Łuk elektryczny: przyczyny i metody stosowania

Podczas przełączania urządzeń elektrycznych lub przepięć w obwodzie między częściami pod napięciem może pojawić się łuk elektryczny. Może być używany do użytecznych celów technologicznych, a jednocześnie być szkodliwy dla sprzętu. Obecnie inżynierowie opracowali szereg metod zwalczania i wykorzystywania łuku elektrycznego do użytecznych celów. W tym artykule przyjrzymy się, jak powstaje, jakie są konsekwencje i zakres.

Powstawanie łuku, jego struktura i właściwości

Wyobraźmy sobie, że przeprowadzamy eksperyment w laboratorium. Mamy dwa przewodniki, na przykład metalowe gwoździe. Umieszczamy je końcówką do siebie w niewielkiej odległości i podłączamy wyprowadzenia regulowanego źródła napięcia do gwoździ. Jeśli stopniowo zwiększamy napięcie źródła zasilania, to przy pewnej jego wartości zobaczymy iskry, po których powstaje stały blask podobny do błyskawicy.

W ten sposób możesz obserwować proces jego powstawania. Blask, który powstaje między elektrodami, jest plazmą. W rzeczywistości jest to łuk elektryczny lub przepływ prądu elektrycznego przez ośrodek gazowy między elektrodami. Na poniższym rysunku widać jego strukturę i charakterystykę prądowo-napięciową:

A oto przybliżone wartości temperatur:

Dlaczego powstaje łuk elektryczny?

Wszystko jest bardzo proste, rozważaliśmy w artykule o pole elektrycznea także w artykule o rozkład ładunków w przewodzieże jeśli jakikolwiek korpus przewodzący (na przykład stalowy gwóźdź) zostanie wprowadzony w pole elektryczne, na jego powierzchni zaczną gromadzić się ładunki. Co więcej, im mniejszy promień gięcia powierzchni, tym więcej się kumuluje. Mówiąc prościej, na czubku paznokcia gromadzą się ładunki.

Powietrze jest gazem między naszymi elektrodami. Pod wpływem pola elektrycznego ulega jonizacji. W wyniku tego powstają warunki do powstania łuku elektrycznego.

Napięcie, przy którym powstaje łuk, zależy od konkretnego środowiska i jego stanu: ciśnienia, temperatury i innych czynników.

Interesujący: według jednej wersji zjawisko to nazywa się tak ze względu na swój kształt. Faktem jest, że w procesie spalania wyładowania powietrze lub inny otaczający go gaz nagrzewa się i unosi, w wyniku czego dochodzi do zniekształcenia kształtu prostoliniowego i widzimy łuk lub łuk.

Aby zapalić łuk, konieczne jest albo pokonanie napięcia przebicia medium między elektrodami, albo przerwanie obwodu elektrycznego. Jeśli w obwodzie występuje duża indukcyjność, to zgodnie z prawami komutacji prądu w nim nie można natychmiast przerwać, będzie on nadal płynął. W związku z tym napięcie między rozłączonymi stykami wzrośnie, a łuk będzie się palił, dopóki napięcie nie zaniknie, a energia zgromadzona w polu magnetycznym cewki indukcyjnej zostanie rozproszona.

Rozważ warunki zapłonu i spalania:

Między elektrodami musi znajdować się powietrze lub inny gaz. Aby przezwyciężyć napięcie przebicia medium, wymagane jest wysokie napięcie dziesiątek tysięcy woltów - zależy to od odległości między elektrodami i innych czynników. Aby utrzymać spalanie łuku, wystarczy 50-60 woltów i prąd 10 lub więcej amperów. Konkretne wartości zależą od otoczenia, kształtu elektrod i odległości między nimi.

Szkodzić i walczyć z tym

Rozważyliśmy przyczyny wystąpienia łuku elektrycznego, teraz zastanówmy się, jakie szkody wyrządza i jak go ugasić. Łuk elektryczny uszkadza rozdzielnicę. Czy zauważyłeś, że jeśli włączysz do sieci potężne urządzenie elektryczne i po chwili odłączysz wtyczkę z gniazdka, pojawi się mały błysk. Łuk ten powstaje między bolcami wtyczki a gniazdem w wyniku przerwania obwodu elektrycznego.

