กระบวนการสร้างอาร์คไฟฟ้าและวิธีการดับไฟ

เมื่อเปิดวงจรไฟฟ้า การคายประจุจะเกิดขึ้นในรูปของอาร์คไฟฟ้า สำหรับลักษณะของอาร์คไฟฟ้าก็เพียงพอแล้วที่แรงดันไฟฟ้าของหน้าสัมผัสจะสูงกว่า 10 V ที่กระแสในวงจรตั้งแต่ 0.1 A ขึ้นไป ด้วยแรงดันและกระแสที่มีนัยสำคัญ อุณหภูมิภายในส่วนโค้งจะสูงถึง 3-15,000 ° C ซึ่งเป็นผลมาจากการสัมผัสและชิ้นส่วนที่มีชีวิตละลาย

ที่แรงดันไฟฟ้า 110 kV ขึ้นไป ความยาวของส่วนโค้งอาจถึงหลายเมตร ดังนั้นอาร์คไฟฟ้าโดยเฉพาะอย่างยิ่งในวงจรไฟฟ้ากำลังสูงสำหรับแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า 1 kV จึงเป็นอันตรายอย่างยิ่ง แม้ว่าผลที่ร้ายแรงอาจเกิดขึ้นกับการติดตั้งสำหรับแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่า 1 kV ได้เช่นกัน เป็นผลให้ต้องควบคุมการเกิดอาร์คให้ได้มากที่สุดและดับอย่างรวดเร็วในวงจรสำหรับแรงดันไฟฟ้าทั้งด้านบนและด้านล่าง 1 kV

สาเหตุของการเกิดไฟฟ้าลัดวงจร

กระบวนการสร้างอาร์คไฟฟ้าสามารถทำให้ง่ายขึ้นได้ดังนี้เมื่อหน้าสัมผัสแตกต่างกัน ความดันสัมผัสจะลดลงก่อน และพื้นผิวสัมผัสจะเพิ่มขึ้นตามลำดับ ความต้านทานการเปลี่ยนแปลง (ความหนาแน่นกระแสและอุณหภูมิ - ในพื้นที่ (ในบางพื้นที่ของพื้นที่สัมผัส) ความร้อนสูงเกินไปเริ่มขึ้นซึ่งจะก่อให้เกิดการแผ่รังสีความร้อนเพิ่มเติมเมื่อความเร็วของอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิสูงและระเบิดออกจากพื้นผิวของอิเล็กโทรด

ในช่วงเวลาของการแยกหน้าสัมผัส นั่นคือ วงจรขาด แรงดันไฟฟ้าจะถูกคืนค่าอย่างรวดเร็วในช่องว่างหน้าสัมผัส เนื่องจากในกรณีนี้ระยะห่างระหว่างหน้าสัมผัสมีขนาดเล็ก สนามไฟฟ้า ไฟฟ้าแรงสูงภายใต้อิทธิพลของอิเล็กตรอนที่ถูกถอนออกจากพื้นผิวของอิเล็กโทรด พวกมันเร่งความเร็วในสนามไฟฟ้าและเมื่อชนกับอะตอมที่เป็นกลาง พวกมันจะให้พลังงานจลน์แก่มัน หากพลังงานนี้เพียงพอที่จะฉีกอิเล็กตรอนอย่างน้อยหนึ่งตัวออกจากเปลือกของอะตอมที่เป็นกลาง กระบวนการไอออไนเซชันจะเกิดขึ้น

อิเล็กตรอนและไอออนอิสระที่ก่อตัวขึ้นประกอบกันเป็นพลาสมาของลำตัวส่วนโค้ง นั่นคือช่องไอออไนซ์ที่ส่วนโค้งเผาไหม้และการเคลื่อนที่ของอนุภาคอย่างต่อเนื่อง ในกรณีนี้ อนุภาคที่มีประจุลบ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นอิเล็กตรอน จะเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียว (ไปทางขั้วบวก) และอะตอมและโมเลกุลของก๊าซที่ปราศจากอิเล็กตรอนหนึ่งตัวหรือมากกว่า ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีประจุบวก จะเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม (ไปทางแคโทด)

ค่าการนำไฟฟ้าของพลาสมาใกล้เคียงกับโลหะ

กระแสขนาดใหญ่ไหลในเพลาส่วนโค้งและสร้างอุณหภูมิสูงอุณหภูมิของกระบอกสูบส่วนโค้งนี้นำไปสู่การแตกตัวเป็นไอออนด้วยความร้อน ซึ่งเป็นกระบวนการของการก่อตัวของไอออนเนื่องจากการชนกันของโมเลกุลและอะตอมที่มีพลังงานจลน์สูงด้วยความเร็วสูงของการเคลื่อนที่ (โมเลกุลและอะตอมของตัวกลางที่อาร์คเผาไหม้จะแตกตัวเป็นอิเล็กตรอนและบวก ไอออนที่มีประจุ) ไอออนไนซ์ความร้อนเข้มข้นรักษาการนำพลาสมาสูง ดังนั้นแรงดันตกคร่อมตามส่วนโค้งจึงมีน้อย

