Mikä on kaari? | Kaari sulakkeessa
Ennen kuin käydään läpi kaarin tukahduttamista tai kaarin lopettamista käytettyjä tekniikoita virtasulun yhteydessä, meidän tulisi ensin tietää, mikä kaari itse asiassa on.
Mikä on kaari
Kun virtasulun virtaavat yhteyspisteet avautuvat, niiden välissä oleva medium tulee voimakkaasti ionisoituneeksi, minkä kautta keskeytettävä virta saa matalaresistenssin polun ja jatkaa virtaamista tämän polun kautta vaikka yhteyspisteet ovatkin fyysisesti erottuneet. Virtaessaan yhdestä yhteyspisteestä toiseen polku lämpenee niin paljon, että se hohtaa. Tätä kutsutaan kaariksi.
Virtasulun kaari
Aina, kun virtasulun yhteyspisteet avautuvat, muodostuu kaari virtasulun yhteyspisteiden välille.
Niin kauan kuin tämä kaari pysyy yhteyspisteiden välillä, virta virtasulun kautta ei keskeydy lopullisesti, koska kaari on itse asiassa sähkön johtava polku. Virtan lopullisen keskeyttämisen kannalta on välttämätöntä tukahduttaa kaari mahdollisimman nopeasti. Virtasulun suunnittelun pääperiaate on tarjota asianmukainen teknologia kaarin tukahduttamiseksi virtasulussa, jotta voidaan toteuttaa nopea ja turvallinen virtakeskeytys. Joten ennen kuin käydään läpi eri kaarin tukahduttamistekniikoita, jotka käytetään virtasulussa, yritetään ymmärtää, mikä on kaari ja perusteellinen teoria kaarista virtasulussa, jatketaan.
Kaasun lämpöionisaatio
Huoneenlämpötilassa on kaasussa vapaana olevia elektroneja ja ionien vuoksi ultraviolettisäteilyä, kosmisia säteitä ja Maan radioaktiivisuutta. Nämä vapaana olevat elektronit ja ionit ovat niin harvinaisia, ettei niitä riitä sähkön johtamiseen. Kaasumolekyylit liikkuvat satunnaisesti huoneenlämpötilassa. On havaittu, että ilmamolekyyli lämpötilassa 300oK (huoneenlämpö) liikkuu satunnaisesti noin 500 metriä sekunnissa ja törmää muihin molekyyleihin noin 1010 kertaa sekunnissa.
Nämä satunnaisesti liikkuvat molekyylit törmäävät toisiinsa hyvin usein, mutta molekyylien kinettinen energia ei ole riittävä purkaa elektronia atomeista. Jos lämpötila nostetaan, ilma lämpenee ja seurauksena molekyylit liikkuvat nopeammin. Korkeampi nopeus tarkoittaa korkeampaa vaikutusta molekyylien välisessä törmäyksessä. Tällä tilanteella jotkut molekyylit hajoavat atomeiksi. Jos ilman lämpötila nostetaan edelleen, monet atomit menettävät valenssielektroninsa ja kaasu ionisoituu. Tällöin tämä ionisoitunut kaasu voi johtaa sähköä riittävien vapaiden elektronien vuoksi. Tämä kaasun tai ilman tila kutsutaan plasmaksi. Tätä ilmiötä kutsutaan kaasun lämpöionisaatioksi.
Elektronitörmäyksen aiheuttama ionisaatio
Kuten mainitsimme, on aina vapaana olevia elektroneja ja ionien ilma- tai kaasuympäristössä, mutta niitä on liian vähän sähkön johtamiseen. Kun nämä vapaana olevat elektronit kohtaavat vahvan sähkökentän, ne ohjataan kentän suuntaan ja saavat riittävän nopeuden. Toisin sanoen, elektronit kiihdytetään sähkökentän suuntaan korkean potentiaaligradientin vuoksi. Matkallaan nämä elektronit törmäävät muihin ilman tai kaasun atomeihin ja poistavat valenssielektronit niiden orbiiteilta.
