Arco elettrico: proprietà. Protezione dell'arco elettrico

Un arco elettrico può essere estremamente distruttivo per le attrezzature e, cosa più importante, mettere in pericolo le persone. Un numero allarmante di incidenti si verifica a causa di esso si verificano ogni anno, spesso con conseguente gravi ustioni o morte. Fortunatamente, nel settore elettrico sono stati compiuti progressi significativi in ​​termini di creazione di strumenti e metodi per la protezione dagli effetti di un arco.

Cause e luoghi

L'arco elettrico è uno dei pericoli più pericolosi e meno studiati dell'elettricità e prevale nella maggior parte delle industrie. È ampiamente riconosciuto che maggiore è la tensione del sistema elettrico, maggiore è il rischio per le persone che lavorano all'interno o in prossimità dei cavi e delle apparecchiature sotto tensione.

L'energia termica da un flash ad arco, tuttavia, può effettivamente essere maggiore e si verifica più spesso a tensioni più basse con le stesse conseguenze devastanti.

Un arco elettrico di solito si verifica quando c'è un contatto accidentale tra un conduttore conduttivo, come un filo di contatto da un filobus o una linea di tram con un altro conduttore, o una superficie collegata a terra. Quando ciò accade, il risultato corrente di cortocircuito scioglie i fili, ionizza l'aria e crea un canale plasma conduttivo infuocato di una caratteristica forma arcuata (da cui il nome), e la temperatura dell'arco elettrico nel suo nucleo può raggiungere oltre 20.000 ° C.

Cos'è un arco elettrico?

In realtà, questo è il modo comunemente usato nella vita di tutti i giorni come scarica ad arco, ben noto in fisica ed ingegneria elettrica, un tipo di scarica elettrica indipendente in un gas. Quali sono le proprietà fisiche di un arco elettrico? Brucia in un'ampia gamma di pressione del gas, con una tensione costante o alternata (fino a 1000 Hz) tra gli elettrodi nel range da pochi volt (arco di saldatura) a decine di kilovolt. La massima densità di corrente dell'arco è osservata sul catodo (10 ² -10 ⁸ A / cm ² ), dove viene tirato nel punto catodico, molto luminoso e di piccole dimensioni. Si muove in modo casuale e continuo attraverso l'intera area dell'elettrodo. La sua temperatura è tale che il materiale del catodo in esso bolle. Pertanto, si verificano condizioni ideali per l'emissione termoionica di elettroni nello spazio del catodo. Sopra di esso è formato un piccolo strato, che è caricato positivamente e fornisce l'accelerazione degli elettroni emessi alle velocità a cui ionizzano in modo impattante gli atomi e le molecole del mezzo nell'intercapedine interelettrodica.

Lo stesso punto, ma un po 'più grande e meno mobile, si forma anche sull'anodo. La temperatura in esso è vicina al punto catodico.

Se la corrente d'arco è dell'ordine di diverse decine di ampere, gli elettrodi al plasma o le torce normalmente fluiscono da entrambi gli elettrodi ad alta velocità verso le loro superfici (vedere nella foto sotto).

A correnti elevate (100-300 A), si verificano ulteriori getti al plasma e l'arco diventa simile a un fascio di filamenti di plasma (vedere la foto sotto).

Come si manifesta l'arco nelle apparecchiature elettriche

Come menzionato sopra, il catalizzatore per il suo verificarsi è un forte rilascio di calore nel punto catodico. La temperatura dell'arco elettrico, come già accennato, può raggiungere 20.000 ° C, circa quattro volte superiore rispetto alla superficie del sole. Questo calore può rapidamente fondere o addirittura evaporare il rame dei conduttori, che ha un punto di fusione di circa 1084 ° C, molto più basso che nell'arco. Pertanto, forma spesso vapori di rame e schizzi di metallo fuso. Quando il rame passa dal solido al vapore, si espande diverse decine di migliaia di volte dal suo volume originale. Ciò equivale al fatto che un pezzo di rame in un centimetro cubico cambierà in una dimensione di 0,1 metri cubi in una frazione di secondo. Ciò causerà una pressione ad alta intensità e onde sonore diffondersi ad alta velocità (che può essere superiore a 1100 km all'ora).

