Mi az ív? | Az ív a vezetékátkapcsolóban

Mielőtt belemerülnénk a részletekbe, mint például az ív elnyelése vagy ív kikapcsolása technológiák, amelyeket a átkötőben alkalmaznak, először meg kell ismernünk, hogy mi az valójában az ív.

Mi az ív?

Amikor egy átkötőben áramviszonyú kapcsolatokat nyitjuk meg, a nyitott kapcsolatok közötti közeg nagyon ionizálódik, ami révén az átmeneti áram alacsony ellenállású utat talál, és folytatja az áramlást ezen úton, még akkor is, ha a kapcsolatok fizikailag elválasztva vannak. Az áram folyamán az útvonal olyan forró lesz, hogy fényt szór. Ez az, amit ívnak nevezünk.

Ív az átkötőben

Bármikor, amikor az átkötő terheléses áramkapcsolatai megnyílnak, az átkötőben létrejön ív a szétválasztott kapcsolatok között.

Addig, amíg az ív fenntartódik a kapcsolatok között, az átkötőn áthaladó áram végső soron nem lesz megszakítva, mivel az ív maga is vezető út az áram számára. A teljes árammegszakítás érdekében alapvetően fontos, hogy az ívet lehető leggyorsabban elnyeljük. Egy átkötő főleges tervezési kritériuma, hogy megfelelő technológiát biztosítson az ív elnyelésére az átkötőben, hogy gyors és biztonságos árammegszakítást lehessen elérni. Tehát, mielőtt belemennénk a különböző ív elnyelési technikákba, amelyeket az átkötőben használnak, megpróbáljuk megérteni, mi az ív, és az ív alapvető elméletét az átkötőben, beszéljünk róla.

A gáz hőmérsékleti ionizációja

Egy gázban számos szabad elektron és ión van jelen szobahőmérsékleten, melyeket ultraviolett sugarak, kosmikus sugarak és a Föld radioaktivitása okoz. Ezek a szabad elektronok és iónok annyira kevesek, hogy nem elegendőek az áramvezetés fenntartásához. A gáz molekulái véletlenszerűen mozognak a szobahőmérsékleten. Megállapították, hogy egy levegőmolekula 300oK (szobahőmérséklet) hőmérsékleten véletlenszerűen mozog, közel 500 méter/ másodperc sebességgel, és 1010 alkalommal/másodpercenként ütközik más molekulákkal.

Ezek a véletlenszerűen mozgó molekulák rendszeresen ütköznek egymással, de a molekulák kinetikai energiája nem elegendő ahhoz, hogy elektront szedjenek ki a molekulák atomjaiból. Ha a hőmérséklet növekszik, a levegő melegebb lesz, és ennek eredményeként a molekulák sebessége is növekszik. Magasabb sebesség azt jelenti, hogy a molekulák ütközése során nagyobb hatás történik. Ilyen helyzetben néhány molekula felbomlik atomokká. Ha tovább növeljük a levegő hőmérsékletét, sok atom elveszíti a valenciaelektronjait, és a gáz ionizálódik. Ezután ez az ionizált gáz elektromos áramot tud vezetni, mert elegendő szabad elektronja van. Bármely gáz vagy levegő ilyen állapotát plazma-nak nevezik. Ez a jelenség a gáz hőmérsékleti ionizációjának neve.

Elektronütközés miatti ionizáció

Ahogy már említettük, mindig vannak szabad elektronok és iónok a levegőben vagy a gázban, de ezek nem elegendőek az áramvezetéshez. Amikor ezek a szabad elektronok egy erős elektromos mező mellett találkoznak, irányítottan mozognak a mezőben a magasabb potenciálú pontok felé, és elegendően nagy sebességet szereznek. Más szavakkal, az elektronok a mező irányában gyorsulnak a nagy potenciális gradiens miatt. Útjuk során ezek az elektronok ütközik a levegő vagy a gáz más atomjaival és molekuláival, és kimozdítják a valenciaelektronokat a pályákról.

A szülő atomokból kimozdítva az elektronok ugyanabban az irányban haladnak tovább, mint az elektromos mező, mivel a potenciális gradiens miatt. Ezek az elektronok hasonlóan ütköznek más atomokkal, és több szabad elektronot hoznak létre, amelyek is az elektromos mező irányában lesznek irányítva. Ez a konjugált hatás miatt a gázban lévő szabad elektronok száma annyira nő, hogy a gáz elektromos áramot kezd vezetni. Ez a jelenség az elektronütközés miatti gázionizációnak nevezik.

Gáz deionizációja

Ha minden oka eltávolítják a gázionizációnak egy ionizált gázban, a gáz gyorsan visszatér a semleges állapotba a pozitív és negatív töltések újraszövődésével. A pozitív és negatív töltések újraszövődésének folyamata a deionizáció. A diffúziós deionizáció során a negatív iónok vagy elektronok, valamint a pozitív iónok a koncentrációs gradiens hatására a falak felé mozognak, és ezzel befejezik az újraszövődési folyamatot.

