Zjawisko łuku elektrycznego i sposoby jemu przeciwdziałania.

ŁUK ELEKTRYCZNY- jest to samoistne wyładowanie charakteryzujące się dużą gęstością prądu. Występuje najczęściej przy przerywaniu obciążonych prądem obwodów elektrycznych. Wyładowanie samoistne jest to wyładowanie podtrzymywane przez samoistną jonizację przestrzeni międzyelektrodowej.
Przewodność gazu jest uwarunkowana istnieniem elektronów swobodnych. Normalnie znajdują się one w ruchu bezładnym, ale gdy znajdą się w polu elektrycznym, to na jony i elektrony zacznie działać siła powodująca ich przyspieszenie. Przy odpowiedniej prędkości podczas wzajemnych zderzeń z atomów obojętnych są wytrącane elektrony, powodujące jonizację gazu. Ten typ jonizacji nazywa się jonizacją zderzeniową. Jonizacja termiczna ma podobny charakter lecz inną przyczynę, polega na tym że wzrost energii kinetycznej cząsteczek, konieczny do jonizacji, jest uzyskiwany na skutek odpowiednio wysokiej temperatury (rozpoczyna się w około temperatury 10 000C).
Opisane rodzaje jonizacji zachodzą w całej objętości gazu ( jonizacja objętościowa ).

Oprócz jonizacji objętościowej zachodzić może również jonizacja powierzchniowa jak:
 Termoemisja- polega na uwalnianiu się z metalu katody elektronów swobodnych, które zwiększały swą energię kinetyczną na skutek wzrostu temperatury zaczyna się od około kilku tysięcy stopni Celcjusza.
 Autoemisja- polega na uwalnianiu się elektronów pod wpływem pola elektrycznego, różni się od termoemisji że może zachodzić również przy zimnej katodzie.
 Emisja wtórna- jest to zjawisko wybijania elektronów z powierzchni katody (poprzez padające na nią jony) pod wpływem energii uderzenia.
Zjawiskiem odwrotnym do procesu jonizacji jest dejonizacja, czyli zobojętnianie się elektronów i jonów.
Dejonizacja może być spowodowana szeregiem zjawisk, do najistotniejszych należą:
 Rekombinacja objętościowa jest to łączenie się cząstek różnoimiennie naładowanych i ich wzajemne zobojętnianie.
 Rekombinacja powierzchniowa polega na łączeniu się jonów dodatnich z elektronami wyrwanymi ze ścianek stykających się z obszarem zjonizowanym oraz z elektrod.
 Dyfuzja jest to przemieszczanie się elektronów i jonów z przestrzeni o dużej ich koncentracji do przestrzeni o mniejszej koncentracji.
 Dysocjacja polega na rozpadaniu się drobin gazu na atomy, co jest związane z pobieraniem ciepła, tym samym obniżeniem temperatury w zjonizowanym obszarze.

O możliwości zgaszenia łuku decyduje intensywność zachodzących jednocześnie zjawisk jonizacji i dejonizacji. Intensywność dejonizacji można sztucznie zwiększyć przez chłodzenie łuku. Wynika z tego że łuk może być zgaszony, jeżeli w czasie chłodzenia ilość ciepła odbieranego z łuku jest większa niż możliwość wytworzenia ciepła przez łuk.
Łuk chłodzi się za pomocą
1. gazu o dużej przewodności cieplnej; / polega na oddawaniu ciepła przez przewodzenie/
2. wymuszonego środowiska w którym łuk się pali; /polega na oddawaniu ciepła na zasadzie konwekcji/
3. ciekłego środowiska wokół łuku; /łuk palący się w ciekłym środowisku powoduje gwałtowne parowanie cieczy, co umożliwia pobieranie dużej ilości ciepła/
4. strumienia chłodnego gazu przepuszczanego przez kolumnę łuku.
5. wydłużenia łuku;

