Proces vytvárania elektrického oblúka a spôsoby jeho hasenia

Pri otvorení elektrického obvodu vzniká elektrický výboj vo forme elektrického oblúka. Na vznik elektrického oblúka stačí, aby napätie kontaktov bolo nad 10 V pri prúde v obvode rádovo 0,1 A alebo viac. Pri významných napätiach a prúdoch môže teplota vo vnútri oblúka dosiahnuť 3 až 15 000 ° C, v dôsledku čoho sa kontakty a živé časti roztavia.

Pri napätiach 110 kV a vyšších môže dĺžka oblúka dosiahnuť niekoľko metrov. Preto je elektrický oblúk, najmä vo vysokovýkonných obvodoch, pri napätí nad 1 kV veľkým nebezpečenstvom, hoci vážne následky môžu byť aj pri inštaláciách pri napätí pod 1 kV. Výsledkom je, že elektrický oblúk musí byť čo najviac obmedzený a rýchlo uhasený v obvodoch pre napätie nad aj pod 1 kV.

Príčiny elektrického oblúka

Proces vytvárania elektrického oblúka možno zjednodušiť nasledovne.Keď sa kontakty rozchádzajú, kontaktný tlak sa najprv zníži a kontaktná plocha sa zodpovedajúcim spôsobom zväčší, prechodový odpor (prúdová hustota a teplota — začína lokálne (v určitých oblastiach kontaktnej plochy) prehrievanie, ktoré ďalej prispieva k termionickému žiareniu, kedy vplyvom vysokej teploty dochádza k zvýšeniu rýchlosti elektrónov a ich vybuchovaniu z povrchu elektródy.

V okamihu oddelenia kontaktov, to znamená, že obvod je prerušený, sa napätie v kontaktnej medzere rýchlo obnoví. Pretože v tomto prípade je vzdialenosť medzi kontaktmi malá, existuje elektrické pole vysoké napätie, pod vplyvom ktorého sa elektróny sťahujú z povrchu elektródy. Zrýchľujú sa v elektrickom poli a keď narazia na neutrálny atóm, dávajú mu svoju kinetickú energiu. Ak je táto energia dostatočná na odtrhnutie aspoň jedného elektrónu z obalu neutrálneho atómu, potom prebieha proces ionizácie.

Vytvorené voľné elektróny a ióny tvoria plazmu kmeňa oblúka, to znamená ionizovaný kanál, v ktorom horí oblúk a je zabezpečený nepretržitý pohyb častíc. V tomto prípade sa záporne nabité častice, najmä elektróny, pohybujú v jednom smere (smerom k anóde) a atómy a molekuly plynov zbavené jedného alebo viacerých elektrónov – kladne nabitých častíc – v opačnom smere (smerom ku katóde).

Vodivosť plazmy je blízka vodivosti kovov.

V drieku oblúka preteká veľký prúd a vzniká vysoká teplota.Táto teplota oblúkového valca vedie k tepelnej ionizácii — procesu tvorby iónov v dôsledku kolízie molekúl a atómov s vysokou kinetickou energiou pri vysokých rýchlostiach ich pohybu (molekuly a atómy prostredia, v ktorom horí oblúk, sa rozpadajú na elektróny a kladne nabité ióny). Intenzívna tepelná ionizácia udržuje vysokú vodivosť plazmy. Preto je pokles napätia pozdĺž oblúka malý.

V elektrickom oblúku neustále prebiehajú dva procesy: okrem ionizácie aj deionizácia atómov a molekúl. K poslednému uvedenému dochádza najmä difúziou, teda prenosom nabitých častíc do prostredia a rekombináciou elektrónov a kladne nabitých iónov, ktoré sa znovu poskladajú na neutrálne častice s návratom energie vynaloženej na ich rozpad. V tomto prípade sa teplo odvádza do okolia.

Možno teda rozlíšiť tri stupne uvažovaného procesu: zapálenie oblúka, kedy vplyvom šokovej ionizácie a emisie elektrónov z katódy začne oblúkový výboj a intenzita ionizácie je vyššia ako deionizácia, stabilné horenie oblúka podporované o. tepelná ionizácia v oblúkovom valci, keď sú intenzity ionizácie a deionizácie rovnaké, zmiznutie oblúka, keď je intenzita deionizácie vyššia ako intenzita ionizácie.

