ماذا يعني القوس الكهربائي؟ | القوس في قاطع الدائرة

قبل الدخول في تفاصيل تقنيات إخماد القوس أو إطفاء القوس المستخدمة في القواطع الكهربائية، يجب أن نعرف أولاً ما هو القوس فعلياً.

ما هو القوس؟

خلال فتح الأطراف الحاملة للتيار في القاطع الكهربائي، يصبح الوسط بين الأطراف المفتوحة متأيناً بشدة مما يوفر مساراً مقاوماً منخفضاً للتيار المقاطع ويستمر التيار في الجريان عبر هذا المسار حتى بعد الفصل الفيزيائي للأطراف. أثناء جريان التيار من طرف إلى آخر، يصبح المسار ساخناً جداً بحيث يضيء. وهذا ما يسمى القوس.

القوس في القاطع الكهربائي

كلما تم فتح الأطراف الحاملة للتيار في القاطع الكهربائي تحت الحمل، يوجد قوس كهربائي في القاطع الكهربائي، يتم إنشاؤه بين الأطراف المنفصلة.

طالما استمر هذا القوس بين الأطراف، لن يتم قطع التيار عبر القاطع الكهربائي بشكل نهائي لأن القوس نفسه هو مسار موصل للتيار الكهربائي. لقطع التيار بشكل كامل، من الضروري إخماد القوس بأسرع وقت ممكن. المعيار الرئيسي في تصميم القاطع الكهربائي هو توفير التقنية المناسبة لـ إخماد القوس في القاطع الكهربائي لتحقيق قطع آمن وسريع للتيار. لذا قبل الخوض في مختلف تقنيات إخماد القوس المستخدمة في القاطع الكهربائي، يجب أن نحاول فهم ما هو القوس والنظرية الأساسية لـ القوس في القاطع الكهربائي، دعونا نناقش.

التأيين الحراري للغاز

هناك عدد من الإلكترونات والأيونات الحرة الموجودة في الغاز عند درجة حرارة الغرفة بسبب الأشعة فوق البنفسجية، الأشعة الكونية والإشعاع الأرضي. هذه الإلكترونات والأيونات الحرة قليلة العدد بحيث لا تكفي لاستمرار توصيل الكهرباء. تتحرك جزيئات الغاز بشكل عشوائي عند درجة حرارة الغرفة. وجد أن جزيء الهواء عند درجة حرارة 300oك (درجة حرارة الغرفة) يتحرك بشكل عشوائي بسرعة متوسطة تقريبية تبلغ حوالي 500 متر/ثانية ويتصادم مع جزيئات أخرى بمعدل 1010 مرة/ثانية.

تتصادم هذه الجزيئات المتحركة بشكل عشوائي بشكل متكرر ولكن الطاقة الحركية للجزيئات ليست كافية لاستخراج إلكترون من ذرات الجزيئات. إذا ارتفعت درجة الحرارة، سيتم تسخين الهواء وبالتالي سترتفع سرعة الجزيئات. السرعة الأعلى تعني تأثير أعلى خلال التصادم بين الجزيئات. في هذه الحالة، بعض الجزيئات تتفكك إلى ذرات. إذا ارتفعت درجة حرارة الهواء أكثر، سيتم حرمان العديد من الذرات من الإلكترونات الطرفية ويجعل الغاز متأيناً. ثم يمكن لهذا الغاز المتأين أن يوصل الكهرباء بسبب وجود إلكترونات حرة كافية. هذه حالة أي غاز أو هواء تسمى البلازما. يسمى هذا الظاهرة بالتأيين الحراري للغاز.

التأيين بسبب تصادم الإلكترونات

كما ذكرنا، هناك دائماً بعض الإلكترونات والأيونات الحرة الموجودة في الهواء أو الغاز ولكنها غير كافية لنقل الكهرباء. كلما جاءت هذه الإلكترونات الحرة عبر مجال كهربائي قوي، يتم توجيهها نحو النقاط ذات الجهد العالي في المجال وتكتسب سرعة عالية بما فيه الكفاية. بعبارة أخرى، يتم تسريع الإلكترونات على طول اتجاه المجال الكهربائي بسبب تدرج الجهد العالي. أثناء سفرهم، تتصادم هذه الإلكترونات مع ذرات وجزيئات الهواء أو الغاز الأخرى واستخراج الإلكترونات الطرفية من مداراتهم.

