Dom > Oprema za cestovni prijevoz

napon luka. Što je električni luk i kako nastaje

22. kolovoza 2012. u 10:00 sati

Kada se električni krug otvori, dolazi do električnog pražnjenja u obliku električnog luka. Za pojavu električnog luka dovoljno je da napon na kontaktima bude iznad 10 V pri struji u krugu od 0,1A ili više. Pri značajnim naponima i strujama temperatura unutar luka može doseći 10 ... 15 tisuća ° C, zbog čega se kontakti i dijelovi koji nose struju tope.

Pri naponu od 110 kV i više, duljina luka može doseći nekoliko metara. Stoga električni luk, posebno u strujnim krugovima velike snage, pri naponu iznad 1 kV predstavlja veliku opasnost, iako ozbiljne posljedice mogu biti u instalacijama na naponima ispod 1 kV. Kao rezultat toga, električni luk mora biti što je moguće više ograničen i brzo ugašen u krugovima za napone iznad i ispod 1 kV.

Uzroci električnog luka

Proces nastanka električnog luka može se pojednostaviti na sljedeći način. Kada se kontakti razilaze, dolazi do smanjenja kontaktnog tlaka i, prema tome, kontaktne površine, povećava se kontaktni otpor (gustoća struje i temperatura – počinje lokalno (u pojedinim dijelovima kontaktnog područja) pregrijavanje, što dodatno doprinosi termoionskoj emisiji, kada, pod utjecajem visoke temperature raste brzina elektrona i oni izbijaju s površine elektrode.

U trenutku divergencije kontakata, odnosno prekida strujnog kruga, napon se brzo obnavlja na kontaktnom razmaku. Budući da je u ovom slučaju udaljenost između kontakata mala, nastaje električno polje velike jakosti pod čijim utjecajem elektroni bježe s površine elektrode. Ubrzavaju se u električnom polju i, kada udare u neutralni atom, daju mu svoju kinetičku energiju. Ako je ta energija dovoljna da otrgne barem jedan elektron s ljuske neutralnog atoma, tada dolazi do procesa ionizacije.

Nastali slobodni elektroni i ioni čine plazmu lučne osovine, odnosno ionizirani kanal u kojem gori luk i osigurava kontinuirano kretanje čestica. U tom slučaju negativno nabijene čestice, prvenstveno elektroni, kreću se u jednom smjeru (prema anodi), a atomi i molekule plina, lišeni jednog ili više elektrona – pozitivno nabijenih čestica – u suprotnom smjeru (prema katodi). Vodljivost plazme je bliska vodljivosti metala.

U osovini luka teče velika struja i stvara se visoka temperatura. Takva temperatura osovine luka dovodi do toplinske ionizacije – procesa nastanka iona zbog sudara molekula i atoma s velikom kinetičkom energijom pri velikim brzinama njihova kretanja (molekule i atomi medija u kojem gori luk raspadaju se na elektrone i pozitivno nabijeni ioni). Intenzivna toplinska ionizacija održava visoku vodljivost plazme. Stoga je pad napona duž duljine luka mali.

U električnom luku kontinuirano se odvijaju dva procesa: osim ionizacije, postoji i deionizacija atoma i molekula. Potonje se uglavnom događa difuzijom, odnosno prijenosom nabijenih čestica u okolinu, te rekombinacijom elektrona i pozitivno nabijenih iona, koji se rekombiniraju u neutralne čestice s povratom energije utrošene na njihov raspad. U tom slučaju toplina se odvodi u okoliš.

Dakle, mogu se razlikovati tri stupnja procesa koji se razmatra: paljenje luka, kada uslijed udarne ionizacije i emisije elektrona iz katode, počinje lučno pražnjenje i intenzitet ionizacije je veći od deionizacije, stabilno izgaranje luka, podržano toplinskom ionizacijom u lučnoj osovini, kada je intenzitet ionizacije i deionizacije isti, gašenje luka kada je intenzitet deionizacije veći od ionizacije.

Metode gašenja luka u električnim sklopnim uređajima

Kako bi se odvojili elementi električnog kruga i na taj način isključilo oštećenje sklopnog uređaja, potrebno je ne samo otvoriti njegove kontakte, već i ugasiti luk koji se pojavljuje između njih. Procesi gašenja luka, kao i izgaranja, različiti su za izmjeničnu i istosmjernu struju. To je određeno činjenicom da u prvom slučaju struja u luku prolazi kroz nulu svakog polu-ciklusa. U tim trenucima, oslobađanje energije u luku prestaje i luk se svaki put spontano gasi, a zatim ponovno svijetli.

U praksi, struja u luku postaje bliska nuli malo prije prijelaza nule, jer kada se struja smanji, energija koja se dovodi u luk se smanjuje, temperatura luka u skladu s tim opada i termička ionizacija prestaje. U ovom slučaju, proces deionizacije se intenzivno odvija u lučnom razmaku. Ako se u ovom trenutku otvori i brzo odvoji kontakti, možda neće doći do naknadnog električnog kvara i krug će se isključiti bez luka. Međutim, u praksi je to iznimno teško učiniti, pa se poduzimaju posebne mjere za ubrzanje gašenja luka, koje osiguravaju hlađenje prostora luka i smanjenje broja nabijenih čestica.

Kao rezultat deionizacije, dielektrična čvrstoća jaza postupno raste, a istodobno se povećava povratni napon na njemu. O omjeru ovih vrijednosti ovisi hoće li se luk upaliti sljedeću polovicu razdoblja ili ne. Ako se dielektrična čvrstoća razmaka brže povećava i veća je od povratnog napona, luk se više neće zapaliti, inače će luk biti stabilan. Prvi uvjet definira problem gašenja luka.

U sklopnim uređajima koriste se različite metode gašenja luka.

Produženje luka

Kada se kontakti raziđu u procesu isključivanja električnog kruga, nastali luk se rasteže. U ovom slučaju se poboljšavaju uvjeti za hlađenje luka, jer se njegova površina povećava i za izgaranje je potreban veći napon.

