عواقب قوس الکتریکی تشکیل قوس و خواص چگونه قوس در تجهیزات الکتریکی خود را نشان می دهد؟

باز کردن مدار الکتریکی در جریان ها و ولتاژهای قابل توجه معمولاً با تخلیه الکتریکی بین کنتاکت های واگرا همراه است. هنگامی که کنتاکت ها واگرا می شوند، مقاومت تماس و چگالی جریان در آخرین ناحیه تماس به شدت افزایش می یابد. کنتاکت ها تا نقطه ذوب گرم می شوند و یک تنگه تماسی از فلز مذاب تشکیل می شود که با واگرایی بیشتر کنتاکت ها، شکسته می شود و فلز تماسی تبخیر می شود. شکاف هوا بین کنتاکت ها یونیزه می شود و رسانا می شود و یک قوس الکتریکی در آن تحت تأثیر ولتاژ بالا که در نتیجه قوانین کموتاسیون ایجاد می شود ظاهر می شود.

قوس الکتریکی به تخریب کنتاکت ها کمک می کند و عملکرد دستگاه سوئیچینگ را کاهش می دهد، زیرا جریان در مدار فوراً به صفر نمی رسد. با افزایش مقاومت مداری که کنتاکت‌ها در آن باز می‌شوند، افزایش فاصله بین کنتاکت‌ها یا استفاده از اقدامات ویژه خاموش کردن قوس می‌توان از بروز قوس جلوگیری کرد.

حاصل ضرب مقادیر محدود ولتاژ و جریان در مداری که در آن قوس الکتریکی در حداقل فاصله بین کنتاکت ها ایجاد نمی شود، قدرت قطع یا کلیدزنی کنتاکت ها نامیده می شود. با افزایش ولتاژ در مدار، حداکثر جریان سوئیچینگ باید محدود شود. توان سوئیچ شده نیز به ثابت زمانی مدار بستگی دارد: هر چه بیشتر
کنتاکت ها می توانند برق کمتری را تغییر دهند. در مدارهای جریان متناوب، قوس الکتریکی در لحظه ای که مقدار جریان لحظه ای صفر است، خاموش می شود. اگر ولتاژ در کنتاکت ها سریعتر از بازیابی قدرت دی الکتریک شکاف بین کنتاکت ها افزایش یابد، قوس ممکن است در نیم سیکل بعدی دوباره ظاهر شود. با این حال، در همه موارد، قوس در مدار جریان متناوب پایداری کمتری دارد و قدرت شکست کنتاکت ها چندین برابر بیشتر از مدار جریان مستقیم است. قوس الکتریکی به ندرت بر روی مخاطبین دستگاه های الکتریکی کم مصرف ظاهر می شود، اما جرقه اغلب مشاهده می شود - شکستن شکاف عایق زمانی که تماس ها به سرعت در مدارهای جریان کم باز می شوند، ایجاد می شود. این امر به ویژه در دستگاه های حساس و پرسرعت (رله) که در آنها فاصله بین کنتاکت ها بسیار کم است خطرناک است. جرقه زدن طول عمر مخاطبین را کاهش می دهد و می تواند به هشدارهای اشتباه منجر شود. برای کاهش جرقه در کنتاکت ها از دستگاه های مخصوص خاموش کننده جرقه استفاده می شود.

دستگاه خاموش کننده قوس و جرقه.

موثرترین راه برای خاموش کردن قوس الکتریکی، خنک کردن آن با حرکت در هوا و تماس با دیواره های عایق اتاق های مخصوص است که گرمای قوس را از بین می برد.

در دستگاه های مدرن، محفظه های خاموش کننده قوس با شکاف باریک و انفجار مغناطیسی به طور گسترده ای استفاده می شود. قوس را می توان به عنوان یک هادی حامل جریان در نظر گرفت. اگر در میدان مغناطیسی قرار گیرد، نیرویی ایجاد می شود که باعث حرکت قوس می شود. همانطور که حرکت می کند، قوس با هوا دمیده می شود. با افتادن در شکاف باریک بین دو صفحه عایق، تغییر شکل داده و به دلیل افزایش فشار در شکاف محفظه، خارج می شود (شکل 21).

برنج. 21. طراحی محفظه سرکوب قوس با شکاف باریک

محفظه شکاف از دو دیوار 1 ساخته شده از مواد عایق تشکیل شده است. فاصله بین دیوارها بسیار کم است. سیم پیچ 4 که به صورت سری با کنتاکت های اصلی 3 متصل شده است، شار مغناطیسی را تحریک می کند
که توسط نوک های فرومغناطیسی 2 به فضای بین کنتاکت ها هدایت می شود. در نتیجه برهمکنش قوس و میدان مغناطیسی، نیرویی ظاهر می شود
جابجایی قوس به سمت صفحات 1. این نیرو را نیروی لورنتس می نامند که به صورت زیر تعریف می شود:

جایی که - بار ذرات [کولن]،

سرعت ذرات باردار در میدان [m/s]،

-نیروی وارد بر ذره باردار [نیوتن]،

- زاویه بین بردار سرعت و بردار القای مغناطیسی.

می توان گفت که سرعت یک ذره در یک هادی برابر است با:
جایی که - طول هادی (قوس)، و - زمان عبور یک ذره باردار در امتداد قوس. به نوبه خود، جریان - این تعداد ذرات باردار در ثانیه از طریق مقطع هادی است
. یعنی می توانید بنویسید:

جایی که - جریان در هادی (قوس) [آمپر]،

-طول هادی (قوس) [متر]،

القای میدان مغناطیسی [تسلا]،

- نیروی وارد بر هادی (قوس) [نیوتن]،

- زاویه بین بردار جریان و بردار القای مغناطیسی.

