doma > Cestna transportna oprema

obločna napetost. Kaj je električni lok in kako nastane

22. avgusta 2012 ob 10.00 uri

Ko se električni tokokrog odpre, pride do električnega razelektritve v obliki električnega loka. Za pojav električnega loka je dovolj, da je napetost na kontaktih nad 10 V pri toku v tokokrogu reda 0,1 A ali več. Pri znatnih napetostih in tokovih lahko temperatura znotraj loka doseže 10 ... 15 tisoč ° C, zaradi česar se stiki in deli, ki vodijo tok, stopijo.

Pri napetostih 110 kV in več lahko dolžina loka doseže nekaj metrov. Zato je električni lok, zlasti v močnih močnostnih tokokrogih, pri napetostih nad 1 kV velika nevarnost, čeprav so lahko resne posledice pri inštalacijah pri napetostih pod 1 kV. Posledično je treba električni lok čim bolj omejiti in hitro ugasniti v vezjih za napetosti nad in pod 1 kV.

Vzroki za električni lok

Postopek nastanka električnega loka lahko poenostavimo na naslednji način. Ko se kontakti razhajajo, se najprej zmanjša kontaktni tlak in s tem tudi kontaktna površina, poveča se kontaktni upor (gostota toka in temperatura - lokalno (na določenih delih kontaktnega območja) se začneta pregrevati, kar dodatno prispeva k toplotni emisiji, ko: pod vplivom visoke temperature se hitrost elektronov poveča in ti izbruhnejo s površine elektrode.

V trenutku razhajanja kontaktov, to je prekinitve tokokroga, se napetost hitro obnovi na kontaktni reži. Ker je v tem primeru razdalja med kontakti majhna, nastane električno polje visoke moči, pod vplivom katerega elektroni pobegnejo s površine elektrode. Pospešujejo se v električnem polju in, ko udarijo v nevtralen atom, mu dajo svojo kinetično energijo. Če ta energija zadostuje za odtrganje vsaj enega elektrona iz lupine nevtralnega atoma, potem pride do procesa ionizacije.

Nastali prosti elektroni in ioni sestavljajo plazmo obločne gredi, to je ionizirani kanal, v katerem gori lok in je zagotovljeno neprekinjeno gibanje delcev. V tem primeru se negativno nabiti delci, predvsem elektroni, gibljejo v eni smeri (proti anodi), atomi in molekule plina, brez enega ali več elektronov – pozitivno nabiti delci – pa v nasprotni smeri (proti katodi). Prevodnost plazme je blizu prevodnosti kovin.

V obločni gredi teče velik tok in nastane visoka temperatura. Takšna temperatura obločne gredi vodi v toplotno ionizacijo - proces nastajanja ionov zaradi trka molekul in atomov z visoko kinetično energijo pri velikih hitrostih njihovega gibanja (molekule in atomi medija, kjer gori lok, razpadejo na elektrone in pozitivno nabiti ioni). Intenzivna toplotna ionizacija ohranja visoko plazemsko prevodnost. Zato je padec napetosti vzdolž dolžine loka majhen.

V električnem loku neprekinjeno potekata dva procesa: poleg ionizacije poteka tudi deionizacija atomov in molekul. Slednje poteka predvsem z difuzijo, to je prenosom nabitih delcev v okolje, ter rekombinacijo elektronov in pozitivno nabitih ionov, ki se z vračanjem energije, porabljene za njihov razpad, rekombinirajo v nevtralne delce. V tem primeru se toplota odvaja v okolje.

Tako lahko ločimo tri stopnje obravnavanega procesa: vžig obloka, ko se zaradi udarne ionizacije in emisije elektronov iz katode začne obločno razelektritev in je intenzivnost ionizacije višja od deionizacije, stabilno gorenje loka, podprto s toplotno ionizacijo v obločni gredi, ko je intenziteta ionizacije in deionizacije enaka, ugasnitev loka, ko je intenzivnost deionizacije višja od ionizacije.

Metode za gašenje loka v električnih stikalnih napravah

Da bi odklopili elemente električnega tokokroga in s tem izključili poškodbe stikalne naprave, je treba ne le odpreti njene kontakte, ampak tudi pogasiti lok, ki se pojavi med njimi. Procesi gašenja obloka, pa tudi zgorevanja, so različni pri izmeničnem in enosmernem toku. To je določeno z dejstvom, da v prvem primeru tok v loku prehaja skozi nič vsak polovični cikel. V teh trenutkih se sproščanje energije v loku ustavi in ​​lok vsakič spontano ugasne, nato pa spet zasveti.

V praksi se tok v loku približa ničli malo prej kot prečkanje ničle, saj ko se tok zmanjša, se energija, dovedena v lok, zmanjša, temperatura loka se ustrezno zmanjša in toplotna ionizacija se ustavi. V tem primeru proces deionizacije poteka intenzivno v obločni reži. Če se kontakti trenutno odprejo in hitro ločijo, potem morda ne bo prišlo do poznejšega električnega preloma in vezje bo odklopljeno brez loka. Vendar je to v praksi izjemno težko narediti, zato se sprejmejo posebni ukrepi za pospešitev ugasnitve loka, ki zagotavljajo hlajenje prostora loka in zmanjšanje števila nabitih delcev.

Zaradi deionizacije se postopoma povečuje dielektrična trdnost reže, hkrati pa se poveča povratna napetost na njej. Od razmerja teh vrednosti je odvisno, ali bo lok zasvetil naslednjo polovico obdobja ali ne. Če se dielektrična trdnost reže poveča hitreje in je večja od obnovitvene napetosti, se lok ne bo več vžgal, sicer bo lok stabilen. Prvi pogoj opredeljuje problem gašenja obloka.

V stikalnih napravah se uporabljajo različne metode gašenja loka.

Podaljšek loka

Ko se kontakti med izklopom električnega tokokroga razhajajo, se lok, ki je nastal, raztegne. V tem primeru se izboljšajo pogoji za hlajenje loka, saj se njegova površina poveča in je za zgorevanje potrebna večja napetost.

