Возникновение электрической дуги: Процесс образования электрической дуги и способы ее гашения

Процесс образования электрической дуги и способы ее гашения

При размыкании электрической цепи возникает электрический разряд в виде электрической дуги. Для появления электрической дуги достаточно, чтобы напряжение на контактах было выше 10 В при токе в цепи порядка 0,1А и более. При значительных напряжениях и токах температура внутри дуги может достигать 3 — 15 тыс. °С, в результате чего плавятся контакты и токоведущие части. 

 

При напряжениях 110 кВ и выше длина дуги может достигать нескольких метров. Поэтому электрическая дуга, особенно в мощных силовых цепях, на напряжение выше 1 кВ представляет собой большую опасность, хотя серьезные последствия могут быть и в установках на напряжение ниже 1 кВ. Вследствие этого электрическую дугу необходимо максимально ограничить и быстро погасить в цепях на напряжение как выше, так и ниже 1 кВ. 

Причины возникновения электрический дуги

Процесс образования электрической дуги может быть упрощенно представлен следующим образом. При расхождении контактов вначале уменьшается контактное давление и соответственно контактная поверхность, увеличиваютсяпереходное сопротивление ( плотность тока и температура — начинаются местные (на отдельных участках площади контактов) перегревы, которые в дальнейшем способствуют термоэлектронной эмиссии, когда под воздействием высокой температуры увеличивается скорость движения электронов и они вырываются с поверхности электрода.

В момент расхождения контактов, то есть разрыва цепи, на контактном промежутке быстро восстанавливается напряжение. Поскольку при этом расстояние между контактами мало, возникаетэлектрическое поле высокой напряженности, под воздействием которого с поверхности электрода вырываются электроны. Они разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать хотя бы один электрон с оболочки нейтрального атома, то происходит процесс ионизации.

Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги, то есть ионизированного канала, в котором горит дуга и обеспечивается непрерывное движение частиц. При этом отрицательно заряженные частицы, в первую очередь электроны, движутся в одном направлении (к аноду), а атомы и молекулы газов, лишенные одного или нескольких электронов, — положительно заряженные частицы — в противоположном направлении (к катоду). Проводимость плазмы близка к проводимости металлов.

В стволе дуги проходит большой ток и создается высокая температура. Такая температура ствола дуги приводит к термоионизации — процессу образования ионов вследствие соударения молекул и атомов, обладающих большой кинетической энергией при высоких скоростях их движения (молекулы и атомы среды, где горит дуга, распадаются на электроны и положительно заряженные ионы). Интенсивная термоионизация поддерживает высокую проводимость плазмы. Поэтому падение напряжения по длине дуги невелико.

В электрической дуге непрерывно протекают два процесса: кроме ионизации, также деионизация атомов и молекул. Последняя происходит в основном путем диффузии, то есть переноса заряженных частиц в окружающую среду, и рекомбинации электронов и положительно заряженных ионов, которые воссоединяются в нейтральные частицы с отдачей энергии, затраченной на их распад. При этом происходит теплоотвод в окружающую среду.

Таким образом, можно различить три стадии рассматриваемого процесса: зажигание дуги, когда вследствие ударной ионизации и эмиссии электронов с катода начинается дуговой разряд и интенсивность ионизации выше, чем деионизации, устойчивое горение дуги, поддерживаемое термоионизацией в стволе дуги, когда интенсивность ионизации и деионизации одинакова, погасание дуги, когда интенсивность деионизации выше, чем ионизации.

 

Способы гашения дуги в коммутационных электрических аппаратах

Для того чтобы отключить элементы электрической цепи и исключить при этом повреждение коммутационного аппарата, необходимо не только разомкнуть его контакты, но и погасить появляющуюся между ними дугу. Процессы гашения дуги, так же как и горения, при переменном и постоянном токе различны. Это определяется тем, что в первом случае ток в дуге каждый полупериод проходит через нуль. В эти моменты выделение энергии в дуге прекращается и дуга каждый раз самопроизвольно гаснет, а затем снова загорается.

