کلید قطع کننده ولتاژ بالا
ولتاژ قوس در مداربرهای گازی
در مداربرهای گازی، ولتاژ قوس پارامتر حیاتی است که روی فرآیند قطع و عملکرد کلی مداربر تأثیر می‌گذارد. ولتاژ قوس می‌تواند از چند صد ولت تا چند کیلوولت متغیر باشد، بسته به عوامل مختلف. زیرا توضیح دقیق عوامل کلیدی که بر ولتاژ قوس تأثیر می‌گذارند آورده شده است:
1. طول قوس
اصل: قطره ولتاژ در قوس مستقیماً نسبتی با طول قوس دارد. هرچه طول قوس افزایش یابد، ولتاژ مورد نیاز برای حفظ قوس نیز افزایش می‌یابد.
توضیح: وقتی تماس‌ها در مداربر گازی از هم جدا می‌شوند، یک قوس بین آنها تشکیل می‌شود. طول قوس می‌تواند بسیار بیشتر از فاصله اولیه تماس باشد، به دلیل حرکت قوس (تطویل قوس) تحت تأثیر میدان‌های مغناطیسی یا جریان گاز. هرچه طول قوس بیشتر باشد، قطره ولتاژ در آن بالاتر خواهد بود، که این موضوع را آسان‌تر می‌کند تا قوس خاموش شود چرا که انرژی بیشتری برای حفظ آن لازم است.
2. نوع گاز
اصل: ولتاژ قوس به ویژگی‌های فیزیکی محیط گاز اطراف، مانند فشار، دما و وضعیت یونیزه شدن، بستگی دارد.
توضیح: گازهای مختلف دارای مقادیر مختلف مقاومت الکتریکی و هدایت حرارتی هستند که بر آنچه که قوس را می‌توان به سادگی حفظ کرد تأثیر می‌گذارند. به عنوان مثال، سولفور هگزافلوراید (SF₆) به دلیل خصوصیات عایق‌بندی بسیار خوب و توانایی سریع یونیزه شدن بعد از عبور جریان از صفر، در مداربرهای ولتاژ بالا معمولاً استفاده می‌شود. گازهایی با مقاومت الکتریکی بالاتر ولتاژ بالاتری برای حفظ قوس نیاز دارند، که این موضوع در خاموش کردن قوس کمک می‌کند.
3. مواد تماس
اصل: ماده تماس‌های قوس تأثیر کوچکی بر ولتاژ قوس دارد، عمدتاً قطره ولتاژ در مناطق آند و کاتد را تحت تأثیر قرار می‌دهد.
توضیح: قطره ولتاژ اصلی در قوس گازی در خود بدنه قوس اتفاق می‌افتد، نه در سطوح تماس. با این حال، ماده تماس می‌تواند قطره ولتاژ محلی نزدیک آند و کاتد، که به عنوان قطره کاتد و آند شناخته می‌شود، را تحت تأثیر قرار دهد. مواد با توابع کار کمتر (مانند مس، نقره) معمولاً قطره کاتد کمتری دارند، اما این تأثیر نسبت به ولتاژ کل قوس کوچک است. بنابراین، انتخاب ماده تماس تأثیر کمی بر ولتاژ کل قوس دارد.
4. خنک‌سازی قوس
اصل: توان داخلی قوس حاصل ضرب جریان و ولتاژ قوس است. اگر قوس به دلیل خنک‌سازی گرمای بیشتری از دست بدهد، توان خود را با افزایش ولتاژ قوس افزایش می‌دهد.
توضیح: خنک‌سازی قوس می‌تواند از طریق هدایت، کنเวکسیون و تابش اتفاق بیفتد. در مداربرهای گازی، جریان گاز (معمولاً توسط مکانیزم‌های بادکنک یا سیم‌های مغناطیسی بادکنک) به خنک‌سازی قوس و کاهش دمای آن کمک می‌کند. هنگامی که قوس خنک می‌شود، رسانایی آن کاهش می‌یابد، که منجر به افزایش ولتاژ قوس می‌شود. این ولتاژ افزایش یافته آسان‌تر می‌کند تا قوس خاموش شود.
5. جریان عبوری از قوس
اصل: قوس‌های گازی مشخصه ولت-آمپر منفی دارند، یعنی ولتاژ قوس با کاهش جریان افزایش می‌یابد و بالعکس.
توضیح: هنگامی که جریان به صفر نزدیک می‌شود در نقطه عبور جریان از صفر، ولتاژ قوس معمولاً به شدت افزایش می‌یابد. این به این دلیل است که قوس در جریان‌های پایین کمتر پایدار است و تعداد کمتری ذرات باردار منجر به مقاومت بیشتر و در نتیجه قطره ولتاژ بالاتر می‌شود. به طور معکوس، در جریان‌های بالاتر، قوس پایدارتر است و قطره ولتاژ کمتر است. این رفتار برای درک نحوه رفتار قوس نزدیک به صفر جریان مهم است، جایی که قطع موفقیت‌آمیز بحرانی است.
6. حرکات تصادفی و فروپاشی ولتاژ قوس نزدیک به صفر جریان
اصل: نزدیک به عبور جریان از صفر، ولتاژ قوس حرکات تصادفی و فروپاشی‌هایی را نشان می‌دهد که برای خاموش کردن قوس بسیار مهم هستند.
توضیح: هنگامی که جریان به صفر نزدیک می‌شود، قوس بیشتر ناپایدار می‌شود. ولتاژ قوس ممکن است به دلیل تغییرات سریع در حالت فیزیکی قوس، مانند چگالی ذرات باردار و دما، به صورت تصادفی نوسان کند. این نوسانات می‌توانند باعث افزایش ناگهانی ولتاژ قوس شوند، که منجر به فروپاشی قوس می‌شود. اگر ولتاژ قوس به اندازه کافی افزایش یابد، می‌تواند ولتاژ بازیابی سیستم را تجاوز کند و قوس خاموش شود. این پدیده برای تضمین اینکه قوس در صفر جریان به درستی خاموش شود بسیار مهم است.
خلاصه
ولتاژ قوس در مداربرهای گازی توسط چندین عامل، از جمله طول قوس، نوع گاز، ماده تماس، اثرات خنک‌سازی و جریان عبوری از قوس، تحت تأثیر قرار می‌گیرد. ولتاژ قوس نقش حیاتی در فرآیند قطع دارد، به ویژه نزدیک به صفر جریان، جایی که حرکات تصادفی و فروپاشی‌ها می‌توانند تعیین کنند که آیا قوس به درستی خاموش می‌شود یا خیر. درک این عوامل برای طراحی و عملیات مداربرهای گازی کارآمد و قابل اعتماد ضروری است.