Delitev dolgega loka na niz kratkih lokov

Če lok, ki nastane ob odpiranju kontaktov, razdelimo na K kratkih lokov, na primer tako, da ga zategnete v kovinsko mrežo, potem bo ugasnil. Lok se običajno potegne v kovinsko rešetko pod vplivom elektromagnetnega polja, ki ga v rešetkastih ploščah povzročajo vrtinčni tokovi. Ta način gašenja loka se pogosto uporablja v stikalnih napravah za napetosti pod 1 kV, zlasti v avtomatskih zračnih odklopnikih.

Obločno hlajenje v ozkih režah

Olajšano je gašenje loka v majhnem volumnu. Zato se obločne žlebove z vzdolžnimi režami pogosto uporabljajo v stikalnih napravah (os takšne reže sovpada v smeri z osjo obločne gredi). Takšna reža se običajno tvori v komorah iz izolacijskih materialov, odpornih proti obloku. Zaradi stika loka s hladnimi površinami pride do njegovega intenzivnega hlajenja, difuzije nabitih delcev v okolje in s tem do hitre deionizacije.

Poleg rež z ravnino vzporednimi stenami se uporabljajo tudi reže z rebri, izboklinami in podaljški (žepi). Vse to vodi do deformacije obločne gredi in prispeva k povečanju območja njegovega stika s hladnimi stenami komore.

Vlečenje loka v ozke reže se običajno zgodi pod vplivom magnetnega polja, ki deluje z lokom, ki ga lahko obravnavamo kot prevodnik s tokom.

Zunanje magnetno polje za premikanje loka najpogosteje zagotavlja tuljava, ki je zaporedno povezana s kontakti, med katerimi nastane lok. Gašenje obloka v ozkih režah se uporablja v napravah za vse napetosti.

Gašenje visokotlačnega obloka

Pri konstantni temperaturi se stopnja ionizacije plina z naraščajočim tlakom zmanjšuje, medtem ko se toplotna prevodnost plina povečuje. Pri drugih enakih pogojih to vodi do povečanega hlajenja loka. Gašenje loka s pomočjo visokega tlaka, ki ga ustvari sam lok v tesno zaprtih komorah, se pogosto uporablja v varovalkah in številnih drugih napravah.

Gašenje obloka v olju

Če so kontakti odklopnika nameščeni v olje, potem lok, ki nastane, ko se odprejo, vodi do intenzivnega izhlapevanja olja. Posledično se okrog loka oblikuje plinski mehurček (lupina), ki je sestavljen predvsem iz vodika (70 ... 80%), pa tudi oljne pare. Izpuščeni plini z veliko hitrostjo prodrejo neposredno v območje obločne gredi, povzročijo mešanje hladnega in vročega plina v mehurčku, zagotavljajo intenzivno hlajenje in s tem deionizacijo obločne reže. Poleg tega deionizatorska sposobnost plinov poveča pritisk, ki nastane med hitrim razpadom olja v mehurčku.

Intenzivnost procesa gašenja loka v olju je večja, čim bližje je lok v stiku z oljem in hitreje se olje premika glede na lok. Glede na to je obločna reža omejena z zaprto izolacijsko napravo - lokom. V teh komorah se ustvari tesnejši stik olja z lokom, s pomočjo izolacijskih plošč in izpušnih lukenj pa se oblikujejo delovni kanali, skozi katere se premikajo olje in plini, kar zagotavlja intenzivno pihanje (pihanje) loka.

Po principu delovanja so obločne žlebove razdeljene v tri glavne skupine: s samodejnim pihanjem, ko se zaradi energije, sproščene v loku, ustvarita visok tlak in hitrost gibanja plina v območju loka, s prisilnim pihanjem olja s posebnim črpalne hidravlične mehanizme, z magnetnim gašenjem v olju, ko se lok pod vplivom magnetnega polja premakne v ozke reže.

Najbolj učinkovite in preproste obločne žlebove s samodejnim pihanjem. Glede na lokacijo kanalov in izpušnih lukenj ločimo komore, v katerih je zagotovljeno intenzivno pihanje mešanice plina in hlapov ter olja vzdolž loka (vzdolžno pihanje) ali čez lok (prečno pihanje). Obravnavane metode gašenja loka se pogosto uporabljajo v odklopnikih za napetosti nad 1 kV.

Drugi načini za gašenje loka v napravah za napetosti nad 1 kV

Poleg zgornjih načinov gašenja loka uporabljajo tudi: stisnjen zrak, katerega tok piha vzdolž ali čez lok, kar zagotavlja njegovo intenzivno hlajenje (namesto zraka se uporabljajo tudi drugi plini, pogosto pridobljeni iz trdnih plinov). generirajoči materiali - vlakna, vinilna plastika itd. - zaradi njihove razgradnje s samim gorečim lokom), SF6 (žveplov heksafluorid), ki ima večjo električno moč kot zrak in vodik, zaradi česar lok gori v tem plin tudi pri atmosferskem tlaku hitro ugasne, zelo redek plin (vakuum), pri odpiranju kontaktov, pri katerih se lok ne prižge ponovno (ugasne) po prvem prehodu toka skozi ničlo.

Najnovejše objave

Pozdravljeni vsem obiskovalcem mojega bloga. Tema današnjega članka je električni lok in zaščita pred električnim oblokom. Tema ni naključna, pišem iz bolnišnice Sklifosovsky. Uganete zakaj?

Kaj je električni lok

To je ena od vrst električnega razelektritve v plinu (fizikalni pojav). Imenuje se tudi - Arc discharge ali Voltaic arc. Sestoji iz ioniziranega, električno kvazi nevtralnega plina (plazma).

Lahko se pojavi med dvema elektrodama, ko se napetost med njima poveča ali ko se približata ena drugi.

Na kratko o lastnosti: temperatura električnega obloka, od 2500 do 7000 °C. Ni pa majhna temperatura. Interakcija kovin s plazmo vodi do segrevanja, oksidacije, taljenja, izhlapevanja in drugih vrst korozije. Spremljajo ga svetlobno sevanje, udarni in udarni val, ultravisoka temperatura, ogenj, sproščanje ozona in ogljikovega dioksida.

