Явление дуги
При открытии токовых несущих контактов в автоматическом выключателе среда между контактами открытия становится сильно ионизированной, через которую прерывистый ток получает низкий резистивный путь и продолжает протекать по этому пути даже после того, как контакты физически разделены. Во время протекания тока от одного контакта к другому путь становится настолько нагретым, что он светится в виде дуги.
Дуга в автоматическом выключателе
Всякий раз, когда контакты выключателя открываются при нагрузке, в среде между разделительными контактами выключателя имеется дуга. Пока эта дуга поддерживается между контактами, ток через автоматический выключатель полностью не прерывается. Для полного прерывания тока дугу необходимо как можно быстрее погасить. Основными критериями проектирования автоматического выключателя является обеспечение соответствующей технологии дуговой закалки в автоматическом выключателе для обеспечения быстрого и безопасного отключения тока. Поэтому, прежде чем перейти к различным методам тушения дуги, применяемым в автоматическом выключателе, сначала необходимо понять явления дуги в автоматическом выключателе.
Роль дуги в автоматическом выключателе
Когда два токопроводящих контакта разомкнуты, дуга соединяет контактный зазор, через который ток получает низкий резистивный путь, чтобы не происходило внезапного прерывания тока. Поскольку при открытии контактов не происходит внезапного и резкого изменения тока, в системе не будет аномального переключения напряжения. Пусть i — ток, протекающий через контакты непосредственно перед их открытием, а L — индуктивность системы, переключение напряжения при открытии контактов, может быть выражена как V = L. (di / dt), где di / dt скорость изменения тока по времени во время открытия контактов. В случае дуги переменного тока кратковременно гаснет при каждом нулевом токе. После пересечения каждого нулевого тока среда между отдельными контактами снова ионизируется в течение следующего цикла тока, и дуга в автоматическом выключателе восстанавливается. Чтобы сделать прерывание завершенным и успешным, эта повторная ионизация между отдельными контактами должна быть предотвращена после нулевого тока.
Если дуга в автоматическом выключателе отсутствует при открытии токовых несущих контактов, произойдет внезапное и резкое прерывание тока, что приведет к огромному перенапряжению переключения, достаточному для серьезного напряжения изоляции системы. С другой стороны, дуга обеспечивает постепенный, но быстрый переход от тока к текущим состояниям размыкания контактов.
Обрыв дуги или тушение дуги или теория экстинкции дуги
При высокой температуре заряженные частицы в газе движутся быстро и беспорядочно, но при отсутствии электрического поля нет никакого чистого движения. Всякий раз, когда в газ подается электрическое поле, заряженные частицы получают скорость дрейфа, наложенную на их случайное тепловое движение. Скорость дрейфа пропорциональна градиенту напряжения поля и подвижности частиц. Подвижность частиц зависит от массы частицы, более тяжелых частиц, снижает подвижность. Подвижность также зависит от свободных пробегов, доступных в газе для случайного перемещения частиц. Поскольку каждый раз, когда частица сталкивается, она теряет свою направленную скорость и снова должна быть повторно ускорена в направлении электрического поля. Следовательно, чистая подвижность частиц уменьшается. Если среда имеет высокое давление, она становится более плотной и, следовательно, молекулы газа приближаются друг к другу, поэтому столкновение происходит чаще, что снижает частицы подвижности. Общий ток заряженных частиц прямо пропорционален их подвижности. Поэтому подвижность заряженных частиц зависит от температуры, давления газа и природы газа. Опять же, подвижность частиц газа определяет степень ионизации газа.
Поэтому из приведенного выше объяснения можно сказать, что процесс ионизации газа зависит от природы газа (более тяжелых или более легких газовых частиц), давления газа и температуры газа. Как мы говорили ранее, интенсивность столба дуги зависит от наличия ионизированных сред между отдельными электрическими контактами, поэтому особое внимание следует уделять уменьшению ионизации или увеличению деионизации среды между контактами. Именно поэтому основная особенность автоматического выключателя заключается в предоставлении различных методов контроля давления, методов охлаждения для различных дуговых сред между контактами автоматического выключателя.
