Wat is een Boog ? | Boog in Schakelaar

Voordat we de details doornemen van boogdemping of booguitdoving technologieën die in schakelaars worden toegepast, moeten we eerst weten wat een boog eigenlijk is.

Wat is een boog?

Tijdens het openen van stroom dragende contacten in een schakelaar wordt het medium tussen de opening contacts sterk geïoniseerd, waardoor de onderbrekende stroom een laagohmige weg krijgt en zelfs door deze weg blijft stromen als de contacten fysiek gescheiden zijn. Tijdens het stromen van de stroom van het ene contact naar het andere wordt de weg zo heet dat hij gloeit. Dit wordt een boog genoemd.

Boog in schakelaar

Wanneer de belastingscontacten van een schakelaar opengaan, ontstaat er een boog in de schakelaar, die zich vestigt tussen de scheidingcontacten.

Zolang deze boog tussen de contacten aanwezig is, zal de stroom door de schakelaar niet uiteindelijk onderbroken worden, omdat de boog zelf een geleidende weg voor elektriciteit is. Voor volledige stroomonderbreking is het essentieel om de boog zo snel mogelijk te doven. Het belangrijkste ontwerpkenmerk van een schakelaar is om passende technologieën van boogdemping in de schakelaar te bieden om snelle en veilige stroomonderbreking te verzekeren. Dus voordat we verschillende boogdempingstechnieken doornemen die in schakelaars worden toegepast, moeten we proberen te begrijpen wat een boog is en de basisprincipes van boog in schakelaar, laten we dit bespreken.

Thermische ionisatie van gas

Er zijn tal van vrije elektronen en ionen aanwezig in een gas bij kamertemperatuur, veroorzaakt door ultraviolette stralen, kosmische straling en radioactiviteit van de aarde. Deze vrije elektronen en ionen zijn in zo geringe getale aanwezig dat ze onvoldoende zijn om elektriciteit te geleiden. De gasmoleculen bewegen willekeurig bij kamertemperatuur. Het is gevonden dat een luchtmolecuul bij een temperatuur van 300oK (kamertemperatuur) willekeurig beweegt met een gemiddelde snelheid van ongeveer 500 meter per seconde en andere moleculen botst met een frequentie van 1010 keer per seconde.

Deze willekeurig bewegende moleculen botsen met elkaar in een zeer frequente manier, maar de kinetische energie van de moleculen is niet voldoende om een elektron uit de atomen van de moleculen te verwijderen. Als de temperatuur stijgt, wordt de lucht opgewarmd en daardoor neemt de snelheid van de moleculen toe. Hogere snelheid betekent hogere impact tijdens intermoleculaire botsingen. In deze situatie worden sommige van de moleculen in atomen gedissocieerd. Als de temperatuur van de lucht verder stijgt, worden veel atomen beroofd van hun valente elektronen en maakt het gas geïoniseerd. Dan kan dit geïoniseerde gas elektriciteit geleiden vanwege voldoende vrije elektronen. Deze toestand van elk gas of lucht wordt plasma genoemd. Dit fenomeen wordt thermische ionisatie van gas genoemd.

Ionisatie door elektronbotsing

Zoals we hebben besproken, zijn er altijd enkele vrije elektronen en ionen aanwezig in de lucht of het gas, maar ze zijn ontoereikend om elektriciteit te geleiden. Wanneer deze vrije elektronen een sterke elektrisch veld tegenkomen, worden ze gericht naar hogere potentiaalpunten in het veld en krijgen ze voldoende hoge snelheid. Met andere woorden, de elektronen worden langs de richting van het elektrisch veld versneld vanwege de hoge potentiaalgradiënt. Tijdens hun reis botsen deze elektronen met andere atomen en moleculen van de lucht of het gas en halen valente elektronen uit hun banen.

