Elektrický oblouk – Poznámky k přednášce

Přednáška 4 ELEKTRICKÝ OBLOUK Při spínání elektrických zařízení určených k uzavírání a otevírání obvodu proudem dochází při rozpojení v plynu k výboji buď ve formě doutnavého výboje nebo ve formě oblouku. Doutnavý výboj nastane, když je odpojený proud pod 0,1 A a napětí na kontaktech dosáhne 250-300 V. K takovému výboji dochází buď na kontaktech nízkopříkonových relé, nebo jako přechodná fáze k výboji ve formě elektrického oblouku. Pokud jsou proud v obvodu a napětí vyšší než hodnoty uvedené v tabulce 4.1, dojde k obloukovému výboji. Tabulka 4.1 — Minimální hodnoty napětí a proudu pro udržení obloukového výboje Materiál kontaktu U0, V I0, A Platina 17,0 0,9 Zlato 15,0 0,38 Stříbro 12,0 0,4 Wolfram 17,0 0,9 Měď 12,3 0,43 Uhlí 18- a22 vlastnosti výboje. 1. Obloukový výboj se vyskytuje pouze při vysokých proudech. Minimální proud oblouku pro různé materiály je uveden v tabulce. 4.1 a pro kovy je přibližně 0,5 A. 2. Teplota střední části oblouku je velmi vysoká a v zařízeních může dosáhnout 6000-18 000 K. 3. Proudová hustota na katodě je extrémně vysoká a dosahuje 102–103 A/mm2. 4. Úbytek napětí na katodě je pouze 10-20 V a je prakticky nezávislý na proudu. V obloukovém výboji lze rozlišit tři charakteristické oblasti: oblast v blízkosti katody, oblast sloupce oblouku a oblast v blízkosti anody. V každé z těchto oblastí probíhají procesy ionizace a deionizace odlišně v závislosti na podmínkách, které tam existují. Protože výsledný proud procházející těmito třemi oblastmi je stejný, dochází v každé z nich k procesům, které zajistí generování potřebného počtu nábojů. Blízká katodová oblast zabírá velmi malý prostor. Jeho délka obvykle není větší než 10-6 m. V této oblasti se vytváří úbytek katodového napětí 10–20 V. Průměrná intenzita elektrického pole na katodě dosahuje 107 V/m. Hlavními proudovými nosiči v katodové oblasti jsou elektrony přijímané z katody. V blízkosti katody je kladný prostorový náboj vytvořený kladnými ionty. Mezi kladným prostorovým nábojem a katodou vzniká elektrické pole, ve kterém se pohybují elektrony, které opustily katodu. Síly elektrického pole působí na elektron a zvyšují jeho rychlost. Když se takový elektron srazí s neutrální částicí, může dojít k ionizaci. Aby mohl ionizovat neutrální atom, musí mít elektron určitou energii. Napětí (urychlovací napětí), kterým musí elektron projít, aby získal energii potřebnou pro ionizaci, se nazývá ionizační potenciál. U plynů se tento potenciál pohybuje od 24,58 V (helium) do 13,3 V (vodík). Kovové páry mají výrazně nižší ionizační potenciál. Takže pro páru mědi se rovná 7,7 V. Kladné ionty jsou stejně jako elektrony urychlovány elektrickým polem, ale vzhledem k jejich velké hmotnosti je jejich rychlost nepatrná. Když kladný ion narazí na neutrální částici, méně energie se přenese na ionizaci, takže k ionizaci nárazu dochází hlavně díky elektronům. Vzhledem k malému rozsahu blízké katodové oblasti nezískávají elektrony dostatečnou rychlost pro dopadovou ionizaci. Nejčastěji se atom po dopadu dostane do excitovaného stavu (elektron atomu přejde na oběžnou dráhu, která je od jádra vzdálenější). K ionizaci excitovaného atomu je potřeba méně energie. V důsledku toho klesá potřebný ionizační potenciál. Tento typ ionizace se nazývá stupňovitá. Postupná ionizace