Łuk elektryczny - Electric arc
Łukiem elektrycznym lub łuku wyładowania , jest awaria elektryczna z gazu , który wytwarza długotrwałe wyładowania elektrycznego . Prądu podawane przez przewodzącą podłożu, takim jak powietrze wytwarza w osoczu ; plazma może wytwarzać światło widzialne . Wyładowanie łukowe charakteryzuje się niższym napięciem niż wyładowanie jarzeniowe i polega na emisji termionowej elektronów z elektrod podtrzymujących łuk. Termin archaiczny jest łukiem elektrycznym , użytym w wyrażeniu „lampa łukowa”.
Techniki tłumienia łuku można wykorzystać do skrócenia czasu trwania lub prawdopodobieństwa powstania łuku.
Pod koniec XIX wieku oświetlenie łukowe było szeroko stosowane w oświetleniu publicznym . Niektóre niskociśnieniowe łuki elektryczne są wykorzystywane w wielu zastosowaniach. Na przykład do oświetlenia używane są świetlówki, lampy rtęciowe, sodowe i metalohalogenkowe ; ksenonowe lampy łukowe zostały wykorzystane w projektorach filmowych . Łuki elektryczne mogą być wykorzystywane w procesach produkcyjnych, takich jak spawanie łukiem elektrycznym i elektryczne piece łukowe do recyklingu stali.
Historia
Sir Humphry Davy odkrył łuk elektryczny o krótkim impulsie w 1800 roku. W 1801 roku opisał to zjawisko w artykule opublikowanym w Journal of Natural Philosophy, Chemistry and the Arts Williama Nicholsona . Według współczesnej nauki opis Davy'ego był raczej iskrą niż łukiem. W tym samym roku Davy publicznie zademonstrował ten efekt przed Royal Society , przesyłając prąd elektryczny przez dwa węglowe pręty, które się zetknęły, a następnie odciągając je na niewielką odległość. Demonstracja wytworzyła „słaby” łuk, niełatwy do odróżnienia od utrzymującej się iskry , między punktami węgla drzewnego . Towarzystwo zasubskrybowało mocniejszą baterię 1000 płyt, aw 1808 roku zademonstrował łuk na dużą skalę. Przypisuje mu się nazwanie łuku. Nazwał go łukiem, ponieważ przybiera kształt łuku skierowanego ku górze, gdy odległość między elektrodami nie jest mała. Wynika to z siły wyporu działającej na gorący gaz.
Pierwszy ciągły łuk został odkryty niezależnie w 1802 r. i opisany w 1803 r. jako „specjalny płyn o właściwościach elektrycznych” przez Wasilija W. Pietrowa , rosyjskiego naukowca eksperymentującego z baterią miedziano-cynkową składającą się z 4200 dysków.
Pod koniec XIX wieku oświetlenie łukowe było szeroko stosowane w oświetleniu publicznym . Dużym problemem była tendencja łuków elektrycznych do migotania i syczenia. W 1895 roku Hertha Marks Ayrton napisała serię artykułów dla Elektryka , wyjaśniając, że te zjawiska były wynikiem kontaktu tlenu z prętami węglowymi używanymi do tworzenia łuku. W 1899 roku była pierwszą kobietą, która przeczytała własną pracę przed Institution of Electrical Engineers (IEE). Jej artykuł był zatytułowany „Syczenie łuku elektrycznego”. Wkrótce potem Ayrton została wybrana pierwszą kobietą członkinią IEE; następną kobietą, która została przyjęta do IEE była w 1958 r. Złożyła petycję o przedstawienie referatu przed Royal Society, ale nie została dopuszczona ze względu na jej płeć, a „Mechanizm łuku elektrycznego” przeczytał w niej John Perry. zamiast w 1901 roku.
Przegląd
Łuk elektryczny jest formą wyładowania elektrycznego o największej gęstości prądu. Maksymalny prąd płynący przez łuk jest ograniczony tylko przez obwód zewnętrzny, a nie przez sam łuk.
Łuk między dwiema elektrodami może zostać zainicjowany przez jonizację i wyładowanie jarzeniowe, gdy zwiększa się prąd płynący przez elektrody. Napięcie przebicia szczeliny elektrodowej jest złożoną funkcją ciśnienia, odległości między elektrodami i rodzaju gazu otaczającego elektrody. Kiedy zaczyna się łuk, jego napięcie na zaciskach jest znacznie mniejsze niż wyładowanie jarzeniowe, a prąd jest wyższy. Łuk w gazach w pobliżu ciśnienia atmosferycznego charakteryzuje się emisją światła widzialnego, dużą gęstością prądu i wysoką temperaturą. Łuk różni się od wyładowania jarzeniowego częściowo podobnymi temperaturami elektronów i jonów dodatnich; w wyładowaniu jarzeniowym jony są znacznie zimniejsze niż elektrony.
