Lastnosti električnega obloka. Električna zaščita

Električni oblok je lahko zelo škodljiv za opremo in, kar je še pomembneje, ogroža ljudi. Zaradi tega se vsako leto zgodi zaskrbljujoče število nesreč, ki pogosto povzročijo hude opekline ali smrt. Na srečo je bil v elektroindustriji dosežen pomemben napredek pri ustvarjanju orodij in metod za zaščito pred učinki obloka.

Vzroki in lokacije

Električni oblok je eden izmed najbolj smrtonosnih in najmanj raziskanih nevarnosti električne energije in prevladuje v večini industrij. Splošno je znano, da večja napetost električnega sistema pomeni večje tveganje za ljudi, ki delajo v ali blizu žic in opreme, ki je pod napetostjo.

Vendar pa je lahko toplotna energija iz obločne bliskavice dejansko večja in se pogosteje pojavlja pri nižjih napetostih z enakimi pogubnimi posledicami.

Električni oblok se ponavadi pojavi, ko pride do nenamernega stika med prevodnim vodnikom, kot je kontaktni vod iz trolejbusne ali tramvajske linije z drugim vodnikom ali ozemljena površina. Ko se to zgodi, nastane kratkostični tok topi žice, ionizira zrak in ustvari ognjeno vodljiv plazemski kanal z značilno luknjasto obliko (od tod tudi ime), temperatura električnega obloka v njenem jedru pa lahko preseže 20.000 ° C.

Kaj je električni lok?

Pravzaprav se v vsakdanjem življenju to običajno imenuje razelektritev obloka, ki je v fiziki in elektrotehniki znana kot vrsta neodvisnega električnega praznjenja v plinu. Kakšne so fizikalne lastnosti električnega obloka? Gori v širokem razponu tlaka plina, pri konstantni ali izmenični (do 1000 Hz) napetosti med elektrodama v območju od nekaj voltov (varilni lok) do deset kilovoltov. Maksimalno gostoto toka obloka opazujemo pri katodi (10 ² -10 ⁸ A / cm ² ), kjer jo potegnemo v katodno mesto, zelo svetlo in majhno. Naključno in nenehno se premika po celotnem območju elektrode. Njegova temperatura je taka, da material v katodi vre. Zato nastanejo idealni pogoji za termionsko oddajanje elektronov v katodni prostor. Nad njim se tvori majhen sloj, ki je pozitivno napolnjen in pospeši oddajajoče se elektrone do hitrosti, pri katerih učinek ionizira atome in molekule gojišča v medsektorski vrzeli.

Na anodi se oblikuje tudi isto mesto, ki je nekoliko večje in manj mobilno. Temperatura v njej je blizu katodne točke.

Če je tok obloka več desetk amperjev, potem plazemske elektrode ali svetilke običajno tečejo iz obeh elektrod pri visokih hitrostih na njihove površine (glej sliko spodaj).

Pri visokih tokovih (100-300 A) se pojavijo dodatne plazemske curke, ki postanejo podobni snopu plazemskih filamentov (glej spodnjo sliko).

Kako se obloka manifestira v električni opremi

Kot je omenjeno zgoraj, je katalizator za njegovo pojavljanje močno sproščanje toplote v katodni točki. Temperatura električnega loka, kot je bilo že omenjeno, lahko doseže 20.000 ° C, kar je približno štirikrat višje kot na površini sonca. Ta toplota se lahko hitro topi ali celo izhlapi bakra vodnikov, ki ima tališče približno 1084 ° C, veliko nižje kot v loku. Zato pogosto tvori bakrene hlape in brizge staljene kovine. Ko baker preide iz trdne v pare, se razširi več deset tisočkrat od prvotnega volumna. To je enako dejstvu, da se kos bakra v enem kubičnem centimetru spremeni v velikost 0,1 kubičnih metrov v delcu sekunde. To bo povzročilo pritisk visoke intenzivnosti in zvočnih valov pri visoki hitrosti (ki je lahko več kot 1100 km na uro).

