عملية تكوين القوس الكهربائي وطرق إخماده
عند فتح الدائرة الكهربائية ، يحدث تفريغ كهربائي على شكل قوس كهربائي. لظهور قوس كهربائي ، يكفي أن يكون جهد جهات الاتصال أعلى من 10 فولت عند تيار في الدائرة بترتيب 0.1 أ أو أكثر. مع الفولتية والتيارات الكبيرة ، يمكن أن تصل درجة الحرارة داخل القوس إلى 3-15 ألف درجة مئوية ، ونتيجة لذلك تذوب الملامسات والأجزاء الحية.
عند الفولتية 110 كيلو فولت وما فوق ، يمكن أن يصل طول القوس إلى عدة أمتار. لذلك ، يعتبر القوس الكهربائي ، خاصة في الدوائر عالية الطاقة ، للجهود التي تزيد عن 1 كيلو فولت خطرًا كبيرًا ، على الرغم من أن العواقب الوخيمة يمكن أن تكون أيضًا في التركيبات للجهود التي تقل عن 1 كيلو فولت. نتيجة لذلك ، يجب احتواء الانحناء قدر الإمكان وإخماده بسرعة في الدوائر للجهد فوق وتحت 1 كيلو فولت.
أسباب الانحناء الكهربائي
يمكن تبسيط عملية تكوين القوس الكهربائي على النحو التالي.عندما تتباعد جهات الاتصال ، ينخفض ضغط التلامس أولاً ويزداد سطح التلامس وفقًا لذلك ، مقاومة الانتقال (كثافة التيار ودرجة الحرارة - المحلية (في مناطق معينة من منطقة التلامس) يبدأ ارتفاع درجة الحرارة ، مما يساهم بشكل أكبر في الإشعاع الحراري ، عندما تزداد سرعة الإلكترونات تحت تأثير درجة الحرارة المرتفعة وتنفجر من سطح القطب.
في لحظة فصل التلامس ، أي أن الدائرة مكسورة ، تتم استعادة الجهد بسرعة في فجوة التلامس. نظرًا لأن المسافة بين جهات الاتصال في هذه الحالة صغيرة ، فهناك الحقل الكهربائي الجهد العالي تحت تأثير الإلكترونات التي يتم سحبها من سطح القطب. تتسارع في مجال كهربائي وعندما تصطدم بذرة محايدة ، فإنها تعطيها طاقتها الحركية. إذا كانت هذه الطاقة كافية لتمزيق إلكترون واحد على الأقل من غلاف الذرة المحايدة ، فإن عملية التأين تحدث.
تشكل الإلكترونات والأيونات الحرة المتكونة بلازما جذع القوس ، أي القناة المتأينة التي يحترق فيها القوس ويتم ضمان الحركة المستمرة للجسيمات. في هذه الحالة ، تتحرك الجسيمات سالبة الشحنة ، الإلكترونات بشكل أساسي ، في اتجاه واحد (نحو القطب الموجب) ، وتحرم ذرات وجزيئات الغازات من إلكترون واحد أو أكثر - جسيمات موجبة الشحنة - في الاتجاه المعاكس (نحو الكاثود).
موصلية البلازما قريبة من المعادن.
يتدفق تيار كبير في عمود القوس ويتم إنشاء درجة حرارة عالية.تؤدي درجة حرارة الأسطوانة القوسية هذه إلى التأين الحراري - عملية تكوين الأيونات بسبب اصطدام الجزيئات والذرات بطاقة حركية عالية بسرعات عالية من حركتها (جزيئات وذرات الوسط حيث يتفكك القوس إلى إلكترونات وإيجابية أيونات مشحونة). يحافظ التأين الحراري المكثف على الموصلية العالية للبلازما. لذلك ، فإن انخفاض الجهد على طول القوس صغير.
في القوس الكهربائي ، هناك عمليتان تجريان باستمرار: بالإضافة إلى التأين ، إزالة الأيونات من الذرات والجزيئات. يحدث هذا الأخير بشكل أساسي من خلال الانتشار ، أي نقل الجسيمات المشحونة إلى البيئة وإعادة تركيب الإلكترونات والأيونات الموجبة الشحنة ، والتي تتجمع في جسيمات محايدة مع عودة الطاقة المستهلكة في تفككها. في هذه الحالة ، تتم إزالة الحرارة من البيئة.
وبالتالي ، يمكن التمييز بين ثلاث مراحل من العملية المدروسة: اشتعال القوس ، عندما يكون بسبب تأين الصدمة وانبعاث الإلكترونات من الكاثود ، يبدأ تفريغ القوس وتكون شدة التأين أعلى من إزالة الأيونات ، والاحتراق المستقر للقوس المدعوم بواسطة التأين الحراري في أسطوانة القوس عندما تكون شدة التأين وإزالة الأيونات متماثلة ، ويختفي القوس عندما تكون شدة إزالة الأيونات أعلى من كثافة التأين.
