چه چیزی آرک است؟ | آرک در برش‌کننده مدار

قبل از بررسی جزئیات فنون خاموش کردن قوس یا انقراض قوس که در برشکن استفاده می‌شود، باید ابتدا بدانیم قوس واقعاً چیست.

قوس چیست؟

در زمان باز کردن تماس‌های حامل جریان در یک برشکن، محیط بین تماس‌های باز شده به شدت یونیزه می‌شود که از طریق آن جریان مختل‌کننده مسیر مقاومت پایینی پیدا می‌کند و حتی بعد از جدا شدن فیزیکی تماس‌ها همچنان از طریق این مسیر جریان دارد. در طول جریان جریان از یک تماس به تماس دیگر، مسیر به اندازه‌ای گرم می‌شود که تابیده شود. این به آن گفته می‌شود قوس.

قوس در برشکن

هرگاه تماس‌های حامل جریان برشکن باز شوند، قوس در برشکن بین تماس‌های جدا شده تشکیل می‌شود.

تا زمانی که این قوس بین تماس‌ها حفظ می‌شود، جریان از طریق برشکن نخواهد رفت. برای مختل کردن کامل جریان، ضروری است که قوس به سرعت خاموش شود. معیار اصلی طراحی یک برشکن ارائه فناوری مناسب خاموش کردن قوس در برشکن برای ایجاد مختل کردن سریع و ایمن جریان است. بنابراین قبل از بررسی فنون مختلف خاموش کردن قوس که در برشکن استفاده می‌شود، باید سعی کنیم متوجه شویم چه چیزی قوس است و نظریه اساسی قوس در برشکن چیست، بیایید بحث کنیم.

یونیزه شدن حرارتی گاز

تعدادی الکترون آزاد و یون‌ها در یک گاز در دمای اتاق وجود دارند که به دلیل نور فروسرخ، پرتوهای کیهانی و رادیواکتیویته زمین ایجاد می‌شوند. این الکترون‌ها و یون‌های آزاد به اندازه‌ای کم هستند که برای حمل جریان برق کافی نیستند. مولکول‌های گاز به صورت تصادفی در دمای اتاق حرکت می‌کنند. مشخص شده است که یک مولکول هوا در دمای ۳۰۰ درجه کلوین (دمای اتاق) با سرعت متوسط حدود ۵۰۰ متر در ثانیه به صورت تصادفی حرکت می‌کند و با نرخ ۱۰^۱۰ بار در ثانیه با مولکول‌های دیگر برخورد می‌کند.

این مولکول‌های حرکت‌کننده به صورت تصادفی با یکدیگر به شدت برخورد می‌کنند اما انرژی جنبشی مولکول‌ها برای استخراج یک الکترون از اتم‌های مولکول کافی نیست. اگر دما افزایش یابد، هوا گرم می‌شود و در نتیجه سرعت مولکول‌ها افزایش می‌یابد. سرعت بالاتر به معنای برخورد با تأثیر بیشتر در برخورد میان مولکولی است. در این وضعیت برخی از مولکول‌ها به اتم‌ها تجزیه می‌شوند. اگر دمای هوا بیشتر افزایش یابد، بسیاری از اتم‌ها از الکترون‌های والانس خود محروم می‌شوند و گاز را یونیزه می‌کنند. سپس این گاز یونیزه می‌تواند برق را حمل کند زیرا الکترون‌های آزاد کافی دارد. این حالت هر گاز یا هوا را پلاسمایی می‌نامند. این پدیده به آن گفته می‌شود یونیزه شدن حرارتی گاز.

یونیزه شدن به دلیل برخورد الکترونی

همانطور که بحث شد، همیشه چند الکترون آزاد و یون در هوا یا گاز وجود دارد اما آنها برای حمل برق کافی نیستند. هر زمان که این الکترون‌های آزاد با یک میدان الکتریکی قوی مواجه می‌شوند، به سمت نقاط با بالاترین پتانسیل در میدان هدایت می‌شوند و سرعت کافی بالا می‌گیرند. به عبارت دیگر، الکترون‌ها به دلیل گرادیان پتانسیل بالا در جهت میدان الکتریکی شتاب می‌گیرند. در طول سفر خود، این الکترون‌ها با اتم‌ها و مولکول‌های دیگر هوا یا گاز برخورد می‌کنند و الکترون‌های والانس را از مدار آنها استخراج می‌کنند.

بعد از استخراج از اتم‌های مادر، الکترون‌ها نیز به دلیل گرادیان پتانسیل در جهت همان میدان الکتریکی حرکت می‌کنند. این الکترون‌ها نیز به طور مشابه با اتم‌های دیگر برخورد می‌کنند و الکترون‌های آزاد بیشتری ایجاد می‌کنند که نیز در جهت میدان الکتریکی هدایت می‌شوند. به دلیل این عمل متوالی، تعداد الکترون‌های آزاد در گاز به اندازه‌ای بالا می‌شود که گاز شروع به حمل برق می‌کند. این پدیده به آن گفته می‌شود یونیزه شدن گاز به دلیل برخورد الکترونی.