Dijeljenje dugog luka na niz kratkih lukova

Ako se luk koji nastane pri otvaranju kontakata podijeli na K kratkih lukova, na primjer, zatezanjem u metalnu rešetku, tada će se ugasiti. Luk se obično uvlači u metalnu rešetku pod utjecajem elektromagnetskog polja induciranog u pločama rešetke vrtložnim strujama. Ova metoda gašenja luka široko se koristi u sklopnim uređajima za napone ispod 1 kV, posebno u automatskim zračnim prekidačima.

Lukno hlađenje u uskim utorima

Olakšano je gašenje luka u malom volumenu. Stoga se lukovi s uzdužnim utorima široko koriste u sklopnim uređajima (os takvog utora podudara se u smjeru s osi osovine luka). Takav se razmak obično formira u komorama izrađenim od izolacijskih materijala otpornih na luk. Zbog kontakta luka s hladnim površinama dolazi do njegovog intenzivnog hlađenja, difuzije nabijenih čestica u okoliš i, sukladno tome, brze deionizacije.

Osim utora s ravnoparalelnim stijenkama, koriste se i utori s rebrima, izbočinama i nastavcima (džepovima). Sve to dovodi do deformacije lučne osovine i doprinosi povećanju područja njezina kontakta s hladnim zidovima komore.

Uvlačenje luka u uske proreze obično se događa pod utjecajem magnetskog polja u interakciji s lukom, koji se može smatrati vodičem koji nosi struju.

Vanjsko magnetsko polje za pomicanje luka najčešće osigurava zavojnica spojena serijski s kontaktima između kojih nastaje luk. Gašenje luka u uskim prorezima koristi se u uređajima za sve napone.

Gašenje luka pod visokim pritiskom

Pri konstantnoj temperaturi stupanj ionizacije plina opada s povećanjem tlaka, dok se toplinska vodljivost plina povećava. Uz ostale jednake stvari, to dovodi do pojačanog hlađenja luka. Gašenje luka pomoću visokog tlaka koji stvara sam luk u čvrsto zatvorenim komorama ima široku primjenu u osiguračima i nizu drugih uređaja.

Gašenje luka u ulju

Ako se kontakti prekidača stave u ulje, tada luk koji nastaje kada se otvore dovodi do intenzivnog isparavanja ulja. Kao rezultat toga, oko luka nastaje plinski mjehur (ljuska), koji se uglavnom sastoji od vodika (70 ... 80%), kao i uljne pare. Emitirani plinovi velikom brzinom prodiru izravno u zonu lučnog vratila, uzrokuju miješanje hladnog i vrućeg plina u mjehuru, osiguravaju intenzivno hlađenje i, sukladno tome, deionizaciju lučnog razmaka. Osim toga, deionizirajuća sposobnost plinova povećava tlak koji nastaje tijekom brzog raspadanja ulja unutar mjehurića.

Intenzitet procesa gašenja luka u ulju je veći, što je luk bliže ulju i što se ulje brže kreće u odnosu na luk. S obzirom na to, lučni razmak je ograničen zatvorenim izolacijskim uređajem - lučnim žlijebom. U tim komorama se stvara bliži kontakt ulja s lukom, a uz pomoć izolacijskih ploča i ispušnih otvora formiraju se radni kanali kroz koje se kreću ulje i plinovi, osiguravajući intenzivno puhanje (puhanje) luka.

Prema principu rada, lukovi se dijele u tri glavne skupine: s automatskim puhanjem, kada se zbog energije oslobođene u luku stvaraju visoki tlak i brzina kretanja plina u zoni luka, s prisilnim upuhvanjem ulja pomoću posebnih pumpni hidraulički mehanizmi, s magnetskim gašenjem u ulju, kada se luk pod djelovanjem magnetskog polja pomiče u uske proreze.

Najučinkovitiji i najjednostavniji lukovi s automatskim puhanjem. Ovisno o položaju kanala i ispušnih otvora razlikuju se komore u kojima se osigurava intenzivno puhanje mješavine plina i pare i ulja uzduž luka (uzdužni udar) ili poprečno (poprečno). Razmotrene metode gašenja luka široko se koriste u prekidačima za napone iznad 1 kV.

Drugi načini gašenja luka u uređajima za napone iznad 1 kV

Uz navedene metode gašenja luka koriste se i: komprimirani zrak, čiji strujanje puše duž ili poprijeko luka, osiguravajući njegovo intenzivno hlađenje (umjesto zraka koriste se i drugi plinovi, često dobiveni iz krutih plinova- generirajući materijali - vlakna, vinil plastiku, itd. - jer zbog njihove razgradnje samim gorućim lukom), SF6 (sumpor heksafluorid), koji ima veću električnu čvrstoću od zraka i vodika, uslijed čega gori luk u ovom plin, čak i pri atmosferskom tlaku, brzo se gasi, vrlo razrijeđeni plin (vakuum), pri otvaranju kontakata u kojem se luk ponovno ne pali (ugasi) nakon prvog prolaska struje kroz nulu.

Najnovije publikacije

Pozdrav svim posjetiteljima mog bloga. Tema današnjeg članka je električni luk i zaštita od električnog luka. Tema nije slučajna, pišem iz bolnice Sklifosovski. Pogodi zašto?

Što je električni luk

Ovo je jedna od vrsta električnog pražnjenja u plinu (fizikalni fenomen). Naziva se i - lučno pražnjenje ili Voltaični luk. Sastoji se od ioniziranog, električno kvazi-neutralnog plina (plazma).

Može se pojaviti između dvije elektrode kada se napon između njih poveća, ili kada se međusobno približavaju.

Ukratko o Svojstva: temperatura električnog luka, od 2500 do 7000 °C. Međutim, nije mala temperatura. Interakcija metala s plazmom dovodi do zagrijavanja, oksidacije, taljenja, isparavanja i drugih vrsta korozije. Popraćeno svjetlosnim zračenjem, eksplozijom i udarnim valom, ultravisokom temperaturom, vatrom, oslobađanjem ozona i ugljičnog dioksida.

