Điều gì là Cung điện? | Cung điện trong Công tắc mạch

Trước khi đi vào chi tiết về các công nghệ dập cung điện hoặc tắt cung điện được sử dụng trong cầu chì tự động, chúng ta nên biết trước điều gì là cung điện.

Điều Gì Là Cung Điện?

Trong quá trình mở các tiếp điểm dẫn dòng trong cầu chì tự động, môi trường giữa các tiếp điểm đang mở bị ion hóa mạnh, qua đó dòng điện gián đoạn có đường dẫn điện trở thấp và tiếp tục chảy qua đường dẫn này ngay cả khi các tiếp điểm đã tách rời vật lý. Trong quá trình dòng điện chảy từ một tiếp điểm sang tiếp điểm khác, đường dẫn này trở nên nóng đến mức phát sáng. Điều này được gọi là cung điện.

Cung Điện Trong Cầu Chì Tự Động

Bất cứ khi nào các tiếp điểm dẫn dòng của cầu chì tự động mở, sẽ có một cung điện trong cầu chì tự động, được thiết lập giữa các tiếp điểm đang tách rời.

Miễn là cung điện này được duy trì giữa các tiếp điểm, dòng điện thông qua cầu chì tự động sẽ không bị gián đoạn cuối cùng vì cung điện chính là đường dẫn dẫn điện. Để ngắt hoàn toàn dòng điện, cầu chì tự động cần phải dập cung điện càng nhanh càng tốt. Tiêu chí thiết kế chính của cầu chì tự động là cung cấp công nghệ dập cung điện phù hợp trong cầu chì tự động để đảm bảo ngắt dòng điện nhanh chóng và an toàn. Vì vậy, trước khi đi vào các kỹ thuật dập cung điện được sử dụng trong cầu chì tự động, chúng ta nên cố gắng hiểu điều gì là cung điện và lý thuyết cơ bản về cung điện trong cầu chì tự động, hãy cùng thảo luận.

Ion Hóa Nhiệt Của Khí

Có một số electron tự do và ion tồn tại trong khí ở nhiệt độ phòng do tia cực tím, tia vũ trụ và phóng xạ của trái đất. Các electron tự do và ion này rất ít nên không đủ để duy trì sự dẫn điện. Các phân tử khí di chuyển ngẫu nhiên ở nhiệt độ phòng. Người ta thấy rằng một phân tử khí ở nhiệt độ 300oK (nhiệt độ phòng) di chuyển ngẫu nhiên với vận tốc trung bình khoảng 500 mét/giây và va chạm với các phân tử khác với tốc độ khoảng 1010 lần/giây.

Những phân tử di chuyển ngẫu nhiên này va chạm với nhau rất thường xuyên nhưng năng lượng động của các phân tử không đủ để rút electron ra khỏi các nguyên tử của các phân tử. Nếu nhiệt độ tăng lên, không khí sẽ được làm nóng và do đó vận tốc của các phân tử cũng sẽ tăng lên. Vận tốc cao hơn nghĩa là tác động lớn hơn trong quá trình va chạm phân tử. Trong tình huống này, một số phân tử bị phân ly thành nguyên tử. Nếu nhiệt độ của không khí tăng thêm, nhiều nguyên tử bị mất electron valence và làm cho khí ion hóa. Sau đó, khí ion hóa này có thể dẫn điện vì có đủ electron tự do. Điều kiện này của bất kỳ khí hay không khí nào được gọi là plasma. Hiện tượng này được gọi là ion hóa nhiệt của khí.

Ion Hóa Do Va Chạm Electron

Như chúng ta đã thảo luận, luôn có một số electron tự do và ion tồn tại trong không khí hoặc khí nhưng chúng không đủ để dẫn điện. Khi những electron tự do này gặp phải một trường điện mạnh, chúng được hướng tới các điểm có điện thế cao hơn trong trường và đạt được vận tốc đủ cao. Nói cách khác, các electron được gia tốc theo hướng của trường điện do gradient điện thế cao. Trong quá trình di chuyển, các electron này va chạm với các nguyên tử và phân tử khác của không khí hoặc khí và rút electron valence ra khỏi quỹ đạo của chúng.