Ważny! Podczas spalania łuku elektrycznego wydziela się dużo ciepła, temperatura jego spalania osiąga wartości ponad 3000 stopni Celsjusza. W obwodach wysokiego napięcia długość łuku osiąga metr lub więcej. Istnieje niebezpieczeństwo uszkodzenia zdrowia ludzkiego i stanu sprzętu.

To samo dzieje się w przełącznikach światła, innych urządzeniach przełączających, w tym:

• przełączniki automatyczne;
• rozruszniki magnetyczne;
• styczniki i nie tylko.

W urządzeniach stosowanych w sieciach 0,4 kV, w tym zwykłych 220 V, stosuje się specjalne środki ochronne - komory do gaszenia łuku. Są potrzebne, aby zmniejszyć szkody wyrządzone kontaktom.

Ogólnie rzecz biorąc, komora do gaszenia łuku jest zestawem przewodzących przegród o specjalnej konfiguracji i kształcie, przymocowanych ściankami z materiału dielektrycznego.

Po otwarciu styków utworzona plazma ugina się w kierunku komory gaszenia łuku, gdzie jest dzielona na małe odcinki. W efekcie zostaje schłodzony i wygaszony.

W sieciach wysokiego napięcia stosuje się przełączniki olejowe, próżniowe, gazowe. W wyłączniku olejowym tłumienie odbywa się poprzez przełączanie styków w kąpieli olejowej. Gdy łuk elektryczny płonie w oleju, rozkłada się na wodór i gazy. Wokół styków tworzy się pęcherzyk gazu, który ma tendencję do ulatniania się z komory z dużą prędkością i łuk stygnie, ponieważ wodór ma dobrą przewodność cieplną.

W wyłącznikach próżniowych gazy nie ulegają jonizacji i nie ma warunków do wyładowania łukowego. Istnieją również przełączniki wypełnione gazem pod wysokim ciśnieniem. Kiedy powstaje łuk elektryczny, temperatura w nich nie wzrasta, wzrasta ciśnienie, a z tego powodu zmniejsza się jonizacja gazów lub następuje dejonizacja. Rozważany jest obiecujący obszar Wyłączniki SF6.

Możliwe jest również przełączanie zerowego prądu przemiennego.

Przydatna aplikacja

Rozważane zjawisko znalazło szereg przydatnych zastosowań, na przykład:

1. Oświetlenie. Na przykład lampy wyładowcze (DRL, ksenonowe i inne). Jeśli do elektrod dodasz sole niektórych metali, zmieni się kolor łuku elektrycznego.
2. Spawanie łukowe. Gdy elektroda dotknie metalowej powierzchni, płynie duży prąd, który nagrzewa metal. Po zerwaniu elektrody prąd nie może zostać przerwany, rozgrzane powierzchnie emitują elektrody i powstaje łuk. Gdy spawane powierzchnie metalowe są stopione, a sama elektroda jest stopiona, możliwe jest połączenie dwóch części lub ich przecięcie. Istnieją różne rodzaje spawania, na przykład przy użyciu elektrod lub gazu - dwutlenku węgla lub argonu. Jest powszechnie stosowany i wniósł ogromny wkład w budownictwo mieszkaniowe i przemysłowe.
3. Topienie łuku. Łuk elektryczny zależy od parametrów elektrycznych źródeł prądu, dzięki czemu można regulować jego spalanie. Ze względu na wysoką temperaturę można stopić dużą liczbę metali.

Na koniec zalecamy obejrzenie przydatnego filmu na temat artykułu:

Teraz wiesz, czym jest łuk elektryczny, jakie są przyczyny tego zjawiska i możliwe zastosowania. Mamy nadzieję, że podane informacje były dla Ciebie jasne i przydatne!

Powiązane materiały:

• Przyczyny zwarcia
• Kabel spawalniczy
• Druty spawalnicze w puszce połączeniowej