อะไรคืออาร์ก? | อาร์กในเบรกเกอร์

ก่อนที่จะเข้าสู่รายละเอียดของเทคโนโลยีการดับอาร์คหรือการกำจัดอาร์คที่ใช้ในวงจรตัดไฟ เราควรรู้ก่อนว่าอาร์คคืออะไร

อาร์คคืออะไร

ระหว่างการเปิดคอนแทคที่มีกระแสผ่านในวงจรตัดไฟ สื่อที่อยู่ระหว่างคอนแทคที่เปิดจะถูกทำให้มีความชุ่มชื้นสูงซึ่งทำให้กระแสที่ต้องการตัดได้ทางที่มีความต้านทานต่ำและยังคงไหลผ่านทางนี้แม้ว่าคอนแทคจะแยกจากกันทางกายภาพ การไหลของกระแสระหว่างคอนแทคหนึ่งไปยังอีกคอนแทคหนึ่งทำให้เส้นทางนั้นร้อนจนเกิดแสงสว่าง นี่เรียกว่าอาร์ค

อาร์คในวงจรตัดไฟ

เมื่อคอนแทคที่มีโหลดของวงจรตัดไฟเปิด มีอาร์คในวงจรตัดไฟที่ก่อตัวขึ้นระหว่างคอนแทคที่แยกจากกัน

ตราบใดที่อาร์คนี้ยังคงอยู่ระหว่างคอนแทค กระแสผ่านวงจรตัดไฟจะไม่ถูกตัดสุดท้ายเนื่องจากอาร์คเองเป็นทางนำไฟฟ้า สำหรับการตัดกระแสอย่างสมบูรณ์วงจรตัดไฟจำเป็นต้องดับอาร์คให้เร็วที่สุดเท่าที่จะทำได้ หลักการออกแบบสำคัญของวงจรตัดไฟคือการให้เทคโนโลยีการดับอาร์คที่เหมาะสมในวงจรตัดไฟเพื่อให้การตัดกระแสรวดเร็วและปลอดภัย ดังนั้นก่อนที่จะศึกษาเทคนิคการดับอาร์คต่าง ๆ ที่ใช้ในวงจรตัดไฟ เราควรพยายามทำความเข้าใจว่าอาร์คคืออะไรและทฤษฎีพื้นฐานของอาร์คในวงจรตัดไฟ ลองมาดู

การไอโอนิเซชันทางความร้อนของแก๊ส

มีอิเล็กตรอนและไอออนเสรีจำนวนมากอยู่ในแก๊สที่อุณหภูมิห้องเนื่องจากรังสีอัลตราไวโอเลต รังสีคอสมิก และรังสีจากโลก เหล่าอิเล็กตรอนและไอออนเสรีเหล่านี้มีจำนวนน้อยมากจนไม่เพียงพอที่จะทำให้ไฟฟ้าสามารถนำพาได้ โมเลกุลแก๊สเคลื่อนที่แบบสุ่มที่อุณหภูมิห้อง พบว่าโมเลกุลอากาศที่อุณหภูมิ 300K (อุณหภูมิห้อง) เคลื่อนที่แบบสุ่มด้วยความเร็วเฉลี่ยประมาณ 500 เมตร/วินาที และชนกับโมเลกุลอื่นๆ ที่อัตรา 10^10 ครั้ง/วินาที

โมเลกุลที่เคลื่อนที่แบบสุ่มนี้ชนกับกันอย่างบ่อยครั้ง แต่พลังงานจลน์ของโมเลกุลไม่เพียงพอที่จะดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมของโมเลกุล หากอุณหภูมิเพิ่มขึ้น อากาศจะถูกทำให้ร้อนขึ้นและผลคือความเร็วของโมเลกุลจะเพิ่มขึ้น ความเร็วที่สูงขึ้นหมายถึงแรงกระแทกระหว่างการชนโมเลกุลที่สูงขึ้น ในสถานการณ์นี้บางโมเลกุลจะแตกออกเป็นอะตอม หากอุณหภูมิของอากาศเพิ่มขึ้นอีก อะตอมจำนวนมากจะถูกปลดปล่อยวาเลนซ์อิเล็กตรอนและทำให้แก๊สไอโอนิซ์ จากนั้นแก๊สไอโอนิซ์นี้สามารถนำไฟฟ้าได้เนื่องจากมีอิเล็กตรอนเสรีเพียงพอ ภาวะนี้ของแก๊สหรืออากาศเรียกว่าพลาสมา ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการไอโอนิเซชันทางความร้อนของแก๊ส

