Электрическая дуга переменного тока и ее гашение

Страница 1 из 12

Общие сведения об электрической дуге переменного тока

Отключение электрических цепей коммутационными аппаратами сопровождается возникновением и последующим гашением электрической дуги. Процесс гашения дуги чрезвычайно труден, так как всякая электрическая цепь обладает индуктивностью и емкостью С (емкость проводов, токоведущих частей и пр.). Когда по такой цепи проходит ток, то в ее индуктивности запасается электромагнитная энергия WэM = 0,5PL. Если при размыкании цепи переменного тока ток принудительно прерывается ранее естественного перехода его через нуль, например при значении I обр, то освобождается запасенная в ней электромагнитная энергия Wэм = 0,5Lioбp. Эта энергия не может мгновенно исчезнуть, а будет плавно, без скачков уменьшаться, переходя в другой вид энергии, например в энергию электростатического поля WэC = 0,5CU2, и расходоваться на заряд емкости С и нагрев проводников.

При этом напряжение на емкости, равное U— I LiC, может оказаться очень большим. Например, если в цепи 110 кВ произойдет принудительное прерывание тока при его значении ioбp =1000 А и при L — 0,022 Гн и С = 4- 10-9 Ф, то напряжение на емкости будет V = 1000= 2,3- 103 кВ. Это напряжение вызовет пробой изоляции и нарушение работы цепи. В действительности не вся электромагнитная энергия, запасенная в индуктивности, переходит в электростатическую. Часть электромагнитной энергии переходит в тепловую энергию, и результирующее напряжение на индуктивности будет меньше того, что следует из примера, приведенного выше.
Для успешного отключения цепи постоянного тока без существенного повышения напряжения электромагнитная энергия, запасенная в ней, должна быть рассеяна в дугогасительном (коммутирующем) устройстве аппарата. В коммутирующих аппаратах таким элементом является электрическая дуга, возникающая при их отключении. Электромагнитная энергия цепи преобразуется в дуге в тепловую энергию, которая в процессе отключения рассеивается в окружающую среду. Таким образом, дуга и окружающая ее среда являются энергопоглотительным элементом аппарата.
Количество электромагнитной энергии, запасенное в цепи переменного тока, кроме как от 1 и L, зависит еще и от момента прерывания тока (в начале полупериода, в середине или близко к концу) и может составлять несколько сотен или тысяч джоулей. В конце каждого полупериода ток становится равным нулю. Если контакты аппарата мгновенно развести на необходимое расстояние непосредственно при прохождении тока через нуль, то дуга на контактах не возникает. Такое отключение называется идеальным — синхронным (синхронизированным) отключением цепей переменного тока. Мгновенное отключение практически невозможно осуществить. Поэтому под синхронным отключением понимают отключение, производимое непосредственно перед переходом тока через нуль, например за 1 мс. При таком времени ток, проходящий через дугу, будет составлять всего лишь 0,1—0,05 своей амплитуды. Энергия, выделяющаяся при этом в дуге, будет в 20—100 раз меньше энергии, которая выделилась бы при отключении амплитудного тока. Хотя принцип синхронного отключения является весьма прогрессивным, однако при создании выключателей высокого напряжения он пока еще не получил
сколько-нибудь широкого практического применения из-за большой сложности и недостаточной надежности таких аппаратов.

Плазма.

Электрическая дуга является одним из видов разряда в газах или парах, который характеризуется большой плотностью тока, катодным падением напряжения порядка минимального потенциала возбуждения газа, небольшим падением напряжения в стволе дуги и высокой его температурой. В дуге одновременно проходят как электрические, так и тепловые процессы. Тепловые процессы в дуге и теплообмен между дугой и окружающей средой играют очень большую роль и накладывают свой отпечаток на электрические процессы в дуге. Электрическая дуга визуально представляет собой светящийся канал, заполненный плазмой. Плазмой называется газ, в котором значительная часть атомов и молекул ионизирована и плотность электронов па и положительных ионов, т.

е. число их в единице объема, настолько велика, что даже небольшое изменение пэ по отношению к па оказывается невозможным из-за сильных электрических полей, возникающих между электронами и ионами при нарушении равенства между пэ и па. Область, занимаемая плазмой, должна значительно превосходить так называемый дебаевский радиус где Θэ — температура электронов. Например, при Θа = 12000 К и — 1015 1/см3 гд = 1,73· 10-5 см.
При значительном отклонении плотности электронов пэ от плотности положительных ионов в плазме возникает электрическое поле, которое способно выталкивать избыточные заряженные частицы в ту область, где их меньше. Таким образом, в плазме не наблюдается разницы между плотностями положительно и отрицательно заряженных частиц в условиях их непрерывного возникновения и исчезновения. Это свойство называется квазинейтральностью. Плазма состоит из электронов, положительных ионов и нейтральных молекул и атомов, равномерно перемешанных между собой, но неодинаково нагретых. Из-за различия в средней кинетической энергии этих частиц в плазме при низком давлении вместо одной общей температуры следует различать три: электронную, ионную и атомную.
Отличительное свойство плазмы заключается в том, что траектории движения заряженных частиц в ней отличаются от тех, какие свойственны обычному тепловому движению, когда при соударении частиц резко изменяется направление их движения. В плазме изменение траектории движения заряженных частиц происходит плавно, под воздействием электростатических сил, возникающих между противоположно заряженными частицами. Понятие о длине свободного пробега электрона λ3 в плазме отличается от обычно принятого — от столкновения до столкновения.
Свойства плазмы в электрической дуге зависят от давления. При низких давлениях длина свободного пробега электронов относительно большая и они приобретают в электрическом поле значительную кинетическую энергию, которая существенно превышает кинетическую энергию положительных ионов и нейтральных частиц газа. Кинетическая энергия, которой обладает электрон, характеризуется температурой электронов в плазме. Эта температура отличается от температуры плазмы.

При низком давлении температура электронов в плазме достигает тысяч и десятков тысяч градусов, в то время как температура плазмы может составлять всего лишь несколько сотен градусов. С увеличением давления температура электронов уменьшается, а температура плазмы повышается. При атмосферном давлении эти температуры становятся примерно одинаковыми. В соответствии с этим различают: 1) дугу высокого давления, горящую в газе при давлении от атмосферного и более; 2) дугу низкого давления, горящую в газе при давлении, меньшем атмосферного; 3) дугу вакуумную, горящую в газе при давлении, меньшем 0,01 Па.
В плазме непрерывно совершаются процессы возбуждения, ионизации и деионизации ионов, атомов и молекул.

Возбуждение атома.

Упрощенно атом можно представить в виде ядра, несущего положительный электрический заряд, и электронов, вращающихся вокруг ядра по определенным орбитам, радиусы которых различны. На каждой орбите может находиться один или несколько электронов.

Каждый атом имеет определенную внутреннюю энергию, определяемую числом электронов и их расположением по орбитам. Энергия атома минимальна, когда электроны находятся на орбитах, расположенных наиболее близко к ядру. При определенных условиях электрон может перейти с одной орбиты на другую. Если электрон переходит с орбиты, ближайшей к ядру, на орбиту, более удаленную от него, то энергия атома увеличивается, и наоборот. Энергия атома при переходе электрона с одной орбиты на другую может изменяться только на строго определенное, дискретное значение. Переход электрона на более удаленную орбиту называется возбуждением атома. В возбужденном состоянии атом может оставаться лишь небольшой промежуток времени (менее 10-8 с). Затем электрон возвращается в первоначальное положение, выделяя при этом энергию в виде фотона. Возбужденный атом электрически нейтрален.
Для возбуждения атома необходимо затратить некоторое количество энергии, называемой энергией возбуждения, измеряемое в электрон-вольтах (табл. 2-1). Один электрон-вольт равен энергии, которую необходимо затратить на перемещение одного электрона против сил электрического поля с разностью потенциалов одни вольт (1 эВ = 1,6· 10-13 Дж). Часто употребляется термин «потенциал возбуждения», численно равный энергии возбуждения, но для простоты измеряемый в вольтах.
Ионизация — процесс возникновения в промежутке между электродами самостоятельных заряженных частиц (электронов и положительных ионов). Основными видами ионизации дугового промежутка АВН являются термоэлектронная и автоэлектронная эмиссии и ионизация столкновением.

Термоэлектронная эмиссия.

Атомы в металле расположены так близко друг к другу, что орбиты внешних электронов перекрываются и электроны становятся способными перемещаться от одного атома к другому. Узлы кристаллической решетки металла образованы положительными ионами, создающими электрическое поле. Потенциал этого поля положительный и не выходит за пределы металла.

Внутри кристаллической решетки находятся свободные электроны, осуществляющие перенос тока и теплоты в металле. Положительное поле ионов препятствует выходу электронов за пределы металла.

Таблица 1. Характеристики некоторых газов и паров металлов

Примечание. В скобках приведены вторичные потенциалы возбуждения и ионизации.

Для выхода электронов из металла в окружающее пространство необходимо, чтобы они преодолели силу взаимодействия с полем положительных ионов, т, е. прошли через потенциальный барьер на поверхности металла. На преодоление потенциального барьера должна быть затрачена определенная работа, называемая работой выхода, которая зависит от рода металла и для каждого металла является постоянной величиной, не зависящей от его температуры (табл. 1). Работа выхода уменьшается при наличии на поверхности металла адсорбированной пленки газа, примесей некоторых других металлов, диффундирующих на поверхность, различных загрязнений и т. п.

При нагреве металла скорости свободных электронов увеличиваются, и если их кинетическая энергия при подходе к поверхности металла окажется больше работы выхода, то электроны могут выйти из металла. Чем меньше работа выхода, тем интенсивнее выход электронов из металла. Попадая в область дуги, такие электроны увеличивают ее проводимость.

Ионизация столкновением — процесс распада атома, находящегося в газе, на положительный ион и электрон в результате столкновения атома с быстродвижущимся электроном или же столкновения двух атомов (первичная ионизация). При последующих столкновениях образовавшегося положительного иона с другим электроном из этого иона могут быть выбиты еще один или несколько электронов (вторичная ионизация). На ионизацию газа затрачивается определенная энергия, называемая энергией (работой или потенциалом) ионизации и измеряемая в электрон-вольтах (в вольтах). Не значение см. в табл. 1. На вторичную ионизацию затрачивается значительно большая энергия, чем на первичную. Чем больше энергия ионизации газа, тем труднее поддержание в нем дуги и легче ее гашение при размыкании цепи. Ионизация газа может происходить н в том случае, когда энергия электрона меньше энергии ионизации, например при соударении электрона с возбужденным атомом. Такая ионизация называется ступенчатой. На ступенчатую ионизацию затрачивается энергия, равная разности энергии ионизации и энергии возбуждения. Приводим ее значения: 8; 5; 15,6 и 15,8 эВ соответственно для Н2, Ο1, Ν2 и SF6. Примесь в газе паров металла значительно увеличивает степень ионизации газа.

Ударная ионизация — процесс ионизации газа, обусловленный соударением электронов, ускоряемых электрическим полем, с атомами или ионами. В результате такого соударения в газе появляются новые ионизированные частицы. Электрическое поле сильно увеличивает скорость движения электронов по сравнению с той, какую они имеют при данной температуре дуги, но без электрического поля. Кроме того, движение электрона не будет хаотическим, а определится конфигурацией электрического поля. Таким образом, направленное движение накладывается на хаотическое. Если энергия электронов в момент соударения окажется меньше энергии ионизации, то ионизация газа практически происходить не будет (если пренебрегать ступенчатой ионизацией). С увеличением энергии электронов вероятность ионизации соударением возрастает, достигая максимума при энергии, равной для большинства газов приблизительно 100 эВ. При дальнейшем увеличении энергии электронов вероятность ударной ионизации постепенно уменьшается, так как электроны очень быстро проходят мимо атомов и процесс ионизации на успевает совершиться.

Высокое напряжение — High voltage

Под электричеством высокого напряжения понимается электрический потенциал, достаточно большой, чтобы вызвать травму или повреждение. В некоторых отраслях под высоким напряжением понимается напряжение выше определенного порога. Оборудование и проводники, на которых установлено высокое напряжение, требуют особых требований и процедур безопасности.

Высокое напряжение используется в распределении электроэнергии , в электронно-лучевых трубках , для генерации рентгеновских лучей и пучков частиц , для создания электрических дуг , для зажигания, в фотоэлектронных умножителях и вакуумных лампах усилителей высокой мощности , а также в других промышленных, военные и научные приложения.

Определение

Числовое определение высокого напряжения зависит от контекста. При классификации напряжения как высокого напряжения учитываются два фактора: возможность возникновения искры в воздухе и опасность поражения электрическим током при контакте или близости.

Международная электротехническая комиссия и ее национальные партнеры ( ИЭППЫ , IEEE , VDE и т.д.) определяют высокое напряжение , как указаны выше 1000  V для переменного тока , и по меньшей мере 1500 В для постоянного тока .

В Соединенных Штатах Национальная ассоциация производителей электрооборудования (NEMA) определяет высокое напряжение как более 100–230 кВ. Британский стандарт BS 7671 : 2008 определяет высокое напряжение как любую разность напряжений между проводниками, превышающую 1000 В переменного тока или 1500 В постоянного тока без пульсаций, или любую разницу напряжений между проводником и землей, превышающую 600 В переменного тока или 900 В без пульсаций. ОКРУГ КОЛУМБИЯ.

Электрики могут иметь лицензию только на определенные классы напряжения в некоторых юрисдикциях. Например, лицензия на электрооборудование для специализированной подотрасли, такой как установка систем отопления , вентиляции и кондиционирования воздуха, систем пожарной сигнализации, систем замкнутого телевидения , может быть разрешена для установки систем, находящихся под напряжением только до 30 вольт между проводниками, и может быть не разрешена для работы на цепи сетевого напряжения. Обычные люди могут рассматривать бытовые электросети (от 100 до 250 В переменного тока), которые имеют самое высокое напряжение, с которым они обычно сталкиваются, как высокое напряжение .

Напряжение более 50 вольт обычно может вызвать опасное количество тока, протекающего через человека, который касается двух точек цепи, поэтому стандарты безопасности более строгие в отношении таких цепей.

В автомобилестроении высокое напряжение определяется как напряжение в диапазоне от 30 до 1000 В переменного тока или от 60 до 1500 В постоянного тока.

Определение сверхвысокого напряжения (СВН) снова зависит от контекста. В технике передачи электроэнергии сверхвысокое напряжение классифицируется как напряжение в диапазоне 345 000–765 000 В. В электронных системах источник питания, обеспечивающий более 275 000 вольт, называется источником сверхвысокого напряжения и часто используется в физических экспериментах. Ускоряющее напряжение для телевизионной электронно-лучевой трубки можно описать как сверхвысокое напряжение или сверхвысокое напряжение (EHT) по сравнению с другими источниками напряжения внутри оборудования. Диапазон этого типа электроснабжения составляет от 5 кВ до 30 кВ.

Производство

Обычные статические электрические искры, наблюдаемые в условиях низкой влажности, всегда имеют напряжение значительно выше 700 В. Например, искры на дверях автомобиля зимой могут иметь напряжение до 20000 В.

