Jedno artykułu do zrozumienia etapów rozdzielania kontaktów w próżniowym wyłączniku obwodowym

Etapy rozdzielania kontaktów w przerywaczu próżniowym: Inicjacja łuku, zanik łuku i oscylacje

Etap 1: Początkowe otwieranie (faza inicjacji łuku, 0–3 mm)
Nowoczesna teoria potwierdza, że początkowy etap rozdzielania kontaktów (0–3 mm) jest kluczowy dla wyłączającej zdolności przerywaczy próżniowych. Na początku rozdzielania kontaktów prąd łuku zawsze przechodzi z trybu skupionego na tryb rozproszony — im szybsza jest ta transformacja, tym lepsza jest zdolność do przerwania.

Trzy środki mogą przyspieszyć przejście od skupionego do rozproszonego łuku:

• Zmniejszenie masy elementów ruchomych: W trakcie rozwoju przerywaczy próżniowych, zmniejszenie masy szczęk przewodzących pomaga obniżyć bezwładność części ruchomych. Porównawcze testy pokazują, że ten sposób poprawia prędkość początkowego otwierania w różnym stopniu.

• Wzrost siły sprężyny otwierającej, zapewniając, aby była ona efektywna w wczesnej fazie otwierania (0–3 mm).

• Minimalizacja drogi kompresji kontaktów (optymalnie 2–3 mm), umożliwiająca wcześniejsze zaangażowanie się sprężyny otwierającej w proces rozdzielania.

Tradycyjne przerywacze zazwyczaj używają konstrukcji kontaktów wtykowych. Przy prądzie krótkiego spięcia, siły elektromagnetyczne powodują, że palce kontaktowe mocno obejmują przewód przewodzący, co prowadzi do zerowej składowej siły w kierunku ruchu. W przeciwieństwie do tego, przerywacze próżniowe używają płaskiej powierzchni kontaktowej. Gdy wystąpi prąd krótkiego spięcia, silna siła elektromagnetyczna działa jako siła odepchnięcia na kontakty.

To oznacza, że rozdzielenie kontaktów nie musi czekać na pełne zwolnienie sprężyny kompresyjnej kontaktów — rozdzielenie następuje prawie jednocześnie z ruchem głównego wału (z minimalnym lub brakiem opóźnienia). Dlatego, przy minimalnej drodze kompresji, sprężyna otwierająca może działać wcześniej, zwiększając prędkość początkowego otwierania. Ponieważ początkową siłą napędową w tej fazie jest odepchnięcie elektromagnetyczne, masa, która ma być zminimalizowana, obejmuje wszystkie elementy ruchome. Stąd, konstrukcje takie jak podzielone lub złożone mechanizmy — często zawierające długie i liczne połączenia — są niewłaściwe dla przerywaczy próżniowych, ponieważ utrudniają osiągnięcie wysokiej prędkości początkowego otwierania.

Etap 2: Zanik łuku (3–8 mm)
Gdy kontakty rozdzieliły się na 3–4 mm, przejście łuku do trybu rozproszonego jest zwykle zakończone — to jest optymalny okres dla zaniku łuku. Rozległe testy potwierdziły, że optymalna luka łukowa dla przerwania wynosi 3–4 mm. Jeśli prąd spada do zera w tym punkcie, gęstość pary metalicznej szybko maleje, a wytrzymałość dielektryczna w luce szybko odzyskuje, prowadząc do pomyślnego przerwania. Siłą napędową w tym drugim etapie jest sprężyna otwierająca.

W systemie trójfazowym, jeśli zanik łuku następuje w pierwszym momencie, gdy prąd spada do zera, czas łuku wynosi około 3 ms (przy założeniu, że kontakty rozdzieliły się połowie między dwoma momentami, gdy prąd spada do zera, a luka jest już wystarczająco duża). Aby osiągnąć zanik przy luce 3–4 mm, średnia prędkość otwierania w tej fazie powinna wynosić 0,8–1,1 m/s. Przeliczone na powszechnie stosowane 6 mm, równoważna średnia prędkość otwierania wynosi około 1,1–1,3 m/s — zakres szeroko stosowany przez przerywacze próżniowe na całym świecie. Jednak te dane są uzyskane z mechanicznych testów operacyjnych w warunkach bez obciążenia. Podczas przerwania dużych prądów rzeczywista prędkość otwierania jest znacznie wyższa ze względu na dodatkową siłę odepchnięcia elektromagnetycznego wspomagającą ruch kontaktów. W rezultacie, w tym samym okresie, ruchomy kontakt może przebyć 6–8 mm.

Aby zminimalizować czas łuku, w drugim etapie należy zastosować specjalne środki tłumienia, aby szybko obniżyć prędkość pręta przewodzącego. Czas włączenia tłoczka olejowego musi być starannie kontrolowany. Pierwszy etap wymaga szybkiego rozdzielenia, ale sprężyna otwierająca jeszcze nie jest w pełni zaangażowana. W drugim etapie prędkość powinna być obniżona — sprężyna otwierająca nie może być zbyt silna, w przeciwnym razie uniemożliwi obniżenie prędkości, przedłuża czas łuku i komplikuje trzeci etap.

Etap 3: Oscylacje (8–11 mm)
Ze względu na małą lukę kontaktową i krótki czas otwierania w przerywaczach próżniowych, szybko poruszające się kontakty muszą być zatrzymane w bardzo krótkim czasie. Niezależnie od zastosowanego środka tłumienia, tempo zmiany prędkości pozostaje wysokie, co sprawia, że silne uderzenie mechaniczne jest nieuniknione. Residualne drgania trwają zwykle około 30 ms. Obecnie zarówno krajowe, jak i międzynarodowe przerywacze próżniowe potrzebują około 10–12 ms, aby ruchomy kontakt rozdzielił się i wszedł w strefę drgań, podczas gdy czas łuku wynosi zwykle 12–15 ms. Jest jasne, że lokalnie stopiona powierzchnia kontaktowa zaczyna stygnąć i krzepnąć dopiero po wejściu do strefy drgań. To intensywne drganie nieuchronnie rozpryskuje stopiony metal, tworząc ostre wypustki na powierzchni kontaktowej i pozostawiając zawieszone cząsteczki metaliczne między kontaktami — kluczowe czynniki zewnętrzne przyczyniające się do ponownych zapłonów. Takie defekty projektowe często nie są w pełni ujawnione w ograniczonych testach typowych, co prowadzi do niewystarczającego zrozumienia tego problemu przez długi czas.

Podsumowanie
Konstruktorzy przerywaczy próżniowych muszą dokładnie zwracać uwagę na cały proces rozdzielania kontaktów. Kluczowe strategie obejmują: zmniejszenie masy ruchomej, zwiększenie początkowej prędkości otwierania, szybkie obniżenie prędkości w drugim etapie i minimalizację czasu łuku, aby łuk zgasł przed wejściem kontaktów do strefy drgań. To zapewnia wystarczający czas na ochłodzenie powierzchni kontaktowej i redukcję intensywności drgań. Dobrze zaprojektowany profil rozdzielenia, zgodny z tymi zasadami mechanicznymi i elektrycznymi, znacznie zwiększa zarówno żywotność mechaniczną, jak i elektryczną, poprawiając ogólną niezawodność i wydajność.