Електрична дуга: властивості. Захист від впливу електричної дуги

Електрична дуга може бути дуже руйнівною для обладнання і, що більш важливо, представляти небезпеку для людей. Тривожне кількість викликаних нею нещасних випадків відбувається щорічно, часто приводячи до серйозних опіків або смерті. На щастя, в електротехнічній промисловості досягнутий значний прогрес в частині створення засобів і методів захисту від дії 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 вище напруга електричної системи, тим більше ризик для людей, які працюють на території або поблизу проводів і обладнання, що перебувають 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 струмоведучих провідником, таких як контактний провід тролейбусної або трамвайної лінії з іншим провідником, або заземленою поверхнею. Коли це відбувається, виникає струм короткого замикання плавить дроти, іонізує повітря і створює вогненний канал проводить плазми характерною 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 побуті називають добре знаний у фізики та електротехніки дуговий розряд – вид самостійного електророзряду в газі. Які ж фізичні властивості електричної дуги? Вона горить в широкому діапазоні тиску газу, при постійному або змінному (до 1000 Гц) напрузі між електродами в діапазоні від декількох вольт (зварювальна дуга) до десятків кіловольт. Максимальна щільність струму дуги спостерігається на катоді (10 2 -10 8 А/см 2 ), де вона стягується в катодна пляма, дуже яскраве і мале 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 в прикатодное 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.




Таке ж пляма, але дещо більший і малорухливе, формується і на аноді. Температура в ньому близька до катодному плямі. Якщо струм дуги порядку декількох десятків ампер, то з обох електродів випливають з великою швидкістю нормально до їх поверхнях плазмові струмені або факели (см. на фото нижче). При великих струмах (100-300 А) виникають додаткові плазмові струмені, і дуга стає схожою на пучок плазмових ниток (см. на фото нижче).

Як проявляє себе дуга в електрообладнанні

Як було сказано вище, каталізатором її виникнення є сильне тепловиділення в катодному плямі. Температура електричної дуги, як уже згадувалося, може досягати 20000 °С, що приблизно в чотири рази вище, ніж на поверхні сонця. Цей спека може швидко розплавити або навіть випарувати мідь провідників, яка має температуру плавлення близько 1084 °С, набагато нижче, ніж в 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 01 розміру кубометра в частки секунди. При цьому виникне тиск високої інтенсивності і звукові хвилі, що поширюються з великою швидкістю (яка може бути понад 1100 км на годину).

Вплив електричної дуги

Важкі травми, і навіть зі смертельним наслідком, при її виникненні можуть отримати лише особи, що працюють на електрообладнання, але і люди, що перебувають поблизу. Дугові травми можуть включати в себе зовнішні опіки шкіри, внутрішні опіки від вдихання гарячих газів і випаруваного металу, пошкодження слуху, зору, такі як сліпота від ультрафіолетового світла спалаху, а також багато інші руйнівні пошкодження. При особливо потужною дузі може також статися таке явище, як її вибух, що створює тиск понад 100 кілопаскалей (кПа) з викидом частинок сміття, подібних шрапнелі, зі швидкістю до 300 метрів в секунду. Особи, що перенесли впливу електричного струму, електричної дуги, можуть потребувати серйозного лікування та реабілітації, а ціна їх травм може бути екстремальної - фізично, емоційно і фінансово. Хоча законодавство вимагає від підприємств проведення оцінки ризиків для всіх видів трудової діяльності, однак ризик ураження електричною дугою часто упускається з виду, тому що більшість людей не знають, як оцінювати й ефективно управляти цією небезпекою. Захист від впливу електричної дуги передбачає використання цілого комплексу засобів, включаючи застосування при роботі з електрообладнанням, що перебувають 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

В цьому класі електротехнічних пристроїв (автоматичні вимикачі, контактори, магнітні пускачі) 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. В момент, коли контакти починають відділятися, площа останніх зменшується швидко, що призводить до збільшення щільності струму і, отже, до підвищення температури. Тепла, що виділяється в проміжку між контактами (звичайна середа масло або повітря) достатньо для іонізації повітря або випаровування і іонізації олії. Іонізоване повітря або пару діє як провідник для струму дуги між контактами. Різниця потенціалів між ними дуже мала, але її достатньо для підтримки дуги. Отже, струм в ланцюзі залишається безперервним тих пір, поки дуга не усунена. Вона не тільки затримує процес переривання струму, але також генерує величезну кількість теплоти, що може призвести до пошкодження самого вимикача. Таким чином, головна проблема у вимикачі (насамперед високовольтному) – це гасіння електричної дуги в найкоротші терміни для того, щоб виділяється в нею тепло не могло досягти небезпечного значення.

Фактори підтримки дуги між контактами вимикачів

До них відносяться: 1. Напруга електричної дуги, що дорівнює різниці потенціалів між контактами. 2. Іонізовані частинки між ними. Зважаючи на 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 різниця потенціалів стає недостатньою для підтримки дуги. Тим не менше цей метод є практично нездійсненним у високовольтному обладнанні, де може знадобитися поділ на багато метри.

Іонізовані частинки між контактами, як правило, підтримують дугу. Якщо її шлях деионизирован, то процес гасіння буде полегшений. Це може бути досягнуто шляхом охолодження дуги або видалення частинок іонізованого 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 велика, і в дузі встигає розсіюватися величезна енергія. Опір дуги може бути збільшено 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 повинно бути направлене вздовж дуги.

Приміщенням контактів в трудноионизируемую газову середу (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 провідних 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 запобігається незважаючи на збільшення напруги на контактах. Всі сучасні вимикачі великих змінних струмів використовують цей метод гасіння дуги. В 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 і 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 обнуління 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 у нейтральні молекули;

видаленням іонізованих частинок геть і заміною їх нейтральними частками.

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

Способи деионизация 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 складають 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 неионизированними, то діелектрична міцність середовища може бути збільшена. Це може бути досягнуто з допомогою газового вибуху, спрямованого в зону розряду, або уприскуванням масла в межконтактное простір. У таких вимикачах в якості середовища гасіння дуги використовується газ гексафторид сірки (SF6). Він має сильну тенденцію поглинати вільні електрони. Контакти вимикача відкриваються в потоці високого тиску SF6) між ними (см. малюнок нижче). Газ захоплює вільні електрони в дузі і формує надлишок малорухомих негативних іонів. Число електронів в дузі швидко скорочується, і вона гасне.