جهت نیرو از قانون سمت چپ پیروی می کند: خطوط مغناطیسی نیرو در مقابل کف دست قرار بگیرید، چهار انگشت صاف شده در جهت جریان قرار دارند شست خم شده جهت نیروی الکترومغناطیسی را نشان می دهد
. عمل توصیف شده میدان مغناطیسی (القایی ) الکترومکانیکی یا نیرو نامیده می شود و بیان حاصل را قانون نیروهای الکترومغناطیسی می نامند.

این طرح از کانال قوس در جریان متناوب نیز استفاده می شود، زیرا تغییر جهت جریان، جهت جریان را تغییر می دهد.
و جهت نیرو
بدون تغییر باقی می ماند.

برای کاهش جرقه در کنتاکت های DC کم مصرف، یک دیود به صورت موازی با دستگاه بار متصل می شود (شکل 22).

برنج. 22. روشن کردن دیود برای کاهش جرقه

در این حالت مدار پس از کلید زدن (پس از خاموش شدن منبع) از طریق یک دیود بسته می شود و در نتیجه انرژی جرقه کاهش می یابد.

قوس الکتریکی می تواند بسیار مخرب برای تجهیزات و مهمتر از آن برای افراد خطرناک باشد. تعداد نگران کننده ای از تصادفات ناشی از آن هر ساله رخ می دهد که اغلب منجر به سوختگی یا مرگ جدی می شود. خوشبختانه پیشرفت های قابل توجهی در صنعت برق در زمینه ایجاد وسایل و روش های محافظت در برابر قرار گرفتن در معرض قوس الکتریکی حاصل شده است.

علل و مکان وقوع

قوس الکتریکی یکی از کشنده ترین و کم درک ترین خطرات الکتریکی است و در بیشتر صنایع رایج است. به طور گسترده ای پذیرفته شده است که هر چه ولتاژ سیستم الکتریکی بالاتر باشد، خطر بیشتری برای افرادی که روی سیم ها و تجهیزات برق یا نزدیک آن کار می کنند، بیشتر می شود.

با این حال، انرژی حرارتی ناشی از فلاش قوس در واقع می‌تواند بیشتر باشد و در ولتاژهای پایین‌تر با همان پیامدهای مخرب بیشتر اتفاق بیفتد.

قوس الکتریکی معمولاً زمانی اتفاق می‌افتد که به طور تصادفی بین یک هادی برقی، مانند سیم تماس ترالی‌بوس یا خط تراموا با هادی دیگر، یا یک سطح زمین، تماس برقرار شود.

وقتی این اتفاق می‌افتد، جریان اتصال کوتاه حاصل، سیم‌ها را ذوب می‌کند، هوا را یونیزه می‌کند و یک کانال آتشین از پلاسما رسانا با شکل مشخصه‌ای به شکل قوس (از این رو نام آن) ایجاد می‌کند و دمای قوس الکتریکی در هسته آن می‌تواند به بیش از حد برسد. 20000 درجه سانتیگراد

قوس الکتریکی چیست؟

در واقع، این نام رایج برای تخلیه قوس است که در فیزیک و مهندسی برق به خوبی شناخته شده است - نوعی تخلیه الکتریکی مستقل در گاز. خواص فیزیکی قوس الکتریکی چیست؟ در محدوده وسیعی از فشار گاز، در ولتاژ ثابت یا متناوب (تا 1000 هرتز) بین الکترودها در محدوده از چند ولت (قوس جوش) تا ده ها کیلو ولت می سوزد. حداکثر چگالی جریان قوس در کاتد (10 2 -10 8 A/cm 2) مشاهده می شود، جایی که به یک نقطه کاتدی، بسیار روشن و کوچک منقبض می شود. به طور تصادفی و پیوسته در کل ناحیه الکترود حرکت می کند. دمای آن به حدی است که ماده کاتد در آن می جوشد. بنابراین، شرایط ایده آل برای گسیل ترمیونی الکترون ها به فضای نزدیک به کاتد ایجاد می شود. لایه کوچکی در بالای آن تشکیل شده است که بار مثبت دارد و باعث شتاب الکترون‌های ساطع شده به سرعتی می‌شود که در آن اتم‌ها و مولکول‌های یونیزه‌کننده محیط در شکاف بین الکترودی را تحت تأثیر قرار می‌دهند.

همان نقطه، اما تا حدودی بزرگتر و کمتر متحرک، روی آند تشکیل می شود. دما در آن نزدیک به نقطه کاتد است.

اگر جریان قوس در حد چند ده آمپر باشد، جت‌های پلاسما یا مشعل‌ها با سرعت بالا از هر دو الکترود خارج می‌شوند (عکس زیر را ببینید).

در جریان های بالا (100-300 A)، جت های پلاسما اضافی ظاهر می شوند و قوس شبیه به دسته ای از رشته های پلاسما می شود (عکس زیر را ببینید).

قوس چگونه خود را در تجهیزات الکتریکی نشان می دهد؟

همانطور که در بالا ذکر شد، کاتالیزور برای وقوع آن، تولید گرمای قوی در نقطه کاتد است. دمای قوس الکتریکی، همانطور که قبلا ذکر شد، می تواند به 20000 درجه سانتیگراد برسد، که حدود چهار برابر بیشتر از سطح خورشید است. این گرما می تواند مس هادی ها را که دارای نقطه ذوب حدود 1084 درجه سانتیگراد است، به سرعت ذوب یا حتی تبخیر کند، بسیار کمتر از یک قوس. بنابراین اغلب بخارات مس و پاشش فلز مذاب در آن ایجاد می شود. هنگامی که مس از جامد به بخار تبدیل می شود، تا چند ده هزار برابر حجم اولیه خود منبسط می شود. این معادل یک قطعه مس یک سانتی متری است که در کسری از ثانیه به اندازه 0.1 متر مکعب تغییر می کند. این باعث ایجاد فشار و امواج صوتی با شدت بالا می شود که با سرعت بالا (که می تواند بیش از 1100 کیلومتر در ساعت باشد) منتشر می شود.