Ciągniony łuk można zainicjować przez dwie elektrody początkowo stykające się i rozsuwane; może to zainicjować łuk bez wyładowania jarzeniowego wysokiego napięcia. W ten sposób spawacz zaczyna spawać złącze, chwilowo dotykając elektrody spawalniczej do elementu spawanego, a następnie wycofując go, aż utworzy się stabilny łuk. Innym przykładem jest separacja styków elektrycznych w przełącznikach, przekaźnikach lub wyłącznikach; w obwodach wysokoenergetycznych może być wymagane tłumienie łuku, aby zapobiec uszkodzeniu styków.
Opór elektryczny wzdłuż ciągłego łuku elektrycznego wytwarza ciepło, które jonizuje więcej cząsteczek gazu (gdzie stopień jonizacji zależy od temperatury) i zgodnie z tą sekwencją: ciało stałe-ciecz-gaz-plazma; gaz stopniowo zamienia się w plazmę termiczną. Plazma termiczna jest w równowadze termicznej; temperatura jest stosunkowo jednorodna we wszystkich atomach, cząsteczkach, jonach i elektronach. Energia przekazywana elektronom jest szybko rozpraszana w cięższych cząstkach w zderzeniach sprężystych , ze względu na ich dużą ruchliwość i dużą liczbę.
Prąd w łuku jest podtrzymywany przez emisję termionową i polową emisję elektronów na katodzie. Prąd może być skoncentrowany w bardzo małym gorącym punkcie na katodzie; można znaleźć gęstości prądu rzędu miliona amperów na centymetr kwadratowy. W przeciwieństwie do wyładowania jarzeniowego łuk ma mało dostrzegalną strukturę, ponieważ kolumna dodatnia jest dość jasna i rozciąga się prawie do elektrod na obu końcach. Spadki katody i anody rzędu kilku woltów występują w obrębie ułamka milimetra każdej elektrody. Kolumna dodatnia ma mniejszy gradient napięcia i może być nieobecna w bardzo krótkich łukach.
Łuk prądu przemiennego o niskiej częstotliwości (mniej niż 100 Hz) przypomina łuk prądu stałego; w każdym cyklu łuk jest inicjowany przez przebicie, a elektrody zamieniają się rolami, jako anoda lub katoda, gdy prąd się odwraca. Wraz ze wzrostem częstotliwości prądu nie ma wystarczająco dużo czasu, aby cała jonizacja rozproszyła się w każdym półcyklu, a przebicie nie jest już potrzebne do podtrzymania łuku; charakterystyka napięcia w funkcji prądu staje się bardziej zbliżona do rezystancji.
Różne kształty łuków elektrycznych są wyłaniającymi się właściwościami nieliniowych wzorców prądu i pola elektrycznego . Łuk powstaje w wypełnionej gazem przestrzeni pomiędzy dwiema elektrodami przewodzącymi (często wykonanymi z wolframu lub węgla) i powoduje bardzo wysoką temperaturę , zdolną do stopienia lub odparowania większości materiałów. Łuk elektryczny jest wyładowaniem ciągłym, podczas gdy podobne wyładowanie iskrą elektryczną jest chwilowe. Łuk elektryczny może wystąpić w obwodach prądu stałego (DC) lub w obwodach prądu przemiennego (AC). W tym drugim przypadku łuk może ponownie zajarzyć się w każdej połowie cyklu prądu. Łuk elektryczny różni się od wyładowania jarzeniowego tym, że gęstość prądu jest dość wysoka, a spadek napięcia w łuku jest niski; na katodzie gęstość prądu może sięgać nawet jednego megaampera na centymetr kwadratowy.
Łuk elektryczny ma nieliniową zależność między prądem a napięciem. Po ustanowieniu łuku (albo poprzez przejście z wyładowania jarzeniowego, albo przez chwilowe dotknięcie elektrod, a następnie ich oddzielenie), zwiększony prąd skutkuje niższym napięciem między końcówkami łuku. Ten ujemny efekt rezystancji wymaga umieszczenia w obwodzie pewnej dodatniej formy impedancji (jako statecznik elektryczny ), aby utrzymać stabilny łuk. Ta właściwość jest powodem, dla którego niekontrolowane łuki elektryczne w aparacie stają się tak destrukcyjne, ponieważ po zainicjowaniu łuk będzie pobierał coraz więcej prądu ze źródła o stałym napięciu, aż do zniszczenia aparatu.
