Valokaarin muodostuksen periaate ja sammutusmenetelmä elektronisissa laitteissa, kuten sulakkeissa

Mikä on sähkökaari?

Kun piirin sulake palaa, kun jännite ja virta saavuttavat tietyn arvon, sulakelinkki on juuri sulanut ja irronnut, ja juuri erotettujen sulakelinkkien väliin syntyy kaari, jota kutsutaan kaareksi. Se johtuu voimakkaasta sähkökentästä, joka ionisoi kaasun ja saa virran kulkemaan normaalisti eristävän väliaineen läpi. Valokaarien käytöllä voi olla monia sovelluksia, kuten hitsaus, terästehtaiden valokaariuunit jne. Mutta jos valokaari syntyy hallitsemattomassa tilassa, se vahingoittaa voimansiirtoa, jakelua ja elektroniikkalaitteita. Joten meidän täytyy ymmärtää ja hallita kaari.

Sähkökaaren koostumus

1. Kaaren pylväsalue

Kaaren pylväsalue on sähköisesti neutraali ja koostuu molekyyleistä, atomeista, viritetyistä atomeista, positiivisista ioneista, negatiivisista ioneista ja elektroneista. Niiden joukossa positiivisesti varautuneet ionit ovat lähes yhtä suuria kuin negatiivisesti varautuneet ionit, joten sitä kutsutaan myös plasmaksi. Varautuneet hiukkaset liikkuvat suunnassa plasmassa kuluttamatta paljon energiaa, minkä vuoksi ne voivat siirtää suuria virtoja matalan jännitteen olosuhteissa. Tärkeimmät virtaa välittävät varautuneet hiukkaset ovat elektroneja, joiden osuus on noin 99,9 % varautuneiden hiukkasten kokonaismäärästä, loput ovat positiivisia ioneja. Katodi- ja anodialueiden äärimmäisen lyhyestä pituudesta johtuen kaaripylvään alueen pituutta voidaan pitää kaaren pituutena. Sähkökentän voimakkuus kaaripilarin alueella on suhteellisen alhainen, yleensä vain 5-10 V/cm.

2. Katodialue

Katodia pidetään elektronien lähteenä. Se toimittaa 99,9 % varautuneista hiukkasista (elektroneista) kaaripylvääseen. Katodin kyvyllä emittoida elektroneja on merkittävä vaikutus kaaren stabiilisuuteen. Katodialueen pituus on 10-5-10-6 cm. Jos katodin jännitehäviö on 10 V, katodialueen sähkökentän voimakkuus on 106-107 V/cm.

3. Anodialue

Anodialue on pääasiassa vastuussa elektronien vastaanottamisesta, mutta sen pitäisi myös tarjota 0,1 % varautuneita hiukkasia (positiivisia ioneja) kaaripylvääseen. Anodialueen pituus on yleensä 10-2-10-3cm, joten anodialueen sähkökentän voimakkuus on 103-104V/cm. Anodimateriaalin ja hitsausvirran merkittävästä vaikutuksesta anodialueen jännitehäviöön se voi vaihdella välillä 0 - 10 V. Esimerkiksi kun virrantiheys on korkea ja anodin lämpötila korkea, jolloin anodimateriaali haihtuu, anodin jännitehäviö pienenee, jopa 0 V:iin.

Sähkökaarien ominaisuudet

1. Kaaren vakaan palamisen ylläpitämiseen vaadittava kaarijännite on erittäin alhainen, ja 1 cm:n tasavirtakaaripylvään jännite ilmakehässä on vain 10-50 V.

2. Kaaren läpi voi kulkea suuri virta, joka vaihtelee muutamasta ampeerista useisiin tuhansiin ampeeriin.

3. Kaaren lämpötila on korkea ja kaaripylvään lämpötila on epätasainen. Keskilämpötila on korkein, yltää 6000-10000 asteeseen, kun taas lämpötila laskee poispäin keskustasta.

