Was ist ein Bogen? | Bogen im Schaltgerät
Bevor wir auf die Details der eingesetzten Bogenlöschung- oder Bogenunterdrückung-Technologien in einem Schaltgerät eingehen, sollten wir zunächst wissen, was ein Bogen eigentlich ist.
Was ist ein Bogen?
Während das Öffnen von Strom führenden Kontakten in einem Schaltgerät wird das Medium zwischen den sich öffnenden Kontakten stark ionisiert, wodurch der Unterbrechungsstrom einen leitfähigen Pfad mit geringem Widerstand erhält und weiterhin durch diesen Pfad fließt, auch wenn die Kontakte physisch getrennt sind. Während des Stromflusses von einem Kontakt zum anderen wird der Pfad so stark erhitzt, dass er glüht. Dies wird als Bogen bezeichnet.
Bogen im Schaltgerät
Sobald die unter Last stehenden Kontakte eines Schaltgeräts geöffnet werden, entsteht ein Bogen im Schaltgerät, der zwischen den sich trennenden Kontakten etabliert wird.
Solange dieser Bogen zwischen den Kontakten bestehen bleibt, wird der Strom durch das Schaltgerät nicht endgültig unterbrochen, da der Bogen selbst ein leitfähiger Pfad für Elektrizität ist. Für eine vollständige Stromunterbrechung ist es essentiell, den Bogen so schnell wie möglich zu löschen. Das Hauptdesignkriterium eines Schaltgeräts besteht darin, angemessene Technologien zur Bogenlöschung bereitzustellen, um eine schnelle und sichere Stromunterbrechung zu gewährleisten. Bevor wir uns also mit verschiedenen Bogenlöschtechniken befassen, die in Schaltgeräten eingesetzt werden, sollten wir versuchen, zu verstehen, was ein Bogen ist und die Grundtheorie des Bogens im Schaltgerät, lassen Sie uns darüber diskutieren.
Thermische Ionisierung von Gas
Es gibt eine Anzahl freier Elektronen und Ionen in einem Gas bei Raumtemperatur, die durch ultraviolette Strahlen, kosmische Strahlung und Radioaktivität der Erde entstehen. Diese freien Elektronen und Ionen sind so wenige, dass sie unzureichend sind, um den Stromtransport aufrechtzuerhalten. Die Gas-Moleküle bewegen sich bei Raumtemperatur zufällig. Es wurde festgestellt, dass ein Luftmolekül bei einer Temperatur von 300oK (Raumtemperatur) zufällig mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von etwa 500 Metern/Sekunde bewegt und andere Moleküle mit einer Rate von 1010 Mal/Sekunde kollidiert.
Diese zufällig bewegten Moleküle kollidieren sehr häufig miteinander, aber die kinetische Energie der Moleküle ist nicht ausreichend, um ein Elektron aus den Atomen der Moleküle zu extrahieren. Wenn die Temperatur erhöht wird, wird die Luft erhitzt und daher die Geschwindigkeit der Moleküle erhöht. Eine höhere Geschwindigkeit bedeutet einen höheren Aufprall während der intermolekularen Kollision. In dieser Situation werden einige der Moleküle in Atome zerlegt. Wenn die Temperatur der Luft weiter erhöht wird, werden viele Atome ihrer Valenzelektronen beraubt und machen das Gas ionisiert. Dann kann dieses ionisierte Gas Strom leiten, weil genug freie Elektronen vorhanden sind. Dieser Zustand eines Gases oder der Luft wird als Plasma bezeichnet. Dieses Phänomen wird als thermische Ionisierung von Gas bezeichnet.
Ionisierung durch Elektronenkollision
Wie bereits besprochen, sind immer einige freie Elektronen und Ionen in der Luft oder dem Gas vorhanden, aber sie sind unzureichend, um Strom zu leiten. Sobald diese freien Elektronen ein starkes elektrisches Feld begegnen, werden sie in Richtung der Punkte mit höherem Potential im Feld dirigiert und erreichen eine ausreichend hohe Geschwindigkeit. Mit anderen Worten, die Elektronen werden entlang der Richtung des elektrischen Feldes aufgrund eines hohen Potenzialgradienten beschleunigt. Während ihres Weges kollidieren diese Elektronen mit anderen Atomen und Molekülen der Luft oder des Gases und extrahieren Valenzelektronen aus ihren Umlaufbahnen.
