اصل و روش اطفاء قوس در وسایل الکترونیکی مانند فیوزها

قوس الکتریکی چیست؟

هنگامی که فیوز در مدار منفجر می شود، هنگامی که ولتاژ و جریان به مقدار معینی می رسد، پیوند فیوز به تازگی ذوب شده و قطع شده است و بین فیوزهای تازه جدا شده یک قوس ایجاد می شود که به آن قوس می گویند. این به دلیل میدان الکتریکی قوی است که گاز را یونیزه می کند و باعث عبور جریان از محیط معمولی عایق می شود. استفاده از قوس الکتریکی می تواند کاربردهای فراوانی داشته باشد مانند جوشکاری، کوره های قوس الکتریکی در کارخانه های فولاد و ... اما اگر قوس در حالت کنترل نشده ایجاد شود باعث آسیب به انتقال، توزیع و تجهیزات الکترونیکی برق می شود. بنابراین ما باید قوس را درک و کنترل کنیم.

ترکیب قوس الکتریکی

1. منطقه ستون قوس

ناحیه ستون قوس الکتریکی خنثی است و از مولکول ها، اتم ها، اتم های برانگیخته، یون های مثبت، یون های منفی و الکترون ها تشکیل شده است. در میان آنها، یون های دارای بار مثبت تقریباً برابر با یون های دارای بار منفی هستند، بنابراین به آن پلاسما نیز می گویند. ذرات باردار در پلاسما بدون مصرف انرژی به صورت جهت دار حرکت می کنند، به همین دلیل است که می توانند جریان های بالایی را در شرایط ولتاژ پایین منتقل کنند. ذرات باردار اصلی که جریان را منتقل می کنند الکترون ها هستند که تقریباً 99.9٪ از کل ذرات باردار را تشکیل می دهند و بقیه یون های مثبت هستند. با توجه به طول بسیار کوتاه مناطق کاتد و آند، طول ناحیه ستون قوس را می توان به عنوان طول قوس در نظر گرفت. قدرت میدان الکتریکی در ناحیه ستون قوس نسبتاً کم است، معمولاً فقط 5-10V/cm.

2. منطقه کاتد

کاتد منبع الکترون در نظر گرفته می شود. 99.9 درصد از ذرات باردار (الکترون ها) را به ستون قوس می دهد. توانایی کاتد در ساطع الکترون تأثیر بسزایی در پایداری قوس دارد. طول ناحیه کاتد 10-5-10-6 سانتی متر است. اگر افت ولتاژ کاتد 10 ولت باشد، قدرت میدان الکتریکی ناحیه کاتد 106-107 ولت بر سانتی متر است.

3. ناحیه آند

ناحیه آند عمدتاً مسئول پذیرش الکترون ها است، اما باید 0.1٪ از ذرات باردار (یون های مثبت) را نیز به ستون قوس بدهد. طول ناحیه آند معمولاً 10-2-10-3 سانتی متر است، بنابراین قدرت میدان الکتریکی ناحیه آند 103-104 ولت بر سانتی متر است. با توجه به تأثیر قابل توجه مواد آند و جریان جوش بر روی افت ولتاژ در ناحیه آند، می تواند بین 0 تا 10 ولت متغیر باشد. به عنوان مثال، هنگامی که چگالی جریان بالا و دمای آند بالا باشد و باعث تبخیر مواد آند شود، افت ولتاژ آند حتی تا 0 ولت کاهش می یابد.

ویژگی های قوس الکتریکی

1. ولتاژ قوس مورد نیاز برای حفظ احتراق پایدار قوس بسیار کم است و ولتاژ یک ستون قوس DC 1 سانتی متری در جو فقط 10-50 ولت است.

2. جریان زیادی می تواند از قوس عبور کند که از چند آمپر تا چندین هزار آمپر متغیر است.

3. قوس دارای دمای بالایی است و دمای ستون قوس ناهموار است. دمای مرکز بالاترین میزان است و به 6000-10000 درجه می رسد، در حالی که دما دور از مرکز کاهش می یابد.

