Proces nastanka električnog luka i metode gašenja

Kada se električni krug otvori, nastaje električno pražnjenje u obliku električnog luka. Za pojavu električnog luka dovoljno je da napon kontakata bude iznad 10 V pri struji u krugu reda veličine 0,1 A ili više. Uz značajne napone i struje, temperatura unutar luka može doseći 3-15 tisuća ° C, zbog čega se kontakti i dijelovi pod naponom tope.

Na naponu od 110 kV i više, duljina luka može doseći nekoliko metara. Stoga je električni luk, posebno u krugovima velike snage, za napone iznad 1 kV velika opasnost, iako ozbiljne posljedice mogu biti i u instalacijama za napone ispod 1 kV. Kao rezultat toga, luk se mora zadržati što je više moguće i brzo ugasiti u krugovima za napone iznad i ispod 1 kV.

Uzroci električnog luka

Proces stvaranja električnog luka može se pojednostaviti na sljedeći način.Kada se kontakti razilaze, kontaktni tlak se prvo smanjuje, a kontaktna površina se povećava u skladu s tim, prijelazni otpor (gustoća struje i temperatura — počinje lokalno (u određenim područjima kontaktnog područja) pregrijavanje, što dodatno pridonosi termionskom zračenju, kada se pod utjecajem visoke temperature povećava brzina elektrona i oni izbijaju s površine elektrode.

U trenutku odvajanja kontakta, odnosno prekida kruga, napon se brzo vraća u kontaktni razmak. Budući da je u ovom slučaju udaljenost između kontakata mala, postoji električno polje visoki napon pod čijim se utjecajem povlače elektroni s površine elektrode. Oni ubrzavaju u električnom polju i kada udare u neutralni atom, daju mu svoju kinetičku energiju. Ako je ta energija dovoljna da otrgne barem jedan elektron od ljuske neutralnog atoma, tada se odvija proces ionizacije.

Nastali slobodni elektroni i ioni čine plazmu stabla luka, odnosno ionizirani kanal u kojem gori luk i osigurava kontinuirano kretanje čestica. U tom se slučaju negativno nabijene čestice, uglavnom elektroni, kreću u jednom smjeru (prema anodi), a atomi i molekule plinova lišeni jednog ili više elektrona — pozitivno nabijene čestice — u suprotnom smjeru (prema katodi).

Vodljivost plazme slična je vodljivosti metala.

U vratilu luka teče velika struja i stvara se visoka temperatura.Ta temperatura cilindra električnog luka dovodi do toplinske ionizacije — procesa stvaranja iona uslijed sudara molekula i atoma s velikom kinetičkom energijom pri velikim brzinama njihova kretanja (molekule i atomi medija u kojem gori električni luk raspadaju se na elektrone i pozitivno nabijeni ioni). Intenzivna toplinska ionizacija održava visoku vodljivost plazme. Zbog toga je pad napona duž luka mali.

U električnom luku neprestano se odvijaju dva procesa: osim ionizacije i deionizacija atoma i molekula. Potonje se uglavnom događa difuzijom, odnosno prijenosom nabijenih čestica u okolinu i rekombinacijom elektrona i pozitivno nabijenih iona, koji se ponovno okupljaju u neutralne čestice uz povrat energije utrošene na njihovu dezintegraciju. U tom slučaju toplina se odvodi u okolinu.

Tako se mogu razlikovati tri faze razmatranog procesa: paljenje luka, kada uslijed udarne ionizacije i emisije elektrona s katode počinje lučno pražnjenje, a intenzitet ionizacije je veći od deionizacije, stabilno gorenje luka potpomognuto toplinska ionizacija u cilindru luka kada su intenziteti ionizacije i deionizacije isti, nestanak luka kada je intenzitet deionizacije veći od intenziteta ionizacije.

Metode gašenja luka u električnim rasklopnim uređajima

Da biste odspojili elemente električnog kruga i isključili oštećenje sklopnog uređaja, potrebno je ne samo otvoriti njegove kontakte, već i ugasiti luk koji se pojavljuje između njih. Postupci gašenja luka, kao i gorenja, izmjeničnom i istosmjernom strujom razlikuju se.To je određeno činjenicom da u prvom slučaju struja u luku prolazi kroz nulu svakog poluciklusa. U tim trenucima oslobađanje energije u luku prestaje i luk se spontano gasi i zatim se svaki put ponovno pali.

U praksi, struja u luku postaje blizu nule malo prije prijelaza nule, jer kako struja opada, energija dovedena u luk se smanjuje, a temperatura luka se u skladu s tim smanjuje i toplinska ionizacija prestaje. U tom se slučaju proces deionizacije intenzivno nastavlja u lučnom rasporu. Ako otvorite i brzo otvorite kontakte u ovom trenutku, tada se možda neće dogoditi naknadni električni prekid i strujni krug će se prekinuti bez luka. U praksi je to, međutim, izuzetno teško izvesti, pa se poduzimaju posebne mjere da se ubrza gašenje luka, osigura hlađenje prostora luka i smanji broj nabijenih čestica.

Kao rezultat deionizacije, dielektrična čvrstoća raspora postupno raste, a istodobno se povećava povratni napon u njemu. Omjer ovih vrijednosti ovisi o tome hoće li duga zasvijetliti u sljedećoj polovici razdoblja ili ne. Ako dielektrična čvrstoća razmaka raste brže i veća je od povratnog napona, luk se više neće zapaliti, inače će biti osiguran stabilan luk. Prvi uvjet definira problem gašenja luka.