ในอาร์คไฟฟ้า มีกระบวนการสองกระบวนการเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง: นอกเหนือจากการแตกตัวเป็นไอออนแล้ว ยังรวมถึงการแยกไอออนของอะตอมและโมเลกุลด้วย อย่างหลังเกิดขึ้นโดยส่วนใหญ่ผ่านการแพร่กระจาย นั่นคือการถ่ายโอนอนุภาคที่มีประจุสู่สิ่งแวดล้อมและการรวมตัวกันของอิเล็กตรอนและไอออนที่มีประจุบวกอีกครั้ง ซึ่งรวมตัวกันอีกครั้งเป็นอนุภาคที่เป็นกลางพร้อมการคืนพลังงานที่ใช้ในการแตกตัว ในกรณีนี้ ความร้อนจะถูกกำจัดออกสู่สิ่งแวดล้อม

ดังนั้นสามขั้นตอนของกระบวนการที่พิจารณาสามารถแยกแยะได้: การจุดระเบิดด้วยอาร์คเมื่อเกิดจากการแตกตัวเป็นไอออนและการปล่อยอิเล็กตรอนจากแคโทด การปล่อยอาร์คเริ่มต้นขึ้นและความเข้มของไอออไนเซชันสูงกว่าการดีออไนเซชัน การเผาไหม้ที่เสถียรของส่วนโค้งที่ได้รับการสนับสนุนจาก ไอออนไนซ์ด้วยความร้อนในกระบอกอาร์คเมื่อความเข้มของไอออนไนซ์และไอออนไนซ์เท่ากัน การหายไปของอาร์คเมื่อความเข้มของไอออนไนซ์สูงกว่าไอออนไนซ์

วิธีการดับไฟส่วนโค้งในอุปกรณ์สวิตชิ่งไฟฟ้า

ในการปลดองค์ประกอบของวงจรไฟฟ้าและไม่รวมความเสียหายต่ออุปกรณ์สวิตชิ่ง ไม่เพียงแต่จำเป็นต้องเปิดหน้าสัมผัสเท่านั้น แต่ยังต้องดับส่วนโค้งที่ปรากฏระหว่างอุปกรณ์เหล่านั้นด้วย กระบวนการดับอาร์คเช่นเดียวกับการเผาไหม้ด้วยกระแสสลับและกระแสตรงนั้นแตกต่างกันสิ่งนี้ถูกกำหนดโดยข้อเท็จจริงที่ว่าในกรณีแรกกระแสในส่วนโค้งผ่านศูนย์ทุก ๆ ครึ่งรอบ ในช่วงเวลาเหล่านี้ การปลดปล่อยพลังงานในอาร์คจะหยุดลง และอาร์คจะดับเองและจากนั้นจะติดไฟใหม่ทุกครั้ง

ในทางปฏิบัติ กระแสในส่วนโค้งจะเข้าใกล้ศูนย์เล็กน้อยก่อนจุดตัดศูนย์ เนื่องจากเมื่อกระแสลดลง พลังงานที่จ่ายให้กับส่วนโค้งจะลดลง และอุณหภูมิของส่วนโค้งจะลดลงตามนั้น และเทอร์มอลไอออไนเซชันจะหยุดลง ในกรณีนี้ กระบวนการกำจัดไอออนจะดำเนินต่อไปอย่างเข้มข้นในช่องว่างส่วนโค้ง หากคุณเปิดและเปิดหน้าสัมผัสอย่างรวดเร็วในเวลานี้ การหยุดชะงักทางไฟฟ้าที่ตามมาอาจไม่เกิดขึ้นและวงจรจะตัดการเชื่อมต่อโดยไม่เกิดประกายไฟ อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ การดำเนินการนี้ทำได้ยากมาก ดังนั้นจึงมีการใช้มาตรการพิเศษเพื่อเร่งการสูญพันธุ์ของอาร์ค เพื่อให้แน่ใจว่าพื้นที่อาร์คเย็นลง และลดจำนวนอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า

