Що таке дуга? | Дуга в автоматичному вимикачі
Перед тим як розглянути деталі технологій гасіння дуги або знищення дуги, використовуваних у вимикачах, ми повинні спочатку зрозуміти, що таке дуга.
Що Таке Дуга?
При відкритті контактів, що проводять струм у вимикачу, середовище між відкриваючимися контактами сильно іонізується, через що переривний струм отримує низькоопорний шлях і продовжує течію через цей шлях, навіть коли контакти фізично розділені. Під час течії струму від одного контакту до іншого шлях настільки нагрівається, що світиться. Це називається дугою.
Дуга у Вимикачу
Коли контакти вимикачу при навантаженні відкриваються, між відокремлювальними контактами встановлюється дуга у вимикачу.
Доки ця дуга триває між контактами, струм через вимикач не буде перерваний, оскільки дуга сама по собі є провідним шляхом електрики. Для повного переривання струму вимикачем необхідно як можно швидше погасити дугу. Основним критерієм проектування вимикача є забезпечення відповідної технології гасіння дуги у вимикачу для швидкого та безпечного переривання струму. Тому, перед розглядом різних технологій гасіння дуги, використовуваних у вимикачах, ми повинні спробувати зрозуміти, що таке дуга та основну теорію дуги у вимикачу, давайте обговоримо.
Термічна Іонізація Газу
У газі при кімнатній температурі присутні вільні електрони та іони завдяки ультрафіолетовим променям, космічним променям та радіоактивності Землі. Цих вільних електронів та іонів так мало, що вони недостатні для підтримки провідності електрики. Молекули газу хаотично рухаються при кімнатній температурі. Виявлено, що молекула повітря при температурі 300oK (кімнатна температура) хаотично рухається з середньою швидкістю близько 500 метрів/секунду і зіткнеться з іншими молекулами з частотою 1010 разів/секунду.
Ці випадково рухаються молекули часто зіткуються одна з одною, але кінетична енергія молекул недостатня для видобутку електрона з атомів цих молекул. Якщо температура підвищується, повітря нагрівається, і, як наслідок, швидкість молекул збільшується. Вища швидкість означає більший вплив при міжмолекулярних зіткненнях. У такій ситуації деякі молекули розпадаються на атоми. Якщо температура повітря ще більше підвищується, багато атомів втрачають валентні електрони, і газ стає іонізованим. Тоді цей іонізований газ може проводити електричний струм через достатню кількість вільних електронів. Цей стан будь-якого газу або повітря називається плазмою. Це явище називається термічною іонізацією газу.
Іонізація через зіткнення електронів
Як ми обговорили, у повітрі або газі завжди присутні деякі вільні електрони та іони, але їх недостатньо для провідності електричного струму. Коли ці вільні електрони потрапляють у сильне електричне поле, вони направляються до точок з вищим потенціалом в полі і набувають достатньо високої швидкості. Іншими словами, електрони прискорюються у напрямку електричного поля через високий потенціальний градієнт. Під час свого руху ці електрони зіткаються з іншими атомами та молекулами повітря або газу і видобувають валентні електрони з їхніх орбіт.
Після видобутку з материнських атомів, електрони також рухаються у напрямку того ж електричного поля через потенціальний градієнт. Ці електрони аналогічно зіткаються з іншими атомами і створюють більше вільних електронів, які також будуть направлені у напрямку електричного поля. Через цю кон'юнктивну дію кількість вільних електронів у газі стане настільки великою, що газ починає проводити електричний струм. Це явище відоме як іонізація газу через зіткнення електронів.
Деіонізація газу
Якщо всі причини іонізації газу вилучені з іонізованого газу, він швидко повертається до нейтрального стану через рекомбінацію додатних та від’ємних зарядів. Процес рекомбінації додатних та від’ємних зарядів відомий як процес деіонізації. При деіонізації через дифузію, від’ємні іони або електрони та додатні іони переміщуються до стінок під впливом градієнтів концентрації, таким чином завершуючи процес рекомбінації.
Роль дуги у вимикачі електричного ланцюга
Коли два контакти струму тільки відкриваються, дуга перетинає контактний прогалину, через яку струм отримує низькопротидійний шлях для руху, тому не буде ніякого раптового переривання струму. Оскільки немає раптових і гострих змін струму під час відкриття контактів, не буде ніякого ненормального переключення напруги в системі. Якщо i — це струм, що проходить через контакти прямо перед тим, як вони відкриваються, L — це індуктивність системи, переключувальна напруга під час відкриття контактів може бути виражена як V = L.(di/dt), де di/dt — це швидкість зміни струму відносно часу під час відкриття контактів. У випадку чергового струму дуга тимчасово зникає при кожному нульовому значенні струму. Після переходу через кожне нульове значення медіум між розділеними контактами знову іонізується під час наступного циклу струму, і дуга у вимикачі електричного ланцюга відновлюється. Для повного і успішного переривання потрібно запобігти повторній іонізації між розділеними контактами після нульового значення струму.