vyžaduje vícenásobné dopady elektronů na atom: na každý vytvořený kladný iont jsou zapotřebí desítky elektronů. Proto je proud v blízkosti katody i přes přítomnost kladných iontů elektronické povahy. Výsledné elektrony nevytvářejí v blízkosti katody záporný prostorový náboj, protože jejich rychlost je výrazně větší než rychlost těžkých kladných iontů. Kladné ionty jsou urychlovány v katodovém úbytku napětí a bombardují katodu. Díky tomu teplota katody stoupá a dosahuje bodu odpařování materiálu elektrody. Při vysokých teplotách se objevuje termionická emise katody, která je vysoce závislá na teplotě elektrody. Oblast obloukového sloupu. Výpočty ukazují, že energie získaná nabitými částicemi v elektrickém poli sloupce oblouku je tak malá, že k ionizaci impulsem prakticky nedochází. Hlavním zdrojem iontů a elektronů je tepelná ionizace. Čím vyšší je tlak plynu, tím nižší je stupeň ionizace. V tomto ohledu mnoho zhášecích zařízení vytváří zvýšený tlak plynu, který pomáhá uhasit oblouk. Teplota má velmi silný vliv na ionizaci. U velkého počtu dvouatomových plynů v důsledku postupné ionizace začíná proces tvorby iontů při teplotách 6 103 K. Kovové páry se mnohem snadněji ionizují. Znatelná ionizace začíná již při teplotách 3000–4000 K. V tomto ohledu je nutné u zhášecích zařízení provést opatření, aby se kovové páry z elektrod nedostaly do sloupce oblouku (zmenšení průřezu tavných vložek, posunutí oblouku podél elektrod, snížení teploty elektrod a následně jejich vypařování a řada dalších opatření). Vzhledem k tomu, že stupeň ionizace je určen teplotou, všechna zhášecí zařízení oblouku bez výjimky usilují o odvádění tepla z oblouku buď chlazením pohybujícím se vzduchem nebo plynem (vzduchové, olejové jističe), nebo předáváním tepla stěnám zhášecí komory. V obloukovém sloupci spolu s ionizací probíhají deionizační procesy v důsledku rekombinace a difúze. Rekombinace je neutralizace částic v důsledku kombinace iontů s náboji různých znaků. Jak ukázaly studie, v obloukovém sloupci je rekombinace elektronu a kladně nabitého iontu nepravděpodobná kvůli velkému rozdílu v jejich hmotnosti. Typicky k rekombinaci dochází tak, že nejprve elektron záporně nabije neutrální částici, načež dojde k rekombinaci kladného a výsledného záporného iontu. Je zřejmé, že čím více nábojů na jednotku objemu, tím silnější bude rekombinace. K deionizaci v koloně dochází také díky difúzi. Vlivem tepelného pohybu částic se vyrovnává hustota nabitých částic, snižuje se počet částic ve sloupci oblouku a zvyšuje se odpor sloupce oblouku. Rychlost poklesu počtu nabitých částic prudce roste s klesajícím poloměrem oblouku. Proto je princip úzké mezery široce používán v zařízeních pro zhášení oblouku (oblouk hoří v mezeře tvořené stěnami odolnými proti oblouku s vysokou tepelnou vodivostí). Energetická bilance oblouku. Proces ionizace a proces deionizace jsou do značné míry určeny teplotou obloukové mezery. Ten závisí na množství tepla generovaného v oblouku a množství tepla odebraného z oblouku. K ochlazování oblouku dochází v důsledku sálání, tepelné vodivosti a konvekce. U otevřeného oblouku hořícího na vzduchu je 15-30 % energie uvolněné v oblouku odevzdáno zářením. U hořícího oblouku v zhášecím zařízení s uzavřeným obloukem je podíl tepla vydávaného sáláním menší. Odvod tepla v důsledku