Принцип і спосіб гасіння дуги в електронних пристроях, таких як запобіжники

Що таке електрична дуга?

Коли запобіжник у ланцюзі перегорає, коли напруга та струм досягають певного значення, плавка вставка щойно розплавилася та від’єдналася, і між щойно роз’єднаними плавкими вставками виникне дуга, яка називається дугою. Це пов’язано з сильним електричним полем, яке іонізує газ і змушує струм проходити через зазвичай ізоляційне середовище. Використання електричної дуги може мати багато застосувань, наприклад, зварювання, електродугові печі на металургійних заводах тощо. Але якщо дуга генерується в неконтрольованому стані, це призведе до пошкодження передачі електроенергії, розподілу та електронного обладнання. Тому ми повинні розуміти і контролювати дугу.

Склад електричної дуги

1. Зона аркової колони

Область стовпа дуги електрично нейтральна і складається з молекул, атомів, збуджених атомів, позитивних іонів, негативних іонів і електронів. Серед них позитивно заряджені іони майже дорівнюють негативно зарядженим іонам, тому її ще називають плазмою. Заряджені частинки рухаються в плазмі спрямовано, не споживаючи багато енергії, тому вони можуть пропускати великі струми за умов низької напруги. Основними зарядженими частинками, які пропускають струм, є електрони, що становлять приблизно 99,9% від загальної кількості заряджених частинок, решта — позитивні іони. Через надзвичайно коротку довжину катодної та анодної областей довжину області стовпа дуги можна вважати довжиною дуги. Напруженість електричного поля в області стовпа дуги відносно низька, зазвичай лише 5-10 В/см.

2. Площа катода

Катод вважається джерелом електронів. Він забезпечує 99,9% заряджених частинок (електронів) у стовп дуги. Здатність катода випускати електрони істотно впливає на стабільність дуги. Довжина катодної області 10-5-10-6см. Якщо падіння напруги на катоді становить 10 В, то напруженість електричного поля катодної області становить 106-107 В/см.

3. Площа анода

Анодна область в основному відповідає за прийом електронів, але вона також повинна забезпечувати 0,1% заряджених частинок (позитивних іонів) у стовп дуги. Довжина анодної області зазвичай становить 10-2-10-3 см, тому напруженість електричного поля анодної області становить 103-104 В/см. Через значний вплив матеріалу анода і зварювального струму на падіння напруги в області анода воно може коливатися від 0 до 10 В. Наприклад, коли щільність струму висока і температура анода висока, внаслідок чого матеріал анода випаровується, падіння напруги на аноді зменшиться навіть до 0 В.

Характеристика електричних дуг

1. Напруга дуги, необхідна для підтримки стабільного горіння дуги, дуже низька, а напруга стовпа дуги постійного струму діаметром 1 см в атмосфері становить лише 10-50 В.

2. Через дугу може проходити великий струм від кількох ампер до кількох тисяч ампер.

3. Дуга має високу температуру, і температура стовпа дуги нерівномірна. Температура в центрі є найвищою, досягаючи 6000-10000 градусів, тоді як температура знижується від центру.

4. Електричні дуги можуть випромінювати сильне світло. Довжина хвилі світлового випромінювання дуги становить (1,7-50) × 10-7м. Він включає три частини: інфрачервоне, видиме та ультрафіолетове світло

Класифікація електричних дуг

1. За типом струму його можна розділити на дугу змінного струму, дугу постійного струму та дугу імпульсу.

2. Відповідно до стану дуги, її можна розділити на вільну дугу та стиснуту дугу (наприклад, плазмову дугу).

3. Відповідно до матеріалу електрода, його можна розділити на: дугу з плавким електродом і дугу з неплавким електродом.

Небезпека електричної дуги

1. Наявність дуг подовжує час для відключення КРУ несправних ланцюгів і збільшує ймовірність коротких замикань в енергосистемі.

2. Висока температура, створювана дугою, плавить і випаровує контактну поверхню, вигоряючи ізоляційний матеріал. Маслонаповнене електричне обладнання також може становити небезпеку, наприклад пожежу та вибух.

3. Через те, що електричні дуги можуть рухатися під дією електричних і теплових сил. Легко викликати дугові короткі замикання та травми, що призводить до ескалації аварій.

Принцип шести гасячих дуг

1. Температура дуги

Дуга підтримується термічною іонізацією, і зниження температури дуги може послабити теплову іонізацію та зменшити утворення нових заряджених іонів. У той же час він також зменшує швидкість заряджених частинок і посилює композитний ефект. Швидко подовжуючи дугу, продуваючи дугу газом або маслом або приводячи дугу в контакт з поверхнею твердого середовища, можна знизити температуру дуги.

2. Характеристика середовища

Характеристики середовища, в якій горить дуга, багато в чому визначають силу дисоціації в дузі. Включаючи теплопровідність, теплоємність, вільну температуру, діелектричну міцність тощо.