Na uit de moederaatomen te zijn gehaald, zullen de elektronen ook langs dezelfde richting van het elektrisch veld bewegen vanwege de potentiaalgradiënt. Deze elektronen zullen op vergelijkbare wijze botsen met andere atomen en meer vrije elektronen creëren die ook langs het elektrisch veld worden gericht. Door deze conjunctieve werking worden het aantal vrije elektronen in het gas zo hoog dat het gas gaat geleiden. Dit fenomeen staat bekend als ionisatie van gas door elektronbotsing.

Deïonisatie van gas

Als alle oorzaken van ionisatie van gas uit een geïoniseerd gas worden verwijderd, keert het snel terug naar zijn neutrale toestand door recombinatie van de positieve en negatieve ladingen. Het proces van recombinatie van positieve en negatieve ladingen wordt deïonisatieproces genoemd. Bij deïonisatie door diffusie bewegen de negatieve ionen of elektronen en positieve ionen naar de wanden onder invloed van concentratiegradiënten en voltooien zo het recombinatieproces.

Rol van de boog in de schakelaar

Wanneer twee stroomcontacten net opengaan, brugt een boog de contactopening, waardoor de stroom een laagohmige weg heeft om te stromen, zodat er geen plotseling onderbreken van de stroom zal zijn. Aangezien er geen plotselinge en abrupte verandering in de stroom tijdens het openen van de contacten is, zal er geen abnormale overschakelingsspanning in het systeem zijn. Als i de stroom is die door de contacten stroomt net voordat ze openen, L is de systeem inductie, overschakelingsspanning tijdens het openen van de contacten, kan worden uitgedrukt als V = L.(di/dt), waarbij di/dt de snelheid van verandering van de stroom ten opzichte van de tijd tijdens het openen van de contacten. In het geval van wisselstroom wordt de boog tijdelijk gedoofd bij elke stroomnul. Na het oversteken van elke stroomnul wordt het medium tussen de gescheiden contacten opnieuw geïoniseerd tijdens de volgende stroomcyclus en wordt de boog in de schakelaar hersteld. Om de onderbreking compleet en succesvol te maken, moet deze hernieuwde ionisatie tussen de gescheiden contacten na een stroomnul worden voorkomen.

Als er geen boog in de schakelaar is tijdens het openen van de stroomdragende contacten, zou er een plotselinge en abrupte onderbreking van de stroom zijn, wat een enorme overschakelingsspanning zou veroorzaken, voldoende om de isolatie van het systeem ernstig te belasten. Aan de andere kant biedt de boog een geleidelijke maar snelle overgang van de stroomdragende naar de stroom onderbrekende toestand van de contacten.

Theorie van boogonderbreking, boogdemping of booguitdoving

Eigenschappen van de booggolfkolom

Bij hoge temperatuur bewegen de geladen deeltjes in een gas snel en willekeurig, maar in afwezigheid van een elektrisch veld vindt er geen netto beweging plaats. Wanneer een elektrisch veld in het gas wordt aangebracht, krijgen de geladen deeltjes een driftsnelheid supergelegd op hun willekeurige thermische beweging. De driftsnelheid is evenredig met de spanningsgradiënt van het veld en de mobiele eigenschappen van de deeltjes. De mobiele eigenschappen van de deeltjes hangen af van het gewicht van het deeltje, zwaardere deeltjes hebben een lagere mobiliteit. De mobiliteit hangt ook af van de gemiddelde vrije paden die beschikbaar zijn in het gas voor de willekeurige beweging van de deeltjes. Omdat een deeltje elke keer dat het botst zijn gerichte snelheid verliest en opnieuw moet worden versneld in de richting van het elektrisch veld, wordt de netto mobiliteit van de deeltjes verminderd. Als het gas onder hoge druk staat, wordt het compacter en dus komen de gasmoleculen dichter bij elkaar, waardoor botsingen vaker voorkomen, wat de mobiliteit van de deeltjes vermindert. De totale stroom door geladen deeltjes is recht evenredig met hun mobiliteit. Dus de mobiliteit van geladen deeltjes hangt af van de temperatuur, de druk van het gas en de aard van het gas. Opnieuw bepaalt de mobiliteit van gasdeeltjes het graad van ionisatie van het gas.