Effetto arco elettrico

Lesioni gravi e persino mortali, in caso di evento, possono essere ricevute non solo da persone che lavorano su apparecchiature elettriche, ma anche da persone vicine. Le lesioni da arco possono includere ustioni cutanee esterne, ustioni interne da inalazione di gas caldi e metallo evaporato, danni all'udito, visione, come cecità da lampi di luce ultravioletta, nonché molti altri danni dannosi.

Quando un arco particolarmente potente può anche verificarsi un fenomeno come la sua esplosione, creando una pressione di oltre 100 kilopascal (kPa) con il rilascio di particelle di detriti, come schegge, a velocità fino a 300 metri al secondo.

Persone colpite corrente elettrica elettrica potrebbe essere necessario un trattamento serio e la riabilitazione, e il prezzo delle lesioni può essere estremo - fisicamente, emotivamente e finanziariamente. Sebbene la legislazione imponga alle imprese di condurre valutazioni del rischio per tutti i tipi di lavoro, il rischio di un arco elettrico è spesso trascurato perché la maggior parte delle persone non sa come valutare e gestire efficacemente questo pericolo. La protezione dagli effetti di un arco elettrico comporta l'uso di tutta una serie di strumenti, tra cui l'uso di speciali dispositivi di protezione elettrica, indumenti da lavoro, nonché l'apparecchiatura stessa, in particolare dispositivi di commutazione ad alta tensione progettati con l'uso di apparecchiature di estinzione dell'arco quando si lavora con apparecchiature elettriche sotto tensione.

Arco in apparati elettrici

In questa classe di dispositivi elettrici (interruttori automatici, contattori, antipasti magnetici) la lotta contro questo fenomeno è di particolare importanza. Quando i contatti dell'interruttore, che non è dotato di dispositivi speciali per impedire l'arco, si aprono, quindi si accenderanno sicuramente tra di loro.

Nel momento in cui i contatti iniziano a separarsi, l'area di quest'ultimo diminuisce rapidamente, il che porta ad un aumento della densità di corrente e, di conseguenza, ad un aumento della temperatura. Il calore generato nello spazio tra i contatti (il mezzo abituale è olio o aria) è sufficiente per la ionizzazione o evaporazione dell'aria e la ionizzazione dell'olio. Aria ionizzata o vapore agisce come un conduttore per la corrente d'arco tra i contatti. La differenza potenziale tra di loro è piuttosto piccola, ma è sufficiente per mantenere l'arco. Di conseguenza, la corrente nel circuito rimane continua finché l'arco non viene eliminato. Non solo ritarda il processo di rottura della corrente, ma genera anche un'enorme quantità di calore, che può danneggiare l'interruttore stesso. Pertanto, il problema principale nell'interruttore (principalmente alta tensione) è l'estinzione dell'arco elettrico il prima possibile in modo che il calore generato non possa raggiungere un valore pericoloso.

I fattori mantengono l'arco tra i contatti degli interruttori

Questi includono:

1. Tensione dell'arco elettrico, pari alla differenza di potenziale tra i contatti.

2. Particelle ionizzate tra di loro.

Prendendo questo, notiamo inoltre:

• Quando c'è un piccolo spazio tra i contatti, anche una piccola differenza di potenziale è sufficiente per mantenere l'arco. Un modo per estinguerlo è dividere i contatti su una distanza tale che la differenza potenziale diventa insufficiente per mantenere l'arco. Tuttavia, questo metodo è praticamente impraticabile in apparecchiature ad alta tensione, dove può essere richiesta una separazione in molti metri.
• Le particelle ionizzate tra i contatti, di regola, supportano l'arco. Se il suo percorso è deionizzato, allora il processo di tempra sarà facilitato. Questo può essere ottenuto raffreddando l'arco o rimuovendo particelle ionizzate dallo spazio tra i contatti.
• Esistono due modi con cui viene eseguita la protezione da un arco elettrico negli interruttori:

- metodo ad alta resistenza;

- metodo di corrente zero.

Estinzione dell'arco aumentando la sua resistenza

In questo metodo, la resistenza lungo il percorso dell'arco aumenta nel tempo in modo che la corrente diminuisca fino a un valore insufficiente a mantenerla. Di conseguenza, viene interrotto e l'arco elettrico si spegne. Il principale svantaggio di questo metodo è che il tempo di spegnimento è abbastanza grande e un'enorme energia è dispersa nell'arco.

