Vysoké napěťové vypínače

Napětí oblouku v plynových vypínačích

V plynových vypínačích je napětí oblouku klíčovým parametrem, který ovlivňuje proces přerušení a celkové výkony vypínače. Napětí oblouku může být od několika set voltů až po několik kilowoltů, v závislosti na různých faktorech. Níže je detailní vysvětlení klíčových faktorů, které ovlivňují napětí oblouku:

1. Délka oblouku

• Princip: Napěťový spád přes oblouk je přímo úměrný délce oblouku. S rostoucí délkou oblouku roste i napětí potřebné k udržení oblouku.

• Vysvětlení: Když se kontakty v plynovém vypínači oddělí, vytvoří se mezi nimi oblouk. Délka oblouku může být mnohem delší než počáteční mezera mezi kontakty kvůli pohybu oblouku (tažení oblouku) pod vlivem magnetických polí nebo toku plynu. Čím delší je oblouk, tím vyšší je napěťový spád přes něj, což usnadňuje jeho uhasení, protože k udržení oblouku je potřeba více energie.

2. Typ plynu

• Princip: Napětí oblouku závisí na fyzikálních vlastnostech okolního plynného prostředí, jako jsou tlak, teplota a ionizační stav.

• Vysvětlení: Různé plyny mají různé dielektrické síly a tepelné vodivosti, což ovlivňuje, jak snadno lze udržet oblouk. Například šestifluorid siřičitý (SF₆) se často používá v vysokonapěťových vypínačích kvůli svým vynikajícím izolačním vlastnostem a schopnosti rychlé deionizace po průchodu proudem nulové hodnoty. Plyny s vyšší dielektrickou silou vyžadují vyšší napětí k udržení oblouku, což pomáhá při jeho uhasení.

3. Materiál kontaktů

• Princip: Materiál obloukových kontaktů má menší vliv na napětí oblouku, hlavně ovlivňuje napěťový spád v oblastech anody a katody.

• Vysvětlení: Hlavní napěťový spád v plynném oblouku se odehrává přes samotnou tělo oblouku, nikoli na povrchu kontaktů. Materiál kontaktů může však ovlivnit lokální napěťový spád blízko anody a katody, známý jako padání katody a anody. Materiály s nižší pracovní funkcí (např. měď, stříbro) mají obvykle nižší padání katody, ale tento efekt je relativně malý ve srovnání s celkovým napětím oblouku. Proto má volba materiálu kontaktů marginální dopad na celkové napětí oblouku.

4. Chlazení oblouku

• Princip: Vnitřní výkon oblouku je součinem proudu a napětí oblouku. Pokud oblouk ztrácí více tepla kvůli chlazení, zvýší svůj výkon zvýšením napětí oblouku.

• Vysvětlení: Chlazení oblouku může probíhat přes vedení, konvekci a radiaci. V plynových vypínačích pomáhá tok plynu (často indukovaný pufrovými mechanismy nebo magnetoventilátorovými cívkami) ochladit oblouk a snížit jeho teplotu. Jak oblouk ochlazuje, stává se méně vodivý, což vede ke zvýšení napětí oblouku. Toto zvýšené napětí ztěžuje udržení oblouku, což pomáhá jeho uhasení.

5. Proud přes oblouk

• Princip: Plynné oblouky mají negativní charakteristiku napětí-proudu, což znamená, že napětí oblouku roste, když průchod proudu klesá a naopak.

• Vysvětlení: Když průchod proudu přibližuje nulu, napětí oblouku tendenčně roste. To je proto, že oblouk se stává méně stabilní při nízkých proudech, a snížený počet nosičů náboje vede k vyššímu odporu a tedy k vyššímu napěťovému spádu. Naopak, při vyšších proudech je oblouk stabilnější a napěťový spád je nižší. Tento chování je důležitý pro porozumění, jak se oblouk chová blízko nulového proudu, kde je kritické úspěšné přerušení.

6. Náhodné fluktuace a kolapsy napětí oblouku blízko nulového proudu

• Princip: Blízko nulového proudu se napětí oblouku projevuje náhodnými fluktuacemi a kolapsy, které jsou klíčové pro uhasení oblouku.

• Vysvětlení: Když průchod proudu přibližuje nulu, oblouk se stává stále nestabilnějším. Napětí oblouku může náhodně fluktuovat kvůli rychlým změnám fyzikálního stavu oblouku, jako je hustota nabitých částic a teplota. Tyto fluktuace mohou způsobit, že napětí oblouku náhle skokem naroste, což vede k jeho kolapsu. Pokud napětí oblouku dostatečně naroste, může překonat obnovovací napětí systému, což vedeme k uhasení oblouku. Tento fenomén je klíčový pro zajištění úspěšného přerušení oblouku při nulovém proudu.

Shrnutí

Napětí oblouku v plynových vypínačích je ovlivněno řadou faktorů, včetně délky oblouku, typu plynu, materiálu kontaktů, chlazení a proudu přes oblouk. Napětí oblouku hraje klíčovou roli v procesu přerušení, zejména blízko nulového proudu, kde náhodné fluktuace a kolapsy mohou určit, zda byl oblouk úspěšně uhašen. Porozumění těchto faktorů je zásadní pro návrh a provoz efektivních a spolehlivých plynových vypínačů.