Hvad er en bue? | Bue i strømbryder
Inden vi går i detaljer med teknologierne til bue kvælning eller bue udslukning, som anvendes i kredsløbsbrydere, skal vi først vide, hvad en bue egentlig er.
Hvad er en Bue?
Når strøm-bærende kontakter i en kredsløbsbryder åbnes, bliver mediumet mellem de åbnende kontakter højst ioniseret, hvilket giver den afbrydende strøm et vejskort modstandsværdi, og den fortsætter med at flyde gennem denne vej, selvom kontakterne er fysisk adskilt. Under strømmens flyd fra en kontakt til en anden bliver vejen så varm, at den gløder. Dette kaldes en bue.
Bue i Kredsløbsbryder
Når belasted strømkontakter i en kredsløbsbryder åbnes, dannes der en bue i kredsløbsbryderen mellem de adskilte kontakter.
Så længe denne bue vedbliver mellem kontakterne, vil strømmen gennem kredsløbsbryderen ikke blive afbrudt, da bue selv er en ledende vej for elektricitet. For at afbryde strømmen fuldstændigt er det afgørende at kvæle buen så hurtigt som muligt. Den vigtigste designkriterie for en kredsløbsbryder er at give passende teknologi til bue kvælning i kredsløbsbryderen for at opfylde hurtig og sikker strømafbrydning. Så før vi går ind på forskellige bue kvælningsmetoder, der anvendes i kredsløbsbrydere, skal vi prøve at forstå, hvad en bue er, og den grundlæggende teori om bue i kredsløbsbryder. Lad os diskutere dette.
Termisk Ionisering af Gas
Der findes et antal frie elektroner og ioner i en gas ved stuetemperatur pga. ultralydsstråler, kosmiske stråler og radioaktivitet fra jorden. Disse frie elektroner og ioner er så få, at de ikke er nok til at opretholde ledning af elektricitet. Gasmolekyler bevæger sig tilfældigt ved stuetemperatur. Det er fundet, at et luftmolekyle ved en temperatur på 300oK (stuetemperatur) bevæger sig tilfældigt med en gennemsnitshastighed på ca. 500 meter/sekund og kolliderer med andre molekyler med en frekvens på 1010 gange/sekund.
Disse tilfældigt bevægende molekyler kolliderer med hinanden meget ofte, men molekylernes kinetiske energi er ikke tilstrækkelig til at trække et elektron fra atomerne i molekylet. Hvis temperaturen øges, vil luften blive opvarmet, og dermed vil hastigheden af molekylene øges. Højere hastighed betyder højere påvirkning under intermolekylære kollisioner. Under disse forhold opløses nogle af molekylene i atomer. Hvis temperaturen af luften øges yderligere, mister mange atomer valenselektroner og ioniserer gasen. Derefter kan denne ioniserede gas lede elektricitet pga. tilstrækkeligt antal frie elektroner. Denne tilstand for enhver gas eller luft kaldes plasma. Dette fænomen kaldes termisk ionisering af gas.
Ionisering pga. Elektronkollision
Som vi har drøftet, er der altid nogle frie elektroner og ioner i luften eller gas, men de er utilstrækkelige til at lede elektricitet. Når disse frie elektroner kommer i nærheden af et stærkt elektrisk felt, dirigeres de mod punkter med højere potentiale i feltet og opnår en tilstrækkelig høj hastighed. Med andre ord bliver elektroner accelereret langs retningen af det elektriske felt pga. højt potentialgradient. Under deres rejse kolliderer disse elektroner med andre atomer og molekyler i luften eller gas og trækker valenselektroner fra deres baner.
Efter at være blevet trukket fra moderatomerne, vil elektronerne også løbe langs retningen af samme elektriske felt pga. potentialgradient. Disse elektroner vil på samme måde kolliderer med andre atomer og skabe flere frie elektroner, som også vil blive dirigeret langs elektrisk felt. Pga. denne konjugerede virkning vil antallet af frie elektroner i gasen blive så højt, at gasen begynder at lede elektricitet. Dette fænomen kendes som ionisering af gas pga. elektronkollision.
Deionisering af Gas
Hvis alle årsagerne til ionisering af gas fjernes fra en ioniseret gas, kommer den hurtigt tilbage til sin neutrale tilstand ved genforening af de positive og negative ladninger. Processen med genforening af positive og negative ladninger kaldes deionisering. I deionisering ved diffusion bevæger de negative ioner eller elektroner og positive ioner sig til væggene under indflydelse af koncentrationsgrader og fuldfører dermed processen med genforening.
Rolle af Bue i Kredsløbsbryder
Når to strømbærende kontakter netop åbnes, danner en bue over kontaktspillet, hvilket giver strømmen en lavmodstandsvej til at flyde, så der ikke vil være nogen pludselig afbrydelse af strømmen. Da der ikke er nogen pludselig og brusk ændring i strømmen under åbning af kontakterne, vil der ikke være nogen ualmindelig skift over spænding i systemet. Hvis i er strømmen, der flyder gennem kontakterne lige inden de åbnes, L er systemets induktans, kan skift over spænding under åbning af kontakterne udtrykkes som V = L.(di/dt), hvor di/dt er hastigheden af ændring i strøm med hensyn til tid under åbning af kontakterne. I tilfælde af alternerende strøm bliver bue midlertidigt slukket ved hvert strømnullpunkt. Efter at have krydset hvert strømnullpunkt bliver mediet mellem de adskilte kontakter igen ioniseret under næste cyklus af strøm, og bue i kredsløbsbryder genoprettes. For at gøre afbrydelsen fuldstændig og vellykket, skal denne re-ionisering mellem de adskilte kontakter forhindres efter et strømnullpunkt.
