7.1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z niektórymi zjawiskami towarzyszą-cymi wyładowaniom w gazach. Zapoznanie się z podstawowymi własnościami łuku elektrycznego oraz możliwymi sposobami eliminacji tego zjawiska.
7.2. Wprowadzenie
Łuk elektryczny jest jednym z rodzajów wyładowań elektrycznych. W lite-raturze scharakteryzowany został niskim katodowym spadkiem napięcia przy przepływie prądu przez dielektryk gazowy. Aby było to możliwe, gaz musi ulec silnej jonizacji.
Wyładowanie łukowe może być inicjowane różnymi sposobami: a) poprzez pośrednie formy wyładowania,
b) ze stanu przepięcia,
c) za pomocą elektrod pomocniczych, d) ze stanu zwarcia elektrod.
W celu dostarczenia energii elektrycznej do odbiornika potrzebny jest prze-wód w postaci żyły metalowej wraz z izolacją pokrywającą tę żyłę. Materiał izolacyjny może mieć postać zarówno stałą, ciekłą (oleje izolacyjne), jak i gazową. Każda izolacja ma skończoną oporność i dlatego przewodzi prąd elektryczny, któ-rego wartość jest zależna od jej rezystancji oraz przyłożonego do niej napięcia, zgodnie z prawem Ohma. Ten prąd nazywany jest prądem upływu. W warunkach normalnej pracy układu zasilania w energię elektryczną wartość tego prądu jest pomijalnie mała (poniżej kilku miliamperów). Podczas eksploatacji instalacji
Badanie właściwości łuku elektrycznego
7.
stanu izolacji jest znaczny wzrost prądu upływu. Prąd ten powoduje znaczny wzrost temperatury przewodu w miejscu uszkodzenia izolacji, co może skut-kować pożarem. Uszkodzenie izolacji może być całkowite, tzn. wystąpi zwarcie w obwodzie. Rozróżniamy dwa rodzaje zwarcia:
a) zwarcia metaliczne, b) zwarcia łukowe.
W przypadku zwarcia metalicznego (niskooporowego), przy prawidłowo działających zabezpieczeniach, energia wydzielana w miejscu zwarcia jest względnie niewielka, tak jak prawdopodobieństwo zapłonu izolacji. Przy zwar-ciach metalicznych w instalacjach elektrycznych mogą wystąpić nadtopienia miejsc styczności żył. To zjawisko jest uzależnione od wartości prądu zwarcia, czasu reakcji zabezpieczenia, materiału żył. W przypadku awarii zabezpieczenia najbliższego miejsca zwarcia, kiedy następny stopień zabezpieczenia musi wyłą-czyć, czas zwarcia może utrzymywać się względnie długo. Może to prowadzić do zniszczenia instalacji.
Zwarcie łukowe występuje w przypadku przepływu prądu przez gaz. Bar-dzo dobrym izolatorem jest powietrze o temperaturze otoczenia i barBar-dzo często spełnia ono funkcję izolacji (np. w napowietrznych systemach przesyłu energii elektrycznej). Aby prąd mógł przepływać przez gaz, musi on zostać zjonizowany. Jednym ze sposobów jonizacji gazów jest jonizacja termiczna (wytworzenie odpowiednio wysokiej temperatury).
W instalacjach elektrycznych największe znaczenie ma inicjacja łuku ze stanu zwarcia elektrod. Pozostałe sposoby albo wymagają urządzeń pomoc-niczych, albo mają mniejszy udział w przyczynach pożarów. Ze stanu zwarcia elektrod inicjowane jest zwykle wyładowanie łukowe wielkoprądowe. Zwarcie metaliczne przy dużym prądzie zwarciowym może wytopić miejsce styczności i tym samym zamienić się w zwarcie łukowe. Łuk jest odbiornikiem energii, tzn. musi nastąpić spadek napięcia między elektrodami. Na rys. 7.1 przedstawiono rozkład napięcia w tym zjawisku.
