Proces vzniku elektrického oblouku a způsoby jeho zhášení

Při otevření elektrického obvodu vzniká elektrický výboj ve formě elektrického oblouku. Pro vznik elektrického oblouku stačí, aby napětí kontaktů bylo nad 10 V při proudu v obvodu řádově 0,1 A nebo více. Při významných napětích a proudech může teplota uvnitř oblouku dosáhnout 3-15 tisíc ° C, v důsledku čehož se kontakty a živé části roztaví.

Při napětí 110 kV a vyšším může délka oblouku dosáhnout několika metrů. Proto je elektrický oblouk, zejména v obvodech vysokého výkonu, pro napětí nad 1 kV velkým nebezpečím, i když vážné následky mohou mít i instalace pro napětí pod 1 kV. V důsledku toho musí být oblouk co nejvíce omezen a rychle uhašen v obvodech pro napětí nad i pod 1 kV.

Příčiny elektrického oblouku

Proces vytváření elektrického oblouku lze zjednodušit následovně.Když se kontakty rozcházejí, kontaktní tlak nejprve klesá a kontaktní plocha se odpovídajícím způsobem zvětšuje, přechodový odpor (proudová hustota a teplota — začíná lokální (v určitých oblastech kontaktní plochy) přehřívání, které dále přispívá k termionickému záření, kdy se vlivem vysoké teploty zvyšuje rychlost elektronů a dochází k jejich praskání z povrchu elektrody.

V okamžiku oddělení kontaktů, to znamená, že obvod je přerušen, se napětí v mezeře kontaktů rychle obnoví. Protože v tomto případě je vzdálenost mezi kontakty malá, existuje elektrické pole vysoké napětí, pod jehož vlivem jsou elektrony stahovány z povrchu elektrody. Zrychlují se v elektrickém poli a když narazí na neutrální atom, dávají mu svou kinetickou energii. Pokud je tato energie dostatečná k odtržení alespoň jednoho elektronu z obalu neutrálního atomu, dochází k procesu ionizace.

Vytvořené volné elektrony a ionty tvoří plazma kmene oblouku, tedy ionizovaný kanál, ve kterém oblouk hoří a je zajištěn nepřetržitý pohyb částic. V tomto případě se záporně nabité částice, hlavně elektrony, pohybují v jednom směru (směrem k anodě) a atomy a molekuly plynů zbavené jednoho nebo více elektronů – kladně nabitých částic – v opačném směru (směrem ke katodě).

Plazmatická vodivost se blíží vodivosti kovů.

V hřídeli oblouku protéká velký proud a vzniká vysoká teplota.Tato teplota obloukového válce vede k tepelné ionizaci — procesu tvorby iontů v důsledku srážky molekul a atomů s vysokou kinetickou energií při vysokých rychlostech jejich pohybu (molekuly a atomy prostředí, kde hoří oblouk, se rozpadají na elektrony a kladně nabité ionty). Intenzivní tepelná ionizace udržuje vysokou vodivost plazmatu. Proto je úbytek napětí podél oblouku malý.

V elektrickém oblouku neustále probíhají dva procesy: kromě ionizace také deionizace atomů a molekul. K tomu druhému dochází především difúzí, tedy přenosem nabitých částic do prostředí a rekombinací elektronů a kladně nabitých iontů, které se opětovně skládají na neutrální částice s návratem energie vynaložené na jejich rozpad. V tomto případě je teplo odváděno do okolí.

Lze tedy rozlišit tři stupně uvažovaného procesu: zapálení oblouku, kdy vlivem šokové ionizace a emise elektronů z katody začne obloukový výboj a intenzita ionizace je vyšší než deionizace, stabilní hoření oblouku podporované tepelná ionizace v obloukovém válci, když jsou intenzity ionizace a deionizace stejné, vymizení oblouku, když je intenzita deionizace vyšší než intenzita ionizace.

Způsoby zhášení oblouku v elektrických spínacích zařízeních

K odpojení prvků elektrického obvodu a vyloučení poškození spínacího zařízení je nutné nejen otevřít jeho kontakty, ale také uhasit oblouk, který se mezi nimi objeví. Procesy zhášení oblouku, stejně jako hoření, se střídavým proudem a stejnosměrným proudem jsou různé.To je určeno skutečností, že v prvním případě proud v oblouku prochází nulou každou polovinu cyklu. V těchto chvílích se uvolňování energie v oblouku zastaví a oblouk samovolně zhasne a poté se pokaždé znovu zapálí.

V praxi se proud v oblouku přiblíží k nule o něco dříve než při průchodu nulou, protože jak se proud snižuje, energie dodávaná do oblouku klesá a teplota oblouku se odpovídajícím způsobem snižuje a tepelná ionizace ustává. V tomto případě deionizační proces intenzivně pokračuje v obloukové mezeře. Pokud v tomto okamžiku otevřete a rychle otevřete kontakty, nemusí dojít k následnému elektrickému přerušení a obvod bude odpojen bez oblouku. V praxi je to však extrémně obtížné, a proto jsou přijímána speciální opatření k urychlení zhášení oblouku, zajištění chlazení prostoru oblouku a snížení počtu nabitých částic.

V důsledku deionizace se postupně zvyšuje dielektrická pevnost mezery a zároveň se v ní zvyšuje zotavovací napětí. Poměr těchto hodnot závisí na tom, zda se duha v další polovině období rozsvítí nebo ne. Pokud se dielektrická pevnost mezery zvyšuje rychleji a je větší než zotavovací napětí, oblouk se již nezapálí, jinak bude zajištěn stabilní oblouk. První podmínka definuje problém zhášení oblouku.