3. Тиск газового середовища

Значний вплив на дисоціацію дуги має тиск газового середовища. Тому що чим вищий тиск газу, тим вища концентрація частинок у дузі, чим менша відстань між частинками, тим сильніший комбінований ефект і тим легше загасити дугу. У середовищі високого вакууму ймовірність зіткнення знижується, що пригнічує дисоціацію зіткнення, тоді як ефект дифузії сильний.

4. Контактний матеріал

Матеріал контакту також впливає на процес відшарування. При використанні в якості контактів стійких до високих температур металів з високими температурами плавлення, хорошою теплопровідністю і великою теплоємністю зменшується емісія гарячих електронів і парів металу в дузі, що сприятливо для гасіння дуги.

Спосіб гасіння дуги

1. Використовуйте засіб для гасіння дуги

Відрив дугового проміжку значною мірою залежить від характеристик вогнегасного середовища навколо дуги. Газоподібний гексафторид сірки є чудовим середовищем для гасіння дуги з сильною електронегативністю. Він може швидко адсорбувати електрони та утворювати стабільні негативні іони, що сприяє рекомбінації та іонізації. Його здатність гасити дугу приблизно в 100 разів сильніша, ніж повітря; Вакуум (тиск нижче 0,013 Па) також є хорошим середовищем для гасіння дуги. Через невелику кількість нейтральних частинок у вакуумі непросто зіткнутися та дисоціювати, а вакуум сприяє дифузії та дисоціації. Його здатність гасити дугу приблизно в 15 разів сильніша, ніж повітря.

2. Використовуйте газ або масло, щоб запалити дугу

Роздування дуги викликає дифузію та охолоджуючу рекомбінацію заряджених частинок у дуговому проміжку. У високовольтних автоматичних вимикачах різні форми дугогасних конструкцій камери використовуються для створення величезного тиску від газу або масла та силового видування його до дугового зазору. Існує два основних способи дуття дуги: вертикальне дуття і горизонтальне дуття. Вертикальне дуття — це напрямок дуття, паралельний дузі, що спричиняє тоншість дуги; Горизонтальне обдування – це перпендикулярний до дуги напрямок обдуву, який подовжує і обрізає дугу.

3. Використовуйте спеціальні металеві матеріали як дугогасильні контакти

Використання в якості контактних матеріалів стійких до високих температур металів з високими температурами плавлення, теплопровідністю і великою теплоємністю може зменшити емісію гарячих електронів і парів металу в електричних дугах, таким чином досягаючи ефекту придушення іонізації; Контактний матеріал, що використовується одночасно, також вимагає високої стійкості до дуги та зварювання. Звичайні контактні матеріали включають мідний вольфрамовий сплав, срібний вольфрамовий сплав тощо.

4. Роздування електромагнітної дуги

Явище переміщення електричної дуги під дією електромагнітної сили називається електромагнітним дуттям дуги. Завдяки переміщенню дуги в навколишньому середовищі він має такий же ефект, як і видування повітря, таким чином досягаючи мети гасіння дуги. Цей спосіб гасіння дуги більш широко використовується в розподільних пристроях низької напруги.

5. Змусити дугу рухатися у вузькій щілині твердого середовища

Цей тип методу гасіння дуги також відомий як щілинне гасіння дуги. За рахунок руху дуги у вузькій щілині середовища, з одного боку, воно охолоджується, що посилює ефект іонізації; З іншого боку, дуга подовжується, діаметр дуги зменшується, опір дуги збільшується, і дуга гасне.

6. Розділіть довгу дугу на короткі

Коли дуга проходить через перпендикулярний до неї ряд металевих сіток, довга дуга ділиться на кілька коротких дуг; Падіння напруги коротких дуг в основному припадає на анодну і катодну області. Якщо кількість сіток достатня для забезпечення того, щоб сума мінімальних падінь напруги, необхідних для підтримки горіння дуги в кожному сегменті, була більшою за прикладену напругу, дуга згасне самостійно. Крім того, після того, як змінний струм перетинає нуль, через ефект біля катода діелектрична міцність кожного дугового проміжку раптово зростає до 150-250 В. Послідовно використовуючи кілька дугових проміжків, можна досягти вищої діелектричної міцності, так що дуга не спалахне повторно після гасіння при переході через нуль.

7. Прийняти багаторазове гасіння дуги

Кожна фаза високовольтного автоматичного вимикача з’єднана послідовно з двома або більше розривами, що зменшує напругу, що виникає при кожному розриві, і подвоює швидкість розриву контакту, спричиняючи швидке подовження дуги та сприяючи її гасінню.

8. Поліпшити швидкість роз'єднання контактів вимикача

Покращено швидкість подовження дуги, що корисно для охолодження дуги, рекомбінації та дифузії.