W łuku elektrycznym palącym się między elektrodami można wydzielić trzy obszary różniące się między sobą charakterem zachodzących w nich zjawisk. Do elektrody ujemnej można wyodrębnić strefę katodowego spadku napięcia, graniczącą z kolumną łukową. Pomiędzy kolumną łukową a elektrodą dodatnią znajduje się strefa anodowego spadku napięcia Ua. Szerokości stref katodowego i anodowego spadku napięcia są bardzo małe, ale spadki napięcia znaczące. Te
7.2. Wprowadzenie
natężenie pola elektrycznego przyjmuje mniejsze wartości, ale temperatura musi być odpowiednio wysoka − z powodu konieczności jonizacji gazu. Temperatura w kolumnie łukowej jest uzależniona od wielu czynników, np. intensywności chłodzenia, natężenia prądu wyładowania łukowego itp. Przykładowy rozkład temperatury pokazano na rys. 7.2.
Ua – spadek napięcia na anodzie; Us – spadek napięcia na kolumnie; Uk – spadek napięcia na katodzie.
Rys. 7.1. Rozkład napięcia w łuku elektrycznym
Badanie właściwości łuku elektrycznego
7.
Palenie się łuku elektrycznego zachodzi przy odpowiednich wartościach prądu, napięcia i długości łuku. Są to zmienne wartości i uzależnione od siebie i opisywane charakterystyką U = f(I). Charakterystyka ta stanowi najważniej-szą zależność określającą własności łuku. Na podstawie charakterystyki U = f(I) można określić warunki zgaszenia łuku. Charakterystyki prądowo-czasowe łuku to charakterystyka statyczna (di/dt = 0) i dynamiczna (di/dt ≠ 0). Na rys. 7.3 przedstawiony został obwód prądu stałego, w którym przy zwartych elektrodach płynie prąd zwarcia Iz = E/R. Po rozłączeniu elektrod i zapaleniu się łuku w obwo-dzie płynie prąd I < Iz, przy czym spełnione jest równanie (wynikające z II prawa Kirchhoffa): E R I L di dt Ua = ⋅ + + (16) gdzie: E – siła elektromotoryczna źródła zasilania; R – oporność szeregowo włączonych odbiorników; L – indukcyjność elementów obwodu; Ua – napięcie łuku.
Rys. 7.3. Łuk w obwodzie prądu stałego: a) obwód z łukiem; b) zależność U = f(I)
Źródło: opracowanie własne na podstawie [10]
Charakterystyka obwodu zewnętrznego (prosta 2) przecina charakterystykę łuku (krzywa 1) w punktach A1 i A2 (rys. 7.4). Można wykazać, że łuk powinien
1 – charakterystyka statyczna łuku; 2 – charakterystyka obwodu zasilającego.
7.2. Wprowadzenie prądu łuku. Zmiana długości łuku lub warunków chłodzenia powoduje przesu-wanie charakterystyki łuku (krzywa 2 na rys. 7.3) w górę lub w dół, co również powoduje zmianę wartości prądu łuku. Łuk gaśnie, gdy charakterystyka łuku nie ma punktów wspólnych z charakterystyką obwodu zasilającego. Przy zasilaniu obwodu z łukiem ze źródła napięcia sinusoidalnie zmiennego, prąd łuku co pół okresu przyjmuje wartość zero i zmienia kierunek przepływu. To powoduje, że łuk gaśnie i zapala się co pół okresu. Przy częstotliwości prądu 50 Hz zmiany te są tak szybkie, że występuje tylko charakterystyka dynamiczna łuku. Przebiegi prądu i napięcia łuku w obwodzie sinusoidalnie zmiennym pokazano na rys. 7.4.
Rys. 7.4. Prąd i napięcie łuku w obwodzie prądu sinusoidalnego: a) przebiegi w obwodzie
o charakterze indukcyjnym; b) charakterystyka dynamiczna łuku prądu sinusoidalnego Źródło: opracowanie własne na podstawie [9]
Prąd i napięcie łuku odbiega od przebiegu idealnej sinusoidy (szczególnie napięcie), co pokazano na rys. 7.4. Wynika to z faktu, że rezystancja łuku jest nieliniowa (nie zachowuje prawa Ohma). Cechą charakterystyczną łuku prądu przemiennego jest gaśnięcie przy przejściu prądu przez zero. Jest to korzystne, ponieważ ułatwia rozłączenie obwodu (patrz: konstrukcja łączników). W obwo-dach prądu stałego przy wyłączaniu obwodów należy wymusić przejście prądu przez zero. Nieliniowy charakter zjawiska powoduje, że napięcie gaśnięcia łuku Ug oraz napięcie zapłonu Uz są różnej wartości. Przy przejściu prądu łuku przez zero w przestrzeni międzyelektrodowej zachodzą jednocześnie dwa procesy:
a) stygnięcie i dejonizacja gazu kolumny łukowej oraz stygnięcia katody i zmniejszania się termicznej emisji elektronów,
Badanie właściwości łuku elektrycznego
7.