Na internetu je veliko informacij o tem, kaj je električni lok, kakšne so njegove lastnosti, če vas zanima več podrobnosti, poglejte. Na primer v en.wikipedia.org.

Zdaj pa o moji nesreči. Težko je verjeti, a pred 2 dnevoma sem se neposredno srečal s tem pojavom, in to neuspešno. Bilo je tako: 21. novembra v službi so mi naročili, da naredim ožičenje svetilk v razvodni omarici in jih nato priključim na omrežje. Z ožičenjem ni bilo težav, a ko sem prišel v ščit, so se pojavile nekatere težave. Škoda, da je androyd pozabil svojo hišo, ni fotografiral električne plošče, sicer bi bilo bolj jasno. Mogoče bom naredil več, ko bom prišel v službo. Torej je bil ščit zelo star - 3 faze, ničelno vodilo (aka ozemljitev), 6 avtomatov in paketno stikalo (zdi se, da je vse preprosto), stanje sprva ni bilo verodostojno. Dolgo sem se boril z ničelno pnevmatiko, saj so bili vsi vijaki zarjaveli, nakar sem brez težav dal fazo na stroj. Vse je v redu, preveril sem luči, delujejo.

Po tem se je vrnil k ščitu, da je previdno položil žice in ga zaprl. Želim opozoriti, da je bila električna plošča na višini ~ 2 metra, v ozkem prehodu, in da sem prišel do nje, sem uporabil lestev (lestev). Pri polaganju žic sem našel iskre na kontaktih drugih strojev, zaradi česar so lučke utripale. V skladu s tem sem razširil vse kontakte in nadaljeval s pregledovanjem preostalih žic (da to storim enkrat in se ne vrnem k temu več). Ko sem ugotovil, da ima en kontakt na vrečki visoko temperaturo, sem se odločil, da ga tudi podaljšam. Vzel sem izvijač, ga naslonil na vijak, obrnil, pok! Prišlo je do eksplozije, bliskanja, vrglo me je nazaj, udaril sem v steno, padel sem na tla, nič ni bilo vidno (oslepljen), ščit ni nehal pokati in brneti. Zakaj zaščita ni delovala, ne vem. Ko sem začutil padajoče iskre na sebi, sem ugotovil, da moram ven. Izstopil sem z dotikom, plazeč. Ko je izstopil iz tega ozkega prehoda, je začel klicati svojega partnerja. Že v tistem trenutku sem začutil, da je z mojo desno roko nekaj narobe (z njo sem držal izvijač), čutila se je strašna bolečina.

Skupaj s partnerjem sva se odločila, da morava steči do ambulante. Kaj se je zgodilo potem, mislim, da ni vredno povedati, le zbodli so se in odšli v bolnišnico. Nikoli ne bom pozabil tistega strašnega zvoka dolgega kratkega stika - srbenja z brnenjem.

Zdaj sem v bolnišnici, imam odrgnino na kolenu, zdravniki menijo, da sem bil šokiran, to je izhod, zato spremljajo moje srce. Verjamem, da me tok ni premagal, ampak je opekline na roki povzročil električni lok, ki je nastal ob kratkem stiku.

Kaj se je tam zgodilo, zakaj je prišlo do kratkega stika, še ne vem, mislim, ko je bil vijak zavrten, se je sam kontakt premaknil in je prišlo do kratkega stika med fazo ali pa je bila za paketom gola žica stikalo in ko se je vijak približal električni lok. Bom kasneje izvedel, če bodo ugotovili.

Prekleto, šel sem na preliv, toliko so mi zavili roko, da zdaj pišem z eno levo)))

Brez povojov nisem fotografiral, ni ravno prijeten pogled. Ne želim prestrašiti električarjev začetnikov ....

Kateri so ukrepi za zaščito pred električnim oblokom, ki bi me lahko zaščitili? Po analizi interneta sem videl, da je najbolj priljubljeno sredstvo za zaščito ljudi v električnih napeljavah pred električnim oblokom toplotno odporna obleka. V Severni Ameriki so zelo priljubljeni posebni avtomati podjetja Siemens, ki ščitijo tako pred električnim oblokom kot pred največjim tokom. V Rusiji se trenutno takšni stroji uporabljajo samo na visokonapetostnih postajah. V mojem primeru bi mi zadostovala dielektrična rokavica, a pomislite sami, kako v njih povezati svetilke? To je zelo neprijetno. Za zaščito oči priporočam tudi uporabo očal.

V električnih instalacijah se boj proti električnemu loku izvaja z uporabo vakuumskih in oljnih odklopnikov, pa tudi z uporabo elektromagnetnih tuljav skupaj z obločnimi žlebovi.

je vse? Ne! Najbolj zanesljiv način, da se zaščitite pred električnim oblokom, so po mojem mnenju delo za lajšanje stresa . Ne vem za vas, ampak jaz ne bom več delal pod stresom ...

To je moj članek električni lok in obločna zaščita konča. Je kaj dodati? Pustite komentar.

V knjigi "Novice o galvansko-voltaičnih poskusih s pomočjo ogromne baterije, včasih sestavljene iz 4200 bakrenih in cinkovih krogov" (Sankt Peterburg, 1803). Električni lok je poseben primer četrte oblike agregatnega stanja - plazme - in je sestavljen iz ioniziranega, električno kvazi nevtralnega plina. Prisotnost prostih električnih nabojev zagotavlja prevodnost električnega loka.

fizične pojave

Električni lok med dvema elektrodama v zraku pri atmosferskem tlaku nastane na naslednji način:

Ko napetost med elektrodama naraste na določeno raven v zraku, pride do električnega preloma med elektrodama. Napetost električnega preboja je odvisna od razdalje med elektrodama in drugih dejavnikov. Ionizacijski potencial prvega elektrona kovinskih atomov je približno 4,5 - 5 V, napetost obloka pa je dvakrat večja (9 - 10 V). Energijo je potrebno porabiti za izstop elektrona iz kovinskega atoma ene elektrode in za ionizacijo atoma druge elektrode. Postopek vodi do tvorbe plazme med elektrodami in gorenja loka (za primerjavo: minimalna napetost za nastanek iskre nekoliko presega izhodni potencial elektronov - do 6 V).