قرار گرفتن در معرض قوس الکتریکی

اگر این اتفاق بیفتد، صدمات جدی و حتی مرگ، نه تنها برای افرادی که روی تجهیزات الکتریکی کار می کنند، بلکه برای افراد نزدیک نیز می تواند رخ دهد. صدمات قوس می تواند شامل سوختگی پوست خارجی، سوختگی داخلی ناشی از استنشاق گازهای داغ و فلز تبخیر شده، آسیب شنوایی، آسیب بینایی مانند کوری ناشی از نور فلاش فرابنفش و بسیاری آسیب های مخرب دیگر باشد.

یک قوس بسیار قوی نیز ممکن است باعث منفجر شدن آن شود و فشاری بیش از 100 کیلو پاسکال (کیلو پاسکال) ایجاد کند و با سرعت 300 متر در ثانیه، ترکش‌هایی مانند ترکش آزاد کند.

افرادی که دچار آسیب قوس الکتریکی شده اند ممکن است به درمان و توانبخشی پزشکی گسترده نیاز داشته باشند و هزینه صدمات آنها می تواند بسیار زیاد باشد - از نظر جسمی، عاطفی و مالی. اگرچه کسب‌وکارها طبق قانون ملزم به انجام ارزیابی ریسک برای همه فعالیت‌های کاری هستند، خطر خطرات قوس الکتریکی اغلب نادیده گرفته می‌شود زیرا اکثر مردم نمی‌دانند چگونه خطر را ارزیابی و به طور مؤثر مدیریت کنند. حفاظت در برابر اثرات قوس الکتریکی شامل استفاده از طیف وسیعی از ابزارها، از جمله استفاده در هنگام کار با تجهیزات الکتریکی پرانرژی، تجهیزات حفاظتی الکتریکی ویژه، لباس‌های ویژه و همچنین خود تجهیزات، عمدتاً سوئیچینگ برق با ولتاژ پایین است. دستگاه هایی که با استفاده از وسایل خاموش کننده قوس طراحی شده اند.

قوس در دستگاه های الکتریکی

در این دسته از وسایل الکتریکی (شکن، کنتاکتور، استارتر مغناطیسی) مبارزه با این پدیده از اهمیت ویژه ای برخوردار است. هنگامی که کنتاکت های کلیدی که مجهز به دستگاه های خاصی برای جلوگیری از ایجاد قوس نیست باز می شود، مطمئناً بین آنها مشتعل می شود.

در لحظه ای که کنتاکت ها شروع به جدا شدن می کنند، مساحت دومی به سرعت کاهش می یابد که منجر به افزایش چگالی جریان و در نتیجه افزایش دما می شود. گرمای ایجاد شده در شکاف بین کنتاکت ها (محیط معمول روغن یا هوا است) برای یونیزه شدن هوا یا تبخیر و یونیزه شدن روغن کافی است. هوا یا بخار یونیزه شده به عنوان رسانایی برای جریان قوس بین کنتاکت ها عمل می کند. اختلاف پتانسیل بین آنها بسیار کم است، اما برای حفظ قوس کافی است. در نتیجه، جریان در مدار تا زمانی که قوس از بین برود پیوسته باقی می ماند. نه تنها فرآیند وقفه را به تاخیر می اندازد، بلکه مقدار زیادی گرما تولید می کند که می تواند به خود شکن آسیب برساند. بنابراین مشکل اصلی در یک کلید (در درجه اول یک کلید فشار قوی) خاموش کردن قوس الکتریکی در کوتاه ترین زمان ممکن است تا گرمای تولید شده در آن نتواند به مقدار خطرناکی برسد.

عوامل حفظ قوس بین کنتاکت های سوئیچ

این شامل:

2. ذرات یونیزه شده بین آنها.

با پذیرفتن این موضوع، علاوه بر این متذکر می شویم:

• هنگامی که یک شکاف کوچک بین کنتاکت ها وجود دارد، حتی یک اختلاف پتانسیل کوچک برای حفظ قوس کافی است. یکی از راه های خاموش کردن آن جدا کردن کنتاکت ها در فاصله ای است که اختلاف پتانسیل برای حفظ قوس کافی نباشد. با این حال، این روش در کاربردهای ولتاژ بالا که ممکن است نیاز به جداسازی بیش از چندین متر باشد، عملی نیست.
• ذرات یونیزه شده بین تماس ها تمایل به حمایت از قوس دارند. اگر مسیر آن دیونیزه شود، فرآیند کوئنچ تسهیل می شود. این را می توان با خنک کردن قوس یا حذف ذرات یونیزه شده از فضای بین تماس ها به دست آورد.
• حفاظت قوس الکتریکی در کلیدهای مدار به دو روش انجام می شود:

روش مقاومت بالا؛

روش جریان صفر

خاموش کردن قوس با افزایش مقاومت آن

در این روش، مقاومت در طول مسیر قوس به مرور زمان افزایش می‌یابد به طوری که جریان به مقداری کاهش می‌یابد که برای پشتیبانی از آن کافی نیست. در نتیجه قطع می شود و قوس الکتریکی خاموش می شود. عیب اصلی این روش این است که زمان انقراض بسیار طولانی است و انرژی عظیمی زمان دارد تا در قوس تلف شود.

مقاومت قوس را می توان با موارد زیر افزایش داد:

• ازدیاد طول قوس - مقاومت قوس با طول آن نسبت مستقیم دارد. طول قوس را می توان با تغییر فاصله بین کنتاکت ها افزایش داد.
• خنک کردن قوس یا به طور دقیق تر محیط بین مخاطبین. خنک کننده موثر فن باید در امتداد قوس هدایت شود.
• با قرار دادن کنتاکت ها در محیط گازی که یونیزاسیون دشواری دارد (کلیدهای گاز) یا در محفظه خلاء (کلیدهای خلاء).
• کاهش سطح مقطع قوس با عبور از یک سوراخ باریک، یا کاهش سطح تماس.
• با تقسیم قوس - مقاومت آن را می توان با تقسیم آن به تعدادی قوس کوچک به صورت سری افزایش داد. هر یک از آنها عمل ازدیاد طول و خنک شدن را تجربه می کنند. قوس را می توان با معرفی چند صفحه رسانا بین کنتاکت ها تقسیم کرد.

