Elektryczny łuk łączeniowy

  

Wyładowania elektryczne w 

gazach

  Jonizacja i dejonizacja

  Uproszczony obraz łuku 

elektrycznego

  

Charakterystyki łuku 

elektrycznego
    prądu stałego i przemiennego

11.05.21 03:54

 

2

Wyładowania elektryczne w 
gazach

Wyładowaniem  elektrycznym  nazywamy  zjawisko  polegające  na 

przepływie  prądu  elektrycznego  w  ośrodku  gazowym,  który  w 

normalnym stanie jest dielektrykiem.

Wyładowania elektryczne w gazach można podzielić ze względu na:

1)

Przyczynę wyładowania



Wyładowania  niesamoistne  (niesamodzielne)  –  wyładowanie  utrzymuje  się 

pod  wpływem  zewnętrznych  czynników  jonizujących  (promieniowanie 

kosmiczne,  radioaktywne  działanie  ciał  promieniotwórczych  zawartych 

w skorupie ziemskiej).



Wyładowania samoistne (samodzielne) – wyładowanie utrzymuje się pomimo 

braku zewnętrznych czynników jonizujących, tylko pod wpływem dostatecznie 

silnego działania wewnętrznego czynnika jonizującego.

2)

Zakres wyładowania



Niezupełne – wyładowanie które występuje w pobliżu elektrod i nie zwiera ich.



Zupełne – wyładowanie powodujące zwarcie elektrod poprzez iskrę lub łuk.

11.05.21 03:54

 

3

Wyładowania elektryczne w 
gazach

Obszar bezłukowego wyłączania obwodów oraz graniczne 

wartości napięć i prądów dla podstawowych materiałów 

stykowych

Materia

ł

U

gr

 [V]

I

gr

 [A]

Platyna
Złoto
Srebro
Wolfram
Miedź
Grafit
Nikiel

17
15

11,5

17
12
20
14

0,90
0,38
0,10
0,80
0,42
0,03
0,40

11.05.21 03:54

 

4

Jonizacja i dejonizacja

Jonizacją  gazu  nazywamy  proces  uwalniania  nośników  prądu  elektrycznego, 

prowadzący  do  utraty  jego  właściwości  izolacyjnych.  Zjawiskiem 
odwrotnym jest dejonizacja.

W łącznikach elektrycznych dominujące są następujące rodzaje jonizacji:



Zderzeniowa wywołana polem elektrycznym



Termiczna gazu, zachodząca pod wpływem bardzo wysokiej temperatury



Termiczna elektrod wywołana podgrzaniem ich powierzchni

oraz dejonizacji:



Neutralizacja w pobliżu elektrod 
(jony dodatnie wyrywają z katody elektrony)



Neutralizacja przez rekombinację (łączenie się) -



Dyfuzja (ucieczka nośników prądu poza obszar wyładowania)



Dysocjacja  (rozpad  cząsteczek  na  atomy  powodujący  pobór  mocy  – 
wychładzanie kolumny łukowej)

e

j

j

e

m

M







11.05.21 03:54

 

5

Rodzaje jonizacji

1.

Jonizacja zderzeniowa – pod wpływem pola elektrycznego

e

K

F

















2

1

21

eU

dx

K

e

W

edx

K

dx

F

dW

x

x

x





























e

K

dt

d

m

e

K

dt

d

m

dt

d

m

ma

F

2

2

2

2

2

2

1

2

2

21

2

2

2











m

m

eU

m

Kedx

m

d

dt

dx

Ke

dt

m

d











































1

2

U

,

U

m

e

m

eU

e

5

2

1

10

93

5

2

2

0

























[m/s]

11.05.21 03:54

 

6

Rodzaje jonizacji

1.

Jonizacja zderzeniowa – cd.

Droga swobodna

[cm]

Warunek jonizacji zderzeniowej

W  ogólnym  przypadku  średnią  drogę  swobodna  elektronu  określa 

zależność:

[m]

gdzie:

k = 1,3810

-23

 [J/K]

- stała Boltzmanna

T [K]

- temperatura gazu

r [m]

- promień cząstki

p [Pa]

- ciśnienie gazu

K

U

j

ej





e

m

Ke





2





j

j

e

e

eU

m

m





2

2

2

2





p

r

kT

e









2

11.05.21 03:54

 

7

Rodzaje jonizacji

1.

Jonizacja zderzeniowa – cd.

