Η διαδικασία σχηματισμού ηλεκτρικού τόξου και μέθοδοι κατάσβεσής του
Όταν ανοίγει το ηλεκτρικό κύκλωμα, εμφανίζεται μια ηλεκτρική εκκένωση με τη μορφή ηλεκτρικού τόξου. Για την εμφάνιση ηλεκτρικού τόξου, αρκεί η τάση των επαφών να είναι πάνω από 10 V σε ρεύμα στο κύκλωμα της τάξης των 0,1 A ή περισσότερο. Με σημαντικές τάσεις και ρεύματα, η θερμοκρασία μέσα στο τόξο μπορεί να φτάσει τους 3-15 χιλιάδες ° C, με αποτέλεσμα οι επαφές και τα ενεργά μέρη να λιώνουν.
Σε τάσεις 110 kV και άνω, το μήκος του τόξου μπορεί να φτάσει αρκετά μέτρα. Επομένως, ένα ηλεκτρικό τόξο, ειδικά σε κυκλώματα υψηλής ισχύος, για τάσεις άνω του 1 kV είναι μεγάλος κίνδυνος, αν και σοβαρές συνέπειες μπορεί να υπάρξουν και σε εγκαταστάσεις για τάσεις κάτω του 1 kV. Ως αποτέλεσμα, το τόξο πρέπει να περιορίζεται όσο το δυνατόν περισσότερο και να σβήνει γρήγορα σε κυκλώματα για τάσεις τόσο πάνω όσο και κάτω από 1 kV.
Αιτίες ηλεκτρικού τόξου
Η διαδικασία σχηματισμού ηλεκτρικού τόξου μπορεί να απλοποιηθεί ως εξής.Όταν οι επαφές αποκλίνουν, η πίεση επαφής πρώτα μειώνεται και η επιφάνεια επαφής αυξάνεται ανάλογα, αντίσταση μετάβασης (πυκνότητα ρεύματος και θερμοκρασία — τοπική (σε ορισμένες περιοχές της περιοχής επαφής) αρχίζει η υπερθέρμανση, η οποία συμβάλλει περαιτέρω στη θερμιονική ακτινοβολία, όταν υπό την επίδραση της υψηλής θερμοκρασίας η ταχύτητα των ηλεκτρονίων αυξάνεται και εκρήγνυνται από την επιφάνεια του ηλεκτροδίου.
Τη στιγμή του διαχωρισμού της επαφής, δηλαδή, το κύκλωμα έχει σπάσει, η τάση αποκαθίσταται γρήγορα στο κενό επαφής. Δεδομένου ότι σε αυτή την περίπτωση η απόσταση μεταξύ των επαφών είναι μικρή, υπάρχει ηλεκτρικό πεδίο υψηλή τάση υπό την επίδραση της οποίας τα ηλεκτρόνια αποσύρονται από την επιφάνεια του ηλεκτροδίου. Επιταχύνουν σε ηλεκτρικό πεδίο και όταν χτυπήσουν ένα ουδέτερο άτομο, του δίνουν την κινητική τους ενέργεια. Εάν αυτή η ενέργεια είναι αρκετή για να αποκόψει τουλάχιστον ένα ηλεκτρόνιο από το κέλυφος ενός ουδέτερου ατόμου, τότε λαμβάνει χώρα η διαδικασία του ιονισμού.
Τα σχηματισμένα ελεύθερα ηλεκτρόνια και ιόντα συνθέτουν το πλάσμα του κορμού του τόξου, δηλαδή το ιονισμένο κανάλι στο οποίο καίγεται το τόξο και εξασφαλίζεται μια συνεχής κίνηση των σωματιδίων. Σε αυτή την περίπτωση, αρνητικά φορτισμένα σωματίδια, κυρίως ηλεκτρόνια, κινούνται προς μία κατεύθυνση (προς την άνοδο) και άτομα και μόρια αερίων που στερούνται ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια - θετικά φορτισμένα σωματίδια - προς την αντίθετη κατεύθυνση (προς την κάθοδο).
Η αγωγιμότητα του πλάσματος είναι κοντά σε αυτή των μετάλλων.