4. قوس های الکتریکی می توانند نور قوی ساطع کنند. طول موج تابش نور از قوس (1.7-50) × 10-7 متر است. این شامل سه بخش است: مادون قرمز، نور مرئی و نور ماوراء بنفش

طبقه بندی قوس الکتریکی

1. با توجه به نوع جریان می توان آن را به قوس AC، قوس DC و قوس پالسی تقسیم کرد.

2. با توجه به حالت قوس، می توان آن را به قوس آزاد و قوس فشرده (مانند قوس پلاسما) تقسیم کرد.

3. با توجه به مواد الکترود، می توان آن را به: قوس الکترود ذوب و قوس الکترود غیر ذوب تقسیم کرد.

خطرات قوس الکتریکی

1. وجود قوس ها زمان قطع مدارهای معیوب توسط تابلو برق را طولانی می کند و احتمال اتصال کوتاه در سیستم قدرت را افزایش می دهد.

2. دمای بالای ایجاد شده توسط قوس، سطح تماس را ذوب و تبخیر می کند و مواد عایق را می سوزاند. تجهیزات الکتریکی پر از روغن نیز ممکن است خطراتی مانند آتش سوزی و انفجار داشته باشند.

3. با توجه به اینکه قوس های الکتریکی تحت تأثیر نیروهای الکتریکی و حرارتی می توانند حرکت کنند. ایجاد اتصال کوتاه قوس الکتریکی و صدمات آسان است که منجر به تشدید تصادفات می شود.

اصل شش قوس خاموش کننده

1. دمای قوس

قوس با یونیزاسیون حرارتی حفظ می شود و کاهش دمای قوس می تواند یونیزاسیون حرارتی را ضعیف کرده و تولید یون های باردار جدید را کاهش دهد. در عین حال، سرعت ذرات باردار را کاهش می دهد و اثر ترکیبی را افزایش می دهد. با افزایش سریع قوس، دمیدن قوس با گاز یا روغن، یا تماس قوس با سطح یک محیط جامد، می توان دمای قوس را کاهش داد.

2. ویژگی های رسانه

ویژگی های محیطی که قوس در آن می سوزد تا حد زیادی قدرت تفکیک در قوس را تعیین می کند. از جمله هدایت حرارتی، ظرفیت گرمایی، دمای آزاد حرارتی، قدرت دی الکتریک و غیره.

3. فشار محیط گاز

فشار محیط گاز تأثیر بسزایی در تفکیک قوس دارد. زیرا هرچه فشار گاز بیشتر باشد، غلظت ذرات در قوس بیشتر باشد، فاصله بین ذرات کمتر باشد، اثر ترکیبی قوی‌تر و خاموش شدن قوس آسان‌تر است. در یک محیط خلاء بالا، احتمال برخورد کاهش می‌یابد که باعث سرکوب تفکیک برخورد می‌شود، در حالی که اثر انتشار قوی است.

4. مواد تماس

مواد تماس نیز بر روند جدا شدن تأثیر می گذارد. هنگام استفاده از فلزات مقاوم در برابر دمای بالا با نقطه ذوب بالا، هدایت حرارتی خوب و ظرفیت گرمایی زیاد به عنوان تماس، انتشار الکترون های داغ و بخار فلز را در قوس کاهش می دهد که برای خاموش کردن قوس مفید است.

روش خاموش کردن قوس

1. از محیط برای خاموش کردن قوس استفاده کنید

جدا شدن شکاف قوس تا حد زیادی به ویژگی های محیط خاموش کننده اطراف قوس بستگی دارد. گاز هگزا فلوراید گوگرد یک محیط خاموش کننده قوس عالی با الکترونگاتیوی قوی است. این می تواند به سرعت الکترون ها را جذب کند و یون های منفی پایدار را تشکیل دهد که منجر به نوترکیب و یونیزاسیون می شود. توانایی خاموش کردن قوس آن حدود 100 برابر قوی تر از هوا است. خلاء (فشار زیر 0.013Pa) نیز محیط خوبی برای خاموش کردن قوس است. به دلیل کم بودن ذرات خنثی در خلاء، برخورد و تفکیک آن آسان نیست و خلاء منجر به انتشار و تفکیک می شود. توانایی خاموش کردن قوس آن حدود 15 برابر قوی تر از هوا است.

