Bir elektrik arkı oluşturma süreci ve onu söndürme yöntemleri

Elektrik devresi açıldığında, elektrik arkı şeklinde bir elektrik boşalması meydana gelir. Bir elektrik arkının ortaya çıkması için, devrede 0,1 A veya daha fazla bir akımda kontakların voltajının 10 V'un üzerinde olması yeterlidir. Önemli voltaj ve akımlarda ark içindeki sıcaklık 3-15 bin ° C'ye ulaşabilir, bunun sonucunda kontaklar ve canlı parçalar erir.

110 kV ve üzeri gerilimlerde arkın uzunluğu birkaç metreye ulaşabilir. Bu nedenle, özellikle yüksek güç devrelerinde, 1 kV'un üzerindeki gerilimler için bir elektrik arkı büyük bir tehlikedir, ancak 1 kV'un altındaki gerilimler için kurulumlarda da ciddi sonuçlar olabilir. Sonuç olarak, 1 kV'un üzerindeki ve altındaki voltajlar için devrelerde ark mümkün olduğunca kontrol altına alınmalı ve hızlı bir şekilde söndürülmelidir.

Elektrik arkının nedenleri

Bir elektrik arkı oluşturma işlemi aşağıdaki gibi basitleştirilebilir.Kontaklar ıraksadığında, önce temas basıncı azalır ve buna bağlı olarak temas yüzeyi artar, geçiş direnci (akım yoğunluğu ve sıcaklık - yerel (temas alanının belirli bölgelerinde) aşırı ısınma başlar, bu da termiyonik radyasyona daha fazla katkıda bulunur, yüksek sıcaklığın etkisi altında elektronların hızı artar ve elektrot yüzeyinden patlarlar.

Temas ayırma anında, yani devre kesilir, temas boşluğundaki voltaj hızla geri yüklenir. Bu durumda kontaklar arasındaki mesafe küçük olduğundan, Elektrik alanı elektronların elektrot yüzeyinden çekildiği etkisi altında yüksek voltaj. Bir elektrik alanında hızlanırlar ve nötr bir atoma çarptıklarında ona kinetik enerjilerini verirler. Bu enerji, nötr bir atomun kabuğundan en az bir elektron koparmak için yeterliyse, iyonlaşma işlemi gerçekleşir.

Oluşan serbest elektronlar ve iyonlar, ark gövdesinin plazmasını, yani arkın yandığı ve parçacıkların sürekli hareketinin sağlandığı iyonize kanalı oluşturur. Bu durumda, negatif yüklü parçacıklar, esas olarak elektronlar, bir yönde (anoda doğru) ve bir veya daha fazla elektrondan yoksun gaz atomları ve molekülleri - pozitif yüklü parçacıklar - ters yönde (katoda doğru) hareket eder.

Plazma iletkenliği metallerinkine yakındır.

Ark milinde büyük bir akım akar ve yüksek bir sıcaklık oluşur.Ark silindirinin bu sıcaklığı termal iyonlaşmaya yol açar - yüksek kinetik enerjiye sahip moleküllerin ve atomların yüksek hareket hızlarında çarpışması nedeniyle iyon oluşumu süreci (arkın yandığı ortamın molekülleri ve atomları elektronlara parçalanır ve pozitif olarak) yüklü iyonlar). Yoğun termal iyonizasyon, yüksek plazma iletkenliğini korur. Bu nedenle, ark boyunca voltaj düşüşü küçüktür.

Bir elektrik arkında sürekli olarak iki işlem gerçekleşir: iyonlaşmaya ek olarak, atomların ve moleküllerin deiyonize edilmesi. İkincisi, esas olarak difüzyon, yani yüklü parçacıkların çevreye transferi ve parçalanmaları için harcanan enerjinin geri dönüşü ile nötr parçacıklar halinde yeniden birleşen elektronların ve pozitif yüklü iyonların rekombinasyonu yoluyla gerçekleşir. Bu durumda ısı ortama verilir.