ПОТЕРЯ ТЕПЛА
Потери тепла от дуги в автоматическом выключателе происходят через проводимость, конвекцию, а также излучение. В пневматическом выключателе или в выключателе, где имеется поток газа между электрическими контактами, тепловые потери дуговой плазмы происходят из-за процесса конвекции. При нормальном давлении излучение не является значительным фактором, но при более высоком давлении излучение может стать очень важным фактором рассеивания тепла из дуговой плазмы. При открытии электрических контактов дуга в автоматическом выключателе производится, и она гаснет при каждом пересечении нуля, становясь снова установленной в течение следующего цикла. Окончательное погашение дуги или дуговое тушение в автоматическом выключателе может быть достигнуто быстрым увеличением диэлектрической прочности в среде между контактами, так что дуга гасится после первого пересечения нуля. Это быстрое увеличение диэлектрической прочности между контактами автоматического выключателя достигается либо деионизацией газа в дуговой среде, либо заменой ионизированного газа холодным и свежим газом. Существуют различные процессы деионизации, применяемые для выгорания дуги в автоматическом выключателе, давайте обсудим вкратце.
ДЕОНИЗАЦИЯ ГАЗА ИЗ УВЕЛИЧЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
Если давление дуги увеличивается, плотность ионизированного газа увеличивается, что означает, что частицы в газе приближаются друг к другу, и в результате уменьшается длина свободного пробега частиц. Это увеличивает скорость столкновений, и, как мы обсуждали ранее при каждом столкновении, заряженные частицы теряют свою направленную скорость вдоль электрического поля и снова снова разгоняются в сторону поля. Можно сказать, что по всей подвижности заряженных частиц уменьшается, поэтому напряжение, необходимое для поддержания дуги, увеличивается. Другим эффектом повышенной плотности частиц является более высокая скорость деионизации газа из-за рекомбинации противоположно заряженных частиц.
Скорость ионизации газа зависит от интенсивности удара при столкновении частиц газа. Интенсивность удара при столкновении частиц снова зависит от скорости случайных движений частиц. Это случайное движение частицы и ее скорость возрастают с увеличением температуры газа. Следовательно, можно заключить, что при увеличении температуры газа; его процесс ионизации увеличивается, и также верно противоположное утверждение, что, если температура снижается, скорость ионизации газа уменьшается, увеличивается деионизация газа. Поэтому требуется большее напряжение для поддержания дуговой плазмы с пониженной температурой. Наконец, можно сказать, что охлаждение эффективно увеличивает сопротивление дуги.
Изолирующий материал (может быть жидким или воздушным), используемый в автоматическом выключателе, должен выполнять две важные функции следующим образом:
1. Он должен обеспечить достаточную изоляцию между контактами при открытии автоматического выключателя.
2. Он должен погасить дугу, возникающую между контактами при открытии автоматического выключателя.
Способы прерывания дуги
Существует два способа прерывания.
1. Метод высокого сопротивления.
2. Метод низкого сопротивления или метод прерывания нуля.
В способе с высоким прерыванием мы можем многократно увеличивать электрическое сопротивление до такого высокого значения, что оно приводит к тому, что ток достигает нуля и тем самым ограничивает возможность повторного удара дуги. Необходимо предпринять правильные шаги, чтобы гарантировать, что скорость, с которой увеличивается или уменьшается сопротивление, не является ненормальной, поскольку это может привести к возникновению вредных индуцированных напряжений в системе. Сопротивление дуге можно увеличить с помощью различных методов, таких как удлинение или охлаждение дуги и т. д.
Ограничения метода высокого сопротивления: дуговой разряд имеет резистивный характер, потому что большая часть энергии принимается самим выключателем, поэтому при изготовлении автоматического выключателя необходимо соблюдать осторожность, например, механическую прочность и т. д. Поэтому этот метод применяется в режиме постоянного ток, выключателях питания переменного тока низкого и среднего напряжения.
Метод низкого сопротивления применим только для цепи переменного тока, и это возможно из-за наличия естественного нуля тока. Дуга гаснет при естественном нуле волны переменного тока и не может снова ограничиваться быстрым построением электрической прочности контактного пространства.
Существуют две теории, объясняющие явление вымирания дуги:
1. Теория энергетического баланса,
2. Теория гонки напряжений.
Прежде чем подробно рассказывать об этих теориях, мы должны знать следующие термины.
Напряжение покоя: его можно определить как напряжение, которое появляется на разрывном контакте в момент выгорания дуги.
Восстановительное напряжение:
Его можно определить как напряжение, возникающее на контакте выключателя после полного удаления переходных колебаний и окончательного вымирания дуги, что привело ко всем полюсам.
Активное напряжение восстановления
Его можно определить как мгновенное напряжение восстановления в момент выгорания дуги.
Дуговое напряжение:
Его можно определить как напряжение, которое появляется на контакте в течение периода дуги, когда текущий поток поддерживается в виде дуги. Он предполагает низкое значение, за исключением того момента, когда напряжение быстро возрастает до максимального значения и тока до нуля.