การไอโอนิเซชันเนื่องจากการชนของอิเล็กตรอน

เช่นเดียวกับที่เราได้กล่าวมาแล้วว่ามีอิเล็กตรอนและไอออนเสรีอยู่ในอากาศหรือแก๊สเสมอ แต่มันไม่เพียงพอที่จะนำพาไฟฟ้า เมื่ออิเล็กตรอนเสรีเหล่านี้พบกับสนามไฟฟ้าที่แข็งแกร่ง พวกมันจะถูกนำไปยังจุดที่มีศักย์สูงขึ้นในสนามและได้รับความเร็วสูง เพื่อพูดอีกอย่างหนึ่ง อิเล็กตรอนจะถูกเร่งตามทิศทางของสนามไฟฟ้าเนื่องจากความลาดชันของศักย์ที่สูง ระหว่างการเดินทาง อิเล็กตรอนเหล่านี้จะชนกับอะตอมและโมเลกุลของอากาศหรือแก๊สและดึงวาเลนซ์อิเล็กตรอนออกจากวงโคจรของพวกเขา

หลังจากถูกดึงออกจากอะตอมแม่ อิเล็กตรอนเหล่านี้จะวิ่งตามทิศทางของสนามไฟฟ้าเดียวกันเนื่องจากความลาดชันของศักย์ อิเล็กตรอนเหล่านี้จะชนกับอะตอมอื่นๆ และสร้างอิเล็กตรอนเสรีเพิ่มเติมซึ่งจะถูกนำไปตามทิศทางของสนามไฟฟ้า เนื่องจากกระบวนการนี้ อิเล็กตรอนเสรีในแก๊สจะเพิ่มขึ้นจนกระทั่งแก๊สเริ่มนำไฟฟ้า ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการไอโอนิเซชันของแก๊สเนื่องจากการชนของอิเล็กตรอน

การดีไอโอนิเซชันของแก๊ส

หากเอาสาเหตุของการไอโอนิเซชันของแก๊สทั้งหมดออกจากแก๊สไอโอนิซ์ มันจะกลับสู่สภาพกลางอย่างรวดเร็วด้วยการรวมตัวของประจุบวกและลบ กระบวนการของการรวมตัวของประจุบวกและลบเรียกว่ากระบวนการดีไอโอนิเซชัน ในการดีไอโอนิเซชันโดยการแพร่ อิเล็กตรอนหรือไอออนลบและไอออนบวกจะเคลื่อนที่ไปยังผนังภายใต้อิทธิพลของความลาดชันของความเข้มข้นและทำให้กระบวนการรวมตัวเสร็จสมบูรณ์

บทบาทของอาร์คในวงจรตัดไฟ

เมื่อคอนแทคที่มีกระแสสองตัวเปิด อาร์คจะเชื่อมต่อช่องว่างระหว่างคอนแทคที่แยกกัน ทำให้กระแสได้ทางที่มีความต้านทานต่ำเพื่อให้ไหลผ่าน ดังนั้นจะไม่มีการหยุดชะงักของกระแสอย่างกะทันหัน หากไม่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันของกระแสระหว่างการเปิดคอนแทค จะไม่มีแรงดันสวิตชิงที่ผิดปกติในระบบ ถ้า i เป็นกระแสที่ไหลผ่านคอนแทคก่อนที่จะเปิด L เป็นอินดักแทนซ์ของระบบ แรงดันสวิตชิงระหว่างการเปิดคอนแทคอาจแสดงเป็น V = L.(di/dt) โดย di/dt คืออัตราการเปลี่ยนแปลงของกระแสตามเวลาระหว่างการเปิดคอนแทค ในกรณีของกระแสสลับ อาร์คจะหายไปชั่วขณะที่กระแสเป็นศูนย์ หลังจากผ่านศูนย์กระแส สื่อระหว่างคอนแทคที่แยกกันจะถูกทำให้ชุ่มชื้นอีกครั้งในรอบถัดไปของกระแสและอาร์คในวงจรตัดไฟจะถูกสร้างขึ้นใหม่ ในการทำให้การตัดกระแสสมบูรณ์และประสบความสำเร็จ การทำให้ชุ่มชื้นอีกครั้งระหว่างคอนแทคที่แยกกันต้องป้องกันหลังจากกระแสเป็นศูนย์

