Принцип и способ гашения дуги в электронных устройствах, таких как предохранители.

Что такое электрическая дуга?

При перегорании предохранителя в цепи, когда напряжение и ток достигают определенного значения, плавкая вставка просто расплавилась и разъединилась, и между только что отделившимися плавкими вставками возникает дуга, которая называется дугой. Это происходит из-за сильного электрического поля, которое ионизирует газ и заставляет ток проходить через обычно изолирующую среду. Использование электрических дуг может иметь множество применений, таких как сварка, электродуговые печи на сталелитейных заводах и т. д. Но если дуга генерируется в неконтролируемом состоянии, это приведет к повреждению систем передачи, распределения и электронного оборудования. Поэтому мы должны понимать и контролировать дугу.

Состав электрической дуги

1. Зона столба дуги

Область столба дуги электрически нейтральна и состоит из молекул, атомов, возбужденных атомов, положительных ионов, отрицательных ионов и электронов. Среди них положительно заряженные ионы почти равны отрицательно заряженным ионам, поэтому ее еще называют плазмой. Заряженные частицы движутся в плазме направленно, не потребляя много энергии, поэтому они могут передавать большие токи в условиях низкого напряжения. Основными заряженными частицами, передающими ток, являются электроны, на долю которых приходится примерно 99,9% общего числа заряженных частиц, а остальная часть – положительные ионы. Из-за чрезвычайно малой длины катодной и анодной областей длину области столба дуги можно рассматривать как длину дуги. Напряженность электрического поля в области столба дуги относительно невелика, обычно всего 5-10 В/см.

2. Катодная область

Катод считается источником электронов. Он доставляет в столб дуги 99,9% заряженных частиц (электронов). Способность катода эмитировать электроны оказывает существенное влияние на стабильность дуги. Длина катодной области 10-5-10-6см. Если катодное падение напряжения составляет 10 В, напряженность электрического поля катодной области составляет 106-107 В/см.

3. Анодная область

Анодная область в основном отвечает за принятие электронов, но она также должна доставлять в столб дуги 0,1% заряженных частиц (положительных ионов). Длина анодной области обычно составляет 10-2-10-3см, поэтому напряженность электрического поля анодной области составляет 103-104В/см. Из-за существенного влияния материала анода и сварочного тока на падение напряжения в анодной области оно может изменяться в пределах от 0 до 10 В. Например, когда плотность тока высока и температура анода высока, что приводит к испарению материала анода, падение напряжения на аноде уменьшится даже до 0 В.

Характеристики электрических дуг

1. Напряжение дуги, необходимое для поддержания стабильного горения дуги, очень низкое, а напряжение столба дуги постоянного тока высотой 1 см в атмосфере составляет всего 10-50В.

2. Через дугу может проходить большой ток, от нескольких ампер до нескольких тысяч ампер.

3. Дуга имеет высокую температуру, а температура столба дуги неравномерна. В центре температура самая высокая, достигая 6000-10000 градусов, при этом по мере удаления от центра температура снижается.

4. Электрические дуги могут излучать сильный свет. Длина волны светового излучения дуги (1,7-50)×10-7м. Он состоит из трех частей: инфракрасного, видимого и ультрафиолетового света.

Классификация электрических дуг

1. По типу тока его можно разделить на дугу переменного тока, дугу постоянного тока и импульсную дугу.

2. В зависимости от состояния дуги ее можно разделить на свободную дугу и сжатую дугу (например, плазменную дугу).

3. В зависимости от материала электрода его можно разделить на дуговые с плавящимся электродом и дуговые с неплавящимся электродом.

Опасности электрических дуг

1. Наличие дуг увеличивает время отключения неисправных цепей распределительным устройством и увеличивает вероятность коротких замыканий в энергосистеме.

2. Высокая температура, создаваемая дугой, плавит и испаряет контактную поверхность, выжигая изоляционный материал. Маслонаполненное электрооборудование также может представлять опасность, например, пожара и взрыва.

3. В связи с тем, что электрические дуги могут перемещаться под действием электрических и тепловых сил. Легко вызвать искрение коротких замыканий и травмы, что приведет к эскалации несчастных случаев.

Принцип шести гасящих дуг

1. Температура дуги

Дуга поддерживается за счет термической ионизации, и понижение температуры дуги может ослабить термическую ионизацию и уменьшить образование новых заряженных ионов. В то же время это также снижает скорость заряженных частиц и усиливает композиционный эффект. Температуру дуги можно снизить путем быстрого удлинения дуги, продувания ее газом или маслом или приведения дуги в контакт с поверхностью твердой среды.

2. Характеристики среды

Характеристики среды, в которой горит дуга, во многом определяют силу диссоциации в дуге. Включая теплопроводность, теплоемкость, температуру без термического воздействия, диэлектрическую прочность и т. д.

