Svojstva električnog luka. Električna zaštita

Električni luk može biti izuzetno razoran za opremu i, što je još važnije, ugroziti ljude. Alarmantan broj nesreća događa se zbog toga što se dogodi godišnje, često rezultirajući ozbiljnim opeklinama ili smrću. Srećom, u elektroindustriji je postignut značajan napredak u stvaranju alata i metoda za zaštitu od učinaka luka.

Uzroci i lokacije

Električni luk je jedna od najsmrtonosnijih i najmanje proučavanih opasnosti električne energije i prevladava u većini industrija. Opće je poznato da što je veći napon električnog sustava, to je veći rizik za ljude koji rade u ili blizu žica i opreme koja je pod naponom.

Međutim, toplinska energija iz lučnog snopa zapravo može biti veća i češće se javlja pri nižim naponima s istim razornim posljedicama.

Električni luk obično nastaje kada dođe do slučajnog dodira vodljivog vodiča, kao što je kontaktni vod od trolejbusa ili tramvajske linije s drugim vodičem ili uzemljenom površinom. Kada se to dogodi, rezultat struja kratkog spoja topi žice, ionizira zrak i stvara vatreni vodljivi plazma kanal karakterističnog lučnog oblika (otuda i naziv), a temperatura električnog luka u svojoj jezgri može doseći višak od 20.000 ° C.

Što je električni luk?

Naime, u svakodnevnom se životu to obično naziva pražnjenje luka, poznato u fizici i elektrotehnici, tip neovisnog električnog pražnjenja u plinu. Koja su fizikalna svojstva električnog luka? Gori u širokom rasponu tlaka plina, pri stalnom ili naizmjeničnom (do 1000 Hz) naponu između elektroda u rasponu od nekoliko volti (luk za zavarivanje) do desetak kilovolta. Maksimalna gustoća struje luka je uočena na katodi (10 ² -10 ⁸ A / cm ² ), gdje se uvlači u katodnu točku, vrlo svijetla i male veličine. Slučajno i kontinuirano se kreće po cijelom području elektrode. Njegova je temperatura takva da materijal katode u njemu vrije. Stoga nastaju idealni uvjeti za termionsku emisiju elektrona u prostor katode. Iznad njega se formira mali sloj koji je pozitivno napunjen i osigurava ubrzanje emitiranih elektrona do brzina pri kojima one djelotvorno ioniziraju atome i molekule medija u međuelektrodnom razmaku.

Isto mjesto, ali nešto veće i manje pokretno, također se formira na anodi. Temperatura u njoj je blizu katodne točke.

Ako je struja luka niza nekoliko desetaka ampera, tada plazma elektrode ili baklje normalno teku iz obje elektrode pri visokim brzinama na njihove površine (vidi sliku ispod).

Pri visokim strujama (100-300 A) nastaju dodatni mlazovi plazme, a luk postaje sličan snopu plazma vlakana (vidi sliku dolje).

Kako se luk manifestira u električnoj opremi

Kao što je gore spomenuto, katalizator njegove pojave je snažno oslobađanje topline u katodnoj točki. Temperatura električnog luka, kako je već spomenuto, može doseći 20.000 ° C, oko četiri puta više nego na površini sunca. Ta toplina može se brzo otopiti ili čak ispariti bakar vodiča, koji ima točku taljenja od oko 1084 ° C, mnogo niže nego u luku. Zbog toga se često stvaraju bakrene pare i prskanje rastaljenog metala. Kada bakar prelazi iz čvrstog u paru, on se širi nekoliko desetaka tisuća puta u odnosu na svoj izvorni volumen. To je ekvivalentno činjenici da se komad bakra u jednom kubnom centimetru promijeni u veličinu od 0,1 kubnih metara u djeliću sekunde. To će uzrokovati pritisak visokog intenziteta i zvučni valovi širi se velikom brzinom (koja može biti preko 1100 km na sat).