หากไม่มีอาร์คในวงจรตัดไฟระหว่างการเปิดคอนแทคที่มีกระแส จะมีการหยุดชะงักของกระแสอย่างกะทันหันซึ่งจะทำให้เกิดแรงดันสวิตชิงขนาดใหญ่เพียงพอที่จะทำให้ฉนวนของระบบเสียหายอย่างรุนแรง ตรงกันข้าม อาร์คให้การเปลี่ยนแปลงที่ค่อยๆ แต่รวดเร็วจากสถานะการนำกระแสไปสู่สถานะการตัดกระแสของคอนแทค

ทฤษฎีการตัดอาร์คหรือการดับอาร์คหรือการกำจัดอาร์ค

ลักษณะของคอลัมน์อาร์ค

ที่อุณหภูมิสูงอนุภาคที่มีประจุในแก๊สเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วและสุ่ม แต่ในกรณีที่ไม่มีสนามไฟฟ้า จะไม่มีการเคลื่อนที่แบบรวม เมื่อมีสนามไฟฟ้าถูกนำไปยังแก๊ส อนุภาคที่มีประจุจะได้รับความเร็วการเคลื่อนที่แบบลอยตัวซึ่งซ้อนทับกับการเคลื่อนที่แบบสุ่มทางความร้อน ความเร็วการเคลื่อนที่แบบลอยตัวเป็นสัดส่วนกับความลาดชันของแรงดันของสนามและความคล่องตัวของอนุภาค ความคล่องตัวของอนุภาคขึ้นอยู่กับมวลของอนุภาค อนุภาคที่หนักกว่ามีความคล่องตัวต่ำกว่า ความคล่องตัวยังขึ้นอยู่กับระยะทางที่อนุภาคสามารถเคลื่อนที่แบบสุ่มได้ในแก๊ส เนื่องจากทุกครั้งที่อนุภาคชน มันจะสูญเสียความเร็วที่มีทิศทางและต้องเร่งอีกครั้งในทิศทางของสนามไฟฟ้า ดังนั้นความคล่องตัวรวมของอนุภาคจะลดลง หากแก๊สมีความดันสูง มันจะหนาแน่นขึ้นและอนุภาคแก๊สจะอยู่ใกล้กันมากขึ้น ดังนั้นการชนจะเกิดขึ้นบ่อยขึ้นซึ่งทำให้ความคล่องตัวของอนุภาคลดลง กระแสที่เกิดจากอนุภาคที่มีประจุเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความคล่องตัวของอนุภาค ดังนั้นความคล่องตัวของอนุภาคที่มีประจุขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ความดันของแก๊ส และลักษณะของแก๊ส นอกจากนี้ความคล่องตัวของอนุภาคแก๊สยังกำหนดระดับการไอโอนิเซชันของแก๊ส

ดังนั้นจากคำอธิบายข้างต้น เราสามารถกล่าวได้ว่ากระบวนการไอโอนิเซชันของแก๊สขึ้นอยู่กับลักษณะของแก๊ส (อนุภาคแก๊สที่หนักหรือเบา) ความดันของแก๊ส และอุณหภูมิของแก๊ส อย่างที่เราได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ ความเข้มของคอลัมน์อาร์คขึ้นอยู่กับการมีอยู่ของสื่อที่ชุ่มชื้นระหว่างคอนแทคไฟฟ้าที่แยกกัน ดังนั้นควรมีความสนใจพิเศษในการลดการไอโอนิเซชันหรือเพิ่มการดีไอโอนิเซชันของสื่อระหว่างคอนแทค นี่คือเหตุผลที่คุณสมบัติการออกแบบหลักของวงจรตัดไฟคือการให้วิธีควบคุมความดันและการทำความเย็นที่แตกต่างกันสำหรับสื่ออาร์คต่าง ๆ ระหว่างคอนแทคของวงจรตัดไฟ