Te dwa procesy są niezmiernie ważne w wyłącznikach wysokonapięciowych z uwagi na czas wyłączenia. Jeżeli jonizacja przebiega szybciej niż dejonizacja, to łuk po przejściu prądu przez zero zapala się ponownie i tym samym wydłuża się czas palenia łuku.
Należy również podkreślić, że łuk palący się w przewodach z żyłami alu-miniowymi jest groźniejszy. Jest to spowodowane tym, że roztopione cząstki aluminium utleniają się w powietrzu i mają temperaturę wyższą w momencie spadku niż przy wylocie z powierzchni styku. Nie bez znaczenia jest też niższa temperatura topnienia aluminium niż miedzi.
Uważa się, że łuk elektryczny powoduje około 33% pożarów od urządzeń elektrycznych. W związku z tym powstało szereg rozwiązań ograniczających czas trwania tego zjawiska. Problem eliminacji łuku jest skomplikowanym zagadnie-niem – z uwagi na konieczność minimalizacji czasu wyłączenia łuku. Skrócenie czasu wyłączenia łuku jest uzależnione od parametrów instalacji. W instalacjach przemysłowych, gdzie prądy zwarcia są względnie duże (ok. l00 kA), zalecane są czasy wyłączenia w ciągu kilku ms. W instalacjach powszechnego użytku, gdzie prądy zwarcia są znacznie mniejsze (ok. 1 kA) zalecane czasy wyłączenia zwarcia łukowego mogą przyjmować wartość 100 ms. Współczesne urządzenia wyłączają prąd zwarcia w czasie 60÷70 ms. Jest to czas za długi, z uwagi na znaczne znisz-czenia powodowane przez łuk w tym czasie. Dalsze skracanie czasu wyłąznisz-czenia jest praktycznie niemożliwe z uwagi na stosowane mechaniczne rozłączanie obwodu.
Innym zabezpieczeniem jest gaszenie łuku poprzez zwarcie w szynach, w których zapalił się łuk. Idea takiego rozwiązania przedstawiono na rys. 7.5.
1 – czujnik prądu;
7.2. Wprowadzenie Ten sposób dotyczy zabezpieczenia rozdzielni, z uwagi na dużą wartość urządzeń zabezpieczających.
Zasadniczym elementem przedstawionym na rys. 7.5 jest czujnik światła (światłowód) rozciągnięty w rozdzielni i połączony z jednostką analizującą roz-błyski i przepływ prądu w obwodzie zasilającym. Jeżeli jednostka analizująca stwierdzi wystąpienie błysku i odpowiedni przyrost prądu, to daje polecenie zadziałania łącznika powodujące zwarcie szyn oraz wyłącznika szyn. Zwarcie szyn eliminuje łuk, natomiast zabezpieczenie nadprądowe w tej sytuacji zadziała, rozłączając chroniony obwód. Dokonanie zwarcia jest możliwe w kilka ms, nato-miast nie jest możliwe w tym czasie rozłączenie szyn.
Po wykonaniu zwarcia przez urządzenie gaszące (jest to zwarcie metaliczne) wyłącznik szyn wyłącza to zwarcie w czasie przekraczającym l00 ms (z uwagi na typ zwarcia nie jest tak istotny czas wyłączenia). Takie zabezpieczenie jest stosowane i spełnia bardzo dobrze swoje zadania. W literaturze można znaleźć opis przypadków zwarć w rozdzielniach zarówno bez tego typu zabezpieczeń, jak i z tym zabezpieczeniem. W przypadku braku zabezpieczenia łukowego w roz-dzielni wystąpią bardzo poważne zniszczenia sprzętu.