بعد استخراجها من الذرات الأم، ستتحرك الإلكترونات أيضاً على طول اتجاه نفس المجال الكهربائي بسبب تدرج الجهد. ستتصادم هذه الإلكترونات بشكل مشابه مع ذرات أخرى وخلق المزيد من الإلكترونات الحرة التي سيتم توجيهها أيضاً على طول المجال الكهربائي. نتيجة لهذه العملية المتتابعة، سيصبح عدد الإلكترونات الحرة في الغاز كبيراً جداً بحيث يبدأ الغاز في توصيل الكهرباء. تُعرف هذه الظاهرة باسم التأيين للغاز بسبب تصادم الإلكترونات.

إعادة التأيين للغاز

إذا تم إزالة جميع أسباب التأيين للغاز من غاز متأين، فإنه يعود بسرعة إلى حالته المحايدة بواسطة إعادة تجميع الشحنات الموجبة والسالبة. تُعرف عملية إعادة تجميع الشحنات الموجبة والسالبة باسم عملية إعادة التأيين. في إعادة التأيين بالانتشار، تتحرك الأيونات السالبة أو الإلكترونات والأيونات الموجبة نحو الجدران تحت تأثير تدرجات التركيز وهكذا تكتمل عملية إعادة التجميع.

دور القوس في القاطع الكهربائي

عندما يفتح طرفا التيار فقط، يربط القوس الفجوة بين الاتصالات والتي يحصل من خلالها التيار على مسار مقاوم منخفض للجريان بحيث لن يكون هناك انقطاع مفاجئ للتيار. بما أنه لا يوجد تغيير مفاجئ وحاد في التيار أثناء فتح الاتصالات، لن يكون هناك تبديل غير طبيعي في الجهد في النظام. إذا كان i هو التيار الذي يتدفق عبر الاتصالات مباشرة قبل أن يفتحوا، L هو الحث النظام، يمكن التعبير عن الجهد عند التبديل أثناء فتح الاتصالات كـ V = L.(di/dt) حيث di/dt معدل تغير التيار بالنسبة للوقت أثناء فتح الاتصالات. في حالة التيار المتردد، يتم إطفاء القوس مؤقتًا في كل نقطة صفرية للتيار. بعد تجاوز كل نقطة صفرية للتيار، يتم تأيين الوسط بين الاتصالات المنفصلة مرة أخرى خلال الدورة التالية للتيار ويتم إعادة إنشاء القوس في القاطع الكهربائي. لجعل القطع الكامل والناجح، يجب منع إعادة التأيين بين الاتصالات المنفصلة بعد نقطة الصفر للتيار.

إذا كان القوس في القاطع الكهربائي غائبًا أثناء فتح الاتصالات الحاملة للتيار، سيكون هناك انقطاع مفاجئ وحاد للتيار مما سيسبب جهد تبديل كبير كافٍ لإجهاد العزل في النظام بشدة. من ناحية أخرى، يوفر القوس انتقالاً تدريجيًا ولكنه سريعًا، من حالة الحمل إلى حالة قطع التيار للاتصالات.

نظرية قطع القوس أو إخماد القوس أو إطفاء القوس

خصائص عمود القوس

عند درجات الحرارة العالية، تتحرك الجزيئات المشحونة في الغاز بشكل سريع وعشوائي، ولكن في غياب المجال كهربائي، لا يحدث حركة صافية. كلما تم تطبيق مجال كهربائي في الغاز، تكتسب الجزيئات المشحونة سرعة انجراف فوق حركتها الحرارية العشوائية. تكون سرعة الانجراف متناسبة مع تدرج الجهد للمجال وحركة الجزيئات. تعتمد حركة الجزيئات على كتلتها، الجزيئات الأثقل، أقل حركة. تعتمد الحركة أيضًا على المسارات الحرة المتاحة في الغاز للحركة العشوائية للجزيئات. بما أن كل جزيء يتصادم، يفقد سرعته الموجهة ويجب إعادة تسريعه في اتجاه المجال الكهربائي مرة أخرى. لذا فإن الحركة الصافية للجزيئات تقل. إذا كان الغاز تحت ضغط عالٍ، يصبح أكثر كثافة وبالتالي تصبح جزيئات الغاز أقرب إلى بعضها البعض، وبالتالي تحدث التصادمات بشكل أكثر تكرارًا مما يقلل من حركة الجزيئات. يعتبر التيار الكلي بواسطة الجزيئات المشحونة متناسبًا بشكل مباشر مع حركتهم. لذا فإن حركة جزيئات الغاز تعتمد على درجة الحرارة وضغط الغاز وكذلك طبيعة الغاز. مرة أخرى، تحديد حركة جزيئات الغاز يحدد درجة تأيين الغاز.

