Sähkökaaren muodostusprosessi ja sen sammutusmenetelmät

Kun sähköpiiri avataan, syntyy sähköpurkaus sähkökaaren muodossa. Sähkökaaren ilmaantumiseen riittää, että koskettimien jännite on yli 10 V virtapiirissä, joka on luokkaa 0,1 A tai enemmän. Merkittävillä jännitteillä ja virroilla kaaren lämpötila voi nousta 3-15 000 ° C: een, minkä seurauksena koskettimet ja jännitteiset osat sulavat.

110 kV:n ja sitä korkeammilla jännitteillä kaaren pituus voi olla useita metrejä. Siksi yli 1 kV:n jännitteillä vallitseva sähkökaari, erityisesti suurtehopiireissä, on suuri vaara, vaikka vakavia seurauksia voi olla myös alle 1 kV:n jännitteissä. Tämän seurauksena kipinöintiä on rajoitettava mahdollisimman paljon ja se on sammutettava nopeasti sekä yli- että alle 1 kV:n jännitteissä.

Sähkökaapin syyt

Sähkökaaren muodostusprosessia voidaan yksinkertaistaa seuraavasti.Kun koskettimet eroavat toisistaan, kosketuspaine ensin laskee ja kosketuspinta kasvaa vastaavasti, siirtymävastus (virrantiheys ja lämpötila - paikallinen (tietyillä kosketusalueen alueilla) ylikuumeneminen alkaa, mikä edelleen edistää lämpösäteilyä, kun korkean lämpötilan vaikutuksesta elektronien nopeus kasvaa ja ne puhkeavat elektrodin pinnalta.

Kosketinerotuksen hetkellä, eli piiri katkeaa, jännite palautuu nopeasti kosketusväliin. Koska tässä tapauksessa koskettimien välinen etäisyys on pieni, on olemassa sähkökenttä korkea jännite, jonka vaikutuksesta elektronit vedetään pois elektrodin pinnalta. Ne kiihtyvät sähkökentässä ja osuessaan neutraaliin atomiin antavat sille kineettisen energiansa. Jos tämä energia riittää repimään vähintään yhden elektronin neutraalin atomin kuoresta, tapahtuu ionisaatioprosessi.

Muodostuneet vapaat elektronit ja ionit muodostavat kaaren rungon plasman eli ionisoidun kanavan, jossa kaari palaa ja hiukkasten jatkuva liike on varmistettu. Tässä tapauksessa negatiivisesti varautuneet hiukkaset, pääasiassa elektronit, liikkuvat yhteen suuntaan (anodia kohti) ja kaasujen atomit ja molekyylit, joilta puuttuu yksi tai useampi elektroni - positiivisesti varautuneet hiukkaset - vastakkaiseen suuntaan (katodia kohti).

Plasman johtavuus on lähellä metallien johtavuutta.

Valokaariakselissa kulkee suuri virta ja syntyy korkea lämpötila.Tämä kaarisylinterin lämpötila johtaa lämpöionisaatioon - ionien muodostumisprosessiin, joka johtuu molekyylien ja atomien törmäyksestä, joilla on suuri kineettinen energia suurilla liikkumisnopeuksilla (väliaineen molekyylit ja atomit, joissa kaari palaa, hajoavat elektroneiksi ja positiivisesti varautuneet ionit). Voimakas lämpöionisaatio ylläpitää korkeaa plasmanjohtavuutta. Siksi jännitehäviö kaarella on pieni.

Sähkökaaressa tapahtuu jatkuvasti kaksi prosessia: ionisaation lisäksi myös atomien ja molekyylien deionisaatio. Jälkimmäinen tapahtuu pääasiassa diffuusion kautta, toisin sanoen varautuneiden hiukkasten siirtymisessä ympäristöön ja elektronien ja positiivisesti varautuneiden ionien rekombinaatiossa, jotka yhdistyvät uudelleen neutraaleiksi hiukkasiksi niiden hajoamiseen käytetyn energian palautuessa. Tässä tapauksessa lämpö siirtyy ympäristöön.

Tarkastelun prosessin kolme vaihetta voidaan siis erottaa: valokaaren sytytys, kun sähköiskuionisaation ja katodista lähtevien elektronien emission vuoksi alkaa kaaripurkaus ja ionisaation intensiteetti on suurempi kuin deionisaatio, kaaren stabiili palaminen lämpöionisaatio kaarisylinterissä, kun ionisaation ja deionisaation intensiteetit ovat samat, kaaren katoaminen, kun deionisaation intensiteetti on suurempi kuin ionisoinnin intensiteetti.