Zastosowania
Przemysłowo łuki elektryczne wykorzystywane są do spawania , cięcia plazmowego , obróbki wyładowaniami elektrycznymi , jako lampa łukowa w projektorach filmowych oraz followpots w oświetleniu scenicznym . Elektryczne piece łukowe służą do produkcji stali i innych substancji. Węglik wapnia jest wytwarzany w ten sposób, ponieważ wymaga dużej ilości energii do wywołania reakcji endotermicznej (w temperaturze 2500 °C).
Lampy łukowe węglowe były pierwszymi lampami elektrycznymi. Były używane do oświetlenia ulicznego w XIX wieku oraz do specjalistycznych zastosowań, takich jak reflektory do II wojny światowej. Obecnie łuki elektryczne niskociśnieniowe są wykorzystywane w wielu zastosowaniach. Na przykład do oświetlania stosuje się świetlówki, lampy rtęciowe, sodowe i metalohalogenkowe ; ksenonowe lampy łukowe są używane do projektorów filmowych.
Powstawanie intensywnym łuku elektrycznego, podobnie jak na małą skalę OŚLEPIENIA , jest podstawą zapalników wybuchające-bridgewire .
Głównym pozostałym zastosowaniem jest rozdzielnica wysokiego napięcia dla sieci przesyłowych wysokiego napięcia. Nowoczesne urządzenia wykorzystują sześciofluorek siarki pod wysokim ciśnieniem w dyszy przepływającej pomiędzy oddzielonymi elektrodami w zbiorniku ciśnieniowym. Prąd zwarciowy prądu przemiennego jest przerywany przy prądzie zerowym przez silnie elektroujemne jony SF6 absorbujące wolne elektrony z rozpadającej się plazmy. Podobna technologia powietrzna została w dużej mierze zastąpiona, ponieważ potrzeba było wielu hałaśliwych jednostek szeregowych, aby zapobiec ponownemu zapłonowi prądu w podobnych warunkach supersieci.
Łuki elektryczne badano pod kątem elektrycznego napędu statków kosmicznych.
Są one wykorzystywane w laboratorium do spektroskopii do tworzenia emisji widmowych poprzez intensywne ogrzewanie próbki materii .
Prowadzenie łuku
Naukowcy odkryli metodę kontrolowania ścieżki łuku między dwiema elektrodami poprzez wystrzeliwanie wiązek laserowych w gaz między elektrodami. Gaz staje się plazmą i prowadzi łuk. Tworząc ścieżkę plazmy między elektrodami za pomocą różnych wiązek laserowych, łuk można uformować w ścieżki zakrzywione i w kształcie litery S. Łuk mógłby również uderzyć w przeszkodę i uformować się po drugiej stronie przeszkody. Technologia łuku prowadzonego laserowo może być użyteczna w zastosowaniach polegających na dostarczaniu iskry elektrycznej do precyzyjnego punktu.
Niepożądane wyładowania łukowe
Niepożądane lub niezamierzone wyładowania łukowe mogą mieć szkodliwy wpływ na przesył energii elektrycznej , systemy dystrybucji i sprzęt elektroniczny . Do urządzeń, które mogą powodować wyładowania łukowe, należą przełączniki, wyłączniki automatyczne, styki przekaźników, bezpieczniki i słabe zakończenia kabli. Gdy obwód indukcyjny jest wyłączony, prąd nie może natychmiast przeskoczyć do zera: na stykach separujących powstanie przejściowy łuk. Urządzenia przełączające podatne na wyładowania łukowe są zwykle zaprojektowane do zatrzymywania i gaszenia łuku, a obwody tłumiące mogą zapewnić ścieżkę dla prądów przejściowych, zapobiegając wyładowaniu łukowemu. Jeśli obwód ma wystarczający prąd i napięcie, aby podtrzymać łuk utworzony poza urządzeniem przełączającym, łuk może spowodować uszkodzenie sprzętu, takie jak stopienie przewodów, zniszczenie izolacji i pożar. Przebłysk łuku opisuje wybuchowe zdarzenie elektryczne, które stanowi zagrożenie dla ludzi i sprzętu.