การสูญเสียความร้อนจากอาร์ค

การสูญเสียความร้อนจากอาร์คในวงจรตัดไฟเกิดขึ้นผ่านการนำความร้อน การพาความร้อนและการแผ่รังสี ในวงจรตัดไฟที่มีอาร์คในน้ำมัน อาร์คในช่องแคบเกือบทั้งหมดสูญเสียความร้อนจากการนำความร้อน ในวงจรตัดไฟที่ใช้ลมแรงหรือในวงจรตัดไฟที่มีการไหลของแก๊สระหว่างคอนแทคไฟฟ้า การสูญเสียความร้อนของพลาสมาอาร์คเกิดขึ้นจากการพาความร้อน ที่ความดันปกติ การแผ่รังสีไม่ใช่ปัจจัยสำคัญ แต่ที่ความดันสูง การแผ่รังสีอาจกลายเป็นปัจจัยสำคัญในการกระจายความร้อนจากพลาสมาอาร์ค ระหว่างการเปิดคอนแทคไฟฟ้า อาร์คในวงจรตัดไฟจะเกิดขึ้นและดับทุกครั้งที่กระแสเป็นศูนย์ จากนั้นจะเกิดขึ้นใหม่ในรอบถัดไป การดับอาร์คหรือการกำจัดอาร์คในวงจรตัดไฟจะบรรลุโดยการเพิ่มความต้านทานไฟฟ้าอย่างรวดเร็วในสื่อระหว่างคอนแทคเพื่อให้การสร้างอาร์คใหม่หลังจากกระแสเป็นศูนย์ไม่สามารถทำได้ การเพิ่มความต้านทานไฟฟ้าอย่างรวดเร็วนี้ระหว่างคอนแทคของวงจรตัดไฟจะบรรลุได้โดยการดีไอโอนิเซชันของแก๊สในสื่ออาร์คหรือการแทนที่แก๊สที่ชุ่มชื้นด้วยแก๊สที่เย็นและสดใหม่
มีกระบวนการดีไอโอนิเซชันหลายแบบที่ใช้ในการกำจัดอาร์คในวงจรตัดไฟ ลองมาดูสั้นๆ

การดีไอโอนิเซชันของแก๊สเนื่องจากความดันเพิ่มขึ้น

หากความดันของทางอาร์คเพิ่มขึ้น ความหนาแน่นของแก๊สที่ชุ่มชื้นจะเพิ่มขึ้น หมายความว่าอนุภาคในแก๊สจะอยู่ใกล้กันมากขึ้นและผลคือระยะทางที่อนุภาคสามารถเคลื่อนที่แบบสุ่มได้จะลดลง นี่ทำให้อัตราการชนเพิ่มขึ้นและอย่างที่เราได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ทุกครั้งที่ชนอนุภาคที่มีประจุจะสูญเสียความเร็วที่มีทิศทางตามสนามไฟฟ้าและต้องเร่งอีกครั้งในทิศทางของสนาม สามารถกล่าวได้ว่าความคล่องตัวรวมของอนุภาคที่มีประจุลดลง ดังนั้นแรงดันที่ต้องการเพื่อรักษาอาร์คจะเพิ่มขึ้น ผลกระทบอีกอย่างของการเพิ่มความหนาแน่นของอนุภาคคืออัตราการดีไอโอนิเซชันของแก๊สที่สูงขึ้นเนื่องจากการรวมตัวของอนุภาคที่มีประจุตรงข้าม

การดีไอโอนิเซชันของแก๊สเนื่องจากอุณหภูมิลดลง

อัตราการไอโอนิเซชันของแก๊สขึ้นอยู่กับความเข้มของการชนระหว่างอนุภาคแก๊ส ความเข้มของการชนระหว่างอนุภาคขึ้นอยู่กับความเร็วของการเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาค การเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาคและความเร็วเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิของแก๊สเพิ่มขึ้น ดังนั้นสามารถสรุปได้ว่าหากอุณหภูมิของแก๊สเพิ่มขึ้น กระบวนการไอโอนิเซชันของแก๊สจะเพิ่มขึ้นและประโยคตรงข้ามก็เป็นจริง คือหากอุณหภูมิลดลง อัตราการไอโอนิเซชันของแก๊สจะลดลง หมายความว่าการดีไอโอนิเซชันของแก๊สจะเพิ่มขึ้น ดังนั้นแรงดันที่ต้องการเพื่อรักษาพลาสมามีความต้านทานสูงขึ้น ท้ายที่สุดสามารถกล่าวได้ว่าการทำความเย็นเพิ่มความต้านทานของ