Elektrický oblouk - jak vzniká a jak se zháší?

Elektrický oblouk je součástí všech vypínacích i spínacích pochodů v elektrotechnice. Analýza elektrického oblouku je velice přesná, není problém se s jeho vlivy vypořádat a eliminovat je.

V tomto článku jsou postupně popsány:

• vlastnosti elektrického oblouku,
• vznik elektrického oblouku,
• vypínání stejnosměrných obvodů,
• vypínání střídavých obvodů,
• zhášení elektrického oblouku.

Vlastnosti elektrického oblouku

Elektrický oblouk je elektrický výboj válcového tvaru soustředěný do tenkého sloupce jehož jádro tvoří ionizovaný plyn (plazma). Výboj je charakteristický jasnou září (obloukové lampy, svařování). Základními vlastnostmi elektrického oblouku jsou:

• velké proudové hustoty,
• malé katodové spády,
• vysoká teplota elektrod,
• vysoká teplota ionizovaného plynu.

Elektrický oblouk se skládá z jádra a obalu. Teplota jádra je vysoká a pohybuje se až do hodnot 16 000 K. Teplota obalu je až 7 000 K. Teplota závisí na prostředí hoření oblouku a na intenzitě jeho chlazení.

Charakteristickou veličinou oblouku je obloukové napětí , pro které platí rovnice

UK – katodový úbytek
UA – anodový úbytek
UT – napětí na trupu oblouku dané součinem intenzity elektrického pole v trupu oblouku a délky oblouku

V těsné blízkosti katody je úbytek napětí UK okolo 20 V a v blízkosti anody dosahuje úbytek UA přibližně 10 V. Na zbývající délce oblouku je napětí rozloženo rovnoměrně.

Statickou voltampérovou charakteristiku oblouku určuje rovnice Ayrtonové

A,B,C,D – konstanty uspořádání oblouku
l – délka oblouku
IOB – proud oblouku

Pro velké proudy se v rovnici zanedbává člen IOB ve jmenovateli a rovnice oblouku se zjednoduší na tvar:

Elektrický oblouk se dělí podle jeho délky na dlouhý a krátký. Napětí pro dlouhý oblouk pro UT»UA+UK pak představuje člen B·l, ve kterém B je intenzita elektrického pole v trupu oblouku. Napětí pro krátký oblouk pro UA+UK»UT pak představuje člen A, který je součtem katodového a anodového úbytku napětí.

Vznik elektrického oblouku

Při spínání kontaktními přístroji vzniká většinou oblouk mezi kontakty. Například při vypínání se kontakty nejprve pohybují pouze v mezích pružných deformací, kontaktní tlak se postupně snižuje a zmenšují se stykové plochy. Tím se zvyšuje proudová hustota a s ní roste i teplota ve stykových bodech. Vzniklé teplo způsobuje termickou emisi. Po oddálení kontaktů magnetická energie nahromaděná v indukčnostech obvodu způsobí přepětí (u = L · di/dt ), které prorazí vzdálenost mezi kontakty, která je zpočátku velmi malá. Vzniklá jiskra způsobí ionizaci vzduchu v jejím bezprostředním okolí a tak vznikne elektrický oblouk.

Při zapínacích pochodech jsou vlivy výboje většinou zanedbatelně malé. Například při pomalém přibližování kontaktů, připíná-li se indukčnost nebo kapacita na střídavé napětí, přeskočí jiskra v maximu napětí a počátek spínacího pochodu se pouze urychlí. Při vypínání vliv výboje nelze zanedbat, protože zásadně ovlivňuje přechodný děj.

Napětí na oblouku Uob závisí na velikosti protékajícího proudu Iob podle statické charakteristiky oblouku. Na rozdíl od kovového vodiče se napětí na oblouku s rostoucím proudem zmenšuje.

Vypínání stejnosměrných obvodů

Uvažuje se obvod stejnosměrného proudu s odporem a indukčností, ve kterém při vypínání vznikl oblouk o napětí uob mezi kontakty vypínače.

Takové obvody se v praxi vyskytují nejčastěji, např. při napájení elektromagnetů a budicích vinutí elektrických strojů. Napěťová rovnice obvodu je

Pro jednoduchost lze předpokládat, že při vypínání vznikne oblouk tak rychle, že po celou dobu zhášení má konstantní délku a jí odpovídající charakteristiku. Při zhášení oblouku se proud zmenšuje a proto je di/dt záporné, to znamená, že

Napětí na oblouku a úbytek napětí na odporu musí být proto větší než napětí zdroje. Graficky je tato podmínka znázorněna průběhem charakteristiky stejnosměrného oblouku a přímkou U – R · i .

Rozdíl průběhů obou charakteristik je na obrázku vyšrafován. Ve střední části má rozdíl kladnou hodnotu, to znamená, že v důsledku přebytku napětí v tomto pásmu roste proud až do bodu A, v němž je oblouk stabilní. V pravém krajním pásmu je rozdíl záporný, proud klesá nedostatkem napětí až do bodu A, v němž oblouk stabilně hoří. V levém krajním pásmu je rozdíl křivek rovněž záporný, proud klesá, až oblouk zhasne. Můžeme tedy vypnout proud menší než odpovídá bodu B, nebo musíme prodloužit oblouk tak, aby celá jeho charakteristika ležela nad přímkou U – R · i . Během vypínání se v oblouku zmaří energie:

tz – zhášecí doba oblouku

Nejmenší hodnota energie, která se musí v oblouku zmařit, je rovna energii magnetického pole indukčnosti

V praxi však bývá energie zmařená v oblouku vypínače asi 2×Wmin . Kromě magnetické energie přichází do oblouku také energie ze zdroje. Doposud se neuvažoval při vypínání stejnosměrného proudu vliv kapacity mezi vodiči, mezi vodiči a zemí a mezi kontakty vypínače. Při respektování těchto kapacit (vyjádřeno kapacitou C) by se mohla energie magnetického pole soustředěná v indukčnosti L přeměnit na elektrostatickou energii kondenzátoru a zvýšit jeho napětí.