Böylece, dikkate alınan sürecin üç aşaması ayırt edilebilir: ark ateşlemesi, şok iyonizasyonu ve katottan elektron emisyonu nedeniyle bir ark deşarjı başladığında ve iyonlaşma yoğunluğu deiyonizasyondan daha yüksek olduğunda, arkın kararlı yanması tarafından desteklenir. iyonizasyon ve deiyonizasyon yoğunlukları aynı olduğunda ark silindirindeki termal iyonlaşma, deiyonizasyon yoğunluğu iyonizasyondan daha yüksek olduğunda arkın kaybolması.

Elektrikli anahtarlama cihazlarında arkı söndürme yöntemleri

Elektrik devresinin elemanlarının bağlantısını kesmek ve anahtarlama cihazının hasar görmesini önlemek için, sadece kontaklarını açmak değil, aynı zamanda aralarında oluşan arkı da söndürmek gerekir. Alternatif akım ve doğru akım ile yakmanın yanı sıra ark söndürme işlemleri de farklıdır.Bu, ilk durumda arktaki akımın her yarım döngüde sıfırdan geçmesi gerçeğiyle belirlenir. Bu zamanlarda arktaki enerji salınımı durur ve ark kendiliğinden söner ve her seferinde yeniden tutuşur.

Uygulamada arktaki akım sıfır geçişinden biraz daha erken sıfıra yaklaşır çünkü akım azaldıkça ark için sağlanan enerji azalır ve buna bağlı olarak arkın sıcaklığı düşer ve termal iyonlaşma durur. Bu durumda deiyonizasyon işlemi ark aralığında yoğun bir şekilde devam eder. Bu sırada kontakları açar ve hızlıca açarsanız, sonraki elektrik kesintisi meydana gelmeyebilir ve devre arklanmadan kesilecektir. Ancak pratikte bunu yapmak son derece zordur ve bu nedenle arkın sönmesini hızlandırmak, ark boşluğunun soğumasını sağlamak ve yüklü parçacıkların sayısını azaltmak için özel önlemler alınır.

Deiyonizasyon sonucunda boşluğun dielektrik dayanımı giderek artar ve aynı zamanda içindeki geri kazanım gerilimi de artar. Bu değerlerin oranı, periyodun sonraki yarısında gökkuşağının yanıp sönmeyeceğine bağlıdır. Boşluğun dielektrik dayanımı daha hızlı artarsa ​​ve geri kazanım geriliminden daha büyükse ark artık tutuşmaz, aksi halde kararlı bir ark sağlanır. İlk koşul ark söndürme problemini tanımlar.

Şalt cihazlarında farklı ark söndürme yöntemleri kullanılmaktadır.

Arkı uzatmak

Elektrik devresinin bağlantısının kesilmesi sırasında kontaklar birbirinden ayrılırsa, ortaya çıkan ark gerilir.Aynı zamanda arkın soğuma koşulları iyileşir çünkü arkın yüzey alanı artar ve yanma için daha fazla voltaj gerekir.

Uzun bir yayı bir dizi kısa yaya bölmek

Kontaklar açıldığında oluşan ark, örneğin metal bir ızgaranın içine çekilerek K kısa arklara bölünürse söner. Tipik olarak ark, girdap akımları tarafından ızgara plakalarında indüklenen bir elektromanyetik alanın etkisi altında bir metal ızgaraya sokulur. Bu ark söndürme yöntemi, özellikle otomatik hava anahtarlarında 1 kV'un altındaki gerilimler için şalt teçhizatında yaygın olarak kullanılmaktadır.

Dar yuvalarda ark soğutması

Küçük arkların söndürülmesi kolaylaştırılmıştır. bu nedenle, içinde anahtarlama cihazları uzunlamasına yarıklara sahip ark olukları yaygın olarak kullanılmaktadır (böyle bir yarığın ekseni, ark silindirinin ekseni yönünde çakışmaktadır). Böyle bir boşluk genellikle yalıtkan ark dirençli malzemelerden yapılmış bölmelerde oluşturulur. Arkın soğuk yüzeylerle teması nedeniyle yoğun soğuması, yüklü parçacıkların ortama difüzyonu ve buna bağlı olarak hızlı deiyonizasyon meydana gelir.

Düz-paralel duvarlı yuvaların yanı sıra nervürlü, çıkıntılı, uzantılı (cepli) yuvalar da kullanılır. Bütün bunlar ark silindirinin deformasyonuna yol açar ve odanın soğuk duvarlarıyla temas alanını arttırır.

