) с большим током, низким напряжением, высокой температурой. Это явление как электрическое, так и тепловое.
Может возникать между двумя контактами при их размыкании.
Обратимся к ВАХ-диаграмме:
На данном графике у нас зависимость тока от напряжения, немного не в масштабе, но так нагляднее. Значит, есть три области:
Механизм возникновения дуги может быть следующий: контакты размыкаются и между ними возникает разряд. В процессе размыкания воздух между контактами ионизируется, обретая свойства проводника, затем возникает дуга. Зажигание дуги - это процессы ионизации воздушного промежутка, гашение дуги - явления деионизации воздушного промежутка.
В начале горения дуги преобладают процессы ионизации, когда дуга устойчива, то процессы ионизации и деионизации происходят одинаково часто, как-только процессы деионизации начинают преобладать над процессами ионизации - дуга гаснет.
ионизация:
деионизация:
Бывают ситуации, когда при размыкании контактов дуга не загорается, тогда говорят о безыскровом разрыве. Такое возможно при малых значениях тока и напряжения, или при отключении в момент, когда значение тока проходит через ноль.
Дуга может возникать как при постоянном токе-напряжении, так и при переменном. Начнем рассмотрение с постоянки:
Анодная и катодная области - размер=10 -4 см; суммарное падение напряжения=15-30В; напряженность=10 5 -10 6 В/см; в катодной области происходит процесс ударной ионизации из-за высокой напряженности, образовавшиеся в результате ионизации электроны и ионы образуют плазму дуги, которая обладает высокой проводимостью, данная область отвечает за разжигание дуги.
Ствол дуги - падение напряжения пропорционально длине дуги; плотность тока порядка 10кА на см 2 , за счет чего и температура порядка 6000К и выше. В данной области дуги происходят процессы термоионизации, данная область отвечает за поддержание горения.
ВАХ дугового разряда постоянного тока
Эта кривая соответствует кривой 3 на самом верхнем рисунке. Тут есть:
Если ток уменьшить от Io до 0 мгновенно, то получится прямая, которая лежит снизу. Эти кривые характеризуют дуговой промежуток как проводник, показывают какое напряжение нужно приложить, чтобы создать в промежутке дугу.
Чтобы погасить дугу постоянного тока, необходимо, чтобы процессы деионизации преобладали над процессами ионизации.
Сопротивление дуги:
Если разорвать цепь амперметра под нагрузкой, то тоже можно увидеть дугу.
Особенностью дуги переменного тока является её поведение во времени. Если посмотреть на график ниже, то видно, что дуга каждый полупериод проходит через ноль.
Видно, что ток отстает от напряжения примерно на 90 градусов. Вначале появляется ток и резко повышается напряжение до величины зажигания (Uз). Далее ток продолжает расти, а падение напряжения снижается. В точке максимального амплитудного значения тока, значение напряжения дуги минимальное. Далее ток стремится к нулю, а падение напряжения опять возрастает до значения гашения (Uг), которое соответствует моменту, когда ток переходит через ноль. Далее всё повторяется опять. Слева от временной характеристики приведена вольт-амперная характеристика.
Особенностью переменной дуги, кроме её зажигания и гашения на протяжении полупериода, является то, как ток пересекает ноль. Это происходит не по форме синусоиды, а более резко. Образуется бестоковая пауза, во время которой происходят знакомые нам процессы деионизации. То есть возрастает сопротивление дугового промежутка. И чем больше возрастет сопротивление, тем сложнее будет дуге обратно зажечься.
Если дуге дать гореть достаточно долго, то уничтожению подлежат не только контакты, но и само электрооборудование. Условия для гашения дуги заложены на стадии проектирования, постоянно внедряются новые методы борьбы с этим вредным явлением в коммутационных аппаратах.
Само по себе явление дуги не является полезным для электрооборудования, так как ведет к ухудшению эксплуатационных свойств контактов: выгорание, коррозия, механическое повреждение.
Но не всё так печально, потому что светлые умы нашли полезное применение дуговому разряду - использование в дуговой сварке, металлургии, осветительной технике, ртутных выпрямителях.
Последние статьи
Самое популярное
1. Условия возникновения и горения дуги
Размыкание электрической цепи при наличии в ней тока сопровождается электрическим разрядом между контактами. Если в отключаемой цепи ток и напряжение между контактами больше, чем критические для данных условий, то между контактами возникает дуга , продолжительность горения которой зависит от параметров цепи и условий деионизации дугового промежутка. Образование дуги при размыкании медных контактов возможно уже при токе 0,4-0,5 А и напряжении 15 В.
Рис. 1. Расположение в стационарной дуге постоянного тока напряжения U(a) и напряженности Е(б).
В дуге различают околокатодное пространство, ствол дуги и околоанодное пространство (рис. 1). Все напряжение распределяется между этими областями U к, U сд, U а. Катодное падение напряжения в дуге постоянного тока 10-20 В, а длина этого участка составляет 10–4-10–5 см, таким образом, около катода наблюдается высокая напряженность электрического поля (105-106 В/см). При таких высоких напряженностях происходит ударная ионизация. Суть ее заключается в том, что электроны, вырванные из катода силами электрического поля (автоэлектронная эмиссия) или за счет нагрева катода (термоэлектронная эмиссия), разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать один электрон с оболочки нейтрального атома, то произойдет ионизация. Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги.
Рис. 2. .