Vypínání by se pak uskutečnilo bez oblouku. Z rovnosti energií indukčnosti a kapacity můžeme určit maximální možné přepětí na kapacitě. Kapacita obvodu a kontaktů je poměrně malá.

Nejlépe je to vidět na malém příkladu:

Tak velké přepětí je pro obvody nízkého napětí nepřípustné a je zřejmé, že kapacita vedení a kontaktů vzniku oblouku při vypínání nezabrání.

Vznik oblouku závisí na mnoha faktorech, zejména na materiálu a tvaru kontaktů, na parametrech obvodu a na vlastnostech prostředí. Kupříkladu na měděných kontaktech při přerušení proudu vzniká oblouk již při proudech 0,5 A a napětích nad 15 V.

Důležitý je závěr, že při vypínání indukčnosti vzniká ve stejnosměrném obvodu oblouk, ve kterém se mění energie magnetického pole indukčnosti na tepelnou a tím se snižuje přepětí mezi kontakty a ve vypínaném obvodu. Tepelnými účinky oblouku se však kontakty vypínače opotřebovávají a proto se budeme zabývat vhodnými způsoby zhášení oblouku.

Vypínání střídavých obvodů

Ve srovnání s vypínáním stejnosměrného obvodu je vypínání střídavého obvodu snazší, protože při každém průchodu proudu nulou se v oblouku ztrácí nulový výkon a je jen potřeba v mezikontaktním prostoru vytvořit takové podmínky, aby se proud v obvodu neobnovil.

Na obrázku jsou nakresleny časové průběhy napětí mezi kontakty uk(t) a proudu i(t) při vypínání střídavého obvodu nízkého napětí. Do okamžiku to, ve kterém začíná rozpojování kontaktů vypínače a hoření oblouku, protéká obvodem proud daný napětím zdroje a impedancí obvodu. Při oddalování kontaktů narůstá odpor oblouku a napětí uk na oblouku. S nárůstem odporu klesá amplituda proudu i a zmenšuje se též fázový posun proudu vůči napětí zdroje. Při poklesu proudu i k nule se na křivce napětí objevují špičky, vyvolané zvětšeným odporem oblouku. Při průchodech proudu nulou v bodech t1 a t2 se oblouk zapaluje znovu.

Teprve v bodě t3 jsou splněny podmínky pro zhasnutí oblouku a oblouk se již nezapálí. Napětí mezi kontakty po zhasnutí oblouku, tzv. zotavené napětí, prudce stoupá na hodnotu napětí zdroje. Průběh zotaveného napětí závisí na fázovém posuvu napětí a proudu před začátkem vypínacího děje.

Vypínací děj u střídavých obvodů v podstatě závisí na rychlosti, s jakou se obnoví dielektrická pevnost obloukové dráhy vzhledem k nárůstu napětí mezi kontakty. Čím dříve se podaří obnovit dielektrickou pevnost, tím kratší bude vypínací doba a menší energie mařená ve vypínači. Napomáhá k tomu zejména intenzivní chlazení oblouku, čímž se zmenšuje jeho průřez a zvětšuje se deionizace prostředí, ve kterém oblouk hoří. V praxi se to provádí silným ofukováním oblouku proudem vzduchu nebo uložením kontaktů do oleje.

Zhášení elektrického oblouku

Ke zhášení oblouku využíváme znalostí o jeho vlastnostech. Buď prodlužováním délky hořícího oblouku zvýšíme napětí na jeho střední části, nebo oblouk rozdělíme na více kratších oblouků v sérii, každý s velkými úbytky napětí poblíž elektrod.

Nejjednodušší řešení, které se používá u spínačů, je naznačeno na obrázku (a). Ke zhášení oblouku napomáhá vhodné uspořádání kontaktů. Oblouk se prodlužuje působením elektromagnetických sil vznikajících ve zvláště tvarované proudové dráze, a rovněž termickým vztlakem žhavého plynového sloupce.

Pro vypínání větších proudů se používají vypínače se zhášecími komorami, naznačené na obrázku (b). Vlivem sil způsobených tvarem proudové dráhy se oblouk prodlužuje a při styku se zhášecí komorou se ochlazuje, což napomáhá k deionizaci.

U výkonových vypínačů, podle obrázku (c), oblouk působením kovových vložek ve zhášecí komoře rozdělí na kratší oblouky s napětím nižším, než 30 V (viz katodový a anodový úbytek napětí na oblouku). Kovové vložky mají vysokou tepelnou vodivost a oblouk navíc ochlazují.

Při častém vypínání velkých zkratových proudů se používá magnetického vyfukování oblouku, které je znázorněno na obrázku (d). Do série s výkonovými kontakty je zapojena vyfukovací cívka C se železným jádrem, opatřeným nástavci, které obklopují zhášecí komoru a vytvářejí v ní magnetické pole kolmé na dráhu hořícího oblouku. Při vhodném zapojení vyfukovací cívky magnetické pole působí na oblouk podle pravidla levé ruky (zde směrem vzhůru) a napomáhá k jeho prodloužení a tím i zhášení.

Problém u magnetického vyfukování je v tom, že k vyfukování oblouku dochází před průchodem proudu nulou, ale v nule proudu pohyb ustává. Proto se často setkáváme s vypínači tlakovzdušnými nebo s elektronegativními plyny (SF6) hlavně u vypínačů vn a vvn.

Zdroj: obrázky, grafy – ČVUT FEL, VŠB FEI