Электростатические генераторы, такие как генераторы Ван де Граафа и машины Вимшерста, могут вырабатывать напряжения, приближающиеся к одному миллиону вольт, но обычно вырабатывают малые токи. Индукционные катушки работают на эффекте обратного хода, в результате чего напряжения превышают отношение витков, умноженное на входное напряжение. Обычно они производят более высокие токи, чем электростатические машины, но каждое удвоение желаемого выходного напряжения примерно удваивает вес из-за количества проводов, необходимых во вторичной обмотке. Таким образом, масштабирование их до более высоких напряжений путем добавления большего количества витков провода может стать непрактичным. Кокрофт-Уолтон умножитель может быть использован для умножения напряжения , полученного с помощью индукционной катушки. Он генерирует постоянный ток с помощью диодных переключателей для зарядки лестницы конденсаторов. Катушки Тесла используют резонанс, легки и не требуют полупроводников.

Искры самого крупного масштаба образуются естественным путем при ударе молнии . Средний разряд отрицательной молнии несет ток от 30 до 50 килоампер, переносит заряд в 5 кулонов и рассеивает 500 мегаджоулей энергии ( эквивалент 120 кг в тротиловом эквиваленте , или достаточно, чтобы зажечь 100-ваттную лампочку примерно на 2 месяца). Однако средний разряд положительной молнии (от вершины грозы) может проводить ток от 300 до 500 килоампер, передавать заряд до 300 кулонов, иметь разность потенциалов до 1 гигавольта (миллиарда вольт) и может рассеивать 300 ГДж энергии (72 тонны в тротиловом эквиваленте или достаточно энергии, чтобы зажечь 100-ваттную лампочку на срок до 95 лет). Отрицательный удар молнии обычно длится всего десятки микросекунд, но часто бывает несколько ударов. Положительный удар молнии — это обычно единичное событие. Однако больший пиковый ток может протекать в течение сотен миллисекунд, что делает его значительно более энергичным, чем отрицательная молния.

Искры в воздухе

Пробой диэлектрика прочность сухого воздуха при стандартной температуре и давлении (STP), между сферическими электродами составляет около 33 кВ / см. Это только приблизительное руководство, поскольку фактическое напряжение пробоя сильно зависит от формы и размера электрода. Сильные электрические поля (от высокого напряжения, приложенного к маленьким или заостренным проводникам) часто вызывают коронный разряд фиолетового цвета в воздухе, а также видимые искры. Напряжения ниже примерно 500–700 вольт не могут вызвать легко видимых искр или свечения в воздухе при атмосферном давлении, поэтому по этому правилу эти напряжения являются «низкими». Однако в условиях низкого атмосферного давления (например, в высотных самолетах ) или в среде благородных газов, таких как аргон или неон , искры возникают при гораздо более низких напряжениях. От 500 до 700 вольт не является фиксированным минимумом для искрового пробоя, но это практическое правило. Для воздуха в STP минимальное напряжение пробоя составляет около 327 вольт, как отметил Фридрих Пашен .

В то время как более низкие напряжения, как правило, не перескакивают через зазор, который присутствует до подачи напряжения, прерывание существующего тока через зазор часто вызывает искру или дугу низкого напряжения . Поскольку контакты разделены, несколько маленьких точек контакта разделяются последними. Ток становится ограниченным в этих маленьких горячих точках , заставляя их раскалиться, так что они испускают электроны (посредством термоэлектронной эмиссии ). Даже небольшая батарейка на 9 В может вызвать заметное искрение с помощью этого механизма в затемненном помещении. Ионизированный воздух и пары металла (от контактов) образуют плазму, которая временно перекрывает расширяющийся зазор. Если источник питания и нагрузка пропускают достаточный ток, может образоваться самоподдерживающаяся дуга . После образования дуга может быть увеличена до значительной длины до разрыва цепи. Попытка разомкнуть индуктивную цепь часто приводит к образованию дуги, поскольку индуктивность дает импульс высокого напряжения всякий раз, когда ток прерывается. В системах переменного тока вероятность возникновения продолжительной дуги несколько ниже, поскольку ток возвращается к нулю дважды за цикл. Дуга гаснет каждый раз, когда ток проходит через нулевой уровень , и должна повторно зажигаться в течение следующего полупериода для поддержания дуги.

В отличие от омического проводника сопротивление дуги уменьшается с увеличением тока. Это делает непреднамеренные дуги в электрическом устройстве опасными, поскольку даже небольшая дуга может стать достаточно большой, чтобы повредить оборудование и вызвать возгорание, если имеется достаточный ток. Преднамеренно созданная дуга, например, используемая при освещении или сварке , требует наличия какого-либо элемента в цепи для стабилизации характеристик тока / напряжения дуги.

Использует

Распределение

Линии электропередач с предупреждающим знаком высокого напряжения.

Линии электропередачи и распределения электроэнергии обычно используют напряжение от десятков до сотен киловольт. Линии могут быть надземными или подземными. Высокое напряжение используется в распределительной сети для снижения омических потерь при транспортировке электроэнергии на большие расстояния.

Промышленное

Он используется в производстве полупроводников для напыления тонких слоев металлических пленок на поверхность пластины. Он также используется для электростатического флокирования для покрытия предметов с небольшими волокнами, стоящими на краю.

Научный

Искровые разрядники исторически использовались как ранняя форма радиопередачи. Точно так же, грозовые разряды в атмосфере Юпитера , как полагают, является источником мощных планеты радио выбросов частот.

Высокое напряжение использовалось в важных экспериментах и ​​открытиях в области химии и физики элементарных частиц. Электрические дуги были использованы для выделения и открытия элемента аргона из атмосферного воздуха. Индукционные катушки питали первые рентгеновские трубки. Мозли использовал рентгеновскую трубку, чтобы определить атомный номер набора металлических элементов по спектру, излучаемому при использовании в качестве анодов. Высокое напряжение используется для генерации электронных лучей для микроскопии . Кокрофт и Уолтон изобрели умножитель напряжения для преобразования атомов лития в оксиде лития в гелий путем ускорения атомов водорода.

Безопасность

Международный символ безопасности : «Осторожно, опасность поражения электрическим током» ( ISO 7010 W012), также известный как символ высокого напряжения.

Напряжение более 50 В, приложенное к сухой неповрежденной коже человека, может вызвать фибрилляцию сердца, если оно создает электрические токи в тканях тела, которые проходят через область груди . Напряжение, при котором существует опасность поражения электрическим током, зависит от электропроводности сухой кожи человека. Живые ткани человека могут быть защищены от повреждений за счет изолирующих свойств сухой кожи до 50 вольт. Если та же самая кожа становится влажной, если есть раны или если напряжение подается на электроды, которые проникают в кожу, то даже источники напряжения ниже 40 В могут быть смертельными.

Случайный контакт с любым высоким напряжением, обеспечивающим достаточную энергию, может привести к серьезным травмам или смерти. Это может произойти, поскольку тело человека обеспечивает путь для прохождения тока, вызывая повреждение тканей и сердечную недостаточность. Другие травмы могут включать ожоги от дуги, возникшей в результате случайного контакта. Эти ожоги могут быть особенно опасны при поражении дыхательных путей пострадавшего. Травмы также могут быть получены в результате физических сил, которые испытывают люди, падающие с большой высоты или брошенные на значительное расстояние.

Низкоэнергетическое воздействие высокого напряжения может быть безвредным, например искра, возникающая в сухом климате при прикосновении к дверной ручке после прогулки по покрытому ковром полу. Напряжение может быть в диапазоне тысяч вольт, но средний ток является низким.

Стандартные меры предосторожности во избежание травм включают работу в условиях, при которых электрическая энергия не протекает через тело, особенно через область сердца, например, между руками или между рукой и ногой. Электричество может протекать между двумя проводниками в высоковольтном оборудовании, и тело может замкнуть цепь. Чтобы этого не произошло, рабочий должен носить изолирующую одежду, например, резиновые перчатки, использовать изолированные инструменты и избегать касания оборудования более чем одной рукой. Электрический ток также может протекать между оборудованием и заземлением. Чтобы этого не произошло, рабочий должен стоять на изолированной поверхности, например, на резиновом коврике. Защитное оборудование регулярно проверяется, чтобы убедиться, что оно по-прежнему защищает пользователя. Правила тестирования различаются в зависимости от страны. Испытательные компании могут проводить испытания при напряжении до 300 000 вольт и предлагать услуги от тестирования перчаток до тестирования Elevated Working Platform (или EWP).

Распределение

Контакт или близкое приближение к линейным проводам представляет опасность поражения электрическим током . Контакт с воздушными проводами может привести к травмам или смерти. Металлические лестницы, сельскохозяйственное оборудование, лодочные мачты, строительная техника, воздушные антенны и подобные предметы часто вступают в смертельный контакт с воздушными проводами. Посторонние лица, взбирающиеся на опоры электропередач или электрические устройства, также часто становятся жертвами поражения электрическим током. При очень высоких напряжениях передачи даже близкое приближение может быть опасным, поскольку высокое напряжение может вызвать дугу через значительный воздушный зазор.

Копание закопанного кабеля также может быть опасным для рабочих на месте раскопок. Землеройное оборудование (ручные инструменты или приводимое в движение машиной), которое контактирует с проложенным кабелем, может подать напряжение на трубопровод или землю в этом районе, что приведет к поражению электрическим током ближайших рабочих. Неисправности в линии передачи высокого напряжения или подстанции могут привести к высоким токам , протекающих по поверхности Земли, производя подъем потенциала земли , что также представляет опасность поражения электрического тока.

Для линий электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения специально обученный персонал использует методы « линии под напряжением», чтобы обеспечить непосредственный контакт с оборудованием под напряжением. В этом случае рабочий электрически подключен к высоковольтной линии, но полностью изолирован от земли, так что он имеет тот же электрический потенциал, что и линия. Поскольку подготовка к таким операциям является длительной и по-прежнему представляет опасность для персонала, только очень важные линии электропередачи подлежат техническому обслуживанию во время эксплуатации. Вне этих должным образом спроектированных ситуаций изоляция от земли не гарантирует, что ток не течет на землю, поскольку заземление или искрение на землю могут возникать неожиданными способами, а токи высокой частоты могут обжечь даже незаземленного человека. По этой причине прикосновение к передающей антенне опасно, а высокочастотная катушка Тесла может выдержать искру только с одной конечной точкой.

Защитное оборудование на высоковольтных линиях передачи обычно предотвращает образование нежелательной дуги или обеспечивает ее гашение в течение десятков миллисекунд. Электрооборудование, прерывающее цепи высокого напряжения, предназначено для безопасного направления образовавшейся дуги, чтобы она рассеивалась без повреждений. В высоковольтных выключателях часто используется струя воздуха под высоким давлением, специальный диэлектрический газ (например, SF ₆ под давлением) или погружение в минеральное масло для гашения дуги при разрыве цепи высокого напряжения.

Проводка в оборудовании, таком как рентгеновские аппараты и лазеры, требует осторожности. Секция высокого напряжения физически удалена от стороны низкого напряжения, чтобы уменьшить вероятность образования дуги между ними. Во избежание корональных потерь проводники должны быть как можно короче и без острых концов. В изолированном пластиковом покрытии не должно быть пузырьков воздуха, которые приводят к корональным разрядам внутри пузырьков.

Электростатические генераторы

Высокое напряжение не обязательно опасно, если оно не может обеспечить значительный ток . Несмотря на то, что электростатические машины, такие как генераторы Ван де Граафа и машины Вимшерста, вырабатывают напряжение, приближающееся к одному миллиону вольт, они дают кратковременный удар. Это потому, что ток низкий, например, движется лишь относительно небольшое количество электронов. Эти устройства имеют ограниченное количество накопленной энергии, поэтому средний вырабатываемый ток невелик и обычно в течение короткого времени с импульсами, достигающими пика в диапазоне 1 А в течение наносекунды.

Разряд может включать в себя очень высокое напряжение в течение очень короткие периоды, но производить фибрилляции сердца, электрический источник питания должны производить значительный ток в сердечной мышце может продолжаться в течение многих миллисекунд , и должны внести полную энергию в диапазоне , по крайней мере , мДж или выше. Поэтому относительно высокий ток, превышающий примерно пятьдесят вольт, может быть значимым с медицинской точки зрения и потенциально смертельным.

Во время разряда эти машины прикладывают высокое напряжение к телу всего на одну миллионную долю секунды или меньше. Таким образом, слабый ток применяется в течение очень короткого времени, а количество вовлеченных электронов очень мало.

Катушки Тесла

Несмотря на то, что катушки Тесла внешне похожи на генераторы Ван де Граафа, они не являются электростатическими машинами и могут непрерывно генерировать значительные радиочастотные токи. Ток, подаваемый на человеческое тело, будет относительно постоянным, пока поддерживается контакт, в отличие от электростатических машин, которым обычно требуется больше времени для накопления заряда, а напряжение будет намного выше, чем напряжение пробоя кожи человека. Как следствие, выход катушки Тесла может быть опасным или даже фатальным.

Опасность вспышки дуги

Устройство для испытания высокого напряжения с большим конденсатором и испытательным трансформатором

В зависимости от предполагаемого тока короткого замыкания, имеющегося в составе распределительного устройства , существует опасность для обслуживающего и обслуживающего персонала из-за возможности возникновения электрической дуги высокой интенсивности . Максимальная температура дуги может превышать 10 000 кельвинов , а тепловое излучение, расширяющийся горячий воздух и взрывное испарение металла и изоляционного материала могут нанести тяжелые травмы незащищенным работникам. Такие комплекты распределительных устройств и источники дуги высокой энергии обычно присутствуют на электрических подстанциях и генерирующих станциях, промышленных предприятиях и крупных коммерческих зданиях. В Соединенных Штатах Национальная ассоциация противопожарной защиты опубликовала руководящий стандарт NFPA 70E для оценки и расчета опасности вспышки дуги и устанавливает стандарты защитной одежды, необходимой для электрических рабочих, подвергающихся таким опасностям на рабочем месте.

Опасность взрыва

Даже напряжение, недостаточное для разрушения воздуха, может обеспечить достаточно энергии для воспламенения атмосферы, содержащей горючие газы или пары, или взвешенную пыль. Например, газообразный водород , природный газ или пары бензина / бензина, смешанные с воздухом, могут воспламениться от искр, производимых электрическими устройствами. Примерами промышленных объектов с опасными зонами являются нефтехимические заводы, химические заводы , элеваторы и угольные шахты .

Меры, принятые для предотвращения таких взрывов, включают:

• Искробезопасность за счет использования устройства, сконструированного так, чтобы не накапливать достаточно электроэнергии, чтобы вызвать взрыв
• Повышенная безопасность, которая распространяется на устройства, в которых используются такие меры, как маслонаполненные корпуса для предотвращения искр.
• Взрывозащищенные (огнестойкие) корпуса, которые сконструированы таким образом, чтобы взрыв внутри корпуса не мог выйти и воспламенить окружающую взрывоопасную атмосферу (это обозначение не означает, что устройство может выдержать внутренний или внешний взрыв)

В последние годы стандарты защиты от взрыва стали более единообразными в европейской и североамериканской практике. Система классификации «зон» теперь используется в измененной форме в Национальных электротехнических правилах США и Канадских электротехнических правилах . Устройства искробезопасности теперь одобрены для использования в Северной Америке.