Nachdem sie aus den Elternatomen extrahiert wurden, werden die Elektronen ebenfalls entlang der Richtung des gleichen elektrischen Feldes aufgrund des Potenzialgradienten laufen. Diese Elektronen werden ähnlich mit anderen Atomen kollidieren und mehr freie Elektronen erzeugen, die ebenfalls entlang des elektrischen Feldes dirigiert werden. Aufgrund dieser konjugierten Aktion wird die Anzahl der freien Elektronen im Gas so hoch, dass das Gas beginnt, Strom zu leiten. Dieses Phänomen wird als Gasionisierung aufgrund von Elektronenkollision bezeichnet.
Deionisierung von Gas
Wenn alle Ursachen der Gasionisierung von einem ionisierten Gas entfernt werden, kehrt es rasch in seinen neutralen Zustand zurück, indem sich die positiven und negativen Ladungen rekombinieren. Der Prozess der Rekombination von positiven und negativen Ladungen wird als Deionisierung bezeichnet. Bei der Deionisierung durch Diffusion bewegen sich die negativen Ionen oder Elektronen und die positiven Ionen unter dem Einfluss von Konzentrationsgradienten zu den Wänden und vollenden so den Rekombinationsprozess.
Rolle des Bogens im Schaltgerät
Wenn zwei Stromkontakte gerade geöffnet werden, spannt ein Bogen die Kontaktlücke, durch die der Strom einen leitfähigen Pfad mit geringem Widerstand hat, um zu fließen, so dass es keine plötzliche Stromunterbrechung gibt. Da es keinen plötzlichen und abrupten Wechsel im Strom während des Öffnens der Kontakte gibt, gibt es kein abnormales Schaltüber-Spannung im System. Wenn i der Strom ist, der durch die Kontakte fließt, kurz bevor sie sich öffnen, L die System-Induktivität, kann die Schaltüber-Spannung während des Öffnens der Kontakte als V = L.(di/dt) ausgedrückt werden, wobei di/dt die Änderungsrate des Stroms in Bezug auf die Zeit während des Öffnens der Kontakte ist. Im Fall eines Wechselstroms wird der Bogen vorübergehend bei jedem Stromnullpunkt erloschen. Nach dem Überschreiten jedes Stromnullpunktes wird das Medium zwischen den getrennten Kontakten während des nächsten Stromzyklus wieder ionisiert und der Bogen im Schaltgerät wird wiederhergestellt. Um die Unterbrechung vollständig und erfolgreich zu gestalten, muss diese Re-Ionisierung zwischen den getrennten Kontakten nach einem Stromnullpunkt verhindert werden.
Wenn während des Öffnens der Stromführenden Kontakte kein Bogen im Schaltgerät vorhanden ist, würde es zu einer plötzlichen und abrupten Stromunterbrechung kommen, die eine enorme Schaltüber-Spannung hervorrufen würde, die ausreicht, um die Isolierung des Systems schwer zu belasten. Andererseits bietet der Bogen einen allmählichen, aber schnellen, Übergang vom Stromführenden zum Strom-unterbrechenden Zustand der Kontakte.
Theorie der Bogenunterbrechung, Bogenlöschung oder Bogenunterdrückung
Eigenschaften des Bogenstrangs
Bei hoher Temperatur bewegen sich die geladenen Teilchen in einem Gas schnell und zufällig, aber ohne elektrisches Feld findet keine Netzbewegung statt. Sobald ein elektrisches Feld im Gas angewendet wird, gewinnen die geladenen Teilchen eine Driftgeschwindigkeit, die auf ihre zufällige thermische Bewegung überlagert wird. Die Driftgeschwindigkeit ist proportional zum Spannungsgradienten des Feldes und der Teilchenmobilität. Die Teilchenmobilität hängt von der Masse des Teilchens ab, je schwerer die Teilchen, desto geringer die Mobilität. Die Mobilität hängt auch von den mittleren Freipfaden ab, die im Gas für die zufällige Bewegung der Teilchen verfügbar sind. Da jedes Mal, wenn ein Teilchen kollidiert, es seine gerichtete Geschwindigkeit verliert und neu in Richtung des elektrischen Feldes beschleunigt werden muss, wird die Netzmobilität der Teilchen reduziert. Wenn das Gas unter hohem Druck steht, wird es dichter und daher kommen die Gas-Moleküle einander näher, wodurch Kollisionen häufiger auftreten, was die Mobilität der Teilchen verringert. Der gesamte Strom durch geladene Teilchen ist direkt proportional zu ihrer Mobilität. Daher hängt die Mobilität der geladenen Teilchen von der Temperatur, dem Druck des Gases und der Natur des Gases ab. Die Mobilität der Gaspartikel bestimmt wiederum den Grad der Gasionisierung.