Na internetu ima puno informacija o tome što je električni luk, koja su njegova svojstva, ako vas zanima više detalja pogledajte. Na primjer, u en.wikipedia.org.

Sada o mojoj nesreći. Teško je povjerovati, ali prije 2 dana sam se direktno susreo s ovim fenomenom, i to bezuspješno. Bilo je ovako: 21. studenoga na poslu sam dobio uputu da napravim ožičenje svjetiljki u razvodnoj kutiji, a zatim ih spojim na mrežu. Nije bilo problema s ožičenjem, ali kada sam ušao u štit, pojavile su se neke poteškoće. Šteta što je androyd zaboravio svoju kuću, nije fotografirao električnu ploču, inače bi bilo jasnije. Možda ću učiniti više kad dođem na posao. Dakle, štit je bio jako star - 3 faze, nulta sabirnica (aka uzemljenje), 6 automata i paketni prekidač (čini se da je sve jednostavno), stanje u početku nije bilo vjerodostojno. Dugo sam se mučio sa nultom gumom, pošto su svi vijci zahrđali, nakon čega sam lako stavio fazu na mašinu. Sve je u redu, provjerio sam lampe, rade.

Nakon toga se vratio do štita kako bi pažljivo položio žice i zatvorio ga. Želim napomenuti da je električna ploča bila na visini od ~ 2 metra, u uskom prolazu, a da bih došao do nje, koristio sam ljestve (ljestve). Polažući žice, pronašao sam iskre na kontaktima drugih strojeva, zbog čega su lampice treptale. U skladu s tim, produžio sam sve kontakte i nastavio pregledavati preostale žice (da to učinim jednom i da se više ne vraćam na ovo). Otkrivši da jedan kontakt na vrećici ima visoku temperaturu, odlučio sam ga i produžiti. Uzeo sam odvijač, naslonio ga na vijak, okrenuo ga, bang! Čula se eksplozija, bljesak, odbačen sam unatrag, udario sam u zid, pao sam na pod, ništa se nije vidjelo (oslijepilo), štit nije prestajao eksplodirati i zujati. Zašto zaštita nije radila ne znam. Osjetivši na sebi iskre koje padaju, shvatio sam da moram izaći. Izvukao sam se dodirom, puzeći. Izašavši iz ovog uskog prolaza, počeo je zvati svog partnera. Već u tom trenutku osjetio sam da mi nešto nije u redu s desnom rukom (držao sam odvijač njome), osjetila se strašna bol.

Zajedno s mojim partnerom odlučili smo da moramo otrčati do ambulante. Što se dalje dogodilo, mislim da ne vrijedi pričati, samo su uboli i otišli u bolnicu. Nikada neću zaboraviti onaj strašni zvuk dugog kratkog spoja – svrbež uz zujanje.

Sad sam u bolnici, imam ogrebotinu na koljenu, liječnici misle da sam šokirana, ovo je izlaz, pa mi prate srce. Vjerujem da me struja nije pobijedila, već mi je opeklinu na ruci prouzročio električni luk koji je nastao tijekom kratkog spoja.

Što se tu dogodilo, zašto je došlo do kratkog spoja, ne znam još, mislim, kada se zavrnuo vijak, sam kontakt se pomaknuo i došlo je do kratkog spoja faza-faza ili je bila gola žica iza paketa prekidač i kada se vijak približio električni luk. Kasnije ću saznati hoće li to shvatiti.

Prokletstvo, išla sam na preljev, toliko su mi omotali ruku da sad pišem s jednom lijevom)))

Nisam slikao bez zavoja, nije baš ugodan prizor. Ne želim plašiti električare početnike ....

Koje su mjere zaštite od električnog luka koje bi me mogle zaštititi? Nakon analize interneta, vidio sam da je najpopularnije sredstvo zaštite ljudi u električnim instalacijama od električnog luka odijelo otporno na toplinu. U Sjevernoj Americi vrlo su popularni posebni automatski strojevi iz Siemensa koji štite i od električnog luka i od maksimalne struje. U Rusiji se u ovom trenutku takvi strojevi koriste samo na visokonaponskim trafostanicama. U mom slučaju bi mi bila dovoljna dielektrična rukavica, ali razmislite sami kako spojiti lampe u njima? Vrlo je neugodno. Također preporučam korištenje naočala za zaštitu očiju.

U električnim instalacijama borba protiv električnog luka provodi se pomoću vakuumskih i uljnih prekidača, kao i korištenjem elektromagnetskih zavojnica zajedno s lukovima.

Ovo je sve? Ne! Najpouzdaniji način da se zaštitite od električnog luka, po mom mišljenju, su rad na ublažavanju stresa . Ne znam za vas, ali ja više neću raditi pod stresom...

Ovo je moj članak električni luk I zaštita luka završava. Ima li što za dodati? Ostavite komentar.

U knjizi "Vijesti o galvansko-naponskim pokusima pomoću ogromne baterije, koja se ponekad sastoji od 4200 bakrenih i cinkovih krugova" (Sankt Peterburg, 1803.). Električni luk je poseban slučaj četvrtog oblika stanja tvari - plazme - i sastoji se od ioniziranog, električno kvazineutralnog plina. Prisutnost slobodnih električnih naboja osigurava vodljivost električnog luka.

fizičke pojave

Električni luk između dvije elektrode u zraku pri atmosferskom tlaku nastaje na sljedeći način:

Kada se napon između dvije elektrode poveća na određenu razinu u zraku, između elektroda dolazi do električnog kvara. Električni probojni napon ovisi o udaljenosti između elektroda i drugim čimbenicima. Ionizacijski potencijal prvog elektrona atoma metala je približno 4,5 - 5 V, a napon žarenja je dvostruko veći (9 - 10 V). Potrebno je potrošiti energiju na izlazak elektrona iz atoma metala jedne elektrode i na ionizaciju atoma druge elektrode. Proces dovodi do stvaranja plazme između elektroda i izgaranja luka (za usporedbu: minimalni napon za stvaranje iskrenog pražnjenja neznatno premašuje izlazni potencijal elektrona - do 6 V).