Проводимость плазмы приближается к проводимости металлов [у = 2500 1/(Ом×см)]/ В стволе дуги проходит большой ток и создается высокая температура. Плотность тока может достигать 10 000 А/см2 и более, а температура - от 6000 К при атмосферном давлении до 18000 К и более при повышенных давлениях.
Высокие температуры в стволе дуги приводят к интенсивной термоионизации, которая поддерживает большую проводимость плазмы.
Термоионизация - процесс образования ионов за счет соударения молекул и атомов, обладающих большой кинетической энергией при высоких скоростях их движения.
Чем больше ток в дуге, тем меньше ее сопротивление, а поэтому требуется меньшее напряжение для горения дуги, т. е. дугу с большим током погасить труднее.
При переменном токе напряжение источника питания u cд меняется синусоидально, так же меняется ток в цепи i (рис. 2), причем ток отстает от напряжения примерно на 90°. Напряжение на дуге u д, горящей между контактами выключателя, непостоянно. При малых токах напряжение возрастает до величины u з (напряжения зажигания), затем по мере увеличения тока в дуге и роста термической ионизации напряжение падает. В конце полупериода, когда ток приближается к нулю, дуга гаснет при напряжении гашения u г. В следующий полупериод явление повторяется, если не приняты меры для деионизации промежутка.
Если дуга погашена теми или иными способами, то напряжение между контактами выключателя должно восстановиться до напряжения питающей сети - u вз (рис. 2, точка А). Однако поскольку в цепи имеются индуктивные, активные и емкостные сопротивления, возникает переходный процесс, появляются колебания напряжения (рис. 2), амплитуда которых U в,max может значительно превышать нормальное напряжение. Для отключающей аппаратуры важно, с какой скоростью восстанавливается напряжение на участке АВ. Подводя итог, можно отметить, что дуговой разряд начинается за счет ударной ионизации и эмиссии электронов с катода, а после зажигания дуга поддерживается термоионизацией в стволе дуги.
В коммутационных аппаратах необходимо не только разомкнуть контакты, но и погасить возникшую между ними дугу.
В цепях переменного тока ток в дуге каждый полупериод проходит через нуль (рис. 2), в эти моменты дуга гаснет самопроизвольно, но в следующий полупериод она может возникнуть вновь. Как показывают осциллограммы, ток в дуге становится близким нулю несколько раньше естественного перехода через нуль (рис. 3, а ). Это объясняется тем, что при снижении тока энергия, подводимая к дуге, уменьшается, следовательно, уменьшается температура дуги и прекращается термоионизация. Длительность бестоковой паузы t п невелика (от десятков до нескольких сотен микросекунды), но играет важную роль в гашении дуги. Если разомкнуть контакты в бестоковую паузу и развести их с достаточной скоростью на такое расстояние, чтобы не произошел электрический пробой, то цепь будет отключена очень быстро.
Во время бестоковой паузы интенсивность ионизации сильно падает, так как не происходит термоионизации. В коммутационных аппаратах, кроме того, принимаются искусственные меры охлаждения дугового пространства и уменьшения числа заряженных частиц. Эти процессы деионизации приводят к постепенному увеличению электрической прочности промежутка u пр (рис. 3, б ).
Резкое увеличение электрической прочности промежутка после перехода тока через нуль происходит главным образом за счет увеличения прочности околокатодного пространства (в цепях переменного тока 150-250В). Одновременно растет восстанавливающееся напряжение u в. Если в любой момент u пр > u в промежуток не будет пробит, дуга не загорится вновь после перехода тока через нуль. Если в какой-то момент u пр = u в, то происходит повторное зажигание дуги в промежутке.
Рис. 3. :
а – погасание дуги при естественном переходе тока через нуль; б – рост электрической прочности дугового промежутка при переходе тока через нуль
Таким образом, задача гашения дуги сводится к созданию таких условий, чтобы электрическая прочность промежутка между контактами u пр была больше напряжения между ними u в.
Процесс нарастания напряжения между контактами отключаемого аппарата может носить различный характер в зависимости от параметров коммутируемой цепи. Если отключается цепь с преобладанием активного сопротивления, то напряжение восстанавливается по апериодическому закону; если в цепи преобладает индуктивное сопротивление, то возникают колебания, частоты которых зависят от соотношения емкости и индуктивности цепи. Колебательный процесс приводит к значительным скоростям восстановления напряжения, а чем больше скорость du в/dt , тем вероятнее пробой промежутка и повторное зажигание дуги. Для облегчения условий гашения дуги в цепь отключаемого тока вводятся активные сопротивления, тогда характер восстановления напряжения будет апериодическим (рис. 3, б ).
3. Способы гашения дуги в коммутационных аппаратах до 1000 В
В коммутационных аппаратах до 1 кВ широко используются следующие способы гашения дуги:
Удлинение дуги при быстром расхождении контактов.
Чем длиннее дуга, тем большее напряжение необходимо для ее существования. Если напряжение источника питания окажется меньше, то дуга гаснет.
Деление длинной дуги на ряд коротких (рис. 4, а
).
Как показано на рис. 1, напряжение на дуге складывается из катодного U
к и анодного U
а падений напряжений и напряжения ствола дуги U
сд:
U д=U к+U а+U сд=U э+ U сд.
Если длинную дугу, возникшую при размыкании контактов, затянуть в дугогасительную решетку из металлических пластин, то она разделится на N коротких дуг. Каждая короткая дуга будет иметь свое катодное и анодное падения напряжений U э. Дуга гаснет, если:
U n U э,
где U - напряжение сети; U э - сумма катодного и анодного падений напряжения (20-25 В в дуге постоянного тока).