Za sprožitev okvare pri razpoložljivi napetosti se elektrodi približamo druga drugi. Med okvaro se običajno med elektrodama pojavi iskra, ki zapre električni tokokrog. Elektroni v iskrih razelektritvah ionizirajo molekule v zračni reži med elektrodama. Z zadostno močjo vira napetosti v zračni reži se tvori zadostna količina plazme za znaten padec razpadne napetosti ali upora zračne reže. V tem primeru se iskrišča spremenijo v obločni razelektritev - plazemsko vrvico med elektrodama, ki je plazemski tunel. Nastali lok je pravzaprav prevodnik in zapre električni tokokrog med elektrodama. Posledično se povprečni tok še poveča in segreje lok na 5000-50000. V tem primeru se šteje, da je vžig loka končan. Po vžigu je zagotovljeno stabilno gorenje obloka s termoionsko emisijo iz katode, segrete s tokom in ionskim bombardiranjem.

Po vžigu lahko lok ostane stabilen, ko so električni kontakti ločeni do določene razdalje.

Interakcija elektrod z obločno plazmo vodi do njihovega segrevanja, delnega taljenja, izhlapevanja, oksidacije in drugih vrst korozije.

Med delovanjem visokonapetostnih električnih inštalacij, pri katerih je pojav električnega loka pri preklopu električnega tokokroga neizogiben, se boj proti njemu izvaja z uporabo elektromagnetnih tuljav v kombinaciji z obločnimi žlebovi. Med drugimi metodami je znana uporaba vakuumskih, zračnih, SF6 in oljnih odklopnikov, pa tudi metode za preusmeritev toka na začasno obremenitev, ki samostojno prekine električni tokokrog.

Obločna struktura

Električni lok je sestavljen iz katodnega in anodnega območja, obločnega stolpca, prehodnih regij. Debelina anodnega območja je 0,001 mm, katodnega območja je približno 0,0001 mm.

Temperatura v območju anode med varjenjem potrošne elektrode je približno 2500 ... 4000 ° C, temperatura v obločnem stolpcu je od 7000 do 18 000 ° C, v katodnem območju - 9000 - 12000 ° C.

Obločni steber je električno nevtralen. V katerem koli od njegovih odsekov je enako število nabitih delcev nasprotnih predznakov. Padec napetosti v stebru loka je sorazmeren z njegovo dolžino.

Varilni loki so razvrščeni glede na:

  • Elektrodni materiali - s potrošno in nepotrošno elektrodo;
  • Stopnje kompresije kolone - prosti in stisnjen lok;
  • Glede na uporabljeni tok - lok enosmernega toka in lok izmeničnega toka;
  • Glede na polarnost enosmernega električnega toka - neposredna polarnost ("-" na elektrodi, "+" - na izdelku) in obratna polarnost;
  • Pri uporabi izmeničnega toka - enofazni in trifazni loki.

Samoregulacijski lok

Ko pride do zunanje motnje - sprememba omrežne napetosti, hitrosti podajanja žice itd. - pride do kršitve vzpostavljenega ravnovesja med hitrostjo podajanja in hitrostjo taljenja. S povečanjem dolžine loka v tokokrogu se varilni tok in stopnja taljenja elektrodne žice zmanjšata, hitrost dovajanja, ki ostane konstantna, pa postane večja od hitrosti taljenja, kar vodi do obnovitve dolžine loka. Z zmanjšanjem dolžine loka postane stopnja taljenja žice večja od hitrosti podajanja, kar vodi do ponovne vzpostavitve normalne dolžine loka.

Na učinkovitost procesa samoregulacije obloka pomembno vpliva oblika tokovno-napetostne značilnosti vira napajanja. Visoka hitrost nihanja dolžine loka se samodejno izračuna s togo tokovno-napetostno karakteristiko vezja.

Uporabna aplikacija

Električno varjenje

Električni lok se uporablja pri električnem varjenju kovin, za taljenje jekla (obločna jeklena peč) in pri razsvetljavi (v obločnih žarnicah). Včasih se uporablja lastnost nelinearne volt-amperske karakteristike loka (glej Terenski gasilni stroj).

Viri svetlobe

Boj z električnim oblokom

V številnih napravah je pojav električnega loka škodljiv. To so predvsem kontaktne stikalne naprave, ki se uporabljajo v napajanju in električnem pogonu: visokonapetostna stikala, avtomatska stikala, kontaktorji, sekcijski izolatorji na kontaktnem omrežju elektrificiranih železnic in mestnega električnega prometa. Ko zgornje naprave odklopijo obremenitve, nastane lok med prelomnimi kontakti.

Mehanizem za nastanek loka v tem primeru je naslednji:

  • Zmanjšanje kontaktnega tlaka - število kontaktnih točk se zmanjša, upor v kontaktnem vozlišču se poveča;
  • Začetek razhajanja kontaktov - nastanek "mostov" iz staljene kovine kontaktov (na mestih zadnjih kontaktnih točk);
  • Raztrganje in izhlapevanje "mostov" iz staljene kovine;
  • Nastanek električnega loka v kovinski pari (kar prispeva k večji ionizaciji kontaktne reže in težavam pri gašenju loka);
  • Stabilen oblok s hitrim izgorevanjem kontaktov.

Za čim manjšo škodo na kontaktih je potrebno lok ugasniti v najkrajšem možnem času, pri tem pa si prizadevati preprečiti, da bi bil lok na enem mestu (ko se lok premika, bo toplota, ki se sprošča v njem, enakomerno porazdeljena po telesu stik).