Za pokretanje sloma na dostupnom naponu, elektrode se približavaju jedna drugoj. Tijekom kvara, između elektroda obično dolazi do iskre, čime se impulsno zatvara električni krug. Elektroni u iskrenim pražnjenjima ioniziraju molekule u zračnom rasporu između elektroda. Uz dovoljnu snagu izvora napona u zračnom rasporu, stvara se dovoljna količina plazme za značajan pad probojnog napona ili otpora zračnog raspora. U tom se slučaju iskrista pražnjenja pretvaraju u lučno pražnjenje - plazma kabel između elektroda, koji je plazma tunel. Rezultirajući luk je, zapravo, vodič i zatvara električni krug između elektroda. Kao rezultat toga, prosječna struja se još više povećava, zagrijavajući luk do 5000-50000. U tom slučaju se smatra da je paljenje luka završeno. Nakon paljenja, stabilno izgaranje luka osigurava se termoionskom emisijom iz katode zagrijane strujom i ionskim bombardiranjem.

Nakon paljenja, luk može ostati stabilan kada su električni kontakti razdvojeni do određene udaljenosti.

Interakcija elektroda s lučnom plazmom dovodi do njihovog zagrijavanja, djelomičnog taljenja, isparavanja, oksidacije i drugih vrsta korozije.

Tijekom rada visokonaponskih električnih instalacija, u kojima je pojava električnog luka neizbježna pri uključivanju električnog kruga, borba protiv njega provodi se pomoću elektromagnetskih zavojnica u kombinaciji s lučnim žljebovima. Među ostalim metodama poznata je uporaba vakuumskih, zračnih, SF6 i uljnih prekidača, kao i metode preusmjeravanja struje na privremeno opterećenje koje samostalno prekida električni krug.

Struktura luka

Električni luk se sastoji od katodnog i anodnog područja, stupa luka, prijelaznih područja. Debljina anodnog područja je 0,001 mm, katodnog je oko 0,0001 mm.

Temperatura u području anode tijekom zavarivanja potrošne elektrode je oko 2500 ... 4000 ° C, temperatura u stupu luka je od 7000 do 18 000 ° C, u području katode - 9000 - 12000 ° C.

Stup luka je električno neutralan. U bilo kojem njegovom dijelu nalazi se isti broj nabijenih čestica suprotnih predznaka. Pad napona u stupu luka proporcionalan je njegovoj duljini.

Lukovi za zavarivanje se klasificiraju prema:

  • Materijali za elektrode - s potrošnom i nepotrošnom elektrodom;
  • Stupnjevi kompresije stupa - slobodni i komprimirani luk;
  • Prema korištenoj struji - luk istosmjerne struje i luk izmjenične struje;
  • Prema polaritetu istosmjerne električne struje - izravni polaritet ("-" na elektrodi, "+" - na proizvodu) i obrnuti polaritet;
  • Pri korištenju izmjenične struje - jednofazni i trofazni lukovi.

Samoregulirajući luk

Kada dođe do vanjskog poremećaja - promjene mrežnog napona, brzine dodavanja žice itd. - dolazi do kršenja uspostavljene ravnoteže između brzine dodavanja i brzine taljenja. S povećanjem duljine luka u krugu, struja zavarivanja i brzina taljenja žice elektrode se smanjuju, a brzina dodavanja, ostajući konstantna, postaje veća od brzine taljenja, što dovodi do obnavljanja duljine luka. Sa smanjenjem duljine luka, stopa taljenja žice postaje veća od brzine dodavanja, što dovodi do obnavljanja normalne duljine luka.

Na učinkovitost procesa samoregulacije luka značajno utječe oblik strujno-naponske karakteristike izvora napajanja. Velika brzina titranja duljine luka razrađuje se automatski s krutom strujno-naponskom karakteristikom kruga.

Korisna aplikacija

Električno zavarivanje

Električni luk se koristi u električnom zavarivanju metala, za taljenje čelika (lučna čelična peć) i u rasvjeti (u lučnim svjetiljkama). Ponekad se koristi svojstvo nelinearne volt-amperske karakteristike luka (vidi Stroj za gašenje na terenu).

Izvori svjetlosti

Borba električnog luka

U nizu uređaja pojava električnog luka je štetna. To su prije svega kontaktni sklopni uređaji koji se koriste u napajanju i elektropogonu: visokonaponske sklopke, automatske sklopke, kontaktori, sekcijski izolatori na kontaktnoj mreži elektrificiranih željeznica i gradskog elektroprovoza. Kada se gore navedeni uređaji odvoje opterećenja, između prekidačkih kontakata nastaje luk.

Mehanizam nastanka luka u ovom slučaju je sljedeći:

  • Smanjenje kontaktnog tlaka - smanjuje se broj kontaktnih točaka, povećava se otpor u kontaktnom čvoru;
  • Početak divergencije kontakata - stvaranje "mostova" od rastaljenog metala kontakata (na mjestima zadnjih kontaktnih točaka);
  • Puknuće i isparavanje "mostova" iz rastaljenog metala;
  • Stvaranje električnog luka u metalnoj pari (što doprinosi većoj ionizaciji kontaktnog razmaka i poteškoćama u gašenju luka);
  • Stabilan luk s brzim izgaranjem kontakata.

Za minimalno oštećenje kontakata potrebno je u minimalno vrijeme ugasiti luk, trudeći se da luk ne bude na jednom mjestu (kada se luk pomiče, toplina koja se u njemu oslobađa ravnomjerno će se rasporediti po tijelu kontakt).