خاموش شدن قوس با استفاده از روش جریان صفر

این روش فقط در مدارهای AC استفاده می شود. مقاومت قوس را تا زمانی که جریان به صفر برسد پایین نگه می دارد و در آنجا به طور طبیعی خاموش می شود. با وجود افزایش ولتاژ در کنتاکت ها از احتراق مجدد آن جلوگیری می شود. تمام مدارشکن های مدرن با جریان متناوب بالا از این روش خاموش کردن قوس استفاده می کنند.

در یک سیستم جریان متناوب، جریان دوم پس از هر نیم سیکل به صفر می رسد. در هر تنظیم مجدد، قوس برای مدت کوتاهی خاموش می شود. در این حالت، محیط بین کنتاکت ها حاوی یون ها و الکترون ها است، بنابراین قدرت دی الکتریک آن کم است و به راحتی با افزایش ولتاژ در کنتاکت ها از بین می رود.

اگر این اتفاق بیفتد، قوس الکتریکی برای نیم سیکل بعدی جریان می سوزد. اگر بلافاصله پس از تنظیم مجدد به صفر، قدرت دی الکتریک محیط بین کنتاکت ها سریعتر از ولتاژ دو طرف آنها افزایش یابد، قوس مشتعل نمی شود و جریان قطع می شود. افزایش سریع قدرت دی الکتریک محیط نزدیک به صفر جریان را می توان با موارد زیر به دست آورد:

• ترکیب مجدد ذرات یونیزه شده در فضای بین تماس ها به مولکول های خنثی.
• با حذف ذرات یونیزه شده و جایگزینی آنها با ذرات خنثی.

بنابراین، مشکل واقعی در قطع جریان قوس متناوب، یونیزاسیون سریع محیط بین کنتاکت ها به محض صفر شدن جریان است.

روش‌های یونیزاسیون محیط بین تماس‌ها

1. افزایش طول شکاف: استحکام دی الکتریک محیط با طول شکاف بین کنتاکت ها متناسب است. بنابراین، با باز کردن سریع کنتاکت ها، می توان به استحکام دی الکتریک بالاتری از محیط دست یافت.

2. فشار خون بالا. اگر در مجاورت قوس افزایش یابد، چگالی ذرات تشکیل دهنده کانال تخلیه قوس نیز افزایش می یابد. افزایش چگالی ذرات منجر به سطح بالایی از دیونیزه شدن آنها و در نتیجه افزایش استحکام دی الکتریک محیط بین تماس ها می شود.

3. خنک کننده. بازترکیب طبیعی ذرات یونیزه با سرد شدن سریعتر اتفاق می افتد. بنابراین، قدرت دی الکتریک محیط بین کنتاکت ها را می توان با خنک کردن قوس افزایش داد.

4. اثر انفجار. اگر ذرات یونیزه شده بین کنتاکت ها از بین رفته و با ذرات غیریونیزه شده جایگزین شوند، قدرت دی الکتریک محیط را می توان افزایش داد. این را می توان با استفاده از یک انفجار گاز که به منطقه تخلیه هدایت می شود، یا با تزریق روغن به فضای تماس حاصل شد.

این سوئیچ ها از گاز هگزا فلوراید گوگرد (SF6) به عنوان رسانه خاموش کننده قوس استفاده می کنند. تمایل زیادی به جذب الکترون آزاد دارد. کنتاکت های سوئیچ با جریان فشار بالای SF6 بین آنها باز می شود (تصویر زیر را ببینید).

این گاز الکترون های آزاد را در قوس جذب می کند و مقدار زیادی یون منفی کم تحرک را تشکیل می دهد. تعداد الکترون های قوس به سرعت کاهش می یابد و خاموش می شود.

17 ژانویه 2012 ساعت 10:00

هنگامی که مدار الکتریکی باز می شود، تخلیه الکتریکی به شکل قوس الکتریکی رخ می دهد. برای ایجاد قوس الکتریکی، کافی است ولتاژ در کنتاکت ها بالاتر از 10 ولت با جریانی در مدار 0.1 A یا بیشتر باشد. در ولتاژها و جریان های قابل توجه، دمای داخل قوس می تواند به 10 ... 15 هزار درجه سانتیگراد برسد که در نتیجه تماس ها و قطعات حامل جریان ذوب می شوند.

در ولتاژهای 110 کیلوولت و بالاتر، طول قوس می تواند به چند متر برسد. بنابراین، قوس الکتریکی، به ویژه در مدارهای قدرت قدرتمند، در ولتاژهای بالاتر از 1 کیلو ولت خطر بزرگی است، اگرچه عواقب جدی در تاسیسات در ولتاژهای زیر 1 کیلو ولت نیز می تواند رخ دهد. در نتیجه، قوس الکتریکی باید تا حد امکان محدود شود و به سرعت در مدارهایی با ولتاژ بالاتر و زیر 1 کیلو ولت خاموش شود.

علل ایجاد قوس الکتریکی

فرآیند تشکیل قوس الکتریکی را می توان به صورت زیر ساده کرد. هنگامی که کنتاکت ها واگرا می شوند، فشار تماس و در نتیجه سطح تماس در ابتدا کاهش می یابد، مقاومت انتقال (چگالی جریان و دما) افزایش می یابد - گرمای بیش از حد موضعی (در مناطق خاصی از منطقه تماس) شروع می شود، که بیشتر به انتشار ترمیونی کمک می کند. تحت تأثیر دمای بالا، سرعت حرکت الکترون ها افزایش می یابد و آنها از سطح الکترود خارج می شوند.