Sau khi được rút ra khỏi nguyên tử mẹ, các electron cũng sẽ di chuyển theo hướng của cùng một trường điện do gradient điện thế. Những electron này cũng sẽ va chạm với các nguyên tử khác và tạo ra nhiều electron tự do hơn, những electron này cũng sẽ được hướng theo trường điện. Do tác động liên kết này, số lượng electron tự do trong khí sẽ trở nên rất cao, khiến khí bắt đầu dẫn điện. Hiện tượng này được gọi là ion hóa khí do va chạm electron.

Deion Hóa Khí

Nếu tất cả các nguyên nhân gây ion hóa khí được loại bỏ khỏi khí ion hóa, nó sẽ nhanh chóng trở lại trạng thái trung hòa bằng cách tái kết hợp các điện tích dương và âm. Quá trình tái kết hợp các điện tích dương và âm được gọi là quá trình deion hóa. Trong deion hóa bằng khuếch tán, các ion âm hoặc electron và ion dương di chuyển đến các bức tường dưới ảnh hưởng của gradient nồng độ và do đó hoàn thành quá trình tái kết hợp.

Vai Trò Của Cung Điện Trong Cầu Chì Tự Động

Khi hai tiếp điểm dẫn dòng vừa mở, một cung điện nối liền khoảng cách giữa các tiếp điểm, qua đó dòng điện có một đường dẫn điện trở thấp để chảy, do đó không có sự gián đoạn đột ngột của dòng điện. Vì không có sự thay đổi đột ngột và nhanh chóng của dòng điện trong quá trình mở các tiếp điểm, không có điện áp chuyển mạch bất thường nào trong hệ thống. Nếu i là dòng điện chảy qua các tiếp điểm ngay trước khi chúng mở, L là độ tự cảm của hệ thống, điện áp chuyển mạch trong quá trình mở các tiếp điểm, có thể được biểu diễn như V = L.(di/dt) trong đó di/dt là tốc độ thay đổi của dòng điện theo thời gian trong quá trình mở các tiếp điểm. Trong trường hợp dòng điện xoay chiều, cung điện tạm thời tắt ở mỗi điểm zero dòng điện. Sau khi vượt qua mỗi điểm zero dòng điện, môi trường giữa các tiếp điểm tách rời lại được ion hóa trong chu kỳ dòng điện tiếp theo và cung điện trong cầu chì tự động được tái lập. Để làm cho việc ngắt hoàn toàn và thành công, quá trình tái ion hóa giữa các tiếp điểm tách rời phải được ngăn chặn sau điểm zero dòng điện.

Nếu cung điện trong cầu chì tự động vắng mặt trong quá trình mở các tiếp điểm dẫn dòng, sẽ có sự gián đoạn đột ngột và nhanh chóng của dòng điện, điều này sẽ gây ra một điện áp chuyển mạch lớn đủ để gây căng thẳng nghiêm trọng cho lớp cách điện của hệ thống. Mặt khác, cung điện cung cấp một quá trình chuyển đổi dần dần nhưng nhanh chóng, từ trạng thái dẫn dòng sang trạng thái ngắt dòng của các tiếp điểm.

Lý Thuyết Ngắt Hoặc Dập Hoặc Tắt Cung Điện

Đặc Tính Của Cột Cung Điện

Ở nhiệt độ cao, các hạt mang điện trong khí di chuyển nhanh và ngẫu nhiên, nhưng trong trường hợp không có trường điện, không có chuyển động tổng cộng nào xảy ra. Khi một trường điện được áp dụng trong khí, các hạt mang điện đạt được vận tốc trôi chồng lên trên chuyển động nhiệt ngẫu nhiên của chúng. Vận tốc trôi tỷ lệ thuận với gradient điện thế của trường và khả năng di chuyển của hạt. Khả năng di chuyển phụ thuộc vào khối lượng của hạt, hạt nặng hơn, khả năng di chuyển thấp hơn. Khả năng di chuyển cũng phụ thuộc vào đường tự do trung bình có sẵn trong khí cho chuyển động ngẫu nhiên của các hạt. Mỗi khi một hạt va chạm, nó mất vận tốc định hướng và phải được gia tốc lại theo hướng của trường điện. Do đó, khả năng di chuyển tổng cộng của các hạt bị giảm. Nếu khí ở áp suất cao, nó trở nên dày đặc hơn và do đó, các phân tử khí gần nhau hơn, do đó va chạm xảy ra thường xuyên hơn, làm giảm khả năng di chuyển của các hạt. Dòng điện tổng cộng do các hạt mang điện trực tiếp tỷ lệ với khả năng di chuyển của chúng. Do đó, khả năng di chuyển của các hạt mang điện phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất của khí cũng như bản chất của khí. Lại nữa, khả năng di chuyển của các hạt khí quyết định mức độ ion hóa của khí.