Практически ток в дуге становится близким нулю несколько раньше перехода через нуль, так как при снижении тока энергия, подводимая к дуге, уменьшается, соответственно снижается температура дуги и прекращается термоионизация. При этом в дуговом промежутке интенсивно идет процесс деионизации. Если в данный момент разомкнуть и быстро развести контакты, то последующий электрический пробой может не произойти и цепь будет отключена без возникновения дуги. Однако практически это сделать крайне сложно, и поэтому принимают специальные меры ускоренного гашения дуги, обеспечивающие охлаждение дугового пространства и уменьшение числа заряженных частиц.

Удлинение дуги

При расхождении контактов в процессе отключения электрической цепи возникшая дуга растягивается. При этом улучшаются условия охлаждения дуги, так как увеличивается ее поверхность и для горения требуется большее напряжение.

Деление длинной дуги на ряд коротких дуг 

Если дугу, образовавшуюся при размыкании контактов, разделить на К коротких дуг, например затянув ее в металлическую решетку, то она погаснет. Дуга обычно затягивается в металлическую решетку под воздействием электромагнитного поля, наводимого в пластинах решетки вихревыми токами. Этот способ гашения дуги широко используется в коммутационных аппаратах на напряжение ниже 1 кВ, в частности в автоматических воздушных выключателях.

 

Охлаждение дуги в узких щелях

Гашение дуги в малом объеме облегчается. Поэтому в коммутационных аппаратах широко используют дугогасительные камеры с продольными щелями (ось такой щели совпадает по направлению с осью ствола дуги). Такая щель обычно образуется в камерах из изоляционных дугостойких материалов. Благодаря соприкосновению дуги с холодными поверхностями происходят ее интенсивное охлаждение, диффузия заряженных частиц в окружающую среду и соответственно быстрая деионизация.

Кроме щелей с плоскопараллельными стенками, применяют также щели с ребрами, выступами, расширениями (карманами). Все это приводит к деформации ствола дуги и способствует увеличению площади соприкосновения ее с холодными стенками камеры.

Втягивание дуги в узкие щели обычно происходит под действием магнитного поля, взаимодействующего с дугой, которая может рассматриваться как проводник с током.

Внешнее магнитное поле для перемещения дуги наиболее часто обеспечивают за счет катушки, включаемой последовательно с контактами, между которыми возникает дуга. Гашение дуги в узких щелях используют в аппаратах на все напряжения.

 

Гашение дуги высоким давлением

При неизменной температуре степень ионизации газа падает с ростом давления, при этом возрастает теплопроводность газа. При прочих равных условиях это приводит к усиленному охлаждению дуги. Гашение дуги при помощи высокого давления, создаваемого самой же дугой в плотно закрытых камерах, широко используется в плавких предохранителях и ряде других аппаратов.

Гашение дуги в масле

Если контакты выключателя помещены в масло, то возникающая при их размыкании дуга приводит к интенсивному испарению масла. В результате вокруг дуги образуется газовый пузырь (оболочка), состоящий в основном из водорода (70. ..80 %), а также паров масла. Выделяемые газы с большой скоростью проникают непосредственно в зону ствола дуги, вызывают перемешивание холодного и горячего газа в пузыре, обеспечивают интенсивное охлаждение и соответственно деионизацию дугового промежутка. Кроме того, деионизирующую способность газов повышает создаваемое при быстром разложении масла давление внутри пузыря.

Интенсивность процесса гашения дуги в масле тем выше, чем ближе соприкасается дуга с маслом и быстрее движется масло по отношению к дуге. Учитывая это, дуговой разрыв ограничивают замкнутым изоляционным устройством — дугогасительной камерой. В этих камерах создается более тесное соприкосновение масла с дугой, а при помощи изоляционных пластин и выхлопных отверстий образуются рабочие каналы, по которым происходит движение масла и газов, обеспечивая интенсивное обдувание (дутье) дуги.