4. Sähkökaaret voivat säteillä voimakasta valoa. Kaaren valosäteilyn aallonpituus on (1,7-50) × 10-7m. Se sisältää kolme osaa: infrapuna, näkyvä valo ja ultraviolettivalo

Sähkökaarien luokittelu

1. Virran tyypin mukaan se voidaan jakaa AC-, DC- ja pulssikaariin.

2. Kaaren tilan mukaan se voidaan jakaa vapaaseen ja puristettuun kaareen (kuten plasmakaari).

3. Elektrodimateriaalin mukaan se voidaan jakaa: sulava elektrodikaari ja ei-sulava elektrodikaari.

Valokaarien vaarat

1. Kaarien esiintyminen pidentää aikaa, jolloin kojeisto katkaisee vialliset piirit, ja lisää oikosulkujen todennäköisyyttä sähköjärjestelmässä.

2. Kaaren synnyttämä korkea lämpötila sulattaa ja haihduttaa kosketuspinnan polttaen eristemateriaalin. Öljytäytteiset sähkölaitteet voivat myös aiheuttaa tulipalon ja räjähdyksen kaltaisia ​​riskejä.

3. Johtuen siitä, että sähkökaaret voivat liikkua sähköisten ja lämpövoimien vaikutuksesta. Siitä on helppo aiheuttaa kipinöiviä oikosulkuja ja vammoja, mikä johtaa onnettomuuksien eskaloitumiseen.

Kuuden sammutuskaaren periaate

1. Kaaren lämpötila

Valokaari pidetään yllä lämpöionisaatiolla, ja kaaren lämpötilan alentaminen voi heikentää lämpöionisaatiota ja vähentää uusien varautuneiden ionien muodostumista. Samalla se myös vähentää varautuneiden hiukkasten nopeutta ja parantaa komposiittivaikutusta. Pidentämällä kaaria nopeasti, puhaltamalla kaaria kaasulla tai öljyllä tai saattamalla kaari kosketukseen kiinteän väliaineen pinnan kanssa, kaaren lämpötilaa voidaan alentaa.

2. Väliaineen ominaisuudet

Sen väliaineen ominaisuudet, jossa kaari palaa, määräävät suurelta osin dissosiaatiovoiman kaaressa. Sisältää lämmönjohtavuuden, lämpökapasiteetin, lämpövapaan lämpötilan, dielektrisen lujuuden jne.

3. Kaasuväliaineen paine

Kaasuväliaineen paine vaikuttaa merkittävästi kaaren dissosiaatioon. Koska mitä korkeampi kaasun paine, sitä suurempi hiukkasten pitoisuus kaaressa, mitä pienempi on hiukkasten välinen etäisyys, sitä vahvempi on komposiittivaikutus ja sitä helpompi kaari sammuu. Korkeassa tyhjiössä törmäyksen todennäköisyys pienenee, mikä vaimentaa törmäysdissosiaatiota, kun taas diffuusiovaikutus on voimakas.

4. Yhteysmateriaali

Myös kosketusmateriaali vaikuttaa irtoamisprosessiin. Käytettäessä kontakteina korkeita lämpötiloja kestäviä metalleja, joilla on korkea sulamispiste, hyvä lämmönjohtavuus ja suuri lämpökapasiteetti, se vähentää valokaaren kuumien elektronien ja metallihöyryn emissiota, mikä on hyödyllistä valokaaren sammutuksessa.

Valokaarin sammutusmenetelmä

1. Käytä väliainetta valokaaren sammuttamiseen

Valokaariraon irtoaminen riippuu suurelta osin valokaaren ympärillä olevan sammutusaineen ominaisuuksista. Rikkiheksafluoridikaasu on erinomainen valokaarisammutusaine, jolla on vahva elektronegatiivisuus. Se voi nopeasti adsorboida elektroneja ja muodostaa stabiileja negatiivisia ioneja, mikä edistää rekombinaatiota ja ionisaatiota. Sen valokaaren sammutuskyky on noin 100 kertaa ilmaa vahvempi; Tyhjiö (paine alle 0,013 Pa) on myös hyvä väliaine valokaaren sammuttamiseen. Tyhjiössä olevien neutraalien hiukkasten pienestä määrästä johtuen sitä ei ole helppo törmätä ja hajota, ja tyhjiö edistää diffuusiota ja dissosiaatiota. Sen valokaaren sammutuskyky on noin 15 kertaa ilmaa vahvempi.