لذا من الشرح أعلاه يمكننا القول إن عملية التأيين للغاز تعتمد على طبيعة الغاز (جزيئات غاز أثقل أو أخف)، ضغط الغاز ودرجة حرارة الغاز. كما قلنا سابقًا، تعتمد شدة عمود القوس على وجود الوسط المتأين بين الاتصالات الكهربائية المنفصلة، لذا يجب إعطاء اهتمام خاص لتقليل التأيين أو زيادة إعادة التأيين للوسط بين الاتصالات. لهذا السبب، تعتبر الميزة الرئيسية في تصميم القاطع الكهربائي هي توفير طرق مختلفة للتحكم في الضغط وطرق التبريد لوسائل القوس المختلفة بين اتصالات القاطع الكهربائي.

فقدان الحرارة من القوس

يحدث فقدان الحرارة من القوس في القاطع الكهربائي عبر التوصيل والتبريد وكذلك الإشعاع. في القاطع الكهربائي مع القوس البسيط في النفط، القوس في القنوات الضيقة تقريباً كل فقدان الحرارة يكون بسبب التوصيل. في القاطع الكهربائي بالهواء المضغوط أو في القاطع حيث يوجد تدفق للغاز بين الاتصالات الكهربائية، يحدث فقدان الحرارة للبلازما القوسية بسبب عملية التبريد. عند الضغط الطبيعي، الإشعاع ليس عاملاً مهمًا لكن عند الضغط العالي قد يصبح الإشعاع عاملاً مهمًا جدًا لفقدان الحرارة من البلازما القوسية. أثناء فتح الاتصالات الكهربائية، يتم إنتاج القوس في القاطع الكهربائي ويتم إطفاؤه في كل نقطة صفرية للتيار ومن ثم يتم إعادة إنشائه خلال الدورة التالية. يتم تحقيق القطع النهائي للقوس أو إخماد القوس في القاطع الكهربائي من خلال زيادة سريعة في قوة العزل في الوسط بين الاتصالات بحيث لا يمكن إعادة إنشاء القوس بعد نقطة الصفر. يتم تحقيق زيادة سريعة في قوة العزل بين اتصالات القاطع الكهربائي إما عن طريق إعادة التأيين للغاز في وسط القوس أو عن طريق استبدال الغاز المتأين بغاز بارد وطازج.
هناك العديد من عمليات إعادة التأيين المستخدمة لإطفاء القوس في القاطع الكهربائي، دعنا نناقشها باختصار.

إعادة التأيين للغاز بسبب زيادة الضغط

إذا زاد ضغط مسار القوس، تزداد كثافة الغاز المتأين مما يعني أن الجزيئات في الغاز تصبح أقرب إلى بعضها البعض وبالتالي يقل المسار الحر للجزيئات. هذا يزيد من معدل التصادم وكما ذكرنا سابقًا، في كل تصادم تفقد الجزيئات المشحونة سرعتها الموجهة على طول المجال الكهربائي ويتم إعادة تسريعها نحو المجال. يمكن القول أن الحركة الصافية للجزيئات المشحونة تقل وبالتالي يزداد الجهد المطلوب لحفظ القوس. كذلك، نتيجة لزيادة كثافة الجزيئات، يكون معدل إعادة التأيين للغاز أعلى بسبب إعادة تجميع الجزيئات المشحونة بشكل معاكس.

إعادة التأيين للغاز بسبب انخفاض در