Електрична дуга: властивості. Захист від впливу електричної дуги

Електрична дуга: властивості. Захист від впливу електричної дуги

Електрична дуга може бути вкрай руйнівною для обладнання і, що більш важливо, становити небезпеку для людей. Тривожна кількість спричинених нею нещасних випадків відбувається щороку, часто призводячи до серйозних опіків або смерті. На щастя, в електротехнічній промисловості досягнуто значного прогресу в частині створення засобів і методів захисту від впливу дуги.

Причини і місця виникнення

Електрична дуга є однією з найбільш смертоносних і найменш вивчених небезпек електроенергії і переважає в більшості галузей промисловості. Широко визнається, що чим вища напруга електричної системи, тим більший ризик для людей, які працюють на території або поблизу дротів та обладнання, що знаходяться під напругою.

Теплова енергія від спалаху дуги, однак, може насправді бути більше і виникати частіше при більш низьких напругах з тими ж руйнівними наслідками.

Виникнення електричної дуги, як правило, відбувається при випадковому контакті між струмоведучим провідником, таким як контактний провід тролейбусної або трамвайної лінії з іншим провідником, або заземленою поверхнею.

Коли це відбувається, струм короткого замикання плавить дроти, іонізує повітря і створює вогняний канал проводить плазми характерної дугоподібної форми (звідси і назва), причому температура електричної дуги в її серцевині може досягати понад 20000 ° С.

Що ж таке електрична дуга?

По суті, так в ужитку іменують добре відомий у фізиці та електротехніці дуговий розряд - вид самостійного електророзряду в газі. Які ж фізичні властивості електричної дуги? Вона горить в широкому діапазоні тиску газу, при постійній або змінній (до 1000 Гц) напрузі між електродами в діапазоні від декількох вольт (зварювальна дуга) до десятків кіловольт. Максимальна щільність струму дуги спостерігається на катоді (102-108 А/см2), де вона стягується в катодну пляму, дуже яскрава і мала за розмірами. Воно безладно і безперервно переміщується по всій площі електрода. Температура його така, що матеріал катода в ньому кипить. Тому виникають ідеальні умови для термоелектронної емісії електронів у прикатодний простір. Над ним утворюється невеликий шар, заряджений позитивно і забезпечує прискорення емітованих електронів до швидкостей, при яких вони ударно іонізують атоми і молекули середовища в міжелектродному проміжку.

Така ж пляма, але дещо більша і малорухлива, формується і на аноді. Температура в ньому близька до катодної плями.

Якщо струм дуги близько декількох десятків ампер, то з обох електродів витікають з великою швидкістю нормально до їх поверхонь плазмові струмені або смолоскипи (див. на фото нижче).

При великих струмах (100-300 А) виникають додані плазмові струмені, і дуга стає схожою на пучок плазмових ниток (див. на фото нижче).

Як проявляє себе дуга в електрообладнанні

Як було сказано вище, каталізатором її виникнення є сильне тепловиділення в катодній плямі. Температура електричної дуги, як вже згадувалося, може досягати 20 000 ° С, приблизно в чотири рази вище, ніж на поверхні сонця. Цей зной може швидко розплавити або навіть випарувати мідь провідників, яка має температуру плавлення близько 1084 ° С, набагато нижче, ніж у дузі. Тому в ній часто утворюються пари міді і бризки розплавленого металу. Коли мідь переходить з твердого стану в пар, вона розширюється в кілька десятків тисяч разів від свого початкового обсягу. Це еквівалентно тому, що шматочок міді в один кубічний сантиметр зміниться до розміру 0,1 кубометра в долі секунди. При цьому виникне тиск високої інтенсивності і звукові хвилі, що поширюються навколо з великою швидкістю (яка може бути понад 1100 км на годину).

Вплив електричної дуги

Важкі травми, і навіть зі смертельними наслідками, при її виникненні можуть отримати не тільки особи, які працюють на електрообладнання, але і люди, що знаходяться поблизу. Дугові травми можуть включати в себе зовнішні опіки шкіри, внутрішні опіки від вдихання гарячих газів і випарного металу, пошкодження слуху, зору, такі як сліпота від ультрафіолетового світла спалаху, а також багато інших руйнівних пошкоджень.

При особливо потужній дузі може також статися таке явище, як її вибух, що створює тиск понад 100 кілопаскалів (кПа) з викидом частинок сміття, подібних шрапнелі, зі швидкістю до 300 метрів на секунду.

Особи, які перенесли вплив електричного струму електричної дуги, можуть потребувати серйозного лікування і реабілітації, а ціна їх травм може бути екстремальною - фізично, емоційно і фінансово. Хоча законодавство вимагає від підприємств проведення оцінки ризиків для всіх видів трудової діяльності, однак ризик ураження електричною дугою часто випускається з уваги, тому що більшість людей не знають, як оцінювати і ефективно керувати цією небезпекою. Захист від впливу електричної дуги передбачає використання цілого комплексу засобів, включаючи застосування при роботі з електрообладнанням, що знаходиться під напругою, спеціальних електрозахисних засобів, спецодягу, а також самого обладнання, насамперед високо- низьковольтних комутаційних електроапаратів, сконструйованих із застосуванням засобів гасіння дуги.

Дуга в електричних апаратах

У цьому класі електротехнічних пристроїв (автоматичні вимикачі, контактори, магнітні пускники) боротьба з цим явищем має особливе значення. Коли контакти вимикача, не обладнаного спеціальними пристроями для запобігання дуги, розмикаються, то вона обов 'язково запалюється між ними.