Valokaarin sammutusmenetelmät sähkökytkentälaitteissa

Sähköpiirin elementtien irrottamiseksi ja kytkinlaitteen vaurioitumisen välttämiseksi on välttämätöntä paitsi avata sen koskettimet, myös sammuttaa niiden väliin ilmestyvä kaari. Valokaarisammutusprosessit sekä polttaminen vaihto- ja tasavirralla ovat erilaisia.Tämän määrää se tosiasia, että ensimmäisessä tapauksessa kaaren virta kulkee nollan läpi joka puolijakso. Näinä aikoina valokaaren energian vapautuminen pysähtyy ja kaari sammuu spontaanisti ja syttyy sitten uudelleen joka kerta.

Käytännössä valokaaren virta tulee lähelle nollaa hieman aikaisemmin kuin nollan ylitys, koska virran pienentyessä kaarelle syötetty energia pienenee ja kaaren lämpötila laskee vastaavasti ja lämpöionisaatio lakkaa. Tässä tapauksessa deionisaatioprosessi jatkuu intensiivisesti kaariraossa. Jos avaat ja avaat koskettimet nopeasti tällä hetkellä, myöhempi sähkökatkos ei välttämättä tapahdu ja piiri katkeaa ilman valokaaren muodostusta. Käytännössä tämä on kuitenkin äärimmäisen vaikeaa toteuttaa, ja siksi erityistoimia ryhdytään nopeuttamaan kaaren sammumista, varmistamaan kaaritilan jäähdytystä ja vähentämään varautuneiden hiukkasten määrää.

Deionisaation seurauksena raon dielektrinen lujuus kasvaa vähitellen ja samalla sen palautusjännite kasvaa. Näiden arvojen suhde riippuu siitä, syttyykö sateenkaari jakson seuraavalla puoliskolla vai ei. Jos raon dielektrinen lujuus kasvaa nopeammin ja on suurempi kuin palautusjännite, kaari ei enää syty, muuten syntyy vakaa kaari. Ensimmäinen ehto määrittelee kaaren sammutusongelman.

Kojeistoissa käytetään erilaisia ​​valokaaren sammutusmenetelmiä.

Kaaren pidentäminen

Jos koskettimet eroavat sähköpiirin katkaisun aikana, tuloksena oleva kaari venyy.Samalla valokaaren jäähdytysolosuhteet paranevat, koska sen pinta-ala kasvaa ja palamiseen tarvitaan enemmän jännitettä.

Pitkän kaaren jakaminen lyhyiden kaarien sarjaksi

Jos koskettimien avautuessa muodostunut valokaari jaetaan K lyhyeksi kaareksi esimerkiksi metalliristikkoon vetämällä, se sammuu. Tyypillisesti kaari viedään metalliverkkoon sähkömagneettisen kentän vaikutuksesta, jonka pyörrevirtaukset indusoivat verkkolevyihin. Tätä valokaaren sammutusmenetelmää käytetään laajalti alle 1 kV:n jännitteiden kojeistoissa, erityisesti automaattisissa ilmakytkimissä.

Valokaarijäähdytys kapeissa rakoissa

Pienten valokaarien sammuttaminen on helpompaa. Siksi sisään kytkinlaitteet kaarikouruja, joissa on pitkittäiset raot, käytetään laajalti (sellaisen raon akseli on suunnassa yhdensuuntainen kaarisylinterin akselin kanssa). Tällainen rako muodostetaan yleensä kammioihin, jotka on valmistettu eristävästä valokaarenkestävästä materiaalista. Kaaren kosketuksesta kylmiin pintoihin johtuu sen voimakas jäähtyminen, varautuneiden hiukkasten diffuusio ympäristöön ja vastaavasti nopea deionisaatio.

Tasaisten yhdensuuntaisten seinien lovien lisäksi käytetään myös uria, joissa on rivat, ulkonemat, jatkeet (taskut). Kaikki tämä johtaa kaarisylinterin muodonmuutokseen ja lisää sen kosketusaluetta kammion kylmien seinien kanssa.