Дугогасительные камеры по принципу действия разделяют на три основные группы: с автодутьем, когда высокие давление и скорость движения газа в зоне дуги создаются за счет выделяющейся в дуге энергии, с принудительным масляным дутьем при помощи специальных нагнетающих гидравлических механизмов, с магнитным гашением в масле, когда дуга под действием магнитного поля перемещается в узкие щели.

Наиболее эффективны и просты дугогасительные камеры с автодутьем. В зависимости от расположения каналов и выхлопных отверстий различают камеры, в которых обеспечивается интенсивное обдувание потоками газопаровой смеси и масла вдоль дуги (продольное дутье) или поперек дуги (поперечное дутье). Рассмотренные способы гашения дуги широко используются в выключателях на напряжение выше 1 кВ.

Другие способы гашения дуги в аппаратах на напряжение выше 1 кВ

 

Кроме указанных выше способов гашения дуги, используют также: сжатый воздух, потоком которого вдоль или поперек обдувается дуга, обеспечивая ее интенсивное охлаждение (вместо воздуха применяются и другие газы, часто получаемые из твердых газогенерирующих материалов — фибры, винипласта и т. п. — за счет их разложения самой горящей дугой), элегаз (шестифтористая сера), обладающий более высокой электрической прочностью, чем воздух и водород, в результате чего дуга, горящая в этом газе, даже при атмосферном давлении достаточно быстро гасится, высокоразреженный газ (вакуум), при размыкании контактов в котором дуга не загорается вновь (гаснет) после первого прохождения тока через нуль.

В результате деионизации постепенно увеличивается электрическая прочность промежутка и одновременно растет восстанавливающееся напряжение на нем. От соотношения этих величин и зависит, загорится ли на очередную половину периода дуга или нет. Если электрическая прочность промежутка возрастает быстрее и оказывается больше восстанавливающего напряжения, дуга больше не загорится, в противном же случае будет обеспечено устойчивое горение дуги. Первое условие и определяет задачу гашения дуги.

 

В коммутационных аппаратах используют различные способы гашения дуги. 

Что такое электрическая дуга и как она возникает

При коммутации электрических приборов или перенапряжений в цепи между токоведущими частями может появится электрическая дуга. Она может использоваться в полезных технологических целях и в то же время нести вред оборудованию. В настоящее время инженеры разработали ряд методов борьбы и использования в полезных целях электрической дуги. В этой статье мы рассмотрим, как она возникает, ее последствия и область применения.

• Образование дуги, её строение и свойства
• Почему возникает электрическая дуга
• Вред и борьба с ней
• Полезное применение

Образование дуги, её строение и свойства

Представим, что мы в лаборатории проводим эксперимент. У нас есть два проводника, например, металлических гвоздя. Расположим их острием друг к другу на небольшом расстоянии и подключим к гвоздям выводы регулируемого источника напряжения. Если постепенно увеличивать напряжение источника питания, то при определенном его значении мы увидим искры, после чего образуется устойчивое свечение подобное молнии.

Таким образом можно наблюдать процесс её образования. Свечение, которое образуется между электродами — это плазма. Фактически это и есть электрическая дуга или протекание электрического тока через газовую среду между электродами. На рисунке ниже вы видите её строение и вольт-амперную характеристику:

А здесь – приблизительные величины температур:

Почему возникает электрическая дуга

Всё очень просто, мы рассматривали в статье об электрическом поле, а также в статье о распределении зарядов в проводнике, что если любое проводящее тело (стальной гвоздь, например) внести в электрическое поле — на его поверхности начнут скапливаться заряды. При том, чем меньше радиус изгиба поверхности, тем их больше скапливается. Говоря простым языком — заряды скапливаются на острие гвоздя.

Между нашими электродами воздух — это газ. Под действием электрического поля происходит его ионизация. В результате всего этого возникают условия для образования электрической дуги.

Напряжение, при котором возникает дуга, зависит от конкретной среды и её состояния: давления, температуры и прочих факторов.

