Un articolo per comprendere le fasi di separazione dei contatti in un interruttore a vuoto

Fasi di separazione dei contatti dell'interruttore a vuoto: Innesco dell'arco, estinzione dell'arco e oscillazione

Fase 1: Apertura iniziale (fase di innesco dell'arco, 0-3 mm)
La teoria moderna conferma che la fase iniziale di separazione dei contatti (0-3 mm) è cruciale per le prestazioni di interruzione degli interruttori a vuoto. All'inizio della separazione dei contatti, la corrente dell'arco passa sempre da un modo ristretto a un modo diffuso—più veloce è questa transizione, migliore sarà la prestazione di interruzione.

Tre misure possono accelerare la transizione da un arco ristretto a un arco diffuso:

• Ridurre la massa dei componenti mobili: durante lo sviluppo degli interruttori a vuoto, ridurre la massa della morsa conduttrice aiuta a diminuire l'inerzia delle parti mobili. I test comparativi mostrano che questo approccio migliora la velocità di apertura iniziale in varie misure.

• Aumentare la forza della molla di apertura, assicurandosi che diventi efficace nella fase iniziale di apertura (0-3 mm).

• Minimizzare il percorso di compressione del contatto (ideale 2-3 mm), permettendo alla molla di apertura di intervenire nel processo di separazione il prima possibile.

Gli interruttori tradizionali utilizzano solitamente un design a contatto a presa. Sotto corrente di cortocircuito, le forze elettromagnetiche causano una stretta dei contatti a dito sulla barra conduttrice, risultando in una componente di forza zero nella direzione del movimento. In contrasto, gli interruttori a vuoto utilizzano un'interfaccia di contatto piana. Quando si verifica una corrente di cortocircuito, la forte forza elettromagnetica agisce come una forza repulsiva sui contatti.

Questo significa che la separazione dei contatti non deve aspettare il rilascio completo della molla di compressione del contatto—la separazione avviene quasi simultaneamente al movimento dell'asta principale (con ritardo trascurabile o minimo). Quindi, con un percorso di compressione minimo, la molla di apertura può agire prima, migliorando la velocità di apertura iniziale. Poiché la forza motrice iniziale in questa fase è la repulsione elettromagnetica, la massa da minimizzare include tutti i componenti mobili. Pertanto, i disegni strutturali come quelli a sezione divisa o meccanismi assemblati—spesso con collegamenti lunghi e numerosi—non sono adatti per gli interruttori a vuoto, poiché ostacolano l'ottenimento di alte velocità di apertura iniziali.

Fase 2: Estinzione dell'arco (3-8 mm)
Quando i contatti si separano tra i 3-4 mm, la transizione dell'arco al modo diffuso è generalmente completa—questo è il finestra ottimale per l'estinzione dell'arco. Ampie prove hanno confermato che lo spazio di arco ideale per l'interruzione è di 3-4 mm. Se lo zero di corrente si verifica in questo punto, la densità di vapore metallico decade rapidamente e la resistenza dielettrica attraverso lo spazio si ripristina rapidamente, risultando in un'interruzione riuscita. La forza motrice in questa seconda fase è la molla di apertura.

In un sistema trifase, se l'estinzione dell'arco avviene allo zero di corrente, il tempo di arco è di circa 3 ms (assumendo che i contatti si separino a metà tra due zeri di corrente, a quel punto lo spazio è sufficientemente grande). Per ottenere l'estinzione con uno spazio di 3-4 mm, la velocità media di apertura in questa fase dovrebbe essere di 0,8-1,1 m/s. Convertendo nella misura comunemente usata di 6 mm, la velocità media di apertura equivalente è di circa 1,1-1,3 m/s—un intervallo ampiamente adottato dagli interruttori a vuoto in tutto il mondo. Tuttavia, questi dati sono ottenuti da prove di funzionamento meccanico senza carico. Durante l'interruzione ad alta corrente, la velocità effettiva di apertura è significativamente superiore a causa della forza repulsiva elettromagnetica aggiuntiva che contribuisce al movimento dei contatti. Di conseguenza, nello stesso lasso di tempo, il contatto mobile potrebbe percorrere 6-8 mm.

Per minimizzare il tempo di arco, dovrebbero essere applicate misure di smorzamento speciali nella seconda fase per ridurre rapidamente la velocità della barra conduttrice. Il momento di attivazione dello smorzatore a olio deve essere controllato con cura. La prima fase richiede una rapida separazione, ma la molla di apertura non è ancora completamente attiva. Nella seconda fase, la velocità dovrebbe essere ridotta—la molla di apertura non deve essere troppo forte, altrimenti impedirà la riduzione della velocità, prolungherà il tempo di arco e complicherà la terza fase.

Fase 3: Oscillazione (8-11 mm)
A causa del piccolo spazio tra i contatti e della breve durata di apertura negli interruttori a vuoto, i contatti in rapido movimento devono essere fermati in un tempo estremamente breve. Indipendentemente dal metodo di smorzamento utilizzato, il tasso di cambiamento della velocità rimane elevato, rendendo inevitabile un forte shock meccanico. Le vibrazioni residue persistono tipicamente per circa 30 ms. Attualmente, sia gli interruttori a vuoto nazionali che internazionali impiegano circa 10-12 ms per separare il contatto mobile e farlo entrare nella zona di vibrazione, mentre la durata dell'arco è tipicamente di 12-15 ms. Evidentemente, la superficie del contatto localmente fusa inizia a raffreddarsi e solidificarsi solo dopo l'ingresso nella zona di vibrazione. Queste intense vibrazioni schizzano inevitabilmente il metallo fuso, formando protuberanze appuntite sulla superficie del contatto e lasciando particelle metalliche sospese tra i contatti—fattori esterni chiave che contribuiscono ai riaccensioni. Questi difetti di progettazione spesso non vengono pienamente rivelati nei limitati test di tipo, portando a una scarsa consapevolezza di questo problema per molto tempo.

Conclusione
I progettisti degli interruttori a vuoto devono prestare grande attenzione a tutto il processo di separazione dei contatti. Le strategie chiave includono: ridurre la massa mobile, aumentare la velocità di apertura iniziale, ridurre prontamente la velocità nella seconda fase e minimizzare il tempo di arco in modo che l'arco si estingua prima che i contatti entrino nella zona di vibrazione. Ciò fornisce un tempo sufficiente di raffreddamento alla superficie del contatto e riduce l'intensità delle vibrazioni. Un profilo di separazione ben progettato, allineato con questi principi meccanici ed elettrici, migliora significativamente sia la vita meccanica che quella elettrica, migliorando l'affidabilità e le prestazioni complessive.