tepelné vodivosti plynu závisí do značné míry na teplotě plynu. Molekuly vodíku se tedy při teplotě 4000 K disociují na atomy. Zároveň je z oblouku odváděno velké množství tepla. Navenek je tento proces vnímán jako prudké zvýšení tepelné vodivosti. Tepelná vodivost plynu silně závisí na jeho povaze. Průměrná tepelná vodivost vodíku je tedy 17krát větší než u vzduchu. Díky své vysoké tepelné vodivosti, při zachování všech ostatních věcí, vodík podporuje rychlejší chlazení sloupce oblouku. Proud ve vodíkové atmosféře je 7,5krát větší než ve vzduchu při stejném tlaku. Když oblouk hoří v transformátorovém oleji, ten se rozkládá a uvolňuje plyny, jejichž hlavní částí je vodík. Právě v atmosféře tohoto plynu dochází k účinnému hašení. V některých zařízeních se oblouk pod vlivem magnetického pole pohybuje vysokou rychlostí vzhledem ke vzduchu. To vše vede k ochlazování oblouku v důsledku konvekce. Tento typ přenosu tepla spolu s tepelnou vodivostí je pro oblouk rozhodující. Oblast Perianode. Proud elektronů ze sloupce oblouku se řítí ke kladné elektrodě – anodě. Během obloukového výboje anoda nevyzařuje kladné ionty, které by mohly elektrony neutralizovat. V blízkosti anody se proto vytváří záporný prostorový náboj, který způsobuje pokles napětí v blízkosti anody a zvýšení intenzity elektrického pole. Velikost anodového napětí závisí na teplotě anody, druhu kovu, proudu a pohybuje se od 5 do 10 V. Elektrony jsou urychlovány v poli tvořeném záporným prostorovým nábojem a anodou. Energie získaná elektrony je předána anodě. Díky velké energii elektronů se anoda zahřeje na velmi vysokou teplotu, která je obvykle vyšší než teplota katody. Silný tok elektronů vyráží z anody elektrony, které se také podílejí na vytváření záporného prostorového náboje. Studie ukázaly, že vysoká teplota anody a oblast blízkou anody nemají významný vliv na výskyt a podmínky existence obloukového výboje. Úkolem anody je přijímat tok elektronů ze sloupce oblouku. U vysokoproudého oblouku je anodové napětí tak malé, že jej lze zanedbat. Úbytek napětí na katodě je 10-20V. Tato hodnota závisí na materiálu katody a vlastnostech plynu, ve kterém oblouk hoří. Pokles anodového napětí je 5-10 V. Při vysokých proudech se anodové napětí snižuje, zatímco napětí blízké katodě zůstává konstantní. U některých nízkonapěťových zařízení je délka oblouku krátká. Úbytek napětí na sloupci oblouku je malý ve srovnání se součtem úbytků napětí na katodě a anodě. Takové oblouky se nazývají krátké. U krátkého oblouku jsou podmínky zhášení do značné míry určovány procesy probíhajícími na elektrodách. Zde hraje hlavní roli odvod tepla z oblouku elektrodami. U vysokonapěťových zařízení je pokles napětí na sloupci oblouku výrazně větší než pokles napětí v blízkosti elektrod. Podmínky pro existenci takového oblouku jsou určeny procesy ve sloupci oblouku. Takové oblouky se nazývají dlouhé. Při uvažování dlouhých oblouků lze zanedbat úbytek napětí na elektrodách. Elektrický oblouk v magnetickém poli Elektrický oblouk je plynný vodič proudu. Na tento vodič, stejně jako na kovový, působí magnetické pole, které vytváří sílu úměrnou indukci pole a proudu v oblouku. Magnetické pole, působící na oblouk, zvětšuje jeho délku a pohybuje prvky oblouku v prostoru. Příčný pohyb obloukových prvků vytváří intenzivní chlazení, což vede ke