Przy rozłączaniu styków , przez które płynie prąd, powstaje między nimi łuk elektryczny, który pod wpływem własnego pola magnetycznego ma tendencję do tworzenia coraz szerszej pętli, a więc wydłużania się. Zjawisko to wykorzystuje się do łatwiejszego zgaszenia łuku, gdyż jego wydłużenie stwarza lepsze warunki oddawania ciepła i zwiększa rezystancję, a tym samym spadek napięcia na łuku.
Dlatego w praktyce często, oprócz właściwych styków przewodzących prąd, stosuje się połączone z nimi styki opalne, wykonane z trudno topliwych materiałów. Po rozwarciu styków roboczych powstały łuk przesuwa się natychmiast na styki opalne i dopiero wtedy jest gaszony. Unika się w ten sposób nadmiernego przegrzania styków roboczych.
W praktyce stosuje się najczęściej następujące sposoby gaszenia łuku:
1. szybkie / migowe / rozdzielenie się styków – jest stosowane w łącznikach niskiego napięcia na niewielkie prądy;
2. wydłużenie łuku przez odpowiednie ukształtowanie styków i wydmuch elektromagnetyczny – stosuje się do większych prądów formując odpowiednio styki opalne, które są często wspomagane dodatkowym wydmuchem elektromagnetycznym przyspieszającym wydłużenie się łuku;
3. wydłużenie łuku w przegrodach falistych – stosowane przy wydmuchu elektromagnetycznym gdzie łuk jest przepuszczony przez poprzeczne przegrody z materiałów izolacyjnych dzięki którym jest rozbity na kilka mniejszych ;
4. podział łuku na części między płytkami dejonizacyjnimi – nie wydłużają one łuku lecz dzieląc go na kilka mniejszych ułatwiają chłodzenie i przyspieszają zgaszenie, zazwyczaj wykonywane są z miedzi, mosiądzu lub stali;
5. chłodzenie łuku w dyszach szczelinowych – polega na wypychaniu łuku do coraz bardziej zwężającej się szczeliny powoduje jego jednoczesne zwężenie i wydłużenie, co w efekcie doprowadza do ochłodzenia i zgaszenia łuku;
6. chłodzenie łuku przez wydmuch gazu - stosowane jest najczęściej w łącznikach wysokiego napięcia, stosuje się do tego sprężone powietrze lub sześciofluorek siarki ( SF6);
7. chłodzenie łuku w oleju lub w innych cieczach – stosowane powszechnie w łącznikach wysokiego napięcia, natomiast w łącznikach niskonapięciowych jest stosowany rzadko i raczej w łącznikach starszego typu. Polega na tym ,iż w czasie powstania łuku wytwarza się wodór i węglowodór, pobierając w procesie powstawania znaczne ilości ciepła i tym samym chłodząc łuk;

- przedstawione sposoby gaszenia łuku przy wyższych napięciach wymagają zwiększenia objętości komór gaszących, a tym samym większej masy aparatów

8. zastosowanie próżni – polega na wykorzystywaniu dielektrycznych właściwości próżni w której o ciśnieniu 10-610-8 hPa znajduje się niewiele cząsteczek gazu resztkowego. Nośnikami ładunków elektrycznych mogą być tylko cząsteczki par metali odrywane z katody na skutek wysokiej temperatury. Gaszenie łuku elektrycznego następuje w sposób naturalny, w zasadzie przy pierwszym przejściu prądu przez wartość zerową, gdy cząsteczki podtrzymujące łuk rozlatują się promieniście (w kierunku niższego ciśnienia). Brak cząsteczek metalu między stykami uniemożliwia ponowny zapłon łuku. Najczęściej próżniowe komory gaszeniowe stosuje się w stycznikach np. SV, oraz w wyłącznikach próżniowych na napięcie do 24kV.

Przykład wykorzystania zestyku opalnego wyłączniku APU- 30 w celu ochrony zestyków podstawowych, które normalnie przewodzą prąd i nie są w stanie dokonywać czynności łączeniowych:
Przy zamykaniu wyłącznika najpierw zamyka się zestyk opalny i na nim zapala się łuk, a dopiero potem zamyka się zestyk podstawowy. Przy otwieraniu wyłącznika najpierw otwiera się zestyk podstawowy i zamknięty zestyk opalny przejmuje przepływ prądu, a dopiero potem otwiera się zestyk opalny i na nim zapala się łuk, który jest gaszony w komorze łukowej z płytkami dejonizacyjnymi.

Przykład umiejscowienia komór łukowych w styczniku SU
1. zacisk
2. łapa mocująca
3. łącznik pomocniczy
4. zwora
5. cewka napędu
6. komora łukowa
7. śruba uziomowa
8. układ sterowania stycznika

Zjawisko najczęściej bardzo niekorzystne jak powstawanie łuku elektrycznego przy przerywaniu obwodów prądowych znalazło inne praktyczne zastosowania :
 w piecach łukowych gdzie łuk elektryczny może się palić albo między dwiema elektrodami węglowymi (piece pośrednie), albo między elektrodą i topionym metalem (piece bezpośrednie) – temperatura samego łuku osiąga wartość nawet do 10 000C.
 W źródłach światła w których strumień świetlny jest wytwarzany na skutek wyładowań w gazach lub parach.
 W spawarkach elektrycznych w których łuk służy do łączenia ze sobą metali.