Токсичные газы

Электрические разряды, включая частичный разряд и коронный разряд , могут производить небольшие количества токсичных газов, которые в замкнутом пространстве могут представлять опасность для здоровья. Эти газы включают окислители, такие как озон и различные оксиды азота . Их легко идентифицировать по характерному запаху или цвету, что позволяет свести к минимуму время контакта. Оксид азота невидим, но имеет сладкий запах. Он окисляется до диоксида азота в течение нескольких минут, который имеет желтый или красновато-коричневый цвет в зависимости от концентрации и запаха газообразного хлора, как в бассейне. Озон невидим, но имеет резкий запах, напоминающий запах воздуха после грозы. Это недолговечный вид, и половина его распадается на O
^{₂ в течение суток при нормальной температуре и атмосферном давлении.}

Молнии

Опасности от молнии, очевидно, включают прямой удар по людям или имуществу. Однако молния также может создавать опасные градиенты напряжения в земле, а также электромагнитный импульс и может заряжать протяженные металлические объекты, такие как телефонные кабели, заборы и трубопроводы, до опасного напряжения, которое может быть перенесено на много миль от места удара. . Хотя многие из этих объектов обычно не являются проводящими, очень высокое напряжение может вызвать электрический пробой таких изоляторов, заставляя их действовать как проводники. Эти переданные потенциалы опасны для людей, домашнего скота и электронных устройств. Удары молнии также приводят к пожарам и взрывам, которые приводят к гибели людей, травмам и материальному ущербу. Например, каждый год в Северной Америке от ударов молнии возникают тысячи лесных пожаров .

Меры по контролю за молнией могут снизить опасность; к ним относятся молниеотводы , экранирующие провода и соединение электрических и конструктивных частей зданий с образованием сплошного ограждения.

Смотрите также

Рекомендации

внешние ссылки

Электрическая дуга — Electric arc

Демонстрация лестницы Иакова

Электрическая дуга или дуговой разряд , является электрическим пробоем из газа , который производит длительный электрический разряд . Тока через нормально непроводящую среду , такую как воздух производит плазму ; плазма может производить видимый свет . Дуговый разряд характеризуется более низким напряжением, чем тлеющий разряд, и основан на термоэлектронной эмиссии электронов от электродов, поддерживающих дугу. Архаичный термин — это гальваническая дуга , как используется во фразе «гальваническая дуговая лампа».

Методы гашения дуги могут использоваться для уменьшения продолжительности или вероятности образования дуги.

В конце 1800-х годов электрическое дуговое освещение широко использовалось для общественного освещения . Некоторые электрические дуги низкого давления используются во многих приложениях. Например, для освещения используются люминесцентные лампы , ртутные, натриевые и металлогалогенные лампы ; ксеноновые дуговые лампы используются в кинопроекторах . Электрическая дуга может использоваться в производственных процессах, таких как электродуговая сварка и электродуговые печи для переработки стали.

История

Сэр Хамфри Дэви открыл короткоимпульсную электрическую дугу в 1800 году. В 1801 году он описал это явление в статье, опубликованной в журнале Уильяма Николсона по естественной философии, химии и искусствам. Согласно современной науке, описание Дэви было скорее искрой, чем искрой. дуга. В том же году Дэви публично продемонстрировал эффект перед Королевским обществом , пропустив электрический ток через два соприкасающихся углеродных стержня, а затем отведя их на небольшое расстояние друг от друга. Демонстрация произвела «слабую» дугу, не легко отличить от устойчивой искры , между угольными точками. Общество подписалось на более мощную батарею из 1000 пластин, и в 1808 году он продемонстрировал крупномасштабную дугу. Ему приписывают название дуги. Он назвал это дугой, потому что она принимает форму направленной вверх дуги, когда расстояние между электродами невелико. Это связано с подъемной силой, действующей на горячий газ.

Первая непрерывная дуга была открыта независимо в 1802 году и описана в 1803 году как «особая жидкость с электрическими свойствами» Василием Петровым , русским ученым, проводившим эксперименты с медно-цинковой батареей, состоящей из 4200 дисков.

В конце девятнадцатого века электрическое дуговое освещение широко использовалось для общественного освещения . Склонность электрической дуги к мерцанию и шипению была серьезной проблемой. В 1895 году Герта Маркс Айртон написала серию статей для журнала « Электрик» , объяснив, что эти явления были результатом контакта кислорода с угольными стержнями, используемыми для создания дуги. В 1899 году она была первой женщиной, прочитавшей собственную статью перед Институтом инженеров-электриков (IEE). Ее статья называлась «Шипение электрической дуги». Вскоре после этого Айртон была избрана первой женщиной-членом IEE; следующая женщина была допущена к IEE в 1958 году. Она подала прошение представить доклад перед Королевским обществом, но ей не разрешили из-за ее пола, и Джон Перри прочитал «Механизм электрической дуги» в своей книге. вместо 1901 года.

Обзор

Электрические дуги между шиной питания и «башмаком» электрического пикапа в поезде лондонского метро.

Электрическая дуга — это форма электрического разряда с наибольшей плотностью тока. Максимальный ток через дугу ограничивается только внешней цепью, а не самой дугой.

Дуга между двумя электродами может быть инициирована ионизацией и тлеющим разрядом, когда ток через электроды увеличивается. Напряжение пробоя межэлектродного зазора является комбинированной функцией давления, расстояния между электродами и типа газа, окружающего электроды. Когда начинается дуга, ее напряжение на клеммах намного меньше, чем у тлеющего разряда, а сила тока выше. Дуга в газах, близких к атмосферному, характеризуется излучением видимого света, высокой плотностью тока и высокой температурой. Дуга отличается от тлеющего разряда отчасти одинаковыми температурами электронов и положительных ионов; в тлеющем разряде ионы намного холоднее электронов.

Затянутая дуга может быть инициирована двумя электродами, которые изначально находятся в контакте и разводятся в стороны; это может вызвать дугу без высоковольтного тлеющего разряда. Таким образом, сварщик начинает сваривать соединение, на мгновение прикасаясь сварочным электродом к заготовке, а затем отводя его, пока не образуется стабильная дуга. Другой пример — разделение электрических контактов в переключателях, реле или автоматических выключателях; в высокоэнергетических цепях может потребоваться гашение дуги для предотвращения повреждения контактов.

Электрическое сопротивление вдоль непрерывной электрической дуги создает тепло, которое ионизирует больше молекул газа (где степень ионизации определяется температурой), и в этой последовательности: твердое тело-жидкость-газ-плазма; газ постепенно превращается в тепловую плазму. Тепловая плазма находится в тепловом равновесии; температура относительно однородна по всем атомам, молекулам, ионам и электронам. Энергия, передаваемая электронам, быстро распространяется на более тяжелые частицы за счет упругих столкновений из-за их большой подвижности и большого числа.

Ток в дуге поддерживается за счет термоэлектронной эмиссии и автоэлектронной эмиссии электронов на катоде. Ток может быть сконцентрирован в очень маленьком горячем пятне на катоде; могут быть найдены плотности тока порядка одного миллиона ампер на квадратный сантиметр. В отличие от тлеющего разряда дуга имеет мало различимую структуру, поскольку положительный столб довольно яркий и простирается почти до электродов с обоих концов. Катодное и анодное падение в несколько вольт происходит в пределах доли миллиметра от каждого электрода. Положительный столбец имеет более низкий градиент напряжения и может отсутствовать на очень коротких дугах.

Низкочастотная (менее 100 Гц) дуга переменного тока напоминает дугу постоянного тока; в каждом цикле дуга возникает из-за пробоя, и электроды меняются ролями анода или катода при изменении направления тока. Поскольку частота тока увеличивается, не хватает времени для рассеивания всей ионизации в каждом полупериоде, и пробой больше не требуется для поддержания дуги; зависимость напряжения от тока становится более близкой к омической.

Электрическая дуга между жилами проволоки.

Различные формы электрических дуг — это возникающие свойства нелинейных моделей тока и электрического поля . Дуга возникает в заполненном газом пространстве между двумя проводящими электродами (часто сделанными из вольфрама или углерода) и приводит к очень высокой температуре , способной плавить или испарять большинство материалов. Электрическая дуга — это непрерывный разряд, а подобный электрический искровой разряд — мгновенный. Электрическая дуга может происходить либо при постоянном токе (DC) цепей или переменного тока цепей (AC). В последнем случае дуга может повторно зажигаться на каждом полупериоде тока. Электрическая дуга отличается от тлеющего разряда тем, что плотность тока довольно высока, а падение напряжения внутри дуги невелико; на катоде плотность тока может достигать одного мегампера на квадратный сантиметр.

Электрическая дуга имеет нелинейную зависимость между током и напряжением. Как только дуга возникает (либо в результате тлеющего разряда, либо при кратковременном прикосновении к электродам с последующим их разделением), увеличение тока приводит к снижению напряжения между выводами дуги. Этот эффект отрицательного сопротивления требует, чтобы в цепи был установлен некоторый положительный импеданс (в качестве электрического балласта ) для поддержания стабильной дуги. Это свойство является причиной того, что неконтролируемые электрические дуги в устройстве становятся настолько разрушительными, поскольку после возникновения дуга будет потреблять все больше и больше тока от источника постоянного напряжения, пока устройство не выйдет из строя.

Использует

В промышленности электрические дуги используются для сварки , плазменной резки , для электроэрозионной обработки , в качестве дуговых ламп в кинопроекторах и в качестве дополнительных точек в сценическом освещении . Электродуговые печи используются для производства стали и других веществ. Карбид кальция производится таким образом, поскольку для протекания эндотермической реакции требуется большое количество энергии (при температуре 2500 ° C).

Углеродные дуговые лампы были первыми электрическими лампами. Они использовались для уличных фонарей в 19 веке и для специализированных приложений, таких как прожекторы, до Второй мировой войны. Сегодня электрические дуги низкого давления используются во многих областях. Например, для освещения используются люминесцентные лампы , ртутные, натриевые и металлогалогенные лампы ; ксеноновые дуговые лампы используются в кинопроекторах.

Формирование интенсивной электрической дуги, похожей на вспышку небольшой дуги , лежит в основе взрывающихся детонаторов .

Основное остающееся применение — распределительные устройства высокого напряжения для сетей передачи высокого напряжения. Современные устройства используют гексафторид серы под высоким давлением в потоке сопла между отдельными электродами внутри сосуда высокого давления. Переменный ток короткого замыкания прерывается при нулевом токе сильно электроотрицательными ионами SF6, поглощающими свободные электроны из распадающейся плазмы. Подобная воздушная технология была в значительной степени заменена, потому что требовалось много шумных блоков, подключенных последовательно, чтобы предотвратить повторное зажигание тока в аналогичных условиях суперсети.

Изучены электрические дуги для электрического движения космических аппаратов.

Они используются в лаборатории для спектроскопии для создания спектрального излучения за счет интенсивного нагрева образца вещества .

Направляя дугу

Ученые открыли метод управления траекторией дуги между двумя электродами, направляя лазерные лучи на газ между электродами. Газ превращается в плазму и направляет дугу. Путем создания плазменного пути между электродами с помощью различных лазерных лучей дуга может быть образована изогнутыми и S-образными дорожками. Дуга может также ударить о препятствие и перестроиться на другой стороне препятствия. Технология дуги с лазерным наведением может быть полезна в приложениях для подачи электрической искры в определенное место.

Нежелательная дуга

Нежелательная или непреднамеренная электрическая дуга может иметь пагубные последствия для систем передачи электроэнергии , распределения и электронного оборудования. К устройствам, которые могут вызвать искрение, относятся переключатели, автоматические выключатели, контакты реле, предохранители и плохие заделки кабелей. Когда индукционная цепь отключена, ток не может мгновенно перейти к нулю: на разделительных контактах образуется переходная дуга. Коммутационные устройства, подверженные возникновению дуги, обычно предназначены для сдерживания и гашения дуги, а демпфирующие цепи могут обеспечивать путь для переходных токов, предотвращая образование дуги. Если в цепи достаточно тока и напряжения для поддержания дуги, образованной вне переключающего устройства, дуга может вызвать повреждение оборудования, например оплавление проводов, разрушение изоляции и возгорание. Дуговые описывает взрывоопасное электрическое событие , которое представляет опасность для людей и оборудования.

Нежелательное искрение в электрических контактах контакторов , реле и переключателей можно уменьшить с помощью таких устройств, как контактные дугогасящие устройства и демпферы RC, или с помощью таких методов, как:

Искра может также возникнуть, когда канал с низким сопротивлением (посторонний предмет, токопроводящая пыль , влага …) образуется между местами с различным напряжением. Таким образом, проводящий канал может способствовать образованию электрической дуги. Ионизированный воздух имеет высокую электропроводность, приближающуюся к проводимости металлов, и может проводить чрезвычайно высокие токи, вызывая короткое замыкание и срабатывая защитные устройства ( предохранители и автоматические выключатели ). Аналогичная ситуация может возникнуть, когда лампочка перегорает, и фрагменты нити накала создают электрическую дугу между выводами внутри лампы, что приводит к перегрузке по току, которая размыкает выключатели.

Электрическая дуга на поверхности пластмасс вызывает их разрушение. На пути дуги имеет тенденцию образовываться токопроводящая дорожка с высоким содержанием углерода, называемая «углеродным следом», что отрицательно влияет на их изоляционные свойства. Восприимчивость к дуге или «сопротивление дорожки» проверяется в соответствии с ASTM D495 с помощью точечных электродов и непрерывных и прерывистых дуг; он измеряется в секундах, необходимых для образования проводящей дорожки в условиях высокого напряжения и низкого тока. Некоторые материалы менее подвержены разложению, чем другие. Например, политетрафторэтилен имеет сопротивление дуге около 200 секунд (3,3 минуты). Из термореактивных пластмасс , алкидных и меламиновых смол лучше , чем фенольные смолы . Полиэтилены обладают сопротивлением дуге около 150 секунд; полистиролы и поливинилхлориды имеют относительно низкое сопротивление — около 70 секунд. Пластмассы могут выделять газы с дугогасящими свойствами; они известны как дугогасящие пластмассы .

Возникновение дуги на некоторых типах печатных плат , возможно, из-за трещин на дорожках или разрушения припоя, делает поврежденный изолирующий слой проводящим, поскольку диэлектрик сгорает из-за высоких температур. Эта проводимость продлевает искрение из-за каскадного разрушения поверхности.

Подавление дуги

Подавление дуги — это метод попытки уменьшить или устранить электрическую дугу. Существует несколько возможных областей использования методов гашения дуги, среди которых осаждение и напыление металлической пленки , защита от дугового разряда , электростатические процессы, в которых электрическая дуга нежелательна (например, порошковая покраска , очистка воздуха , полировка пленки PVDF ) и гашение дуги контактным током. . В промышленной, военной и бытовой электронике последний метод обычно применяется к таким устройствам, как электромеханические силовые переключатели, реле и контакторы. В этом контексте гашение дуги использует защиту контактов .

Часть энергии электрической дуги образует новые химические соединения из воздуха, окружающего дугу: в их число входят оксиды азота и озона , второй из которых можно определить по его характерному резкому запаху. Эти химические вещества могут образовываться в контактах высокой мощности в реле и коммутаторах двигателей, и они вызывают коррозию близлежащих металлических поверхностей. Электрическая дуга также разъедает поверхности контактов, изнашивая их и создавая высокое сопротивление контакта при замыкании.