Učinak električnog luka

Teške ozljede, pa i one smrtonosne, u slučaju njenog nastanka mogu primiti ne samo osobe koje rade na električnoj opremi, već i ljudi u blizini. Ozljede od luka mogu uključivati ​​vanjske opekline kože, unutarnje opekline uslijed udisanja vrućih plinova i isparenog metala, oštećenje sluha, vid, kao što je sljepilo od ultraljubičastog svjetla, kao i mnoge druge štetne štete.

Kada se osobito snažan luk može pojaviti i takav fenomen kao što je eksplozija, stvarajući pritisak od više od 100 kilopaskala (kPa) s otpuštanjem čestica krhotina, kao što je šrapnel, pri brzinama do 300 metara u sekundi.

Osobe pogođene električna struja luk, možda će biti potreban ozbiljan tretman i rehabilitacija, a cijena njihovih ozljeda može biti ekstremna - fizički, emocionalno i financijski. Iako zakonodavstvo zahtijeva od poduzeća da provode procjene rizika za sve vrste poslova, rizik od električnog luka često se zanemaruje jer većina ljudi ne zna kako procijeniti i učinkovito upravljati ovom opasnošću. Zaštita od djelovanja električnog luka podrazumijeva korištenje čitavog niza alata, uključujući uporabu posebne električne zaštitne opreme, radne odjeće, kao i same opreme, osobito visokonaponskih sklopnih uređaja koji su konstruirani s opremom za iskorištavanje luka pri radu s električnom opremom pod naponom.

Luk u električnim aparatima

U ovoj klasi električnih uređaja (prekidači, sklopnici, magnetski starteri) borba protiv ove pojave od posebne je važnosti. Kada se kontakti prekidača, koji nije opremljen posebnim uređajima za sprečavanje luka, otvore, tada će se sigurno zapaliti između njih.

U trenutku kada se kontakti počnu razdvajati, područje potonjeg se brzo smanjuje, što dovodi do povećanja gustoće struje i, posljedično, do povećanja temperature. Toplina koja se stvara u razmaku između kontakata (uobičajeni medij je ulje ili zrak) dovoljna je za ionizaciju zraka ili isparavanje i ioniziranje ulja. Ionizirani zrak ili para djeluju kao vodič za struju luka između kontakata. Potencijalna razlika između njih je vrlo mala, ali je dovoljna za održavanje luka. Prema tome, struja u krugu ostaje kontinuirana sve dok se luk ne eliminira. To ne samo da odgađa proces razbijanja struje, već također stvara ogromnu količinu topline koja može oštetiti sam prekidač. Stoga je glavni problem kod prekidača (prvenstveno visokog napona) gašenje električnog luka što je prije moguće, tako da proizvedena toplina ne može doseći opasnu vrijednost.

Čimbenici održavaju luk između kontakata prekidača

To uključuje:

1. Napon električnog luka, jednak potencijalnoj razlici između kontakata.

2. Ionizirane čestice između njih.

Uzimajući ovo, napominjemo još:

• Kada postoji mali razmak između kontakata, čak je i mala razlika potencijala dovoljna za održavanje luka. Jedan od načina za gašenje je podjela kontakata na takvu udaljenost da razlika potencijala postane nedovoljna za održavanje luka. Ipak, ova metoda je praktično neizvediva u visokonaponskoj opremi, gdje se može zahtijevati odvajanje na mnogo metara.
• Ionizirane čestice između kontakata, u pravilu, podupiru luk. Ako je njezin put deioniziran, tada će se olakšati proces gašenja. To se može postići hlađenjem luka ili uklanjanjem ioniziranih čestica iz prostora između kontakata.
• Postoje dva načina na koji se vrši zaštita od električnog luka u prekidačima:

- metoda visoke otpornosti;

- metoda nulte struje.

Izumiranje lukova povećanjem njegove otpornosti

U ovoj metodi, otpor uzduž puta luka se povećava s vremenom tako da se struja smanjuje do vrijednosti koja je nedovoljna za održavanje. Zbog toga se prekida i gasi električni luk. Glavni nedostatak ove metode je da je vrijeme gašenja dovoljno veliko i da se u luku raspršuje velika energija.