Στον άξονα του τόξου ρέει μεγάλο ρεύμα και δημιουργείται υψηλή θερμοκρασία.Αυτή η θερμοκρασία του κυλίνδρου τόξου οδηγεί σε θερμικό ιονισμό - τη διαδικασία σχηματισμού ιόντων λόγω της σύγκρουσης μορίων και ατόμων με υψηλή κινητική ενέργεια στις υψηλές ταχύτητες της κίνησής τους (μόρια και άτομα του μέσου όπου καίγεται το τόξο διασπώνται σε ηλεκτρόνια και θετικά φορτισμένα ιόντα). Ο έντονος θερμικός ιονισμός διατηρεί υψηλή αγωγιμότητα πλάσματος. Επομένως, η πτώση τάσης κατά μήκος του τόξου είναι μικρή.
Σε ένα ηλεκτρικό τόξο λαμβάνουν χώρα συνεχώς δύο διεργασίες: εκτός από τον ιονισμό, και ο απιονισμός των ατόμων και των μορίων. Το τελευταίο συμβαίνει κυρίως μέσω της διάχυσης, δηλαδή της μεταφοράς φορτισμένων σωματιδίων στο περιβάλλον και του ανασυνδυασμού ηλεκτρονίων και θετικά φορτισμένων ιόντων, τα οποία επανασυναρμολογούνται σε ουδέτερα σωματίδια με την επιστροφή της ενέργειας που δαπανάται για τη διάσπασή τους. Σε αυτή την περίπτωση, η θερμότητα απομακρύνεται στο περιβάλλον.
Έτσι, μπορούν να διακριθούν τρία στάδια της εξεταζόμενης διαδικασίας: ανάφλεξη τόξου, όταν λόγω ιονισμού κραδασμών και εκπομπής ηλεκτρονίων από την κάθοδο, αρχίζει μια εκκένωση τόξου και η ένταση του ιονισμού είναι υψηλότερη από τον απιονισμό, σταθερή καύση του τόξου που υποστηρίζεται από θερμικός ιονισμός στον κύλινδρο τόξου όταν οι εντάσεις ιονισμού και απιονισμού είναι οι ίδιες, εξαφάνιση του τόξου όταν η ένταση απιονισμού είναι μεγαλύτερη από αυτή του ιοντισμού.
Μέθοδοι κατάσβεσης τόξου σε ηλεκτρικές συσκευές μεταγωγής
Για να αποσυνδέσετε τα στοιχεία του ηλεκτρικού κυκλώματος και να αποκλείσετε τη ζημιά στη συσκευή μεταγωγής, είναι απαραίτητο όχι μόνο να ανοίξετε τις επαφές της, αλλά και να σβήσετε το τόξο που εμφανίζεται μεταξύ τους. Οι διαδικασίες κατάσβεσης τόξου, καθώς και η καύση, με εναλλασσόμενο ρεύμα και συνεχές ρεύμα είναι διαφορετικές.Αυτό καθορίζεται από το γεγονός ότι στην πρώτη περίπτωση το ρεύμα στο τόξο διέρχεται από το μηδέν κάθε μισό κύκλο. Σε αυτές τις στιγμές, η απελευθέρωση ενέργειας στο τόξο σταματά και το τόξο σβήνει αυθόρμητα και στη συνέχεια αναφλέγεται ξανά κάθε φορά.
Στην πράξη, το ρεύμα στο τόξο πλησιάζει το μηδέν λίγο νωρίτερα από τη διέλευση του μηδενός, επειδή καθώς μειώνεται το ρεύμα, η ενέργεια που παρέχεται στο τόξο μειώνεται και η θερμοκρασία του τόξου μειώνεται ανάλογα και ο θερμικός ιονισμός σταματά. Σε αυτή την περίπτωση, η διαδικασία απιονισμού συνεχίζεται εντατικά στο διάκενο τόξου. Εάν ανοίξετε και ανοίξετε γρήγορα τις επαφές αυτή τη στιγμή, τότε ενδέχεται να μην συμβεί η επακόλουθη ηλεκτρική διακοπή και το κύκλωμα θα αποσυνδεθεί χωρίς τόξο. Στην πράξη, όμως, αυτό είναι εξαιρετικά δύσκολο να γίνει και γι' αυτό λαμβάνονται ειδικά μέτρα για την επιτάχυνση της εξάλειψης του τόξου, την εξασφάλιση ψύξης του χώρου του τόξου και τη μείωση του αριθμού των φορτισμένων σωματιδίων.
