Высоковольтный выключатель
Напряжение дуги в газовых выключателях
В газовых выключателях напряжение дуги является критическим параметром, который влияет на процесс прерывания и общую производительность выключателя. Напряжение дуги может варьироваться от нескольких сотен вольт до нескольких киловольт, в зависимости от различных факторов. Ниже приведено подробное объяснение ключевых факторов, влияющих на напряжение дуги:
1. Длина дуги
Принцип: Падение напряжения через дугу прямо пропорционально длине дуги. По мере увеличения длины дуги увеличивается и напряжение, необходимое для поддержания дуги.
Объяснение: Когда контакты в газовом выключателе размыкаются, между ними образуется дуга. Длина дуги может быть значительно больше первоначального зазора контактов из-за перемещения дуги (растягивания дуги) под воздействием магнитных полей или потока газа. Чем длиннее дуга, тем выше падение напряжения через нее, что облегчает ее гашение, так как требуется больше энергии для поддержания дуги.
2. Тип газа
Принцип: Напряжение дуги зависит от физических свойств окружающей газовой среды, таких как давление, температура и степень ионизации.
Объяснение: Разные газы имеют различные диэлектрические прочности и теплопроводности, что влияет на легкость поддержания дуги. Например, шестифтористая сера (SF₆) широко используется в высоковольтных выключателях благодаря своим отличным изоляционным свойствам и способности быстро деионизироваться после прохождения тока через ноль. Газы с высокой диэлектрической прочностью требуют более высокого напряжения для поддержания дуги, что способствует ее гашению.
3. Материал контактов
Принцип: Материал дуговых контактов имеет незначительное влияние на напряжение дуги, главным образом, влияя на падение напряжения в анодной и катодной областях.
Объяснение: Основное падение напряжения в газовой дуге происходит через само тело дуги, а не на контактных поверхностях. Однако материал контактов может влиять на местное падение напряжения вблизи анода и катода, известное как падение напряжения на катоде и аноде. Материалы с низкими функциями работы (например, медь, серебро) обычно имеют меньшее падение напряжения на катоде, но этот эффект относительно мал по сравнению с общим напряжением дуги. Поэтому выбор материала контактов имеет незначительное влияние на общее напряжение дуги.
4. Охлаждение дуги
Принцип: Внутренняя мощность дуги является произведением тока и напряжения дуги. Если дуга теряет больше тепла из-за охлаждения, она увеличит свою мощность, увеличивая напряжение дуги.
Объяснение: Охлаждение дуги может происходить за счет теплопроводности, конвекции и излучения. В газовых выключателях поток газа (часто вызываемый пневматическими механизмами или магнитными дутьевыми катушками) помогает охлаждать дугу и снижать ее температуру. По мере охлаждения дуга становится менее проводящей, что приводит к увеличению напряжения дуги. Это увеличенное напряжение делает поддержание дуги более трудным, что способствует ее гашению.
5. Ток через дугу
Принцип: Газовые дуги демонстрируют отрицательную вольт-амперную характеристику, то есть напряжение дуги увеличивается при уменьшении тока и наоборот.
Объяснение: Когда ток приближается к нулю во время перехода через ноль, напряжение дуги резко возрастает. Это связано с тем, что дуга становится менее стабильной при низких токах, и уменьшение числа заряженных частиц приводит к увеличению сопротивления, что в свою очередь приводит к увеличению падения напряжения. Наоборот, при высоких токах дуга более стабильна, и падение напряжения ниже. Это поведение важно для понимания того, как дуга ведет себя вблизи нуля тока, где успешное прерывание критически важно.
6. Случайные колебания и обрывы напряжения дуги вблизи нуля тока
Принцип: Вблизи перехода тока через ноль напряжение дуги демонстрирует случайные колебания и обрывы, которые критически важны для гашения дуги.
Объяснение: По мере приближения тока к нулю, дуга становится все более нестабильной. Напряжение дуги может случайно колебаться из-за быстрых изменений физического состояния дуги, таких как плотность заряженных частиц и температура. Эти колебания могут привести к внезапному скачку напряжения дуги, что приводит к ее обрыву. Если напряжение дуги достаточно сильно возрастает, оно может превысить восстановительное напряжение системы, что приводит к гашению дуги. Этот феномен критически важен для обеспечения успешного прерывания дуги вблизи нуля тока.
Заключение
Напряжение дуги в газовых выключателях зависит от нескольких факторов, включая длину дуги, тип газа, материал контактов, охлаждающие эффекты и ток через дугу. Напряжение дуги играет важную роль в процессе прерывания, особенно вблизи нуля тока, где случайные колебания и обрывы могут определить, будет ли дуга успешно погашена. Понимание этих факторов необходимо для проектирования и эксплуатации эффективных и надежных газовых выключателей.