طرق إطفاء القوس الكهربائي في أجهزة التحويل الكهربائي
لفصل عناصر الدائرة الكهربائية واستبعاد الأضرار التي لحقت بجهاز التبديل ، من الضروري ليس فقط فتح جهات الاتصال الخاصة به ، ولكن أيضًا لإطفاء القوس الذي يظهر بينهما. تختلف عمليات إطفاء القوس ، وكذلك الاحتراق ، بالتيار المتردد والتيار المباشر.يتم تحديد ذلك من خلال حقيقة أنه في الحالة الأولى يمر التيار في القوس عبر الصفر كل نصف دورة. في هذه الأوقات ، يتوقف إطلاق الطاقة في القوس وينطفئ القوس تلقائيًا ثم يشتعل مرة أخرى في كل مرة.
من الناحية العملية ، يصبح التيار في القوس قريبًا من الصفر في وقت أبكر قليلاً من عبور الصفر ، لأنه مع انخفاض التيار ، تقل الطاقة المقدمة للقوس ، وتنخفض درجة حرارة القوس وفقًا لذلك ويتوقف التأين الحراري. في هذه الحالة ، تستمر عملية إزالة الأيونات بشكل مكثف في فجوة القوس. إذا قمت بفتح جهات الاتصال وفتحها بسرعة في هذا الوقت ، فقد لا يحدث الانقطاع الكهربائي اللاحق وسيتم فصل الدائرة دون انحناء. من الناحية العملية ، هذا صعب للغاية ، وبالتالي يتم اتخاذ تدابير خاصة لتسريع انقراض القوس ، لضمان تبريد مساحة القوس وتقليل عدد الجسيمات المشحونة.
نتيجة لإزالة الأيونات ، تزداد قوة العزل للفجوة تدريجياً وفي نفس الوقت يزداد جهد الاسترداد فيها. تعتمد نسبة هذه القيم على ما إذا كان قوس قزح سيضيء في النصف التالي من الفترة أم لا. إذا زادت القوة العازلة للفجوة بشكل أسرع وأكبر من جهد الاسترداد ، فلن يشتعل القوس ، وإلا فسيتم توفير قوس ثابت. الشرط الأول يحدد مشكلة إخماد القوس الكهربائي.
تستخدم طرق تبريد القوس المختلفة في المفاتيح الكهربائية.
تمديد القوس
إذا تباعدت جهات الاتصال أثناء فصل الدائرة الكهربائية ، فإن القوس الناتج يتمدد.في الوقت نفسه ، يتم تحسين ظروف تبريد القوس لأن مساحة سطحه تزداد ويتطلب المزيد من الجهد للحرق.
تقسيم قوس طويل إلى سلسلة من الأقواس القصيرة
إذا تم تشكيل القوس عند فتح جهات الاتصال إلى أقواس قصيرة K ، على سبيل المثال عن طريق السحب في شبكة معدنية ، فسوف ينطفئ. عادة ، يتم إدخال القوس في شبكة معدنية تحت تأثير المجال الكهرومغناطيسي المستحث في لوحات الشبكة بواسطة التيارات الدوامة. تُستخدم طريقة التبريد بالقوس على نطاق واسع في المفاتيح الكهربائية للجهود التي تقل عن 1 كيلو فولت ، ولا سيما في مفاتيح تبديل الهواء الأوتوماتيكية.
تبريد القوس في الفتحات الضيقة
يتم تسهيل إطفاء الأقواس الصغيرة. لذلك ، في تبديل الأجهزة تستخدم المزالق القوسية ذات الفتحات الطولية على نطاق واسع (يتزامن محور هذه الفتحة في الاتجاه مع محور الأسطوانة القوسية). عادة ما تتشكل هذه الفجوة في غرف مصنوعة من مواد عازلة مقاومة للقوس. بسبب ملامسة القوس للأسطح الباردة ، يحدث تبريد مكثف ، وانتشار الجسيمات المشحونة في البيئة ، وبالتالي نزع الأيونات السريع.
بالإضافة إلى الفتحات ذات الجدران المتوازية المسطحة ، تستخدم أيضًا الفتحات ذات الأضلاع والنتوءات والتمديدات (الجيوب). كل هذا يؤدي إلى تشوه الأسطوانة القوسية وزيادة مساحة ملامستها للجدران الباردة للغرفة.