Ως αποτέλεσμα του απιονισμού, η διηλεκτρική ισχύς του διακένου αυξάνεται σταδιακά και ταυτόχρονα αυξάνεται η τάση ανάκτησης σε αυτό. Η αναλογία αυτών των τιμών εξαρτάται από το αν το ουράνιο τόξο θα ανάψει στο επόμενο μισό της περιόδου ή όχι. Εάν η διηλεκτρική ισχύς του διακένου αυξηθεί ταχύτερα και είναι μεγαλύτερη από την τάση ανάκτησης, το τόξο δεν θα αναφλέγεται πλέον, διαφορετικά θα παρέχεται ένα σταθερό τόξο. Η πρώτη συνθήκη ορίζει το πρόβλημα σβέσης τόξου.
Διαφορετικές μέθοδοι σβέσης τόξου χρησιμοποιούνται στον εξοπλισμό διανομής.
Επέκταση του τόξου
Εάν οι επαφές αποκλίνουν κατά την αποσύνδεση του ηλεκτρικού κυκλώματος, το τόξο που προκύπτει τεντώνεται.Ταυτόχρονα, οι συνθήκες ψύξης του τόξου βελτιώνονται γιατί αυξάνεται η επιφάνειά του και απαιτείται περισσότερη τάση για καύση.
Χωρίζοντας ένα μακρύ τόξο σε μια σειρά από μικρά τόξα
Εάν το τόξο που σχηματίζεται όταν ανοίγουν οι επαφές χωριστεί σε K βραχέα τόξα, για παράδειγμα τραβώντας σε ένα μεταλλικό πλέγμα, θα σβήσει. Τυπικά, το τόξο εισάγεται σε ένα μεταλλικό πλέγμα υπό την επίδραση ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου που προκαλείται στις πλάκες του πλέγματος από δινορεύματα. Αυτή η μέθοδος σβέσης τόξου χρησιμοποιείται ευρέως σε συσκευές διανομής για τάσεις κάτω από 1 kV, ιδιαίτερα σε αυτόματους διακόπτες αέρα.
Ψύξη τόξου σε στενές υποδοχές
Διευκολύνεται η κατάσβεση μικρών τόξων. Επομένως, σε συσκευές μεταγωγής Οι αγωγοί τόξου με διαμήκεις σχισμές χρησιμοποιούνται ευρέως (ο άξονας μιας τέτοιας σχισμής συμπίπτει στην κατεύθυνση με τον άξονα του κυλίνδρου τόξου). Ένα τέτοιο κενό σχηματίζεται συνήθως σε θαλάμους κατασκευασμένους από μονωτικά υλικά ανθεκτικά στο τόξο. Λόγω της επαφής του τόξου με ψυχρές επιφάνειες, επέρχεται η έντονη ψύξη του, η διάχυση φορτισμένων σωματιδίων στο περιβάλλον και, κατά συνέπεια, ο γρήγορος απιονισμός.
Εκτός από υποδοχές με επίπεδα παράλληλα τοιχώματα, χρησιμοποιούνται επίσης εγκοπές με νευρώσεις, προεξοχές, προεκτάσεις (τσέπες). Όλα αυτά οδηγούν σε παραμόρφωση του κυλίνδρου τόξου και αυξάνουν την περιοχή επαφής του με τα ψυχρά τοιχώματα του θαλάμου.
Το τόξο τραβιέται σε στενές σχισμές συνήθως από ένα μαγνητικό πεδίο που αλληλεπιδρά με το τόξο, το οποίο μπορεί να θεωρηθεί ως αγωγός που μεταφέρει ρεύμα.
Εξωτερικός μαγνητικό πεδίο για να μετακινήσετε το τόξο τις περισσότερες φορές παρέχεται από ένα πηνίο συνδεδεμένο σε σειρά με τις επαφές μεταξύ των οποίων εμφανίζεται το τόξο.Η απόσβεση τόξου στενής σχισμής χρησιμοποιείται σε συσκευές για όλες τις τάσεις.
Κατάσβεση τόξου υψηλής πίεσης
Σε σταθερή θερμοκρασία, ο βαθμός ιονισμού του αερίου μειώνεται με την αύξηση της πίεσης, ενώ η θερμική αγωγιμότητα του αερίου αυξάνεται. Όλα τα άλλα ίσα, αυτό έχει ως αποτέλεσμα βελτιωμένη ψύξη τόξου. Η κατάσβεση τόξου με υψηλή πίεση, που δημιουργείται από το ίδιο το τόξο σε ερμητικά κλειστούς θαλάμους, χρησιμοποιείται ευρέως σε ασφάλειες και σε πολλές άλλες συσκευές.