در لحظه ای که کنتاکت ها واگرا می شوند، یعنی مدار قطع می شود، ولتاژ به سرعت در شکاف تماس بازیابی می شود. از آنجایی که فاصله بین تماس ها کم است، یک میدان الکتریکی با شدت بالا ایجاد می شود که تحت تأثیر آن الکترون ها از سطح الکترود خارج می شوند. آنها در یک میدان الکتریکی شتاب می گیرند و هنگامی که به یک اتم خنثی برخورد می کنند، انرژی جنبشی خود را به آن می دهند. اگر این انرژی برای حذف حداقل یک الکترون از پوسته یک اتم خنثی کافی باشد، فرآیند یونیزاسیون اتفاق می افتد.

الکترون‌ها و یون‌های آزاد حاصل، پلاسمای بشکه قوس را می‌سازند، یعنی کانال یونیزه‌ای که در آن قوس می‌سوزد و حرکت مداوم ذرات تضمین می‌شود. در این حالت، ذرات باردار منفی، عمدتاً الکترون‌ها، در یک جهت (به سمت آند) حرکت می‌کنند و اتم‌ها و مولکول‌های گاز فاقد یک یا چند الکترون - ذرات باردار مثبت - در جهت مخالف (به سمت کاتد) حرکت می‌کنند. رسانایی پلاسما نزدیک به رسانایی فلزات است.

جریان زیادی از شفت قوس می گذرد و دمای بالایی ایجاد می شود. این دمای بشکه قوس منجر به یونیزاسیون حرارتی می شود - فرآیند تشکیل یون ها به دلیل برخورد مولکول ها و اتم ها با انرژی جنبشی بالا در سرعت های بالای حرکت آنها (مولکول ها و اتم های محیطی که در آن قوس می سوزد به الکترون ها متلاشی می شوند و یون های دارای بار مثبت). یونیزاسیون حرارتی شدید هدایت پلاسما را بالا نگه می دارد. بنابراین، افت ولتاژ در طول قوس کم است.

در یک قوس الکتریکی، دو فرآیند به طور مداوم اتفاق می‌افتد: علاوه بر یونیزاسیون، یونیزاسیون اتم‌ها و مولکول‌ها نیز. مورد دوم عمدتاً از طریق انتشار رخ می دهد، یعنی انتقال ذرات باردار به محیط، و بازترکیب الکترون ها و یون های دارای بار مثبت، که با آزاد شدن انرژی صرف شده برای فروپاشی آنها، دوباره به ذرات خنثی ترکیب می شوند. در این حالت گرما در محیط پخش می شود.

بنابراین، می توان سه مرحله از فرآیند مورد بررسی را تشخیص داد: اشتعال قوس، زمانی که به دلیل یونیزاسیون ضربه و انتشار الکترون از کاتد، تخلیه قوس شروع می شود و شدت یونیزاسیون بالاتر از احتراق قوس پایدار است یونیزاسیون حرارتی در بشکه قوس، زمانی که شدت یونیزاسیون و یونیزاسیون یکسان است، خاموشی قوس زمانی که شدت یونیزاسیون بیشتر از یونیزاسیون باشد.

روش های خاموش کردن قوس در دستگاه های سوئیچینگ الکتریکی

برای جدا کردن عناصر مدار الکتریکی و در نتیجه جلوگیری از آسیب رساندن به دستگاه سوئیچینگ، نه تنها باید مخاطبین آن را باز کنید، بلکه قوس ظاهر شده بین آنها را نیز خاموش کنید. فرآیندهای خاموش کردن قوس و همچنین احتراق برای جریان متناوب و مستقیم متفاوت است. این با این واقعیت مشخص می شود که در حالت اول، جریان در قوس در هر نیم چرخه از صفر عبور می کند. در این لحظات، آزاد شدن انرژی در قوس متوقف می شود و قوس هر بار به طور خود به خود خاموش می شود و سپس دوباره روشن می شود.

در عمل، جریان در قوس کمی زودتر از انتقال به صفر نزدیک به صفر می شود، زیرا با کاهش جریان، انرژی عرضه شده به قوس کاهش می یابد و دمای قوس بر این اساس کاهش می یابد و یونیزاسیون حرارتی متوقف می شود. در این حالت، فرآیند دییونیزاسیون به شدت در شکاف قوس رخ می دهد. اگر کنتاکت ها در لحظه باز شوند و به سرعت از هم جدا شوند، ممکن است خرابی الکتریکی بعدی رخ ندهد و مدار بدون ایجاد قوس خاموش شود. با این حال، در عمل انجام این کار بسیار دشوار است و بنابراین اقدامات ویژه ای برای تسریع در خاموش شدن قوس، اطمینان از خنک شدن فضای قوس و کاهش تعداد ذرات باردار انجام می شود.

در نتیجه دییونیزاسیون، قدرت الکتریکی شکاف به تدریج افزایش می یابد و همزمان ولتاژ بازیابی در آن افزایش می یابد. نسبت این مقادیر تعیین می کند که آیا قوس در نیمه بعدی دوره روشن می شود یا خیر. اگر قدرت الکتریکی شکاف سریعتر افزایش یابد و ولتاژ بازیابی بیشتر باشد، قوس دیگر مشتعل نمی شود، در غیر این صورت قوس پایدار تضمین می شود. شرط اول وظیفه خاموش کردن قوس را تعیین می کند.

دستگاه های سوئیچینگ از روش های مختلفی برای خاموش کردن قوس استفاده می کنند.

افزایش طول قوس

هنگامی که تماس ها در طول فرآیند قطع مدار الکتریکی از هم جدا می شوند، قوس حاصل کشیده می شود. در عین حال، شرایط خنک کننده برای قوس بهبود می یابد، زیرا سطح آن افزایش می یابد و ولتاژ بیشتری برای احتراق مورد نیاز است.