U rasklopnim uređajima koriste se različite metode gašenja luka.

Proširenje luka

Ako se kontakti raziđu tijekom odspajanja električnog kruga, rezultirajući luk se rasteže.Istodobno se poboljšavaju uvjeti hlađenja luka jer se njegova površina povećava i za gorenje je potreban veći napon.

Rastavljanje dugog luka u niz kratkih lukova

Ako se luk nastao pri otvaranju kontakata podijeli na K kratkih lukova, na primjer povlačenjem u metalnu rešetku, on će se ugasiti. Tipično, luk se uvodi u metalnu rešetku pod utjecajem elektromagnetskog polja induciranog u pločama rešetke vrtložnim strujama. Ova metoda gašenja luka naširoko se koristi u razvodnim uređajima za napone ispod 1 kV, posebno u automatskim zračnim sklopkama.

Lučno hlađenje u uskim utorima

Olakšano je gašenje malih lukova. Stoga, u sklopni uređaji široko se koriste lučni kanali s uzdužnim prorezima (os takvog proreza podudara se u smjeru s osi cilindra luka). Takav se razmak obično formira u komorama izrađenim od izolacijskih materijala otpornih na luk. Zbog kontakta luka s hladnim površinama dolazi do njegovog intenzivnog hlađenja, difuzije nabijenih čestica u okoliš i, sukladno tome, brze deionizacije.

Osim utora s ravno-paralelnim stijenkama koriste se i utori s rebrima, izbočinama, nastavcima (džepovima). Sve to dovodi do deformacije cilindra luka i povećava područje njegovog kontakta s hladnim stijenkama komore.

Luk se uvlači u uske proreze obično pomoću magnetskog polja koje djeluje s lukom, što se može smatrati vodičem kroz koji teče struja.

Vanjski magnetsko polje za pomicanje luka najčešće osigurava zavojnica spojena u seriju s kontaktima između kojih nastaje luk.Gašenje luka s uskim prorezima koristi se u uređajima za sve napone.

Gašenje luka pod visokim pritiskom

Pri konstantnoj temperaturi stupanj ionizacije plina opada s povećanjem tlaka, dok toplinska vodljivost plina raste. Ako su sve druge stvari jednake, to rezultira poboljšanim hlađenjem luka. Gašenje luka visokim tlakom, koji stvara sam luk u čvrsto zatvorenim komorama, široko se koristi u osiguračima i nizu drugih uređaja.

Gašenje luka u ulju

Ako prebacivanje kontakata postavljeni u ulje, luk koji nastaje pri njihovom otvaranju dovodi do intenzivnog isparavanja ulja. Kao rezultat toga, oko luka se formira plinski mjehurić (omotnica), koji se uglavnom sastoji od vodika (70 ... 80%), kao i uljne pare. Emitirani plinovi velikom brzinom prodiru izravno u područje cilindra luka, uzrokuju miješanje hladnog i vrućeg plina u mjehuriću, osiguravaju intenzivno hlađenje i, sukladno tome, deionizaciju lučnog raspora. Osim toga, deionizirajuća sposobnost plinova povećava tlak unutar mjehurića koji nastaje tijekom brzog raspadanja ulja.

Intenzitet procesa gašenja luka u ulju je to veći što je luk bliži kontaktu s uljem i što se ulje brže kreće u odnosu na luk. S obzirom na to, razmak luka je ograničen zatvorenim izolacijskim uređajem - lukom za luk ... U tim komorama se stvara bliži kontakt ulja s lukom, a uz pomoć izolacijskih ploča i otvora za pražnjenje formiraju se radni kanali kroz koje se odvija kretanje ulja i plinova, osiguravajući intenzivno ispuhivanje (ispuhivanje) luka.

Lučni kanali prema principu rada dijele se u tri glavne skupine: sa samopuhanjem, kada se u području luka stvara visok tlak i brzina kretanja plina zbog energije koja se oslobađa u luku, s prisilno puhanje ulja uz pomoć posebnih pumpnih hidrauličkih mehanizama, s magnetskim gašenjem u ulju, kada je luk pod djelovanjem magnetskog polja, pomiče se u uske praznine.

Najučinkovitiji i jednostavniji samonapuhujući lučni kanali... Ovisno o položaju kanala i ispušnih otvora, razlikuju se komore u kojima se intenzivno upuhuje plinsko-parna smjesa i ulje duž struje luka (uzdužno puhanje) ili kroz luk (poprečno puhanje) je predviđeno ). Razmotrene metode gašenja luka naširoko se koriste u prekidačima za napone iznad 1 kV.

Ostali načini gašenja luka u uređajima za napone iznad 1 kV

Osim gore navedenih metoda gašenja luka, koriste se i: komprimirani zrak, čiji protok upuhuje luk uzduž ili poprijeko, osiguravajući njegovo intenzivno hlađenje (umjesto zraka koriste se drugi plinovi, često dobiveni iz krutih plinovoda materijali — vlakna, vinilna plastika itd. — na račun njihove razgradnje samim gorućim lukom), SF6 (sumporov heksafluorid), koji ima veću električnu čvrstoću od zraka i vodika, zbog čega se luk koji gori u ovom plinu, čak i pri atmosferskom tlaku, brzo gasi, vrlo razrijeđen plin (vakuum) kada se kontakti otvore, u kojem se luk ne pali se (gasi) nakon prvog prolaska struje kroz nulu.