Kun ne on poistettu vanhemmilta atomeilta, elektronit kulkevat myös saman sähkökentän suuntaan potentiaaligradientin vuoksi. Nämä elektronit törmäävät samalla tavalla muihin atomeihin ja luovat lisää vapaana olevia elektroneita, jotka ohjautuvat myös sähkökentän suuntaan. Tämän konjugaattitoiminnan ansiosta vapaana olevien elektronien määrä kaasussa kasvaa niin paljon, että kaasu alkaa johtaa sähköä. Tätä ilmiötä kutsutaan kaasun ionisaatioksi elektronitörmäyksen vuoksi.
Kaasun deionisaatio
Jos kaikki kaasun ionisaation aiheet poistetaan ionisoituneesta kaasusta, se palaa nopeasti neutraaliin tilaansa positiivisten ja negatiivisten varusten rekombinoitumisen kautta. Rekombinoitumisprosessia kutsutaan deionisaatioksi. Deionisaatiossa diffuusiolla negatiiviset ionit tai elektronit ja positiiviset ionit siirtyvät seinille pitoisuusgradientin vaikutuksesta ja täten rekombinaatioprosessi suoritetaan.
Virtasulun kaaren rooli
Kun kaksi virtayhteyspistettä juuri avautuvat, kaari siltaa yhteyspisteiden välin, joka tarjoaa virtalle matalaresistenssin polun, joten virtaa ei keskeydy äkillisesti. Koska virtaa ei keskeydy äkillisesti ja jäykästi yhteyspisteiden avaamisen yhteydessä, järjestelmässä ei tapahdu epänormaalia kytkentävaihdetta jännitteessä. Jos i on virta, joka kulkee yhteyspisteiden kautta heti ennen niiden avaamista, L on järjestelmän induktanssi, kytkentävaihto jännite yhteyspisteiden avaamisen yhteydessä voidaan ilmaista V = L.(di/dt), missä di/dt on virtan muutosnopeus ajan suhteen yhteyspisteiden avaamisen yhteydessä. Vaihtovirran tapauksessa kaari tukahdutetaan väliaikaisesti jokaisessa nollakohdassa. Jokaisen nollakohdan ylittämisen jälkeen erotettujen yhteyspisteiden välissä oleva media ionisoituu uudelleen seuraavalla virran kierroksella, ja kaari virtasulussa perustetaan uudelleen. Keskeytystä tehdäksesi täydelliseksi ja onnistuneeksi, tämän uudelleenionisoitumisen pitää estää erotettujen yhteyspisteiden välillä jokaisen nollakohdan jälkeen.
Jos kaaria virtasulussa ei ole yhteyspisteiden avaamisen yhteydessä, virta keskeytyisi äkillisesti ja jäykästi, mikä aiheuttaisi valtavan kytkentävaihdosjännitteen, joka olisi riittävän suuri stressaamaan järjestelmän eristyksen vakavasti. Toisaalta, kaari tarjoaa asteittaisen, mutta nopean, siirtymän virtayhteyspisteiden virtaamisesta virtasulun keskeyttämiseen.
Kaaren keskeyttäminen, kaaren tukahduttaminen tai kaaren lopettaminen - teoria
Kaarisarakkeen ominaisuudet
Korkeassa lämpötilassa kaasun ladotut osiot liikkuvat nopeasti ja satunnaisesti, mutta sähkökenttän puuttuessa ei tapahdu netto-liikettä. Kun sähkökenttä sovelletaan kaasuun, ladotut osiot saavat drift-nopeuden, joka on päällekkäin niiden satunnaisen lämpöliikkeen kanssa. Drift-nopeus on verrannollinen kentän jännitysgradienttiin ja osion mobiiliuteen. Otion mobiilius riippuu osion massasta, painavammilla osioilla on pienempi mobiilius. Mobiilius riippuu myös osioiden satunnaiselle liikkeelle saatavista vapaista tievoista. Aina, kun osio törmää, se häviää suuntansa ja sen on taas kiihdytettävä sähkökentän suuntaan. Näin ollen osioiden kokonaismobiilius vähenee. Jos kaasu on korkeassa paineessa, se tulee tiheäksi ja kaasumolekyylit tulevat lähemmäksi toisiaan, joten törmäykset tapahtuvat useammin, mikä vähentää osioiden mobiiliutta. Ladotut osiot tuottama kokonaisvirta on suoraan verrannollinen niiden mobiiliuteen. Siksi ladotut osiot riippuvat kaasun lämpötilasta, paineesta ja kaasun luonteesta. Uudelleen, kaasupartiikoiden mobiilius määrää kaasun ionisaation asteen.