Интересно: по одной из версий это явление так называется из-за её формы. Дело в том, что в процессе горения разряда воздух или другой окружающий её газ разогревается и поднимается вверх, в результате чего происходит искажение прямолинейной формы и мы видим дугу или арку.

Для зажигания дуги нужно либо преодолеть напряжение пробоя среды между электродами, либо разорвать электрическую цепь. Если в цепи есть большая индуктивность, то, согласно законам коммутации, ток в ней не может прерваться мгновенно, он будет протекать и далее. В связи с этим будет возрастать напряжение между разъединенными контактами, а дуга будет гореть пока не исчезнет напряжение и не рассеется энергия, накопленная в магнитном поле катушки индуктивности.

Рассмотрим условия зажигания и горения:

Между электродами должен быть воздух или другой газ. Для преодоления напряжения пробоя среды потребуется высокое напряжение в десятки тысяч вольт – это зависит от расстояния между электродами и других факторов. Для поддержания горения дуги достаточно 50-60 Вольт и тока в 10 и больше Ампер. Конкретные величины зависят от окружающей среды, формы электродов и расстояния между ними.

Вред и борьба с ней

Мы рассмотрели причины возникновения электрической дуги, теперь давайте разберемся какой вред она наносит и способы её гашения. Электрическая дуга наносит вред коммутационной аппаратуре. Вы замечали, что, если включить мощный электроприбор в сеть и через какое-то время выдернуть вилку из розетки — происходит небольшая вспышка.

Это дуга образуется между контактами вилки и розетки в результате разрыва электрической цепи.

Важно! Во время горения электрической дуги выделяется много тепла, температура её горения достигает значений более 3000 градусов Цельсия. В высоковольтных цепях длина дуги достигает метра и более. Возникает опасность как нанесения вреда здоровью людей, так и состоянию оборудования.

Тоже самое происходит и в выключателях освещения, другой коммутационной аппаратуре среди которых:

• автоматические выключатели;
• магнитные пускатели;
• контакторы и прочее.

В аппаратах, которые используются в сетях 0,4 кВ, в том числе и привычные 220 В, используют специальные средства защиты – дугогасительные камеры. Они нужны чтобы уменьшить вред, наносимый контактам.

В общем виде дугогасительная камера представляет собой набор проводящих перегородок особой конфигурации и формы, скрепленных стенками из диэлектрического материала.

При размыкании контактов образовавшаяся плазма изгибается в сторону камеры дугогашения, где разъединяется на небольшие участки. В результате она охлаждается и гасится.

В высоковольтных сетях используют масляные, вакуумные, газовые выключатели. В масляном выключателе гашение происходит коммутацией контактов в масляной ванне. При горении электрической дуги в масле оно разлагается на водород и газы. Вокруг контактов образуется газовый пузырь, который стремиться вырваться из камеры с большой скоростью и дуга охлаждается, так как водород обладает хорошей теплопроводностью.

В вакуумных выключателях не ионизируются газы и нет условий для горения дуги. Также есть выключатели, заполненные газом под высоким давлением. При образовании электрической дуги температура в них не повышается, повышается давление, а из-за этого уменьшается ионизация газов или происходит деионизация. Перспективным направлением считаются элегазовые выключатели.

Также возможна коммутация при нулевом значении переменного тока.

Полезное применение

Рассмотренное явление нашло и целый ряд полезных применений, например:

1. Осветительные приборы. Например, дугоразрядные лампы (ДРЛ, ксеноновые и другие виды). Если добавить на электроды соли определенных металлов — цвет электрической дуги изменится.
2. Электродуговая сварка. При касании электродом поверхности металла протекает высокий ток, который разогревает металл. Когда вы отрываете электрод, ток не может прерваться, разогретые поверхности эмитируют электроды и возникает дуга. При оплавлении металлических свариваемых поверхностей и расплавлении самого электрода возможно соединение двух частей или их разрезание. Есть различные виды сварки, например, с использованием электродов или газа — углекислого или аргона. Она используется повсеместно и внесла огромный вклад в жилое и промышленное строительство.
3. Дуговая плавка. Электрическая дуга зависит от электрических параметров источников питания, таким образом можно регулировать её горение. Благодаря высокой температуре удается расплавить большое число металлов.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме статьи:

Теперь вы знаете, что такое электрическая дуга, какие причины возникновения данного явления и возможные сферы применения. Надеемся, предоставленная информация была для вас понятной и полезной!