Ark, genellikle akım taşıyan bir iletken olarak düşünülebilecek ark ile etkileşime giren bir manyetik alan tarafından dar yuvalara çekilir.

Harici manyetik alan arkın hareket ettirilmesi çoğunlukla arkın meydana geldiği kontaklarla seri bağlanmış bir bobin tarafından sağlanır.Cihazlarda tüm gerilimler için dar slot ark söndürme kullanılmaktadır.

Yüksek basınçlı ark söndürme

Sabit sıcaklıkta, artan basınçla gazın iyonlaşma derecesi azalırken, gazın termal iletkenliği artar. Diğer her şey eşit olduğunda, bu daha iyi ark soğutması sağlar. Sıkıca kapalı odalarda arkın kendisi tarafından oluşturulan yüksek basınçla ark söndürme, sigortalarda ve bir dizi başka cihazda yaygın olarak kullanılır.

Yağda ark söndürme

Eğer kontak değiştirme yağ içerisine yerleştirildiklerinde açıldıklarında oluşan ark, yağın yoğun bir şekilde buharlaşmasına neden olur. Sonuç olarak, arkın etrafında, esas olarak hidrojen (% 70 ... 80) ve ayrıca yağ buharından oluşan bir gaz kabarcığı (zarf) oluşur. Yayılan gazlar yüksek hızda direkt olarak ark silindiri bölgesine nüfuz ederek baloncuk içerisinde soğuk ve sıcak gazın karışmasına neden olur, yoğun soğutma ve buna bağlı olarak ark aralığının deiyonize olmasını sağlar. Ayrıca gazların deiyonize olma özelliği, yağın hızlı ayrışması sırasında oluşan baloncuk içindeki basıncı artırır.

Yağdaki ark söndürme işleminin yoğunluğu, ark yağ ile ne kadar yakın temasa geçerse ve yağ ark göre o kadar hızlı hareket eder. Bu göz önüne alındığında, ark aralığı kapalı bir yalıtım cihazı ile sınırlandırılır - ark oluğu... Bu haznelerde yağın ark ile daha yakın teması oluşturulur ve yalıtım plakaları ve boşaltma delikleri yardımıyla çalışma kanalları oluşturulur. Petrol ve gazların hareketinin içinden geçtiği, yoğun ark patlaması (patlaması) sağlayan.

Ark olukları çalışma prensibine göre üç ana gruba ayrılırlar: kendiliğinden üflemeli, arkta salınan enerji nedeniyle ark alanında yüksek basınç ve gaz hareketi hızı oluşturulduğunda, özel pompalama hidrolik mekanizmaları yardımıyla yağın zorla üflenmesi, yağda manyetik söndürme ile ark manyetik alanın etkisi altındayken dar boşluklara doğru hareket eder.

En etkili ve basit kendi kendine şişen ark olukları... Kanalların ve egzoz açıklıklarının konumuna bağlı olarak, gaz-buhar karışımının ve yağın ark akımı boyunca yoğun üflendiği (boyuna üfleme) veya ark yoluyla (enine üfleme) sağlanır). Dikkate alınan ark söndürme yöntemleri, 1 kV'un üzerindeki gerilimler için devre kesicilerde yaygın olarak kullanılmaktadır.

1 kV'un üzerindeki voltajlar için cihazlarda arkı söndürmenin diğer yöntemleri

Yukarıdaki ark söndürme yöntemlerine ek olarak, ayrıca şunları da kullanırlar: akışı ark boyunca veya boyunca üfleyen, yoğun soğumasını sağlayan basınçlı hava (hava yerine, genellikle katı gaz üreten başka gazlardan elde edilir) malzemeler - lifler, vinil plastik, vb. - yanan ark tarafından ayrışmaları pahasına), SF6 (kükürt hekzaflorür), hava ve hidrojenden daha yüksek bir elektrik gücüne sahip olan, bunun sonucunda bu gazda yanan ark, atmosferik basınçta bile, hızlı bir şekilde söndürülür, kontaklar açıldığında yüksek derecede seyreltilmiş gaz (vakum), arkın oluştuğu akımın sıfırdan ilk geçişinden sonra tutuşmaz (söner).