmové trysky a oblouk se podobá svazku plazmových vláken (viz foto níže).

Jak se oblouk projevuje v elektrických zařízeních

Jak je uvedeno výše, katalyzátorem pro jeho výskyt je silné uvolňování tepla v katodovém místě. Teplota elektrického oblouku, jak již bylo zmíněno, může dosáhnout 20 000 ° C, asi čtyřikrát vyšší než na povrchu slunce. Toto teplo může rychle roztavit nebo dokonce odpařit měď vodičů, která má teplotu tání asi 1084 ° C, mnohem nižší než v oblouku. Proto často tvoří páry mědi a postříkání roztaveného kovu. Když měď přechází z pevných látek do par, expanduje několik desítek tisíckrát z původního objemu. To je ekvivalentní skutečnosti, že kus mědi v jednom kubickém centimetru se změní na velikost 0,1 kubických metrů za sekundu. To způsobí vysoký tlak a intenzitu zvukové vlny rozkládající se ve vysokých rychlostech (což může být více než 1100 km za hodinu).

Efekt elektrického oblouku

Těžké zranění, a dokonce i smrtelné, v případě výskytu mohou být přijaty nejen osobami pracujícími na elektrických zařízeních, ale i blízkými lidmi. Poranění oblouku může zahrnovat vnější popáleniny pokožky, vnitřní popáleniny při vdechování horkých plynů a odpařených kovů, poškození sluchu, zraku, jako je slepota z ultrafialového záblesku, stejně jako mnoho dalších škodlivých škod.

Když se obzvláště silný oblouk může objevit takový jev jako je jeho výbuch, vytvářející tlak více než 100 kilopascalů (kPa) s uvolněním částeček trosky, jako je šrapnel, při rychlostech až 300 metrů za sekundu.

Osoby postižené elektrický proud elektrický oblouk, mohou potřebovat vážnou léčbu a rehabilitaci a cena jejich zranění může být extrémní - fyzicky, emocionálně a finančně. Přestože právní předpisy vyžadují, aby podniky prováděly hodnocení rizik pro všechny typy práce, riziko elektrického oblouku je často přehlíženo, protože většina lidí neví, jak toto nebezpečí vyhodnotit a účinně zvládnout. Ochrana proti účinkům elektrického oblouku zahrnuje použití celé řady nástrojů, včetně použití speciálních elektrických ochranných prostředků, pracovních oděvů i samotného zařízení, zejména vysokonapěťových spínacích zařízení navržených s použitím zařízení pro záchranu oblouku při práci s elektrickým zařízením pod napětím.

Oblouk v elektrických přístrojích

V této třídě elektrických zařízení (jističe, stykače, magnetické spouštěče) boj proti tomuto jevu má zvláštní význam. Když kontakty spínače, které nejsou vybaveny speciálními zařízeními pro zabránění oblouku, se otevřou, pak se mezi nimi jistě vznítí.

V okamžiku, kdy se kontakty začnou oddělovat, rychle se zmenšuje oblast, která vede ke zvýšení proudové hustoty a následně ke zvýšení teploty. Teplo vytvářené v mezeře mezi kontakty (obvyklé médium je olej nebo vzduch) je dostatečné pro ionizaci vzduchu nebo odpařování a ionizaci oleje. Ionizovaný vzduch nebo pára působí jako vodič pro obloukový proud mezi kontakty. Potenciální rozdíl mezi nimi je poměrně malý, ale stačí udržet oblouk. V důsledku toho proud v okruhu zůstává nepřetržitý, dokud není oblouk vyloučen. Nejenže zpomaluje proces přerušení proudu, ale také vytváří obrovské množství tepla, které může poškodit samotný spínač. Hlavním problémem jističe (především vysokého napětí) je tedy zhasnutí elektrického oblouku v co nejkratší době, takže teplo, které se v něm vytváří, nemůže dosáhnout nebezpečné hodnoty.

Faktory udržují oblouk mezi kontakty přepínačů

Patří sem:

1. Napětí elektrického oblouku rovnající se potenciálnímu rozdílu mezi kontakty.

2. Ionizované částice mezi nimi.

Vezmeme-li v úvahu toto:

• Když mezi kontakty existuje malá mezera, je pro zachování oblouku stačit i malý potenciální rozdíl. Jedním ze způsobů, jak je uhasit, je rozdělit kontakty na takovou vzdálenost, že potenciální rozdíl se stává nedostatečným pro udržení oblouku. Tato metoda je však prakticky neproveditelná u vysokonapěťových zařízení, kde může být vyžadováno oddělení na mnoho metrů.
• Ionizované částice mezi kontakty zpravidla podporují oblouk. Pokud je její cesta deionizovaná, pak bude proces ochlazování usnadněn. Toho lze dosáhnout chlazením oblouku nebo odstraněním ionizovaných částic z prostoru mezi kontakty.
• Existují dva způsoby ochrany proti elektrickému oblouku v přepínačích:

- metoda vysokého odporu;

- metoda nulového proudu.