Za izpolnitev zgornjih zahtev se uporabljajo naslednje metode za dušenje obloka:

  • hlajenje loka s tokom hladilnega medija - tekočine (stikalo za olje); plin - (zračni odklopnik, avtomatski plinski odklopnik, oljni odklopnik, odklopnik SF6) in tok hladilnega medija lahko poteka tako vzdolž obločne gredi (vzdolžno dušenje) kot čez (prečno dušenje); včasih se uporablja vzdolžno-prečno dušenje;
  • uporaba zmogljivosti vakuuma za gašenje obloka - znano je, da ko se tlak plinov, ki obkrožajo preklopljene kontakte, zmanjša na določeno vrednost, vakuumski odklopnik vodi do učinkovitega gašenja obloka (zaradi pomanjkanja nosilcev za nastanek loka) .
  • uporaba bolj obločno odpornega kontaktnega materiala;
  • uporaba kontaktnega materiala z večjim ionizacijskim potencialom;
  • uporaba obločnih mrež (avtomatsko stikalo, elektromagnetno stikalo). Načelo uporabe dušenja loka na rešetkah temelji na uporabi učinka padca ob katodnem loku (večina padca napetosti v loku je padec napetosti na katodi; žleb loka je pravzaprav niz serijski kontakti za lok, ki je prišel tja).
  • uporaba obločnih žlebov - pri vstopu v komoro iz obločno odpornega materiala, kot je sljudasta plastika, z ozkimi, včasih cikcakastimi kanali, se lok od stika s stenami komore intenzivno raztegne, skrči in ohladi.
  • uporaba "magnetnega piha" - ker je lok močno ioniziran, ga lahko v prvem približku obravnavamo kot gibljiv prevodnik s tokom; Z ustvarjanjem posebnih elektromagnetov (povezanih zaporedno z lokom) lahko magnetno polje ustvari gibanje loka, da enakomerno porazdeli toploto po kontaktu in ga požene v obločno žleb ali rešetko. Nekateri dizajni odklopnikov ustvarjajo radialno magnetno polje, ki loku daje navor.
  • ranžiranje kontaktov v trenutku odpiranja močnostnega polprevodniškega ključa s tiristorjem ali triakom, priključenim vzporedno s kontakti, po odpiranju kontaktov se polprevodniški ključ izklopi v trenutku, ko napetost preide skozi nič (hibridni kontaktor, tirikon).
    • .
  • iskre- članek iz Velike sovjetske enciklopedije.
  • Reiser Yu.P. Fizika izpusta plina. - 2. izd. - M. : Nauka, 1992. - 536 str. - ISBN 5-02014615-3.
  • Rodshtein L. A. Električne naprave, L 1981
  • Clerici, Matteo; Hu, Yi; Lassonde, Philippe; Milian, Carles; Couairon, Arnaud; Christodoulides, Demetrios N.; Chen, Zhigang; Razzari, Luca; Vidal, Francois (01.06.2015). "Lasersko vodenje električnih razelektritev okoli predmetov". Znanstveni napredek 1(5): e1400111. Bibcode:2015SciA….1E0111C. doi:10.1126/sciadv.1400111. ISSN 2375-2548.

Pojav električnega loka in njegove lastnosti, procesi, ki povzročajo rojstvo in podpirajo izgorevanje, ter oblikovne rešitve v stikalnih napravah za gašenje obločnega razelektritve.

Povzetek članka:

Lastnosti električnega loka ali obločne razelektritve

V elektrotehniki (avtomatska stikala, nožna stikala, kontaktorji) ko je obremenjeno vezje izklopljeno, se rodi električni lok.

Postavimo meje: v nadaljevanju so opisani procesi, značilni za naprave z nazivnim tokovi od 1 do 2000 amperov in zasnovan za delo v omrežjih z napetostjo do 1000 voltov(nizkonapetostna oprema). Za visokonapetostno opremo obstajajo drugi pogoji za nastanek in gorenje loka.

Pomembni parametri električnega loka:

  • obločna razelektritev se lahko razvije le pri visokih tokovih (za kovino je ta tok 0,5 ampera);
  • temperatura v obločni gredi je pomembna in je približno 6-18 tisoč kelvinov (pogosto 6-10 tisoč kelvinov);
  • padec napetosti na katodi je nepomemben in je enak 10-20 voltov.

Obločni izpust je pogojno razdeljen na tri cone:

  • blizu katode;
  • deblo loka (glavni del);
  • blizu anode.

V izbranih conah ionizacija in deionizacija potekata drugače:

  • ionizacija- proces razpada nevtralnega atoma na negativni elektron in pozitiven ion;
  • deionizacija- proces, nasproten ionizaciji (antonim), pri katerem se elektron in ion zlijeta v nevtralen delec.


2-minutni videoposnetek fotografiranje s časovnim zamikom gašenja električnega obloka v modularnem odklopniku ABB:

Procesi, ki spremljajo rojstvo električnega loka

V začetni fazi vzreje glavni stiki lok se rodi med naslednjimi procesi:

  • termoionska emisija (sproščanje negativnih elektronov iz segrete kontaktne površine);
  • poljska emisija (ločitev elektronov od katode pod vplivom pomembnega električnega polja).

Termionska emisija. Ko se kontakti prekinejo na območju zadnjega kontaktnega območja, nastane cona s staljenim bakrom z ustrezno temperaturo. Baker izhlapi na negativni elektrodi iz tako imenovane katodne pege, ki je vir prostih elektronov. Na ta proces vplivajo: temperatura in kovina kontaktnih površin; zadostuje za ustvarjanje električnega loka, vendar ne zadostuje za vzdrževanje njegovega izgorevanja.

Terenska emisija. Zračni prostor med kontakti lahko obravnavamo kot nekakšen kondenzator, katerega zmogljivost je v prvem trenutku neomejena, nato pa se zmanjša glede na naraščajočo vrzel med premičnim in fiksnim kontaktom. Opisani kondenzator se postopoma polni in napetost v njem primerja z napetostjo glavnega tokokroga. Jakost električnega polja doseže vrednosti, pri katerih nastanejo pogoji za izstop elektronov s površine neogrete katode.

Razmerje vpliva opisanih procesov na zagon loka je odvisno od jakosti izklopljenega toka, kovine kontaktne skupine, čistosti kontaktne površine, hitrosti ločevanja kontaktov in drugih dejavnikov. Prevlada ene vrste emisij nad drugo je individualna.

Obločni podporni procesi.