อันเป็นผลมาจากการขจัดไอออนความเป็นฉนวนของช่องว่างจะค่อยๆเพิ่มขึ้นและในเวลาเดียวกันแรงดันการกู้คืนจะเพิ่มขึ้น อัตราส่วนของค่าเหล่านี้ขึ้นอยู่กับว่ารุ้งจะสว่างขึ้นในช่วงครึ่งถัดไปหรือไม่ หากความเป็นฉนวนของช่องว่างเพิ่มขึ้นเร็วกว่าและมากกว่าแรงดันการกู้คืน ส่วนโค้งจะไม่ติดไฟอีกต่อไป มิฉะนั้น จะมีการให้ส่วนโค้งที่เสถียร เงื่อนไขแรกกำหนดปัญหาการดับอาร์ค

ใช้วิธีการดับอาร์คที่แตกต่างกันในสวิตช์

ขยายส่วนโค้ง

หากหน้าสัมผัสแยกออกจากกันระหว่างการตัดวงจรไฟฟ้า ส่วนโค้งที่ได้จะถูกยืดออกในขณะเดียวกัน สภาวะการเย็นตัวของอาร์กจะดีขึ้นเนื่องจากพื้นที่ผิวของมันเพิ่มขึ้นและต้องใช้แรงดันไฟฟ้ามากขึ้นสำหรับการเผาไหม้

แยกส่วนโค้งยาวเป็นชุดของส่วนโค้งสั้น

หากส่วนโค้งเกิดขึ้นเมื่อหน้าสัมผัสเปิดออกจะแบ่งออกเป็นส่วนโค้งสั้น K เช่น โดยการดึงเข้าไปในตะแกรงโลหะ มันจะดับลง โดยทั่วไปแล้ว ส่วนโค้งจะถูกนำเข้าสู่กริดโลหะภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำให้เกิดในแผ่นกริดโดยกระแสไหลวน วิธีการดับอาร์คนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในสวิตช์เกียร์สำหรับแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า 1 kV โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสวิตช์อากาศอัตโนมัติ

การระบายความร้อนด้วยอาร์คในช่องแคบๆ

อำนวยความสะดวกในการดับเพลิงส่วนโค้งขนาดเล็ก ดังนั้นใน สลับอุปกรณ์ รางส่วนโค้งที่มีช่องตามยาวใช้กันอย่างแพร่หลาย (แกนของช่องดังกล่าวตรงกับทิศทางกับแกนของทรงกระบอกส่วนโค้ง) ช่องว่างดังกล่าวมักเกิดขึ้นในห้องที่ทำจากวัสดุป้องกันส่วนโค้งที่เป็นฉนวน เนื่องจากการสัมผัสของส่วนโค้งกับพื้นผิวที่เย็น ทำให้เกิดการเย็นตัวอย่างรุนแรง การแพร่กระจายของอนุภาคที่มีประจุในสิ่งแวดล้อม และตามมาด้วยการกำจัดไอออนอย่างรวดเร็ว

นอกจากช่องที่มีผนังเรียบขนานกันแล้วยังมีการใช้ช่องที่มีซี่โครง ส่วนที่ยื่นออกมา ส่วนต่อขยาย (กระเป๋า) ทั้งหมดนี้นำไปสู่การเสียรูปของทรงกระบอกส่วนโค้งและเพิ่มพื้นที่สัมผัสกับผนังเย็นของห้อง

ส่วนโค้งถูกดึงเข้าไปในช่องแคบๆ โดยปกติแล้วสนามแม่เหล็กจะมีปฏิสัมพันธ์กับส่วนโค้ง ซึ่งอาจถูกมองว่าเป็นตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้า

ภายนอก สนามแม่เหล็ก ในการเคลื่อนย้ายส่วนโค้งส่วนใหญ่มักจะให้โดยขดลวดที่เชื่อมต่อเป็นอนุกรมพร้อมหน้าสัมผัสระหว่างส่วนโค้งที่เกิดขึ้นการดับอาร์คช่องแคบใช้ในอุปกรณ์สำหรับแรงดันไฟฟ้าทั้งหมด

การดับอาร์คแรงดันสูง

ที่อุณหภูมิคงที่ ระดับของไอออไนเซชันของแก๊สจะลดลงเมื่อความดันเพิ่มขึ้น ในขณะที่ค่าการนำความร้อนของแก๊สเพิ่มขึ้น สิ่งอื่นๆ เท่ากัน ส่งผลให้การระบายความร้อนของอาร์คดีขึ้น การดับอาร์คด้วยความดันสูง ซึ่งสร้างโดยอาร์คเองในห้องที่ปิดสนิท มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในฟิวส์และอุปกรณ์อื่นๆ จำนวนมาก