La resistenza all'arco può essere aumentata da:

• Estensioni dell'arco: la resistenza dell'arco è direttamente proporzionale alla sua lunghezza. La lunghezza dell'arco può essere aumentata cambiando lo spazio tra i contatti.
• Raffreddamento dell'arco, o meglio l'ambiente tra i contatti. Il raffreddamento efficace soffiando dovrebbe essere diretto lungo l'arco.
• Posizionamento dei contatti in un mezzo gassoso difficilmente ionizzabile (interruttori a gas) o in una camera a vuoto (interruttori a vuoto).
• Riducendo la sezione trasversale dell'arco facendolo passare attraverso un'apertura stretta o riducendo l'area di contatto.
• Separazione dell'arco: la sua resistenza può essere aumentata dividendolo in una serie di piccoli archi collegati in serie. Ognuno di loro sperimenta l'effetto dell'allungamento e del raffreddamento. L'arco può essere diviso inserendo alcune piastre conduttive tra i contatti.

Estinzione dell'arco con il metodo a corrente zero

Questo metodo è utilizzato solo nei circuiti CA. In esso, la resistenza dell'arco viene mantenuta bassa finché la corrente non scende a zero, dove viene estinta in modo naturale. La sua riaccensione è impedita nonostante l'aumento di tensione ai contatti. Tutti i moderni interruttori di alta corrente alternata utilizzano questo metodo di estinzione dell'arco.

Nel sistema CA, quest'ultimo scende a zero dopo ogni semiperiodo. In ogni tale azzeramento, l'arco si spegne per un breve periodo. Allo stesso tempo, il mezzo tra i contatti contiene ioni ed elettroni, in modo che la sua rigidità dielettrica sia piccola e possa essere facilmente distrutta dalla tensione crescente dei contatti.

Se ciò accade, l'arco brucerà durante il prossimo mezzo ciclo di corrente. Se immediatamente dopo il suo azzeramento la rigidità dielettrica del mezzo tra i contatti cresce più rapidamente della tensione su di essi, allora l'arco non si accenderà e la corrente verrà interrotta. Un rapido aumento della rigidità dielettrica della corrente mediamente prossima allo zero può essere ottenuto da:

• ricombinazione di particelle ionizzate nello spazio tra i contatti in molecole neutre;
• rimuovere le particelle ionizzate e sostituirle con particelle neutre.

Quindi, il vero problema nell'interrompere la corrente alternata dell'arco è la rapida deionizzazione del mezzo tra i contatti non appena la corrente diventa zero.

Modi per deionizzare il mezzo tra i contatti

1. Allungamento dello spazio: la rigidità dielettrica del mezzo è proporzionale alla lunghezza dello spazio tra i contatti. Pertanto, aprendo rapidamente i contatti, si può ottenere una maggiore rigidità dielettrica del mezzo.

2. Alta pressione. Se è in prossimità dell'arco, aumenta, aumenta anche la densità delle particelle che compongono il canale di scarica dell'arco. L'aumento della densità delle particelle porta ad un alto livello della loro deionizzazione e, di conseguenza, la forza dielettrica del mezzo tra i contatti aumenta.

3. Raffreddamento. La ricombinazione naturale delle particelle ionizzate si verifica più rapidamente se si raffreddano. Pertanto, la rigidità dielettrica del mezzo tra i contatti può essere aumentata raffreddando l'arco.

4. L'effetto dell'esplosione. Se le particelle ionizzate tra i contatti vengono spazzate via e sostituite con non ionizzate, la forza dielettrica del mezzo può essere aumentata. Ciò può essere ottenuto utilizzando un'esplosione di gas diretta nella zona di scarico o iniettando olio nello spazio di contatto.

In tali interruttori, il gas esafluoruro di zolfo (SF6) viene utilizzato come mezzo di estinzione dell'arco. Ha una forte tendenza ad assorbire elettroni liberi. I contatti dell'interruttore si aprono in un flusso ad alta pressione (SF6) tra di loro (vedi figura sotto). Il gas cattura gli elettroni liberi nell'arco e forma un eccesso di ioni negativi sedentari. Il numero di elettroni nell'arco diminuisce rapidamente e si spegne.