Co je oblouk? | Oblouk v přerušovači obvodu
Než se zabudeme do detailů zhasínání oblouku nebo vymírání oblouku použitých v spínači, měli bychom nejdříve vědět, co je to oblouk.
Co je oblouk?
Během otevírání proudových kontaktů v spínači se prostředí mezi otevíranými kontakty silně ionizuje, čímž proud získá cestu s nízkým odporom a bude pokračovat v průtoku tímto směrem i poté, co jsou kontakty fyzicky odděleny. Během průtoku proudu z jednoho kontaktu na druhý se cesta natolik zahřeje, že začne svítit. To se nazývá oblouk.
Oblouk v spínači
Kdykoli se otevřou proudové kontakty spínače, vznikne oblouk v spínači, který propojuje oddělené kontakty.
Dokud tento oblouk trvá mezi kontakty, proud přes spínač nebude konečně přerušen, protože oblouk samotný je vodivá cesta pro elektřinu. Pro úplné přerušení proudu je nezbytné oblouk co nejrychleji uhasit. Hlavním návrhovým kritériem spínače je poskytnout vhodnou technologii zhasínání oblouku v spínači, aby bylo možné rychlé a bezpečné přerušení proudu. Před projitím různými technikami zhasínání oblouku použitými v spínači bychom měli snažit se pochopit, co je oblouk a základní teorie oblouku v spínači. Pojďme se nad tím zamyslet.
Tepelná ionizace plynu
V plyně při pokojové teplotě jsou přítomny malé množství volných elektronů a iontů, které vznikají díky ultrafialovému záření, kosmickému záření a radioaktivitě Země. Tyto volné elektrony a ionty jsou tak málo, že nejsou schopni udržet vedení elektřiny. Molekuly plynu se náhodně pohybují při pokojové teplotě. Bylo zjištěno, že molekula vzduchu při teplotě 300oK (pokojová teplota) se náhodně pohybuje s průměrnou rychlostí asi 500 metrů za sekundu a kolize s jinými molekulami probíhají s frekvencí 1010 krát za sekundu.
Tyto náhodně se pohybující molekuly se velmi často navzájem kolizují, ale kinetická energie molekul není dostatečná k vytažení elektronu z atomů molekul. Pokud se teplota zvýší, vzduch se ohřeje a v důsledku toho se zvýší rychlost molekul. Vyšší rychlost znamená vyšší dopad při mezimolekulárních srážkách. V této situaci se některé molekuly rozpadnou na atomy. Pokud se teplota vzduchu dále zvýší, mnoho atomů se zbaví valenčních elektronů a plyn se ionizuje. Tento ionizovaný plyn pak může vodiť elektřinu díky dostatečnému množství volných elektronů. Tato podmínka jakéhokoli plynu nebo vzduchu se nazývá plazma. Tento jev se nazývá tepelná ionizace plynu.
Ionizace kvůli elektronovým srážkám
Jak jsme již zmínili, v vzduchu nebo plynu jsou vždy přítomny nějaké volné elektrony a ionty, ale jejich množství je nedostatečné k vedení elektřiny. Jakmile tyto volné elektrony narazí na silné elektrické pole, jsou směrovány k bodům s vyšším potenciálem v poli a získají dostatečně vysokou rychlost. Jinými slovy, elektrony jsou akcelerovány podél směru elektrického pole díky vysokému potenciálnímu gradientu. Během své cesty tyto elektrony kolizují s jinými atomy a molekulami vzduchu nebo plynu a vytaží valenční elektrony z jejich oběžných drah.
Po vytažení z rodičovských atomů budou elektrony stejně jako předtím běžet podél stejného elektrického pole díky potenciálnímu gradientu. Tyto elektrony opět kolizují s jinými atomy a vytvářejí více volných elektronů, které budou také směrovány podél elektrického pole. Díky tomuto konjugovanému procesu se počet volných elektronů v plynu stane tak vysoký, že plyn začne vodiť elektřinu. Tento jev se nazývá ionizace plynu kvůli elektronovým srážkám.
Deionizace plynu
Pokud jsou odstraněny všechny příčiny ionizace plynu z ionizovaného plynu, ten se rychle vrátí do svého neutrálního stavu rekombinací kladných a záporných nábojů. Proces rekombinace kladných a záporných nábojů se nazývá deionizační proces. Deionizace difuzí spočívá v tom, že záporné ionty nebo elektrony a kladné ionty se pod vlivem koncentračních gradientů přesouvají k stěnám, což dokončuje proces rekombinace.