Дугу переменного тока также можно разделить на N коротких дуг. В момент прохождения тока через нуль околокатодное пространство мгновенно приобретает электрическую прочность 150-250 В.
Дуга гаснет, если
Гашение дуги в узких щелях.
Если дуга горит в узкой щели, образованной дугостойким материалом, то благодаря соприкосновению с холодными поверхностями происходит интенсивное охлаждение и диффузия заряженных частиц в окружающую среду. Это приводит к быстрой деионизации и гашению дуги.
Рис. 4.
а – деление длинной дуги на короткие; б – затягивание дуги в узкую щель дугогасительной камеры; в – вращение дуги в магнитном поле; г – гашение дуги в масле: 1 – неподвижный контакт; 2 – ствол дуги; 3 – водородная оболочка; 4 – зона газа; 5 – зона паров масла; 6 – подвижный контакт
Движение дуги в магнитном поле.
Электрическая дуга может рассматриваться как проводник с током. Если дуга находится в магнитном поле, то на нее действует сила, определяемая по правилу левой руки. Если создать магнитное поле, направленное перпендикулярно оси дуги, то она получит поступательное движение и будет затянута внутрь щели дугогасительной камеры (рис. 4, б ).
В радиальном магнитном поле дуга получит вращательное движение (рис. 4, в ). Магнитное поле может быть создано постоянными магнитами, специальными катушками или самим контуром токоведущих частей. Быстрое вращение и перемещение дуги способствует ее охлаждению и деионизации.
Последние два способа гашения дуги (в узких щелях и в магнитном поле) применяются также в отключающих аппаратах напряжением выше 1 кВ.
4. Основные способы гашения дуги в аппаратах выше 1 кВ.
В коммутационных аппаратах свыше 1 кВ применяются способы 2 и 3 описанные в п.п. 1.3. а также широко применяются следующие способы гашения дуги:
1. Гашение дуги в масле .
Если контакты отключающего аппарата поместить в масло, то возникающая при размыкании дуга приводит к интенсивному газообразованию и испарению масла (рис. 4, г ). Вокруг дуги образуется газовый пузырь, состоящий в основном из водорода (70-80 %); быстрое разложение масла приводит к повышению давления в пузыре, что способствует ее лучшему охлаждению и деионизации. Водород обладает высокими дугогасящими свойствами. Соприкасаясь непосредственно со стволом дуги, он способствует ее деионизации. Внутри газового пузыря происходит непрерывное движение газа и паров масла. Гашение дуги в масле широко применяется в выключателях.
2. Газовоздушное дутье .
Охлаждение дуги улучшается, если создать направленное движение газов - дутье. Дутье вдоль или поперек дуги (рис. 5) способствует проникновению газовых частиц в ее ствол, интенсивной диффузии и охлаждению дуги. Газ создается при разложении масла дугой (масляные выключатели) или твердых газогенерирующих материалов (автогазовое дутье). Более эффективно дутье холодным неионизированным воздухом, поступающим из специальных баллонов со сжатым воздухом (воздушные выключатели).
3. Многократный разрыв цепи тока .
Отключение большого тока при высоких напряжениях затруднительно. Это объясняется тем, что при больших значениях подводимой энергии и восстанавливающегося напряжения деионизация дугового промежутка усложняется. Поэтому в выключателях высокого напряжения применяют многократный разрыв дуги в каждой фазе (рис. 6). Такие выключатели имеют несколько гасительных устройств, рассчитанных на часть номинального на
пряжения. Число разрывов на фазу зависит от типа выключателя и его напряжения. В выключателях 500-750 кВ может быть 12 разрывов и более. Чтобы облегчить гашение дуги, восстанавливающееся напряжение должно равномерно распределяться между разрывами. На рис. 6 схематически показан масляный выключатель с двумя разрывами на фазу.
При отключении однофазного КЗ восстанавливающееся напряжение распределится между разрывами следующим образом:
U 1/U 2 = (C 1+C 2)/C 1
где U 1 ,U 2 - напряжения, приложенные к первому и второму разрывам; С 1 – емкость между контактами этих разрывов; C 2 – емкость контактной системы относительно земли.
Рис. 6. Распределение напряжения по разрывам выключателя: а – распределение напряжения по разрывам масляного выключателя; б – емкостные делители напряжения; в – активные делители напряжения.
Так как С 2 значительно больше C 1, то напряжение U 1 > U 2 и, следовательно, гасительные устройства будут работать в неодинаковых условиях. Для выравнивания напряжения параллельно главным контактам выключателя (ГК) включают емкости или активные сопротивления (рис. 16, б , в ). Значения емкостей и активных шунтирующих сопротивлений подбирают так, чтобы напряжение на разрывах распределялось равномерно. В выключателях с шунтирующими сопротивлениями после гашения дуги между ГК сопровождающий ток, ограниченный по значению сопротивлениями, разрывается вспомогательными контактами (ВК).
Шунтирующие сопротивления уменьшают скорость нарастания восстанавливающегося напряжения, что облегчает гашение дуги.
4. Гашение дуги в вакууме .
Высокоразреженный газ (10-6-10-8 Н/см2) обладает электрической прочностью, в десятки раз большей, чем газ при атмосферном давлении. Если контакты размыкаются в вакууме, то сразу же после первого прохождения тока в дуге через нуль прочность промежутка восстанавливается и дуга не загорается вновь.
