Korkeajännite Sulkuja

Kaarijännite kaasuputkisuojaimissa

Kaasuputkisuojaimissa kaarijännite on keskeinen parametri, joka vaikuttaa katkaisuun ja suojaimen yleiseen toimintaan. Kaarijännite voi vaihdella muutamasta sataa voltista useisiin kilovolteihin riippuen eri tekijöistä. Alla on yksityiskohtainen selitys avaintekijöistä, jotka vaikuttavat kaarijännitteeseen:

1. Kaaripituus

• Periaate: Kaarin yli tapahtuva jännitetappio on suoraan verrannollinen kaarin pituuteen. Kun kaaripituus kasvaa, kaaria ylläpitävään jännitteeseen tarvitaan enemmän.

• Selitys: Kun kaasuputkisuojaimen kontaktit erota toisistaan, niiden välille muodostuu kaari. Kaarin pituus voi olla paljon pidempi kuin alkuperäinen kontaktiväli, koska kaari venyy (kaarivenymys) magneettikenttien tai kaasuvirran vaikutuksesta. Mitä pidempi kaari, sitä korkeampi jännitetappio sen yli, mikä tekee kaarin tukkimisesta helpompaa, sillä sen ylläpitämiseen tarvitaan enemmän energiaa.

2. Kaasun tyyppi

• Periaate: Kaarijännite riippuu ympäröivän kaasumediaanin fysikaalisista ominaisuuksista, kuten sen paineesta, lämpötilasta ja ionisaatiotilasta.

• Selitys: Eri kaasut eroavat dielektristen voimien ja lämmönjohtokyvyn osalta, mikä vaikuttaa siihen, kuinka helposti kaari voidaan ylläpitää. Esimerkiksi heksafluoridi (SF₆) on yleisesti käytetty korkeajännitteisiin putkisuojaimiin sen erinomaisen eristäväominaisuuksien ja nopean deionisaation vuoksi nollakohdan jälkeen. Korkeampi dielektrinen vahvuus vaatii korkeampaa jännitettä kaarian ylläpitämiseksi, mikä auttaa kaarian tukkimisessa.

3. Kontaktimateriaali

• Periaate: Kaariyhteyksien materiaalin vaikutus kaarijännitteeseen on pieni, pääasiassa vaikuttaen anoodi- ja katoodialueiden jännitetappioon.

• Selitys: Pääasiallinen jännitetappio kaasukaarissa tapahtuu kaarin itse kehon yli, ei kontaktipintojen yli. Kontaktimateriaali voi kuitenkin vaikuttaa paikalliseen jännitetappioon anoodi- ja katoodialueilla, tunnetaanpa se katoodi- ja anooditapauksena. Materiaaleilla, joilla on alhaisemmat työtunnusteet (esim. kupari, hopea), on yleensä alhaisemmat katooditapaukset, mutta tämä vaikutus on suhteellisen pieni kaiken kaikkiaan kaarijännitteen suhteen. Siksi kontaktimateriaalin valinta vaikuttaa marginaalisesti kokonaiskaarijännitteeseen.

4. Kaaren jäähtyminen

• Periaate: Kaarin sisäinen teho on sähkövirran ja kaarijännitteen tulo. Jos kaari häviää enemmän lämpöä jäähtymisen myötä, se lisää tehoaan kasvattamalla kaarijännitettä.

• Selitys: Kaaren jäähtyminen voi tapahtua johtuneena, liuhtuneena ja säteileneena. Kaasuputkisuojaimissa kaasuvirta (usein aiheutettu työntämismekanismilla tai magneettisten ulospuhujen avulla) auttaa kaaren jäähtymisessä ja sen lämpötilan alentamisessa. Kun kaari jäähtyy, se tulee vähemmän johtavaksi, mikä johtaa kaarijännitteen kasvamiseen. Tämä korkeampi jännite tekee kaarian ylläpitämisestä vaikeampaa, mikä auttaa sen tukkimisessa.

5. Virta kaaren läpi

• Periaate: Kaasukaaret näyttävät negatiivisen jännite-ammittomuuden, eli kaarijännite kasvaa, kun virta pienenee, ja päinvastoin.

• Selitys: Kun virta lähestyy nollaa nollakohdassa, kaarijännite nousee jyrkästi. Tämä johtuu siitä, että kaari tulee epästabiilemmaksi matalilla virtoilla, ja vähäinen laturankarin määrä johtaa korkeampaan vastustukseen, mikä aiheuttaa korkeamman jännitetapion. Vastaavasti korkeammilla virroilla kaari on vakaa, ja jännitetappio on pienempi. Tämä käyttäytyminen on tärkeää ymmärtää, miten kaari käyttäytyy nollakohdan lähellä, jossa onnistunut katkaisu on kriittistä.

6. Kaarijännitteen satunnaiset poikkeamat ja romahdukset nollakohdan lähellä

• Periaate: Nollakohdan lähellä kaarijännite näyttää satunnaisia poikkeamia ja romahduksia, jotka ovat kriittisiä kaaren tukkimiselle.

• Selitys: Kun virta lähestyy nollaa, kaari tulee yhä epävakaimmaksi. Kaarijännite voi vaihdella satunnaisesti kaaren fyysisen tilan nopeiden muutosten vuoksi, kuten laturankarin tiheyden ja lämpötilan. Nämä fluktuointit voivat aiheuttaa kaarijännitteen jyrkkää nousua, mikä johtaa kaaren romahdukseen. Jos kaarijännite nousee riittävän korkeaksi, se voi ylittää järjestelmän toipumisjännitteen, mikä aiheuttaa kaaren tukkimisen. Tämä ilmiö on olennainen varmistaaksemme, että kaari katkaistaan onnistuneesti nollakohdassa.

Yhteenveto

Kaasuputkisuojaimissa kaarijännitettä vaikuttavat useat tekijät, kuten kaaripituus, kaasun tyyppi, kontaktimateriaali, jäähtymisen vaikutukset ja virta kaaren läpi. Kaarijännite on keskeinen rooli katkaisussa, erityisesti nollakohdan lähellä, jossa satunnaiset poikkeamat ja romahdukset voivat määrätä, onnistuuko kaari tukkua. Näiden tekijöiden ymmärtäminen on välttämätöntä tehokkaiden ja luotettavien kaasuputkisuojaimien suunnittelussa ja toiminnassa.