Какво е дъга? | Дъга в автоматичен предпазен ключ

Electrical4u

Поле: Основни електротехника

China

Какво е електрическа дъга

Прежд да разгледаме подробности за технологиите за угасване на дъга или изтребване на дъга, използвани в автоматичен прекъсвач, трябва първо да знаем какво всъщност е дъга.

Какво е дъга?

По време на отваряне на контакти, които пренасят ток в автоматичния прекъсвач, средата между откриването на контактите се ионизира, като по този начин прекъсващият ток получава път с ниско съпротивление и продължава да протича през този път, дори когато контактите са физически разделени. По време на протичането на тока от един контакт към друг, пътят става толкова нагрят, че свети. Това се нарича дъга.

Дъга в автоматичен прекъсвач

Всякий път, когато контакти, пренасящи ток, на автоматичния прекъсвач се отварят, се установява дъга в автоматичния прекъсвач между отделящите се контакти.

Докато тази дъга се поддържа между контактите, токът през автоматичния прекъсвач няма да бъде прекъснат окончателно, защото дъгата самата по себе си е проводим път на електричеството. За пълното прекъсване на тока е съществено да се угаси дъгата колкото се може по-бързо. Основният критерий при проектирането на автоматичен прекъсвач е да предостави подходяща технология за угасване на дъга в автоматичния прекъсвач, за да осигури бързо и безопасно прекъсване на тока. Затова, преди да разгледаме различните техники за угасване на дъга, използвани в автоматичния прекъсвач, трябва да се опитаме да разберем какво е дъга и основната теория за дъга в автоматичния прекъсвач, нека обсъдим.

Термална ионизация на газа

Има множество свободни електрони и иони, присъстващи в газа при стаяна температура, поради ултравиолетови лъчи, космически лъчи и радиоактивността на Земята. Тези свободни електрони и иони са толкова малко на брой, че не са достатъчни за поддържане на проводимостта на електричество. Молекулите на газа се движе случайно при стаяна температура. Установено е, че молекула на въздуха при температура от 300oK (стаяна температура) се движи случайно с приблизителна средна скорост от 500 метра/секунда и се сблъсква с други молекули с честота от 1010 пъти/секунда.

Тези случайно се движещи молекули се сблъскват помежду си много често, но кинетичната енергия на молекулите не е достатъчна, за да извлече електрон от атомите на молекулите. Ако температурата се увеличи, въздухът ще се затопли и следователно скоростта на молекулите ще се увеличи. По-висока скорост означава по-голямо удари при междумолекуларните сблъсъци. В тази ситуация някои от молекулите се разпадат в атоми. Ако температурата на въздуха се увеличи още, много атоми са лишени от валентни електрони и газът се ионизира. След това този ионизиран газ може да провежда електричество поради наличието на достатъчен брой свободни електрони. Това състояние на всеки газ или въздух се нарича плазма. Това явление се нарича термална ионизация на газа.

Ионизация, причинена от сблъсъци на електрони

Както обсъдихме, във въздуха или газа винаги има някои свободни електрони и иони, но те не са достатъчни, за да провеждат електричество. Когато тези свободни електрони попаднат в силно електрическо поле, те се насочват към точки с по-висок потенциал в полето и придобиват достатъчно висока скорост. Другими думи, електроните се ускоряват в посоката на електрическото поле поради висок потенциален градиент. По време на техния път, тези електрони се сблъскват с други атоми и молекули на въздуха или газа и извличат валентни електрони от техните орбити.

След извличането от родителските атоми, електроните ще се движи в същата посока на електрическото поле поради потенциалния градиент. Тези електрони ще се сблъскват с други атоми и ще създадат още повече свободни електрони, които също ще бъдат насочени в електрическото поле. Благодарение на това конюгационно действие, броят на свободните електрони в газа ще стане толкова висок, че газът започва да провежда електричество. Това явление се нарича ионизация на газа, причинена от сблъсъци на електрони.

Деионизация на газа

Ако всички причини за ионизация на газа бъдат премахнати от ионизирания газ, той бързо се връща към нейтралното си състояние чрез рекомбинация на положителните и отрицателните заряди. Процесът на рекомбинация на положителните и отрицателните заряди се нарича деионизация. При деионизация чрез дифузия, отрицателните иони или електрони и положителните иони се движат към стените под влияние на концентрационните градиенти и така завършват процеса на рекомбинация.

Ролята на дъгата в автоматичния прекъсвач

Когато два контакта, които пренасят ток, се отворят, дъгата свързва контактната разстояние, чрез която токът получава път с ниско съпротивление, за да протече, така че няма внезапно прекъсване на тока. Тъй като няма внезапна и рязка промяна в тока по време на отварянето на контактите, няма никакво аномално превключване на напрежение в системата. Ако i е токът, който протича през контактите точно преди да се отворят, L е индуктивността на системата, превключващото напрежение по време на отварянето на контактите, може да бъде изразено като V = L.(di/dt), където di/dt е скоростта на изменение на тока спрямо времето по време на отварянето на контактите. В случая на алтернативен ток, дъгата е монетарно угасена при всяко нуло на тока. След преминаването през всяко нуло, медиумът между разделените контакти се ионизира отново по време на следващия цикъл на тока и дъгата в автоматичния прекъсвач се възстановява. За да се направи прекъсването пълно и успешено, тази реионизация между разделените контакти трябва да бъде предотвратена след нуло на тока.

Ако дъгата в автоматичния прекъсвач липсва по време на отварянето на контакти, които пренасят ток, ще има внезапно и рязко прекъсване на тока, което ще причини огромно превключващо напрежение, достатъчно, за да стресне изолацията на системата. От друга страна, дъгата предоставя постепенно, но бързо, преход от състоянието на пренасяне на ток до състоянието на прекъсване на тока на контактите.

Теория за прекъсване, угасване или изтребване на дъга

Характеристики на дъговата колона

При висока температура заредените частици в газа се движе бързо и случайно, но в отсъствие на електрическо поле, няма нетно движение. Когато се приложи електрическо поле в газа, заредените частици придобиват дрейфова скорост, наслоена върху техните случайни термални движения. Дрейфовата скорост е пропорционална на напрежението на полето и подвижността на частиците. Подвижността на частиците зависи от масата на частицата, по-тежките частици, по-ниска е подвижността. Подвижността също зависи от свободните пътища, налични в газа за случайни движения на частиците. Тъй като всяка частица загубва своята насочена скорост при сблъсък и трябва да бъде повторно ускорена в посоката на електрическото поле, общата подвижност на частиците се намалява. Ако газът е под високо налягане, той става по-плътен и следователно, молекулите на газа се приближават, затова сблъсъците се случват по-често, което намалява подвижността на частиците. Общият ток, произвеждан от заредените частици, е директно пропорционален на техната подвижност. Следователно подвижността на заредените частици зависи от температурата, налягането на газа и природата на газа. Отново, подвижността на частиците на газа определя степента на ионизация на газа.

От горния обяснение можем да кажем, че процесът на ионизация на газа зависи от природата на газа (по-тежки или по-леки частици на газа), налягането на газа и температурата на газа. Както казахме по-рано, интензитетът на дъговата колона зависи от наличието на ионизирана среда между разделените електрически контакти, затова специално внимание трябва да се обърне върху намаляването на ионизацията или увеличаването на деионизацията на медиумът между контактите. Ето защо основната проектираща характеристика на автоматичния прекъсвач е да предостави различни методи за контрол на налягането, методи за охлаждане за различни дъгови медиуми между контактите на автоматичния прекъсвач.