Da bi se ispunili gornji zahtjevi, koriste se sljedeće metode suzbijanja luka:

  • hlađenje luka strujanjem rashladnog medija - tekućina (prekidač ulja); plin - (zračni prekidač, automatski plinski prekidač, uljni prekidač, SF6 prekidač), a protok rashladnog medija može proći i duž lučnog vratila (uzdužno prigušivanje) i poprijeko (poprečno prigušenje); ponekad se koristi uzdužno-poprečno prigušivanje;
  • korištenje kapaciteta vakuuma za gašenje luka - poznato je da kada se tlak plinova koji okružuju spojene kontakte smanji na određenu vrijednost, vakuumski prekidač dovodi do učinkovitog gašenja luka (zbog nedostatka nosača za stvaranje luka) .
  • korištenje kontaktnog materijala otpornijeg na luk;
  • korištenje kontaktnog materijala s većim ionizacijskim potencijalom;
  • korištenje lučnih mreža (automatski prekidač, elektromagnetski prekidač). Načelo primjene supresije luka na rešetkama temelji se na primjeni efekta pada napona u luku uz katodu (veći dio pada napona u luku je pad napona na katodi; lučni žlijeb je zapravo niz serijski kontakti za luk koji je tamo stigao).
  • korištenje lučnih žljebova - dolaskom u komoru od materijala otpornog na luk, kao što je liskuna plastika, s uskim, ponekad cik-cak kanalima, luk se rasteže, skuplja i intenzivno hladi od dodira sa stijenkama komore.
  • korištenje "magnetskog udara" - budući da je luk jako ioniziran, tada se u prvoj aproksimaciji može smatrati fleksibilnim vodičem sa strujom; Stvaranjem posebnih elektromagneta (spojenih u seriju s lukom), magnetsko polje može stvoriti pomicanje luka kako bi ravnomjerno raspodijelilo toplinu preko kontakta i tjeralo ga u lučni otvor ili rešetku. Neki dizajni prekidača stvaraju radijalno magnetsko polje koje daje zakretni moment luku.
  • ranžiranje kontakata u trenutku otvaranja energetskog poluvodičkog ključa s tiristorom ili trijakom spojenim paralelno s kontaktima, nakon otvaranja kontakata, poluvodički ključ se isključuje u trenutku kada napon prođe kroz nulu (hibridni kontaktor, tirikon).
    • .
  • iskreni pražnjenje- članak iz Velike sovjetske enciklopedije.
  • Reiser Yu.P. Fizika plinskog pražnjenja. - 2. izd. - M. : Nauka, 1992. - 536 str. - ISBN 5-02014615-3.
  • Rodshtein L. A. Električni uređaji, L 1981
  • Clerici, Matteo; Hu, Yi; Lassonde, Philippe; Milijan, Carles; Couairon, Arnaud; Christodoulides, Demetrios N.; Chen, Zhigang; Razzari, Luca; Vidal, Francois (01.06.2015.). "Lasersko vođenje električnih pražnjenja oko objekata". Znanstveni napredak 1(5): e1400111. Bibcode:2015SciA….1E0111C. doi:10.1126/sciadv.1400111. ISSN 2375-2548.

Pojava električnog luka i njegova svojstva, procesi koji uzrokuju rađanje i podržavaju izgaranje, kao i projektna rješenja u sklopnim uređajima za gašenje lučnog pražnjenja.

Sažetak članka:

Svojstva električnog luka ili lučnog pražnjenja

U elektrotehnici (automatski prekidači, nožni prekidači, kontaktori) kada se opterećeni krug isključi, nastaje električni luk.

Postavimo granice: u nastavku su opisani procesi tipični za uređaje s nominalnim struje od 1 do 2000 ampera i dizajniran za rad u mrežama s naponom do 1000 volti(niskonaponska oprema). Za visokonaponsku opremu postoje i drugi uvjeti za nastanak i izgaranje luka.

Važni parametri električnog luka:

  • lučno pražnjenje može se razviti samo pri velikim strujama (za metal je ta struja 0,5 ampera);
  • temperatura u lučnoj osovini je značajna i iznosi oko 6-18 tisuća kelvina (često 6-10 tisuća kelvina);
  • pad napona na katodi je neznatan i jednak je 10-20 volti.

Lučno pražnjenje uvjetno je podijeljeno u tri zone:

  • blizu katode;
  • deblo luka (glavni dio);
  • blizu anode.

U odabranim zonama ionizacija i deionizacija se odvijaju različito:

  • ionizacija- proces raspada neutralnog atoma na negativni elektron i pozitivan ion;
  • deionizacija- proces suprotan ionizaciji (antonim), u kojem se elektron i ion spajaju u neutralnu česticu.


Značajke videa od 2 minute time-lapse fotografija gašenja električnog luka u ABB modularnom prekidaču:

Procesi koji prate rađanje električnog luka

U početnoj fazi uzgoja glavni kontakti rađa se luk tijekom sljedećih procesa:

  • termoionska emisija (oslobađanje negativnih elektrona iz zagrijane kontaktne površine);
  • emisija polja (odvajanje elektrona od katode pod utjecajem značajnog električnog polja).

Termionska emisija. Kada su kontakti prekinuti u području posljednjeg kontaktnog područja, formira se zona s rastaljenim bakrom s odgovarajućom temperaturom. Bakar isparava na negativnoj elektrodi iz takozvane katodne točke, koja je izvor slobodnih elektrona. Na ovaj proces utječu: temperatura i metal dodirnih površina; dovoljno je stvoriti električni luk, ali nije dovoljno za održavanje njegovog izgaranja.

Emisija polja. Zračni prostor između kontakata može se smatrati svojevrsnim kondenzatorom, čiji je kapacitet u prvom trenutku neograničen, a zatim se smanjuje ovisno o rastućem jazu između pomičnog i fiksnog kontakta. Opisani kondenzator se postupno puni i napon u njemu se uspoređuje s naponom glavnog kruga. Jačina električnog polja doseže vrijednosti pri kojima nastaju uvjeti za izlazak elektrona s površine nezagrijane katode.

Omjer utjecaja opisanih procesa na pokretanje luka ovisi o jačini isključene struje, metalu kontaktne skupine, čistoći kontaktne površine, brzini odvajanja kontakta i drugim čimbenicima. Dominacija jedne vrste emisije nad drugom je individualna.

Procesi koji podupiru luk.

Uz pomoć sljedećih mehanizama interakcije čestica stvaraju se uvjeti za goruće pražnjenje:

  • ionizacija guranjem (raspršeni elektron se zaleti u neutralnu česticu i iz nje “izbije” i elektron);
  • toplinska ionizacija (uništenje neutralnih atoma značajnim temperaturama).