Joten yllämainitun selityksen perusteella voimme sanoa, että kaasun ionisaatioprosessi riippuu kaasun luonnosta (painavammista tai kevyemmistä kaasupartiikoista), kaasun paineesta ja kaasun lämpötilasta. Kuten aiemmin sanottu, kaarisarakkeen intensiteetti riippuu ionisoituneen median läsnäolosta erotettujen sähköyhteyspisteiden välillä, joten erityistä huomiota on kiinnitettävä ionisaation vähentämiseen tai deionisaation lisäämiseen yhteyspisteiden välillä. Siksi virtasulun suunnittelun pääominaisuus on tarjota erilaisia painepistehallintamenetelmiä, jäädytysmenetelmiä eri kaarien medioiden välillä virtasulun yhteyspisteiden välillä.
Lämpölasku kaaresta
Virtasulun kaaren lämpölasku tapahtuu lämmönhajonnalla, lämmönsiirrolla ja säteilyn kautta. Yksinkertaisessa virtasulussa, jossa kaari on öljyssä, kaari kanavoissa tai kapeissa raudoissa, lähes kaikki lämpölasku tapahtuu lämmönhajonnalla. Ilmapuhallinvirtasulussa tai virtasulussa, jossa on kaasun virtaus sähköyhteyspisteiden välillä, kaariplasman lämpölasku tapahtuu lämmönsiirron kautta. Normaalipaineessa säteily ei ole merkittävä tekijä, mutta korkeammassa paineessa säteily voi tulla erittäin tärkeäksi tekijäksi lämpölaskulle kaariplasman kautta. Sähköyhteyspisteiden avaamisen yhteydessä virtasulun kaari syntyy ja se tukahdutetaan jokaisessa nollakohdassa ja sitä perustetaan uudelleen seuraavalla kierroksella. Virtasulun lopullinen kaaren tukahduttaminen tai kaaren lopettaminen saavutetaan nopealla dielektrisen vahvuuden kasvulla yhteyspisteiden välillä, jotta kaaren uudelleenperustaminen nollakohdan jälkeen ei ole mahdollista. Tämä nopea dielektrisen vahvuuden kasvu virtasulun yhteyspisteiden välillä saavutetaan joko kaasun deionisaation tai ionisoituneen kaasun korvaamisen kautta kylmällä ja uudella kaasulla.
On erilaisia deionisaatiomenetelmiä kaaren tukahduttamiseksi virtasulussa, katsotaan niitä lyhyesti.
Deionisaatio kaasun paineen kasvun vuoksi
Jos kaaren polun paine kasvaa, ionisoituneen kaasun tiheys kasvaa, mikä tarkoittaa, että kaasun osiot tulevat lähemmäksi toisiaan ja siten osioiden vapaat tievät vähenevät. Tämä lisää törmäysasteen ja kuten aiemmin mainittiin, jokaisessa törmäyksessä ladotut osiot menettävät suuntansa sähkökentän suuntaan ja ne kiihdytetään uudelleen kentän suuntaan. Voidaan sanoa, että kaikkien ladotut osioiden kokonaismobiilius vähenee, joten kaaren ylläpitämiseen tarvittava jännite kasvaa. Osioiden tiheyden kasvun toinen vaikutus on korkeampi kaasun deionisaation aste vastavarojen rekombinoitumisen kautta.