5. Гашение дуги в газах высокого давления .
Воздух при давлении 2 МПа и более обладает высокой электрической прочностью. Это позволяет создавать достаточно компактные устройства для гашения дуги в атмосфере сжатого воздуха. Еще более эффективно применение высокопрочных газов, например шестифторисгой серы SF6 (элегаз). Элегаз обладает не только большей электрической прочностью, чем воздух и водород, но и лучшими дугогасящими свойствами даже при атмосферном давлении.
В статье узнаете что такое электрическая дуга, вспышка, как она появляется, историю происхождения, а также ее опасность, что происходит во время электрической дуги и как себя обезопасить.
Электробезопасность имеет первостепенное значение для поддержания любого эффективного и производительного объекта, и одной из самых серьезных угроз для безопасности работников является электрическая дуга и вспышка дуги. Советуем вам статье .
Электрические пожары приводят к катастрофическим повреждениям, а в промышленных условиях они часто бывают вызваны электрическими дугами того или иного типа. В то время как некоторые типы электрических дуг трудно не заметить, «вспышка дуги громкая и сопровождается большим ярким взрывом», некоторые электрические дуги, такие как дуговой разряд, более тонкие, но могут быть столь же разрушительными. Неисправности дуги часто являются причиной электрических пожаров в жилых и коммерческих зданиях.
Проще говоря, электрическая дуга — это электрический ток, который намеренно или непреднамеренно разряжается через зазор между двумя электродами через газ, пар или воздух и создает относительно низкое напряжение на проводниках. Тепло и свет, производимые этой дугой, обычно интенсивны и могут использоваться для специальных применений, таких как дуговая сварка или освещения. Непреднамеренные дуги могут иметь разрушительные последствия, такие как: пожары, опасность поражения электрическим током и повреждение имущества.
Электрическая дуга
В 1801 году британский химик и изобретатель сэр Хэмфри Дэви продемонстрировал электрическую дугу своим товарищам в Лондонском королевском обществе и предложил название — электрическая дуга. Эти электрические дуги, выглядят как неровные удары молнии. За этой демонстрацией последовали дальнейшие исследования электрической дуги, показал русский ученый Василий Петров в 1802 году. Дальнейшие успехи в ранних исследованиях электрической дуги позволили получить такие важные в отрасли изобретения, как дуговая сварка.
По сравнению с искрой, которая является только мгновенной, дуговой разряд представляет собой непрерывный электрический ток, который выделяет так много тепла от несущих зарядов ионов или электронов, что он может испарять или плавить что-либо в пределах диапазона дуги. Дуга может поддерживаться в электрических цепях постоянного или переменного тока, и она должна включать в себя некоторое сопротивление, чтобы повышенный ток не оставался без контроля и полностью разрушал фактический источник цепи с его потреблением тепла и энергии.
При правильном использовании электрические дуги могут иметь полезные цели. На самом деле, каждый из нас выполняет ряд ежедневных задач благодаря ограниченному применению электрических дуг.
Электрические дуги используются в:
Электрические дуги также могут быть чрезвычайно опасными, если они не преднамеренны в использовании. Ситуации, когда электрическая дуга создается в неконтролируемой среде, как в случае вспышки дуги, могут привести к травмам, смерти, пожару, повреждению оборудования и потере имущества.
Чтобы защитить работников от электрических дуг, компании должны использовать следующие продукты дуговой вспышки, чтобы уменьшить вероятность возникновения электрических дуг и уменьшить ущерб в случае их возникновения лучше использовать
Перчатки с защитным дуговым разрядом — эти перчатки предназначены для защиты рук от поражения электрическим током и сведения к минимуму травм в случае электрического проишествия.
Определение дуговых вспышек — нежелательный электрический разряда, который проходит через воздух между проводниками или из проводника к земле. Вспышка дуги является частью дугового разряда, который является примером электрического взрыва, вызванного соединением с низким импедансом, которое проходит через воздух к земле.
Когда возникает дуговая вспышка, она создает очень яркий свет и интенсивное тепло. Кроме того, он может создать дугу, которая может вызвать травмирующую силу, которая может серьезно ранить кого-либо в этом районе или повредить что-либо поблизости.
Вспышка дуги начинается, когда электричество покидает намеченный путь, и начинает распространяться по воздуху в направлении заземленной зоны. Как только это происходит, он ионизирует воздух, что еще больше снижает общее сопротивление вдоль пути, по которому идет дуга. Это помогает привлечь дополнительную электрическую энергию.
Дуга будет двигаться таким образом, чтобы найти ближайшее расстояние к земле. Точное расстояние, которое может пройти вспышка дуги, называется границей вспышки дуги . Это определяется потенциальной энергией и множеством других факторов, таких как температура воздуха и влажность.
При работе по повышению безопасности вспышки дуги, установка будет часто отмечать границу вспышки дуги, используя клейкую ленту для пола. Любой, кто работает в этой области, должен будет носить средства индивидуальной защиты (СИЗ).
Одной из самых больших опасностей, связанных с вспышкой дуги, является чрезвычайно высокая температура, которую она может создать. В зависимости от ситуации, они могут достигать высоких температур в 35000 градусов по Фаренгейту или 19426.667 градусов Цельсия. Это одна из самых высоких температур в мире, которая примерно в 4 раза выше, чем на поверхности Солнца.