Смотрите также

Рекомендации

внешние ссылки

Возбуждение — электрическая дуга — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Возбуждение — электрическая дуга

Cтраница 1

Возбуждение электрической дуги производится двумя способами — прямым отрывом электрода и его отрывом по кривой. При обрыве дуги повторное ее возбуждение осуществляют впереди кратера и на основном металле с возвратом к наплавленному металлу для вывода на поверхность загрязнений, скопившихся в кратере.  [1]

Возбуждение электрической дуги производится мгновенным соприкосновением электрода с изделием, после чего электрод быстро отводится от изделия на расстояние 2 — г5 лш. В процессе сварки сварщик совершает электродом три движения: подает электрод по мере его плавления в сварочную ванну для поддержания постоянной длины дуги; перемещает электрод вдоль оси шва и производит концом электрода поперечные движения. При сварке тонкого металла и первых слоев многослойного шва электрод ведут без поперечных колебаний.  [2]

Для возбуждения электрической дуги в воздухе или под флюсом требуется более высокое напряжение ( равное или превышающее напряжение холостого хода источника С / х х), чем для устойчивого горения. Дуга возбуждается при напряжении С7Д 50 — 80 В, а устойчиво горит при U л 20 -: — 40 В.  [3]

Такой метод возбуждения электрической дуги является более гибким. Однако он также связан с подачей инородной среды в разрядный канал, что не всегда приемлемо по технологическим требованиям.  [4]

Сварку необходимо осуществлять одноразовым непрерывным возбуждением электрической дуги, не допуская ее потухания и повторного возбуждения.  [5]

Сварочный процесс начинается с возбуждения электрической дуги на торце нижнего стержня при напряжении 38 — 42 В. Расплавленный флюс вскоре гасит дугу, образуя шлак, и начинается электрошлаковый процесс.  [7]

Процесс сварки начинается с возбуждения электрической дуги между электродами и начальной ( опорной) планкой.  [9]

В качестве электрода для возбуждения электрической дуги используются сварочные угли диаметром от 6 до Т2 мм. Для резки применяются резаки РВД-1-57, РВД-2-58 и РВД-1-59. Сжатый воздух подводится по шлангу давлением 4 — 5 кГ / смг. Источником постоянного тока может служить специальный агрегат на силу тока от 39ft до 500 а. Выбор силы тока зависит от диаметра угольных электродов. Так, при использовании электродов диаметром б мм силу тока принимают 300 а, а при электродах диаметром 10 — 12 мм — 500 а. Касаться электродом, поверхности разрезаемого металла не следует во избежание науглероживания. В процессе этой Операции электрод не должен выступать за нижнюю плоскость детали более чем на 5 мм. На рис. 28 дана схема процесса разделительной воздушно-дуговой резки. После этой резки производят механическую обработку кромок на глубину 1 — 1 5 мм.  [11]

Значительно лучшие результаты дает схема возбуждения электрической дуги при закорачивании межэлектродного промежутка проволочкой. При правильно подобранном диаметре проволочки в момент подачи напряжения на электроды происходит ее разрушение и на ее месте возникает электрическая дуга. Такая схема возбуждения электрической дуги является наиболее простой, однако она не всегда применяется из-за того, что при взрыве проволочки на стенках канала появляются капли металла, и поэтому данную схему трудно применять при герметичном исполнении плазмотрона с технологическим реактором.  [12]

В нижней части свариваемого вертикального стыка помещаются две так называемые начальные планки, используемые для возбуждения электрической дуги и образования первьих порций шлака. Дугой расплавляется флюс, предвар ительно засыпаемый в пространство ( часто именуемое шахтой), которое ограничено стенками свариваемых деталей и медными ползунами.  [13]

С помощью передней бабки, позволяющей изменять число оборотов шпинделя в зависимости от диаметра заливаемой втулки, заготовке сообщается вращение с окружной скоростью 4 — 6 м / сек ( табл. 284), после чего электроды сближаются для возбуждения электрической дуги, обеспечивающей расплавление находящейся внутри заготовки бронзовой шихты. Для равномерного прогрева шихты и заготовки по всей ее длине после возбуждения дуги электроды постепенно разводят, увеличивая длину дуги до длины втулки. Если длина втулки настолько велика, что это сделать невозможно ( при длине втулки более 150 мм), то для обеспечения равномерности нагрева и плавления оба электрода и горящую между ними дугу медленно перемещают внутри заготовки по оси вращения.  [14]

С помощью передней бабки, позволяющей изменять число оборотов шпинделя, в зависимости от диаметра заливаемой втулки, заготовке сообщается вращение с окружной сиростью 4 — 6м / сек ( см. табл. 78), после чего электроды сближают для возбуждения электрической дуги. Для равномерного прогрева шихты и заготовки по всей ее длине после возбуждения дуги электроды постепенно разводят, увеличивая длину дуги до длины втулки. Если длина втулки настолько велика, что это сделать невозможно ( при длине втулки более 150 мм), то для обеспечения равномерности нагрева и плавления оба электрода и горящую между ним дугу медленно перемещают внутри заготовки по оси вращения.  [15]

Страницы:      1    2    3

Коллекция костюмов «DUGA III» — Понятие электрической дуги

Электрическая дуга — самое травмоопасное электрическое явление

 

Электрическая дуга представляет собой электрический разряд в газе или парах, возникающий при размыкании электрического контакта или при нестабильности переходного сопротивления контактов (искрение). Внутри дуги в плазме развивается температура от 5 000°С до 20 000°С.

Электрическая дуга возникает:

• при ошибочных действиях персонала по подключению или отключению оборудования, находящегося под напряжением;
• при отказе оборудования в аварийной ситуации;
• во время переключений в электроустановках коммутационной аппаратуры;
• при отказе оборудования (без какого-то действия персонала), связанного с его разрушением и имеющим самопроизвольный характер;
• при частичном разрушении электроцепи в промежутке, возникшем между контактами.

Электрическая дуга — родственник обычной искры, которая возникает при коротком замыкании. Но, с повышением мощности «искра» становится убийцей. Ярко-белая, как от электросварки, вспышка температурой в 20 000°С, которая заполняет все помещение, выжигает органику, плавит металл и расплавляет бетон.

Электрическая дуга — это не ядерный взрыв, это самое опасное, что может случиться при работе с электричеством. Смертоносные для людей встречи с высоким напряжением происходят внезапно, из-за одного неосторожного движения.

Дело в том, что на мощных подстанциях, при токе 9кА, за три секунды, которые проходят до срабатывания резервной защиты, люди могут получить ожоги, даже просто находясь в помещении, где произошло замыкание. Температура дуги невероятно высока, но действует недолго, как вспышка.

Нормативные документы

В списках несчастных случаев на производстве лидирует электротравматизм.
По статистике, поражения, связанные с электричеством составляют 10% от числа производственных травм. При этом электроэнергия — на первом месте по смертности, от ее воздействия гибнет до 50% от общего числа пострадавших.

К отраслям производства, персонал которого часто подвержен несчастным случаям, вызванными термическими рисками электрической дуги, относится в первую очередь электроэнергетика, а также металлургия, нефтегазовый комплекс, электрифицированный транспорт. Последним барьером между опасностью и несчастным случаем является комплексная защита (защитный костюм, средства индивидуальной защиты, обувь) от поражающего фактора электрической дуги.

Нормативные документы:

1. Технический регламент Таможенного союза TP TC 019/2011 «О безопасности средств индивидуальной защиты».
2. ГОСТ Р 12.4.234-2012 Система стандартов безопасности труда (ССБТ). «Одежда специальная для защиты от термических рисков электрической дуги. Общие технические требования и методы испытаний» (МЭК 61482-1-1:2009, МЭК 61482-2-2009).
3. Приказ Министерства Здравоохранения и социального развития Российской Феде‑ рации от 25 апреля 2011 г. N 340н «Об утверждении типовых норм бесплатной выдачи специальной одежды, специальной обуви и других средств индивидуальной защиты работникам организаций электроэнергетической промышленности, занятым на работах с вредными и (или) опасными условиями труда, а также на работах, выполняемых в особых температурных условиях или связанных с загрязнением».

Эти нормативные акты обязали руководство компаний, где есть контакт с высоковольтным электричеством, внедрить защитную одежду на предприятиях. Теперь рабочие опасных профессий — а это почти все сотрудники, имеющие к обслуживанию и ремонту электрических сетей и подстанций, должны быть одеты в дорогостоящую высокотехнологичную спецодежду. Однако данные затраты считаются у ответственных работодателей вполне обоснованными, ведь речь идет о человеческой жизни.

Перечень специальностей подлежащих обязательному обеспечению

защитными костюмами:

• электромонтер по обслуживанию электрооборудования электростанций;
• электрослесарь по ремонту и обслуживанию автоматики и средств измерений электростанций;
• электрослесарь по ремонту электрических машин;
• инженер по наладке, совершенствованию технологии и эксплуатации электрических станций и сетей;
• инженер — энергетик службы (группы) релейной защиты, автоматики, измерений и телемеханики;
• машинист гидроагрегатов;
• электромонтер главного щита управления электростанции;
• электромонтер — линейщик по монтажу воздушных линий высокого напряжения и контактной сети;
• электромонтер по испытаниям и измерениям;

• электромонтер по обслуживанию подстанций;
• электрослесарь по ремонту оборудования распределительных устройств;
• электромонтер оперативно-выездной бригады;
• электромонтер по оперативным переключениям в распределительных сетях;
• электромонтер по ремонту воздушных линий электропередачи;
• электромонтер по ремонту и монтажу кабельных линий;
• электромонтер по эксплуатации распределительных сетей;
• инженер электротехнической лаборатории;
• электромонтажник по силовым сетям и электрооборудованию;
• электромонтер по ремонту аппаратуры релейной защиты и автоматики;
• инженер по испытаниям;

2.2. Электрическая дуга

Общая характеристика дуги. При размыкании контактов, если сила тока в цепи 0,1 А и более и напряжение свыше 10 В, возникает электрический разряд в виде дуги. При напряжениях 110 кВ и выше длина дуги достигает нескольких метров. Температура внутри дуги может быть 10 000… 15 000 ^оС, и электрическая дуга представляет опасность для электрических цепей всех напряжений, особенно для напряжения выше 1 кВ.

В дуге различают околокатодное пространство, ствол дуги и околоанодное пространство. Около катода наблюдают высокую напряженность электрического поля (10⁵… 10⁶ В/см), вследствие чего возникает ударная ионизация. При этом электроны, вырванные из катода силой электрического поля или за счет нагрева катода, разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом сообщают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать один электрон с оболочки нейтрального атома, то происходит ионизация. Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму ствола дуги.

Высокие температуры в стволе дуги приводят к интенсивной термоионизации, т. е. образованию ионов за счет соударения молекул и атомов, обладающих при высоких скоростях движения большой кинетической энергией.

Чем больше ток в дуге, тем меньше ее сопротивление, и требуется меньшее напряжения для горения дуги. Наряду с ионизацией происходит и обратный процесс взаимной нейтрализации положительных ионов с отрицательными ионами и электронами, или так называемая рекомбинация ионов. В результате одновременно проходящих процессов ионизации и рекомбинации ионов (деионизации) в стволе дуги при определенных значениях тока и напряжения устанавливается определенное число свободных электронов и ионов того и другого знака.

Процесс горения электрической дуги делят на три этапа: зажигание дуги, когда вследствие ударной ионизации и термоэмиссии начинается дуговой разряд, причем интенсивность ионизации выше, чем деионизации; устойчивое горение дуги, поддерживаемое термоионизацией в стволе дуги, когда интенсивность ионизации и деионизации одинаковая; гашение дуги, когда интенсивность деионизации выше, чем ионизации.

В зависимости от того, интенсивность какого из процессов ионизации или деионизации преобладает, электрическая дуга продолжает гореть или гаснет. Дуга должна гаситься за счет ее интенсивного охлаждения, т. е. усиления процессов деионизации. Отвод теплоты от дуги зависит от теплопроводности и подвижности газа, в котором горит дуга. Опыт показывает, что наиболее успешно дуга гасится в водороде, обладающем наибольшей теплопроводностью. Повышение давления газа, в котором горит дуга, сближает молекулы газа, что улучшает конвекцию, а следовательно, и охлаждение дуги.

Соприкосновение дуги с твердыми изолирующими стенками и ее горение в узкой щели между ними также способствует интенсивному гашению дуги. Магнитное дутье вдоль дуги  еще один способ ее успешного гашения.

Для того чтобы отключить элементы электрической цепи и не допустить при этом повреждения коммутационного аппарата, необходимо не только разомкнуть его контакты, но и погасить появляющуюся между ними дугу. Процессы горения и гашения электрической дуги на переменном и постоянном токе различны.

Электрическая дуга постоянного тока устойчиво горит при определенных значениях силы тока I, напряжения U и длины l_кр. Между электродами, называемой критической длиной дуги. Если расстояние между электродами увеличить и сделать его больше l_кр, то процессы деионизации будут превалировать над процессами ионизации и дуга погаснет. Во избежание больших перенапряжений при отключении постоянного тока нельзя применять средства, обеспечивающие слишком быструю деионизацию дугового промежутка. В частности, для отключения цепей постоянного тока не следует применять масляные выключатели, так как масло обеспечивает весьма интенсивную деионизацию.

В системах электроснабжения сельского хозяйства почти повсеместно применяют трехфазный переменный ток. Ток электрической дуги переменного тока каждый полупериод проходит через нуль. В эти моменты прекращается выделение энергии в дуге и она гаснет, а затем может снова загораться. Осциллограмма показывает, что ток в дуге становится близким к нулю несколько раньше естественного перехода через нуль. Это объясняется снижением энергии дуги при уменьшении тока и прекращением термоионизации. Длительность бестоковой паузы хотя и составляет от десятков до нескольких сотен микросекунд, но играет важную роль в гашении дуги. Если в бестоковую паузу разомкнуть контакты и развести их достаточно быстро на расстояние, при котором не может произойти электрического пробоя, то цепь будет быстро отключена. Однако практически этого сделать почти невозможно и поэтому принимают специальные меры ускоренного гашения дуги, способствующие деионизации дугового промежутка и уменьшению числа заряженных частиц. Далее приведены различные приемы гашения электрической дуги в коммутационных аппаратах.

Удлинение дуги за счет быстрого расхождения контактов — эффективный способ гашения дуги. Это объясняется тем, что для дуги большей длины требуется большее напряжение, а на практике напряжение остается тем же самым и поэтому дуга гаснет.

Деление длинной дуги на ряд коротких возможно путем втягивания ее в металлическую решетку. Напряжение на дуге складывается из катодного U_к и анодного U_а падений напряжений и напряжения ствола дуги U_c.д :

(9-2)

где U_э= U_к + U_а.

Если длинную дугу разделить на К коротких дуг, то каждая из них будет иметь свое катодное и анодное падение напряжения U_э, и тогда условие гашения дуги U< KU_э, где U  напряжение сети.

Дуга затягивается в металлическую решетку под воздействием электромагнитного поля, наводимого в пластинах решетки вихревыми токами. Число пластин в решетке, при котором гаснет дуга, определяют соотношением

где U_к.а  сумма катодного и анодного падения напряжения (150… 250 В) для дуги переменного тока.

Этот способ гашения дуги широко используют в коммутационных аппаратах напряжением до 1 кВ, например в автоматических воздушных выключателях.

Гашение дуги в узких щелях применяют в аппаратах всех напряжений. Часто используют дугогасительные камеры с продольными щелями. Ось такой щели совпадает по направлению с осью ствола дуги. Щель образуется в камерах из изоляционных дугостойких материалов. Когда дуга горит в такой щели, то благодаря соприкосновению с холодными поверхностями происходят интенсивное охлаждение и диффузия заряженных частиц в окружающую среду. Дуга втягивается в узкие щели обычно под действием магнитного поля, взаимодействующего с дугой, которую можно рассматривать как проводник с током. Магнитное поле обеспечивается катушкой, включаемой последовательно с контактами, между которыми загорается дуга.