S pomočjo naslednjih mehanizmov interakcije delcev se ustvarijo pogoji za pekoč izpust:

  • ionizacija s potiskom (razpršen elektron trči v nevtralen delec in iz njega »izbije« tudi elektron);
  • toplotna ionizacija (uničenje nevtralnih atomov pri pomembnih temperaturah).

Potisna ionizacija. Prosti elektron z določeno hitrostjo lahko razbije nevtralni delec na elektron in ion. Novo pridobljeni elektron je sposoben prekiniti notranje vezi naslednjega delca, kar povzroči verižno reakcijo. Hitrost elektrona je funkcija potencialne razlike v območju gibanja (zadostni potencial za izločanje elektrona: 13 - 16 voltov za kisik, vodik, dušik; 24 voltov za helij; 7,7 voltov za bakrove pare) .

Toplotna ionizacija. Pri visokih temperaturah se hitrosti delcev v plazmi povečajo, kar vodi do uničenja nevtralnih atomov po principu ionizacije s potiskom.

Hkrati z ionizacijskimi procesi potekajo tudi deionizacijski procesi zaradi rekombinacije (medsebojni stik delcev "-" in "+" vodi do njihove fuzije v nevtralen atom) in difuzije (elektroni izstopijo iz obločne gredi v zunanje okolje, kjer so absorbira v normalnih pogojih).

Bistven dejavnik za nadaljevanje loka v našem primeru je toplotna ionizacija, torej, da ugasne izcedek uporablja se hlajenje njegovega debla(stik z materialom z visoko toplotno prevodnostjo), kot tudi podaljševanje sam lok v prostoru, ki mu je dodeljen.

Metode za gašenje električnega loka

Da bi omejili negativni vpliv električnega loka na kontakte stikalne naprave in njenih komponent, je treba lok čim prej ugasniti. Negativni učinki vključujejo:

  • visoke temperature (taljenje, izhlapevanje kontaktnega materiala);
  • ustvarjanje istmusnih prevodnikov električnega toka (lok zlahka prevaja tok, zato ga lahko vodi na območja, ki med normalnim delovanjem ne prevajajo toka);
  • kršitev običajnega električnega tokokroga aparata (uničenje izolacije).

Lok je posebna manifestacija enega od agregatnih stanj, ki se imenuje plazma. Obločni sod ima visoke temperature in veliko količino prostih ionov. Od glavnega dejavnik, ki podaljšuje zgorevanje, je toplotna ionizacija, potem morate intenzivno ohladimo sod električni lok. Za te namene v stikalnih napravah uporabite naslednje konstruktivne rešitve:

  • magnetni udarec ali vbrizgavanje hladilne tekočine ali plina za podaljšanje loka (b približno Večja površina, več toplote se odvaja
  • deionska mreža ali niz profiliranih jeklenih plošč, ki hkrati delujejo kot radiatorji in delijo lok na ločene komponente;
  • žleb za ločni lok, izdelan iz materiala z visoko toplotno prevodnostjo in odpornostjo na visoke temperature (električni lok v stiku z materialom komore oddaja toplotno energijo);
  • ustvarjanje zaprtega prostora iz materiala, ki pod vplivom temperature sprošča plin (visok plinski tlak preprečuje gorenje loka);
  • posebne kontaktne zlitine za zmanjšanje vsebnosti kovin v plazmi;
  • izčrpajte zrak iz prostora blizu stika, da ustvarite vakuum (brez snovi - brez ionizacije);
  • v napravah za izmenični tok, odprti v trenutku, ko tok prehaja skozi nič (manj energije za ustvarjanje loka);
  • v režo med divergentnimi kontakti vnesti polprevodnike, ki bodo zaznavali tok in ne bodo dovolili, da bi se lok razplamtel;
  • uporabite dvojni prelom v vezju (če izključite del prevodnika iz vezja, se razdalja med katodo in anodo takoj in znatno poveča).

Bibliografija

Markov A.M. Električne in elektronske naprave. Del 1. Elektromehanske naprave. - Pskov: Založba Pskov GU, 2013 - 128 s (povezava do knjige na strani "Cenik").

V električnih stikalnih napravah, ki so zasnovane za zapiranje in odpiranje tokokroga s tokom, ko so odklopljene, a električna razelektritev v plinu ali v obliki žareče razelektritev, ali v obliki loki. Svetleča razelektritev se pojavi, ko je tok pod 0,1 A, napetost na kontaktih pa je 250-300 V. Na kontaktih relejev z nizko močjo se pojavi žareča razelektritev. Obločno razelektritev opazimo le pri velikih tokovih. Najmanjši tok za kovine je 0,4-0,9 A.


Pri obločni razelektritvi ločimo tri področja: blizu katode, območje obločne gredi in blizu anode (slika 15).

riž. 15. Območja izpusta obloka

Območje blizu katode zavzema zelo majhen prostor (skupna dolžina in anodno območje je približno 10 -6 m). Padec napetosti na njem je 10-20V in praktično ni odvisen od toka. Povprečna jakost električnega polja doseže 100 kV/cm. Tako zelo visoka jakost električnega polja, ki zadostuje za udarno ionizacijo plina (zrak pri normalnem atmosferskem tlaku) ali hlapov katodnega materiala, je posledica prisotnosti nekompenziranega pozitivnega prostorskega naboja v tem območju. Vendar pa zaradi majhnega obsega blizu katodnega območja elektroni ne pridobijo dovolj hitrosti za udarno ionizacijo. Najpogosteje po udarcu atom preide v vzbujeno stanje (elektron atoma gre v orbito, ki je bolj oddaljena od jedra). Zdaj je za ionizacijo vzbujenega atoma potrebno manj energije. Ta ionizacija se imenuje stopila. Pri postopni ionizaciji je potreben večkratni (več deset) vpliv elektronov na atom.

Prisotnost nekompenziranega pozitivnega prostorskega naboja v veliki meri določa izjemno visoko gostoto toka na katodi - 100-1000 A/mm 2 .

Pozitivni ioni se pospešujejo v polju katodnega padca napetosti in bombardirajo katodo. Ob udarcu ioni predajo svojo energijo katodi, jo segrejejo in ustvarijo pogoje za sproščanje elektronov, termoionska emisija elektroni s katode .