Valokaari vedetään kapeisiin rakoihin yleensä kaaren kanssa vuorovaikutuksessa olevan magneettikentän avulla, jota voidaan pitää virtaa kuljettavana johtimena.

Ulkoinen magneettikenttä Valokaari siirretään useimmiten kelalla, joka on kytketty sarjaan niiden koskettimien kanssa, joiden välillä kaari syntyy.Kapearakoista valokaaren sammutusta käytetään laitteissa kaikille jännitteille.

Korkeapaineinen kaarisammutus

Vakiolämpötilassa kaasun ionisaatioaste laskee paineen kasvaessa, kun taas kaasun lämmönjohtavuus kasvaa. Jos kaikki muut asiat ovat samat, tämä johtaa parempaan valokaaren jäähdytykseen. Valokaarisammutus korkealla paineella, jonka itse kaari aiheuttaa tiiviisti suljetuissa kammioissa, on laajalti käytössä sulakkeissa ja monissa muissa laitteissa.

Kaaren sammutus öljyssä

Jos koskettimien vaihto Jos ne sijoitetaan öljyyn, kaari, joka syntyy, kun ne avataan, johtaa öljyn voimakkaaseen haihtumiseen. Tämän seurauksena kaaren ympärille muodostuu kaasukupla (vaippa), joka koostuu pääasiassa vedystä (70 ... 80%) sekä öljyhöyrystä. Säteilevät kaasut tunkeutuvat suoraan valokaarisylinterin alueelle suurella nopeudella, aiheuttavat kylmän ja kuuman kaasun sekoittumista kuplassa, jäähdyttävät intensiivisesti ja vastaavasti deionisoivat kaariraon. Lisäksi kaasujen deionisoiva kyky lisää painetta öljyn nopean hajoamisen aikana muodostuvan kuplan sisällä.

Valokaarisammutusprosessin intensiteetti öljyssä on sitä suurempi, mitä lähempänä valokaari joutuu kosketuksiin öljyn kanssa ja sitä nopeammin öljy liikkuu valokaaren suhteen. Tämän vuoksi kaarirakoa rajoittaa suljettu eristyslaite - kaarikouru... Näissä kammioissa syntyy öljyn tiiviimpi kosketus valokaaren kanssa, ja eristyslevyjen ja purkausreikien avulla muodostetaan työkanavat jonka kautta öljyn ja kaasujen liike, joka tarjoaa intensiivisen kaaren puhalluksen (blowout).

Valokaarikourut jaetaan toimintaperiaatteen mukaan kolmeen pääryhmään: itsepuhalluksella, kun kaaren alueelle syntyy korkea paine ja kaasun liikkeen nopeus kaaressa vapautuvan energian vuoksi, öljyn pakotettu puhallus erityisten pumppaushydraulisten mekanismien avulla, magneettisella sammutuksella öljyssä, kun kaari on magneettikentän vaikutuksen alaisena, se siirtyy kapeisiin rakoihin.

Tehokkaimmat ja yksinkertaisimmat itsestään täyttyvät kaarikourut... Kanavien ja poistoaukkojen sijainnista riippuen erotetaan kammiot, joissa kaasu-höyryseoksen ja öljyn intensiivinen puhallus kaaren virtaa pitkin (pitkittäispuhallus) tai kaaren läpi (poikittainen puhallus) on järjestetty). Tarkasteltuja valokaaren sammutusmenetelmiä käytetään laajalti yli 1 kV jännitteiden katkaisimissa.

Muut menetelmät valokaaren sammuttamiseen laitteissa, joiden jännite on yli 1 kV

Yllä olevien valokaaren sammutusmenetelmien lisäksi he käyttävät myös: paineilmaa, jonka virtaus puhaltaa kaaria pitkin tai poikki varmistaen sen voimakkaan jäähdytyksen (ilman sijasta käytetään muita kaasuja, joita saadaan usein kiinteästä kaasusta. materiaalit - kuidut, vinyylimuovi jne. - niiden hajoamisen kustannuksella itse palavan kaaren vaikutuksesta), SF6 (rikkiheksafluoridi), jonka sähkölujuus on suurempi kuin ilman ja vedyn, minkä seurauksena tässä kaasussa palava valokaari jopa ilmakehän paineessa sammuu nopeasti, erittäin harvinainen kaasu (tyhjiö) koskettimia avattaessa, jossa kaari ei ei syty (sammu) virran ensimmäisen kulkemisen jälkeen nollasta.