Газовоздушное дутье вдоль или поперек дуги способствует проникновению газовых частиц в ее ствол, интенсивной диффузии и охлаждению дуги. Под воздействием высокой температуры дуги твердые газогенерирующие стенки дугогасительной камеры, например из оргстекла для выключателей нагрузки, выделяют большое количество газов, создающих дутье вдоль дуги за счет высокого давления. Это называется автогазовым дутьем.

Гашение дуги сжатым воздухом более эффективно. Дутье осуществляется холодным неионизированным воздухом, поступающим в воздушные выключатели из баллонов со сжатым воздухом. Высокая температура горения дуги в масле приводит к интенсивному разложению масла с выделением большого количества газов, на 70… 80 % состоящих из водорода и паров масла. Выделяемые газы образуют газомасляный пузырь и проникают в ствол дуги, при этом в пузыре перемешиваются холодный и горячий газы. Газомасляная смесь обеспечивает интенсивное охлаждение и деионизацию дугового промежутка. Интенсивность процесса повышается за счет более тесного соприкосновения дуги с маслом или газомасляной смесью. Учитывая это, обычно электрическая дуга перемещается в дугогасительную камеру, которую собирают из изоляционных пластин с горизонтальными и вертикальными щелями. При этом дуга режется на ряд мелких дуг, деионизация которых газомасляной смесью и соприкосновением со стенками дугогасительной камеры облегчается и в целом способствует ее быстрому гашению.

Дугогасительные камеры по принципу устройства разделяют на три основные группы: с автодутьем, когда высокое давление и скорость движения газа в зоне дуги создаются за счет энергии дуги; с принудительным масляным дутьем, создаваемым специальными нагнетающими механизмами; с магнитным гашением в масле, когда дуга под действием магнитного поля перемещается в узкие щели. Наиболее эффективно гашение дуги в дугогасительных камерах с автодутьем, применяемых в масляных выключателях напряжением свыше 1 кВ.

К другим способам гашения дуги относят гашение дуги в коммутационных аппаратах высоких напряжений, в вакууме, газах высокого давления, а также многократный разрыв цепи тока.

История электрической дуги.

История электрической дуги.Начало

---

ДВЕ ЖИЗНИ АКАДЕМИКА ВАСИЛИЯ ПЕТРОВА

В нынешнем году исполняется 200 лет со дня создания
В.В. Петровым уникального для своего времени источника электрического тока – «огромной наипаче батареи», первого в мире источника постоянного тока высокого напряжения.
Петрову удалось не только повторить уже известные эксперименты, но и осуществить многие, «о которых дотоле не имел никакого известия». Одним из выдающихся успехов ученого стало открытие в 1802 г. явления электрической дуги и доказательство возможности ее практического применения для целей освещения, плавки, сварки металлов и восстановления их из руд. Василию Владимировичу принадлежит заслуга в исследовании закономерностей в электрических цепях, в открытии многих явлений, сыгравших огромную роль в развитии науки об электричестве.
В.В. Петров не только талантливый ученый и экспериментатор, но и замечательный педагог: почти 40 лет он был профессором физики в Петербургской Медико-хирургической академии, воспитал немало способных ученых, особое значение придавал пропаганде научных знаний с «целью просвещения русского народа». Под его руководством был создан один из крупнейших в Европе физических кабинетов.

Из Обояни – в Петербург
Выходец из семьи скромного приходского священника в Обояни
(ныне город в Курской области)
В.В. Петров, проявив незаурядные упорство и стремление к овладению знаниями, успешно закончил Харьковский коллегиум, где с увлечением изучал физико-химические науки и несколько иностранных языков. Не имея достаточных средств для продолжения обучения, он поступил «на
казенный счет» в Петербургскую учительскую гимназию (позже – Петербургский учительский институт). Еще студентом В.В. Петров склонялся к тому, что подлинные знания и опыт можно получить на практике. Проучившись три года, Петров добровольно уезжает на далекий Алтай преподавать физику и математику в училище при крупнейших в России Колывано-Воскресенских горных заводах. Здесь он впервые сталкивается с конкретными задачами, выдвигаемыми перед физикой и химией разнообразными технологическими производственными процессами, знакомится с известными специалистами горнорудного дела, помогает способной молодежи овладевать знаниями.
Вернувшись через 3 года в Петербург, Петров уже ясно представлял, как организовать преподавание физики и математики, чтобы оно содействовало поиску ответов на конкретные запросы производства. Такой подход заметно повысил авторитет Василия Владимировича как педагога и ученого-экспериментатора. В 1795 г. после блестящей «пробной» лекции Петров утверждается в должности профессора физики и математики Медико-хирургической академии. Работая по 14–16 часов в сутки, он успешно сочетает преподавание в академии с проведением разнообразных экспериментов в области электричества. Результаты своих исследований ученый подробно описал в фундаментальном труде «Известие о гальвани-вольтовских опытах, которые производил профессор физики Василий Петров, посредством огромной наипаче батареи, состоявшей иногда из 4200 медных и цинковых кружков…». Книга была издана в Санкт-Петербурге в 1803 г. (рис. 1).
Этот труд стал первым сочинением на русском языке, автор которого подробно проанализировал все известные и вновь открытые электрические явления. В.В. Петров подчеркивал, что он подготовил книгу «…наипаче для пользы тех читателей, которые… живут в отдаленных от обеих столиц местах и которые не имели случая приобрести нужного понятия о сих предметах».
В восьми главах (статьях) сочинения В.В. Петров подробно излагает устройство батареи, описывает свои эксперименты, сопровождая их необходимыми для читателя практическими советами. Книга вызвала огромный интерес и буквально исчезла с прилавков магазинов.

Создание «огромной
наипаче батареи»
В первых двух главах труда автор подробно рассказывает о созданной им батарее. Внимательно ознакомившись с опытами Вольты и некоторых других европейских физиков, В.В. Петров пришел к выводу, что новые явления можно обнаружить, если создать более мощный источник электрического тока. Ученый решается изготовить невиданный по размерам вольтов столб, состоящий более чем из 4 тыс. медных и цинковых пластин, что в 100 с лишним раз превосходило существовавшие ранее столбы. Такого огромного источника не создавал еще никто, и Петрову пришлось самостоятельно преодолевать немало трудностей.
Во-первых, как расположить такое количество пластин? Если в виде столбика, вертикально, то высота батареи достигла бы 12 метров – ее нельзя установить в лаборатории. Кроме того, под тяжестью верхних слоев пластин жидкость из прокладок, расположенных ниже, была бы быстро выжата, и действие батареи могло прекратиться. Ученый производит соответствующие расчеты и решается разместить элементы горизонтально в четыре ряда в большом деревянном, специально изготовленном ящике длиной около 3 метров. Дно и стенки ящика тщательно изолировались толстым слоем лака и промасленной бумагой (рис. 2а).
В апреле 1802 г. «огромная наипаче батарея», как назвал ее ученый, была готова. Она состояла из 4200 медных и цинковых кружков диаметром
35 мм и толщиной около 2,5 мм.
Между каждой парой металлических пластин прокладывались картонные или суконные кружочки, смоченные
раствором нашатыря. Выражаясь современным языком, эта батарея
состояла из 2100 медно-цинковых элементов, соединенных последовательно.
Естественно возникал вопрос: какое напряжение было на зажимах
батареи? Ответа на него не мог дать никто. Ведь в те годы никаких электроизмерительных приборов не существовало, и даже подробное описание батареи, данное в книге Петрова, не позволяло хотя бы приблизительно представить величину напряжения источника. А это было чрезвычайно важно знать, так как ученый открыл явление электрической дуги, в чем и хотелось убедиться.

Воспроизведение опыта
Петрова
Исследуя творчество В.В. Петрова, автор настоящей статьи в 1951 г. решил обратиться к испытанному методу – эксперименту, создав модель батареи, детали которой, к счастью, были подробно описаны в книге. В производственно-экспериментальной мастерской Московского энергетического института была изготовлена 1/20 часть батареи, состоявшая из 105 медных и цинковых кружков точно таких же размеров, а в качестве прокладок использовались суконные кружки, пропитанные раствором нашатыря. Так как элементы батареи Петрова соединялись последовательно, достаточно было точно измерить напряжение одной ее части, а затем рассчитать все параметры. Металлические и суконные кружки укладывались в порядке, указанном Петровым, в гетинаксовой трубке (верхняя часть трубки срезана) (рис. 2б). К крайним медному и цинковому кружкам припаивались проводники, соединявшиеся с наружными клеммами батареи.
Электродвижущая сила батареи измерялась одним из наиболее точных методов – компенсационным. В результате многочисленных измерений было установлено, что электродвижущая сила «огромной наипаче» батареи должна была составлять 1650 – 1700 В. Максимальный ток, который могла давать батарея, колебался в пределах 0,1 – 0,15 А. Становилось понятным, как Петрову удалось получить электрическую дугу при сравнительно небольших токах. Решающую роль сыграло невиданное по тем временам высокое напряжение. И чтобы доказать это, в 1952 г. в лаборатории светотехники имени
В.В. Петрова Московского энергетического института в присутствии нескольких известных ученых-светотехников был проведен еще один эксперимент.
Прежде всего нужно было получить постоянный ток высокого напряжения, близкого к напряжению батареи Петрова. Для этого лучше всего подходили сухие анодные аккумуляторные батареи со сравнительно большим внутренним сопротивлением (что было характерно для гальванических батарей начала XIX века). Соединяя последовательно группу таких батарей, мы получили напряжение 1500 В; такое напряжение, несомненно, имела «огромная» батарея. Роль «балластного» сопротивления в опытах Петрова выполняло внутреннее сопротивление батареи, которое было достаточно большим.
В качестве электродов мы по совету специалистов использовали простые гомогенные осветительные угли диаметром 5 мм, которые по своим свойствам наиболее приближались к специально обработанным древесным углям, изготовленным Петровым и способным «к произведению светоносных явлений». Два угля
укреплялись в специальных вертикальных зажимах, позволявших
регулировать расстояние между электродами. В цепь включались вольтметр, амперметр и реостат. Ток регулировался в пределах 0,075–0,15 А. Раздвигая концы углей до расстояния 2–5 мм (как и в опыте Петрова), мы получали устойчивую электрическую дугу, пламя которой ярко освещало «темный покой» прожекторного отдела лаборатории светотехники.
Можно было только удивляться, как Петров, не имея никаких сведений о теории электрической дуги, сумел благодаря тщательно проведенным опытам и наблюдениям не только получить электрическую дугу, но и убедительно доказать ее основные свойства: давать яркий, «подобный солнечному» свет, плавить металлы и восстанавливать их из руд. Этому посвящена отдельная глава его книги.
Отмечая внешние отличительные признаки дуги, Петров характеризует ее как своеобразное «пламя», тогда как раньше, наблюдая некоторые «светоносные» явления, он говорил об искрах, «светоносных шариках», сверкающих «звездочках». Вот как описывал физик новое явление. «Если на стеклянную плитку или скамеечку со стеклянными ножками будут положены два… древесных угля, способных для произведения светоносных явлений (имеются в виду специально обработанные стерженьки из древесного угля, хорошо проводящие ток. – Я.Ш.), и если потом металлическими изолированными направителями, сообщенными с обоими полюсами огромной (выделено Петровым) батареи, приближать оные один к другому на расстояние от одной до трех линий2, то является между ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли сильнее или медлительнее загораются и от которого темный покой довольно ясно освещен быть может».
Это зрелище было необыкновенным и не описывалось ранее в сочинениях по физике, что и понятно: распространенные за рубежом гальванические батареи, состоявшие даже из 100–200 пар пластин, не могли обеспечить устойчивой дуги. Не случайно известный английский ученый Х. Дэви, которому долгое время необоснованно приписывался приоритет в открытии дуги, впервые наблюдал явление электрической дуги только в 1808 г., когда построил батарею из 2 тыс. пар пластин. Характерно, что сам Дэви никогда не считал себя первооткрывателем электрической дуги. К моменту выхода в свет в 1812 г. сочинения Дэви «Элементы химической философии», в котором описывалось это явление, он уже знал, что значительно раньше дуга была открыта в России. Дело в том, что в 1804 г. Петербургская академия наук объявила международный конкурс на тему «О природе света». При этом указывалось на желательность исследования такого явления, как «гальванический огонь… ослепительный блеск коего в случае больших вольтовых столбов подобен солнечному свету» (курсив наш. – Я.Ш.).
Заслуживает внимания следующий факт. Английский журнал Science progress в 1936 г. (№ 122) в статье «Забытый электротехник», посвященной трудам В.В. Петрова, отмечал, что Дэви, сообщая о своих опытах с дугой, «… не претендовал на оригинальность этих опытов, допуская, что это было сделано иностранным физиком». Работая с высоким напряжением, В.В. Петров подчеркивал необходимость тщательной изоляции всех элементов батареи, проводников и устройств, используемых во время экспериментов.
Любопытно, что в 1807 г. В.В. Петров предложил издать для русских гимназий учебник по физике, названный «Начальные основания физики». Часть этого издания составил перевод сочинения известного иностранного физика, отредактированный Петровым. Но все разделы об электричестве были написаны автором учебника заново, и, конечно, Петров описал открытое им явление электрической дуги. Потому русские гимназисты узнали об этом удивительном явлении раньше многих европейских физиков, не читавших книг на русском языке.
Долгое время точная дата первых публичных опытов Петрова с огромной батареей была неизвестна. Но в 1950 г. автор этих строк обнаружил в Петербургском журнале «Северный вестник» (1804 г., ч. III) статью о работах Петрова в 1802 г., в которой первые опыты датировались 17 мая 1802 г. «… посредством огромной батареи, – писал журнал, – сей неутомимый отечественный наш физик делал в присутствии Медицинской коллегии и многих знаменитых особ первые публичные опыты сего же года мая 17 дня… Более ничего нельзя сказать здесь о трудах сего почтенного мужа, как только то, что он беспрестанно возвышает физику своими открытиями».