تقسیم یک قوس بلند به تعدادی کمان کوتاه

اگر قوس تشکیل شده هنگام باز شدن کنتاکت ها به قوس های کوتاه K تقسیم شود، به عنوان مثال با کشیدن آن به یک شبکه فلزی، آنگاه خارج می شود. قوس معمولاً تحت تأثیر یک میدان الکترومغناطیسی که توسط جریان های گردابی در صفحات شبکه ایجاد می شود به یک شبکه فلزی کشیده می شود. این روش خاموش کردن قوس به طور گسترده در دستگاه های سوئیچینگ برای ولتاژهای زیر 1 کیلو ولت، به ویژه در قطع کننده های مدار اتوماتیک هوا استفاده می شود.

خنک کننده قوس الکتریکی در شکاف های باریک

خاموش کردن قوس در حجم کم آسان تر است. بنابراین، در دستگاه های سوئیچینگ، اتاق های خاموش کننده قوس با شکاف های طولی به طور گسترده ای استفاده می شود (محور چنین شکافی در جهت محور محور قوس منطبق است). چنین شکافی معمولاً در محفظه های ساخته شده از مواد عایق مقاوم در برابر قوس تشکیل می شود. به دلیل تماس قوس با سطوح سرد، خنک شدن شدید، انتشار ذرات باردار در محیط و بر این اساس، دییونیزاسیون سریع رخ می دهد.

علاوه بر شکاف هایی با دیواره های موازی صفحه، از شکاف های دنده ای، برآمدگی و پسوند (جیب) نیز استفاده می شود. همه اینها منجر به تغییر شکل بشکه قوس می شود و به افزایش سطح تماس با دیواره های سرد محفظه کمک می کند.

کشیدن یک قوس به شکاف‌های باریک معمولاً تحت تأثیر یک میدان مغناطیسی در تعامل با قوس اتفاق می‌افتد که می‌توان آن را به عنوان رسانایی با جریان در نظر گرفت.

میدان مغناطیسی خارجی برای حرکت قوس اغلب توسط سیم پیچی که به صورت سری با مخاطبینی که بین آنها قوس ایجاد می شود متصل می شود. خاموش شدن قوس در شکاف های باریک در دستگاه هایی برای تمام ولتاژها استفاده می شود.

خاموش کردن قوس فشار قوی

در دمای ثابت، درجه یونیزاسیون گاز با افزایش فشار کاهش می یابد، در حالی که هدایت حرارتی گاز افزایش می یابد. همه چیزهای دیگر برابر هستند، این منجر به افزایش خنک شدن قوس می شود. خاموش کردن قوس با استفاده از فشار زیاد ایجاد شده توسط خود قوس در محفظه های محکم بسته به طور گسترده در فیوزها و تعدادی از وسایل دیگر استفاده می شود.

انقراض قوس در نفت

اگر کنتاکت های سوئیچ در روغن قرار گیرند، قوسی که هنگام باز شدن ایجاد می شود منجر به تبخیر شدید روغن می شود. در نتیجه، یک حباب گاز (غلاف) در اطراف قوس تشکیل می شود که عمدتاً از هیدروژن (70 ... 80٪) و همچنین بخار روغن تشکیل شده است. گازهای آزاد شده با سرعت زیاد مستقیماً به داخل شفت قوس نفوذ می کنند، باعث اختلاط گاز سرد و گرم در حباب می شوند، خنک کننده شدید و بر این اساس، دیونیزاسیون شکاف قوس را فراهم می کنند. علاوه بر این، توانایی دییونیزاسیون گازها باعث افزایش فشار داخل حباب ایجاد شده در طی تجزیه سریع نفت می شود.

شدت فرآیند خاموش کردن قوس در روغن بیشتر است، هر چه قوس به روغن نزدیک‌تر شود و روغن نسبت به قوس سریع‌تر حرکت می‌کند. با در نظر گرفتن این موضوع، پارگی قوس توسط یک دستگاه عایق بسته محدود می شود - یک محفظه خاموش کننده قوس. در این محفظه‌ها تماس نزدیک‌تر روغن با قوس ایجاد می‌شود و با کمک صفحات عایق و سوراخ‌های خروجی، کانال‌های کاری تشکیل می‌شوند که روغن و گازها از طریق آن حرکت می‌کنند و دمیدن شدید قوس را فراهم می‌کنند.

قوس الکتریکی- پدیده تخلیه الکتریکی در یک گاز (محیط گاز). جریان الکتریکی از طریق یک کانال یونیزه شده در گاز (هوا).

هنگامی که ولتاژ بین دو الکترود تا سطح شکست الکتریکی در هوا افزایش می یابد، قوس الکتریکی بین آنها ایجاد می شود. ولتاژ شکست الکتریکی به فاصله بین الکترودها، فشار گاز اطراف، دمای محیط، رطوبت و سایر عواملی که به طور بالقوه بر شروع فرآیند تأثیر می‌گذارند، بستگی دارد. و ولتاژ قوس دو برابر بیشتر است (9 - 10 ولت). صرف انرژی برای آزادسازی یک الکترون از اتم فلزی یک الکترود و یونیزه کردن اتم الکترود دوم ضروری است. این فرآیند منجر به تشکیل پلاسما بین الکترودها و سوزاندن قوس می شود (برای مقایسه: حداقل ولتاژ برای تشکیل تخلیه جرقه کمی بالاتر از پتانسیل خروجی الکترون است - تا 6 ولت).

برای شروع شکست در ولتاژ موجود، الکترودها به یکدیگر نزدیکتر می شوند. در هنگام خرابی، تخلیه جرقه ای معمولاً بین الکترودها اتفاق می افتد و مدار الکتریکی را با پالس بسته می کند.

