Vad är en båge? | Båge i strömbrytare

Innan vi går in på detaljerna om bågutsläckning eller bågutrotning tekniker som används i kretsavbrytare bör vi först veta vad en båge egentligen är.

Vad är en båge?

När strömbärande kontakter öppnas i en kretsavbrytare blir mediumet mellan öppnade kontakter starkt ioniserat, vilket ger avbrytningsströmmen en lågresistiv väg och fortsätter att flöda genom denna väg även om kontaktorna fysiskt är separerade. Under strömflödet från en kontakt till en annan blir banan så upphettad att den glöder. Detta kallas båge.

Båge i kretsavbrytare

När belastningsströmskontakterna i en kretsavbrytare öppnas etableras en båge i kretsavbrytaren mellan de separerande kontaktorna.

Så länge denna båge hålls vid liv mellan kontaktorna kommer strömmen genom kretsavbrytaren inte att avbrytas eftersom bågen själv är en ledande väg för elicitet. För fullständig strömavbrott är det nödvändigt att släcka bågen så snabbt som möjligt. Det huvudsakliga designkravet för en kretsavbrytare är att erbjuda lämplig teknik för bågutsläckning i kretsavbrytaren för att uppfylla snabba och säkra strömavbrott. Så innan vi går igenom olika bågutsläckningstekniker som används i kretsavbrytare, bör vi försöka förstå vad en båge är och den grundläggande teorin om båge i kretsavbrytare, låt oss diskutera detta.

Termisk jonisering av gas

Det finns ett antal fria elektroner och joner i en gas vid rumstemperatur på grund av ultraviolett ljus, kosmiska strålar och radioaktivitet från jorden. Dessa fria elektroner och joner är så få i antal att de inte räcker för att hålla upp elektricitetsledning. Gasens molekyler rör sig slumpmässigt vid rumstemperatur. Det har visats att en luftmolekyl vid en temperatur av 300oK (rumstemperatur) rör sig slumpmässigt med en ungefärlig genomsnittshastighet på 500 meter/sekund och kolliderar med andra molekyler med en frekvens på 1010 gånger/sekund.

Dessa slumpmässigt rörliga molekyler kolliderar med varandra på ett mycket frekvent sätt, men kinetiska energin hos molekylerna räcker inte för att extrahera ett elektron från atomerna i molekylerna. Om temperaturen höjs upp kommer luften att uppvärmes och konsekvent kommer hastigheten hos molekylerna att ökas. Högre hastighet innebär större påverkan under intermolekylär kollision. Under dessa förhållanden delas några av molekylerna upp i atomer. Om temperaturen på luften ökas ytterligare berövas många atomer av sina valenselektroner och gör gasen joniserad. Sedan kan denna joniserade gas leda elektricitet pga tillräckligt många fria elektroner. Detta tillstånd för någon gas eller luft kallas plasma. Detta fenomen kallas termisk jonisering av gas.

Jonisering pga elektronkollision

Som vi diskuterade tidigare finns det alltid några fria elektroner och joner i luften eller gasen, men de är otillräckliga för att leda elektricitet. När dessa fria elektroner kommer i kontakt med ett starkt elektriskt fält, riktas de mot punkter med högre potential i fältet och får tillräckligt hög hastighet. Med andra ord, elektronerna accelereras längs riktningen av det elektriska fältet pga hög potentialgradient. Under deras resa kolliderar dessa elektroner med andra atomer och molekyler i luften eller gasen och extraherar valenselektroner från deras banor.

Efter att ha extraherats från moderatomer, kommer elektronerna också att röra sig längs riktningen av samma elektriska fält pga potentialgradient. Dessa elektroner kommer likaledes att kollidera med andra atomer och skapa fler fria elektroner som också kommer att riktas längs elektriska fältet. På grund av denna konjugativa verkan kommer antalet fria elektroner i gasen att bli så stort att gasen börjar leda elektricitet. Detta fenomen kallas jonisering av gas pga elektronkollision.

Dejonisering av gas

Om alla orsaker till jonisering av gas tas bort från en joniserad gas återgår den snabbt till sitt neutrala tillstånd genom återförening av de positiva och negativa laddningarna. Processen för återförening av positiva och negativa laddningar kallas dejoniseringsprocess. I dejonisering genom diffusion flyttar de negativa jonerna eller elektronerna och de positiva jonerna till väggarna under inflytande av koncentrationsgrader och slutför därmed processen för återförening.

Rollen av båge i kretsavbrytare

När två strömbärande kontakter precis öppnas broar en båge kontaktfickan genom vilken strömmen får en lågresistiv väg att flöda, så det kommer inte att finnas något plötsligt strömavbrott. Eftersom det inte finns något plötsligt och abrupt förändring i strömmen under öppning av kontaktorna, kommer det inte att finnas någon ovanlig växlingsövergång spänning i systemet. Om i är strömmen som flödar genom kontaktorna precis innan de öppnas, L är systemets induktans, kan växlingsövergångsspänningen under öppning av kontaktorna uttryckas som V = L.(di/dt) där di/dt är förändringshastigheten av strömmen med avseende på tid under öppning av kontaktorna. I fallet med alternerande ström släcks bågen tillfälligt ut vid varje strömnullpunkt. Efter att ha passerat varje strömnullpunkt blir mediet mellan separerade kontaktor joniserat igen under nästa cykel av strömmen och båge i kretsavbrytare återupprättas. För att göra avbrottet komplett och framgångsrikt måste denna re-jonisering mellan separerade kontaktor förhindras efter en strömnullpunkt.