Push ionizacija. Slobodni elektron s određenom brzinom može razbiti neutralnu česticu na elektron i ion. Novodobljeni elektron može prekinuti unutarnje veze sljedeće čestice, što rezultira lančanom reakcijom. Brzina elektrona je funkcija razlike potencijala u području kretanja (dovoljan potencijal za izbacivanje elektrona: 13 - 16 volti za kisik, vodik, dušik; 24 volta za helij; 7,7 volta za bakrenu paru) .

Toplinska ionizacija. Pri visokim temperaturama rastu brzine čestica u plazmi, što dovodi do uništenja neutralnih atoma po principu ionizacije guranjem.

Istovremeno s procesima ionizacije odvijaju se i procesi deionizacije uslijed rekombinacije (međusobni kontakt čestica "-" i "+" dovodi do njihove fuzije u neutralni atom) i difuzije (elektroni izlaze iz lučnog vratila u vanjsku okolinu, gdje se nalaze apsorbira u normalnim uvjetima).

Bitan čimbenik za nastavak luka u našem slučaju je termička ionizacija, dakle, da se ugasi iscjedak primjenjuje se hlađenje njegovog debla(kontakt s materijalom visoke toplinske vodljivosti), kao i produljenje sam luk u prostoru koji mu je dodijeljen.

Metode gašenja električnog luka

Kako bi se ograničio negativan utjecaj električnog luka na kontakte sklopnog uređaja i njegovih komponenti, luk treba ugasiti što je prije moguće. Negativni učinci uključuju:

  • visoke temperature (taljenje, isparavanje kontaktnog materijala);
  • stvaranje istmusnih vodiča električne struje (luk lako provodi struju, stoga je može provesti u područja koja ne provode struju tijekom normalnog rada);
  • kršenje normalnog električnog kruga aparata (uništavanje izolacije).

Luk je posebna manifestacija jednog od agregatnih stanja, tzv plazma. Lučna cijev ima visoke temperature i veliku količinu slobodnih iona. Budući da je glavni faktor koji produljuje izgaranje je toplinska ionizacija, tada trebate intenzivno ohladiti bure električni luk. U te svrhe, u sklopnim uređajima primijeniti sljedeće konstruktivne rješenja:

  • magnetski udar ili ubrizgavanje rashladne tekućine ili plina kako bi se produljio luk (b oko Veća površina, više topline se raspršuje
  • deionska mreža ili skup profiliranih čeličnih ploča koje istovremeno rade kao radijatori i dijele luk na zasebne komponente;
  • lučni žlijeb s prorezom, izrađen od materijala visoke toplinske vodljivosti i otpornosti na visoke temperature (električni luk, u kontaktu s materijalom komore, ispušta toplinsku energiju);
  • stvaranje zatvorenog prostora od materijala koji oslobađa plin pod utjecajem temperature (visoki tlak plina sprječava izgaranje luka);
  • posebne kontaktne legure za smanjenje sadržaja metala u plazmi;
  • ispumpavanje zraka iz prostora blizu kontakta kako bi se stvorio vakuum (bez tvari - nema ionizacije);
  • u uređajima za izmjeničnu struju, otvoreni u trenutku prolaska struje kroz nulu (manje energije za stvaranje luka);
  • uvesti u jaz, između divergentnih kontakata, poluvodiče koji će percipirati struju i neće dopustiti da se luk rasplamsa;
  • primijenite dvostruki prekid u krugu (isključujući dio vodiča iz kruga, udaljenost između katode i anode trenutno se i značajno povećava).

Bibliografija

Markov A.M. Električni i elektronički uređaji. Dio 1. Elektromehanički uređaji. - Pskov: Izdavačka kuća Pskov GU, 2013. - 128 s (link na knjigu na stranici "Cjenik").

U električnim sklopnim uređajima dizajniranim za zatvaranje i otvaranje strujnog strujnog kruga, kada je isključen, a električno pražnjenje u plinu ili u obliku užareno pražnjenje, ili u obliku lukovima. Svjetleće pražnjenje nastaje kada je struja ispod 0,1A, a napon na kontaktima je 250-300V. Na kontaktima releja male snage javlja se užareno pražnjenje. Lučno pražnjenje se opaža samo pri velikim strujama. Minimalna struja za metale je 0,4-0,9A.


U lučnom pražnjenju razlikuju se tri područja: blizu katode, područje lučnog vratila i blizu anode (slika 15).

Riža. 15. Područja lučnog pražnjenja

Područje blizu katode zauzima vrlo mali prostor (ukupna dužina i anodno područje je oko 10 -6 m). Pad napona na njemu je 10-20V i praktički ne ovisi o struji. Prosječna jakost električnog polja doseže 100 kV/cm. Tako vrlo visoka jakost električnog polja, dovoljna za udarnu ionizaciju plina (zrak pri normalnom atmosferskom tlaku) ili para materijala katode, posljedica je prisutnosti nekompenziranog pozitivnog prostornog naboja u ovom području. Međutim, zbog malog opsega područja blizu katode, elektroni ne dobivaju brzinu dovoljnu za udarnu ionizaciju. Najčešće, nakon udara, atom prelazi u pobuđeno stanje (elektron atoma odlazi u orbitu koja je udaljenija od jezgre). Sada je za ioniziranje pobuđenog atoma potrebno manje energije. Ova ionizacija se zove stupio. Kod postupne ionizacije nužan je višestruki (nekoliko desetina) utjecaja elektrona na atom.

Prisutnost nekompenziranog pozitivnog prostornog naboja uvelike određuje iznimno visoku gustoću struje na katodi - 100-1000 A/mm 2 .

Pozitivni ioni se ubrzavaju u polju pada napona katode i bombardiraju katodu. Pri udaru ioni predaju svoju energiju katodi, zagrijavaju je i stvaraju uvjete za oslobađanje elektrona, termoionska emisija elektrona s katode .