دی‌یونیزه شدن گاز

اگر تمام علل یونیزه شدن گاز از یک گاز یونیزه شده حذف شوند، به سرعت به حالت خنثی خود باز می‌گردند از طریق ترکیب مجدد بارهای مثبت و منفی. فرآیند ترکیب مجدد بارهای مثبت و منفی به آن گفته می‌شود فرآیند دی‌یونیزه شدن. در دی‌یونیزه شدن از طریق پخش، یون‌های منفی یا الکترون‌ها و یون‌های مثبت تحت تأثیر گرادیان غلظت به دیواره‌ها حرکت می‌کنند و بدین ترتیب فرآیند ترکیب مجدد را کامل می‌کنند.

نقش قوس در برشکن

وقتی دو تماس حامل جریان دقیقاً باز می‌شوند، یک قوس فاصله تماس را پل می‌کند که از طریق آن جریان مسیر مقاومت پایینی برای جریان یافته و بنابراین هیچ قطع ناگهانی جریان وجود نخواهد داشت. چون هیچ تغییر ناگهانی و ناگهانی در جریان در زمان باز کردن تماس‌ها وجود ندارد، هیچ ولتاژ تغییر ناگهانی در سیستم وجود نخواهد داشت. اگر i جریانی است که از طریق تماس‌ها دقیقاً قبل از باز شدن آنها جریان می‌یابد، L القای سیستم است، ولتاژ تغییر در زمان باز کردن تماس‌ها می‌تواند به صورت V = L.(di/dt) بیان شود که di/dt نرخ تغییر جریان نسبت به زمان در زمان باز کردن تماس‌ها است. در مورد جریان متناوب، قوس در هر صفر جریان موقتاً خاموش می‌شود. پس از عبور از هر صفر جریان، محیط بین تماس‌های جدا شده در چرخه بعدی جریان دوباره یونیزه می‌شود و قوس در برشکن دوباره تشکیل می‌شود. برای ایجاد مختل کردن کامل و موفق، این یونیزه شدن مجدد بین تماس‌های جدا شده باید پس از یک صفر جریان جلوگیری شود.

اگر قوس در برشکن در زمان باز کردن تماس‌های حامل جریان وجود نداشته باشد، قطع ناگهانی و ناگهانی جریان رخ خواهد داد که ولتاژ تغییر ناگهانی بسیار زیادی را ایجاد می‌کند که به اندازه‌ای است که عایق‌بندی سیستم را به شدت تحت فشار قرار دهد. از طرف دیگر، قوس انتقالی تدریجی اما سریع از حالت حامل جریان به حالت قطع جریان تماس‌ها را فراهم می‌کند.

نظریه مختل کردن یا خاموش کردن یا انقراض قوس

ویژگی‌های ستون قوس

در دمای بالا ذرات باردار در گاز به سرعت و به صورت تصادفی حرکت می‌کنند، اما در غیاب میدان الکتریکی، هیچ حرکت خالصی رخ نمی‌دهد. هر زمان که یک میدان الکتریکی در گاز اعمال می‌شود، ذرات باردار سرعت حرکت در جهت میدان الکتریکی به حرکت تصادفی حرارتی خود اضافه می‌کنند. سرعت حرکت در جهت میدان متناسب با گرادیان ولتاژ میدان و متحرکی ذرات است. متحرکی ذرات به جرم ذره بستگی دارد، ذرات سنگین‌تر، متحرکی کمتری دارند. متحرکی همچنین به مسیرهای آزاد متوسط موجود در گاز برای حرکت تصادفی ذرات بستگی دارد. زیرا هر زمان که یک ذره برخورد می‌کند، سرعت جهت‌دار خود را از دست می‌دهد و باید دوباره در جهت میدان الکتریکی شتاب بگیرد. بنابراین متحرکی کلی ذرات کاهش می‌یابد. اگر گاز در فشار بالا باشد، کثافت آن افزایش می‌یابد و بنابراین مولکول‌های گاز به هم نزدیک‌تر می‌شوند، بنابراین برخوردها به صورت مکرر‌تر اتفاق می‌افتد که متحرکی ذرات را کاهش می‌دهد. جریان کلی توسط ذرات باردار مستقیماً متناسب با متحرکی آنها است. بنابراین متحرکی ذرات باردار به دمای گاز، فشار گاز و نوع گاز بستگی دارد. دوباره متحرکی ذرات گاز تعیین‌کننده درجه یونیزه شدن گاز است.

بنابراین از توضیحات فوق می‌توان گفت که فرآیند یونیزه شدن گاز به نوع گاز (ذرات سنگین‌تر یا سبک‌تر)، فشار گاز و دمای گاز بستگی دارد. همانطور که قبلاً گفتیم، شدت ستون قوس به حضور محیط یونیزه بین تماس‌های الکتریکی جدا شده بستگی دارد، بنابراین باید توجه خاصی به کاهش یونیزه شدن یا افزایش دی‌یونیزه شدن محیط بین تماس‌ها داده شود. این دلیل اصلی طراحی برشکن است که روش‌های مختلف کنترل فشار، روش‌های خنک‌سازی برای محیط‌های مختلف قوس بین تماس‌های برشکن فراهم می‌کند.

گمشدن گرما از قوس