Kaj je lok? | Lok v prekinitvenem ventilu

Preden se pogovarjamo o podrobnostih tehnologij za uglaševanje luka ali zatiranje luka, ki so uporabljene v preklopniku, moramo najprej vedeti, kaj je dejansko luk.

Kaj je luk?

Med odpiranjem stikov, ki prenašajo tok, v preklopniku sredstvo med odpiranjem stikov postane visoko jonizirano, skozi katerega prekinjalni tok dobi nizkotokovno pot in kljub fizičnemu ločevanju stikov še naprej teče skozi to pot. Med pretokom iz enega stika na drugega ta pot postane tako segana, da se svetli. To se imenuje luk.

Luk v preklopniku

Ko se pri obremenjenem toku stiki preklopnika odprejo, se med ločevanjem stikov vzpostavi luk v preklopniku.

Dokler se luk med stiki ne zgradi, tok skozi preklopnik ne bo končno prekinjen, ker je sam luk električna vodilna pot. Za popolno prekinitev toka je bistveno, da se luk čim hitreje ugasne. Glavno merilo oblikovanja preklopnika je zagotavljanje primerne tehnologije za uglaševanje luka v preklopniku, da se doseže hitra in varna prekinitev toka. Torej, preden se sprehodimo skozi različne tehnike za uglaševanje luka, uporabljenih v preklopniku, poskusimo razumeti, kaj je luk in osnovna teorija luka v preklopniku.

Termalna jonizacija plina

V plinu pri sobni temperaturi je zaradi ultravijoličnih žarkov, kosmičnih žarkov in radioaktivnosti Zemlje prisotnih nekaj prostih elektronov in ionov. Ti prosti elektroni in ioni so tako redki, da jih ni dovolj za vzdrževanje vedenja električnega toka. Molekule plina pri sobni temperaturi naključno premikajo. Ugotovljeno je, da molekula zraka pri temperaturi 300oK (sobna temperatura) naključno premika s približno povprečno hitrostjo 500 metrov/sekundo in se druga molekula zraka udari približno 1010-krat na sekundo.

Te naključno premikajoče se molekule zelo pogosto trčijo med seboj, vendar njihova kinetična energija ni dovolj velika, da bi iz atomov molekul izvlekla elektron. Če se temperatura poviša, se zrak sega in posledično se poveča hitrost molekul. Višja hitrost pomeni višji udarec med intermolekulskimi trčitvami. V tej situaciji se nekatere molekule razdvojijo v atome. Če se temperatura zraka še bolj poviša, mnogi atomi izgube valentne elektrone in plin jonizira. Toda ta joniziran plin lahko vodi elektriko zaradi dovolj števila prostih elektronov. Ta stanje plina ali zraka se imenuje plazma. Ta pojav se imenuje termalna jonizacija plina.

Jonizacija zaradi trčitve elektronov

Kot smo že omenili, v zraku ali plinu so vedno prisotni nekateri prosti elektroni in ioni, vendar so nepopoljni za vodenje električnega toka. Ko se ti prosti elektroni soočijo z močnim električnim poljem, so usmerjeni proti višjim potencialnim točkam v polju in pridobijo zadostno visoko hitrost. Drugače povedano, elektroni so pospešeni v smeri električnega polja zaradi visokega potencialnega gradienta. Med svojo potjo se ti elektroni trče z drugimi atomi in molekulami zraka ali plina in iz njih izvlečejo valentne elektrone iz njihovih orbit.

Po izvlečenju iz roditeljskih atomov bodo elektroni tudi tekli v smeri istega električnega polja zaradi potencialnega gradienta. Ti elektroni bodo podobno trčili z drugimi atomi in ustvarili več proste elektronov, ki bodo tudi usmerjeni v smeri električnega polja. Zaradi tega konjugativnega delovanja bo število prostih elektronov v plinu tako veliko, da bo plin začel voditi električnost. Ta pojav se imenuje jonizacija plina zaradi trčitve elektronov.

Dejonizacija plina

Če so odstranjeni vsi vzroki za jonizacijo plina iz joniziranega plina, se ta hitro vrača v neutralno stanje s ponovno združevanjem pozitivnih in negativnih nabojev. Postopek ponovnega združevanja pozitivnih in negativnih nabojev se imenuje dejonizacijski postopek. Pri dejonizaciji z difuzijo se negativni ioni ali elektroni in pozitivni ioni gibljejo k stenam pod vplivom koncentracijskega gradienta in tako dokončujejo postopek ponovnega združevanja.