Vì vậy, từ giải thích trên, chúng ta có thể nói rằng quá trình ion hóa của khí phụ thuộc vào bản chất của khí (hạt khí nặng hay nhẹ), áp suất của khí và nhiệt độ của khí. Như chúng ta đã nói trước đây, cường độ của cột cung điện phụ thuộc vào sự hiện diện của môi trường ion hóa giữa các tiếp điểm điện tách rời, do đó, cần chú ý đặc biệt đến việc giảm ion hóa hoặc tăng deion hóa của môi trường giữa các tiếp điểm. Đó là lý do tại sao tính năng thiết kế chính của cầu chì tự động là cung cấp các phương pháp kiểm soát áp suất khác nhau, các phương pháp làm mát cho các môi trường cung điện khác nhau giữa các tiếp điểm của cầu chì tự động.

Mất Nhiệt Từ Cung Điện

Mất nhiệt từ cung điện trong cầu chì tự động xảy ra qua truyền dẫn, đối lưu cũng như bức xạ. Trong cầu chì tự động với cung điện đơn giản trong dầu, cung điện trong máng hoặc khe hẹp, hầu hết mọi mất nhiệt đều do truyền dẫn. Trong cầu chì tự động luồng khí hoặc trong cầu chì tự động có dòng khí giữa các tiếp điểm điện, mất nhiệt của plasma cung điện xảy ra do quá trình đối lưu. Ở áp suất bình thường, bức xạ không phải là yếu tố đáng kể, nhưng ở áp suất cao, bức xạ có thể trở thành yếu tố rất quan trọng trong việc tỏa nhiệt từ plasma cung điện. Trong quá trình mở các tiếp điểm điện, cung điện trong cầu chì tự động được tạo ra và nó tắt ở mỗi điểm zero dòng điện và sau đó được tái lập trong chu kỳ tiếp theo. Việc tắt hoàn toàn hoặc dập cung điện trong cầu chì tự động đạt được bằng cách tăng nhanh độ bền điện môi giữa các tiếp điểm, để việc tái lập cung điện sau điểm zero dòng điện không thể xảy ra. Sự tăng nhanh độ bền điện môi giữa các tiếp điểm cầu chì tự động đạt được bằng cách deion hóa khí trong môi trường cung điện hoặc bằng cách thay thế khí ion hóa bằng khí lạnh và mới.
Có nhiều quá trình deion hóa được áp dụng cho việc tắt cung điện trong cầu chì tự động, hãy cùng thảo luận ngắn gọn.

Deion Hóa Khí Do Tăng Áp Suất

Nếu áp suất của đường dẫn cung điện tăng lên, mật độ của khí ion hóa tăng lên, điều này có nghĩa là, các hạt trong khí gần nhau hơn và do đó, đường tự do trung bình của các hạt giảm. Điều này làm tăng tỷ lệ va chạm và như chúng ta đã thảo luận trước đó, mỗi khi va chạm, các hạt mang điện mất vận tốc định hướng theo trường điện và lại được gia tốc lại theo hướng của trường. Có thể nói rằng khả năng di chuyển tổng cộng của các hạt mang điện bị giảm, do đó điện áp cần thiết để duy trì cung điện tăng lên. Một hiệu ứng khác của mật độ hạt tăng là tỷ lệ deion hóa khí cao hơn do tái kết hợp của các hạt mang điện trái dấu.

Deion Hóa Khí Do Giảm Nhiệt Độ

Tốc độ ion hóa của khí phụ thuộc vào cường độ va chạm giữa các hạt khí. Cường độ va chạm giữa các hạt lại phụ thuộc vào vận tốc chuyển động ngẫu nhiên của các hạt. Chuyển động ngẫu nhiên của một hạt và vận tốc của nó tăng lên khi nhiệt độ của khí tăng lên. Do đó, có thể kết luận rằng nếu nhiệt độ của khí tăng lên, quá trình ion hóa của nó tăng lên và ngược lại, nếu nhiệt độ giảm, tốc độ ion hóa của khí giảm, nghĩa là deion hóa của khí tăng lên. Do đó, cần nhiều điện áp hơn để duy trì plasma cung điện khi nhiệt độ giảm. Cuối cùng, có thể nói rằng làm mát hiệu quả tăng