Даже если фактическое электричество не касается человека, тело человека получит колоссальные повреждения, если он находится рядом с ним. В дополнение к прямым ожогам, эти температуры могут что-то поджечь в этом районе.
Следующее видео показывает, насколько быстрой и взрывной может быть вспышка дуги. На этом видео показана управляемая вспышка дуги с «испытательным манекеном»:
Вспышка дуги может длиться где-то от доли секунды до нескольких секунд, в зависимости от ряда факторов. Большинство вспышек дуги не длятся очень долго, потому что источник электричества быстро отключается автоматическими выключателями или другим защитным оборудованием.
Самые современные системы в настоящее время используют устройства, известные как элиминаторы дуги, которые обнаруживают и гасят дугу всего за несколько миллисекунд.
Однако, если система не имеет какого-либо типа защиты, вспышка дуги будет продолжаться до тех пор, пока поток электричества не прекратится физически. Это может произойти, когда работник физически отключает электричество от зоны или когда повреждение, вызванное вспышкой дуги, становится достаточно серьезным, чтобы каким-то образом остановить поток электричества.
Посмотрите на реальный пример дуговой вспышки, которая продолжается в течение длительного периода времени, в следующем видео. К счастью, люди на видео были одеты в свои средства индивидуальной защиты и остались без травм. Мощный взрыв, громкий шум, яркий свет и огромная температура — все это чрезвычайно опасно.
Из-за высоких температур, интенсивных взрывов и других результатов дуговой вспышки, дуговые вспышки могут очень быстро нанести большой ущерб. Понимание различных типов повреждений, которые могут возникнуть, может помочь предприятиям планировать свои обязанности по обеспечению безопасности.
Ношение средств индивидуальной защиты может обеспечить значительную степень защиты, но не может устранить все риски. Сотрудники, которые присутствуют при возникновении дуговой вспышки, всегда находятся под угрозой, независимо от того, какие СИЗ они носят.
Вспышки дуги могут возникать по разным причинам. В большинстве случаев основной причиной будет поврежденный элемент оборудования, такой как провод. Это также может быть результатом того, что кто-то работает над оборудованием, что позволяет электричеству выходить с пути, к которому он обычно привязан.
Даже когда есть потенциальный путь за пределами проводки, электричество будет идти по пути наименьшего сопротивления. Вот почему вспышка дуги не обязательно произойдет, как только что-то будет повреждено или появится альтернативный путь. Вместо этого электричество будет продолжать идти по намеченному пути, пока не станет доступен другой вариант с меньшим сопротивлением.
Вот некоторые вещи, которые могут создать путь с меньшим сопротивлением и, следовательно, вызвать вспышку дуги:
Первый шаг в безопасности вспышки дуги сводит к минимуму риск возникновения. Это можно сделать, выполнив оценку электрического риска, которая может помочь определить, где находятся самые большие опасности на объекте. IEEE 1584 является хорошим вариантом для большинства объектов и поможет выявить общие проблемы.
Регулярные проверки всего высоковольтного оборудования и всей проводки являются еще одним важным шагом. Если есть какие-либо признаки коррозии, повреждения проводов или другие проблемы, их следует устранить как можно скорее. Это поможет безопасно хранить электрические токи внутри машин и проводов.
Некоторые конкретные области, которые должны быть проверены, включают в себя любые электрические распределительные щиты, щиты управления, панели управления, корпуса розеток и центры управления двигателями.
В любом месте на объекте, где могут существовать высокие электрические токи, должны быть надлежащим образом отмечены предупреждающими метками дуги. Они могут быть приобретены предварительно изготовленными или распечатаны на любом промышленном принтере этикеток по мере необходимости. В статье 110.16 Национального электротехнического кодекса четко указано, что этот тип оборудования должен иметь маркировку для предупреждения людей о рисках.
Всякий раз, когда машина требует какой-либо работы, она должна быть полностью обесточена. Обесточивание машины — это больше, чем просто выключение. Все машины должны быть отключены и физически отключены от любого источника питания. После отсоединения следует также проверить напряжение, чтобы убедиться, что скрытая энергия не накапливалась.
В идеале должна существовать политика блокировки, которая установит физическую блокировку источника питания, чтобы его нельзя было случайно подключить обратно, пока кто-то работает на машине.
По возможности, автоматические выключатели должны быть установлены на всех машинах. Эти автоматические выключатели быстро обнаружат внезапный скачок напряжения и немедленно остановят поток. Даже при использовании автоматических выключателей может возникнуть дуговая вспышка, но она будет длиться лишь часть времени, так как электрический ток будет отключен.
Однако даже очень короткая вспышка дуги может привести к смертельному исходу, поэтому автоматические выключатели не должны рассматриваться как достаточная программа обеспечения безопасности вспышки дуги.
Все объекты должны учитывать различные стандарты безопасности при использовании дуговых вспышек, которые были установлены государственными и частными учреждениями. Определение того, какие стандарты должны соблюдаться, может помочь обеспечить соответствие объекта местным правилам и нормам, а также обеспечить безопасность объекта.
Ниже приведены наиболее распространенные стандарты безопасности дуговой электрической вспышки:
В коммутационных электрических аппаратах, предназначенных для замыкания и размыкания цепи с током, при отключении возникает электрический разряд в газе либо в виде в виде тлеющего разряда , либо в виде дуги . Тлеющий разряд возникает когда ток ниже 0,1А, а напряжение на контактах 250-300В. Тлеющий разряд встречается на контактах маломощных реле. Дуговой разряд наблюдается только при больших токах. Минимальный ток для металлов 0,4-0,9А.