Aus der obigen Erklärung können wir also sagen, dass der Ionisierungsprozess des Gases von der Natur des Gases (schwere oder leichte Gaspartikel), dem Druck des Gases und der Temperatur des Gases abhängt. Wie bereits erwähnt, hängt die Intensität des Bogenstrangs von der Anwesenheit eines ionisierten Mediums zwischen den getrennten elektrischen Kontakten ab, daher sollte besondere Aufmerksamkeit darauf gelegt werden, die Ionisierung zu reduzieren oder die Deionisierung des Mediums zwischen den Kontakten zu erhöhen. Aus diesem Grund besteht das Hauptdesignmerkmal eines Schaltgeräts darin, verschiedene Drucksteuerungsmethoden und Kühlmethoden für unterschiedliche Bogenmedien zwischen den Kontakten eines Schaltgeräts bereitzustellen.
Wärmeabgabe eines Bogens
Die Wärmeabgabe eines Bogens in einem Schaltgerät erfolgt durch Wärmeleitung, Konvektion sowie Strahlung. In einem Schaltgerät mit einfachem Bogen in Öl, Bogen in Chutes oder engen Schlitzstellen erfolgt fast die gesamte Wärmeabgabe durch Wärmeleitung. In einem Luftstrahl-Schaltgerät oder in einem Schaltgerät, bei dem ein Gasfluss zwischen den elektrischen Kontakten vorhanden ist, erfolgt die Wärmeabgabe des Bogenplasmas durch den Konvektionsprozess. Bei Normaldruck ist die Strahlung kein signifikanter Faktor, aber bei höherem Druck kann die Strahlung ein sehr wichtiger Faktor für die Wärmeabgabe aus dem Bogenplasma sein. Während des Öffnens der elektrischen Kontakte wird im Schaltgerät ein Bogen erzeugt und erlischt bei jedem Nullübergang des Stroms und wird dann im nächsten Zyklus wiederhergestellt. Die endgültige Bogenunterdrückung oder Bogenlöschung im Schaltgerät wird durch eine schnelle Erhöhung der dielektrischen Festigkeit im Medium zwischen den Kontakten erreicht, sodass eine Wiederherstellung des Bogens nach einem Nullübergang nicht möglich ist. Diese schnelle Erhöhung der dielektrischen Festigkeit zwischen den Kontakten eines Schaltgeräts wird entweder durch die Deionisierung des Gases im Bogenmedium oder durch den Austausch des ionisierten Gases durch kühles und frisches Gas erreicht.
Es gibt verschiedene Deionisationsverfahren, die für die Bogenunterdrückung in Schaltgeräten angewendet werden, lassen Sie uns diese kurz besprechen.
Deionisierung von Gas durch Erhöhung des Drucks
Wenn der Druck des Bogenpfades erhöht wird, nimmt die Dichte des ionisierten Gases zu, was bedeutet, dass die Teilchen im Gas einander näher kommen und dadurch der mittlere Freipfad der Teilchen reduziert wird. Dies erhöht die Kollisionsrate und wie bereits besprochen, verlieren die geladenen Teilchen bei jeder Kollision ihre gerichtete Geschwindigkeit entlang des elektrischen Feldes und werden wieder in Richtung des Feldes beschleunigt. Man kann sagen, dass die gesamte Mobilität der geladenen Teilchen reduziert wird, sodass die Spannung, die erforderlich ist, um den Bogen aufrechtzuerhalten, erhöht wird. Ein weiterer Effekt der erhöht