Učinek električnega loka

Hude poškodbe, celo smrtne, v primeru njihovega nastanka lahko sprejmejo ne le ljudje, ki delajo na električni opremi, temveč tudi ljudje v bližini. Poškodbe loka lahko vključujejo zunanje opekline kože, notranje opekline zaradi vdihavanja vročih plinov in izhlapevane kovine, poškodbe sluha, vida, kot so slepota pri ultravijolični svetlobi, kot tudi mnoge druge škodljive poškodbe.

Pri zelo močnem loku se lahko pojavi tudi takšen pojav, kot je njegova eksplozija, ki ustvarja pritisk več kot 100 kilopaskalov (kPa) s sproščanjem delcev drobirja, kot je šrapnel, pri hitrosti do 300 metrov na sekundo.

Prizadete osebe električni tok arc, potrebujejo resno zdravljenje in rehabilitacijo, cena njihovih poškodb pa je lahko ekstremna - fizično, čustveno in finančno. Čeprav zakonodaja zahteva, da podjetja izvajajo ocene tveganja za vse vrste dela, se tveganje električnega obloka pogosto spregleda, ker večina ljudi ne ve, kako ovrednotiti in učinkovito obvladovati to nevarnost. Zaščita pred učinki električnega obloka vključuje uporabo cele vrste orodij, vključno z uporabo posebne električne zaščitne opreme, delovne obleke, kot tudi same opreme, zlasti visokonapetostnih stikalnih naprav, ki so izdelane z uporabo opreme za lokalno gašenje pri delu z električno opremo pod napetostjo.

Električni lok

V tem razredu električnih naprav (odklopniki, kontaktorji, magnetni zaganjalniki boj proti temu pojavu je še posebej pomemben. Ko so stikala stikala, ki ni opremljena s posebnimi napravami za preprečevanje loka, odprta, se bo med njimi zagotovo vžgala.

V trenutku, ko se kontakti začnejo ločevati, se površina slednjega hitro zmanjšuje, kar vodi do povečanja gostote toka in posledično do povišanja temperature. Toplota, ki nastane v razmaku med kontakti (običajni medij je olje ali zrak), zadostuje za ionizacijo zraka ali izhlapevanje in ionizacijo olja. Ionizirani zrak ali para delujejo kot prevodnik toka obloka med kontakti. Potencialna razlika med njimi je precej majhna, vendar zadostuje za ohranitev loka. Posledično tok v tokokrogu ostaja neprekinjen, dokler ni izločen oblok. Ne samo, da zamuja proces prekinitve toka, temveč ustvarja tudi ogromno količino toplote, ki lahko poškoduje samo stikalo. Tako je glavni problem v odklopniku (predvsem visoki napetosti) čim hitrejše gašenje električnega obloka, tako da toplota, ki nastane v njem, ne more doseči nevarne vrednosti.

Dejavniki ohranjajo lok med stiki stikala

Te vključujejo:

1. Napetost električnega loka, enaka potencialni razliki med kontakti.

2. Ionizirani delci med njimi.

Pri tem upoštevamo še:

• Če je med kontaktoma majhen razmik, je dovolj majhna razlika potenciala, da se ohrani lok. Eden od načinov za gašenje je razdelitev kontaktov na takšno razdaljo, da razlika v potencialu ne zadošča za vzdrževanje loka. Kljub temu pa je ta metoda praktično neizvedljiva pri visokonapetostni opremi, kjer bo morda potrebna ločitev na več metrov.
• Ionizirani delci med kontakti praviloma podpirajo lok. Če je njena pot deionizirana, bo olajšan proces gašenja. To je mogoče doseči z ohlajanjem loka ali odstranjevanjem ioniziranih delcev iz prostora med kontakti.
• Obstajata dva načina, s katerimi se zaščita pred električnim oblokom v stikalih izvaja:

- metoda visoke odpornosti;

- metoda ničelnega toka.

Izumrtje loka s povečanjem njegove upornosti

Pri tej metodi se upor vzdolž poti loka sčasoma poveča, tako da se tok zmanjša na vrednost, ki je nezadostna za vzdrževanje. Posledično se prekine in ugasne električni oblok. Glavna pomanjkljivost te metode je, da je čas gašenja dovolj velik in da se v loku razprši velika energija.