Otpor lukova može se povećati:

• Produženje luka - otpor lučnog luka je izravno proporcionalan njegovoj dužini. Duljina luka može se povećati promjenom razmaka između kontakata.
• Hlađenje luka, odnosno okruženje između kontakata. Učinkovito hlađenje puhanjem treba usmjeriti duž luka.
• Postavljanje kontakata u teško ionizirajućem plinskom mediju (plinskim prekidačima) ili u vakuumskoj komori (vakuumski prekidači).
• Smanjenjem poprečnog presjeka luka prolaskom kroz uski otvor ili smanjenjem kontaktnog područja.
• Odvajanje luka - otpor se može povećati dijeljenjem u niz malih nizova povezanih u seriju. Svaka od njih doživljava učinak produljenja i hlađenja. Luk se može podijeliti umetanjem nekih vodljivih ploča između kontakata.

Izgaranje lukom metodom nulte struje

Ova se metoda koristi samo u strujnim krugovima izmjenične struje. U njemu se otpor lukama održava niskim sve dok struja ne padne na nulu, gdje se prirodno gasi. Njegovo ponovno paljenje spriječeno je unatoč povećanju napona na kontaktima. Svi suvremeni prekidači visokih izmjeničnih struja koriste ovu metodu izumiranja luka.

U sustavu izmjenične struje, posljednji se smanjuje na nulu nakon svakog poluvremena. U svakom takvom nuliranju, luk se gasi na kratko vrijeme. Medij između kontakata sadrži ione i elektrone, tako da je njegova dielektrična čvrstoća mala i može se lako uništiti rastućim naponom na kontaktima.

Ako se to dogodi, luk će gorjeti tijekom sljedećeg polu-ciklusa struje. Ako odmah nakon nuliranja dielektrična čvrstoća medija između kontakata raste brže od napona na njima, tada se luk neće zapaliti i struja će biti prekinuta. Brzo povećanje dielektrične čvrstoće medija blizu nule može se postići pomoću:

• rekombinacija ioniziranih čestica u prostoru između kontakata u neutralne molekule;
• uklanjanjem ioniziranih čestica i zamjenom s neutralnim česticama.

Dakle, stvarni problem u prekidanju izmjenične struje luka je brza deionizacija medija između kontakata čim struja postane nula.

Načini deionizacije medija između kontakata

1. Produženje jaza: dielektrična čvrstoća medija proporcionalna je dužini razmaka između kontakata. Tako se brzim otvaranjem kontakata može postići veća dielektrična čvrstoća medija.

2. Visoki tlak. Ako se nalazi u neposrednoj blizini luka, ona se povećava, a povećava se i gustoća čestica koje čine kanal lučnog luka. Povećana gustoća čestica dovodi do visokog stupnja njihove deionizacije, a time i dielektrične čvrstoće medija između kontakata.

3. Hlađenje. Prirodna rekombinacija ioniziranih čestica događa se brže ako se ohlade. Tako se dielektrična čvrstoća medija između kontakata može povećati hlađenjem luka.

4. Učinak eksplozije. Ako su ionizirane čestice između kontakata pomete i zamijenjene neioniziranim, tada se dielektrična čvrstoća medija može povećati. To se može postići uporabom eksplozije plina koja se usmjerava u zonu pražnjenja ili ubrizgavanjem ulja u kontaktni prostor.

U takvim prekidačima kao sredstvo za gašenje luka koristi se plin sumpor heksafluorid (SF6). Ima jaku sklonost apsorbiranju slobodnih elektrona. Kontakti prekidača se otvaraju u struji visokog tlaka (SF6) između njih (vidi sliku ispod). Plin hvata slobodne elektrone u luku i formira višak sjedećih negativnih iona. Broj elektrona u luku se brzo smanjuje i on se gasi.