Jeżeli zainstalowano zabezpieczenie łukochronne (opisane poniżej), to brak jest zniszczeń zwarciowych i możliwe są przez to problemy z identyfikacją miej-sca zapalenia się łuku elektrycznego, a tym samym usunięcie usterki. Odmienna sytuacja spotykana jest w obwodach powszechnego użytku. Z powodu znacznie mniejszego prądu zwarcia, dopuszczalny czas palenia się łuku jest dłuższy niż w instalacjach przemysłowych. Funkcję ochronną przed łukiem mogą spełniać klasyczne zabezpieczenia, np. wyłącznik instalacyjny. Warunkami dostatecznej ochrony w tych obwodach są odpowiednie wartości prądu łuku i prądu zadzia-łania wyzwalacza elektromagnetycznego poniżej prądu łuku. Te dwa warunki powodują, że wyzwalacz elektromagnetyczny dostatecznie szybko wyłączy zwar-cie i tym samym ograniczy możliwość powstania pożaru.
Prąd łuku uzależniony jest od impedancji obwodu zwarcia oraz warto-ści napięcia sieci. Prąd zadziałania zabezpieczenia automatycznego zależy od typu zabezpieczenia, np. B lub D. Uważa się, że w Polsce, z uwagi na przyjęcie napięcia 230 V w większości instalacji zwarcie łukowe jest dostatecznie szybko wyłączane. Inaczej wygląda sytuacja w USA, gdzie w większości obwodów wykorzystywane jest napięcie 120 V, i zwarcia łukowe nie są wyłączane przez wyzwalacz elektromagnetyczny, ale przez wyzwalacz termobimetalowy (prze-ciążeniowy). W rezultacie wydłuża się czas wyłączania i tym samym zwiększa
Badanie właściwości łuku elektrycznego
7.
musi być stosowany w obwodach zasilających sypialnie w USA. Schemat blokowy wyłącznika łukowego pokazano na rys. 7.6.
Rys. 7.6. Schemat blokowy wyłącznika łukowego
Źródło: opracowanie własne
Zasadniczym elementem w tym wyłączniku jest czujnik prądu w postaci rezystora, na którym mierzone jest napięcie. Jego wartość jest wprost proporcjo-nalna do wartości prądu zgodnie z prawem Ohma: U = I·R. Następnie napięcie to podawane na wejście filtra. Układ filtrujący przepuszcza analizowane składowe przebiegu napięcia, natomiast wycina nieanalizowane składowe. Z układu fil-trującego sygnał podawany jest na wejście wzmacniacza i po wzmocnieniu dalej na wejście układu logicznego. Jeżeli układ logiczny stwierdzi, że wystąpił łuk awaryjny, to podaje sygnał na wejście układu uruchamiającego zamek wyłącz-nika i układ zostaje wyłączony. Pokazany na rys. 7.6 wyłącznik łukowy ma kilka wyzwalaczy. Na rynku amerykańskim dostępne są wyłączniki tego typu z kilkoma wyzwalaczami, tzn. z termicznymi, elektromagnetycznymi, różnicowoprądowymi. Z uwagi na przebieg prądu odbiegający od sinusoidy (co pokazuje charakte-rystyka dynamiczna), istnieje możliwość identyfikacji łuku awaryjnego. Z danych literaturowych wynika, że analiza jest wykonywana na podstawie:
a) wyższych harmonicznych zawartych w przebiegu prądowym, b) kształcie fali prądowej,
7.5. Zagadnienia i pytania kontrolne
7.3. Pomiary laboratoryjne
W trakcie ćwiczenia wyznaczane będą charakterystyki statyczne i dyna-miczne łuku wytworzone w specjalnie przygotowanej komorze. Badana będzie także skuteczność działania wyłącznika łukoochronnego.
UWAGA: ponieważ łuk elektryczny emituje szkodliwe dla wzroku
promie-niowanie ultrafioletowe, niedopuszczalne jest przeprowadzanie pomiarów bez odpowiednich środków ochrony indywidualnej obecnych na stanowisku badawczym.
7.4. Opracowanie wyników pomiaru
a) sporządzić wykresy charakterystyk statycznych łuku prądu stałego oraz zależności napięcia łuku od długości łuku,
b) narysować przebiegi wg instrukcji podanych w protokole laboratoryjnym, c) przeprowadzić dyskusję wyników oraz podać wnioski z przeprowadzonych
pomiarów.
7.5. Zagadnienia i pytania kontrolne
a) Co to jest łuk elektryczny i w jaki sposób można go zainicjować? b) Jaki jest rozkład napięcia w łuku elektrycznym?
c) Opisać podstawowe charakterystyki łuku.
d) Kiedy nastąpi zgaszenie łuku? Jakie rozwiązania stosuje się w celu zgaszenia łuku elektrycznego?