Материалы по теме:

• Причины возникновения короткого замыкания
• Кабель для сварочного аппарата
• Сварка проводов в распределительной коробке

Опубликовано 23.07.2018 Обновлено 23.07.2018 Пользователем Александр (администратор)

Что такое электрическая дуга?

Обслуживание территории Большого Кливленда

РАСПИСАНИЕ ОБСЛУЖИВАНИЯ

ЗВОНИТЕ 440-424-4640

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Clover Electric Blog
Полезные советы и рекомендации по электротехнике для вашего дома
Blog Home

• безопасность

Электрическая дуга возникает, когда электричество переходит из одного соединения в другое.

Эта вспышка электричества достигает температуры 35 000°F. Дугообразование может и вызовет пожар в вашем доме. Вы когда-нибудь слышали жужжание выключателя или розетки? Это искрение. Тепло от дуги сжигает изоляцию вокруг проводов, оставляя путь для дуги, чтобы достичь изоляции или деревянного каркаса в вашем доме.

Ознакомьтесь с этим списком распространенных проблем с электричеством, при которых может возникнуть искрение.

Ослабленные вилки в розетке

Вилки, которые слишком свободно вставлены в розетку, могут вызвать электрическую дугу. Эта искра может вызвать пожар.

Розетки, которые не работают

Кажется, это не так уж и важно. Но, на самом деле, это так. Неисправная розетка означает, что что-то не так с самой розеткой или соединение разорвано. Любое условие может вызвать электрическую дугу.

Тусклое или мерцающее освещение

Мигающие огни означают, что где-то в вашей электрической системе есть плохой контакт.

Это может быть из-за разорванного соединения, проржавевшего провода или даже повреждения от животных. Когда свет мерцает или тускнеет, есть вероятность возникновения дуги!

Автоматические выключатели отключения

В перегруженных цепях отключаются автоматические выключатели. В вашем электрическом щите часто возникает дуга. Срабатывание выключателя является признаком серьезной проблемы.

Розетки или выключатели для горячего или курения

Если электрическая розетка или выключатель горячие на ощупь или дымятся, вам необходимо немедленно решить эту проблему! Горячие или дымящиеся розетки являются явным признаком возникновения дуги и высокой вероятности возгорания. Немедленно отключите все питание от этой розетки или переключите ее.

Лампочки, которые слишком часто перегорают

Перегоревшие лампочки могут означать несколько вещей. Во-первых, у вас может быть плохое соединение между лампочкой и патроном.

Во-вторых, у вас может быть плохое соединение между прибором и вашей электрической системой. В-третьих, вы можете испытывать скачки напряжения в вашем доме. Все эти условия являются серьезными и требуют вашего немедленного внимания. Возможно возникновение дуги.

Если вы столкнулись с какой-либо из этих опасных электрических ситуаций, немедленно позвоните нам. Электрическая дуга не может игнорироваться. Безопасность вашей семьи и дома зависит от быстрых действий.

Что говорят ваши соседи

Мы работаем по вашему графику

Предварительная цена

Лицензированные, высококвалифицированные электрики

Уважение к вам и вашему дому

100% удовлетворение гарантировано

Мы находимся в вашем районе Кливленда

Звоните в любое время для оперативного профессионального обслуживания по всей территории Кливленда

440-424-4640
216-367-5541
330-426-8050

РАСПИСАНИЕ ОБСЛУЖИВАНИЯ

CON СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

ОБСЛУЖИВАЕМЫЕ МЕСТА

© 2023 Клевер Электрик, Все права защищены.