Zánik oblouku zvyšováním jeho odolnosti

Při této metodě se odpor v průběhu dráhy oblouku časem zvyšuje, takže proud klesá na hodnotu, která je nedostatečná pro jeho udržení. V důsledku toho se přeruší a elektrický oblouk zhasne. Hlavní nevýhodou této metody je, že doba kalení je dostatečně velká a v oblouku je rozptýlena obrovská energie.

Odolnost proti oblouku lze zvýšit:

• Rozšíření oblouku - odolnost proti oblouku je přímo úměrná její délce. Délku oblouku lze zvýšit změnou mezery mezi kontakty.
• Chlazení oblouku, nebo spíše prostředí mezi kontakty. Účinné chlazení by mělo být směrováno podél oblouku.
• Umístění kontaktů do těžko ionizovatelného plynového média (plynové spínače) nebo do vakuové komory (vakuové spínače).
• Snížením průřezu oblouku jeho průchodem úzkým otvorem nebo zmenšením kontaktní oblasti.
• Odloučení oblouku - jeho odolnost lze zvýšit jeho rozdělením do série malých oblouků zapojených do série. Každý z nich zažívá vliv prodloužení a chlazení. Oblouk lze rozdělit vložením některých vodivých desek mezi kontakty.

Zánik oblouku metodou nulového proudu

Tato metoda se používá pouze ve střídavých obvodech. V tom je odpor oblouku udržován nízký, dokud proud neklesne na nulu, kde je přirozeně zhasnut. Jeho opětovné zapálení je zabráněno navzdory zvýšení napětí na kontaktech. Všechny moderní spínače vysokých střídavých proudů používají tuto metodu zániku oblouku.

V systému střídavého proudu klesá druhá polovina na nulu po každé polovině období. Při každém takovém nulování se oblouk krátce zhasne. Médium mezi kontakty obsahuje ionty a elektrony, takže jeho dielektrická pevnost je malá a může být snadno zničena rostoucím napětím na kontaktech.

Pokud k tomu dojde, oblouk se bude spálit během dalšího půl cyklu proudu. Pokud bezprostředně po nulování síla média mezi kontakty roste rychleji než napětí na nich, pak se oblouk nezapálí a proud se přeruší. Rychlý nárůst dielektrické pevnosti média v blízkosti nulového proudu lze dosáhnout:

• rekombinace ionizovaných částic v prostoru mezi kontakty do neutrálních molekul;
• odstranění ionizovaných částic a jejich nahrazení neutrálními částicemi.

Pravým problémem přerušení střídavého proudu oblouku je tedy rychlá deionizace média mezi kontakty, jakmile se proud stává nulovým.

Způsoby deionizace média mezi kontakty

1. Prodloužení mezery: dielektrická pevnost média je úměrná délce mezery mezi kontakty. Rychlým otevřením kontaktů může být dosaženo vyšší dielektrické pevnosti média.

2. Vysoký tlak. Pokud se nachází v těsné blízkosti oblouku, zvyšuje se i hustota částic tvořících kanál obloukového výboje. Zvýšená hustota částic vede k vysoké úrovni jejich deionizace a v důsledku toho se zvyšuje dielektrická pevnost média mezi kontakty.

3 Chlazení. Přirozená rekombinace ionizovaných částic nastane rychleji, pokud se ochladí. Tudíž může být dielektrická pevnost média mezi kontakty zvýšena chlazením oblouku.

4. Účinek výbuchu. Pokud jsou ionizované částice mezi kontakty zametány a nahrazeny neionizovanými, může se zvýšit dielektrická pevnost média. Toho lze dosáhnout použitím výbuchu plynu směřovaného do vypouštěcí zóny nebo vstřikováním oleje do kontaktního prostoru.

V těchto přepínačích se jako obloukové hasicí médium používá plynný hexafluorid (SF6). Má silnou tendenci absorbovat volné elektrony. Kontakt spínače je otevřen mezi vysokotlakým proudem (SF6) (viz obrázek níže). Plyn zachycuje volné elektrony v oblouku a vytváří přebytek sedavých negativních iontů. Počet elektronů v oblouku rychle klesá a zhasne.