Исследование газового
разряда в вакууме
Отдельная глава в книге Петрова посвящена исследованию «светоносных» явлений в «безвоздушном месте», то есть в вакууме. Схема его
экспериментальной установки, сделанная нами на основе подробного описания в книге, изображена на рис. 3. Из-под стеклянного «колокола», установленного на медном круге воздушного насоса, откачивался воздух, а под колоколом укреплялись различной формы электроды, соединенные с «огромной» батареей.
В.В. Петров был первым отечественным ученым, подробно исследовавшим газовый разряд в разреженном воздухе. На рисунке изображен один из опытов, при котором ученый наблюдал тлеющий разряд: на медном основании устанавливался «серебряный дном кверху стакан», а вверху на подвижном стержне укреплялась «обыкновенная» толстая игла. Передвигая стержень, можно было менять расстояние между электродами. Когда давление под колоколом уменьшалось до 7–10 мм рт. ст., а расстояние между дном стакана и концом иглы сокращалось до 2,5 мм, в пространстве между электродами возникало «светоносное» пламя…, а иголка по всей длине «делалась раскаленной». Последовательно, шаг за шагом, ученый исследовал влияние различных факторов на интенсивность свечения: степень вакуума, форма, материал и полярность электродов, а также расстояния между ними и «силы» батареи.
Прошло более 30 лет, прежде чем явления газового разряда исследовал М. Фарадей, имевший в отличие от Петрова в своем распоряжении электроизмерительные приборы и более совершенное оборудование. Целый ряд важнейших закономерностей, установленных Фарадеем, был ранее четко сформулирован Петровым.
К сожалению, исследования Петровым газового разряда оказались (как и многие другие) забытыми.
Как писал известный ученый в
области газового разряда профессор Н.А. Капцов, «если бы эти исследования не были впоследствии забыты, они могли бы дать много руководящих указаний для физиков, занимавшихся исследованиями газового разряда в более поздние времена».
Чтобы доказать возможность получения Петровым разных видов разрядов, мы по сведениям, представленным в книге, воспроизвели установку ученого и наблюдали описанные им разряды. При воспроизведении опытов Петрова с использованием современной аппаратуры удалось установить также, что он мог наблюдать не только тлеющий разряд с характерным катодным свечением, но и искровый и дуговой разряды.
Петров придавал большое значение исследованиям газового разряда. «Я надеюсь, – писал он в своей книге, – что просвещенные и беспристрастные физики, по крайней мере некогда (выделено В.В. Петровым. – Я.Ш.), согласятся отдать трудам моим ту справедливость, которую важность сих последних опытов заслуживает».
Не имея возможности описывать многие оригинальные исследования В.В. Петрова, отметим еще лишь несколько, на наш взгляд, наиболее важных.

Продолжение следует.

---

Автор: Шнейберг Ян Журнал Connect

Сайт управляется системой uCoz

Что нужно знать

Вы слышали о дуговой вспышке, но достаточно ли вы понимаете, чтобы защитить своих рабочих?

Вспышка дуги — тема, которая все чаще обсуждается в сфере безопасности и гигиены труда. И не без оснований, как, например, по данным Национальной ассоциации противопожарной защиты (NFPA), гибель людей из-за вспышки дуги в США происходит примерно один раз в день. И ежегодно более двух тысяч рабочих попадают в ожоговые отделения реанимации из-за этих катастроф.

Вспышка дуги представляет собой чрезвычайно опасное состояние на рабочем месте. Если у вас нет адекватной программы безопасности, ваши работники могут подвергнуться этим опасностям. Давайте рассмотрим некоторые основы и посмотрим, что происходит во время вспышки дуги, а также как предотвратить опасные ситуации.

Что такое дуговая вспышка?

Электрическая дуга — это форма электрического разряда, который можно определить как световой электрический разряд между двумя электродами или другими точками.Управляемая электрическая дуга имеет много промышленных целей. В раннем уличном освещении широко использовалось применение электрической дуги. И это принцип, который сегодня используют сварщики и аппараты плазменной резки.

Но когда происходит сбой системы, могут возникать непреднамеренные или неконтролируемые электрические дуги, такие как вспышка дуги, которая проходит через дуговой промежуток из-за неисправностей или короткого замыкания.

Согласно OSHA:

Вспышка дуги — это явление, при котором пробой электрического тока оставляет намеченный путь и проходит по воздуху от одного проводника к другому или к земле.

Вот как мы объясняем это в нашем онлайн-учебном курсе по дуговой вспышке ниже, который знакомит с концепцией дуговой вспышки.

Опасность дугового разряда

Вспышки дуги могут быть очень сильными по своему характеру из-за большого количества выделяемой энергии. Поскольку вспышка дуги ионизирует воздух, температура может достигать или превышать 19 400 ° C (35 000 ° F). Это жарче, чем поверхность солнца!

Если люди находятся поблизости во время вспышки дуги, одежда может воспламениться, и из-за высоких температур могут возникнуть серьезные ожоги.Вторичные возгорания также могут возникнуть, если рядом с местом происшествия находятся горючие вещества.

Эти температуры также могут вызвать разжижение и испарение металлических деталей поблизости. Когда металл переходит из твердого в газообразное состояние, быстрое расширение может вызвать давление и взрыв или взрыв. Сильное энергетическое давление (2000 фунтов / кв.фут) излучается наружу и может поразить рабочих, как бомба, сбив их с ног или отбросив назад, часто вызывая компрессионные травмы. Ослепляющий свет, оглушающий шум, летящие осколки и расплавленный металл могут возникать в этих случаях дугового разряда.

Повреждения от дугового разряда

Из-за этих опасностей возможны смертельные исходы и серьезные травмы. Нередки ожоги значительной части тела третьей и второй степени, а также стойкие нарушения, такие как потеря зрения или слуха.

Тяжесть поражения от дугового разряда зависит от:

1. Насколько близко человек к опасности
2. Температура, которой подвергался человек
3. Время разрыва цепи

Что вызывает дуговую вспышку?

Несколько факторов могут привести к вспышке дуги, в том числе:

• Накопление токопроводящей пыли
• Износ оборудования
• Инструмент упал
• Случайный контакт с частями под напряжением
• Конденсация на оборудовании
• Разрыв материала
• Коррозия
• Неправильная установка
• Отвлеченные или необученные рабочие

Один из способов подумать о причинах дуговых вспышек — разделить их на дуговые вспышки, вызванные людьми, и дуговые вспышки, вызванные не людьми.

Вот несколько способов, которыми люди могут вызвать дуговые вспышки:

И вот несколько способов возникновения дуговых вспышек без участия человека:

Как избежать вспышек дуги

Существует множество методов защиты рабочих от опасностей, связанных с вспышкой дуги и электрическим током. Большинство вспышек дуги можно предотвратить. Человеческая ошибка, например, отвлечение рабочих или использование токопроводящих инструментов для выполнения работы под напряжением, приводит к множеству вспышек дуги.

Благодаря обучению по вспышке дуги, процедурам безопасности, оценке риска вспышки дуги, надлежащим средствам индивидуальной защиты и соответствующим токонепроводящим инструментам для работы под напряжением сотрудники могут избежать этих опасных условий. Регулярное техническое обслуживание, которое сводит к минимуму поломки оборудования, появление горючей пыли и коррозии, также может помочь предотвратить вспышку дуги.

Это не случайный процесс, позволяющий избежать вспышки дуги. Вместо этого существует система, разработанная Национальной ассоциацией противопожарной защиты (NFPA), которая основана на лучших научных данных и обеспечивает максимальную защиту рабочих.

И, конечно же, самый безопасный способ — полностью устранить опасность. Необходима ли работа под напряжением для всех задач, которые выполняют ваши ремонтные работники? Можно ли вместо этого использовать блокировку / теги? Работодатели должны изучить действующие процедуры. Нередко можно обнаружить, что активная работа выбирается рабочими в качестве «быстрого пути» вместо выполнения блокировки / отключения.

Профилактические мероприятия

Если необходимо выполнять работы под напряжением или сотрудники подвержены риску воздействия оборудования, находящегося под напряжением, вам необходимо ознакомиться с соответствующими стандартами безопасности.NFPA 70E — это национальный консенсусный стандарт электробезопасности на рабочем месте, в котором подробно описаны методы, которые работодатели должны использовать, когда работники должны выполнять работу под напряжением.

Среди этих шагов — определение соответствующих границ, которые должны соблюдать электротехники, поскольку обучение, СИЗ и другие меры защиты будут варьироваться в зависимости от имеющихся опасностей. Две границы конкретно относятся к опасности поражения электрическим током или поражения электрическим током, а третья предназначена для предотвращения вспышек дуги.

NFPA перечисляет три границы как:

• Граница ограниченного подхода
• Граница ограниченного подхода
• Граница вспышки дуги

В первых двух уровни напряжения определяют их границы. Их можно найти, обратившись к таблицам NFPA 70E.

Однако граница вспышки дуги требует более сложного анализа, который определяет присутствующие опасности вспышки и рассчитывает энергию падающего излучения, на основе которой разрабатываются методы безопасной работы, оборудование маркируется соответствующим образом и выбираются соответствующие СИЗ.

В NFPA 70E 2015 года перечислены два метода определения необходимых СИЗ для различных рабочих задач. Первый, метод категории Flash PPE использует таблицы, найденные в 70E, а второй, метод анализа энергопотребления, применяет подробные вычисления. NFPA позволяет использовать любой метод, но только один из них может использоваться для каждой единицы оборудования.

Если есть какие-либо вариации или отклонения от перечисленных параметров таблицы NFPA, работодатели должны выбрать более сложный метод анализа энергопотребления.

Пример видео ниже из нашего онлайн-курса обучения дуговой разрядке начинает знакомство с граничными проблемами.

Но любой вариант позволяет работодателю найти соответствующие меры защиты работников. Выбор подходящих средств индивидуальной защиты от вспышки дуги, обучение рабочих и соблюдение правильных процедур безопасности могут предотвратить вспышки дуги и, в конечном итоге, спасти жизни и снизить риск травм.

Чтобы узнать больше об этих важных мерах защиты, выберите наш онлайн-курс «Введение в NFPA 70E», в котором описаны основные компоненты программы по электробезопасности на рабочем месте, а также важные подробности о границах безопасности.В курсе также обсуждаются методы выбора СИЗ и требования к электрическому оборудованию, которые также охватываются NFPA 70E.

Вот образец курса Введение в 70E:

И для всех рабочих, подверженных опасности возникновения дугового разряда, выберите наш онлайн-курс по технике безопасности при дуговом разряде, который знакомит с опасностями дугового разряда и представляет различные методы предотвращения и защиты от этих опасностей.

Заключение: дуговая вспышка представляет собой серьезную опасность со смертельным исходом на рабочем месте

Как вы видели, вспышка дуги — чрезвычайно опасное явление, но вы можете многое сделать, чтобы снизить риски на рабочем месте.Как всегда, меры по обеспечению безопасности должны начинаться с надежной системы управления безопасностью и здоровьем на рабочем месте и должны включать надлежащее обучение технике безопасности, процедуры и средства индивидуальной защиты.

И не забудьте рассмотреть наш онлайн-курс обучения дуговой вспышке и наш онлайн-курс обучения NFPA 70E.

Не забудьте скачать наше бесплатное руководство по эффективному обучению безопасности перед поездкой!

Эффективное обучение EHS: пошаговое руководство

Узнайте, как разрабатывать, создавать, проводить и оценивать эффективное обучение EHS, следуя этим передовым методам с нашим бесплатным пошаговым руководством.

Скачать бесплатное руководство

Что такое дуговая вспышка?

Примечание редактора: на момент публикации этой статьи текущая редакция стандарта NFPA 70E Standard была редакцией 2009 года. Издание 2012 года является самым последним. См. «Что такое NFPA 70E?» для дополнительной информации.

Согласно Википедии, «вспышка дуги (или дуговая вспышка) представляет собой тип электрического взрыва, который возникает в результате низкоомного соединения с землей или другой фазой напряжения в электрической системе».Температура вспышки дуги может достигать 35000 градусов по Фаренгейту — примерно в четыре раза больше, чем поверхность солнца. Вспышка электрической дуги может произойти, если проводящий объект приближается к источнику тока с большим ампером или из-за отказа оборудования (например, при размыкании или замыкании разъединителей). Дуга может нагревать воздух до температуры 35 000 F и испарять металл в оборудовании. Вспышка дуги может вызвать серьезные ожоги кожи в результате прямого теплового воздействия или воспламенения одежды. Нагревание воздуха и испарение металла создают волну давления, которая может повредить слух и вызвать потерю памяти (от сотрясения мозга) и другие травмы, вплоть до смерти.

Опасная вспышка дуги может произойти в любом электрическом устройстве, независимо от напряжения, в котором энергия достаточно высока для поддержания дуги. Сюда входят панели управления, переключатели, трансформаторы и другие места, где может произойти сбой оборудования. Некоторые из наиболее опасных задач включают в себя снятие или установку автоматических выключателей, работу с цепями управления с открытыми частями под напряжением, применение защитных заземлений, снятие крышек панелей и выполнение испытаний и диагностики низкого напряжения.

Как защитить себя или своих сотрудников от этой потенциально смертельной опасности? Вы следуете рекомендациям, изложенным в стандарте NFPA 70E 2009 по электробезопасности на рабочем месте, издание 2009 года. Но что говорит OSHA? OSHA рекомендует ссылаться на NFPA 70E для обеспечения электробезопасности.

Стандарт NFPA 70E 2009 по электробезопасности на рабочем месте — это общепринятый стандарт, устанавливающий безопасные методы работы с электричеством. Он включает в себя списки типичных работ с электрикой и классифицирует эти работы по пяти категориям в зависимости от уровня опасности / риска, с диаграммами с подробным описанием средств индивидуальной защиты (СИЗ), необходимых для защиты до уровня опасности для каждой категории.Согласно Национальному совету безопасности, «как классификации опасностей / категорий риска, так и требования к СИЗ, а также упрощенный двухкатегориальный подход, широко использовались. Отчасти это связано с тем, что они легко помогают определить, какой уровень СИЗ требуется для защиты рабочих от потенциальной опасности задач или работ в каждой из категорий риска опасности. Упрощенный двухэтапный подход требует минимального номинала дуги — также известного как ATPV — 8 для «повседневной рабочей одежды» и 40 для «смена одежды.«Все огнестойкие ткани проходят или могут быть испытаны для измерения количества падающей энергии, необходимой (в кал / см ² ), чтобы предсказуемо вызвать ожоги второй степени под тканью.

Так что же популярно в 2009 году? Вспышка дуги, а что вы носите? Вы носите одежду, которую анализ опасности вспышки дуги, проведенный в соответствии с требованиями NFPA 70E 2009, считает подходящей.

Статья щедро предоставлена ​​Джеймсом Нортоном, президентом группы JHN.С ним можно связаться по вопросам консультации по безопасности машин по телефону [адрес электронной почты защищен] .

Какова патофизиология поражения электрическим током от электрической дуги?

Ли RC. Повреждение электрическими силами: патофизиология, проявления и терапия. Curr Probl Surg . 1997 сентября. 34 (9): 677-764. [Медлайн].

Раббан Дж., Адлер Дж., Розен К., Блер Дж., Шеридан Р. Электротравма от третьих рельсов метро: серьезная травма, связанная с контактом промежуточного напряжения. Бернс . 1997 23 сентября (6): 515-8. [Медлайн].

Spies C, Trohman RG. Описательный обзор: поражение электрическим током и опасные для жизни электрические травмы. Энн Интерн Мед. . 2006 г., 3 октября. 145 (7): 531-7. [Медлайн].

Koumbourlis AC. Электрические травмы. Crit Care Med . 2002 30 ноября (11 приложение): S424-30. [Медлайн].

Цена Т, Купер М.А. Электрические и световые травмы. Маркс Дж., Хокбергер Р., Уоллс Р. Скорая медицинская помощь Розена . 5-е изд. Мосби; 2002. Том 3: 2010-2020.

Рай Дж, Йешке М.Г., Барроу Р.Э., Херндон Д.Н. Электрические травмы: обзор за 30 лет. J Травма . 1999 Май. 46 (5): 933-6. [Медлайн].

Казини В. Случаи смерти рабочих от поражения электрическим током: краткое изложение результатов наблюдения и расследований NIOSH. Министерство здравоохранения и социальных служб (NIOSH) . Май 1998.

Luz DP, Millan LS, Alessi MS, et al.Электрические ожоги: ретроспективный анализ за 5-летний период. Бернс . 2009 ноябрь 35 (7): 1015-9. [Медлайн].