Upornost obloka se lahko poveča z:

• Podaljški loka - upor loka je neposredno sorazmeren z njegovo dolžino. Dolžino loka lahko povečate s spremembo razmika med kontakti.
• Hlajenje loka, oziroma okolja med stiki. Učinkovito hlajenje s pihanjem mora biti usmerjeno vzdolž loka.
• Namestitev kontaktov v težko ionizirajočem plinskem mediju (plinska stikala) ali v vakuumski komori (vakuumska stikala).
• Z zmanjšanjem prečnega prereza loka, tako da se prečka skozi ozko odprtino, ali z zmanjšanjem kontaktnega območja.
• Ločevalna luknja - njen upor se lahko poveča z deljenjem v niz majhnih lokov, povezanih v zaporedju. Vsak od njih doživlja učinek podaljšanja in hlajenja. Lok se lahko razdeli z vstavljanjem nekaterih prevodnih plošč med kontakti.

Izumrtje loka z metodo ničelnega toka

Ta metoda se uporablja samo v izmeničnih tokokrogih. V njem se upor obloka ohranja nizek, dokler tok ne pade na nič, kjer ga naravnost ugasne. Kljub povečanju napetosti na kontaktih se prepreči ponovni vžig. Vsi sodobni stikali visokih izmeničnih tokov uporabljajo to metodo izumrtja loka.

V sistemu AC slednji pade na nič po vsakem polčasu. Pri vsakem takem nastavljanju na ničlo se lok za kratek čas ugasne. Hkrati medij med kontakti vsebuje ione in elektrone, tako da je njena dielektrična trdnost majhna in se z naraščajočo napetostjo na stikih zlahka uniči.

Če se to zgodi, bo krožnik goril v naslednjem polčasu toka. Če se takoj po nastavitvi na ničlo dielektrična trdnost medija med kontakti poveča hitreje kot napetost na njih, se oblok ne bo vžgal in tok se bo prekinil. Hitro povečanje dielektrične trdnosti medija blizu ničelnega toka lahko dosežemo z:

• rekombinacija ioniziranih delcev v prostoru med kontakti v nevtralne molekule;
• odstranjevanje ioniziranih delcev in njihovo nadomestitev z nevtralnimi delci.

Pravi problem pri prekinitvi izmeničnega toka obloka je torej hitra deionizacija medija med kontakti, takoj ko tok postane ničelni.

Načini za deioniziranje medija med stiki

1. Raztezek reže: dielektrična trdnost medija je sorazmerna z dolžino reže med kontakti. Tako lahko s hitrim odpiranjem kontaktov dosežemo višjo dielektrično trdnost medija.

2. Visok tlak. Če je v neposredni bližini loka, se poveča, povečuje pa se tudi gostota delcev, ki sestavljajo kanal razelektritve obloka. Povečana gostota delcev povzroči visoko stopnjo deionizacije in posledično povečanje dielektrične trdnosti medija med kontakti.

3 Ohlajevanje. Naravna rekombinacija ioniziranih delcev se zgodi hitreje, če se ohladijo. Tako se lahko dielektrična trdnost medija med kontakti poveča z ohlajanjem loka.

4. Učinek eksplozije. Če se ionizirani delci med kontakti odstranijo in nadomestijo z neioniziranimi, se lahko dielektrična trdnost medija poveča. To je mogoče doseči z uporabo eksplozije plina, ki je usmerjena v območje praznjenja, ali z vbrizgavanjem olja v kontaktni prostor.

Pri takšnih stikalih se kot sredstvo za gašenje obloka uporablja plin žveplovega heksafluorida (SF6). Ima močno nagnjenost k absorpciji prostih elektronov. Stiki stikala se med njimi odprejo v visokotlačnem toku (SF6) (glej sliko spodaj). Plin ujame prosti elektroni v loku in tvori presežek sedentarnih negativnih ionov. Število elektronov v loku se hitro zmanjša in ugasne.