Рис. 15. Области дугового разряда
Околокатодная область занимает весьма небольшое пространство (общая длина ее и анодной области порядка 10 -6 м). Падение напряжения на ней составляет 10-20В и практически не зависит от тока. Средняя напряженность электрического поля достигает 100кВ/см. Такая весьма высокая напряженность электрического поля, достаточная для ударной ионизации газа (воздуха при нормальном атмосферном давлении) или паров материала катода, обусловлена наличием в этой области нескомпенсированного положительного объемного заряда. Однако ввиду малой протяженности околокатодной области электроны не набирают скорости, достаточной для ударной ионизации. Чаще всего после удара атом переходит в возбужденное состояние (электрон атома переходит на более удаленную от ядра орбиту). Теперь для ионизации возбужденного атома требуется меньшая энергия. Такая ионизация называется ступенчатой . При ступенчатой ионизации необходим многократный (несколько десятков) удар электронов по атому.
Наличие нескомпенсированного положительного объемного заряда в значительной степени определяет чрезвычайно высокую плотность тока на катоде - 100-1000А/мм 2 .
Положительные ионы разгоняются в поле катодного падения напряжения и бомбардируют катод. При ударе ионы отдают свою энергию катоду, нагревая его и создавая условия для выхода электронов, происходит термоэлектронная эмиссия электронов с катода.
Область ствола электрической дуги представляет собой газообразную, термически возбужденную ионизированную квазинейтральную среду- плазму, в которой под действием электрического поля носители зарядов (электроны и ионы) движутся в направлении к электродам противоположного знака.
Средняя напряженность электрического поля около 20-30В/см, что недостаточно для ударной ионизации. Основным источником электронов и ионов является термическая ионизация, когда при большой температуре скорость нейтральных частиц увеличивается настолько, что при их столкновении происходит их ионизация.
Околоанодная область , имеющая весьма малую протяженность характеризуется также резким падением потенциала, обусловленным наличием нескомпенсированного отрицательного объемного заряда. Электроны разгоняются в поле анодного падения напряжения и бомбардируют анод который нагревается до температуры как правило большей чем температура катода. Околоанодная область не оказывает существенного влияния на возникновение и условие существования дугового разряда. Задача анода сводится к приему электронного потока из ствола дуги.
Если U c <(U к +U А), то дуга называется короткой, она характерна для некоторых низковольтных аппаратов.
Если U c >(U к +U А), то дуга называется длинной, она характерна для высоковольтных аппаратов.
Статическая вольт-амперная характеристика – устанавливает связь между различными значениями установившегося постоянного тока и падением напряжения на дуге при неизменной длине дуги и неизменных условиях ее горения. В этом случае при каждом значении установившегося постоянного тока устанавливается тепловой баланс (количество тепла выделяемого в дуге равно количеству тепла отдаваемого дугой в окружающую среду)
где m - показатель, зависящий от вида (способа) воздействия окружающей среды на ствол дуги; A m – постоянная, определяемая интенсивностью теплообмена в зоне ствола дуги при данном (m ) способе воздействия окружающей среды; l – длина дуги.
Характеристика имеет падающий характер. При увеличении силы тока возрастает термоэлектронная эмиссияэлектронов с катода и степень ионизации дуги вследствие чего снижается сопротивление дуги. Причем скорость снижения сопротивления дуги выше, чем скорость роста тока.
Динамическая вольт-амперная характеристика – устанавливает связь между током, изменяющемся определенным образом во времени и падением напряжения на дуге при неизменной длине дуги и неизменных условиях ее горения. В этом случае скорость изменения тока такова, что тепловой баланс не успевает установиться, изменение сопротивления дуги отстает от изменения тока.
При возрастании тока динамическая характеристика (кривая В на рис. 16) идет выше статистической (кривая А на рис. 16), так как при быстром росте тока сопротивление дуги падает медленнее, чем растет ток. При уменьшении – ниже, поскольку в этом режиме сопротивление дуги меньше, чем при медленном изменении тока (кривая С на рис. 16).
Условия стабильного горения и гашения дуги постоянного тока . Рассмотрим цепь постоянного тока (рис. 17).
Рис.17. Дуга в цепи постоянного тока
Для рассматриваемой цепи
Очевидно, что стационарным режимом, когда дуга горит стабильно будет такой, при котором ток в цепи не меняется, т. е. . В этом режиме скорость роста числа ионизированных частиц равна скорости их исчезновения в результате процессов деионизации -устанавливается динамическое равновесие.
На графике приведена падающая вольт-амперная характеристика дуги и наклонная прямая U-iR . Из (48) следует, что
Отсюда очевидно, что в точках 1 и 2. Причем точка 1 является точкой неустойчивого равновесия; случайные как угодно малые отклонения тока приводят или к увеличению тока до значения i 2 , или уменьшают его до нуля. В точке 2 дуга горит стабильно; случайные малые отклонения тока в ту или другую сторону приводят его к обратно к значению i 2 . Из графика видно, что дуга при всех значениях тока не может гореть стабильно если падение напряжения на дуге () превосходит напряжение подаваемое на дугу от источника ()
Таким образом, для гашения дуги необходимо создать условия при которых падение напряжения на дуге превосходило бы напряжение подаваемое на дугу от источника, в пределе напряжение сети.