Ferreiro I, Melendez J, Regalado J, Bejar FJ, Gabilondo FJ. Факторы, влияющие на последствия поражения электрическим током высоким напряжением. Бернс . 1998 24 ноября (7): 649-53. [Медлайн].

Kopp J, Loos B, Spilker G, Horch RE. Корреляция между уровнем креатининкиназы сыворотки и степенью повреждения мышц при электрических ожогах. Бернс . 2004 30 ноября (7): 680-3. [Медлайн].

Hussmann J, Kucan JO, Russell RC, Bradley T., Zamboni WA. Электротравмы — заболеваемость, исход и обоснование лечения. Бернс . 1995 21 ноября (7): 530-5. [Медлайн].

Kym D, Seo DK, Hur GY, Lee JW. Эпидемиология электротравмы: различия между электротравмами низкого и высокого напряжения в течение 7-летнего периода исследования в Южной Корее. Scand J Surg .2014 7 мая. [Medline].

Baker MD, Chiaviello C. Бытовые электротравмы у детей. Эпидемиология и выявление опасностей, которых можно избежать. Ам Дж. Дис Детский . 1989, январь, 143 (1): 59-62. [Медлайн].

Rabban JT, Blair JA, Rosen CL, Adler JN, Sheridan RL. Механизмы детской электротравмы. Новое значение для безопасности продукции и предотвращения травм. Arch Pediatr Adolesc Med . 1997 Июль 151 (7): 696-700.[Медлайн].

Томас СС. Электрический ожог рта: все еще ищу ответ. Бернс . 1996 22 марта (2): 137-40. [Медлайн].

Ordog GJ, Wasserberger J, Schlater T., Balasubramanium S. Травмы, нанесенные электронным пистолетом (электрошокером). Энн Эмерг Мед . 1987 16 января (1): 73-8. [Медлайн].

Sloane CM, Chan TC, Levine SD, Dunford JV, Neuman T., Vilke GM. Измерение сывороточного тропонина I у субъектов, подвергшихся воздействию Taser X-26. J Emerg Med . 2008 июл. 35 (1): 29-32. [Медлайн].

Cevik C, Otahbachi M, Miller E, Bagdure S, Nugent KM. Острая стрессовая кардиомиопатия и летальные исходы, связанные с электронным оружием. Инт Дж. Кардиол . 2009 6 марта. 132 (3): 312-7. [Медлайн].

Бозман В.П., Хауда В.Е. 2-й, Хек Дж. Дж., Грэм Д. Д. мл., Мартин Б. П., Уинслоу Дж. Профиль безопасности и травм наведенного электрического оружия, используемого сотрудниками правоохранительных органов против подозреваемых в совершении преступлений. Энн Эмерг Мед . 2009 апр. 53 (4): 480-9. [Медлайн].

Строте Дж., Уолш М., Ангелидис М., Баста А., Хатсон Х.Р. Применение электрического оружия правоохранительными органами: оценка безопасности и травм. J Травма . 2010 май. 68 (5): 1239-46. [Медлайн].

Робб М., Close B, Furyk J, Aitken P. Обзорная статья: Последствия применения TASER для отделения неотложной помощи. Emerg Med Australas . 2009 21 августа (4): 250-8. [Медлайн].

Kroll MW, Lakkireddy DR, Stone JR, Luceri RM. Электронные устройства управления TASER и остановки сердца: случайное или причинное ?. Тираж . 2014 г. 7 января. 129 (1): 93-100. [Медлайн].

Зипс ДП. Электронные устройства управления TASER могут вызвать остановку сердца у людей. Тираж . 2014 7 января. 129 (1): 101-11. [Медлайн].

Jensen PJ, Thomsen PE, Bagger JP, Nørgaard A, Baandrup U. Электрическая травма, вызывающая желудочковые аритмии. Br Сердце J . 1987 Mar.57 (3): 279-83. [Медлайн]. [Полный текст].

Дауэс Д.М., Хо Дж. Д., Рирдон РФ, Майнер Дж. Р. Эхокардиографическая оценка размещения зонда TASER X26 в груди людей-добровольцев. Am J Emerg Med . 2010, 28 января (1): 49-55. [Медлайн].

Claudet I, Marechal C, Debuisson C, Salanne S. [Риск аритмии и бытового поражения электрическим током при низком напряжении]. Arch Pediatr . 2010 апр. 17 (4): 343-9.[Медлайн].

Джейкоб С., Белли Э.В. Тромбоз и расслоение коронарной артерии, вызванное электрическим током. Энн Торак Хирург . 2019 Февраль 107 (2): e105-e106. [Медлайн].

Handa A, Tendolkar MS, Singh S, Gupta PN. Электрическая травма: необычная причина пневмоторакса и обзор литературы. BMJ Case Rep . 2019 26 августа 12 (8): [Medline].

Ян Л., Цуй Ц., Дин Х, Фань Дж, Дун З. Отсроченный инфаркт мозжечка после легкой травмы электрическим током. Am J Emerg Med . 2018 декабря 36 (12): 2337.e3-2337.e5. [Медлайн].

Saffle JR, Crandall A, Warden GD. Катаракта: длительное осложнение электротравмы. J Травма . 1985 25 января (1): 17-21. [Медлайн].

Haberal MA. Одиннадцатилетний обзор ожоговых травм. J Средство от ожогов Rehabil . 1995 Янв-Фев. 16 (1): 43-8. [Медлайн].

Розен С.Л., Адлер Дж. Н., Раббан Дж. Т. и др.Ранние предикторы миоглобинурии и острой почечной недостаточности после поражения электрическим током. J Emerg Med . 1999 сентябрь-октябрь. 17 (5): 783-9. [Медлайн].

Гилле Дж., Шмидт Т., Драгу А., Эмих Д., Гильберт-Кариус П., Кремер Т. и др. Электрическая травма — двухцентровый анализ характеристик пациента, терапевтических особенностей и предикторов исхода. Scand J Trauma Resusc Emerg Med . 2018 31 мая. 26 (1): 43. [Медлайн].

Bailey B, Gaudreault P, Thivierge RL.Кардиологический мониторинг пациентов из группы высокого риска после электротравмы: проспективное многоцентровое исследование. Emerg Med J . 2007 май. 24 (5): 348-52. [Медлайн]. [Полный текст].

Dollery W. На пути к доказательной медицине неотложной помощи: лучшие СТАВКИ из Королевского лазарета Манчестера. Лечение бытовой электротравмы. Дж. Accid Emerg Med . 1998 Июль 15 (4): 228. [Медлайн]. [Полный текст].

Чен Э.Х., Сарин А. Требуются ли детям оценка ЭКГ и стационарная телеметрия после домашнего электрического воздействия ?. Энн Эмерг Мед . 2007 Январь 49 (1): 64-7. [Медлайн].

Bracken TD, Kavet R, Patterson RM, Fordyce TA. Интегрированная матрица воздействия электрического тока на работников коммунальных предприятий. Дж. Оккупирующая среда Хиг . 2009 6 августа (8): 499-509. [Медлайн].

Браун CV, Ри П., Чан Л., Эванс К., Деметриадес Д., Велмахос ГК. Профилактика почечной недостаточности у пациентов с рабдомиолизом: имеют ли значение бикарбонат и маннитол ?. J Травма .2004 июн. 56 (6): 1191-6. [Медлайн].

Nielsen JS, Sally M, Mullins RJ, Slater M, Groat T, Gao X и др. Возвращение к лечению травматического рабдомиолиза бикарбонатами и маннитом. Am J Surg . 2017 Январь 213 (1): 73-79. [Медлайн].

Руководство по безопасности ISASTUR

7. Случайная электрическая дуга

При работе в непосредственной близости от участков под напряжением необходимо учитывать не только риск электрического контакта с активными частями, но и возможное образование электрической дуги из-за короткого замыкания.

Следует отметить, что группа ISASTUR обычно работает в центрах с очень высокой мощностью короткого замыкания. Таким образом, электрические дуги, которые могут возникнуть, имеют большую величину.

Из всех происшествий с электрическим током большинство происходит из-за случайной электрической дуги.

При нормальной температуре воздух является изолятором, потому что элементы, из которых он состоит (атомы и молекулы), нейтральны.Он становится проводником только тогда, когда он ионизирован, то есть когда в нем образуются свободные электроны и ионы (два переносчика электричества) из-за определенных средств, вносящих энергию (тепло, ультрафиолетовое излучение и т. Д.).

Однако этой ионизации обычно недостаточно для поддержания проводимости через воздух. То есть для образования электрической дуги должна существовать разность потенциалов между проводниками или между проводником и землей и отвод свободных электронов проводимости из проводника посредством термоионного эффекта ( энергия, необходимая для преодоления потенциального барьера) или посредством электрической полевой эмиссии (высокое напряжение).

Как правило, в результате воздействия сильного электрического тока (короткого замыкания) в электрических проводниках образуются высокие температуры, которые вызывают термоионный эффект и ионизацию окружающего воздуха, вызывая электрическую дугу, которая увеличивает температура среды, в которой он загрунтован, до 4 000 ° C.

Известно, что 50% энергии электрической дуги поглощается за счет нагрева окружающего воздуха, 40% излучается, а остальная часть поглощается за счет плавления металлических частей под действием электрической дуги.

Электрическая дуга производит ультрафиолетовое, инфракрасное и видимое излучение. Это подтверждает необходимость использования защитных очков без потери зрения с целью поглощения излучения и защиты глаз от возможного разбрызгивания металлических частиц, таких как медь, которые сильно выбрасываются при плавлении.

Аналогичным образом, использование лицевых экранов и кожаных перчаток в качестве защитных элементов является обязательным, поскольку эти элементы действуют, поглощая часть тепла при возникновении короткого замыкания, при условии, что продолжительность дуги не превышает по времени секунды.

Спецодежда электриков и электромехаников должна быть термостойкой, чтобы температура случайной дуги не зажгла ее. Не рекомендуется носить одежду из акрила; рекомендуется хлопок или огнестойкие искусственные волокна.

Проверки напряжения в случае поломки, ремонта и т. Д. Следует рассматривать как работу под напряжением, и поэтому при выполнении таких работ следует использовать вышеупомянутые защитные элементы.

электрических дуг | Энциклопедия.com

Электропроводность в газах

Свойства дуги

Использование электрической дуги

Электрическая дуга — это электрический разряд между электродами в присутствии газов. В электрической дуге электроны испускаются нагретым катодом. Дуги могут образовываться при высоком, атмосферном или низком давлении и в различных газах. Они используются для ярких ламп, печей, резки и сварки, а также в качестве инструментов для спектрохимического анализа.

Газы состоят из нейтральных молекул и поэтому являются хорошими изоляторами; они не поставляют свободные электроны, которые могут двигаться и, таким образом, образовывать электрический ток.Однако при определенных условиях происходит нарушение этого изоляционного свойства, и ток может проходить через газ. С электрическим разрядом в газах связано несколько явлений; Среди них искра, темный (таунсендский) разряд, свечение, корона и дуга. В воздухе при обычных условиях электрическое поле напряженностью около 30 000 вольт на сантиметр отделяет электроны от молекул воздуха и позволяет течь току — искре или дуге.

Для того, чтобы провести электричество, необходимы два условия.Во-первых, обычно нейтральный газ должен создавать заряды или принимать их из внешних источников, или и то, и другое. Во-вторых, должно существовать электрическое поле, чтобы вызвать направленное движение зарядов. Заряженный атом или молекула, или ион может быть положительным или отрицательным; электроны — отрицательные заряды. В электрических устройствах электрическое поле создается между двумя электродами, называемыми анодом и катодом, сделанными из проводящих материалов. Процесс превращения нейтрального атома или молекулы в ион называется ионизацией.Ионизированный газ называется плазмой. Проводимость газов отличается от проводимости твердых тел и жидкостей тем, что газы играют активную роль в этом процессе. Однако газ не только пропускает бесплатные заряды, но и сам может производить заряды. Кумулятивная ионизация происходит, когда исходный электрон и его потомок получают достаточно энергии, чтобы каждый мог произвести еще один электрон. Когда процесс повторяется снова и снова, получающийся процесс называется лавиной.

Для любого газа при заданном давлении и температуре существует определенное значение напряжения, называемое потенциалом пробоя , которое вызывает ионизацию.Приложение напряжения выше критического значения сначала вызовет увеличение тока из-за кумулятивной ионизации, а затем напряжение снизится. Если давление не слишком низкое, проводимость концентрируется в узком освещенном «искровом» канале. Получая энергию от тока, канал нагревается и может образовывать ударные волны. Природные явления — это молния и связанный с ней гром, которые состоят из высоких напряжений и токов, которые не могут быть достигнуты искусственно.

Дуга может возникнуть при высоком давлении после искры. Это происходит, когда достигаются установившиеся условия и напряжение низкое, но достаточное для поддержания требуемого тока. При низких давлениях переходная стадия искры приводит к тлеющему разряду, и дуга может позже образоваться при дальнейшем увеличении тока. В дугах термоэлектронный эффект отвечает за образование свободных электронов, которые испускаются горячим катодом. Сильное электрическое поле на металлической поверхности снижает барьер для электронной эмиссии и обеспечивает автоэлектронной эмиссии .Однако из-за высокой температуры и большого тока некоторые механизмы возникновения дуги не могут быть легко изучены.

Электрическая дуга была впервые обнаружена в 1808 году британским химиком Хамфри Дэви. Он увидел яркое светящееся пламя, когда два углеродных стержня, проводящих ток, были разделены, и конвекционный поток горячего газа отклонил его в форме дуги. Типичные характеристики дуги включают относительно низкий градиент потенциала между электродами (менее нескольких десятков вольт) и высокую плотность тока (от 0 до 10 В).От 1 ампера до тысячи ампер или выше). В проводящем канале существуют высокие температуры газа (несколько тысяч или десятков тысяч градусов Кельвина), особенно при высоких давлениях газа. Испарение электродов также является обычным явлением, и газ содержит молекулы материала электродов. В некоторых случаях может быть слышен шипящий звук, заставляющий дугу «петь». Градиент потенциала между электродами неоднороден. В большинстве случаев можно различить три различных участка: область, близкую к положительному электроду, называемая катодным падением ; область, близкая к отрицательному электроду, или подъем анода ; и тело основной дуги.Внутри корпуса дуги существует равномерный градиент напряжения. Эта область электрически нейтральна, где кумулятивная ионизация приводит к тому, что количество положительных ионов равно количеству электронов или отрицательных ионов. Ионизация происходит в основном из-за возбуждения молекул и повышения температуры.

Область катодного падения составляет примерно 0,01 мм с разностью потенциалов менее примерно 10 вольт. Часто термоэлектронная эмиссия достигается на катоде. Электроды в этом случае изготовлены из преломляющих материалов, таких как вольфрам и углерод, а область содержит избыток положительных ионов и большой электрический ток.На катоде происходит переход от металлического проводника, в котором ток переносится электронами, к газу, в котором проводимость осуществляется как электронами, так и отрицательными и положительными ионами. Газообразные положительные ионы могут свободно достигать катода и образовывать потенциальный барьер. Электроны, вылетающие из катода, должны преодолеть этот барьер, чтобы войти в газ.