Ív szerepe az átkötőben

Amikor két áramkapcsolat csak megnyílik, az ív áthidak a kapcsolatok közötti rést, amelyen keresztül az áram alacsony ellenállású utat talál, hogy folytassa az áramlást, így nincs hirtelen árammegszakítás. Mivel nincs hirtelen és váratlan változás az áramban a kapcsolatok megnyitásakor, nincs semmilyen anormális kapcsolófeszültség a rendszerben. Ha i az a kapcsolaton keresztül áthaladó áram, L pedig a rendszer induktancs, a kapcsolófeszültség a kapcsolatok megnyitásakor V = L.(di/dt) képlet szerint fejezhető ki, ahol di/dt az áram időbeli változása a kapcsolatok megnyitásakor. Alternativ áram esetén az ív minden áramnullán rövid ideig kikapcsol. Minden áramnullán túl a szétválasztott kapcsolatok közötti közeg újra ionizálódik a következő áramciklus során, és az ív az átkötőben újra létrejön. A teljes és sikeres megszakításhoz ezt az újraionizációt meg kell akadályozni a kapcsolatok között a következő áramnullán túl.

Ha az átkötőben lévő ív hiányzik a kapcsolatok megnyitásakor, hirtelen és váratlan árammegszakítás történne, ami elegendő lenne, hogy súlyosan stressze a rendszer izolációját. Másrészről, az ív egy fokozatos, de gyors átmenetet biztosít a kapcsolatok áramviszonyú és árammegszakító állapotai között.

Ív megszakítás, ív elnyelés vagy ív kikapcsolás elmélete

Ívoszlop jellemzői

Magas hőmérsékleten a gázban lévő töltött részecskék gyorsan és véletlenszerűen mozognak, de az elektromos mező hiányában nincs netto mozgás. Amikor egy elektromos mező alkalmazza a gázban, a töltött részecskék driftsebességet szereznek, amelyet a véletlenszerű hőmozgásukra raktárunk. A driftsebesség arányos a mező feszültségi gradiensével és a részecske mobilitásával. A részecske mobilitása függ a részecske tömegétől, a nehézabb részecskék lassabb mobilitást mutatnak. A mobilitás függ a gázban rendelkezésre álló véletlenszerű mozgásra szolgáló szabadútaktól. Mivel minden ütközés során a részecske elveszíti az irányított sebességét, és újra gyorsul az elektromos mező irányába. Ezért a részecskék netto mobilitása csökken. Ha a gáz magas nyomású, sűrűbbé válik, és a gáz molekulái közelebb kerülnek egymáshoz, ezért a ütközések gyakoribbak, ami csökkenti a részecskék mobilitását. A töltött részecskék által generált teljes áram arányos a mobilitással. Tehát a töltött részecskék mobilitása függ a gáz hőmérsékletétől, nyomásától és a gáz természetétől is. A gáz részecskéinek mobilitása meghatározza a gáz ionizációjának fokát.

Tehát a fenti magyarázatból azt mondhatjuk, hogy a gáz ionizációs folyamata függ a gáz természetétől (nehéz vagy könnyű gáz részecskék), a gáz nyomásától és a gáz hőmérsékletétől. Ahogy korábban említettük, az ívoszlop intenzitása függ az ionizált közeg jelenlététől a szétválasztott elektromos kapcsolatok között, ezért különös figyelmet kell fordítani az ionizáció csökkentésére vagy a közeg deionizációjának növelésére. Ezért az átkötő fő tervezési jellemvonása, hogy különböző nyomás-irányítási módszereket, hűtési módszereket biztosítson a különböző ívmédiumok számára az átkötő kapcsolatok között.

Hőveszteség az ívből

Az ívből származó hőveszteség az átkötőben kondukció, konvekció és sugárzás révén történik. Az olajban lévő ív, a csőben vagy szűk szakaszban lévő ív esetén az átkötőben majdnem az összes hőveszteség kondukcióval történik. Az átkötőben lévő levegőáramlás esetén, vagy ahol a gáz áramlás van a kapcsolatok között, az ív plasma hővesztesége konvekcióval történik. Normál nyomás mellett a sugárzás nem jelentős tényező, de magasabb nyomás mellett a sugárzás nagyon fontos tényező lehet az ív plasma hőveszteségében. Az elektromos kapcsolatok megnyitásakor az ív az átkötőben létrejön, és minden áramnullán kikapcsol, majd a következő ciklusban újra létrejön. A végső ív kikapcsolása vagy ív elnyelése az átkötőben a kapcsolatok közötti közeg dielektrikus erejének gyors növekedésével érhető el, hogy az ív újraionizációja az áramnullán túl nem lehetséges legyen. Ez a gyors dielektrikus erejnövekedés az átkötő kapcsolatok között a gáz deionizációjával, vagy a ionizált gáz helyettesítésével hűt, friss gázzal érhető el.
Számos deionizációs folyamat alkalmazható az ív kikapcsolására az átkötőben, röviden bemutatjuk őket.

Gáz deionizációja a nyomás növelésével