Območje obločne gredi je plinasta, toplotno vzbujena ionizirana kvazi-nevtralna srednja plazma, v kateri se pod vplivom električnega polja nosilci naboja (elektroni in ioni) premikajo proti elektrodam nasprotnega predznaka.

Povprečna jakost električnega polja je približno 20-30V/cm, kar ni dovolj za udarno ionizacijo. Glavni vir elektronov in ionov je toplotna ionizacija, ko se pri visoki temperaturi hitrost nevtralnih delcev tako poveča, da se ob trku ionizirajo.

Anodno območje, ki ima zelo majhen obseg, je značilen tudi močan padec potenciala zaradi prisotnosti nekompenziranega negativnega prostorskega naboja. Elektroni se pospešujejo v polju anodnega padca napetosti in bombardirajo anodo, ki se segreje na temperaturo, ki je običajno višja od temperature katode. Območje blizu anode nima pomembnega vpliva na pojav in obstoj obločne razelektritve. Naloga anode je sprejeti tok elektronov iz obločne gredi.



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

Če U c > (U do + U A), se lok imenuje dolg, značilen je za visokonapetostne naprave.

Statična tokovno-napetostna karakteristika- Vzpostavi razmerje med različnimi vrednostmi ​​enasmernega toka v stanju dinamičnega ravnovesja in padcem napetosti na loku pri konstantni dolžini loka in konstantnih pogojih gorenja loka. V tem primeru se pri vsaki vrednosti enosmernega toka v ustaljenem stanju vzpostavi toplotno ravnovesje (količina toplote, ki se sprosti v loku, je enaka količini toplote, ki jo lok odda v okolje)

kje m- indikator glede na vrsto (način) vpliva okolja na obločni jašek; A m je konstanta, določena z intenzivnostjo prenosa toplote v območju obločne gredi pri danem ( m) način izpostavljenosti okolju; l - dolžina loka.

Značilnost ima padajoči značaj. S povečanjem jakosti toka se povečata termoionska emisija elektronov iz katode in stopnja ionizacije obloka, zaradi česar se upor obloka zmanjša. Poleg tega je stopnja zmanjšanja odpornosti loka višja od stopnje trenutne rasti.

Dinamična tokovno-napetostna karakteristika- vzpostavi razmerje med tokom, ki se na določen način spreminja v času, in padcem napetosti na loku pri konstantni dolžini loka in stalnimi pogoji za njegovo gorenje. V tem primeru je hitrost spremembe toka taka, da se toplotna bilanca nima časa vzpostaviti, sprememba upora obloka zaostaja za spremembo toka.

Z naraščanjem toka se dinamična karakteristika (krivulja B na sliki 16) dvigne nad statistično (krivulja A na sliki 16), saj s hitrim naraščanjem toka upor obloka pada počasneje kot narašča tok. Pri zmanjševanju je nižja, saj je v tem načinu upor obloka manjši kot pri počasni spremembi toka (krivulja C na sliki 16).


Dinamični odziv je v veliki meri določen s hitrostjo spremembe toka v loku. Če se v vezje vnese zelo velik upor za čas, ki je neskončno majhen v primerjavi s termično časovno konstanto loka, potem v času, ko tok pade na nič, bo upor loka ostal konstanten. v tem primeru bo dinamična značilnost prikazana z premico, ki poteka do izhodišča koordinat (ravna črta D na sliki 16), to pomeni, da se lok obnaša kot kovinski prevodnik, saj je napetost na loku sorazmerna z tok.

Pogoji za stabilno gorenje in gašenje enosmernega loka. Razmislite o enosmernem tokokrogu (slika 17).

sl.17. Lok v enosmernem tokokrogu

Za obravnavano vezje

Očitno bo stacionarni način, ko lok gori stabilno, tisti, v katerem se tok v vezju ne spreminja, t.j. V tem načinu je stopnja rasti števila ioniziranih delcev enaka hitrosti njihovega izginotja kot posledica deionizacijskih procesov - vzpostavi se dinamično ravnotežje.

Graf prikazuje padajočo tokovno-napetostno karakteristiko loka in nagnjene ravne črte U-iR. Iz (48) sledi, da

Od tu je očitno, da je v točkah 1 in 2. Poleg tega je točka 1 točka nestabilnega ravnotežja; naključna, poljubno majhna odstopanja toka bodisi vodijo do povečanja toka na vrednost i 2, ali ga zmanjšajte na nič. V točki 2 lok gori stabilno; naključna majhna odstopanja toka v eno ali drugo smer ga pripeljejo nazaj na vrednost i 2. Iz grafa je razvidno, da lok pri vseh vrednostih toka ne more stabilno goreti, če padec napetosti na loku () presega napetost, ki se na lok dovaja iz vira ()

Tako je za gašenje loka potrebno ustvariti pogoje, pod katerimi bi padec napetosti na loku presegel napetost, ki se dovaja loku iz vira, v meji omrežne napetosti.

Za gašenje loka se uporabljajo trije pojavi:

1. Povečanje dolžine loka z raztezanjem.

Daljši kot je lok, večja je napetost, potrebna za njegov obstoj (višja je njegova tokovno-napetostna karakteristika - (krivulja U 1 d na sliki 17). Če se izkaže, da je napetost, ki jo dovaja lok iz vira (naravnost), nižja od tokovno-napetostne karakteristike loka - (krivulja U 1 e), potem ni pogojev za stabilno gorenje loka, lok ugasne.

To je najlažji, a najbolj neučinkovit način. Na primer, da bi na primer pogasili lok s tokom 100 A pri napetosti 220 V, je potrebno lok raztegniti na razdaljo 25 ÷ 30 cm, kar je v električnih napravah praktično nemogoče. (dimenzije se povečajo). Zato se ta metoda uporablja kot glavne le nizkonapetostne električne naprave (releji, magnetni zaganjalniki, stikala).