V rozváděčích se používají různé metody zhášení oblouku.

Prodloužení oblouku

Pokud se kontakty při rozpojování elektrického obvodu rozcházejí, výsledný oblouk se natahuje.Současně se zlepšují podmínky chlazení oblouku, protože se zvětšuje jeho povrch a pro hoření je potřeba větší napětí.

Rozdělení dlouhého oblouku na sérii krátkých oblouků

Pokud se oblouk vzniklý při rozepnutí kontaktů rozdělí na K krátkých oblouků, například zatažením do kovové mřížky, zhasne. Oblouk je typicky zaváděn do kovové mřížky vlivem elektromagnetického pole indukovaného v mřížkových deskách vířivými proudy. Tento způsob zhášení oblouku je široce používán v rozvaděčích pro napětí pod 1 kV, zejména v automatických vzduchových spínačích.

Obloukové chlazení v úzkých štěrbinách

Je usnadněno hašení malých oblouků. Proto v spínací zařízení zhášecí komory s podélnými štěrbinami jsou široce používány (osa takové štěrbiny se shoduje ve směru s osou obloukového válce). Taková mezera je obvykle vytvořena v komorách vyrobených z izolačních materiálů odolných proti oblouku. Vlivem kontaktu oblouku se studenými povrchy dochází k jeho intenzivnímu ochlazování, difúzi nabitých částic do okolí a tím pádem k rychlé deionizaci.

Kromě štěrbin s plochými paralelními stěnami se používají také štěrbiny s žebry, výstupky, nástavce (kapsy). To vše vede k deformaci obloukového válce a zvětšuje plochu jeho kontaktu se studenými stěnami komory.

Oblouk je tažen do úzkých štěrbin obvykle magnetickým polem interagujícím s obloukem, který lze považovat za vodič s proudem.

Externí magnetické pole pohyb oblouku zajišťuje nejčastěji cívka zapojená do série s kontakty, mezi kterými oblouk vzniká.Zhášení oblouku s úzkou štěrbinou se používá v zařízeních pro všechna napětí.

Hašení vysokotlakého oblouku

Při konstantní teplotě se s rostoucím tlakem snižuje stupeň ionizace plynu, zatímco tepelná vodivost plynu roste. Pokud jsou všechny ostatní věci stejné, výsledkem je zlepšené chlazení oblouku. Zhášení oblouku vysokým tlakem, vytvořené samotným obloukem v těsně uzavřených komorách, je široce používáno v pojistkách a řadě dalších zařízení.

Hašení oblouku v oleji

Li spínací kontakty v oleji, oblouk, který vzniká při jejich otevření, vede k intenzivnímu odpařování oleje. V důsledku toho se kolem oblouku vytvoří plynová bublina (obálka), která se skládá převážně z vodíku (70 ... 80%) a také z olejových par. Emitované plyny pronikají vysokou rychlostí přímo do oblasti obloukového válce, způsobují promíchání studeného a horkého plynu v bublině, zajišťují intenzivní chlazení a tím i deionizaci obloukové mezery. Deionizační schopnost plynů navíc zvyšuje tlak uvnitř bubliny vzniklé při rychlém rozkladu ropy.

Intenzita procesu zhášení oblouku v oleji je tím vyšší, čím blíže se oblouk dostává do kontaktu s olejem a čím rychleji se olej pohybuje vzhledem k oblouku. Vzhledem k tomu je oblouková mezera omezena uzavřeným izolačním zařízením - zhášecí komorou... V těchto komorách dochází k užšímu kontaktu oleje s obloukem a pomocí izolačních desek a vypouštěcích otvorů se vytvářejí pracovní kanály prostřednictvím kterého dochází k pohybu oleje a plynů, zajišťujících intenzivní vyfukování (vyfukování) oblouku.

Zhášecí komory podle principu činnosti se dělí do tří hlavních skupin: se samofoukáním, kdy se v oblasti oblouku vytváří vysoký tlak a rychlost pohybu plynu v důsledku energie uvolněné v oblouku, s nucené foukání oleje pomocí speciálních čerpacích hydraulických mechanismů, s magnetickým kalením v oleji, když je oblouk pod působením magnetického pole, pohybuje se do úzkých mezer.

Nejúčinnější a nejjednodušší samonafukovací zhášedla... Podle umístění kanálů a výfukových otvorů se rozlišují komory, ve kterých se intenzivně fouká směs plyn-pára a olej podél proudu oblouku (podélné foukání) popř. přes oblouk (příčné foukání) je zajištěno ). Uvažované způsoby zhášení oblouku jsou široce používány v jističích pro napětí nad 1 kV.

Jiné způsoby zhášení oblouku v zařízeních pro napětí nad 1 kV

Kromě výše uvedených způsobů zhášení oblouku využívají také: stlačený vzduch, jehož proud fouká oblouk podél nebo napříč a zajišťuje jeho intenzivní chlazení (místo vzduchu se používají jiné plyny, často získávané z pevných plynotvorných látek). materiály — vlákna, vinylový plast atd. — na úkor jejich rozkladu samotným hořícím obloukem), SF6 (fluorid sírový), který má vyšší elektrickou pevnost než vzduch a vodík, v důsledku čehož oblouk hořící v tomto plynu i při atmosférickém tlaku rychle uhasne, vysoce zředěný plyn (vakuum) při rozepnutí kontaktů, ve kterém se oblouk nemění nezapálí (zhasne) po prvním průchodu proudu nulou.