zvýšení gradientu napětí na sloupci oblouku. Když se oblouk pohybuje v prostředí plynu vysokou rychlostí, oblouk se delaminuje na samostatná paralelní vlákna. Čím delší je oblouk, tím intenzivnější je delaminace oblouku. Oblouk je extrémně pohyblivý vodič. Je známo, že část vedoucí proud je vystavena silám, které mají tendenci zvyšovat elektromagnetickou energii obvodu. Protože energie je úměrná indukčnosti, oblouk pod vlivem svého vlastního pole má tendenci vytvářet závity a smyčky, protože to zvyšuje indukčnost obvodu. Tato schopnost oblouku je tím silnější, čím delší je jeho délka. Oblouk pohybující se ve vzduchu překonává aerodynamický odpor vzduchu, který závisí na průměru oblouku, vzdálenosti mezi elektrodami, hustotě plynu a rychlosti pohybu. Zkušenosti ukazují, že ve všech případech se v rovnoměrném magnetickém poli oblouk pohybuje konstantní rychlostí. Proto je elektrodynamická síla vyvážena aerodynamickou odporovou silou. Aby se vytvořilo účinné chlazení, je oblouk pomocí magnetického pole vtažen do úzké (průměr oblouku větší než šířka mezery) mezery mezi stěnami z materiálu odolného proti oblouku s vysokou tepelnou vodivostí. V důsledku zvýšení přenosu tepla na stěny mezery je gradient napětí ve sloupci oblouku v přítomnosti úzké mezery výrazně vyšší než u oblouku volně se pohybujícího mezi elektrodami. To umožňuje zkrátit délku a čas potřebný pro kalení. Zhášení oblouku střídavým proudem Nechte oddělit kontakty přístroje v bodě a (obr. 4-8). Mezi nimi se zapálí oblouk. Na konci půlperiody je v důsledku poklesu proudu a účinku zhášecího zařízení oblouku pozorováno zvýšení odporu obloukové mezery a zvýšení napětí na oblouku. Když se proud blíží nule, je do oblouku dodáván malý výkon, jeho teplota klesá, což na jedné straně vede ke zpomalení tepelné ionizace a na druhé straně podporuje deionizaci. To vše vede k zániku oblouku. Obrázek 1 – Proces vypínání aktivního střídavého obvodu Napětí, při kterém oblouk zhasne, se nazývá napětí nebo špičkové zhášení UГ. Prudký nárůst napětí ke konci půlperiody vede k přerušení proudu v obvodu dříve, než přirozeně projde nulou. Po zhasnutí oblouku se oblouková mezera nestane okamžitě izolační, protože teplota neklesne k nule. Během procesu zhášení oblouku se počet nabitých částic v oblasti obloukové mezery snižuje; Po zhasnutí oblouku se odpor mezery prudce zvýší. Současně se také zvyšuje elektrická pevnost mezery, tzn. takové napětí, při kterém dochází k jeho elektrickému průrazu. Po průchodu napětí nulou změní napětí zdroje znaménko a začne se zvyšovat podle sinusového zákona. Elektrická pevnost mezery se začíná zvyšovat ne od nuly, ale od hodnoty odpovídající bodu (počáteční síla mezery). Počáteční síla a další růst síly závisí na vlastnostech zhášecího zařízení oblouku: čím efektivněji pracuje, tím větší je počáteční síla, tím strmější je růst této síly. Testovací otázky 1. Jaký je rozdíl mezi doutnavým výbojem a obloukovým výbojem? 2. Při jakých napětích je možné udržet obloukový výboj? 3. Z čeho se skládá obloukový výboj? Jaké oblasti jsou v něm zvýrazněny? 3. Uveďte hlavní vlastnosti obloukového výboje. 4. Která elektroda má vyšší teplotu a proč? 5. Jaké faktory přispívají k rychlému zhasnutí oblouku? 6. Jak oblouk interaguje s magnetickým polem? 7. Jak dochází ke zhášení oblouku ve střídavém proudu? 8.