2. Vpliv na obločno gred s hlajenjem, s čimer se doseže povečanje vzdolžnega gradienta napetosti.


2.1 Gašenje obloka v ozkih režah(slika 18). Če lok gori v ozki reži, ki jo tvori obločno odporen material, potem zaradi stika s hladnimi površinami pride do intenzivnega hlajenja in difuzije nabitih delcev iz obločnega kanala v okolje. To vodi v izumrtje loka. Metoda se uporablja v napravah za napetost do 1000 V.

riž. 18. Gašenje loka v ozkih režah

2.2 Gašenje obloka v olju(sl. 19) . Če so kontakti odklopne naprave nameščeni v olje, potem lok, ki nastane pri odpiranju, vodi do intenzivnega tvorjenja plina in izhlapevanja olja. Okoli loka nastane plinski mehurček, ki je sestavljen predvsem iz vodika, ki ima visoke lastnosti gašenja obloka. Povečan tlak v plinskem mehurčku prispeva k boljšemu hlajenju loka in njegovemu ugasnitvi. Metoda se uporablja v napravah za napetosti nad 1000 V.


2.3 Plinsko-zračni udarec(sl. 20) . Hlajenje loka se izboljša, če se ustvari usmerjeno gibanje plinov - piha vzdolž ali čez lok .

Slika 20. Plinsko-zračno pihanje: a - vzdolž loka, b - čez lok .

Metoda se uporablja v napravah za napetosti nad 1000 V.

3. Uporaba padca napetosti blizu elektrode.

Delitev dolgega loka na niz kratkih(slika 21). Če se dolg lok potegne v ločni žleb s kovinskimi ploščami (ločna rešetka), se razdeli na P kratki loki. Na vsaki rešetkasti plošči se pojavijo padci napetosti blizu elektrode. Zaradi vsote padcev napetosti blizu elektrode postane skupni padec napetosti večji od tistega, ki ga daje vir energije, in lok ugasne. Lok ugasne, če U kje U- omrežna napetost: U mačka- katodni padec napetosti (20-25 V v enosmernem loku; 150-250 V v izmeničnem loku). Metoda se uporablja v napravah za napetosti nad 1000 V.


sl.21. Delitev dolgega loka na niz kratkih

Gašenje obloka olajšajo plini z visokim praznjenjem ali visokotlačni plini, ki se uporabljajo kot notranja izolacija naprav za napetosti nad 1000 V.

Gašenje obloka v vakuumu. Zelo izpraznjen plin ima desetkrat večjo električno moč kot plin pri atmosferskem tlaku; uporablja se v vakuumskih kontaktorjih in stikalih.

Gašenje obloka v visokotlačnih plinih. Zrak pri tlaku 2 MPa ali več ima visoko električno moč, kar omogoča ustvarjanje kompaktnih gasilnih naprav v zračnih odklopnikih. Za gašenje obloka je učinkovita uporaba žveplovega heksafluorida SF 6 (SF6).

Pogoji gašenja AC obloka.

Naj se kontakti ločijo v točki a. Med njima se vname lok. Do konca polcikla se zaradi zmanjšanja toka upor obločne gredi poveča in s tem se poveča napetost na loku. Ko se tok približa ničli, se loku dovaja nizka moč, temperatura loka se zniža, toplotna ionizacija se ustrezno upočasni in procesi deionizacije se pospešijo - lok ugasne (točka 0 ). Tok v tokokrogu se prekine pred naravnim prehodom skozi nič. Napetost, ki ustreza trenutni prekinitvi - vrh dušenja U g.


riž. 22. Gašenje AC loka z aktivno obremenitvijo

Po ugasnitvi loka pride do procesa obnavljanja električne trdnosti obločne reže (krivulja a 1 - b 1). Pod električno močjo obločne reže je mišljena napetost, pri kateri pride do električnega razpada obločne reže. Začetna električna moč (točka a 1) in hitrost njenega povečanja sta odvisna od lastnosti naprave za gašenje obloka. V trenutku t1 napetostna krivulja na obločni reži seka s krivuljo obnove električne jakosti obločne reže - lok se vžge. Vžigalna napetost obloka - vrh vžiga U s. Krivulja napetosti obloka ima obliko sedla.

Na točki 0 1 lok ponovno ugasne in pride do procesov, podobnih prej opisanim. Do trenutka 0 1 zaradi razhajanja kontaktov se dolžina loka poveča, odvzem toplote iz loka se poveča, začetna električna moč (točka a 2) in hitrost njenega povečanja (krivulja a 2 - v 2) ustrezno povečati. Skladno s tem se poveča tudi mrtvi čas. 0 1 - t2 > 0 -t1 .

V trenutku t2 lok se ponovno vname. Na točki 0 11 lok ugasne. Začetna električna moč se ponovno poveča (točka a 3) in stopnja njenega naraščanja (krivulja a 3 -b 3). Napetostna krivulja se ne seka s krivuljo povečanja dielektrične trdnosti. V tem polciklu se lok ne vname.

V odprtem loku pri visoki napetosti(horn gap), je odločilni faktor aktivni upor močno raztegnjenega obločnega jaška Pogoji za gašenje izmeničnega loka se približujejo pogojem za gašenje enosmernega obloka, procesi po prehodu toka skozi ničlo pa malo vplivajo na gašenje. lok.

Pri induktivni obremenitvi je mrtvi čas zelo majhen (približno 0,1 µs), to pomeni, da lok gori skoraj neprekinjeno. Odklop induktivne obremenitve je težje kot uporovni. Tukaj ni prekinitve.

Na splošno je proces obloka na izmenični tok lažji kot pri enosmernem toku. Kot tak je treba upoštevati racionalen pogoj za gašenje loka izmeničnega toka, ko se gašenje izvede pri prvem prehodu toka ničle po odpiranju kontaktov.

Vprašanja za samopregled:

· Območja obloka.

· Statična tokovno-napetostna karakteristika.

· Dinamična tokovno-napetostna karakteristika.

· Pogoji za stabilno gorenje in gašenje enosmernega loka.

Kateri pojavi se uporabljajo za gašenje loka?

· Pogoji gašenja AC obloka.

Priporočamo tudi

Nalaganje...Nalaganje...