Что такое электрическая дуга?

Электрическая дуга возникает, когда электрический ток проходит через разрыв в цепи или между двумя электродами (проводниками электричества). Возможно, вы знакомы с этим упражнением из классического научного эксперимента — «Лестницы Иакова». Однако искрение может вызвать вспышку дуги, когда электричество течет или разряжается по непреднамеренному пути. Эти вспышки воспламеняются от частиц в окружающей среде, которые могут быть чем угодно, от пыли до газа. Дуги могут превышать 10 000 ° F, и вероятным результатом этих вспышек дуги являются электрические возгорания.

Дуговые разряды в электрических панелях

Вспышки дуги могут произойти везде, где протекает электрический ток. Тридцать шесть процентов вспышек дуги происходят в электрических панелях и корпусах. Электрические панели содержат множество различных цепей, шин и соединений. Дугообразование обычно происходит, когда цепь становится перегруженной и перегревается. Перегрев приводит к повреждению не только автоматического выключателя, но и его соединения с шиной. После повреждения автоматический выключатель может выйти из строя и продолжать пропускать электричество между его соединениями, а не отключаться. Автоматический выключатель предназначен для отключения или разрыва соединения цепи и не работает до тех пор, пока он не будет сброшен. Однако, если поврежденный автоматический выключатель продолжает пропускать электричество, возможно возникновение дуги.

Другие причины электрической дуги

Проводка в электрическом щите может быть повреждена, даже если она закрыта и защищена от потенциальной опасности. Возможные причины включают:

• Проводка, которая оборвана или отсоединена во время текущего обслуживания или новых установок
• Изоляция, покрывающая провод, повреждается и оголяется
• Электрический шкаф оставлен открытым или поврежден, что делает его восприимчивым к элементам
• Перегрев предохранителей, когда внутри электрического щита установлено слишком много предохранителей
• Неисправное оборудование или компоненты

Как электрическая дуга вызывает пожар

В соответствии с Национальной ассоциацией противопожарной защиты — NFPA 921, раздел 14. 9.1, для воспламенения от электрического источника должно произойти следующее:

• Электрическая проводка, оборудование или компонент должны иметь был запитан от электропроводки здания, аварийной системы, батареи или какого-либо другого источника.
• Тепло и температура, достаточная для воспламенения близкого горючего материала, должны быть произведены за счет электрической энергии в точке происхождения от источника электричества.

Как указано выше, вспышки дуги вызывают температуру, которая может превышать 10 000°F. Это тепло намного выше точки плавления изоляции провода, которая обычно составляет 194°F. Пожары дуги обычно начинаются с возгорания изоляции провода (пластикового покрытия), но также могут возникать из-за частиц пыли и других загрязняющих веществ в окружающей среде.

Предотвращение вспышки электрической дуги

Внутри электрического щита вместо стандартного автоматического выключателя можно установить дугогасительные прерыватели. AFCI предназначены для обнаружения широкого спектра дуговых электрических неисправностей. Они обнаруживают эти неисправности, используя передовые электронные технологии для контроля цепи на наличие «нормальных» и «опасных» условий искрения. Одним из недостатков AFCI является цена. AFCI обычно стоит 30-40 долларов каждый, в то время как обычный автоматический выключатель стоит 2-5 долларов каждый. Существует много споров о том, работают ли они на самом деле, потому что искрение все еще происходит при установке AFCI, хотя они значительно снижают риск.

Электрическая противопожарная защита

Хотя не все дуговые замыкания можно предотвратить, электрические панели можно защитить от возгорания внутри шкафа, вызванного вспышкой дуги. Автоматические системы пожаротушения могут быть установлены внутри электрощита и обеспечат круглосуточную бесперебойную противопожарную защиту. В системе используется находящаяся под давлением трубка обнаружения пожара, которая разрывается и выпускает чистый агент в шкаф при воздействии пламени.