Hvis bue i kredsløbsbryderen mangler under åbning af strømbærende kontakter, ville der være en pludselig og brusk afbrydelse af strømmen, hvilket ville forårsage en enorm skift over spænding, der var tilstrækkelig til at alvorligt stressere isolationen i systemet. På den anden side giver bue en gradvis, men hurtig, overgang fra strømbærende til strømafbrydende tilstande for kontakterne.
Bue Afbrydelse eller Bue Kvælning eller Bue Udslukningsteori
Buekolonne Karakteristikker
Ved høj temperatur befinder de opladte partikler i en gas sig hurtigt og tilfældigt, men i fravær af et elektrisk felt finder der ingen netto bevægelse sted. Når et elektrisk felt anvendes i gasen, får de opladte partikler en driftshastighed superlagt på deres tilfældige termiske bevægelse. Driftshastigheden er proportional med feltets spændingsgradient og partikelmobilitet. Partikelmobiliteten afhænger af partiklets masse, jo tungere partikler, desto lavere mobilitet. Mobiliteten afhænger også af de tilgængelige frie veje i gasen for tilfældig bevægelse af partikler. Da hver gang en partikel kolliderer, mister den sin dirigerede hastighed og skal igen accelereres i retningen af det elektriske felt. Derfor reduceres partiklers netto mobilitet. Hvis gasen er under højt tryk, bliver den tættere, og derfor kommer gasmolekyler tættere på hinanden, hvilket resulterer i mere hyppige kollisioner, hvilket nedbringer partiklers mobilitet. Den totale strøm af opladte partikler er direkte proportional med deres mobilitet. Derfor afhænger mobiliteten af opladte partikler af temperaturen, trykket på gasen samt naturen af gasen. Igennem mobiliteten af gaspartikler bestemmes graden af gasens ionisering.
Så fra ovenstående forklaring kan vi sige, at ioniseringsprocessen af gas afhænger af naturen af gas (tyngre eller lette gaspartikler), trykket af gas og temperaturen af gas. Som vi sagde tidligere, afhænger intensiteten af buekolonnen af tilstedeværelsen af ioniseret medium mellem de adskilte elektriske kontakter, derfor skal særlig opmærksomhed gives til reduktion af ionisering eller øgning af deionisering af medium mellem kontakter. Dette er grunden til, at den vigtigste designegenskab for en kredsløbsbryder er at give forskellige trykstyringsmetoder, kølingsteknikker for forskellige bue-medier mellem kredsløbsbryderkontakter.
Varme tab fra en Bue
Varmetab fra en bue i kredsløbsbryder foregår gennem konduktion, konvektion samt stråling. I kredsløbsbryder med plain break arc i olie, bue i chutes eller smalle slots, er næsten alle varmetab due til konduktion. I luftblast kredsløbsbryder eller i brydere, hvor der er en gasstrøm mellem de elektriske kontakter, finder varmetab af bueplasma sted gennem konvektion. Ved normalt tryk er strålingen ikke en signifikant faktor, men ved højere tryk kan strålingen blive en meget vigtig faktor for varmedissemination fra bueplasma. Under åbning af elektriske kontakter produceres bue i kredsløbsbryderen, og den slukkes ved hvert nullkryds af strømmen og genoprettes derefter under næste cyklus. Den endelige bueudslukning eller buekvælning i kredsløbsbryder opnås ved hurtig øgning af dielektriske styrken i mediumet mellem kontakterne, således at genoprettelsen af bue efter nullkryds ikke er mulig. Den hurtige øgning af dielektriske styrke mellem kredsløbsbryderkontakter opnås enten ved deionisering af gas i bue-mediets eller ved at erstatte ioniseret gas med køl og frisk gas.
Der findes forskellige deioniseringsprocesser, der anvendes til bueudslukning i kredsløbsbrydere, lad os diskutere dem kort.
Deionisering af Gas pga. Øget Tryk
Hvis trykket i buebanen øges, øges densiteten af den ioniserede gas, hvilket betyder, at partiklerne i gasen kommer tættere på hinanden, og som resultat reduceres partiklers frie vej. Dette øger kollisionsfrekvensen, og som vi allerede har drøftet, mister de opladte partikler deres dirigerede hastighed langs elektrisk felt ved hver kollision, og de bliver igen accelereret mod feltet. Man kan sige, at den samlede mobilitet af de opladte partikler er reduceret, så spændingen, der kræves for at opretholde bue, er øget. Et andet effekt af den øgede partikeldensitet er en højere hastighed af deionisering af gas pga. genforening af partikler med modsatte ladninger.