يتم رسم القوس في فتحات ضيقة عادةً عن طريق مجال مغناطيسي يتفاعل مع القوس ، والذي يمكن اعتباره موصلًا للتيار.
خارجي حقل مغناطيسي غالبًا ما يتم توفير تحريك القوس بواسطة ملف متصل في سلسلة مع جهات الاتصال التي يحدث القوس بينها.يتم استخدام التبريد بالقوس ذو الفتحة الضيقة في الأجهزة لجميع الفولتية.
إطفاء القوس العالي الضغط
عند درجة حرارة ثابتة ، تقل درجة تأين الغاز مع زيادة الضغط ، بينما تزداد الموصلية الحرارية للغاز. مع تساوي جميع الأشياء الأخرى ، ينتج عن ذلك تبريد القوس المحسن. يتم استخدام إطفاء القوس بالضغط العالي ، الناتج عن القوس نفسه في غرف مغلقة بإحكام ، على نطاق واسع في الصمامات وعدد من الأجهزة الأخرى.
تبريد القوس بالزيت
لو تبديل جهات الاتصال عند وضعها في الزيت ، يؤدي القوس الذي يحدث عند فتحها إلى تبخر شديد للزيت. نتيجة لذلك ، تتشكل فقاعة غاز (مغلف) حول القوس ، تتكون أساسًا من الهيدروجين (70 ... 80٪) ، بالإضافة إلى بخار الزيت. تخترق الغازات المنبعثة مباشرة منطقة الأسطوانة القوسية بسرعة عالية ، مما يتسبب في خلط الغاز البارد والساخن في الفقاعة ، مما يوفر تبريدًا مكثفًا ، وبالتالي إزالة الأيونات من فجوة القوس. بالإضافة إلى ذلك ، تزيد قدرة الغازات على نزع الأيونات من الضغط داخل الفقاعة الناتج أثناء التحلل السريع للزيت.
تزداد شدة عملية إطفاء القوس الكهربائي في الزيت كلما اقترب القوس من ملامسة الزيت وكلما كان الزيت يتحرك بشكل أسرع بالنسبة للقوس. في ضوء ذلك ، يتم تقييد فجوة القوس بواسطة جهاز عازل مغلق - شلال قوس ... في هذه الغرف ، يتم إنشاء اتصال وثيق للزيت مع القوس ، وبمساعدة الألواح العازلة وفتحات التفريغ ، يتم تشكيل قنوات العمل يتم من خلالها حركة النفط والغازات مما يوفر انفجارا مكثفا للقوس.
المزالق القوسية وفقًا لمبدأ التشغيل ، تنقسم إلى ثلاث مجموعات رئيسية: مع النفخ الذاتي ، عندما يتم إنشاء ضغط مرتفع وسرعة حركة الغاز في منطقة القوس بسبب الطاقة المنبعثة في القوس ، مع النفخ القسري للزيت بمساعدة آليات الضخ الهيدروليكية الخاصة ، مع التبريد المغناطيسي في الزيت ، عندما يكون القوس تحت تأثير المجال المغناطيسي ، فإنه ينتقل إلى فجوات ضيقة.
المزالق القوسية الأكثر فعالية وبساطة ذاتية النفخ ... اعتمادًا على موقع القنوات وفتحات العادم ، تتميز الغرف التي يتم فيها النفخ المكثف لمزيج بخار الغاز والزيت على طول تيار القوس (النفخ الطولي) أو من خلال القوس (النفخ المستعرض). تُستخدم طرق إطفاء القوس المدروسة على نطاق واسع في قواطع الدائرة للجهود التي تزيد عن 1 كيلو فولت.
طرق أخرى لإطفاء القوس في الأجهزة للجهد فوق 1 كيلو فولت
بالإضافة إلى الطرق المذكورة أعلاه لإطفاء القوس ، فإنها تستخدم أيضًا: الهواء المضغوط ، الذي ينفخ تدفقه القوس على طول أو عبر ، مما يضمن تبريده المكثف (بدلاً من الهواء ، يتم استخدام غازات أخرى ، وغالبًا ما يتم الحصول عليها من توليد الغازات الصلبة المواد - الألياف ، والبلاستيك الفينيل ، وما إلى ذلك - على حساب تحللها بواسطة القوس المحترق نفسه) ، SF6 (سادس فلوريد الكبريت)، الذي يتمتع بقوة كهربائية أعلى من الهواء والهيدروجين ، ونتيجة لذلك ، يتم إطفاء القوس المحترق في هذا الغاز ، حتى عند الضغط الجوي ، بسرعة ، غاز شديد التخلخل (فراغ) عند فتح جهات الاتصال ، حيث يعمل القوس لا تشتعل (تنطفئ) بعد المرور الأول للتيار عبر الصفر.