У момент, коли контакти починають відокремлюватися, площа останніх зменшується швидко, що призводить до збільшення щільності струму і, отже, до підвищення температури. Виділюваного тепла в проміжку між контактами (звичайне середовище масло або повітря) достатньо для іонізації повітря або випаровування та іонізації олії. Іонізоване повітря або пар діє як провідник для струму дуги між контактами. Різність потенціалів між ними досить мала, але її достатньо для підтримки дуги. Отже, струм у ланцюгу залишається безперервним тих пір, поки дуга не усунена. Вона не тільки затримує процес переривання струму, але також генерує величезну кількість теплоти, яка може призвести до пошкодження самого вимикача. Таким чином, головна проблема у вимикачі (насамперед високовольтному) - це гасіння електричної дуги в найкоротші терміни для того, щоб тепло, що виділяється в ній, не могло досягти небезпечного значення.

Фактори підтримки дуги між контактами вимикачів

До них належать:

1. Напруга електричної дуги, рівна різниці потенціалів між контактами.

2. Іонізовані частинки між ними.

Приймаючи це, зазначимо додатково:

  • Коли між контактами є невеликий проміжок, навіть невеликої різниці потенціалів достатньо для підтримки дуги. Одним із способів її гасіння є поділ контактів на таку відстань, що різність потенціалів стає недостатньою для підтримки дуги. Проте цей метод є практично нездійсненним у високовольтному обладнанні, де може знадобитися поділ на багато метрів.
  • Іонізовані частинки між контактами, як правило, підтримують дугу. Якщо її шлях деіонізований, то процес гасіння буде полегшений. Це може бути досягнуто шляхом охолодження дуги або видалення іонізованого частинок з простору між контактами.
  • Є два способи, за допомогою яких здійснюється захист від електричної дуги у вимикачах:

- метод високого опору;

- метод нульового струму.

Гасіння дуги збільшенням її опору

У цьому методі опір на шляху дуги зростає з плином часу так, що струм зменшується до значення, недостатнього для її підтримки. Отже, він переривається, і електрична дуга гасне. Основний недолік цього методу полягає в тому, що час гасіння досить великий, і в дузі встигає розсіюватися величезна енергія.

Опір дуги може бути збільшена шляхом:

  • Подовження дуги - опір дуги прямо пропорційна її довжині. Довжина дуги може бути збільшена за рахунок зміни зазору між контактами.
  • Охолодженням дуги, точніше середовища між контактами. Ефективне охолодження обдувом має бути спрямоване вздовж дуги.
  • Приміщенням контактів у важкоіонізоване газове середовище (газові вимикачі) або у вакуумну камеру (вакуумні вимикачі).
  • Зниженням поперечного перерізу дуги шляхом її пропускання через вузький отвір, або зниженням площі контактів.
  • Поділом дуги - її опір може бути збільшено шляхом поділу на ряд невеликих дуг, з 'єднаних послідовно. Кожна з них відчуває дію подовження і охолодження. Дуга може бути розділена шляхом введення деяких проведених пластин між контактами.

Гасіння дуги методом нульового струму

Цей метод використовується тільки в ланцюгах змінного струму. У ньому опір дуги зберігається низьким, поки струм не знижується до нуля, де вона гасне природним шляхом. Її повторне запалювання запобігає незважаючи на збільшення напруги на контактах. Всі сучасні вимикачі великих змінних струмів використовують цей метод гасіння дуги.

У системі змінного струму останній падає до нуля після кожного напівперіоду. У кожне таке обнулення дуга гасне на короткий час. При цьому середовище між контактами містить іони та електрони, так що її діелектрична міцність невелика і може бути легко зруйнована зростаючою напругою на контактах.

Якщо це відбувається, електрична дуга буде горіти протягом наступного напівперіоду струму. Якщо відразу ж після його обнулення діелектрична міцність середовища між контактами зростає швидше, ніж напруга на них, то дуга не запалиться і струм буде перерваний. Швидке збільшення діелектричної міцності середовища поблизу нуля струму може бути досягнуто шляхом:

  • рекомбінації іонізованих частинок у просторі між контактами в нейтральні молекули;
  • видаленням іонізованих частинок геть і заміною їх нейтральними частинками.

Таким чином, реальною проблемою в перериванні змінного струму дуги є швидка деіонізація середовища між контактами, як тільки струм стає рівним нулю.

Способи деіонізації середовища між контактами

1. Подовження зазору: діелектрична міцність середовища пропорційна довжині зазору між контактами. Таким чином, при швидкому розмиканні контактів може бути досягнута і більш висока діелектрична міцність середовища.

2. Високий тиск. Якщо воно в безпосередній близькості від дуги, збільшується, щільність частинок, що становлять канал дугового розряду, також зростає. Підвищена щільність частинок призводить до високого рівня їх деіонізації і, отже, діелектрична міцність середовища між контактами збільшується.

3. Охолодження. Природна рекомбінація іонізованих частинок відбувається швидше, якщо вони остигають. Таким чином, діелектрична міцність середовища між контактами може бути збільшена шляхом охолодження дуги.

4. Ефект вибуху. Якщо іонізовані частинки між контактами зметені геть і замінені неіонізованими, то діелектрична міцність середовища може бути збільшена. Це може бути досягнуто за допомогою газового вибуху, спрямованого в зону розряду, або впорскуванням масла в міжконтактний простір.

У таких вимикачах як середовище гасіння дуги використовується газ гексафторид сірки (SF6). Він має сильну тенденцію поглинати вільні електрони. Контакти вимикача відкриваються в потоці високого тиску SF6) між ними (див. малюнок нижче).

Газ захоплює вільні електрони в дузі і формує надлишок малорухливих негативних іонів. Кількість електронів в дузі швидко скорочується, і вона гасне.