2. از گاز یا روغن برای دمیدن قوس استفاده کنید

دمیدن قوس باعث انتشار و خنک‌سازی مجدد ذرات باردار در شکاف قوس می‌شود. در قطع کننده های مدار فشار قوی، اشکال مختلفی از ساختارهای محفظه خاموش کننده قوس برای ایجاد فشار بسیار زیاد از گاز یا نفت و دمیدن آن به سمت شکاف قوس استفاده می شود. دو راه اصلی برای دمیدن قوس وجود دارد: دمیدن عمودی و دمیدن افقی. دمیدن عمودی جهت دمیدن موازی با قوس است که باعث نازک شدن قوس می شود. دمیدن افقی جهت دمیدن عمود بر قوس است که طویل شده و قوس را قطع می کند.

3. از مواد فلزی مخصوص به عنوان کنتاکت های خاموش کننده قوس استفاده کنید

استفاده از فلزات مقاوم در برابر دمای بالا با نقطه ذوب بالا، رسانایی حرارتی و ظرفیت گرمایی زیاد به عنوان مواد تماسی می‌تواند انتشار الکترون‌های داغ و بخار فلزی را در قوس الکتریکی کاهش دهد، در نتیجه به اثر سرکوب یونیزاسیون دست می‌یابد. ماده تماسی که به طور همزمان استفاده می شود نیز به مقاومت بالایی در برابر قوس و جوش نیاز دارد. مواد تماس متداول شامل آلیاژ مس تنگستن، آلیاژ تنگستن نقره و غیره است.

4. دمیدن قوس الکترومغناطیسی

پدیده حرکت قوس الکتریکی تحت تأثیر نیروی الکترومغناطیسی را قوس دمنده الکترومغناطیسی می گویند. به دلیل حرکت قوس در محیط اطراف، اثری مشابه دمیدن هوا دارد و به این ترتیب هدف از خاموش کردن قوس محقق می شود. این روش خاموش کردن قوس بیشتر در تابلو برق فشار ضعیف استفاده می شود.

5. قوس را در شکاف باریک محیط جامد حرکت دهید

این نوع روش خاموش کردن قوس به عنوان خاموش کننده قوس شکافی نیز شناخته می شود. به دلیل حرکت قوس در شکاف باریک محیط، از یک طرف خنک می شود که باعث افزایش اثر یونیزاسیون می شود. از طرف دیگر، قوس دراز می شود، قطر قوس کاهش می یابد، مقاومت قوس افزایش می یابد و قوس خاموش می شود.

6. قوس بلند را به قوس های کوتاه جدا کنید

هنگامی که قوس از یک ردیف شبکه های فلزی عمود بر آن عبور می کند، قوس بلند به چند قوس کوتاه تقسیم می شود. افت ولتاژ قوس های کوتاه عمدتاً در نواحی آند و کاتد می افتد. اگر تعداد شبکه ها برای اطمینان از اینکه مجموع حداقل افت ولتاژ مورد نیاز برای حفظ احتراق قوس در هر بخش از ولتاژ اعمال شده بیشتر باشد کافی باشد، قوس خود به خود خاموش می شود. علاوه بر این، پس از عبور جریان AC از صفر، به دلیل اثر کاتد نزدیک، قدرت دی الکتریک هر شکاف قوس به طور ناگهانی به 150-250 ولت افزایش می یابد. با استفاده از شکاف های قوس متعدد به صورت سری، می توان استحکام دی الکتریک بالاتری به دست آورد، به طوری که قوس پس از خاموش شدن در تقاطع صفر دوباره مشتعل نمی شود.

7. خاموش کردن قوس چند شکستگی را اتخاذ کنید

هر فاز یک قطع کننده مدار ولتاژ بالا به صورت سری با دو یا چند قطع متصل می شود که ولتاژ متحمل شده توسط هر شکست را کاهش می دهد و سرعت قطع تماس را دو برابر می کند و باعث می شود قوس به سرعت کشیده شود و از خاموش شدن قوس سود می برد.

8. بهبود سرعت جداسازی کنتاکت های قطع کننده مدار

سرعت طویل شدن قوس را بهبود بخشیده است که برای خنک کردن قوس، نوترکیب و انتشار مفید است.