Vloga luka v preklopniku

Ko se dva stika, ki prenašata tok, odpreta, luk mosti prek vrzeli med stiki, skozi katerega tok dobi nizkotokovno pot, da se lahko teče, brez nenadnega prekinitve toka. Ker pri odpiranju stikov ni nenadnega in nenavadnega spremembe toka, ni tudi nenadnega preklopnega napona v sistemu. Če je i tok, ki teče skozi stike takoj preden se odprejo, L sistemsko induktancno, preklopni napon med odpiranjem stikov, se lahko izrazi kot V = L.(di/dt), kjer je di/dt stopnja spremembe toka glede na čas med odpiranjem stikov. V primeru izmeničnega toka je luk začasno ugasnjen pri vsakem trenutku napačnega toka. Po prestopu vsakega trenutka napačnega toka se med ločenimi stiki ponovno jonizira med naslednjim ciklusom toka in luk v preklopniku se ponovno vzpostavi. Za popolno in uspešno prekinitev je potrebno, da ta ponovna jonizacija med ločenimi stiki po trenutku napačnega toka prepreči.

Če luk v preklopniku manjka med odpiranjem stikov, ki prenašata tok, bi bil nenaden in nenavaden prekid toka, ki bi povzročil ogromen preklopni napon, dovolj velik, da bi hudo obremenil izolacijo sistema. Na drugi strani luk zagotavlja postopno, a hitro, prehod iz stanja prenašanja toka v stanje prekinitve toka stikov.

Teorija prekinitev luka, uglaševanja luka ali zatiranja luka

Značilnosti stolpa luka

Pri visoki temperaturi se nabiti delci v plinu hitro in naključno gibljejo, vendar v odsotnosti električnega polja ni nobenega neto gibanja. Ko se v plin električno polje nanese, nabiti delci pridobijo driftovo hitrost superponirano na njihovo naključno termalno gibanje. Driftova hitrost je sorazmerna s voltaznim gradientom polja in mobilnostjo delca. Mobilnost delca je odvisna od mase delca, težji delci, manjša je mobilnost. Mobilnost je tudi odvisna od srednje proste poti, ki je na voljo za naključno gibanje delcev v plinu. Ker vsakič, ko se delci trče, izgubijo svojo usmerjeno hitrost in morajo biti ponovno pospešeni v smeri električnega polja. Torej je neto mobilnost delcev zmanjšana. Če je plin pod visokim tlakom, postane gostejši in s tem se molekule plina približajo, zato se trčitve pogosto pojavljajo, kar zmanjša mobilnost delcev. Skupni tok nabityh delcev je neposredno sorazmeren s njihovo mobilnostjo. Torej je mobilnost nabityh delcev odvisna od temperature, tlaka plina in narave plina. Ponovno mobilnost delcev plina določa stopnjo jonizacije plina.

Torej iz zgornjega razlaganja lahko rečemo, da jonizacijski postopek plina odvisen je od narave plina (težji ali lažji delci plina), tlaka plina in temperature plina. Kot smo že omenili, intenziteta stolpa luka odvisna je od prisotnosti joniziranega medija med ločenimi električnimi stiki, zato je treba posebno pozornost posvetiti zmanjševanju jonizacije ali povečevanju dejonizacije medija med stiki. Zato je glavna oblikovalna značilnost preklopnika zagotavljanje različnih metod kontrole tlaka, hladilnih metod za različne arčne medije med stiki preklopnika.

Toplotna izguba iz luka

Toplotna izguba iz luka v preklopniku se dogaja preko vodnosti, konvekcije in radiacije. V preklopniku z navadno prekinjalko luka v olju, luk v kanali ali uzkem slotu, je skoraj vse toplotne izgube zaradi vodnosti. V zračnem preklopniku z vetrilom ali v preklopniku, kjer je med električnimi stiki prisoten tok plina, toplotna izguba plazme luka poteka zaradi konvekcijskega procesa. Pri normalnem tlaku radiacija ni značilen dejavnik, toda pri višjem tlaku radiacija lahko postane zelo pomemben dejavnik za odpoved toplotne energije iz plazme luka. Med odpiranjem električnih stikov se v preklopniku izvaja luk in ga ugasne pri vsakem prestopu toka skozi nič, nato pa se ponovno vzpostavi v naslednjem ciklu. Končno ugasnitev luka ali zatiranje luka v preklopniku dosežemo z hitrim povečanjem dielektrične trdnosti med stiki, da se ponovno vzpostavitev luka po prestopu skozi nič ni mogoča. To hitro povečanje dielektrične trdnosti med stiki preklopnika dosežemo bu z dejonizacijo plina v arčnem mediju ali z nadomestitvijo joniziranega plina s hladnim in svežim plinom.
Izvedena so različne dejonizacijske metode za zatiranje luka v preklopniku, razpravljajmo o njih krajše.

Dejonizacija plina zaradi povečevanja tlaka

Če se poveča tlak v poti luka, se poveča gostota joniziranega plina, kar pomeni, da se delci v plinu približajo drug drugemu in s tem se zmanjša srednja prosta pot delcev. To poveča stopnjo trčitev in, kot smo že omenili, pri vsaki trčitvi nabiti delci izgubijo svojo usmerjeno hitrost v smeri električnega polja in ponovno se pospešujejo v smeri polja. Lahko se reče, da je celotna mobilnost nabity