การอาร์คดับในน้ำมัน

ถ้า การสลับที่ติดต่อ เมื่ออยู่ในน้ำมัน ส่วนโค้งที่เกิดขึ้นเมื่อเปิดออกจะนำไปสู่การระเหยของน้ำมันอย่างรุนแรง เป็นผลให้เกิดฟองก๊าซ (ซองจดหมาย) รอบส่วนโค้งซึ่งประกอบด้วยไฮโดรเจนเป็นส่วนใหญ่ (70 ... 80%) เช่นเดียวกับไอน้ำมัน ก๊าซที่ปล่อยออกมาจะแทรกซึมโดยตรงไปยังพื้นที่ของกระบอกสูบส่วนโค้งด้วยความเร็วสูง ทำให้เกิดการผสมกันของก๊าซเย็นและร้อนในฟองอากาศ ให้การระบายความร้อนอย่างเข้มข้น และดังนั้น การกำจัดไอออนของช่องว่างส่วนโค้ง นอกจากนี้ ความสามารถในการกำจัดไอออนของก๊าซจะเพิ่มแรงดันภายในฟองที่เกิดขึ้นระหว่างการสลายตัวอย่างรวดเร็วของน้ำมัน

ความเข้มของกระบวนการดับอาร์คในน้ำมันยิ่งสูง ยิ่งอาร์คสัมผัสกับน้ำมันมากเท่าไร และน้ำมันจะเคลื่อนที่เร็วขึ้นเมื่อเทียบกับอาร์ค ด้วยเหตุนี้ช่องว่างส่วนโค้งจึงถูก จำกัด โดยอุปกรณ์ฉนวนปิด - รางโค้ง... ในห้องเหล่านี้จะมีการสร้างการสัมผัสที่ใกล้ชิดของน้ำมันกับส่วนโค้งและด้วยความช่วยเหลือของแผ่นฉนวนและรูระบายทำให้เกิดช่องทางการทำงาน ซึ่งการเคลื่อนที่ของน้ำมันและก๊าซทำให้เกิดการระเบิดอย่างเข้มข้น (การระเบิด) ของส่วนโค้ง

รางโค้งตามหลักการทำงานแบ่งออกเป็นสามกลุ่มหลัก: ด้วยการเป่าตัวเองเมื่อความดันสูงและความเร็วของการเคลื่อนที่ของก๊าซถูกสร้างขึ้นในพื้นที่ของส่วนโค้งเนื่องจากพลังงานที่ปล่อยออกมาในส่วนโค้งด้วย บังคับให้เป่าน้ำมันด้วยความช่วยเหลือของกลไกไฮดรอลิกสูบน้ำแบบพิเศษพร้อมการดับด้วยแม่เหล็กในน้ำมันเมื่อส่วนโค้งอยู่ภายใต้การกระทำของสนามแม่เหล็กมันจะเคลื่อนเข้าสู่ช่องว่างแคบ ๆ

รางส่วนโค้งที่สูบลมได้เองที่มีประสิทธิภาพและเรียบง่ายที่สุด... ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของช่องและช่องเปิดไอเสีย ห้องมีความโดดเด่นในการเป่าส่วนผสมของไอน้ำและน้ำมันอย่างเข้มข้นไปตามกระแสของส่วนโค้ง (เป่าตามยาว) หรือ ผ่านส่วนโค้ง (การเป่าตามขวาง) มีให้ ) วิธีการดับอาร์คที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในเบรกเกอร์วงจรสำหรับแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า 1 kV

วิธีอื่นในการดับส่วนโค้งในอุปกรณ์สำหรับแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า 1 kV

นอกจากวิธีการดับอาร์คข้างต้นแล้ว พวกเขายังใช้: อากาศอัด การไหลของอากาศจะพัดส่วนโค้งไปตามหรือข้าม เพื่อให้มั่นใจว่าเย็นลงอย่างเข้มข้น (แทนอากาศ ใช้ก๊าซอื่น ซึ่งมักได้รับจากการสร้างก๊าซที่เป็นของแข็ง วัสดุ - เส้นใย พลาสติกไวนิล ฯลฯ - เนื่องจากการสลายตัวโดยส่วนโค้งที่เผาไหม้) SF6 (ซัลเฟอร์เฮกซาฟลูออไรด์)ซึ่งมีความแรงทางไฟฟ้าสูงกว่าอากาศและไฮโดรเจน ซึ่งเป็นผลมาจากการที่อาร์คเผาไหม้ในก๊าซนี้ แม้ที่ความดันบรรยากาศ จะดับลงอย่างรวดเร็ว ก๊าซที่หายากมาก (สุญญากาศ) เมื่อเปิดหน้าสัมผัส ซึ่งอาร์คทำ ไม่ติดไฟ (ดับ) หลังจากการผ่านครั้งแรกของกระแสผ่านศูนย์