3. Давление газовой среды

Давление газовой среды оказывает существенное влияние на диссоциацию дуги. Потому что чем выше давление газа, тем выше концентрация частиц в дуге, чем меньше расстояние между частицами, тем сильнее композиционный эффект и тем легче дуге погаснуть. В условиях высокого вакуума вероятность столкновения снижается, что подавляет столкновительную диссоциацию, при этом эффект диффузии силен.

4. Контактный материал

Контактный материал также влияет на процесс отсоединения. При использовании в качестве контактов жаропрочных металлов с высокими температурами плавления, хорошей теплопроводностью и большой теплоемкостью снижается эмиссия горячих электронов и паров металлов в дугу, что благоприятно сказывается на гашении дуги.

Способ гашения дуги

1. Используйте средство, чтобы погасить дугу.

Отслойка дугового промежутка во многом зависит от характеристик тушащей среды вокруг дуги. Газообразный гексафторид серы является отличным средством для тушения дуги с высокой электроотрицательностью. Он может быстро адсорбировать электроны и образовывать стабильные отрицательные ионы, что способствует рекомбинации и ионизации. Его способность гашения дуги примерно в 100 раз сильнее, чем у воздуха; Вакуум (давление ниже 0,013 Па) также является хорошей средой для гашения дуги. Из-за небольшого количества нейтральных частиц в вакууме нелегко сталкиваться и диссоциировать, а вакуум способствует диффузии и диссоциации. Его способность гашения дуги примерно в 15 раз сильнее, чем у воздуха.

2. Используйте газ или масло, чтобы задуть дугу.

Задувание дуги вызывает диффузию и охлаждающую рекомбинацию заряженных частиц в дуговом промежутке. В высоковольтных выключателях используются различные конструкции камер гашения дуги, которые создают огромное давление из газа или масла и с силой нагнетают его в сторону дугового промежутка. Существует два основных способа задувания дуги: вертикальное задувание и горизонтальное задувание. Вертикальная обдувка — это направление обдува параллельно дуге, в результате чего дуга становится тоньше; Горизонтальное дутье — это направление дутья, перпендикулярное дуге, которое удлиняет и отсекает дугу.

3. Используйте специальные металлические материалы в качестве дугогасительных контактов.

Использование в качестве контактных материалов жаростойких металлов с высокими температурами плавления, теплопроводностью и большой теплоемкостью позволяет снизить эмиссию горячих электронов и паров металлов в электрических дугах, достигнув тем самым эффекта подавления ионизации; Используемый одновременно контактный материал также требует высокой стойкости к дуге и сварке. Обычные контактные материалы включают медно-вольфрамовый сплав, серебряно-вольфрамовый сплав и т. д.

4. Дутье электромагнитной дуги.

Явление электрической дуги, движущейся под действием электромагнитной силы, называется электромагнитной дующей дугой. За счет движения дуги в окружающей среде она оказывает тот же эффект, что и обдув воздуха, тем самым достигается цель гашения дуги. Этот способ гашения дуги более широко применяется в низковольтных распределительных устройствах.

5. Заставьте дугу двигаться в узкой щели твердого носителя.

Этот тип метода гашения дуги также известен как гашение щелевой дуги. За счет движения дуги в узкой щели среда, с одной стороны, охлаждается, что усиливает эффект ионизации; С другой стороны, дуга удлиняется, диаметр дуги уменьшается, сопротивление дуги увеличивается и дуга гаснет.

6. Разделите длинную дугу на короткие дуги

При прохождении дуги через перпендикулярный ей ряд металлических решеток длинная дуга разделяется на несколько коротких дуг; Падение напряжения коротких дуг в основном приходится на анодную и катодную области. Если количество сеток достаточно для того, чтобы сумма минимальных падений напряжения, необходимых для поддержания горения дуги в каждом сегменте, была больше приложенного напряжения, то дуга погаснет сама по себе. Кроме того, после перехода переменного тока через ноль из-за околокатодного эффекта диэлектрическая прочность каждого дугового промежутка внезапно возрастает до 150-250 В. Путем последовательного использования нескольких дуговых промежутков можно получить более высокую диэлектрическую прочность, так что дуга не будет повторно зажигаться после гашения при пересечении нуля.

7. Примите гашение дуги с множественным переломом.

Каждая фаза высоковольтного выключателя соединена последовательно с двумя или более разрывами, что снижает напряжение, создаваемое каждым разрывом, и удваивает скорость размыкания контактов, вызывая быстрое удлинение дуги и способствующее гашению дуги.

8. Улучшите скорость разделения контактов выключателя.

Улучшена скорость удлинения дуги, что полезно для охлаждения, рекомбинации и диффузии дуги.