Sdílejte přednášku a získejte 30% slevu na platformě Author24

Vyplňte pole a připojte přednášku. Slevový promo kód vám zašleme e-mailem

Vaše přednáška byla odeslána! Počkejte na slevu na poště. Jsou ještě nějaké materiály? Stáhnout nyní

Práce se zařízením pod napětím vždy vyžaduje dodržování bezpečnostních opatření. Úraz elektrickým proudem nebo náhlý elektrický oblouk mohou mít na člověka škodlivý účinek. Je důležité vědět, za jakých podmínek k obloukovému výboji dochází, jaké škody může způsobit a jak se chránit před škodlivými vlivy.

Charakteristika a příčiny jevu

Elektrický oblouk je elektrický výboj, který vzniká mezi dvěma vodiči, když dojde k ostrému přerušení nebo krátkému kontaktu vodičů mezi sebou nebo s uzemněným povrchem. Náhlé otevření obvodu pod napětím může vytvořit elektrický oblouk. Typickým příkladem je záblesk nebo jiskra způsobená odpojením výkonného elektrického spotřebiče ze zásuvky. Nebo blesk, který vizuálně ukazuje, jak vzniká a chová se elektrický obloukový výboj.

Blesky v blízkosti napájecího zařízení nelze ovládat. Ale když znáte faktory, které vyvolávají jejich vzhled, můžete se chránit předem. Příčiny elektrického obloukového výboje jsou:

• náhlé proudění vzduchu do napájecí skříně při otevření dveří;
• přiblížení vodičů k sobě;
• prasknutí vodičů vysokého napětí, pád vedení na zem;
• křížení fází a nesprávně připojené vodiče;
• náhodné upuštění nástroje nebo kontakt s vodivými prvky;
• porucha izolace, koroze spojů a pájek.

Více než polovina důvodů souvisí s lidským faktorem, kdy se v postižené oblasti nacházejí lidé, kteří by si mohli ublížit.

Dopad elektrického oblouku na člověka

Výskyt elektrického výboje je doprovázen jasným zábleskem, který oslepuje a způsobuje ultrafialové popálení rohovky oka. Elektrooftalmie je doprovázena zarudnutím, slzením, bolestí a dalšími nepříjemnými příznaky. V nejhorším případě pacient prostě nemůže otevřít oči a ztrácí zrak. Výbuchy, které doprovázejí zvláště silné poruchy, jsou ohlušující a způsobují zranění odletujícími úlomky a částmi.

Teplota v oblasti výboje se pohybuje od 2500 do 18000 0 C. To může způsobit těžké popáleniny částí těla, dokonce i smrt. Pokud dojde k elektrickému oblouku uvnitř rozvaděče nebo transformátoru, izolační materiály se roztaví a kovové části se vaří. Proces je doprovázen uvolňováním škodlivých výparů a horkých plynů. To vyvolává otravu a popáleniny dýchacího systému.

Jak se chránit před výbojem elektrického oblouku

Nosit specializované oblečení je hlavní způsob, jak se chránit před elektrickým obloukem. Materiály, ze kterých jsou sestavy vyrobeny, musí splňovat následující požadavky:

• chránit před vysokými teplotami;
• nevedou elektrický proud;
• snížit vystavení ultrafialovému záření;
• zabránit požáru a doutnání oděvů;
• snížit dopad mechanického poškození.

Pracovníci, kteří pracují s elektřinou a udržují vysokonapěťové napájecí sítě a průmyslová zařízení, musí mít speciální oděv. Ochranné oděvy zahrnují:

• svářečské masky a přilby se štíty;
• Dielektrické rukavice, galoše a holínky;
• obleky, kombinézy a pláštěnky;
• boty, kukly, mikiny.

Oblek je vybírán s ohledem na roční období a povětrnostní podmínky, měl by co nejvíce zakrývat exponovaná místa těla, chránit před požáry a úrazy elektrickým proudem. Kromě toho existují pomocná zařízení, která pomohou chránit před poruchou. Patří sem: izolační rohože, podložky, tyče, stojany a krytky.

Modely ochranných oděvů pro ochranu před elektrickým obloukem

Oblek s ochranou proti elektrickému oblouku 90 cal/cm2 je vyroben z ohnivzdorné tkaniny WORKER. Sada obsahuje bundu a kalhoty/kombinézu a také spodní prádlo. Třída ochrany 7. Zabraňuje požáru a průchodu elektrického proudu.

Oblek ENERGO LUX s ochranou proti elektrickému oblouku od 9 do 81 cal/cm 2 v závislosti na hustotě tepelné a ohnivzdorné tkaniny Thermol. Skládá se z bundy a kalhot nebo overalu. Má obložení ze speciálního diskrétního povlaku pro snížení tření.

ELECTRA SUIT ZN-24 s ochranou proti elektrickému oblouku 65,5 cal/cm². Vyrobeno z ohnivzdorné tkaniny Nomex-Comfort. Má antistatické vlastnosti. Skládá se z bundy a overalu.

Ochranný oblek proti elektrickému oblouku vyrobený z tkaniny Indura Ultra Soft. Zahrnuje bundu a kalhoty nebo overal. Upevňovací prvky jsou skryté. Našité kapsy pro větší ochranu. Eliminuje úraz elektrickým proudem a požár.