Om båge i kretsavbrytare saknas under öppning av strömbärande kontaktor skulle det finnas ett plötsligt och abrupt strömavbrott som skulle orsaka en enorm växlingsövergångsspänning tillräcklig för att allvarligt stressa systemets isolering. Å andra sidan ger bågen en gradvis men snabb övergång från strömbärande till strömavbrottstillståndet för kontaktor.

Bågavbrott eller bågutsläckning eller bågutrotningsteori

Egenskaper hos bågkolonn

Vid hög temperatur rör sig de laddade partiklerna i en gas snabbt och slumpmässigt, men i frånvaro av ett elektriskt fält inträffar ingen netto rörelse. När ett elektriskt fält tillämpas i gasen får de laddade partiklerna en driftfart superlagd på deras slumpmässiga termiska rörelse. Driftfarten är proportionell mot spänningsgradienten i fältet och partikelmobiliteten. Partikelmobiliteten beror på massan av partikeln, tyngre partiklar, lägre mobilitet. Mobiliteten beror också på medelfria vägar tillgängliga i gasen för slumpmässig rörelse av partiklerna. Eftersom partikeln varje gång kolliderar, förlorar den sin riktade fart och måste accelereras igen i riktningen av det elektriska fältet. Därför minskas partiklernas nätto mobilitet. Om gasen är under hög tryck blir den täthare och därför kommer gasmolekylerna närmare varandra, vilket gör att kollisioner inträffar mer ofta vilket minskar partiklernas mobilitet. Den totala strömmen av laddade partiklar är direkt proportionell mot deras mobilitet. Därför beror mobiliteten hos laddade partiklar på temperaturen, trycket på gasen samt naturen av gasen. Återigen bestämmer mobiliteten hos gaspartiklar graden av gasjonisering.

Så ur ovanstående förklaring kan vi säga att joniseringsprocessen av gas beror på naturen av gasen (tyngre eller lättare gaspartiklar), gasens tryck och temperaturen. Som vi sa tidigare beror intensiteten av bågkolonnen på närvaron av ioniserat medium mellan separerade elektriska kontaktor, därför bör särskild uppmärksamhet ägnas åt att minska jonering eller öka dejonering av medium mellan kontaktor. Därför är det huvudsakliga designkravet för kretsavbrytare att erbjuda olika tryckkontrollmetoder, kylmetoder för olika bågmedier mellan kretsavbrytarkontaktor.

Värmeförlust från en båge

Värmeförlust från en båge i kretsavbrytare sker genom ledning, konvektion samt strålning. I kretsavbrytare med planbrott båge i olja, båge i chutar eller smala spår, är nästan all värmeförlust pga ledning. I luftstrålskretsavbrytare eller i brytare där ett gasflöde finns mellan de elektriska kontaktor, sker värmeavledningen från bågeplasma pga konvektion. Vid normalt tryck är strålningen inte en betydande faktor, men vid högre tryck kan strålningen bli en mycket viktig faktor för värmeavledning från bågeplasma. Vid öppning av elektriska kontaktor produceras bågen i kretsavbrytaren och släcks ut vid varje nollpassage av strömmen och återupprättas sedan under nästa cykel. Det slutliga bågutsläckandet eller bågutrotningen i kretsavbrytaren uppnås genom snabb ökning av dielektriska styrkan i mediumet mellan kontaktor så att återupprättande av bågen efter nollpassage inte är möjligt. Denna snabba ökning av dielektriska styrkan mellan kretsavbrytarkontaktor uppnås antingen genom dejonering av gasen i bågmediet eller genom att ersätta joniserad gas med sval och frisk gas.
Det finns olika dejoniseringsprocesser som tillämpas för bågutsläckning i kretsavbrytare, låt oss diskutera dem kort.

Dejonisering av gas pga ökad tryck

Om trycket i bågbana ökar, ökar tätheten av den joniserade gasen, vilket betyder att partiklerna i gasen kommer närmare varandra och som en konsekvens minskar medelfria vägen för partiklerna. Detta ökar kollisionsfrekvensen och som vi diskuterade tidigare förlorar de laddade partiklerna sin riktade fart längs elektriskt fält vid varje kollision och de accelereras igen mot fältet. Man kan säga att den totala mobiliteten för de laddade partiklerna minskar så att spänningen som krävs för att bibehålla bågen ökar. En annan effekt av den ökade tätheten av partiklar är en högre hastighet av dejonering av gasen pga återförening av motsatt laddade partiklar.

Dejonisering av gas pga sänkt temperatur