Spôsoby hasenia oblúka v elektrických spínacích zariadeniach

Na odpojenie prvkov elektrického obvodu a vylúčenie poškodenia spínacieho zariadenia je potrebné nielen otvoriť jeho kontakty, ale aj uhasiť oblúk, ktorý sa medzi nimi objaví. Procesy hasenia oblúka, ako aj horenie, so striedavým prúdom a jednosmerným prúdom sú odlišné.To je určené skutočnosťou, že v prvom prípade prúd v oblúku prechádza cez nulu každú polovicu cyklu. V týchto časoch sa uvoľňovanie energie v oblúku zastaví a oblúk spontánne zhasne a potom sa zakaždým znovu zapáli.

V praxi sa prúd v oblúku približuje k nule o niečo skôr ako pri prechode nulou, pretože so znižovaním prúdu klesá energia dodávaná do oblúka a zodpovedajúcim spôsobom klesá aj teplota oblúka a tepelná ionizácia prestáva. V tomto prípade proces deionizácie intenzívne pokračuje v oblúkovej medzere. Ak v tomto čase otvoríte a rýchlo otvoríte kontakty, potom nemusí dôjsť k následnému elektrickému prerušeniu a obvod sa odpojí bez oblúka. V praxi je to však mimoriadne náročné, a preto sa prijímajú špeciálne opatrenia na urýchlenie zhášania oblúka, na zabezpečenie chladenia priestoru oblúka a na zníženie počtu nabitých častíc.

V dôsledku deionizácie sa postupne zvyšuje dielektrická pevnosť medzery a zároveň sa v nej zvyšuje zotavovacie napätie. Pomer týchto hodnôt závisí od toho, či sa dúha v ďalšej polovici obdobia rozsvieti alebo nie. Ak sa dielektrická pevnosť medzery zvyšuje rýchlejšie a je väčšia ako zotavovacie napätie, oblúk sa už nezapáli, inak sa vytvorí stabilný oblúk. Prvá podmienka definuje problém zhášania oblúka.

V rozvádzačoch sa používajú rôzne metódy zhášania oblúka.

Predĺženie oblúka

Ak sa kontakty pri odpájaní elektrického obvodu rozchádzajú, výsledný oblúk sa natiahne.Zároveň sa zlepšujú podmienky chladenia oblúka, pretože sa zväčšuje jeho povrch a na horenie je potrebné väčšie napätie.

Rozdelenie dlhého oblúka na sériu krátkych oblúkov

Ak sa oblúk vytvorený pri otvorení kontaktov rozdelí na K krátkych oblúkov, napríklad zatiahnutím do kovovej mriežky, zhasne. Oblúk sa typicky zavedie do kovovej mriežky pod vplyvom elektromagnetického poľa indukovaného v doskách mriežky vírivými prúdmi. Tento spôsob zhášania oblúka je široko používaný v rozvádzačoch pre napätie pod 1 kV, najmä v automatických vzduchových spínačoch.

Oblúkové chladenie v úzkych štrbinách

Uľahčuje sa hasenie malých oblúkov. Preto v spínacie zariadenia Široko používané sú oblúkové žľaby s pozdĺžnymi štrbinami (os takejto štrbiny sa zhoduje v smere s osou oblúkového valca). Takáto medzera sa zvyčajne vytvára v komorách vyrobených z izolačných materiálov odolných voči oblúku. V dôsledku kontaktu oblúka so studenými povrchmi dochádza k jeho intenzívnemu ochladzovaniu, difúzii nabitých častíc v prostredí a tým k rýchlej deionizácii.

Okrem štrbín s plochými paralelnými stenami sa používajú aj štrbiny s rebrami, výstupkami, nástavcami (vreckámi). To všetko vedie k deformácii oblúkového valca a zväčšuje plochu jeho kontaktu so studenými stenami komory.

Oblúk je vtiahnutý do úzkych štrbín zvyčajne magnetickým poľom interagujúcim s oblúkom, ktorý si možno predstaviť ako vodič s prúdom.