Rolle oblouku v spínači
Když se právě otevřou dva proudové kontakty, oblouk mostí mezeru mezi kontakty, čímž proud získá cestu s nízkým odporom, takže nedojde k náhlému přerušení proudu. Protože při otevírání kontaktů nedochází k náhlé a náhlé změně proudu, nedojde k žádnému neobvyklému přepnutí napětí v systému. Pokud je i proud, který prochází kontakty právě před jejich otevřením, L je systémová indukčnost, přepnutí napětí při otevírání kontaktů lze vyjádřit jako V = L.(di/dt), kde di/dt je míra změny proudu vzhledem k času při otevírání kontaktů. V případě střídavého proudu je oblouk dočasně uhašen u každého nulového proudu. Po překročení každého nulového proudu se prostředí mezi oddělenými kontakty znovu ionizuje během dalšího cyklu proudu a oblouk v spínači je znovu založen. Aby bylo přerušení úplné a úspěšné, musí být po nulovém proudu zabráněno znovuionizaci mezi oddělenými kontakty.
Pokud by oblouk v spínači chyběl při otevírání proudových kontaktů, došlo by k náhlému a náhlému přerušení proudu, což by způsobilo obrovské přepnutí napětí, které by mohlo způsobit vážný stres izolace systému. Na druhou stranu, oblouk poskytuje postupný, ale rychlý přechod z proudového stavu do stavu proudu přerušení kontaktů.
Teorie přerušení, zhasínání nebo vymírání oblouku
Vlastnosti sloupce oblouku
Při vysoké teplotě se nabité částice v plyně rychle a náhodně pohybují, ale v nepřítomnosti elektrického pole nedochází k žádnému netto pohybu. Když je v plyně aplikováno elektrické pole, nabité částice získají driftovou rychlost superpozovanou na jejich náhodný tepelný pohyb. Driftová rychlost je úměrná napěťovému gradientu pole a pohyblivosti částic. Pohyblivost částic závisí na hmotnosti částice, těžší částice mají nižší pohyblivost. Pohyblivost také závisí na dostupných středních svobodných cestách pro náhodný pohyb částic v plyně. Každým, když částice kolizují, ztrácí svou směrovou rychlost a musí být znovu akcelerovány ve směru elektrického pole. Proto je celková pohyblivost částic snížena. Pokud je plyn pod vysokým tlakem, stává se hustějším a molekuly plynu se blíží k sobě, což způsobuje, že kolize probíhají častěji a snižují pohyblivost částic. Celkový proud nabitymi částicemi je přímo úměrný jejich pohyblivosti. Proto závisí pohyblivost nabitych částic na teplotě, tlaku plynu a povaze plynu. Opět určuje pohyblivost částic plynu stupeň ionizace plynu.
Z výše uvedeného vysvětlení můžeme říci, že proces ionizace plynu závisí na povaze plynu (těžší nebo lehčí částice plynu), tlaku plynu a teplotě plynu. Jak jsme uvedli dříve, intenzita sloupce oblouku závisí na přítomnosti ionizovaného prostředí mezi oddělenými elektrickými kontakty, proto by měla být věnována zvláštní pozornost snižování ionizace nebo zvyšování deionizace prostředí mezi kontakty. Proto je hlavní návrhovou funkcí spínače poskytnutí různých metod řízení tlaku a chlazení pro různá ionizovaná prostředí mezi kontakty spínače.
Ztráta tepla z oblouku
Ztráta tepla z oblouku v spínači probíhá kondukčně, konvekčně a radiací. V spínači s rovnou přestávkou oblouku v oleji, oblouku v kanálcích nebo úzkých štěrbinech dochází téměř všechna ztráta tepla kondukcí. V spínači s prouděním vzduchu nebo v spínači, kde je mezi elektrickými kontakty přítomen proud plynů, dochází ztráta tepla plazmy oblouku konvekcí. Při normálním tlaku není radiace významným faktorem, ale při vyšším tlaku může radiace být velmi důležitým faktorem disipace tepla z plazmy oblouku. Během otevírání elektrických kontaktů se v spínači vytvoří oblouk a je uhašen u každého nulového proudu a pak je znovu založen během dalšího cyklu. Úplné vymírání nebo zhasínání oblouku v spínači je dosaženo rychlým zvýšením dielektrické síly v prostředí mezi kontakty, takže znovuzaložení oblouku po nulovém proudu není možné. Toto rychlé zvýšení dielektrické síly mezi kontakty spínače je dosaženo buď deionizací plynu v prostředí oblouku, nebo nahrazením ionizovaného plynu chladným a čerstvým plynem.
Existuje mnoho procesů deionizace použitých pro vymírání oblouku v spínači, pojďme si je stručně popsat.