Prawdopodobieństwo jonizacji  dla różnych gazów

w zależności od energii W

e

 uderzających elektronów.

11.05.21 03:54

 

8

Rodzaje jonizacji

2.

Jonizacja termiczna gazu

Warunek jonizacji termicznej

W

e 

> W

j

gdzie

Dla  przykładu  można  podać,  że  średnia  energia  kinetyczna  cząstek 

gazu jednoatomowego w temperaturze pokojowej wynosi około 4  10

-2

 

eV, a energia jonizacyjna dla cząstek zawartych w powietrzu wynosi 20 
 25 eV, co wymaga temperatur rzędu 9  10

3

 K.

Stopień jonizacji:

gdzie:

n

j

- liczba cząsteczek zjonizowanych

n

- liczba cząsteczek niezjonizowanych

kT

m

W

e

2

3

2

2



 

n

n

n

X

j

j





11.05.21 03:54

 

9

Rodzaje jonizacji

2.

Jonizacja termiczna gazu – cd.

Stopień jonizacji jednokrotnej określa równanie Saha:

gdzie:

p - ciśnienie [Pa]
T - temperatura [K]
eV

j

- energia jonizacji [J]

k - stała Boltzmanna
a - parametr wyrażony zależnością:

G

j

- ciężar statystyczny jonów

 

G

e

- ciężar statystyczny elektronów (G

e

 = 2)

 

G

o

- ciężar statystyczny cząsteczek obojętnych

























kT

eV

exp

T

a

,

p

X

X

j

2

5

2

3

2

2

10

1535

0

1

o

e

j

G

G

G

a 

11.05.21 03:54

 

10

Rodzaje jonizacji

2.

Jonizacja termiczna gazu – cd.

Stopień jonizacji X w funkcji temperatury przy ciśnieniu 0,1 MPa

dla par metali Ag, Cu, Fe oraz gazów H i N.

11.05.21 03:54

 

11

Rodzaje jonizacji

3.

Jonizacja termiczna z elektrod

Jeżeli

następuje emisja elektronów walencyjnych.

Dla  gazu  elektronowego  w  metalach  można  stosować  prawo  kinetycznej  teorii 

gazów:

Jeżeli składowa normalna prędkości elektronu spełni warunek:
to elektron uwolni się.

Gęstość prądu emisji:

[A/cm

2

]

gdzie A = 120,4 A/cm

2 

K

2

- stała uniwersalna

Gęstość prądu emisji cieplnej ogranicza temperatura parowania materiału

 elektrody (powstaje stan nasycenia).







T

R

F

p

kT

m

W

e

e

e

2

3

2

2



 

w

w

en

e

eV

W

m





2

2













 



kT

eV

exp

AT

j

w

e

2

11.05.21 03:54

 

12

Rodzaje jonizacji

4.

Autoemisja
Rodzaj  jonizacji  polegającej  na  emisji  elektronów  z  powierzchni 
elektrody  (katody)  pod  wpływem  pola  elektrycznego  wytwarzanego 
przez jony dodatnie znajdujące się w pobliżu katody.

Gęstość prądu autoemisji określa zależność:

[A/cm

2

]

5.

Emisja wtórna
Rodzaj jonizacji polegającej na wybijaniu elektronów z katody przez jony 
dodatnie 
o dostatecznie dużej energii kinetycznej.





















kT

V

V

e

exp

AT

j

j

w

a

2

11.05.21 03:54

 

13

Uproszczony obraz łuku

1.

Mechanizm 

zapalania 

się 

łuku 

między 

otwieranymi 

stykami 

łącznika

2.

Przebiegi  podstawowych  wielkości 
wzdłuż kolumny łukowej

U

ł

 = U

cł

 + U

kł

 + U

ał

 + U

1ł

 + U

2ł

U

ł

  U

cł

 + U

kł

 + K

ł

l

ł

3.

Rodzaje  łuku  z  punktu  widzenia 
długości kolumny łukowej:



Łuk krótki (l

ł

< 5 mm): K

ł

l

ł

 << U

cł

 + U

kł

 

U

ł

  U

cł

 + U

kł

  U

cł



Łuk długi (l

ł

 > 5 mm) K

ł

l

ł

 >> U

cł

 + U

kł

 

 U

ł

  K

ł

l

ł

11.05.21 03:54

 

14

Charakterystyki łuku 
elektrycznego

1.