الکترون‌های موجود در تخلیه‌های جرقه، مولکول‌های موجود در شکاف هوای بین الکترودها را یونیزه می‌کنند. با قدرت کافی منبع ولتاژ در شکاف هوا، مقدار کافی پلاسما برای افت قابل توجه ولتاژ شکست یا مقاومت شکاف هوا تشکیل می شود. در این مورد، تخلیه جرقه به یک تخلیه قوس تبدیل می شود - یک طناب پلاسما بین الکترودها، که یک تونل پلاسما است. قوس حاصل در واقع یک رسانا است و مدار الکتریکی بین الکترودها را می بندد. در نتیجه، جریان متوسط ​​حتی بیشتر می شود و قوس را تا 4700-49700 درجه سانتیگراد گرم می کند. در این حالت، احتراق قوس به پایان رسیده است. پس از احتراق، سوزاندن قوس پایدار با انتشار ترمیونی از کاتد تضمین می شود که توسط جریان و بمباران یونی گرم می شود.

تعامل الکترودها با پلاسمای قوس الکتریکی منجر به گرم شدن، ذوب جزئی، تبخیر، اکسیداسیون و سایر انواع خوردگی آنها می شود.
پس از احتراق، زمانی که کنتاکت های الکتریکی در فاصله معینی از هم جدا شوند، قوس می تواند پایدار بماند.

هنگام بهره برداری از تاسیسات الکتریکی فشار قوی، که در آنها ظاهر یک قوس الکتریکی اجتناب ناپذیر است، با استفاده از سیم پیچ های الکترومغناطیسی همراه با اتاق های خاموش کننده قوس مبارزه می شود. در میان روش های دیگر، استفاده از قطع کننده مدار خلاء، هوا، SF6 و روغن و همچنین روش های انحراف جریان به یک بار موقت که به طور مستقل مدار الکتریکی را می شکند، شناخته شده است.

ساختار قوس الکتریکی

قوس الکتریکی از نواحی کاتد و آند، ستون قوس و نواحی انتقال تشکیل شده است. ضخامت ناحیه آند 0.001 میلی متر، ناحیه کاتد حدود 0.0001 میلی متر است.

دما در ناحیه آندی هنگام جوشکاری با الکترود مصرفی حدود 2500 ... 4000 درجه سانتیگراد است، دما در ستون قوس از 7000 تا 18000 درجه سانتیگراد، در منطقه کاتد - 9000 - 12000 درجه سانتیگراد است.

ستون قوس الکتریکی خنثی است. در هر یک از بخش های آن به همان تعداد ذرات باردار با علائم مخالف وجود دارد. افت ولتاژ در ستون قوس متناسب با طول آن است.

تاثیر قوس الکتریکی بر تجهیزات الکتریکی

در تعدادی از دستگاه ها پدیده قوس الکتریکی مضر است. اینها عمدتاً دستگاه های سوئیچینگ تماسی هستند که در منبع تغذیه و درایوهای الکتریکی استفاده می شوند: سوئیچ های ولتاژ بالا، قطع کننده های مدار، کنتاکتورها، عایق های مقطعی در شبکه تماس راه آهن برقی و حمل و نقل الکتریکی شهری. هنگامی که بارها توسط دستگاه های فوق قطع می شوند، یک قوس بین کنتاکت های باز کننده ایجاد می شود.

مکانیسم وقوع قوس

• کاهش فشار تماس - تعداد نقاط تماس کاهش می یابد، مقاومت در واحد تماس افزایش می یابد.
• آغاز واگرایی تماس - تشکیل "پل" از فلز مذاب مخاطبین (در آخرین نقاط تماس).
• پارگی و تبخیر "پل ها" از فلز مذاب؛
• تشکیل قوس الکتریکی در بخار فلز (که به یونیزاسیون بیشتر شکاف تماس و مشکل در خاموش کردن قوس کمک می کند).
• سوزاندن قوس پایدار با فرسودگی سریع مخاطبین.

برای به حداقل رساندن آسیب به کنتاکت ها، باید قوس را در حداقل زمان خاموش کرد و تمام تلاش خود را برای جلوگیری از باقی ماندن قوس در یک مکان انجام داد (با حرکت قوس، گرمای آزاد شده در آن به طور یکنواخت بر روی بدنه تماس پخش می شود. ).

روش های مقابله با قوس الکتریکی

• خنک کننده قوس الکتریکی توسط جریان خنک کننده (سوئیچ روغن)؛
• خنک کردن قوس با جریان گاز خنک کننده - (شکن هوا، قطع کننده مدار اتوگاز، قطع کننده مدار روغن، قطع کننده مدار گاز SF6)، و جریان محیط خنک کننده می تواند هم از امتداد شفت قوس (خاموش طولی) و هم در عرض ( خاموش شدن عرضی)؛ گاهی اوقات از میرایی طولی - عرضی استفاده می شود.
• استفاده از قابلیت خاموش کردن قوس خلاء - مشخص است که وقتی فشار گازهای اطراف کنتاکت های سوئیچ شده به مقدار معینی کاهش می یابد، یک قطع کننده مدار خلاء منجر به خاموش شدن موثر قوس می شود (به دلیل عدم وجود حامل برای تشکیل قوس).
• استفاده از مواد تماسی مقاوم تر در برابر قوس؛
• استفاده از مواد تماس با پتانسیل یونیزاسیون بالاتر؛
• استفاده از شبکه های خاموش کننده قوس (شکن مدار، کلید الکترومغناطیسی).
• اصل استفاده از خاموش کردن قوس بر روی توری ها بر اساس استفاده از اثر افت نزدیک به کاتد در قوس است (بیشتر افت ولتاژ در قوس افت ولتاژ در کاتد است؛ توری خاموش کننده قوس در واقع یک سری از افت ولتاژ در قوس است. مخاطبین سریال برای قوسی که به آنجا می رسد).
• استفاده از محفظه های سرکوب قوس - با ورود به محفظه ای ساخته شده از مواد مقاوم در برابر قوس مانند پلاستیک میکا، با کانال های باریک، گاهی اوقات زیگزاگ، قوس کشیده می شود، منقبض می شود و از تماس با دیواره های محفظه به شدت سرد می شود.
• استفاده از "انفجار مغناطیسی" - از آنجایی که قوس بسیار یونیزه است، می توان آن را به عنوان اولین تقریب به عنوان یک هادی انعطاف پذیر با جریان در نظر گرفت. با ایجاد یک میدان مغناطیسی با آهنرباهای الکترومغناطیسی ویژه (که به صورت سری با قوس متصل هستند)، می توان حرکت قوس را ایجاد کرد تا گرما را به طور یکنواخت بر روی تماس توزیع کند و آن را به داخل محفظه یا شبکه خاموش کننده قوس هدایت کند. برخی از طرح های سوئیچ یک میدان مغناطیسی شعاعی ایجاد می کنند که گشتاور را به قوس می دهد.
• دور زدن کنتاکت ها در لحظه باز شدن توسط سوئیچ نیمه هادی برق با تریستور یا تریاک متصل به موازات کنتاکت ها، کلید نیمه هادی در لحظه عبور ولتاژ از صفر (کنتاکتور هیبریدی، تیریکون) خاموش می شود. .