Područje lučnog vratila je plinovita, toplinski pobuđena ionizirana kvazineutralna srednja plazma, u kojoj se pod utjecajem električnog polja nositelji naboja (elektroni i ioni) kreću prema elektrodama suprotnog predznaka.

Prosječna jakost električnog polja je oko 20-30V/cm, što nije dovoljno za udarnu ionizaciju. Glavni izvor elektrona i iona je toplinska ionizacija, kada se pri visokoj temperaturi brzina neutralnih čestica toliko povećava da se pri sudaru ioniziraju.

Anodno područje, koji ima vrlo mali opseg, također karakterizira nagli pad potencijala zbog prisutnosti nekompenziranog negativnog prostornog naboja. Elektroni se ubrzavaju u polju pada napona anode i bombardiraju anodu koja se zagrijava na temperaturu koja je obično viša od temperature katode. Područje blizu anode nema značajan utjecaj na pojavu i postojanje lučnog pražnjenja. Zadatak anode je primanje protoka elektrona iz osovine luka.



Ako je U c<(U к +U А), то дуга называется короткой, она характерна для некоторых низковольтных аппаратов.

Ako je U c > (U do + U A), tada se luk naziva dugim, tipičan je za visokonaponske uređaje.

Statička strujno-naponska karakteristika- Uspostavlja odnos između različitih vrijednosti ​​​stacionarne istosmjerne struje i pada napona na luku pri konstantnoj duljini luka i konstantnim uvjetima gorenja luka. U tom slučaju, pri svakoj vrijednosti stacionarne istosmjerne struje uspostavlja se toplinska ravnoteža (količina topline koja se oslobađa u luku jednaka je količini topline koju luk odaje u okolinu)

gdje m- indikator ovisno o vrsti (načini) utjecaja okoliša na lučno vratilo; A m je konstanta određena intenzitetom prijenosa topline u zoni lučnog okna u danom ( m) način izloženosti okolišu; l - dužina luka.

Karakteristika ima padajući karakter. S povećanjem jakosti struje povećava se termoionska emisija elektrona s katode i stupanj ionizacije luka, zbog čega se otpor luka smanjuje. Štoviše, stopa smanjenja otpora luka veća je od brzine trenutnog rasta.

Dinamička strujno-naponska karakteristika- uspostavlja odnos između struje, koja se na određeni način mijenja u vremenu, i pada napona na luku pri konstantnoj duljini luka i stalnih uvjeta za njegovo izgaranje. U ovom slučaju, brzina promjene struje je takva da ravnoteža topline nema vremena za uspostavljanje, promjena otpora luka zaostaje za promjenom struje.

S povećanjem struje, dinamička karakteristika (krivulja B na slici 16) ide više od statističke (krivulja A na slici 16), budući da brzim porastom struje otpor luka opada sporije nego što raste struja. Sa smanjenjem je niži, budući da je u ovom načinu rada otpor luka manji nego kod sporog mijenjanja struje (krivulja C na slici 16).


Dinamički odgovor uvelike je određen brzinom promjene struje u luku. Ako se u krug unese vrlo veliki otpor za vrijeme beskonačno malo u usporedbi s toplinskom vremenskom konstantom luka, tada će tijekom vremena pada struje na nulu otpor luka ostati konstantan. u ovom slučaju, dinamička karakteristika će biti prikazana ravnom linijom koja prolazi do ishodišta koordinata (prava linija D na slici 16.), tj. luk se ponaša poput metalnog vodiča, budući da je napon na luku proporcionalan Trenutno.

Uvjeti za stabilno gorenje i gašenje istosmjernog luka. Razmotrimo istosmjerni krug (slika 17).

sl.17. Luk u istosmjernom krugu

Za razmatrani krug

Očito, stacionarni način rada, kada luk stabilno gori, bit će onaj u kojem se struja u krugu ne mijenja, t.j. U ovom načinu rada, brzina rasta broja ioniziranih čestica jednaka je brzini njihovog nestanka kao rezultat procesa deionizacije - uspostavlja se dinamička ravnoteža.

Grafikon prikazuje opadajuću strujno-naponsku karakteristiku luka i nagnutu ravnu liniju U-iR. Iz (48) proizlazi da

Odavde je očito da je u točkama 1 i 2. Štoviše, točka 1 je točka nestabilne ravnoteže; nasumična, proizvoljno mala odstupanja struje ili dovode do povećanja struje na vrijednost ja 2, ili ga smanjiti na nulu. U točki 2, luk gori stabilno; nasumična mala odstupanja struje u jednom ili drugom smjeru vraćaju je na vrijednost ja 2. Iz grafikona se može vidjeti da luk pri svim vrijednostima struje ne može stabilno gorjeti ako pad napona na luku () premašuje napon koji se na luk dovodi iz izvora ()

Dakle, za gašenje luka potrebno je stvoriti uvjete pod kojima bi pad napona na luku premašio napon koji se na luk dovodi iz izvora, u granici napona mreže.

Za gašenje luka koriste se tri fenomena:

1. Povećanje duljine luka njegovim istezanjem.

Što je luk duži, to je veći napon potreban za njegovo postojanje (više se nalazi njegova strujno-naponska karakteristika - (krivulja U 1 d na slici 17). Ako se napon koji se u luk dovodi iz izvora (pravac) pokaže manjim od strujno-naponske karakteristike luka - (krivulja U 1 e), tada nema uvjeta za stabilno izgaranje luka, luk se gasi.

Ovo je najlakši, ali najneučinkovitiji način. Na primjer, da bi se, na primjer, ugasio luk strujom od 100 A pri naponu od 220 V, potrebno je rastegnuti luk na udaljenosti od 25 ÷ 30 cm, što je praktički nemoguće učiniti u električnim uređajima (dimenzije se povećavaju). Stoga se ova metoda koristi kao glavni samo niskonaponski električni uređaji (releji, magnetski starteri, prekidači).