Niepożądane wyładowania łukowe w stykach elektrycznych styczników , przekaźników i przełączników można zredukować za pomocą urządzeń takich jak tłumiki łuku stykowego i tłumiki RC lub za pomocą technik obejmujących:
- zanurzenie w oleju transformatorowym , gazie dielektrycznym lub próżni
- zsypy łukowe
- wydmuchy magnetyczne
- przedmuchy pneumatyczne
- ofiarne („łukowe”) kontakty
- tłumienie materiałów do pochłaniania energii łuku, termicznie lub poprzez rozkład chemiczny
Wyładowanie łukowe może również wystąpić, gdy pomiędzy miejscami o różnym napięciu tworzy się kanał o niskiej rezystancji (obcy przedmiot, przewodzący kurz , wilgoć...). Kanał przewodzący może wówczas ułatwić tworzenie łuku elektrycznego. Zjonizowane powietrze ma wysoką przewodność elektryczną, zbliżoną do metali i może przewodzić bardzo wysokie prądy, powodując zwarcie i wyzwolenie urządzeń ochronnych ( bezpieczniki i wyłączniki ). Podobna sytuacja może wystąpić, gdy przepaliła się żarówka , a fragmenty żarnika ciągną łuk elektryczny między przewodami wewnątrz żarówki, co prowadzi do przetężenia, które wyzwala wyłączniki.
Łuk elektryczny nad powierzchnią tworzyw sztucznych powoduje ich degradację. Przewodząca ścieżka bogata w węgiel ma tendencję do tworzenia się na ścieżce łuku, zwaną „śledzeniem węgla”, co negatywnie wpływa na ich właściwości izolacyjne. Podatność łuku lub „rezystancja toru” jest testowana zgodnie z ASTM D495, za pomocą elektrod punktowych oraz łuków ciągłych i przerywanych; jest mierzony w sekundach wymaganych do utworzenia ścieżki, która przewodzi w warunkach wysokiego napięcia i niskiego prądu. Niektóre materiały są mniej podatne na degradację niż inne. Na przykład politetrafluoroetylen ma odporność na łuk około 200 sekund (3,3 minuty). Z termoutwardzalnych tworzyw sztucznych , żywic alkidowych i żywice melaminowe są lepsze niż żywice fenolowe . Polietyleny mają odporność na łuk około 150 sekund; polistyreny i polichlorki winylu mają stosunkowo niską wytrzymałość około 70 sekund. Tworzywa sztuczne można formułować tak, aby emitowały gazy o właściwościach gaszenia łuku; są one znane jako tworzywa sztuczne do gaszenia łuku .
Łuki łukowe na niektórych typach płytek drukowanych , prawdopodobnie z powodu pęknięć ścieżek lub uszkodzenia lutu, sprawiają, że dana warstwa izolacyjna przewodzi, ponieważ dielektryk ulega spaleniu z powodu wysokich temperatur. Ta przewodność przedłuża wyładowanie łukowe z powodu kaskadowego uszkodzenia powierzchni.
Tłumienie łuku
Tłumienie łuku to metoda próby zmniejszenia lub wyeliminowania łuku elektrycznego. Istnieje kilka możliwych obszarów zastosowania metod tłumienia łuku, między innymi osadzanie i rozpylanie folii metalowej , ochrona przed łukiem elektrycznym, procesy elektrostatyczne, w których łuk elektryczny nie jest pożądany (takie jak malowanie proszkowe , oczyszczanie powietrza , osłona folii PVDF ) oraz tłumienie łuku prądem kontaktowym . W projektowaniu elektroniki przemysłowej, wojskowej i konsumenckiej ta ostatnia metoda zasadniczo dotyczy urządzeń, takich jak elektromechaniczne przełączniki mocy, przekaźniki i styczniki. W tym kontekście tłumienie łuku wykorzystuje ochronę styku .
Część energii łuku elektrycznego tworzy nowe związki chemiczne z powietrza otaczającego łuk: należą do nich tlenki azotu i ozonu , z których drugi można wykryć po charakterystycznym ostrym zapachu. Te chemikalia mogą być wytwarzane przez styki o dużej mocy w przekaźnikach i komutatorach silnikowych i działają korozyjnie na pobliskie powierzchnie metalowe. Wyładowanie łukowe powoduje również erozję powierzchni styków, zużywając je i tworząc wysoką rezystancję styku po zamknięciu.
Zobacz też
Bibliografia
Zewnętrzne linki
- Filmy „Wysokonapięciowe łuki i iskry” przedstawiające 3-fazowy układ „Jacobs Ladder” 230 kV oraz niezamierzony łuk mocy 500 kV
- Kalkulator przerwy łukowej wysokiego napięcia do obliczania długości łuku znając napięcie lub na odwrót