یادداشت

• قوس الکتریکی - مقاله از دایره المعارف بزرگ شوروی.
• تخلیه جرقه - مقاله از دایره المعارف بزرگ شوروی.
• Raiser Yu. P. فیزیک تخلیه گاز. - ویرایش دوم - م.: ناوکا، 1992. - 536 ص. - شابک 5-02014615-3.
• Rodshtein L. A. Electrical devices, L 1981

قوس الکتریکی تخلیه قوسی است که بین دو الکترود یا یک الکترود و یک قطعه کار اتفاق می‌افتد و امکان اتصال دو یا چند قطعه را با جوشکاری فراهم می‌کند.

قوس جوش بسته به محیطی که در آن اتفاق می افتد به چند گروه تقسیم می شود. می تواند باز، بسته یا در یک محیط گاز محافظ باشد.

یک قوس باز در هوای آزاد از طریق یونیزاسیون ذرات در ناحیه احتراق و همچنین به دلیل بخارات فلزی قطعات در حال جوش و مواد الکترود جریان دارد. قوس بسته به نوبه خود زیر لایه ای از شار می سوزد. این به شما امکان می دهد ترکیب محیط گاز را در منطقه احتراق تغییر دهید و از فلز قطعه کار در برابر اکسیداسیون محافظت کنید. در این حالت، قوس الکتریکی از طریق بخار فلز و یون های افزودنی شار جریان می یابد. قوسی که در یک محیط گاز محافظ می سوزد، از طریق یون های این گاز و بخارات فلزی جریان می یابد. این همچنین به شما امکان می دهد از اکسیداسیون قطعات جلوگیری کنید و در نتیجه قابلیت اطمینان اتصال تشکیل شده را افزایش دهید.

قوس الکتریکی در نوع جریان ارائه شده - متناوب یا مستقیم - و در مدت زمان احتراق - پالسی یا ثابت متفاوت است. علاوه بر این، قوس می تواند قطبیت مستقیم یا معکوس داشته باشد.

بر اساس نوع الکترود مورد استفاده، غیر ذوب شدن و ذوب شدن متمایز می شوند. استفاده از یک یا آن الکترود به طور مستقیم به ویژگی های دستگاه جوش بستگی دارد. همانطور که از نام آن پیداست، قوسی که هنگام استفاده از یک الکترود غیر مصرفی ایجاد می شود، آن را تغییر شکل نمی دهد. هنگام جوشکاری با الکترود مصرفی، جریان قوس، مواد را ذوب می کند و روی قطعه کار اصلی ذوب می شود.

شکاف قوس را می توان به طور مشروط به سه بخش مشخصه تقسیم کرد: نزدیک به کاتد، نزدیک به آند و همچنین شفت قوس. در این مورد، آخرین بخش، یعنی. شفت قوس بیشترین طول را دارد، با این حال، ویژگی های قوس، و همچنین امکان وقوع آن، دقیقاً توسط مناطق نزدیک به الکترود تعیین می شود.

به طور کلی، ویژگی هایی که یک قوس الکتریکی دارد را می توان در لیست زیر ترکیب کرد:

1. طول قوس. این به فاصله کل مناطق کاتد و آند و همچنین شفت قوس اشاره دارد.

2. ولتاژ قوس. از مجموع هر یک از مناطق تشکیل شده است: بشکه، نزدیک به کاتد و نزدیک به آند. در این حالت، تغییر ولتاژ در مناطق نزدیک به الکترود به طور قابل توجهی بیشتر از ناحیه باقی مانده است.

3. دما. یک قوس الکتریکی، بسته به ترکیب محیط گازی و مواد الکترودها، می تواند دمایی تا 12 هزار درجه کلوین ایجاد کند. با این حال، چنین پیک هایی در کل صفحه انتهای الکترود قرار ندارند. زیرا حتی با بهترین پردازش، مواد قسمت رسانا دارای بی نظمی ها و غده های مختلفی است که به دلیل آن تخلیه های زیادی رخ می دهد که به عنوان یکی تلقی می شوند. البته دمای قوس تا حد زیادی به محیطی که در آن می سوزد و همچنین به پارامترهای جریان عرضه شده بستگی دارد. به عنوان مثال، اگر مقدار فعلی را افزایش دهید، بر این اساس، مقدار دما افزایش می یابد.

و در نهایت مشخصه جریان-ولتاژ یا مشخصه I-V. این نشان دهنده وابستگی ولتاژ به طول و مقدار جریان است.