2. Käytä kaasua tai öljyä kaaren puhaltamiseen

Kaaren puhallus saa aikaan varautuneiden hiukkasten diffuusion ja jäähtymisen rekombinaation kaarivälissä. Suurjännitekatkaisimissa käytetään erilaisia ​​kaarisammutuskammiorakenteita, jotka synnyttävät kaasusta tai öljystä valtavan paineen ja puhaltavat sitä voimakkaasti kohti kaarirakoa. On olemassa kaksi päätapaa puhaltaa kaaria: pystypuhallus ja vaakasuuntainen puhallus. Pystypuhallus on kaaren suuntainen puhallussuunta, mikä saa kaaren ohenemaan; Vaakapuhallus on kaaren suhteen kohtisuorassa puhallussuunta, joka pidentää ja katkaisee kaaren.

3. Käytä valokaarisammutuskoskettimina erikoismetallimateriaaleja

Korkean lämpötilan kestäviä metalleja, joilla on korkea sulamispiste, lämmönjohtavuus ja suuri lämpökapasiteetti, käyttäminen kontaktimateriaaleina voi vähentää kuumien elektronien ja metallihöyryn emissiota sähkökaareissa, jolloin saavutetaan ionisaatiota estävä vaikutus; Samanaikaisesti käytettävä kosketusmateriaali vaatii myös korkeaa valokaari- ja hitsauskestävyyttä. Yleisiä kosketusmateriaaleja ovat kuparivolframiseos, hopeavolframiseos jne.

4. Sähkömagneettinen kaaripuhallus

Ilmiötä, jossa sähkökaari liikkuu sähkömagneettisen voiman vaikutuksesta, kutsutaan sähkömagneettiseksi puhalluskaareksi. Valokaari liikkuu ympäröivässä väliaineessa, sillä sillä on sama vaikutus kuin ilmapuhalluksella, jolloin saavutetaan valokaaren sammutustarkoitus. Tätä valokaaren sammutusmenetelmää käytetään laajemmin pienjännitekojeistoissa.

5. Anna kaari liikkua kiinteän väliaineen kapeassa raossa

Tämän tyyppinen kaarisammutusmenetelmä tunnetaan myös rakosammutusna. Kaaren liikkeen vuoksi väliaineen kapeassa raossa se toisaalta jäähtyy, mikä parantaa ionisaatiovaikutusta; Toisaalta kaari pitenee, kaaren halkaisija pienenee, kaaren vastus kasvaa ja kaari sammuu.

6. Erottele pitkä kaari lyhyiksi kaariksi

Kun kaari kulkee siihen nähden kohtisuorassa olevan metalliristikkorivin läpi, pitkä kaari jaetaan useisiin lyhyisiin kaareihin; Lyhyiden valokaarien jännitehäviö osuu pääasiassa anodi- ja katodialueille. Jos verkkojen määrä on riittävä varmistamaan, että valokaaren palamisen ylläpitämiseen vaadittavien vähimmäisjännitehäviöiden summa kussakin segmentissä on suurempi kuin käytetty jännite, kaari sammuu itsestään. Lisäksi, kun vaihtovirta ylittää nollan, lähellä katodivaikutusta johtuen kunkin kaarivälin dielektrinen lujuus nousee yhtäkkiä 150-250 V:iin. Käyttämällä useita kaarirakoja sarjassa voidaan saavuttaa suurempi dielektrinen lujuus, jotta kaari ei syty uudelleen sen jälkeen, kun se on sammunut nollapisteessä.

7. Ota käyttöön monen murtuman kaarisammutus

Jokainen suurjännitekatkaisijan vaihe on kytketty sarjaan kahdella tai useammalla katkaisulla, mikä vähentää kunkin katkaisun kantamaa jännitettä ja kaksinkertaistaa koskettimen katkaisunopeuden, mikä saa kaaren nopeasti pidentymään ja edistää valokaaren sammumista.

8. Paranna katkaisijoiden koskettimien erotusnopeutta

Parannettu kaaren pidentämisen nopeus, mikä on hyödyllistä kaaren jäähdytyksessä, rekombinaatiossa ja diffuusiossa.