Dus uit bovenstaande uitleg kunnen we zeggen dat het ionisatieproces van gas afhangt van de aard van het gas (zwaardere of lichtere gasdeeltjes), de druk van het gas en de temperatuur van het gas. Zoals we eerder zeiden, hangt de intensiteit van de booggolfkolom af van de aanwezigheid van een geïoniseerd medium tussen gescheiden elektrische contacten, daarom moet speciale aandacht worden besteed aan het verminderen van ionisatie of het verhogen van deïonisatie van het medium tussen de contacten. Daarom is het belangrijkste ontwerpelement van een schakelaar om verschillende drukregelingsmethoden, koelmethode voor verschillende booggassen tussen de contacten van de schakelaar te bieden.

Warmteverlies van een boog

Het warmteverlies van een boog in een schakelaar vindt plaats door geleiding, convectie en straling. In een schakelaar met een eenvoudige boog in olie, boog in goten of smalle gleuven, komt vrijwel al het warmteverlies door geleiding. In een luchtdruk schakelaar of in een schakelaar waar een gasstroom aanwezig is tussen de elektrische contacten, vindt het warmteverlies van de boogplasma plaats door convectie. Bij normale druk is straling geen significante factor, maar bij hogere druk kan straling een zeer belangrijke factor van warmteafgifte van de boogplasma worden. Tijdens het openen van elektrische contacten, wordt de boog in de schakelaar geproduceerd en gedoofd bij elke stroomnul, en wordt dan opnieuw hersteld tijdens de volgende cyclus. De definitieve booguitdoving of boogdemping in de schakelaar wordt bereikt door een snelle toename van de dielektrische sterkte in het medium tussen de contacten, zodat de herstelling van de boog na een stroomnul niet mogelijk is. Deze snelle toename van de dielektrische sterkte tussen de contacten van de schakelaar wordt bereikt door deïonisatie van het gas in het boogmedium of door vervanging van geïoniseerd gas door koel en vers gas.
Er zijn verschillende deïonisatieprocessen toegepast voor booguitdoving in schakelaars, laten we deze kort bespreken.

Deïonisatie van gas door toenemende druk

Als de druk van het boogpad toeneemt, neemt de dichtheid van het geïoniseerde gas toe, wat betekent dat de deeltjes in het gas dichter bij elkaar komen en als gevolg daarvan de gemiddelde vrije baan van de deeltjes afneemt. Dit verhoogt de botsingsfrequentie en zoals we eerder hebben besproken, verliezen de geladen deeltjes bij elke botsing hun gerichte snelheid langs het elektrisch veld en worden ze opnieuw versneld in de richting van het veld. Men kan zeggen dat de totale mobiliteit van de geladen deeltjes afneemt, zodat de spanning die nodig is om de boog in stand te houden, toeneemt. Een ander effect van de toegenomen dichtheid van de deeltjes is een hogere snelheid van deïonisatie van het gas door de recombinatie van tegengesteld geladen deeltjes.

Deïonisatie van gas door dalende temperatuur

De snelheid van ionisatie van gas hangt af van de intensiteit van de impact tijdens de botsing van gasdeeltjes. De intensiteit van de impact tijdens de botsing van deeltjes hangt op zijn beurt af van de snelheid van de willekeurige bewegingen van de deeltjes. Deze willekeurige beweging van een deeltje en zijn snelheid neemt toe met de toename van de temperatuur van het gas. Dus kan worden geconcludeerd dat als de temperatuur van een gas toeneemt, het ionisatieproces toeneemt en de omgekeerde uitspraak is ook waar, namelijk dat als de temperatuur daalt, de snelheid van ionisatie van het