Charakterystyka statyczna łuku prądu stałego:

U

ł

 = f(i

ł

) 

dla

 di

ł

/dt=0

-  zmienność  koncentracji  par  ładunków  w  czasie,  odpowiadająca 

określonej     chwilowej wartości prądu i

ł

-  przyrost  koncentracji  par  ładunków  w  czasie  wskutek  jonizacji 

termicznej

- zmiana koncentracji par ładunków w czasie wskutek rekombinacji

0











































rek

term

i

dt

dn

dt

dn

dt

dn

ł

ł

i

dt

dn













term

dt

dn













rek

dt

dn













11.05.21 03:54

 

15

Charakterystyki łuku 
elektrycznego

1.

Charakterystyka statyczna łuku prądu stałego – wyznaczanie

Schemat obwodu do wyznaczania

charakterystyki statycznej

Przebieg charakterystyki statycznej

łuku prądu stałego

4

2

ł

e

ł

ł

ł

ł

ł

ł

d

R

neK

l

K

i

U

r







11.05.21 03:54

 

16

Charakterystyki łuku 
elektrycznego

1.

Charakterystyka statyczna łuku prądu stałego – wpływ chłodzenia

W  celu  stwierdzenia  jaką  zmianę  prądu  spowoduje  wzrost  mocy 
odbieranej, różniczkujemy powyższe równanie:

Jeżeli 

E >> U

ł

  to 

E – 2i

ł

R < 0

, a to oznacza, że:

czyli  wzrost  mocy  odbieranej  z  łuku  spowoduje  zmniejszenie  wartości 
prądu łuku.
Charakterystykę  statyczną  można  określić  równaniem  (przy  założeniu,  że 
T=const)





R

i

Ei

l

P

R

i

E

i

U

i

l

P

P

ł

ł

ł

o

ł

ł

ł

ł

ł

o

ł

2















R

i

E

di

dP

l

ł

ł

o

ł

2









0



ł

o

ł

di

P

l

d

ł

ł

o

ł

ł

ł

ł

o

i

l

P

U

i

U

l

P

1







11.05.21 03:54

 

17

Charakterystyki łuku 
elektrycznego

1.

Charakterystyka  statyczna  łuku  prądu  stałego  –  wpływ 
chłodzenia

Wpływ zwiększenia mocy odbieranej z łuku
na charakterystykę statyczną

Ch-ki statyczne łuku palącego się

 w otoczeniu różnych gazów

11.05.21 03:54

 

18

Charakterystyki łuku 
elektrycznego

2.

Charakterystyki dynamiczne łuku prądu stałego















dt

di

,

i

f

U

ł

ł

ł

Charakterystyki dynamiczne
łuku prądu stałego

11.05.21 03:54

 

19

Charakterystyki łuku 
elektrycznego

2.

Charakterystyki łuku prądu przemiennego

Dla f=50 Hz Szybkość zmian natężenia prądu wynosi [A/s]:

t

cos

I

f

t

cos

I

dt

di

t

sin

I

i

m

ł

m

ł











2

2









I

I

t

cos

I

dt

di

S

ł

i

444

0

444

444

















Zależności U

ł

=f(t), i

ł

=f(t)

oraz U

ł

=f(i

ł

) dla prądu

przemiennego

11.05.21 03:54

 

20

Charakterystyki łuku 
elektrycznego

2.

Charakterystyki łuku prądu przemiennego – obciążenie R

Zależności e(t) oraz i(t) dla prądu przemiennego: a) przebiegi teoretyczne; b) przebiegi 
rzeczywiste

   

 

ł

m

ł

U

R

t

i

t

sin

E

U

R

t

i

t

e













 

 

R

U

t

sin

I

t

i

R

U

R

t

sin

E

t

i

ł

m

ł

m

















11.05.21 03:54

 

21

Charakterystyki łuku 
elektrycznego

2.

Charakterystyki łuku prądu przemiennego – obciążenie L

Zależności e(t) oraz i(t) dla prądu przemiennego: a) przebiegi teoretyczne; b) przebiegi 
rzeczywiste

 

 





 





dt

U

t

e

L

i

U

t

e

L

dt

di

U

dt

di

L

t

e

t

ł

ł

ł

ł

ł

ł



















0

1

1

 



























 

























t

L

U

t

cos

L

E

i

dt

U

t

sin

E

L

i

t

sin

E

t

e

ł

m

ł

t

ł

m

ł

m





















2

1

0