На аноде происходит переход из газа, в котором и электроны, и положительные ионы проводят ток, в металлический проводник, в котором ток переносится только электронами.За некоторыми исключениями положительные ионы не попадают в газ из металла. Электроны ускоряются по направлению к аноду и посредством ионизации обеспечивают поступление ионов в колонку. Электронный ток может разогреть анод до высокой температуры, что сделает его термоэлектронным эмиттером, но испускаемые электроны возвращаются к аноду, внося свой вклад в большой отрицательный объемный заряд вокруг него. Оплавление электродов и введение их пара в газ увеличивает давление в их окрестностях.

Есть много типов дуговых устройств. Некоторые работают при атмосферном давлении и могут быть открытыми, а другие работают при низком давлении и поэтому закрыты в контейнере, как стекло. Свойство большого тока в дуге используется в ртутных дуговых выпрямителях, таких как

Ключевые термины

Искусственная (горячая) дуга — Электрическая дуга, катод которой нагревается внешним источником для обеспечения термоэлектронной эмиссии, а не самим разрядом.

Дуга с холодным катодом — Электрическая дуга, работающая на материалах с низкой температурой кипения.

Термоэлектронная дуга — Электрическая дуга, в которой электронный ток от катода создается преимущественно за счет термоэлектронной эмиссии.

тиратрон. Применяется переменная разность потенциалов, и дуга передает ток только в одном направлении. Катод нагревается нитью накала.

Высокая температура, создаваемая электрической дугой в газе, используется в печах. Аппараты для дуговой сварки используются для сварки, при которой металл плавится и добавляется в соединение.Дуга может подавать только тепло, или один из ее электродов может служить расходуемым основным металлом. Плазменные горелки используются для резки, напыления и газового нагрева. Резку можно производить с помощью дуги, образованной между металлом и электродом.

Дуговые лампы обеспечивают высокую светоотдачу и большую яркость. Свет исходит от сильно раскаленных (около 7000 ° F [3871 ° C]) электродов, как в угольных дугах , или от нагретых ионизированных газов, окружающих дугу, как в дугах пламени .Угольная дуга, в которой два угольных стержня служат электродами, была первым практическим коммерческим электрическим осветительным устройством, и до сих пор остается одним из самых ярких источников света. Он используется в кинопроекторах для театров, в больших прожекторах и маяках. Дуги пламени используются в цветной фотографии и в фотохимических процессах, потому что они очень близки к естественному солнечному свету. Уголь пропитан летучими химическими веществами, которые при испарении загораются и попадают в дугу. Цвет дуги зависит от материала; материалом может быть кальций, барий, титан или стронций.В некоторых случаях длина волны излучения находится за пределами видимого спектра. Дуги ртути производят ультрафиолетовое излучение под высоким давлением. Они также могут излучать видимый свет в трубке низкого давления, если внутренние стенки покрыты флуоресцентным материалом, например люминофором; люминофор излучает свет при освещении ультрафиолетовым излучением ртути.

Другое использование дуг — клапаны (использовавшиеся на заре радио), а также в качестве источника ионов в ядерных ускорителях и термоядерных устройствах.Возбуждение электронов в дуге, в частности прямая электронная бомбардировка, приводит к узким спектральным линиям. Следовательно, дуга может предоставить информацию о составе электродов. Спектры металлических сплавов широко изучаются с помощью дуг; металлы соединены с материалом электродов и при испарении дают отчетливые спектры.

См. Также Электроника.

Илана Штайнхорн

LP — пустая страница AAA

Электрическая дуга возникает как чистый электрический разряд с высокой плотностью тока.При повседневном использовании силового оборудования, такого как автоматические выключатели или выключатели нагрузки, возникновение электрической дуги является результатом электрических неисправностей или коротких замыканий. Из-за повышенной плотности тока происходит повышение температуры, что приводит к дополнительному выделению тепла. Это тепло вызывает ионизацию среды между контактами (в случае воздушной среды) или испарение и ионизацию (в случае масляной среды). Этот ионизированный воздух или пар действует как проводник, и между контактами возникает дуга. Возникновение дуги неизбежно, когда два проводящих элемента сведены вместе, и иногда приводит к повреждению или отказу компонентов электрической системы и физическим опасностям.В результате в систему изоляции должны быть включены соответствующие изоляционные или диэлектрические материалы для управления высоковольтным оборудованием и обращения с ним.

Сопротивление дуги определяется как способность изоляционного материала выдерживать электрическую дугу высокого напряжения и сопротивляться образованию проводящего пути вдоль своей поверхности. Этот токопроводящий путь является результатом термического и химического разложения и эрозии материала. Поэтому для работы в приложениях, подверженных возникновению электрической дуги, выбираются пластмассовые материалы с превосходными характеристиками сопротивления дуге.Отслеживание, которое обычно ассоциируется с дугой, происходит, когда источник тока высокого напряжения приводит к утечке или короткому замыканию на поверхности изолирующего материала, медленно образуя карбонизированный путь, который выглядит как тонкая линия между двумя электродами. Отслеживание ускоряется из-за наличия поверхностных загрязнителей, таких как грязь, масло или влага. Поскольку сопротивление дуги варьируется от материала к материалу, сравнение свойств материалов позволяет количественно определить это свойство в единицах времени. Он выражается как количество секунд, в течение которых материал сопротивляется образованию электропроводящего пути вдоль его поверхности, когда он подвергается воздействию высоковольтной слаботочной дуги вблизи его поверхности.Таким образом, он действует как ощутимый источник различий между различными пластиковыми материалами в отношении сопротивления дуге.

Разрушение пластических материалов из-за электрической дуги

Разрушение пластиковых материалов из-за искрения происходит по следующим причинам:

• Многие неорганические диэлектрические материалы раскалываются при воздействии высоковольтной электрической дуги. Впоследствии они становятся способными проводить электрический ток. После охлаждения они восстанавливают свои изоляционные свойства.
• Некоторые органические соединения воспламеняются без образования видимого проводящего пути через материал.
• Другие материалы выходят из строя в результате отслеживания.
• Последняя форма отказа происходит из-за карбонизации поверхности, когда углерода достаточно для проведения электрического тока через материал.

Факторы, влияющие на сопротивление дуги

• Степень ионизации : Сопротивление дуги увеличивается с уменьшением количества ионизированных частиц между контактами.
• Длина дуги : Сопротивление дуги увеличивается с увеличением длины дуги. то есть: расстояние между контактами.
• Поперечное сечение дуги : Сопротивление дуги увеличивается с уменьшением площади поперечного сечения дуги.

Выбор электроизоляционного материала по сопротивлению дуги

Электроизоляционные материалы обычно выбираются на основе их устойчивости к искрообразованию или слежению.Пластиковые материалы, такие как фенолы, легко карбонизируются и имеют относительно низкую стойкость к дуге. Однако пластмассы, такие как алкидные, меламиновые и фторуглеродные, обладают превосходными характеристиками устойчивости к дуге. Отказы из-за дуги не всегда возникают из-за карбонизации или трекинга. Многие пластмассы, такие как акрил, образуют горючие газы, которые вместо карбонизации приводят к выходу из строя производственной линии.

Устойчивость пластмасс к дуге можно повысить, добавив наполнители, такие как стекло, минерал, дерево, мука, асбест и другие неорганические наполнители.В таблице ниже показано сопротивление дуге некоторых распространенных пластмасс.

В тяжелых условиях эксплуатации, где существует значительный риск электрического повреждения из-за дуги, можно использовать керамику. Вообще говоря, керамика имеет лучшую стойкость к дуге по сравнению с органическими материалами, такими как пластмассы.

Испытание на сопротивление дуги

Для тестирования различных материалов на их сопротивление дуге доступен стандартный метод с использованием высоковольтной и слаботочной установки в сухих условиях согласно ASTM D495.Как правило, этот метод не используется для определения относительной дуговой стойкости материалов, подверженных воздействию других типов дуг, таких как дуги низкого напряжения при низких или высоких токах. Из-за удобства и короткого времени испытания испытание на сопротивление сухой дуге предназначено по трем причинам:

• Предварительная проверка материалов
• Обнаружение эффекта изменения рецептуры
• Контроль качества *

* После того, как была установлена ​​корреляция с другими типами испытаний и опытом моделирования рабочей дуги.

Испытание обычно проводится в чистых, сухих лабораторных условиях, которые редко встречаются при эксплуатации. Следовательно, прогноз относительных характеристик материала в типичных применениях и в различных чистых и загрязненных средах может быть существенно изменен. Существуют также стандарты для тестирования сопротивления дуги во влажных и сухих условиях, если это необходимо.

Выводы

Электрическая дуга представляет собой сложную проблему и может иметь пагубные последствия для передачи электроэнергии, систем распределения и различного электронного оборудования.Сопротивление дуге различных материалов представлено как общее время, в течение которого они могут сохранять свои изоляционные свойства без разрушения и протекания тока по его поверхности.

Значения сопротивления дуге можно использовать для оценки свойств сопротивления различных пластмасс. На основе этого можно выбрать лучший материал, что снизит риск повреждения оборудования, пожаров и опасности для человека.

Повреждения и характерные модели повреждений, вызванные дугой высоковольтного короткого замыкания

1.

Андерс С., Цокос М., Пушель К. (2002) Nachweis der Stromwirkung und des Stromweges im Körper. Речцмедизин 12: 1–9

Статья Google ученый

2.

Эндрюс К.Дж., Купер М.А. (1992) Клиническая картина пострадавшего от удара молнии. В: Эндрюс С.Дж., Купер М.А., Дарвензия М., Маккеррас Д. (ред.) Удары молнии: электрические, медицинские и юридические аспекты. CRC Press, Boca Raton, pp 47–70

Google ученый

3.

Ангерер Ф, Хоппе У, Шик Б (2009) Blitzeinschlag in einen PKW mit Schädigung des Hörorgans. HNO 57: 1081–1084

CAS Статья Google ученый

4.

Berufsgenossenschaft Energie Textil Elektro Medienerzeugnisse (2019) Statistik der Stromunfälle. В: https://www.bgetem.de/arbeitssicherheit-gesundheitsschutz/institute/institut-zur-erforschung-elektrischer-unfaelle/statistik-der-stromunfaelle. По состоянию на 06 августа 2019 г.

5.

Bielefeld L, Mierdel K, Pollak S, Große Perdekamp M (2013) Электротермическое повреждение ногтя из-за дуги в разряде. Forensic Sci Int. 233: 149–153

Статья Google ученый

6.

Boozalis GT, Purdue GF, Hunt JL, McCulley JP (1991) Глазные изменения в результате травм от электрического ожога. Обзор литературы и отчет о случаях. J Burn Care Rehabil 12: 458–462

CAS Статья Google ученый

7.

Bundesamt für Strahlenschutz (2019) В: http://www.bfs.de/DE/themen /opt/uv/wirkung/einfuehrung/einfuehrung.html. По состоянию на 18 марта 2019 г.

8.

Bundesamt für Strahlenschutz (2019) В: http://www.bfs.de/DE/themen/opt/ir/wirkung/wirkung.html. Доступ 18 марта 2019 г.

9.

Cancio LC, Jimenez-Reyna JF, Barillo DJ, Walker SC, McManus AT, Vaughan GM (2005) Сто девяносто пять случаев поражения электрическим током. J Burn Care Rehabil 26: 331–340

Статья Google ученый

10.

Купер М.А. (1995) Неотложная помощь при ударах молнии и электротравмах. Semin Neurol 15: 268–2788

CAS Статья Google ученый

11.

Герольд К. (1960) Der Elektrotod. В: Prokop O (ed) Lehrbuch der gerichtlichen Medizin. Volk und Wissen, Берлин, стр. 127–141

Google ученый

12.

Hettiaratchy S, Dziewulski P (2004) Патофизиология и типы ожогов.Br Med J 328: 1427–1429

Статья Google ученый

13.

Internationale Vereinigung für Soziale Sicherheit (Международная ассоциация социального обеспечения ISSA) (2018) Leitlinie für die Auswahl von persönlicher Schutzausrüstung gegen thermische Auswirkungen eines Störlichtbogens. http://etf.bgetem.de/htdocs/r30/vc_shop/bilder/firma53/ivss_001d_a04-2012.pdf. По состоянию на 06 декабря 2018 г.

14.

Jellinek S (1903) Elektropathologie.Энке, Штутгарт

Google ученый

15.

Knight B (1991) Судебная патология. Эдвард Арнольд, Лондон Мельбурн Окленд

Google ученый

16.

Koeppen S, Panse F (1955) Klinische Elektropathologie. Thieme, Штутгарт

Google ученый

17.

Купфер Дж., Функе К., Эркенс Р. (1987) Elektrischer Strom als Unfallursache.Tribüne, Берлин

Google ученый

18.

Лакоша Х., Тремблей Ф., Де Беккер И. (2009) электрическая травма глаза. Can J Ophthalmol 44: 605–606

Статья Google ученый

19.

Lifschultz BD, Donoghue ER (1993) Травмы, вызванные электрическим током и молнией. В: Spitz WU (ed) Медико-юридическое расследование смерти, 3-е изд. Thomas, Springfield, pp 516–527

Google ученый

20.

Pollak S (1980) Pathomorphologische Befundkonstellationen beim Tod durch hochgespannten elektrischen Strom. Арка Криминол 165: 1–16

CAS PubMed Google ученый

21.

Pollak S (2000) Verkennung von tödlichen Hochspannungs- und Blitzunfällen. Арка Криминол 206: 168–179

CAS PubMed Google ученый

22.

Pollak S, Thierauf A (2015) Elektrotraumen, Blitzschlag.В: Madea B (ed) Rechtsmedizin. 3. Aufl. Springer, Berlin, pp. 324–332

Google ученый

23.

Schau H, Halinka A, Winkler W (2008) Elektrische Schutzeinrichtungen in Industrienetzen und -anlagen. Hüthig und Pflaum, München

Google ученый

24.

Schwerd W (1992) Rechtsmedizin. Deutscher Ärzte-Verlag, Köln

Google ученый

25.

Searle J, Slagman A, Maaß W, Möckel M (2013) Сердечный мониторинг у пациентов с электротравмами — анализ 268 пациентов в больнице Шарите. Dtsch Arztebl Int 110: 847–853

PubMed PubMed Central Google ученый

26.

Sellier K (1975) Schäden und Tod durch Elektrizität. В: Mueller B (ed) Gerichtliche Medizin. Teil 1, 2. ed. Springer, Berlin, pp. 538–563

27.

Shih JG, Shahrokhi S, Jeschke MG (2017) Обзор последствий электрических ожогов у взрослых во всем мире: анализ низковольтного и электрического повреждения.J Burn Care Res 38: e293 – e298

Article Google ученый

28.

Spielmann H (1999) Toxikologie. В: Oberdisse E, Hackenthal E, Kuschinsky K (eds) Pharmakologie und Toxikologie, 2-е изд. Springer, Berlin, pp. 708–747

Google ученый

29.

Statista (2019) Nettostromverbrauch in Deutschland in den Jahren с 1991 по 2018 (в Terrawattstunden). В: https: // de.statista.com/statistik/daten/studie/ 164149 / umfrage / netto-stromverbrauch-in deutschland-seit-1991. По состоянию на 07 августа 2019 г.

30.

Waldmann V, Narayanan K, Combes N, Marijon E (2017) Электрическая травма. Br Med J 357: j1418

Артикул Google ученый

31.

Weimann W, Prokop O (1963) Atlas der gerichtlichen Medizin. Volk und Gesundheit, Берлин

Google ученый

Share This Post  :