Для гашения дуги используют три явления :
1. Увеличение длины дуги путём её растяжения.
Чем длиннее дуга, тем большее напряжение необходимо для ее существования (тем выше располагается ее вольт-амперная характеристика – (кривая U 1 д на рис.17). Если напряжение, подаваемое на дугу от источника (прямая ) окажется меньше вольт-амперной характеристики дуги – (кривая U 1 д), то нет условий стабильного горения дуги, дуга гаснет.
Это самый простой, но самый не эффективный способ. Например, для того, чтобы, например, погасить дугу с током 100A при напряжение 220 B требуетсярастянуть дугу на расстояние 25 ÷ 30 см, что практически в электрических аппаратах сделать невозможно (увеличиваются габариты). Поэтому данный способ используется в качестве основного только услаботочных электрических аппаратов (реле, магнитные пускатели, выключатели).
2. Воздействие на ствол дуги путём охлаждения, добиваясь увеличения продольного градиента напряжения.
Рис. 18. Гашение дуги в узких щелях
2.2 Гашение дуги в масле (рис.19). Если контакты отключающего аппарата поместить в масло, то возникающая при размыкании дуга приводит к интенсивному газообразованию и испарению масла. Вокруг дуги образуется газовый пузырь, состоящий в основном из водорода, обладающего высокими дугогасящими свойствами. Повышенное давление внутри газового пузыря способствует лучшему охлаждению дуги и ее гашению. Способ используется в аппаратах на напряжение выше 1000В.
Рис.20.Газовоздушное дутье: а - вдоль дуги, б - поперек дуги.
Способ используется в аппаратах на напряжение выше 1000В.
3. Используя околоэлектродное падение напряжения.
Деление длинной дуги на ряд коротких
(рис. 21). Если длинную дугу затянуть в дугогасительное устройство, имеющее металлические пластины (дугогасительную решетку), то она разделится на п
коротких дуг. У каждой пластины решётки возникают околоэлектродные падения напряжения. За счёт суммы околоэлектродных падений напряжений суммарное падение напряжения становится больше,чем даваемое источником питания, и дуга гаснет. Дуга гаснет, если U
Гашению дуги способствуют, используемые в качестве внутренней изоляции аппаратов на напряжение выше 1000В, высокоразряженные газы или газы высокого давления.
Гашение дуги в вакууме. Высокоразряженный газ обладает электрической прочностью в десятки раз большей, чем газ при атмосферном давлении; это используется в вакуумных контакторах и выключателях.
Гашение дуги в газах высокого давления. Воздух при давлении 2 МПа и более обладает высокой электрической прочностью, что позволяет создать компактные гасительные устройства в воздушных выключателях. Эффективно использование шестифтористой серы SF 6 (элегаза) для гашения дуги.
Условия гашения дуги переменного тока .
Пусть контакты разошлись в точке а. Между ними загорается дуга. К концу полупериода из-за уменьшения тока увеличивается сопротивление ствола дуги и соответственно увеличивается напряжение на дуге. При подходе тока к нулю к дуге подводится малая мощность, температура дуги уменьшается, соответственно замедляется термическая ионизация и ускоряются процессы деионизации - дуга гаснет (точка 0 ). Ток в цепи обрывается до своего естественного прохождения через нуль. Напряжение соответствующие обрыву тока – пик гашения U г .
Рис. 22. Гашения дуги переменного тока при активной нагрузке
После гашения дуги происходит процесс восстановления электрической прочности дугового промежутка (кривая а 1 – б 1). Под электрической прочности дугового промежутка подразумевается напряжение, при котором происходит электрический пробой дугового промежутка. Начальная электрическая прочность (точка а 1) и скорость ее возрастания зависят от свойств дугогасительного устройства. В момент t 1 кривая напряжения на дуговом промежутке пересекается с кривой восстановления электрической прочности дугового промежутка – происходит зажигание дуги. Напряжение зажигания дуги – пик зажигания U з . Кривая напряжения на дуге имеет седлообразную форму.
В точке 0 1 дуга вновь гаснет и происходят процессы, аналогичные описанным ранее. К моменту 0 1 вследствие расхождения контактов длина дуги возрастает, отвод тепла от дуги увеличивается, Увеличивается соответственно и начальная электрическая прочность (точка а 2) и скорость ее возрастания (кривая а 2 –в 2). Соответственно этому увеличивается и бестоковая пауза 0 1 - t 2 > 0 - t 1 .
В момент t 2 снова происходит зажигание дуги. В точке 0 11 дуга гаснет. Вновь увеличивается начальная электрическая прочность (точка а 3) и скорость ее возрастания (кривая а 3 –б 3). Кривая напряжения не пересекается с кривой возрастания электрической прочности. Дуга в этом полупериоде не зажигается.
В открытой дуге при высоком напряжении (роговой разрядник), определяющим фактором является активное сопротивление сильно растянутого ствола дуги условия гашения дуги переменного тока приближаются к условиям гашения дуги постоянного тока и процессы после перехода тока через нуль мало влияют на гашение дуги.
При индуктивной нагрузке бестоковая пауза очень мала (примерно 0,1мкс), то есть дуга горит практически непрерывно. Отключение индуктивной нагрузки сложнее, чем активной. Здесь нет обрыва тока.
В целом процесс дугогашения на переменном токе легче, чем на постоянном. Рациональным условием гашения дуги переменного тока следует считать такое, когда гашение осуществляется в первый после размыкания контактов переход тока через нуль.