2. Utjecaj na lučno vratilo hlađenjem, postižući povećanje uzdužnog gradijenta naprezanja.


2.1 Gašenje luka u uskim prazninama(slika 18). Ako luk gori u uskom prorezu koji je formiran od materijala otpornog na luk, tada uslijed kontakta s hladnim površinama dolazi do intenzivnog hlađenja i difuzije nabijenih čestica iz kanala luka u okolinu. To dovodi do gašenja luka. Metoda se koristi u uređajima za napon do 1000V.

Riža. 18. Gašenje luka u uskim utorima

2.2 Gašenje luka u ulju(sl.19) . Ako su kontakti uređaja za odvajanje postavljeni u ulje, tada luk koji nastaje prilikom otvaranja dovodi do intenzivnog stvaranja plina i isparavanja ulja. Oko luka formira se mjehur plina, koji se sastoji uglavnom od vodika, koji ima visoka svojstva gašenja luka. Povećani tlak unutar plinskog mjehura doprinosi boljem hlađenju luka i njegovom gašenju. Metoda se koristi u uređajima za napone iznad 1000V.


2.3 Eksplozija plin-zrak(sl.20) . Hlađenje luka se poboljšava ako se stvori usmjereno kretanje plinova - puhanje duž ili poprijeko luka .

Slika 20. Puštanje plina i zraka: a - duž luka, b - preko luka .

Metoda se koristi u uređajima za napone iznad 1000V.

3. Korištenje pada napona blizu elektrode.

Dijeljenje dugog luka na niz kratkih(slika 21). Ako se dugi luk uvuče u lučni otvor koji ima metalne ploče (lučna rešetka), tada će se podijeliti na P kratki lukovi. Padovi napona u blizini elektrode javljaju se na svakoj ploči rešetke. Zbog zbroja padova napona u blizini elektrode, ukupni pad napona postaje veći od onog koji daje izvor napajanja i luk se gasi. Luk se gasi ako U gdje U- mrežni napon: U mačka- katodni pad napona (20-25 V u istosmjernom luku; 150-250 V u AC luku). Metoda se koristi u uređajima za napone iznad 1000V.


sl.21. Dijeljenje dugog luka na niz kratkih

Gašenje luka olakšavaju plinovi visokog pražnjenja ili visokotlačni plinovi koji se koriste kao unutarnja izolacija uređaja za napone iznad 1000V.

Gašenje luka u vakuumu. Jako ispražnjeni plin ima električnu snagu deset puta veću od plina pri atmosferskom tlaku; koristi se u vakuumskim kontaktorima i sklopkama.

Gašenje luka u plinovima pod visokim pritiskom. Zrak pod tlakom od 2 MPa ili više ima visoku električnu čvrstoću, što omogućuje stvaranje kompaktnih uređaja za gašenje u zračnim prekidačima. Za gašenje luka učinkovita je uporaba sumpornog heksafluorida SF 6 (SF6).

Uvjeti gašenja AC luka.

Neka se kontakti razdvoje u točki a. Između njih se zapali luk. Do kraja poluciklusa, zbog smanjenja struje, otpor osovine luka raste i, sukladno tome, raste napon na luku. Kada se struja približi nuli, u luk se dovodi mala snaga, temperatura luka se smanjuje, toplinska ionizacija se u skladu s tim usporava i procesi deionizacije ubrzavaju - luk se gasi (točka 0 ). Struja u strujnom krugu se prekida prije svog prirodnog prolaska kroz nulu. Napon koji odgovara strujnom prekidu - pik prigušenja U g.


Riža. 22. Gašenje AC luka s aktivnim opterećenjem

Nakon što se luk ugasi, dolazi do procesa obnavljanja električne čvrstoće lučnog razmaka (krivulja a 1 - b 1). Pod električnom čvrstoćom lučnog razmaka podrazumijeva se napon pri kojem dolazi do električnog sloma lučnog razmaka. Početna električna čvrstoća (točka a 1) i brzina njezina povećanja ovise o svojstvima uređaja za gašenje luka. U trenutku t1 krivulja napona na lučnom razmaku siječe se s krivuljom obnavljanja električne čvrstoće lučnog razmaka – luk se pali. Napon paljenja luka - vrh paljenja U s. Krivulja napona luka ima oblik sedla.

U točki 0 1 luk se ponovno gasi i događaju se procesi slični prethodno opisanim. Do trenutka 0 1 zbog divergencije kontakata povećava se duljina luka, povećava se odvođenje topline iz luka, a početna električna čvrstoća (točka a 2) i brzina njezina povećanja (krivulja a 2 - u 2) u skladu s tim povećati. Sukladno tome, mrtvo vrijeme se također povećava. 0 1 - t2 > 0 -t1 .

U trenutku t2 luk se ponovno zapali. U točki 0 11 luk je ugašen. Početna električna čvrstoća ponovno raste (točka a 3) i brzina njezina povećanja (krivulja a 3 -b 3). Krivulja napona ne siječe se s krivuljom povećanja dielektrične čvrstoće. Luk se ne zapali tijekom ovog poluciklusa.

U otvorenom luku na visokom naponu(horn gap), odlučujući faktor je aktivni otpor jako rastegnutog lučnog vratila.Uvjeti gašenja izmjeničnog luka približavaju se uvjetima gašenja istosmjernog luka, a procesi nakon prolaska struje kroz nulu slabo utječu na gašenje luk.

S induktivnim opterećenjem, mrtvo vrijeme je vrlo malo (približno 0,1 µs), odnosno, luk gori gotovo neprekidno. Isključivanje induktivnog opterećenja teže je od otpornog. Ovdje nema prekida.

Općenito, proces stvaranja luka na izmjeničnu struju je lakši nego na istosmjernoj struji. Kao takav treba smatrati racionalan uvjet za gašenje luka izmjenične struje kada se gašenje provodi pri prvom prijelasku struje nule nakon otvaranja kontakata.

Pitanja za samoispitivanje:

· Područja lučnog pražnjenja.

· Statička strujno-naponska karakteristika.

· Dinamička strujno-naponska karakteristika.

· Uvjeti za stabilno gorenje i gašenje istosmjernog luka.

Koje se pojave koriste za gašenje luka?

· Uvjeti gašenja AC luka.

Također preporučujemo

Učitavam...Učitavam...