Якщо дуга відсутня під час роз'єднання контактів, що проводять струм, тоді буде гостре і несподіване переривання струму, що спричинить велику комутаційну наднапругу, достатню для серйозного напруження ізоляції системи. З іншого боку, дуга забезпечує поступовий, але швидкий, перехід від стану проводження струму до стану його переривання контактами.
Теорія переривання, згасання або вимирання дуги
Характеристики стовпа дуги
При високій температурі заряджені частинки в газі швидко і хаотично рухаються, але відсутність електричного поля не призводить до загального руху. Коли застосовується електричне поле, заряджені частинки набувають дріфт-швидкості, яка накладається на їх хаотичний тепловий рух. Дріфт-швидкість пропорційна градієнту напруги поля та мобільності частинок. Мобільність частинок залежить від маси частинки, чим важча частинка, тим нижча мобільність. Мобільність також залежить від середньої довжини вільного пробігу, доступної для хаотичного руху частинок. Оскільки кожен раз, коли частинка зіткнеться, вона втрачає свою направлений рух і має бути знову прискорена в напрямку електричного поля. Тому загальна мобільність частинок зменшується. Якщо газ знаходиться під високим тиском, він стає густішим, і тому молекули газу зближаються, що призводить до частіших зіткнень, що знижує мобільність частинок. Загальний струм, породжений зарядженими частинками, прямо пропорційний їх мобільністі. Тому мобільність заряджених частинок залежить від температури, тиску газу та його природи. Знову ж таки, мобільність частинок газу визначає ступінь іонізації газу.
Отже, з вищенаведеного пояснення можна сказати, що процес іонізації газу залежить від природи газу (тяжкі або легкі частинки газу), тиску газу та його температури. Як ми казали раніше, інтенсивність стовпа дуги залежить від наявності іонізованого середовища між розділеними електричними контактами, тому особлива увага повинна приділятися зменшенню іонізації або збільшенню деіонізації середовища між контактами. Саме тому основною конструктивною характеристикою преривача струму є забезпечення різних методів керування тиском, охолодження для різних дугових середовищ між контактами преривача струму.
Теплові втрати від дуги
Теплові втрати від дуги в преривачі струму відбуваються через теплопровідність, конвекцію та радіацію. У преривачі струму з простим перериванням дуги в олії, дузі в каналах або вузьких щелях, практично всі теплові втрати відбуваються через теплопровідність. У преривачі струму з повітряним потоком або в преривачах, де між електричними контактами присутній потік газу, теплові втрати плазми дуги відбуваються завдяки процесу конвекції. При нормальному тиску радіація не є значущим фактором, але при високому тиску радіація може стати дуже важливим фактором тепловідведення від плазми дуги. Під час роз'єднання електричних контактів, дуга в преривачі струму формується і вимирає при кожному переході струму через нуль, а потім знову відновлюється на наступному циклі. Фінальне вимирання або згасання дуги в преривачі струму досягається швидким збільшенням диелектричної стійкості середовища між контактами, так що повторне встановлення дуги після переходу через нуль неможливо. Це швидке збільшення диелектричної стійкості між контактами преривача струму досягається або за допомогою деіонізації газу в дуговому середовищу, або заміною іонізованого газу холодним і свіжим газом.
Існують різні процеси деіонізації, застосовувані для вимирання дуги в преривачі струму, давайте коротко обговоримо їх.
Деіонізація газу через збільшення тиску
Якщо тиск на дузі збільшується, густина іонізованого газу також збільшується, що означає, що частинки в газі наближаються одна до одної, і, як наслідок, середній шлях свободного переміщення частинок зменшується. Це збільшує кількість зіткнень, і, як ми обговорювали раніше, при кожному зіткненні заряджені частинки втрачають свою напрямну швидкість вздовж електричного поля, а потім знову прискорюються в напрямку поля. Можна сказати, що загальна рухливість заряджених частинок зменшується, тому напруга, необхідна для підтримання дуги, збільшується. Інший ефект збільшення густини частинок - це більша швидкість деіонізації газу через рекомбінацію протилежно заряджених частинок.
Деіонізація газу через зниження температури
Швидкість іонізації газу залежить від інтенсивності удару під час зіткнення частинок газу. Інтенсивність удару під час зіткнення частинок знову ж таки залежить від швидкості хаотичних рухів частинок. Цей хаотичний рух частинки та її швидкість збільшуються зі зростанням температури газу. Отже, можна зробити висновок, що якщо температура газу збільшується, то процес іонізації також збільшується, і навпаки, якщо температура знижується, швидкість іонізації газу зменшується, що означає, що деіонізація газу збільшується. Тому для підтримання плазми дуги при зниженій температурі потрібна більша напруга. Нарешті, можна сказати, що охолодження ефективно збільшує опір дуги.
Різні типи автоматів використовують різні техніки охолодження, які ми обговоримо пізніше у курсі про автомати.
Заява: Поважайте оригінал, добре складені статті варті поширення, якщо є порушення авторських прав, будь ласка, зверніться для видалення.