Σβήσιμο τόξου σε λάδι
Αν εναλλαγή επαφών τοποθετημένα σε λάδι, το τόξο που εμφανίζεται όταν ανοίγουν οδηγεί σε έντονη εξάτμιση του λαδιού. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζεται μια φυσαλίδα αερίου (φάκελος) γύρω από το τόξο, που αποτελείται κυρίως από υδρογόνο (70 ... 80%), καθώς και ατμούς λαδιού. Τα εκπεμπόμενα αέρια διεισδύουν απευθείας στην περιοχή του κυλίνδρου τόξου με υψηλή ταχύτητα, προκαλούν ανάμειξη κρύου και θερμού αερίου στη φυσαλίδα, παρέχουν εντατική ψύξη και, κατά συνέπεια, απιονισμό του κενού τόξου. Επιπλέον, η ικανότητα απιονισμού των αερίων αυξάνει την πίεση στο εσωτερικό της φυσαλίδας που δημιουργείται κατά την ταχεία αποσύνθεση του λαδιού.
Η ένταση της διαδικασίας κατάσβεσης τόξου στο λάδι είναι τόσο μεγαλύτερη όσο πιο κοντά έρχεται το τόξο σε επαφή με το λάδι και τόσο πιο γρήγορα το λάδι κινείται σε σχέση με το τόξο. Λαμβάνοντας υπόψη αυτό, το διάκενο τόξου περιορίζεται από μια κλειστή μονωτική συσκευή - αγωγός τόξου... Σε αυτούς τους θαλάμους δημιουργείται στενότερη επαφή του λαδιού με το τόξο και με τη βοήθεια μονωτικών πλακών και οπών εκκένωσης σχηματίζονται κανάλια εργασίας. μέσω του οποίου γίνεται η κίνηση του λαδιού και των αερίων, παρέχοντας εντατική έκρηξη (blowout) του τόξου.
Οι αγωγοί τόξου σύμφωνα με την αρχή λειτουργίας, χωρίζονται σε τρεις κύριες ομάδες: με αυτοφύσημα, όταν δημιουργείται υψηλή πίεση και ταχύτητα κίνησης αερίου στην περιοχή του τόξου λόγω της ενέργειας που απελευθερώνεται στο τόξο, με αναγκαστική εμφύσηση λαδιού με τη βοήθεια ειδικών υδραυλικών μηχανισμών άντλησης, με μαγνητική απόσβεση στο λάδι, όταν το τόξο βρίσκεται υπό τη δράση του μαγνητικού πεδίου, κινείται σε στενά κενά.
Οι πιο αποτελεσματικοί και απλοί αυτοφουσκούμενοι αγωγοί τόξου... Ανάλογα με τη θέση των καναλιών και των ανοιγμάτων εξάτμισης, διακρίνονται θάλαμοι στους οποίους εντατική εμφύσηση του μίγματος αερίου-ατμού και λαδιού κατά μήκος του ρεύματος του τόξου (διαμήκη εμφύσηση) ή μέσω του τόξου (εγκάρσια φύσημα) παρέχεται ). Οι θεωρούμενες μέθοδοι κατάσβεσης τόξου χρησιμοποιούνται ευρέως σε διακόπτες κυκλώματος για τάσεις πάνω από 1 kV.
Άλλες μέθοδοι κατάσβεσης τόξου σε συσκευές για τάσεις άνω του 1 kV
Εκτός από τις παραπάνω μεθόδους κατάσβεσης του τόξου, χρησιμοποιούν επίσης: πεπιεσμένο αέρα, η ροή του οποίου φυσά το τόξο κατά μήκος ή κατά μήκος, εξασφαλίζοντας την έντονη ψύξη του (αντί για αέρα, χρησιμοποιούνται άλλα αέρια, που συχνά λαμβάνονται από την παραγωγή στερεών αερίων υλικά — ίνες, πλαστικό βινυλίου κ.λπ. — σε βάρος της αποσύνθεσής τους από το ίδιο το καυστικό τόξο), SF6 (εξαφθοριούχο θείο), το οποίο έχει μεγαλύτερη ηλεκτρική αντοχή από τον αέρα και το υδρογόνο, με αποτέλεσμα το τόξο που καίγεται σε αυτό το αέριο, ακόμη και σε ατμοσφαιρική πίεση, να σβήνει γρήγορα, πολύ σπάνιο αέριο (κενό) όταν ανοίγουν οι επαφές, στο οποίο το τόξο κάνει δεν αναφλέγεται (σβήνει) μετά την πρώτη διέλευση του ρεύματος από το μηδέν.