Вопросы для самопроверки:
· Области дугового разряда.
· Статическая вольт-амперная характеристика.
· Динамическая вольт-амперная характеристика.
· Условия стабильного горения и гашения дуги постоянного тока.
· Какие явления используются для гашения дуги?
· Условия гашения дуги переменного тока.
Электрическая дуга представляет собой вид разряда, характеризующийся большой плотностью тока, высокой температурой, повышенным давлением газа и малым падением напряжения на дуговом промежутке. При этом имеет место интенсивное нагревание электродов (контактов), на которых образуются так называемые катодные и анодные пятна. Катодное свечение концентрируется в небольшом ярком пятне, раскаленная часть противоположного электрода образует анодное пятно.
В дуге можно отметить три области, весьма различные по характеру протекающих в них процессов. Непосредственно к отрицательному электроду (катоду) дуги прилегает область катодного падения напряжения. Далее идет плазменный ствол дуги. Непосредственно к положительному электроду (аноду) прилегает область анодного падения напряжения. Эти области схематично показаны на рис. 1.
Рис. 1. Строение электрической дуги
Размеры областей катодного и анодного падения напряжении на рисунке сильно преувеличены. В действительности их протяженность очень мала Например, протяженность катодного падения напряжения имеет величину порядка пути свободного движения электрона (меньше 1 мк). Протяженность области анодного падения напряжения обычно несколько больше этой величины.
В обычных условиях воздух является хорошим изолятором. Так, необходимое для пробоя воздушного промежутка в 1 см напряжение составляет 30 кВ. Чтобы воздушный промежуток стал проводником, необходимо создать в нем определенную концентрацию заряженных частиц (электронов и ионов).
Как возникает электрическая дуга
Электрическая дуга, представляющая собой поток заряженных частиц, в начальный момент расхождения контактов возникает в результате наличия свободных электронов газа дугового промежутка и электронов, излучаемых с поверхности катода. Свободные электроны, находящиеся в промежутке между контактами перемещаются с большой скоростью по направлению от катода к аноду под действием сил электрического поля.
Напряженность поля в начале расхождения контактов может достигать нескольких тысяч киловольт на сантиметр. Под действием сил этого поля вырываются электроны с поверхности катода и перемещаются к аноду выбивая из него электроны, которые образуют электронное облако. Созданный таким путем первоначальный поток электронов образует в дальнейшем интенсивную ионизацию дугового промежутка.
Наряду с ионизационными процессами, в дуге параллельно и непрерывно идут процессы деионизации. Процессы деионизации состоят а том, что при сближении двух ионов разных знаков или положительного иона и электрона они притягиваются и, сталкиваясь, нейтрализуются, кроме того, наряженные частицы перемещаются из области горения душ с большей концентрацией зарядов в окружающую среду с меньшей концентрацией зарядов. Все эта факторы приводят к понижению температуры дуги, к ее охлаждению и погасанию.
Рис. 2. Электрическая дуга
Дуга после зажигания
В установившемся режиме горения дут ионизационные и деионизационные процессы в ней находятся в равновесии. Ствол дуги с равным количеством свободных положительных и отрицательных зарядов характеризуется высокой степенью ионизации газа.
Вещество, степень ионизации которого близка к единице, т.е. в котором нет нейтральных атомов и молекул, называют плазмой.
Электрическая дуга характеризуется следующими особенностями:
1. Ясно очерченной границей между стволом дуги и окружающей средой.
2. Высокой температурой внутри ствола дуга, достигающей 6000 - 25000K.
3. Высокой плотностью тока и стволе дуги (100 - 1000 А/мм 2).
4. Малыми значениями анодного и катодного падения напряжения и практически не зависит от тока (10 - 20 В).
Вольт-амперная характеристика электрической дуги
Основной характеристикой дуги постоянного тока является зависимость напряжения дуги от тока, которая называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ).
Дуга возникает между контактами при некотором напряжении (рис. 3), называемом напряжением зажигания Uз и зависящим от расстояния между контактами, от температуры и давления среды и от скорости расхождения контактов. Напряжение гашения дуги Uг всегда меньше напряжения U з.
Рис. 3. Вольт-амперная характеристика дуги постоянного тока (а) и ее схема замещения (б)
Кривая 1 представляет собой статическую характеристику дуги, т.е. получаемую при медленном изменении тока. Характеристика имеет падающий характер. С ростом тока напряжение на дуге уменьшается. Это означает, что сопротивление дугового промежутка уменьшается быстрее, чей увеличивается ток.
Если с той или иной скоростью уменьшать ток в дуге от I1 до нуля и при этом фиксировать падение напряжения на дуге, то получатся кривые 2 и 3. Эти кривые носят название динамических характеристик.
Чем быстрее уменьшать ток, тем ниже будут лежать динамические ВАХ. Это объясняется тем, что при снижении тока такие параметры дуги, как сечение ствола, температура, не успевают быстро измениться и приобрести значения, соответствующие меньшему значению тока при установившемся режиме.
Падение напряжения на дуговом промежутке:
Ud = U з + EdId ,
где U з = U к + U а - околоэлектродное падение напряжения, Ed - продольный градиент напряжения в дуге, Id - дина дуги.
Из формулы следует, что с увеличением длины дуги падение напряжения на дуге будет увеличиваться, и ВАХ будет располагаться выше.
С электрической дугой борются при конструировании коммутационных электрических аппаратов. Свойства электрической дуги используются в и в .