Vonkajšie magnetické pole pohyb oblúka najčastejšie zabezpečuje cievka zapojená do série s kontaktmi, medzi ktorými vzniká oblúk.Zhášanie oblúka s úzkou štrbinou sa používa v zariadeniach pre všetky napätia.

Vysokotlakové zhášanie oblúka

Pri konštantnej teplote sa stupeň ionizácie plynu so zvyšujúcim sa tlakom znižuje, pričom sa zvyšuje tepelná vodivosť plynu. Ak sú všetky ostatné veci rovnaké, výsledkom je lepšie chladenie oblúka. Zhášanie oblúka vysokým tlakom, vytvorené samotným oblúkom v tesne uzavretých komorách, je široko používané v poistkách a množstve ďalších zariadení.

Kalenie oblúka v oleji

Ak spínacie kontakty umiestnené v oleji, oblúk, ktorý vzniká pri ich otvorení, vedie k intenzívnemu odparovaniu oleja. V dôsledku toho sa okolo oblúka vytvorí plynová bublina (obálka), ktorá pozostáva hlavne z vodíka (70 ... 80%), ako aj z olejových pár. Emitované plyny prenikajú priamo do oblasti oblúkového valca vysokou rýchlosťou, spôsobujú miešanie studeného a horúceho plynu v bubline, zabezpečujú intenzívne chladenie a tým aj deionizáciu oblúkovej medzery. Deionizačná schopnosť plynov navyše zvyšuje tlak vo vnútri bubliny, ktorý vzniká pri rýchlom rozklade ropy.

Intenzita procesu zhášania oblúka v oleji je tým vyššia, čím bližšie sa oblúk dostane do kontaktu s olejom a čím rýchlejšie sa olej pohybuje vzhľadom na oblúk. Vďaka tomu je oblúková štrbina obmedzená uzavretým izolačným zariadením - zhášacím žľabom... V týchto komorách sa vytvára užší kontakt oleja s oblúkom a pomocou izolačných dosiek a vypúšťacích otvorov sa vytvárajú pracovné kanály prostredníctvom ktorého dochádza k pohybu oleja a plynov, čím dochádza k intenzívnemu vyfukovaniu (vyfukovaniu) oblúka.

Oblúkové žľaby podľa princípu činnosti sú rozdelené do troch hlavných skupín: so samovyfukovaním, keď sa v oblasti oblúka vytvára vysoký tlak a rýchlosť pohybu plynu v dôsledku energie uvoľnenej v oblúku, s nútené fúkanie oleja pomocou špeciálnych čerpacích hydraulických mechanizmov, s magnetickým kalením v oleji, keď je oblúk pod pôsobením magnetického poľa, pohybuje sa do úzkych medzier.

Najúčinnejšie a najjednoduchšie samonafukovacie oblúkové komôrky... Podľa umiestnenia kanálov a výfukových otvorov sa rozlišujú komory, v ktorých sa intenzívne fúka plynno-parná zmes a olej po prúde oblúka (pozdĺžne fúkanie) resp. cez oblúk (priečne fúkanie) je zabezpečené). Uvažované metódy zhášania oblúka sú široko používané v ističoch pre napätie nad 1 kV.

Iné spôsoby zhášania oblúka v zariadeniach pre napätie nad 1 kV

Okrem vyššie uvedených spôsobov zhášania oblúka využívajú aj: stlačený vzduch, ktorého prúd fúka oblúk pozdĺž alebo naprieč, čím zabezpečuje jeho intenzívne chladenie (namiesto vzduchu sa používajú iné plyny, často získavané z tuhého plynotvorného prvku). materiály — vlákna, vinylový plast atď. — na úkor ich rozkladu samotným horiacim oblúkom), SF6 (fluorid sírový), ktorý má vyššiu elektrickú pevnosť ako vzduch a vodík, v dôsledku čoho oblúk horiaci v tomto plyne, dokonca aj pri atmosférickom tlaku, pri otvorení kontaktov rýchlo zhasne, vysoko riedky plyn (vákuum), v ktorom sa oblúk stáva nezapáli (zhasne) po prvom prechode prúdu nulou.